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オゾンの生成と破壊の実験
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実 験 オ ゾ ン の 生 成 と 破 壊 ∗
1. 目 的 ・ オ ゾ ン の 生 成 理 論 に 対 す る 理 解 を 深 め る ． ・ フ ロ ン に よ る オ ゾ ン 破 壊 の メ カ ニ ズ ム を 理 解 す る ． ・ 科 学 的 研 究 に お け る 室 内 実 験 に 対 す る 理 解 を 深 め る ． 2. 予 備 知 識 2.1. オ ゾ ン の 生 成 理 論 大 気 中 の 酸 素 分 子 （ O 2 ） が 短 波 長 （ 波 長 < 240 nm） の 紫 外 線 を 吸 収 し て 酸 素 原 子 （ O）
に 光 解 離 し ， そ の 酸 素 原 子 が 酸 素 分 子 と 結 合 し て オ ゾ ン （ O3） を 生 成 す る ． た だ し ， オ ゾ
ン の 生 成 に は ，余 分 な エ ネ ル ギ ー を 吸 収 す る 第 三 の 物 質 M（ 例 え ば ，窒 素 分 子 や 酸 素 分 子 ）
を 含 め た 三 体 衝 突 が 必 要 で あ る ． O 2 ＋ 紫 外 線 → 2O
(1)
O ＋ O2 + M → O3 ＋ M
(2)
生 成 さ れ た オ ゾ ン は ， 長 波 長 （ 240 nm<波 長 <340 nm） の 紫 外 線 の 影 響 で 酸 素 分 子 と 酸 素
原 子 に 分 解 さ れ る ． ま た ， 酸 素 原 子 は オ ゾ ン と 反 応 し ， 安 定 な 酸 素 分 子 と な る ． O3 ＋ 紫 外 線 → O ＋ O2
(3)
O ＋ O 3 + → 2O 2
(4)
酸 素 原 子 と 空 気 中 の 水 分 子 と の 反 応 に よ っ て ， 水 酸 基 ラ ジ カ ル が 生 成 さ れ る が ， こ の 活
性 の 水 酸 基 ラ ジ カ ル も オ ゾ ン 分 解 に 関 与 す る ． O ＋ H 2 O → 2OH
(5)
O 3 ＋ 2OH → H 2 O ＋ 2O 2
(6)
2.2. フ ロ ン に よ る オ ゾ ン の 破 壊 塩 素 を 含 ん で い る フ ロ ン （ CFCl 3 ） は ， 波 長 が 240 nm の 紫 外 線 に よ り 分 解 さ れ ， 塩 素 原
子 が 生 成 さ れ る ．塩 素 原 子 は オ ゾ ン を 分 解 し て 一 酸 化 塩 素（ ClO）と 酸 素 分 子 を 生 成 す る ．
一酸化塩素は不安定であり，酸素原子と反応して，再び塩素原子に戻る．このような連鎖
反 応 の 影 響 で ， 塩 素 に よ り オ ゾ ン が 次 か ら 次 へ と 破 壊 さ れ る ． 一 連 を 反 応 式 を (7)～ (9)に
示 し た ． ま た ， 図 １ に フ ロ ン に よ る オ ゾ ン 分 解 の メ カ ニ ズ ム を 示 し た ． ∗
CFCl 3 ＋ 紫 外 線 → CFCl 2 ＋ Cl
(7)
Cl ＋ O 3 → ClO ＋ O 2
(8)
ClO ＋ O → Cl ＋ O 2
(9)
本 項 は 光 明 理 化 学 工 業 株 式 会 社 「 オ ゾ ン 層 実 験 器 OZ-1 取 扱 説 明 書 」 か ら 抜 粋 ・ 修 正 ．
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図 1. フ ロ ン に よ る オ ゾ ン 分 解 メ カ ニ ズ ム 2.3. 実 験 を 進 め る 上 で の 注 意 点 ・ 紫 外 線 ラ ン プ は 主 と し て 254 nm の 波 長 （ UV-B） の 紫 外 線 を 照 射 し て い る が ， ア ル カ リ
ガ ラ ス の 反 応 槽 と ア ク リ ル の 実 験 器 フ タ を 用 い て い る の で ，紫 外 線 を 透 過 し な い ．た だ し ，
紫 外 線 ラ ン プ の 光 は 長 時 間 直 視 し な い こ と . ・オゾン分解時にハロゲン化水素などの有害ガスが生成されるが，これはクリップでフタ
をしている限り漏洩せず，実験終了後の処理で活性炭と炭酸ナトリウム水溶液に吸収させ
る こ と で 除 害 す る ． ・ 実 験 中 や 実 験 後 の ガ ス が 反 応 槽 内 に 残 留 し て い る と き は ， 実 験 器 フ タ を 開 け な い こ と ． ・ 実 験 器 フ タ を 開 け る 時 は ， ACア ダ プ タ の コ ー ド を 装 置 本 体 か ら 抜 い て か ら 開 け る こ と ． ・ 実 験 器 フ タ を 開 け た 状 態 で ラ ン プ を 点 灯 し な い ． ・ オ ゾ ン 濃 度 が 50 ppm を 超 え る と き は ， 50 ｍ ℓ 採 気 を 実 施 す る ． 詳 し く は 検 知 管 の 取 扱
説 明 書 を 確 認 す る こ と ． ・ 一 回 の 実 験 で ， ガ ス 濃 度 の 測 定 を 10回 以 上 行 わ な い こ と ． 反 応 槽 内 が 減 圧 状 態 と な り ，
装 置 が 破 損 す る 恐 れ が あ る ． ・紫外線ランプが汚れると，紫外線の照射量が減り，実験が上手くできないことがある．
汚 れ て い る 場 合 は ， き れ い な 布 に 石 け ん 水 を 浸 し ， か る く し ぼ っ て 拭 き 取 る よ う に す る ． ・ 本 実 験 器 で 使 用 す る フ ロ ン は 水 素 を 含 む 代 替 フ ロ ン で あ り ， 破 壊 係 数 は 約 1/10で あ る ． ・ オ ゾ ン は 表 1に 示 し た よ う に 有 害 で あ る た め ， 実 験 に は 注 意 が 必 要 で あ る ． 表 1. オ ゾ ン の 暴 露 に よ る 人 体 へ の 影 響 濃 度 ～ 0.1ppm 影 響 1日 8時 間 ， 週 40時 間 程 度 の 労 働 時 間 で は ， ほ と ん ど の 労 働 者 に 健
康 上 の 悪 影 響 が 見 ら れ な い と 判 断 さ れ る ． 0.1ppm～ オ ゾ ン 臭 気 が あ り ， 鼻 や 喉 に 刺 激 を 感 じ て 不 快 感 を 与 え る ． 0.2～ 0.5ppm 数 時 間 の 暴 露 で 視 覚 が 低 下 し ， 目 眩 を 感 じ る ． 0.5ppm 上 部 気 道 に ， 明 ら か に 刺 激 を 感 じ て 咳 き 込 む ． 1～ 2ppm 数時間の暴露で催涙，頭痛，胸部痛などが起こり，暴露を繰り返
せ ば 慢 性 中 毒 に か か る ． 5～ 10ppm 脈 拍 増 加 ， 体 痛 ， 麻 痺 症 状 が 現 れ ， 暴 露 が 続 け ば 肺 水 腫 を 招 く ． 15～ 20ppm 呼 吸 困 難 と な り ， 小 動 物 は 2時 間 以 内 に 死 亡 す る ． 50ppm 数 分 の 暴 露 で 急 性 中 毒 と な り ，人 間 は 1時 間 で 生 命 が 危 険 な 状 態 に
な る ． 出 典 ： http://www.oo-o.jp/ozone02/ 大気環境研究室
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3. 準 備 3.1. 実 験 機 材 オ ゾ ン 層 実 験 器 ， ACア ダ プ タ ー ， 注 射 器 ， HCFC-141b（ 代 替 フ ロ ン ） ， 試 薬 瓶 ， 活 性
炭 ，10％ 炭 酸 ナ ト リ ウ ム 水 溶 液 ，二 層 式 シ ャ ー レ ，ク リ ッ プ（ 4ヶ ），シ リ コ ン 栓 ，シ ー リ
ングテープ，紫外線発色ビーズ，紫外線発色ビーズ用シャーレ，気体採取器，気体検知管
（ オ ゾ ン ，塩 素 ，酸 素 ，二 酸 化 炭 素 ），小 型 オ ゾ ン 分 析 計（ Aeroqual Series 500 Monitor） 図 2. 実 験 に 必 要 な 材 料 と 装 置 大気環境研究室
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3.2. オ ゾ ン 層 実 験 器 の 組 み 立 て ① 二 層 式 シ ャ ー レ の フ タ を 開 け ， 活 性 炭 （ 約 15 g） ， 10％ 炭 酸 ナ ト リ ウ ム 水 溶 液 （ 約 10
ｍ L） を 投 入 す る ． 活 性 炭 と 炭 酸 ナ ト リ ウ ム 水 溶 液 の 量 は ， シ ャ ー レ の 8割 程 度 が 適 当 量 で
あ る ． 図 3. オ ゾ ン 除 去 剤 の 準 備 ② 装 置 フ タ を 取 り 外 し ，図 4の よ う に 逆 さ ま に し て か ら ，装 置 フ タ の 側 面 に シ ー リ ン グ テ
ープを貼り付ける．このとき，ガス採取・注入口の取り付けネジが締まっていることも確
認 す る ． ・ 紫 外 線 ラ ン プ は ガ ラ ス で 出 来 て い る の で ， 破 損 し な い よ う に 注 意 す る ． ・ガス採取・注入口取り付けネジが締まっていない場合は締めること．ネジがゆるんだ状
態 で 実 験 す る と ， 発 生 ガ ス が 漏 れ る 原 因 と な り ， 危 険 で あ る ． ・シーリングテープは，装置フタに貼り付けた後，その上から指でなぞることで固定され
る ． 図 4． シ ー リ ン グ テ ー プ の 貼 り 方 ③ 反 応 槽 の 中 に 紫 外 線 発 色 ビ ー ズ （ 10個 程 度 ） を 入 れ た ビ ー カ ー ま た は シ ャ ー レ を 置 く ．
ま た ， 反 応 槽 の 外 側 に も ， 同 様 に 紫 外 線 ビ ー ズ を 置 く ． ④ 二 層 式 シ ャ ー レ に フ タ を し て ， 反 応 槽 内 に 入 れ る ． 装 置 フ タ を 反 応 槽 に 図 5の よ う に 設
置 す る ．装 置 フ タ の シ ャ ー レ フ タ 用 穴 に シ ャ ー レ フ タ に つ い て い る 糸 を 図 5に 示 し た よ う に
通 す ．そ の 後 ，シ リ コ ン 栓 を シ ャ ー レ フ タ 用 穴 に 差 し 込 み ，シ ャ ー レ フ タ の 糸 を 固 定 す る ．
必 ず 反 応 槽 内 部 に 装 置 フ タ が は ま り こ む 状 態 に す る 大気環境研究室
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図 5. シ ャ ー レ の 設 置 方 法 ・ シ リ コ ン 栓 は し っ か り と 差 し 込 む こ と ． ・装置フタと反応槽は気密性が高くなるように，隙間の少ない構造になっている．設置す
る と き は 図 6の よ う に ， 片 側 か ら 反 応 槽 に 入 れ る よ う に し て 設 置 す る ． ・必ず反応槽の内部に装置フタがはまりこむ形で設置すること．装置フタを反応槽の上に
お い て い る だ け で は ， 発 生 ガ ス が 漏 れ る 原 因 と な り ， 危 険 で あ る ． 図 6. 装 置 フ タ の 設 置 方 法 ⑤ 実 験 器 と 装 置 フ タ の 四 隅 を ，図 7の よ う に ク リ ッ プ で 固 定 す る ．ク リ ッ プ は ，図 7の 断 面
図 の よ う に ， ク リ ッ プ の 溝 を 反 応 槽 の ヘ リ に 引 っ か け る よ う な 状 態 に し て 固 定 す る ． 図 7. ク リ ッ プ に よ る 固 定 方 法 ⑥ 本 体 の 電 源 を 『 OFF』 の 状 態 に し て ， 装 置 背 面 の DCジ ャ ッ ク に ACア ダ プ タ の コ ー ド
を 差 し 込 む （ 図 8） ． 大気環境研究室
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図 8. 電 源 コ ー ド の 接 続 ⑦ ACプ ラ グ を 差 し 込 む 前 に ，ACプ ラ グ の 破 損 ，汚 れ ，電 源 コ ー ド の 亀 裂 ・ 破 れ 等 の な い
こ と を 確 認 す る ． そ し て ， 最 後 に ACプ ラ グ を コ ン セ ン ト に 差 し 込 む （ 図 9） ． 図 9. AC電 源 コ ー ド の 接 続 ⑧ 液 体 オ ゾ ン 分 解 性 物 質 （ HCFC-141b: 1,1-ジ ク ロ ロ -1-フ ル オ ロ エ タ ン : Cl 2 FCCH 3 ）
を ， 500 mL の 試 薬 瓶 に 25 ｍ Ｌ （ 付 属 分 の HCFC-141b 全 量 ） 入 れ ， し っ か り と フ タ を す
る．実験では，この試薬瓶中の蒸気を，ある程度オゾンが生成された反応槽に注入し，オ
ゾ ン 濃 度 の 減 少 を 確 認 す る ． 図 10. 液 体 オ ゾ ン 分 解 性 物 質 と 試 薬 瓶 HCFC-141b は 揮 発 性 が 高 く ， 一 度 開 封 し た 後 は フ タ を き っ ち り と 閉 め な い と 蒸 発 し て
無 く な る こ と が あ る ．開 封 後 は き っ ち り と 蓋 を 閉 め ，パ ラ フ ィ ル ム を フ タ 部 分 に 巻 い た り ，
冷 蔵 庫 に 保 管 す る 等 の 処 置 で 保 管 期 間 を 長 く す る こ と が で き る ． ⑨ 反 応 槽 の 外 側 に ，小 型 オ ゾ ン 分 析 計 を 置 き ,電 源 を オ ン に し て ,反 応 槽 か ら の オ ゾ ン の 漏
れ を 監 視 す る ．小 型 オ ゾ ン 分 析 計 の 警 報 レ ベ ル を 0.1 p pmと 0.5 p pmの 二 段 階 に 設 定 す る（ 設
定 済 ） ． 大気環境研究室
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4. 実 験 4.1. オ ゾ ン 濃 度 の 測 定 方 法 ① AC プ ラ グ を コ ン セ ン ト に 差 し 込 み ， 電 源 を 『 ON』 に す る ． こ の と き ， 電 源 ラ ン プ が
点 灯 す る ． そ の 後 ， フ ァ ン の ス イ ッ チ を 入 れ ， 攪 拌 フ ァ ン を 作 動 さ せ る （ 図 11） ． 図 11. 電 源 と フ ァ ン の ス イ ッ チ ② オ ゾ ン 検 知 管 の 箱 を 開 封 し ，検 知 管 の 両 端 を ガ ス 採 取 器 の チ ッ プ カ ッ タ で カ ッ ト し て か
ら装置のガス注入・採取口に挿入する．検知管の矢印の向きが，ガス採取・注入口と逆側
を 向 い て い る 状 態 に す る （ 図 12） ． ・ 必 ず コ ッ ク 取 り 付 け ネ ジ が 締 ま っ て い る こ と を 確 認 す る こ と ． 図 12. オ ゾ ン 検 知 管 の 接 続 ③ ガ ス 採 取 器 を 図 13の よ う に 検 知 管 に 取 り 付 け る ．そ の 後 ，ガ ス 注 入・採 取 口 コ ッ ク を 開
く ． 図 13. ガ ス 採 取 器 の 接 続 大気環境研究室
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④ ガ ス 採 取 器 の シ ャ フ ト と ボ ト ム ケ ー ス の 赤 印 を あ わ せ ，ハ ン ド ル を い っ ぱ い ま で 引 い て
ロ ッ ク す る ．ロ ッ ク の 後 ，1.5分 間（ 90秒 間 ）放 置 し ，100 ｍ Ｌ の ガ ス を 採 気 す る（ 図 14）． ・ ガ ス 採 取 器 が GV-50PSの 場 合 は ， 1回 引 く と 50 mLで あ る ． 図 14． ガ ス の 採 取 方 法 ⑤ ハ ン ド ル を 右 ま た は 左 に 90度 ま わ す と ロ ッ ク が 外 れ る ．そ の 後 ，ハ ン ド ル を 元 の 位 置 に
ま で 押 し 戻 す ． ⑥ ガ ス 採 取 が 終 了 し た 後 ，ガ ス 採 取 ・ 注 入 口 を『 開 』の 状 態 か ら『 閉 』の 状 態 に す る（ 図
15） ． 図 15. コ ッ ク 『 開 』 の 状 態 （ 左 ） と コ ッ ク 『 閉 』 の 状 態 （ 右 ） ⑦ 検 知 管 を 取 り 外 し て ， 検 知 管 に 変 色 が み ら れ る か を 確 認 す る （ 図 16） ． 図 16． オ ゾ ン 検 知 管 ⑧ 塩 素 の 気 体 検 知 管 を 用 い て ， オ ゾ ン 層 実 験 器 の 塩 素 濃 度 を 確 認 す る ． ⑨ 酸 素 と 二 酸 化 炭 素 の 気 体 検 知 管 を 用 い て ， そ れ ぞ れ の 大 気 中 濃 度 を 確 認 す る ． ------------------------------------------------------------------------------- 測 定 結 果 ① 実 験 日 ： 年 月 日 オ ゾ ン 層 実 験 器 内 の オ ゾ ン 濃 度 （ ppm） オ ゾ ン 層 実 験 器 内 の 塩 素 濃 度 （ ppm） 大 気 中 の 酸 素 濃 度 （ ％ ） （ ％ ） 大 気 中 の 二 酸 化 炭 素 濃 度 メ モ 大気環境研究室
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4.2. オ ゾ ン 生 成 ① オ ゾ ン 層 実 験 器 の ラ ン プ ス イ ッ チ を 入 れ ，紫 外 線 ラ ン プ を 点 灯 す る ．紫 外 線 そ の も の は
見えないが，紫の可視光線も照射されるので，点灯が確認できる．ストップウオッチ等を
用 い て ，ラ ン プ 点 灯 後 の 経 過 時 間 を 記 録 す る（ 図 17）．紫 外 線 発 色 ビ ー ズ の 色 を 確 認 す る ． 図 17. 紫 外 線 の 照 射 ② ラ ン プ 点 灯 後 ，10分 間 隔 で 実 験 開 始 後 50分 ま で ，オ ゾ ン 検 知 管 を 用 い て 反 応 槽 内 の オ ゾ
ン濃度を測定する．反応槽内には紫外線の影響でオゾンが生成され，そのオゾンによって
検 知 管 の 色 が 青 紫 か ら 淡 黄 色 に 変 色 す る （ 図 18） ． こ の 変 色 層 の 先 端 の 濃 度 を 読 み 取 り ，
測 定 時 刻 と 共 に 記 録 す る ． オ ゾ ン 濃 度 は 約 45分 程 度 で 一 定 に な り ， そ の 値 は 10～ 50ppm 程 度 の 濃 度 と な る ． オ ゾ ン
濃 度 は ， 室 内 の 湿 度 等 の 影 響 を 受 け ， 毎 回 同 じ 濃 度 に は な ら な い ． 図 18. オ ゾ ン 検 知 管 の 読 み 方 -------------------------------------------------------------------------------- 測 定 結 果 ② 実 験 日 ： 年 月 日 室 温 ： ℃ 相 対 湿 度 ： ％ ラ ン プ 点 灯 時 刻 ： 時 分 時 刻 オ ゾ ン 濃 度 （ ppm） 開 始 時 時 分 10分 後 時 分 20分 後 時 分 30分 後 時 分 40分 後 時 分 50分 後 時 分 メ モ 大気環境研究室
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4.3. フ ロ ン に よ る オ ゾ ン の 破 壊 ① 準 備 し て お い た 代 替 フ ロ ン（ HCFC-141b） が 入 っ た 試 薬 瓶 の フ タ を 開 け ，液 面 付 近 の
蒸 気 を 注 射 器 で 100mℓ採 取 し ，ガ ス 注 入 ・ 採 取 口 か ら 反 応 槽 に 注 入 す る（ 図 19）．試 薬 瓶 の
フタは，フロンを採取した後はすぐに締める．また，フロンを注入した後は，ガス注入・
採 取 口 の コ ッ ク を 『 閉 』 の 状 態 に す る ． 図 19． フ ロ ン の 注 入 ② フ ロ ン 注 入 後 ， 5分 間 隔 で ， オ ゾ ン 検 知 管 を 用 い て 反 応 槽 内 の オ ゾ ン 濃 度 を 測 定 す る ．
濃 度 は 測 定 後 す ぐ に 読 み 取 り ， 時 刻 と 共 に 記 録 す る ． 注 入 後 30分 ま た は ， オ ゾ ン 濃 度 が ゼ
ロ に な っ た 段 階 で 実 験 を 終 了 す る ． ③ 実 験 終 了 時 に 塩 素 の 気 体 検 知 管 を 用 い て ， オ ゾ ン 層 実 験 器 の 塩 素 濃 度 を 確 認 す る ． -------------------------------------------------------------------------------- 測 定 結 果 ④ フ ロ ン 注 入 時 刻 ： 時 分 時 刻 オ ゾ ン 濃 度 （ ppm） 5分 後 時 分 塩 素 濃 度 （ ppm） 10分 後 時 分 15分 後 時 分 20分 後 時 分 25分 後 時 分 30分 後 時 分 終 了 時 の 室 温 ： ℃ 終 了 時 の 相 対 湿 度 ： ％ 共 同 実 験 者 ： 所 属 （ ） 氏 名 （ ） 所 属 （ ） 氏 名 （ ） 所 属 （ ） 氏 名 （ ） 所 属 （ ） 氏 名 （ ） 大気環境研究室
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5. 実 験 後 の 処 理 5.1. オ ゾ ン の 除 去 ① 実 験 終 了 後 ， ラ ン プ ス イ ッ チ を 切 り ， 紫 外 線 ラ ン プ を 消 灯 す る ． ② 実 験 器 に 差 し 込 ま れ て い る シ リ コ ン 栓 を と り ，糸 を 引 っ 張 り ，２ 層 式 シ ャ ー レ の フ タ を
開 け る ． ・シリコン栓を外し，二層式シャーレのフタを開けた後は，シリコン栓を再び差し込むこ
と ． 図 20. 実 験 後 の 処 理 ③ こ の 状 態 で ，12時 間 以 上 放 置 す る ．こ の 間 ，反 応 槽 中 の 残 留 ガ ス は 活 性 炭 お よ び 炭 酸 ナ
トリウム水溶液中に吸収される．オゾンは炭酸ナトリウム中の水素イオンと反応し，最終
的 に 水 と な る ． ④ 12 時 間 以 上 放 置 し た 後 ， フ ァ ン ス イ ッ チ ， 電 源 ス イ ッ チ を 『 OFF』 の 状 態 に す る ． ⑤ そ の 後 ，Ａ Ｃ ア ダ プ タ の コ ー ド と ク リ ッ プ を 本 体 か ら と り ，実 験 器 フ タ を 開 け ，内 部 の
二 層 式 シ ャ ー レ を 片 付 け る ． ・ こ の 作 業 は ， 必 ず 換 気 の 良 い 箇 所 で 実 施 す る こ と ． ・シャーレ内の活性炭・炭酸ナトリウム水溶液は，それぞれ産業廃棄物・実験廃液として
処 理 す る ． ま た ， 活 性 炭 ・ 炭 酸 ナ ト リ ウ ム 水 溶 液 は 使 い 捨 て で あ り ， 再 利 用 し な い こ と ． -------------------------------------------------------------------------------- メ モ 大気環境研究室
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5.2. 結 果 の ま と め ① オ ゾ ン 濃 度 の 変 化 を 図 21に 用 意 し た グ ラ フ 用 紙 に 描 き な さ い ． 図 21. オ ゾ ン 濃 度 の 時 間 変 化 ② オ ゾ ン 濃 度 の 変 化 か ら ， わ か る こ と は 何 か ？ ③ オ ゾ ン 生 成 後 ，紫 外 線 ラ ン プ を 消 灯 す る と ，オ ゾ ン 濃 度 は ど の よ う に 変 化 す る と 考 え ら
れ る か ？ ③ フ ロ ン 注 入 後 の オ ゾ ン 濃 度 の 変 化 か ら ， わ か る こ と は 何 か ？ ④ フ ロ ン 注 入 後 ，紫 外 線 ラ ン プ を 消 灯 す る と オ ゾ ン 濃 度 は ど の よ う に 変 化 す る と 考 え ら れ
る か ？ ⑤ こ の 実 験 と 成 層 圏 で 実 際 に 生 じ て い る 反 応 の 相 違 点 に つ い て 考 察 せ よ ． 大気環境研究室
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