Озон в химии обозначение. Озон - это газ голубого цвета

Ниже мы еще остановимся на получении кислорода из воздуха, а пока зайдем в помещение, где работают электродвигатели и в котором мы умышленно выключили вентиляцию.

Сами по себе эти двигатели не могут служить источником загрязнения воздуха, так как они ничего из воздуха не потребляют и ничего в воздух не отдают. Однако при дыхании здесь чувствуется некоторое раздражение в горле. Что произошло с воздухом, который был чист до пуска двигателей?

В этом помещении работают так называемые коллекторные моторы. На подвижных контактах мотора - ламелях - часто образуется искра. В искре при высокой температуре молекулы кислорода соединяются между собой, образуя озон (O 3).

Молекула кислорода состоит из 2 атомов, которые всегда проявляют две валентности (0 = 0).

Как же представить себе строение молекулы озона? Валентность кислорода измениться не может: атомы кислорода в озоне должны также иметь двойную связь. Поэтому молекулу озона обычно изображают в виде треугольника, в углах которого расположены 3 атома кислорода.

Озон - газ голубоватого цвета с резким специфическим запахом. Образование озона из кислорода происходит с большим поглощением тепла.

Слово «озон» взято из греческого «аллос» - другой и «тропос» - поворот и означает образование простых веществ из одного и того же элемента.

Озон является аллотропическим видоизменением кислорода. Это простое вещество. Его молекула состоит из 3 атомов кислорода. В технике озон получают в специальных приборах, называемых озонаторами.

В этих приборах кислород пропускают через трубку, в которой помещен электрод, подключенный к источнику тока высокого напряжения. Вторым электродом служит проволока, намотанная на наружной части трубки. Между электродами создается электрический разряд, в котором из кислорода образуется озон. Кислород, выходящий из озонатора, содержит около 15 процентов озона.

Озон образуется также при действии на кислород лучей радиоактивного элемента радия или сильного потока ультрафиолетовых лучей. Кварцевые лампы, которые широко применяются в медицине, излучают ультрафиолетовые лучи. Вот почему в помещении, где долго работала кварцевая лампа, воздух становится удушающим.

Можно получить озон и химическим путем - действием концентрированной серной кислоты на марганцевокислый калий или окислением влажного фосфора.

Молекулы озона очень неустойчивы и легко распадаются с образованием молекулярного и атомарного кислорода (О 3 = O 2 + O). Так как атомарный кислород чрезвычайно легко окисляет различные соединения, озон является сильным окислителем. При комнатной температуре он легко окисляет ртуть и серебро, которые в атмосфере кислорода достаточно устойчивы.

Под действием озона органические красители обесцвечиваются, а каучуковые изделия разрушаются, теряют эластичность и трескаются при легком сжатии.

Такие горючие вещества, как эфир, спирт, светильный газ, воспламеняются при соприкосновении с сильно озонированным воздухом. Вата, через которую пропускают озонированный воздух, также воспламеняется.

Сильные окислительные свойства озона применяются для обеззараживания воздуха и воды. Озонированный воздух, пропущенный через воду, уничтожает в ней болезнетворные бактерии и несколько улучшает ее вкус и цвет.

Озонирование воздуха с целью уничтожения вредоносных бактерий не находит широкого применения, так как для эффективной очистки воздуха необходима значительная концентрация озона, а в большой концентрации он вреден для здоровья человека - вызывает сильное удушье.

В малых концентрациях озон даже приятен. Так бывает, например, после грозы, когда в огромной электрической искре блеснувшей молнии из кислорода воздуха образуется озон, который постепенно распределяется в атмосфере, вызывая легкое, приятное ощущение при дыхании. То же мы испытываем в лесу, особенно в густом сосновом бору, где под воздействием кислорода происходит окисление различных органических смол с выделением озона. Скипидар, который входит в состав смолы хвойного дерева, окисляется особенно легко. Вот почему в хвойных лесах воздух всегда содержит некоторое количество озона.

У здорового человека воздух соснового бора вызывает приятное ощущение. А для человека с больными легкими этот воздух полезен и необходим для лечения. Советское государство использует богатые сосновые леса в различных районах нашей родины и создает там лечебные санатории.

В 1785 г. голландский физик Ван Марум, проводя опыты с электричеством, обратил внимание на запах при образовании искр в электрической машине и на окислительные способности воздуха после пропускания через него электрических искр.

В 1840 г. немецкий ученый Шейнбейн, занимаясь гидролизом воды, пытался с помощью электрической дуги разложить её на кислород и водород. И тогда он обнаружил, что образовался новый, доселе неизвестный науке, газ со специфическим запахом. Имя «озон» было присвоено газу Шейнбейном из-за характерного запаха и происходит оно от греческого слова «озиен», что значит «пахнуть».

В 1857 г. с помощью созданной Вернером фон Сименсом «совершенной трубки магнитной индукции» удалось построить первую техническую озоновую установку. В 1901 г. фирмой «Сименс» построена первая гидростанция с озонаторной установкой в Висбанде.

Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 году в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция), для нужд города Ниццы. В 1911 г. была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге (в настоящее время не действует). В 1916 г. действовало уже 49 установок по озонированию питьевой воды.

К 1977 г. во всем мире действует уже более 1000 установок. Широкое же распространение озон получил только в течение последних 30 лет, благодаря появлению надежных и компактных аппаратов для его синтеза — озонаторов (генераторов озона).

В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и других городах).

2. Озон и его свойства

Механизм образования и молекулярная формула озона

Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: O2 . При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия создаются во время грозы при разрядах атмосферного электричества, и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли). Механизм образования и молекулярная формула озона. Однако, атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы.

Молекула озона Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу O3 (d = 1.28 A, q = 116.5°).

Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду.

Свойства озона

Озон O3 — голубоватый газ с характерным резким запахом, молекулярная масса 48 г/моль; плотность относительно воздуха 1,657 (озон тяжелее воздуха); плотность при 00С и давлении 0,1 МПа 2,143 кг/м3. Получение озона

В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м3 (в пять раз ниже предельно допустимой для человека концентрации), озон придает воздуху характерный запах свежести и чистоты. Так, например, после грозы едва уловимый запах озона неизменно ассоциируется с чистым воздухом.

Как было сказано выше, молекула озона нестабильна и обладает свойством самораспада. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.

Окислительный потенциал озона

Мерой эффективности окислителя служит его электрохимический (окислительный) потенциал, выраженный в вольтах. Ниже приведены значения электрохимического потенциала различных окислителей в сравнении с озоном:

Из таблицы видно, что озон — самый сильный из всех окислителей, используемых в водоподготовке.

Применение на месте

Нестабильность озона обуславливает необходимость его применения непосредственно на месте получения. Озон не подлежит упаковке, хранению и транспортировке.

Растворимость озона в воде

В соответствии с законом Генри, концентрация озона в воде возрастает с увеличением концентрации озона в газовой фазе, подмешиваемой в воду. Кроме того, чем выше температура воды, тем ниже концентрация озона в воде.

Растворимость озона в воде выше, чем кислорода, но ниже, чем хлора, в 12 раз. Если рассматривать 100% озон, то его предельная концентрация в воде составляет 570 мг/л при температуре воды 20С. Концентрация озона в газе на выходе современных озонаторных установок достигает 14% по весу. Ниже приведена зависимость концентрации озона, растворенного в дистиллированной воде, от концентрации озона в газе и температуры воды.

Самораспад озона в воде и в воздухе

Скорость разложения озона в воздушной или водной среде оценивается при помощи периода полураспада, т.е. времени, в течение которого концентрация озона уменьшается вдвое.

Самораспад озона в воде (pH 7)

Самораспад озона в воздухе

Из таблиц видно, что водные растворы озона намного менее стабильны, чем газообразный озон. Данные по распаду озона в воде приведены для чистой воды, не содержащей растворенных и взвешенных примесей. Скорость распада озона в воде возрастает многократно в следующих случаях:

1. при наличии в воде примесей, окисляемых озоном (химическая потребность воды в озоне)
2. при повышенной мутности воды, т.к. на границе раздела между частицами и водой реакции самораспада озона протекают быстрее (катализ)
3. при воздействии на воду УФ облучением

3. Способы получения озона

В настоящее время широкое распространение получили 2 способа выработки озона:

* УФ-облучением

* под воздействием тихого (т.е. рассеянного, без образования искр) разряда коронного типа

1. УФ-облучение

Озон может образовываться вблизи УФ ламп, однако только в маленьких концентрациях (0,1 вес.%).

2.Коронный разряд

Тем же способом, которым озон образуется под действием электрических разрядов во время грозы, большое количество озона производится в современных электрических генераторах озона. Этот метод называется коронный разряд. Высокое напряжение пропускают через газовый поток, содержащий кислород. Энергия высокого напряжения разделяет молекулу кислорода О2 на 2 атома О, которые соединяются с молекулой О2 и образуют озон О3.

Чистый кислород, поступающий в генератор озона, можно заменить окружающим воздухом, содержащим большой процент кислорода.

Данный метод повышает содержание озона до 10-15 вес.%

Потребление энергии: 20 — 30 Вт/г О3 для воздуха 10 — 15 Вт/г О3 для кислорода

4. Применение озона для очистки и обеззараживания воды

Обеззараживание воды

Озон уничтожает все известные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейших, их споры, цисты и т.д.; при этом озон на 51% сильнее хлора и действует в 15-20 раз быстрее. Вирус полиомиелита погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, а от хлора — только за 3 ч при 1мг/л.

На споровые формы бактерий озон действует в 300-600 раз сильнее хлора.

Озон разрушает окислительно-восстановительную систему бактерий и их протоплазму.

Биологические летальные коэффициенты (БЛК*) при использовании различных дезинфектантов

*Чем выше БЛК, тем мощнее дезинфектант

Сравнение дезинфектантов

Дезодорация воды

При озонировании окисляются органические и минеральные примеси, являющиеся источником запахов и привкусов. Вода, прошедшая обработку озоном, содержит больше кислорода и по вкусу напоминает свежую родниковую воду.

Финишная подготовка питьевой воды на линиях розлива
Озонирование на линии розлива. Очищенная и подготовленная к розливу вода, насыщается озоном, полностью дезинфицируется и на относительно короткое время сама приобретает дезинфицирующие свойства. Благодаря этому повышается микробиологическая безопасность процесса розлива, озонированная вода надежно стерилизует стенки тары, пробку и воздушный зазор под пробкой. Срок хранения воды после озонирования увеличивается многократно. Особенно эффективна комбинированная обработка воды озоном в сочетании с ополаскиванием тары.

Окисление железа, марганца, сероводорода

Железо, марганец и сероводород легко окисляются озоном. Железо при этом переходит в нерастворимую гидроокись, которая затем легко задерживается в фильтрах. Марганец окисляется до перманганат-иона, который легко удаляется на угольных фильтрах. Сероводород, сульфиды и гидросульфиды переходят в безвредные сульфаты. Процесс окисления и формирования фильтруемых осадков при озонировании протекает в среднем в 250 раз быстрее, чем при аэрации. Особенно эффективно применение озона для обезжелезивания вод, содержащих железоорганические комплексы и бактериальные формы железа, марганца и сероводорода.

Очистка поверхностных вод от антропогенных примесей

Озонирование предварительно осветленной воды с последующей фильтрацией через активированный уголь — надежный способ очистки поверхностных вод от фенолов, нефтепродуктов, пестицидов и тяжелых металлов (окислительно-сорбционная очистка).

Очистка и обеззараживание воды на птицефабриках и фермах

Озонирование на птицефабрике. Подача воды, обеззараженной озоном, в поилки для птицы и животных не только способствует снижению заболеваемости и риска массовых эпидемий, но и вызывает ускоренную прибавку в весе птиц и животных.

Очистка и обеззараживание стоков

При помощи озона сточные воды обесцвечиваются.

При помощи озонирования сточные воды могут быть приведены в соответствие жестким требованиям рыбохозяйственных водоемов по содержанию фенолов, нефтепродуктов и ПАВ, а также микробиологическим показателям.

Озонирование воды для санитарной обработки продуктов и оборудования

Как было сказано выше, срок хранения воды, озонируемой в процессе розлива, увеличивается значительно за счет того, что продуктовая вода приобретает свойства дезинфицирующего раствора.

При переработке пищевых продуктов, на загрязненном оборудовании размножаются бактерии, являющиеся источником сильных запахов гниения и разложения. Ополаскивание оборудования озонированной водой после удаления основной массы загрязнений приводит к дезинфекции поверхностей, освежающему воздействию на воздух помещения и улучшению общего санитарного-гигиенического состояния производства.

Озонирование для санитарной обработки. В воде для санитарной обработки оборудования, в отличие от озонирования воды перед розливом, создаются более высокие концентрации озона.

Аналогично озонированной водой могут быть обработаны рыба и морепродукты, тушки птицы и овощи перед упаковкой. Срок службы обработанных перед закладкой на хранение продуктов увеличивается, а их внешний вид после хранения мало отличается от свежих продуктов.

5. Аспекты безопасности при эксплуатации озонового оборудования

Газообразный озон токсичен и способен вызывать ожог верхних дыхательных путей и отравление (как и любой другой сильный окислитель).

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны регламентируется ГОСТом 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», согласно которому она составляет 0,1мг/м3.

Запах озона фиксируется человеком в концентрациях 0,01-0,02мг/м3, что в 5-10раз меньше ПДК, поэтому появление слабого запаха озона в помещении не является тревожным сигналом. Для обеспечения надежного контроля содержания озона в производственном помещении должны быть установлены газоанализаторы, позволяющие осуществлять мониторинг концентрации озона и в случае превышения ПДК принять своевременные меры по ее снижению до безопасного уровня.

Любая технологическая схема, содержащая озоновое оборудование, должна быть оснащена газоотделителем, с помощью которого избыточный (не растворившийся) озон поступает в каталитический деструктор, где разлагается до кислорода. Подобная система позволяет исключить поступление озона в воздух производственного помещения.

Т.к. озон является сильнейшим окислителем, все газовые магистрали должны быть выполнены из озоностойких материалов таких, как нержавеющая сталь и фторопласт.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Озон является аллотропной модификацией кислорода. В обычном состоянии он представляет собой светло-синий газ, в жидком - темно-голубой, а в твердом - темно-фиолетовый (до черного).

Может оставаться в состоянии переохлажденной жидкости до температуры (-250 o C). плохо растворяется в воде, лучше в тетрахлориде углерода и различных фторхлоруглеродах. Очень сильный окислитель.

Химическая формула озона

Химическая формула озона - O 3 . Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится три атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу озона:

Mr(O 3) = 3×Ar(O) = 3×16 = 48

Структурная (графическая) формула озона

Более наглядной является структурная (графическая) формула озона . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы (рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы озона.

Электронная формула , показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

16 O 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Она также показывает, что кислород, из которого состоит озон, относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 6 электронов (3s 2 3p 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Фраза «озоновый слой», ставшая известной в 70-е гг. прошлого века, давно уже набила оскомину. При этом мало кто действительно понимает, что означает это понятие и чем опасно разрушение озонового слоя. Еще большей загадкой для многих является строение молекулы озона, а ведь она напрямую связана с проблемами озонового слоя. Давайте узнаем больше об озоне, его строении и применении этого вещества в промышленности.

Что такое озон

Озон, или, как его еще называют, активный кислород, - это газ лазурного цвета с резким металлическим запахом.

Данное вещество может существовать во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, твердом и жидком.

При этом в природе озон встречается только в виде газа, образуя так называемый озоновый слой. Именно из-за его лазурного цвета небо кажется голубым.

Как выглядит молекула озона

Свое прозвище «активный кислород» озон получил из-за своего сходства с кислородом. Так главным действующим химическим элементом в этих веществах является оксиген (О). Однако если в молекуле кислорода содержится 2 его атома, то молекула - О 3) состоит из 3 атомов этого элемента.

Благодаря такому строению, свойства озона подобны кислородным, однако более выражены. В частности, как и О 2 , О 3 является сильнейшим окислителем.

Самое главное отличие между этими «родственными» веществами, которое помнить жизненно важно для каждого, следующее: озоном нельзя дышать, он токсичен и при вдыхании способен повредить легкие или даже убить человека. При этом О 3 прекрасно подходит для очистки воздуха от токсичных примесей. Кстати, именно из-за этого после дождя так легко дышится: озон окисляет вредные вещества, содержащиеся в воздухе, и он очищается.

Модель молекулы озона (состоящая из 3 атомов оксигена) немного напоминает изображение угла, причем его размер - 117°. Эта молекула не имеет неспаренных электронов, поэтому является диамагнитной. Помимо этого, она обладает полярностью, хотя и состоит из атомов одного элемента.

Два атома данной молекулы прочно скреплены между собой. А вот связь с третьим менее надежна. По этой причине молекула озона (фото модели можно увидеть ниже) весьма непрочна и вскоре после образования распадается. Как правило, при любой реакции распада О 3 выделяется кислород.

Из-за нестабильности озона его не получается заготавливать и хранить, а также перевозить, как другие вещества. По этой причине его производство более затратно, чем других веществ.

При этом высокая активность молекул О 3 позволяет этому веществу быть сильнейшим окислителем, более мощным, чем кислород, и более безопасным, чем хлор.

Если молекула озона разрушается и выделяется О 2 , данная реакция всегда сопровождается выделением энергии. В то же время, чтобы произошел обратный процесс (образование О 3 из О 2), необходимо затратить ее не меньше.

В газообразном состоянии молекула озона распадается при температуре 70° С. Если ее повысить до 100 градусов и более, реакция значительно ускорится. Также ускоряет период распада молекул озона наличие примесей.

Свойства О3

В каком бы из трех состояний ни пребывал озон, он сохраняет синий цвет. Чем тверже вещество, тем насыщеннее и темнее этот оттенок.

Каждая молекула озона весит 48 г/моль. Она является более тяжелой, чем воздух, что помогает разделять эти вещества между собою.

О 3 способен окислять практически все металлы и неметаллы (кроме золота, иридия и платины).

Также это вещество может участвовать в реакции горения, однако для этого нужна более высокая температура, чем для О 2 .

Озон способен растворяться в Н 2 О и фреонах. В жидком состоянии он может смешиваться с жидким кислородом, азотом, метаном, аргоном, тетрахлоруглеродом и углекислотой.

Как образуется молекула озона

Молекулы О 3 образуются с помощью прикрепления к молекулам кислорода свободных атомов оксигена. Они, в свою очередь, появляются благодаря расщеплению других молекул О 2 из-за воздействия на них электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, быстрых электронов и других частиц высокой энергии. По этой причине специфический запах озона можно почувствовать возле искрящих электрических приборов или ламп, излучающих ультрафиолет.

В промышленных масштабах О 3 выделяют с помощью электрических или озонаторов. В этих приборах электрический ток высокого напряжения пропускается через газовый поток, в котором находится О 2 , атомы которого и служат «строительным материалом» для озона.

Иногда в эти аппараты запускают чистый кислород или обычный воздух. От чистоты исходного продукта зависит качество получаемого озона. Так, медицинский О 3 , предназначенный для обработки ран, добывают только из химически чистого О 2 .

История открытия озона

Разобравшись с тем, как выглядит молекула озона и как она образуется, стоит познакомиться с историей этого вещества.

Впервые оно было синтезировано нидерландским исследователем Мартином Ван Марумом во второй половине XVIII в. Ученый заметил, что после пропускания электрических искр через емкость с воздухом газ в ней менял свои свойства. При этом Ван Марум так и не понял, что выделил молекулы нового вещества.

А вот его немецкий коллега по фамилии Шейнбейн, пытаясь с помощью электричества разложить Н 2 О на Н и О 2 , обратил внимание на выделение нового газа с едким запахом. Проведя массу исследований, ученый описал открытое им вещество и дал ему имя «озон» в честь греческого слова «пахнуть».

Способность убивать грибки и бактерии, а также понижать токсичность вредных соединений, которой обладало открытое вещество, заинтересовала многих ученых. Через 17 лет после официального открытия О 3 Вернером фон Сименсом был сконструирован первый аппарат, позволяющий синтезировать озон в любом количестве. А еще через 39 лет гениальный Никола Тесла изобрел и запатентовал первый в мире генератор озона.

Именно этот аппарат уже через 2 года впервые был использован во Франции на очистительных сооружениях для питьевой воды. С началом XX в. Европа начинает переходить на озонирование питьевой воды для ее очистки.

Российская империя впервые использовала эту методику в 1911 г., а через 5 лет в стране было оборудовано почти 4 десятка установок для очистки питьевой воды с помощью озона.

Сегодня озонирование воды постепенно вытесняет хлорирование. Так, 95% всей питьевой воды в Европе очищается с помощью О 3 . Также весьма популярна данная методика и в США. В СНГ она пока еще на стадии изучения, поскольку, хотя данная процедура и более безопасна и удобна, обходится она дороже, чем хлорирование.

Сферы применения озона

Помимо очистки воды, О 3 имеет ряд других сфер применения.

• Озон используется в качестве отбеливателя при производстве бумаги и ткани.
• Активный кислород применяется для дезинфекции вин, а также для ускорения процесса «старения» коньяков.
• С помощью О 3 рафинируются различные растительные масла.
• Очень часто это вещество применяют для обработки скоропортящихся продуктов, вроде мяса, яиц, фруктов и овощей. При этой процедуре не остается химических следов, как при использовании хлора или формальдегидов, а продукты могут храниться значительно дольше.
• Озоном стерилизуют медицинское оборудование и одежду.
• Также очищенный О 3 применяют для различных медицинских и косметических процедур. В частности, с его помощью в стоматологии дезинфицируют ротовую полость и десны, а также лечат различные заболевания (стоматит, герпес, оральный кандидоз). В европейских странах О 3 весьма популярен для дезинфекции ран.
• В последние годы огромную популярность приобретают портативные домашние приборы для фильтрации воздуха и воды с помощью озона.

Озоновый слой - что это?

На расстоянии 15-35 км над поверхностью Земли находится озоновый слой, или, как его еще называют, озоносфера. В этом месте концентрированный О 3 служит своеобразным фильтром для вредного солнечного излучения.

Откуда берется такое количество вещества, если его молекулы нестабильны? Ответить на этот вопрос не сложно, если вспомнить модель молекулы озона и способ ее образования. Итак, кислород, состоящий из 2 молекул оксигена, попадая в стратосферу, нагревается там солнечными лучами. Этой энергии оказывается достаточно, чтобы расщепить О 2 на атомы, из которых образуется О 3 . При этом озоновый слой не только использует часть солнечной энергии, но и фильтрует ее, поглощает опасный ультрафиолет.

Выше было сказано, что озон растворяется фреонами. Эти газообразные вещества (применяются при изготовлении дезодорантов, огнетушителей и холодильников), попав в атмосферу, влияют на озон и способствуют его разложению. Вследствие этого в озоносфере возникают дыры, сквозь которые на планету попадают нефильтрированые солнечные лучи, которые разрушительно действуют на живые организмы.

Рассмотрев особенности и строение молекул озона, можно прийти к выводу, что это вещество, хотя и опасно, но весьма полезно для человечества, если его правильно использовать.

Впервые ученые узнали о существовании неизвестного им газа, когда начали экспериментировать с электростатическими машинами. Случилась это в 17 веке. Но начали изучать новый газ лишь в конце следующего столетия. В 1785 голландский физик Мартин ван Марум получил озон, пропуская через кислород электрические искры. Название же озон появилось лишь в 1840; его придумал швейцарский химик Кристиан Шенбейн, произведя его от греческого ozon – пахнущий. По химическому составу этот газ не отличался от кислорода, но был значительно агрессивнее. Так, он мгновенно окислял бесцветный иодид калия с выделением бурого иода; эту реакцию Шенбейн использовал для определения озона по степени посинения бумаги, пропитанной раствором иодида калия и крахмала. Даже малоактивные при комнатной температуре ртуть и серебро в присутствии озона окисляются.

Оказалось, что молекулы озона, как и кислорода, состоят только из атомов кислорода, только не из двух, а из трех. Кислород О2 и озон О3 – единственный пример образования одним химическим элементом двух газообразных (при обычных условиях) простых веществ. В молекуле О3 атомы расположены под углом, поэтому эти молекулы полярны. Получается озон в результате «прилипания» к молекулам О2 свободных атомов кислорода, которые образуются из молекул кислорода под действием электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, гамма-квантов, быстрых электронов и других частиц высокой энергии. Озоном всегда пахнет около работающих электрических машин, в которых «искрят» щетки, около бактерицидных ртутно-кварцевых ламп, которые излучают ультрафиолет. Атомы кислорода выделяются и в ходе некоторых химических реакций. Озон образуется в малых количествах при электролизе подкисленной воды, при медленном окислении на воздухе влажного белого фосфора, при разложении соединений с высоким содержанием кислорода (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), при действии на воду фтора или на пероксид бария концентрированной серной кислоты. Атомы кислорода всегда присутствуют в пламени, поэтому если направить струю сжатого воздуха поперек пламени кислородной горелки, в воздухе обнаружится характерный запах озона.
Реакция 3O2 → 2O3 сильно эндотермичная: для получения 1 моль озона надо затратить 142 кДж. Обратная реакция идет с выделением энергии и осуществляется очень легко. Соответственно озон неустойчив. В отсутствие примесей газообразный озон медленно разлагается при температуре 70° С и быстро – выше 100° С. Скорость разложения озона значительно увеличивается в присутствии катализаторов. Ими могут быть и газы (например, оксид азота, хлор), и многие твердые вещества (даже стенки сосуда). Поэтому чистый озон получить трудно, а работать с ним опасно из-за возможности взрыва.

Не удивительно, что в течение многих десятилетий после открытия озона неизвестны были даже основные его физические константы: долго никому не удавалось получить чистый озон. Как писал в своем учебнике Основы химии Д.И.Менделеев, «при всех способах приготовления газообразного озона содержание его в кислороде всегда незначительно, обыкновенно лишь несколько десятых долей процента, редко 2%, и только при очень пониженной температуре оно достигает 20%». Лишь в 1880 французские ученые Ж.Готфейль и П.Шаппюи получали озон из чистого кислорода при температуре минус 23° С. Оказалось, что в толстом слое озон имеет красивую синюю окраску. Когда охлажденный озонированный кислород медленно сжали, газ стал темно-синим, а после быстрого сброса давления температура еще более понизилась и образовались капли жидкого озона темно-фиолетового цвета. Если же газ не охлаждали или сжимали быстро, то озон мгновенно, с желтой вспышкой, переходил в кислород.

Позднее разработали удобный метод синтеза озона. Если подвергнуть электролизу концентрированный раствор хлорной, фосфорной или серной кислоты с охлаждаемым анодом из платины или из оксида свинца(IV), то выделяющийся на аноде газ будет содержать до 50% озона. Были уточнены и физические константы озона. Он сжижается намного легче кислорода – при температуре –112° С (кислород – при –183° С). При –192,7° С озон затвердевает. Твердый озон имеет сине-черный цвет.

Опыты с озоном опасны. Газообразный озон способен взрываться, если его концентрация в воздухе превысит 9%. Еще легче взрываются жидкий и твердый озон, особенно при контакте с окисляющимися веществами. Озон можно хранить при низких температурах в виде растворов во фторированных углеводородах (фреонах). Такие растворы имеют голубой цвет.

Химические свойства озона.

Для озона характерна чрезвычайно высокая реакционная способность. Озон – один из сильнейших окислителей и уступает в этом отношении только фтору и фториду кислорода OF2. Действующее начало озона как окислителя – атомарный кислород, который образуется при распаде молекулы озона. Поэтому, выступая в качестве окислителя, молекула озона, как правило, «использует» только один атом кислорода, а два других выделяются в виде свободного кислорода, например, 2KI + O3 + H2O → I2 + 2KOH + O2. Так же происходит окисление многих других соединений. Однако бывают и исключения, когда молекула озона использует для окисления все три имеющиеся у нее атома кислорода, например, 3SO2 + O3 → 3SO3; Na2S + O3 → Na2SO3.

Очень важное отличие озона от кислорода в том, что озон проявляет окислительные свойства уже при комнатной температуре. Например, PbS и Pb(OH)2 в обычных условиях не реагируют с кислородом, тогда как в присутствии озона сульфид превращается в PbSO4, а гидроксид – в PbO2. Если в сосуд с озоном налить концентрированный раствор аммиака, появится белый дым – это озон окислил аммиак с образованием нитрита аммония NH4NO2. Особенно характерна для озона способность «чернить» серебряные изделия с образованием AgO и Ag2O3.

Присоединив один электрон и превратившись в отрицательный ион О3–, молекула озона становится более стабильной. Содержащие такие анионы «озонокислые соли» или озониды были известны давно – их образуют все щелочные металлы, кроме лития, причем устойчивость озонидов растет от натрия к цезию. Известны и некоторые озониды щелочноземельных металлов, например, Са(О3)2. Если направить на поверхность твердой сухой щелочи струю газообразного озона, то образуется оранжево-красная корка, содержащая озониды, например, 4КОН + 4О3 → 4КО3 + О2 + 2Н2О. При этом твердая щелочь эффективно связывает воду, что предохраняет озонид от немедленного гидролиза. Однако при избытке воды озониды бурно разлагаются: 4КО3+ 2Н2О → 4КОН + 5О2. Разложение идет и при хранении: 2КО3 → 2КО2 + О2. Озониды хорошо растворимы в жидком аммиаке, что позволило выделить их в чистом виде и изучить их свойства.

Органические, вещества, с которыми озон соприкасается, он обычно разрушает. Так, озон, в отличие от хлора, способен расщеплять бензольное кольцо. При работе с озоном нельзя использовать резиновые трубки и шланги – они моментально «прохудятся». Реакции озона с органическими соединениями идут с выделением большого количества энергии. Например, эфир, спирт, вата, смоченная скипидаром, метан и многие другие вещества самовоспламеняются при соприкосновении с озонированным воздухом, а смешение озона с этиленом приводит к сильному взрыву.

Применение озона.

Озон не всегда «сжигает» органические вещества; в ряде случаев удается провести специфические реакции с сильно разбавленным озоном. Например, при озонировании олеиновой кислоты (она в больших количествах содержится в растительных маслах) образуется азелаиновая кислота НООС(СН2)7СООН, которую используют для получения высококачественных смазочных масел, синтетических волокон и пластификаторов для пластмасс. Аналогично получают адипиновую кислоту, которую используют при синтезе найлона. В 1855 Шенбейн открыл реакцию с озоном непредельных соединений, содержащих двойные связи С=С, но только в 1925 немецкий химик Х.Штаудингер установил механизм этой реакции. Молекула озона присоединяется к двойной связи с образованием озонида – на этот раз органического, причем на место одной из связей С=С встает атом кислорода, а на место другой – группировка –О–О–. Хотя некоторые органические озониды выделены в чистом виде (например, озонид этилена), эту реакцию обычно проводят в разбавленном растворе, так как в свободном виде озониды – очень неустойчивые взрывчатые вещества. Реакция озонирования непредельных соединений пользуется у химиков-органиков большим почетом; задачи с этой реакцией часто предлагают даже на школьных олимпиадах. Дело в том, что при разложении озонида водой образуются две молекулы альдегида или кетона, которые легко идентифицировать и далее установить строение исходного непредельного соединения. Таким образом химики еще в начале 20 века установили строение многих важных органических соединений, в том числе природных, содержащих связи С=С.

Важная область применения озона – обеззараживание питьевой воды. Обычно воду хлорируют. Однако некоторые примеси в воде под действием хлора превращаются соединения с очень непpиятым запахом. Поэтому уже давно предложено заменить хлор озоном. Озонированная вода не приобретает постороннего запаха или вкуса; при полном окислении озоном многих органических соединений образуются только углекислый газ и вода. Очищают озоном и сточные воды. Продукты окисления озоном даже таких загрязнителей как фенолы, цианиды, повеpхностно-активные вещества, сульфиты, хлоpамины, представляют собой безвредные соединения без цвета и запаха. Избыток же озона довольно быстро распадается с образованием кислорода. Однако озонирование воды обходится дороже, чем хлорирование; кроме того, озон нельзя перевозить, и он должен производиться на месте использования.

Озон в атмосфере.

Озона в атмосфере Земли немного – 4 млрд. тонн, т.е. в среднем всего 1 мг/м3. Концентрация озона растет с удалением от поверхности Земли и достигает максимума в стратосфере, на высоте 20–25 км – это и есть «озоновый слой». Если весь озон из атмосферы собрать у поверхности Земли при нормальном давлении, получится слой толщиной всего около 2–3 мм. И вот такие малые количества озона в воздухе фактически обеспечивают жизнь на Земле. Озон создает «защитный экран», не пропускающий к поверхности Земли жесткие ультрафиолетовые солнечные лучи, губительные для всего живого.

В последние десятилетия большое внимание уделяется появлению так называемых «озоновых дыр» – областях со значительно уменьшенным содержанием стратосферного озона. Через такой «прохудившийся» щит до поверхности Земли доходит более жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Поэтому ученые давно следят за озоном в атмосфере. В 1930 английский геофизик С.Чепмен для объяснения постоянной концентрации озона в стратосфере предложил схему из четырех реакций (эти реакции получили название цикла Чепмена, в них М означает любой атом или молекулу, которые уносят избыточную энергию):

О2 → 2О
О + О + М → О2 + М
О + О3 → 2О2
О3 → О2 + О.

Первая и четвертая реакции этого цикла – фотохимические, они идут под действием солнечной радиации. Для распада молекулы кислорода на атомы требуется излучение с длиной волны менее 242 нм, тогда как озон распадается при поглощении света в области 240–320 нм (последняя реакция как раз и защищает нас от жесткого ультрафиолета, так как кислород в этой спектральной области не поглощает). Остальные две реакции термические, т.е. идут без действия света. Очень важно, что третья реакция, приводящая к исчезновению озона, имеет энергию активации; это означает, что скорость такой реакции может увеличиваться под действием катализаторов. Как выяснилось, основной катализатор распада озона – оксид азота NO. Он образуется в верхних слоях атмосферы из азота и кислорода под действием наиболее жесткой солнечной радиации. Попадая в озоносферу, он вступает в цикл из двух реакций O3 + NO → NO2 + O2, NO2 + O → NO + O2, в результате которой его содержание в атмосфере не меняется, а стационарная концентрация озона снижается. Существуют и другие циклы, приводящие к снижению содержания озона в стратосфере, например, с участием хлора:

Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O → Cl + O2.

Разрушают озон также пыль и газы, которые в большом количестве попадают в атмосферу при извержении вулканов. В последнее время возникло предположение, что озон также эффективно разрушает водород, выделяющийся из земной коры. Совокупность всех реакций образования и распада озона приводит к тому, что среднее время жизни молекулы озона в стратосфере составляет около трех часов.

Предполагают, что помимо природных, существуют и искусственные факторы, влияющие на озоновый слой. Хорошо известный пример – фреоны, которые являются источниками атомов хлора. Фреоны – это углеводороды, в которых атомы водорода замещены атомами фтора и хлора. Их используют в холодильной технике и для заполнения аэрозольных баллончиков. В конечном счете фреоны попадают в воздух и медленно поднимаются с потоками воздуха все выше и выше, достигая, наконец, озонового слоя. Разлагаясь под действием солнечной радиации, фреоны сами начинают каталитически разлагать озон. Пока не известно в точности, в какой степени именно фреоны повинны в «озоновых дырах», и, тем не менее, уже давно принимают меры по ограничению их применения.

Как показывают расчеты, через 60–70 лет концентрация озона в стратосфере может уменьшиться на 25%. И одновременно увеличится концентрации озона в приземном слое – тропосфере, что тоже плохо, так как озон и продукты его превращений в воздухе ядовиты. Основной источник озона в тропосфере – перенос с массами воздуха стратосферного озона в нижние слои. Ежегодно в приземный слой озона поступает примерно 1,6 млрд. тонн. Время жизни молекулы озона в нижней части атмосферы значительно выше – более 100 суток, поскольку в приземном слое меньше интенсивность ультрафиолетового солнечного излучения, разрушающего озон. Обычно озона в тропосфере очень мало: в чистом свежем воздухе его концентрация составляет в среднем всего 0,016 мкг/л. Концентрация озона в воздухе зависит не только от высоты, но и от местности. Так, над океанами озона всегда больше, чем над сушей, так как там озон распадается медленнее. Измерения в Сочи показали, что воздух у морского побережья содержит на 20% больше озона, чем в лесу в 2 км от берега.

Современные люди вдыхают значительно больше озона, чем их предки. Основная причина этого – увеличение количества метана и оксидов азота в воздухе. Так, содержание метана в атмосфере постоянно растет, начиная с середины 19 века, когда началось использование природного газа. В загрязненной оксидами азота атмосфере метан вступает в сложную цепочку превращений с участием кислорода и паров воды, итог которой можно выразить уравнением CH4 + 4O2 → HCHO + H2O + 2O3. В роли метана могут выступать и другие углеводороды, например, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей при неполном сгорании бензина. В результате в воздухе крупных городов за последние десятилетия концентрация озона выросла в десятки раз.

Всегда считалось, что во время грозы концентрация озона в воздухе резко увеличивается, так как молнии способствуют превращению кислорода в озон. На самом деле увеличение незначительно, причем оно происходит не во время грозы, а за несколько часов до нее. Во время же грозы и в течение нескольких часов после нее концентрация озона снижается. Объясняется это тем, что перед грозой происходит сильное вертикальное перемешивание воздушных масс, так что дополнительное количество озона поступает из верхних слоев. Кроме того, перед грозой увеличивается напряженность электрического поля, и создаются условия для образования коронного разряда на остриях различных предметов, например, кончиков ветвей. Это также способствует образованию озона. А затем при развитии грозового облака под ним возникают мощные восходящие потоки воздуха, которые и снижают содержание озона непосредственно под облаком.
Интересен вопрос о содержании озона в воздухе хвойных лесов. Например, в Курсе неорганической химии Г.Реми можно прочитать, что «озонированный воздух хвойных лесов» – выдумка. Так ли это? Ни одно растение озон, конечно, не выделяет. Но растения, особенно хвойные, выделяют в воздух множество летучих органических соединений, в том числе ненасыщенных углеводородов класса терпенов (их много в скипидаре). Так, в жаркий день сосна выделяет в час 16 мкг терпенов на каждый грамм сухой массы хвои. Терпены выделяют не только хвойные, но и некоторые лиственные деревья, среди которых – тополь и эвкалипт. А некоторые тропические деревья способны выделить в час 45 мкг терпенов на 1 г сухой массы листьев. В результате в сутки один гектар хвойного леса может выделить до 4 кг органических веществ, лиственного – около 2 кг. Покрытая лесом площадь Земли составляет миллионы гектаров, и все они выделяют в год сотни тысяч тонн различных углеводородов, в том числе и терпенов. А углеводороды, как это было показано на примере метана, под действием солнечной радиации и в присутствии других примесей способствуют образованию озона. Как показали опыты, терпены в подходящих условиях действительно очень активно включаются в цикл атмосферных фотохимических реакций с образованием озона. Так что озон в хвойном лесу – вовсе не выдумка, а экспериментальный факт.

Озон и здоровье.

Как приятно прогуляться после грозы! Воздух чист и свеж, его бодрящие струи, кажется, без всяких усилий сами втекают в легкие. «Озоном пахнет, – часто говорят в таких случаях. – Очень полезно для здоровья». Так ли это?

Когда-то озон безусловно считали полезным для здоровья. Но если его концентрация превышает определенный порог, он может вызывать массу неприятных последствий. В зависимости от концентрации и времени вдыхания озон вызывает изменения в легких, раздражение слизистых глаз и носа, головную боль, головокружение, снижение кровяного давления; озон уменьшает сопротивляемость организма бактериальным инфекциям дыхательных путей. Предельно допустимая его концентрация в воздухе составляет всего 0,1 мкг/л, а это означает, что озон намного опаснее хлора! Если несколько часов провести в помещении при концентрации озона всего лишь 0,4 мкг/л, могут появиться загрудинные боли, кашель, бессонница, снижается острота зрения. Если долго дышать озоном при концентрации больше 2 мкг/л, последствия могут быть более тяжелыми – вплоть до оцепенения и упадка сердечной деятельности. При содержании озона 8–9 мкг/л через несколько часов происходит отек легких, что чревато смертельным исходом. А ведь такие ничтожные количества вещества обычно с трудом поддаются анализу обычными химическими методами. К счастью, человек чувствует присутствие озона уже при очень малых его концентрациях – примерно 1 мкг/л, при которых иодкрахмальная бумажка еще и не собирается синеть. Одним людям запах озона в малых концентрациях напоминает запах хлора, другим – сернистого газа, третьим – чеснока.

Ядовит не только сам озон. С его участием в воздухе образуется, например, пероксиацетилнитрат (ПАН) СН3–СО–ООNО2 – вещество, оказывающее сильнейшее раздражающее, в том числе слезоточивое, действие, затрудняющее дыхание, а в более высоких концентрациях вызывающее паралич сердца. ПАН – один из компонентов образующегося летом в загрязненном воздухе так называемого фотохимического смога (это слово образовано от английского smoke – дым и fog – туман). Концентрация озона в смоге может достигать 2 мкг/л, что в 20 раз больше предельно допустимой. Следует также учесть, что совместное действие озона и оксидов азота в воздухе в десятки раз сильнее, чем каждого вещества порознь. Не удивительно, что последствия возникновения такого смога в больших городах могут быть катастрофическими, особенно если воздух над городом не продувается «сквозняками» и образуется застойная зона. Так, в Лондоне в 1952 от смога в течение нескольких дней погибло более 4000 человек. А смог в Нью-Йорке в 1963 убил 350 человек. Аналогичные истории были в Токио, других крупных городах. Страдают от атмосферного озона не только люди. Американские исследователи показали, например, что в областях с повышенным содержанием озона в воздухе время службы автомобильных шин и других изделий из резины значительно уменьшается.
Как уменьшить содержание озона в приземном слое? Снизить поступление в атмосферу метана вряд ли реалистично. Остается другой путь – уменьшить выбросы оксидов азота, без которых цикл реакций, приводящих к озону, идти не может. Путь это тоже непростой, так как оксиды азота выбрасываются не только автомобилями, но и (главным образом) тепловыми электростанциями.

Источники озона – не только на улице. Он образуется в рентгеновских кабинетах, в кабинетах физиотерапии (его источник – ртутно-кварцевые лампы), при работе копировальной техники (ксероксов), лазерных принтеров (здесь причина его образования – высоковольтный разряд). Озон – неизбежный спутник производства пергидроля, аргоно-дуговой сварки. Для уменьшения вредного действия озона необходимо оборудование вытяжки у ультрафиолетовых ламп, хорошее проветривание помещения.

И все же вряд ли правильно считать озон безусловно вредным для здоровья. Все зависит от его концентрации. Как показали исследования, свежий воздух очень слабо светится в темноте; причина свечения – реакции окисления с участием озона. Свечение наблюдали и при встряхивании воды в колбе, в которую был предварительно напущен озонированный кислород. Это свечение всегда связано с присутствием в воздухе или воде небольших количеств органических примесей. При смешении свежего воздуха с выдыхаемым человеком интенсивность свечения повышалась в десятки раз! И это не удивительно: в выдыхаемом воздухе обнаружены микропримеси этилена, бензола, уксусного альдегида, формальдегида, ацетона, муравьиной кислоты. Они-то и «высвечиваются» озоном. В то же время «несвежий», т.е. полностью лишенный озона, хотя и очень чистый, воздух свечения не вызывает, а человек его ощущает как «затхлый». Такой воздух можно сравнить с дистиллированной водой: она очень чистая, практически не содержит примесей, а пить ее вредно. Так что полное отсутствие в воздухе озона, по-видимому, тоже неблагоприятно для человека, так как увеличивает содержание в нем микроорганизмов, приводит к накоплению вредных веществ и неприятных запахов, которые озон разрушает. Таким образом, становится понятной необходимость регулярного и длительного проветривания помещений, даже если в нем нет людей: ведь попавший в комнату озон долго в ней не задерживается – частично он распадается, а в значительной степени оседает (адсорбируется) на стенках и других поверхностях. Сколько должно быть озона в помещении, пока сказать трудно. Однако в минимальных концентрациях озон, вероятно, необходим и полезен.

Илья Леенсон