Реакция получения озона. Озон: влияние на человека и действия при отравлении

Впервые озон получен и исследован Шенбейном в 1840. Озон—газ голубоватого цвета, резкого характерного запаха;

Сжиженный озон — жидкость тёмно-синего цвета, твердый озон — тёмно-фиолетовая кристаллическая масса. Озон растворим в четыреххлористом углероде, в ледяной уксусной кислоте, в жидком азоте, в воде. Образуется при пропускании тихого электрического разряда через воздух или кислород (свежий запах после грозы обусловлен наличием небольших количеств озона в атмосфере), окислении влажного фосфора, действии лучей радия, ультрафиолетовых или катодных лучей на кислород воздуха, разложении перекиси водорода, электролизе серной кислоты (и др.
кислородсодержащих кислот), действии фтора на воду и т. д. Содержание в земной атмосфере ничтожно; слои воздуха вблизи земной поверхности содержат озона меньше, чем высшие слои атмосферы; на высоте 1.050 м (в области Монблана) Леви нашел 0—3,7 мг, на высоте 3.000 м —9,4 мг. озона на 100 м куб воздуха. В технике и лабораториях для получения озона применяются аппараты—озонаторы. Для озонирования кислород или воздух пропускается между двумя электродами, соединенными с источником тока высокого напряжения.
Озон в чистом виде выделяется из смеси озона с кислородом при охлаждении жидким воздухом. Озон легко разлагается, причем разложение чистого озона ускоряется в присутствии двуокиси марганца, свинца, окислов азота. В присутствии воды разложение озона замедляется, сухой озон при 0° разлагается в 30 раз быстрее, чем влажный озон при 20,4°. Озон обладает чрезвычайно сильным окислительным действием. Он выделяет йод из йодистого калия, окисляет ртуть, переводит сернистые металлы в сернокислые соли, обесцвечивает органические красители и т. д. Озон разрушает каучуковые трубки. Эфир, спирт, светильный газ, вата при соприкосновении с сильно озонированным кислородом воспламеняются. При действии озона на ненасыщенные органические соединения образуются продукты присоединения озониды. Озон применяется для стерилизации воды, для дезодорирования - уничтожения дурного запаха, в препаративной органической практике.

Физические свойства

Химические свойства и методы получения

Список использованной литературы

1. Волков, А.И., Жарский, И.М. Большой химический справочник / А.И. Волков, И.М. Жарский. - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с ISBN 985-6751-04-7.

Физические свойства озона весьма характерны: это легко взрывающийся газ голубого цвета. Литр озона весит примерно 2 грамма, а воздух - 1,3 грамма. Следовательно, озон тяжелее воздуха. Температура плавления озона - минус 192,7ºС. Такой «растаявший» озон представляет собой тёмно-синюю жидкость. Озоновый «лед» имеет темно-синюю окраску с фиолетовым оттенком и при толщине свыше 1 мм становится непрозрачным. Температура кипения озона - минус 112ºС. В газообразном состоянии озон диамагнитен, т.е. не обладает магнитными свойствами, а в жидком состоянии - слабопарамагнитен. Растворимость озона в талой воде в 15 раз больше, чем у кислорода и составляет примерно 1,1 г/л. В литре уксусной кислоты при комнатной температуре растворяется 2,5 грамма озона. Он также хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Запах озона ощущается при концентрациях свыше 15 мкг/м3 воздуха. В минимальных концентрациях воспринимается как «запах свежести», в более значительных концентрациях приобретает резкий раздражающий оттенок.

Озон образуется из кислорода по следующей формуле: 3O2 + 68 ккал → 2O3. Классические примеры образования озона: под действием молнии во время грозы; под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы. Озон также способен образовываться при любых процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например, при разложении перекиси водорода. Промышленный синтез озона связан с использованием электрических разрядов при низких температурах. Технологии получения озона могут отличаться друг от друга. Так, для получения озона применяемого для медицинских целей используется только чистый (без примесей) медицинский кислород. Отделение образовавшегося озона от примеси кислорода обычно не составляет труда в силу различий физических свойств (озон легче сжижается). Если не требуется соблюдения определенных качественных и количественных параметров реакции, то получение озона не представляет особых трудностей.

Молекула О3 неустойчива и довольно быстро превращается в O2 с выделением тепла. При небольших концентрациях и без посторонних примесей озон разлагается медленно, при больших — со взрывом. Спирт при соприкосновении с ним моментально воспламеняется. Нагревание и контакт озона даже с ничтожными количествами субстрата окисления (органических веществ, некоторых металлов или их окислов) резко ускоряет его разложение. Озон может сохраняться длительное время при − 78ºС в присутствии стабилизатора (небольшого количества HNO3), а также в сосудах из стекла, некоторых пластмасс или благородных металлов.

Озон - сильнейший окислитель. Причина такого явления кроется в том, что в процессе распада образуется атомарный кислород. Такой кислород гораздо агрессивнее молекулярного, потому что в молекуле кислорода дефицит электронов на внешнем уровне вследствие их коллективного использования молекулярной орбитали не так заметен.

Еще в XVIII веке было замечено, что ртуть в присутствии озона теряет блеск и прилипает к стеклу, т.е. окисляется. А при пропускании озона через водный раствор йодистого калия начинает выделяться газообразный йод. Такие же «фокусы» с чистым кислородом не получались. В дальнейшем открывались свойства озона, которые сразу же были приняты на вооружение человечества: озон оказался прекрасным антисептиком, озон быстро удалял из воды органические вещества любого происхождения (парфюмерия и косметика, биологические жидкости), стал широко использоваться в промышленности и быту, прекрасно зарекомендовал себя в качестве альтернативы стоматологической бормашине.

В XXI веке применение озона во всех областях жизни и деятельности человека растет и развивается, а потому мы становимся свидетелями его превращения из экзотики в привычный инструмент для повседневной работы. ОЗОН O3, аллотропная форма кислорода.

Получение и физические свойства озона.

Впервые ученые узнали о существовании неизвестного им газа, когда начали экспериментировать с электростатическими машинами. Случилось 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):

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 йодкрахмальная 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, аргонодуговой 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.

Таким образом, озон это мина замедленного действия. Если его правильно использовать, то он будет служить человечеству, но стоит его начать использовать не по назначению, как это моментально приведет к глобальной катастрофе и Земля превратится в такую планету как Марс.

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

Озон - газообразное вещество, являющееся видоизменением кислорода (состоит из трех атомов его). Он всегда присутствует в атмосфере, но впервые был обнаружен в 1785 г. во время изучения действия искры на воздух голландским физиком Ван Марумом. В 1840 г. немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн подтвердил эти наблюдения и предложил, что им открыт новый элемент, которому он дал название «озон» (от греческого ozon - пахнущий). В 1850 г. была определена высокая активность озона как окислителя и способность его присоединяться к двойным связям в реакциях со многими органическими соединениями. Оба эти свойства озона в дальнейшем нашли широкое практическое применение. Однако значение озона не ограничивается только этими двумя свойствами. Было установлено, что он обладает рядом ценных свойств как дезинфектанта и дезодоранта.
Впервые озон стали использовать в санитарии как средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха. В числе первых исследователей процессов озонирования были и русские ученые. Еще в 1874 г. создатель перво" школы (русской) гигиенистов профессор А. Д. Доброе ш вин предложил озон как лучшее средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха от патогенной микро флоры. Дозднее, в 1886 г. Н. К. Келдыш провел исследования бактерицидного действия озона и рекомендовали его как высокоэффективное дезинфицирующее средство. Особенно широко развернулись исследования озона в XX в. И уже в 1911 г. в.Петербурге была пущена в эксплуатацию первая в Европе озоноводопроводная станция. В этот же период были проведены многочисленные исследования озонирования с лечебной целью в медицине, с санитарной целью в пищевой промышленности, в окислительных процессах химической промышленности и др.
Сферы и масштабы использования озона в последнее десятилетие увеличиваются быстрыми темпами. В настоящее время наиболее важные области применения озона следующие: очистка и обеззараживание питьевой и промышленной воды, а также хозяйственно-фекальных и промышленных стоков с целью снижения биологического потребления кислорода (БПК), обесцвечивание, нейтрализация вредных ядовитых веществ (цианидов, фенолов, меркаптанов), устранение неприятных запахов, дезодорация и очистка воздуха различных производств, озонирование в системах кондиционирования воздуха, хранение пищевых продуктов, стерилизация упаковочных и перевязочных материалов в фармацевтической промышленности, терапия и медицинская профилактика различных заболеваний и др.
В последние годы установлено еще одно свойство озона - способность повышать биологическую ценность кормов для животных и продуктов питания для человека, что позволило применять озон в процессах переработки, подготовки и хранения кормов и различных продуктов. Поэтому разработка технологий озонирования в сельскохозяйственном производстве, и, в частности в птицеводстве, весьма перспективна

Физические свойства озона

Озон - это высокоактивная, аллотропная форма кислорода; при обычных температурах - это газ светло-голубого цвета с характерным острым запахом (запах органолептически ощущается при концентрации озона 0,015 мг/м3 воздуха). В жидкой фазе озон имеет индиго-голубой, а в твердой - густой фиолетово-голубоватый цвет, слой озона толщиной в 1 мм практически светонепроницаем. Озон образуется из кислорода, поглощая при этом тепло и, наоборот, при разложении переходит в кислород, выделяя тепло (подобно горению). Процесс этот можно записать в следующем виде:
Экзотермическая реакция
2Оз=ЗО2+68 ккал
Эндотермическая реакция

Скорости этих реакций зависят от температуры, давления и концентрации озона. При нормальной температуре и давлении реакции протекают медленно, но при повышенных температурах ускоряется распад озона.
Образование озона под действием энергии различных излучений довольно сложно. Первичные процессы образования озона из кислорода могут протекать по-разному в зависимости от количества приложенной энергии.
Возбуждение молекулы кислорода происходит при энергии электронов 6,1 эВ; образование молекулярных ионов кислорода - при энергии электронов 12,2 эВ; диссоциация в кислороде - при энергии электронов 19,2 эВ. Все свободные электроны захватываются молекулами кислорода, в результате чего образуются отрицательные ионы кислорода. После возбуждения молекулы наступает реакция образования озона.
При энергии электронов 12,2 эВ, когда происходит образование молекулярных ионов кислорода, выхода озона не наблюдается, а при энергии электронов 19,2 эВ, когда участвуют как атом, так и ион кислорода, образуется озон. Наряду с этим образуются положительные и отрицательные ионы кислорода. Механизм распада озона*, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, сложен и зависит от условий. Разложение озона ускоряется в гомогенных системах газообразными добавками (окислы азота, хлор и др.), а в гетерогенных системах металлами (ртуть, серебро, медь и др.) и окислами металлов (железо, медь, никель, свинец и др.). При высоких концентрациях озона реакция происходит со взрывом. При концентрации озона до 10% взрывного разложения его не происходит. Низкие температуры способствуют сохранению озона. При температурах около - 183°С жидкий озон можно хранить длительное время без заметного разложения. Быстрое нагревание до точки кипения (-119°С) или быстрое охлаждение озона могут привести к взрыву. Поэтому знание свойств озона и соблюдение мер предосторожности очень важно при работе с ним. В таблице 1 приведены основные физические свойства озона.
При газообразном состоянии озон диамагнитен, а в жидком - слабо парамагнитен. Озон хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Растворимость его в воде выше, чем кислорода, более чем в 15 раз.
Молекула озона, как уже отмечалось, состоит из трех атомов кислорода и имеет несимметричную структуру треугольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыражен-ной полярностью (0,58).

Основные физические свойства озона

Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.



гольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыражен-ной полярностью (0,58).
Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.
Озон обладает хорошей способностью адсорбироваться силикагелем и алюмогелем, что позволяет использовать это явление для извлечения озона из газовых смесей и из растворов, а также для безопасного обращения с ним при высоких концентрациях. В последнее время для безопасной работы с высокими концентрациями озона широко используют фреоны. Концентрированный озон, растворенный во фреоне, может сохраняться длительное время.
При синтезе озона, как правило, образуются газовые смеси (O3+O2 или Оз + воздух), в которых содержание озона не превышает 2-5% по объему. Получение чистого озона - технически сложная задача и до настоящего времени еще нерешенная. Существует способ отделения кислорода от смесей путем низкотемпературной ректификации газовых смесей. Однако пока еще не удалось исключить опасность взрыва озона при ректификации. В исследовательской практике часто используют прием двойного намораживания озона жидким азотом, позволяющий получить концентрированный озон. Более безопасным является метод получения концентрированного озона путем адсорбции - десорбции, когда поток газовой смеси продувают через слой охлажденного (-80°С) силикагеля, а затем адсорбент продувают инертным газом (азотом или гелием). Таким методом можно получить соотношение озон: кислород =9:1, т. е. высококонцентрированный озон.
Использование в промышленных целях концентрированного озона как окислительного компонента незначительно.

Химические свойства озона

Характерными химическими свойствами озона в первую очередь следует считать его нестойкость, способность быстро разлагаться, и высокую окислительную активность.
Для озона установлено окислительное число И, которое характеризует число атомов кислорода, отдаваемых озоном окисляемому веществу. Как показали опыты, оно может быть равным 0,1, 3. В первом случае озон разлагается с увеличением объема: 2Оз--->ЗО2, во втором он отдает окисляемому веществу один атом кислорода: О3 ->О2+О (при этом, объем не увеличивается), и в третьем случае происходит присоединение озона к окисляемому веществу: О3->ЗО (при этом объем его уменьшается) .
Окислительными свойствами характеризуются химические реакции озона с неорганическими веществами.
Озон окисляет все металлы, за исключением золота и группы платины. Сернистые соединения окисляются им до сернокислых, нитриты - в нитраты. В реакциях с соединениями йода и брома озон проявляет восстановительные свойства, и на этом основан ряд методов его количественного определения. В реакцию с озоном вступают азот, углерод и их окислы. В реакции озона с водородом образуются гидроксильные радикалы: Н+О3-> HO+O2. Окислы азота реагируют с озоном быстро, образуя высшие окислы:
NO+Оз->NO2+O2;
NO2+O3----->NO3+O2;
NO2+O3->N2O5.
Аммиак окисляется озоном в азотнокислый аммоний.
Озон разлагает галогеноводороды и переводит низшие окислы в высшие. Галогены, участвующие в качестве активаторов процесса, также образуют высшие окислы.
Восстановительный потенциал озон - кислород достаточно высокий и в кислой среде определен величиной 2,07 В, а в щелочном растворе - 1,24 В. Сродство озона с электроном определено величиной в 2 эВ, и только фтор, его окислы и свободные радикалы обладают более сильным сродством к электрону.
Высокое окислительное действие озона было использовано для перевода ряда трансурановых элементов в семивалентное состояние, хотя высшее валентное состояние их равно 6. Реакция озона с металлами переменной валентности (Сг, Сог и др.) находит практическое применение при получении исходного сырья в производстве красителей и витамина PP.
Щелочные и щелочно-земельные металлы под действием озона окисляются, а их гидроокиси образуют озониды (триоксиды). Известны озониды давно, о них упоминал еще в 1886 г. французский химик-органик Шарль Адольф Вюрц. Они представляют собой кристаллическое вещество красно-коричневого цвета, в решетку молекул которого входят однократно отрицательные ионы озона (O3-), чем и обусловлены их парамагнитные свойства. Предел термической устойчивости озонидов -60±2° С, содержание активного кислорода - 46% по весу. Как многие пе-рекисные соединения озониды щелочных металлов нашли широкое применение в регенеративных процессах.
Озониды образуются в реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс типа М+ О- Н+ O3--с дальнейшей реакцией с озоном, в результате чего образуется смесь озонида и водного гидрата окиси щелочного металла.
Озон активно вступает в химическое взаимодействие со многими органическими соединениями. Так, первичным продуктом взаимодействия озона с двойной связью непредельных соединений является малозоид, который нестоек и распадается на биполярный ион и карбонильные соединения (альдегид или кетон). Промежуточные продукты, которые образуются в этой реакции, вновь соединяются в другой последовательности, образуя озо-нид. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с биполярным ионом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения.
В реакциях с насыщенными углеводородами озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление, при этом выход продуктов окисления соответствует расходу озона. Взаимодействие озона с насыщенными углеводородами протекает как в газовой фазе, так и в растворах.
С озоном легко реагируют фенолы, при этом происходит разрушение последних до соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины и полимерные материалы; реакции озона с ароматическими углеводородами - дифениловую кислоту, фталевый диальдегид и фталевую кислоту, глиоксалевую кислоту и др.
Реакции озона с ароматическими углеводородами легли в основу разработки методов дезодорации различных сред, помещений, сточных вод, абгазов, а с серосодержащими соединениями - в основу разработки методов очистки сточных вод и отходящих газов различных производств, включая сельское хозяйство, от серосодержащих вредных соединений (сероводород, меркаптаны, сернистый ангидрид).

Введение

Озон (О 3) является трехатомной модификацией кислорода (О 2), который при нормальных условиях представляет из себя газ. Озон - очень сильный окислитель, поэтому его реакции обычно очень быстрые и полные. Основные преимущества применения озона для обработки питьевой воды содержатся в самой его природе: результатом его реакции является только кислород и продукты окисления. Вредные побочные продукты, такие как хлорорганические соединения, при этом не образуются.

Газ голубоватого цвета озон (О 3) имеет характерный запах. Молекула озона нестабильна. Благодаря свойству самораспада озон является сильным окислителем и наиболее эффективным средством для очистки и обеззараживания воды и воздуха. Сильные окислительные свойства позволяют использовать озон в промышленных целях для получения многих органических веществ, для отбеливания бумаги, масел и т.д. Широко используется озон для удаления марганца и железа, улучшения вкуса, устранения цвета и запаха, а также для удаления органических соединений, опасных для окружающей среды. Он убивает микроорганизмы, поэтому озон применяют для очистки воды и воздуха. Установки по очистке воды и озонированию воздуха получили огромное распространение не только в промышленности, но и в быту.

Озон является постоянным компонентом атмосферы земли играет важнейшую роль для поддержания на ней жизни. В приземных слоях земной атмосферы концентрация озона резко возрастает. Общее состояние озона в атмосфере переменное, и колеблется в зависимости от времен года. Атмосферный озон играет ключевую роль для поддержания жизни на земле. Он защищает Землю от губительного воздействия определенной роли солнечной радиации, способствуя тем самым сохранению жизни на планете.

Таким образом, необходимо узнать, какие же действия может оказывать озон на биологические ткани.

Общие свойства озона

Озон - состоящая из трехатомных молекул О 3 аллотропная модификация кислорода. Его молекула диамагнитна и имеет угловую форму. Связь в молекуле является делокализованной, трехцентровой

Строение молекулы озона можно изобразить разными способами. Например, комбинацией двух крайних (или резонансных) структур. Каждая из таких структур не существует в реальности (это как бы "чертеж" молекулы), а настоящая молекула представляет собой нечто среднее между двумя резонансными структурами.

Рис. 1 Строение озона

Обе связи O-O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Ангстрем. Угол между связями составляет 116,78°. Центральный атом кислорода sp ²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов. Молекула полярна, дипольный момент 0,5337 D.

Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 ->3О2) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OH

Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.

История открытия

Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретаетвоздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности действовать на ртуть при обыкновенной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Однако как новое вещество он описан не был, ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя».

Термин озон был предложен немецким химиком X. Ф. Шёнбейном в 1840 году за его пахучесть, вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему отдают приоритет открытия озона в 1839 году. В 1840 году Шёнбейн показал способность озона вытеснять иод из иодида калия:

Факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон экспериментально доказали Эндрюс и Тэт при помощи стеклянной трубки с манометром, наполненной чистым кислородом, со впаянными в неё платиновыми проволками для получения электрического разряда.

Физические свойства.

Озон - газ, обладающий синим цветом, который можно заметить, если смотреть через значительный слой, до 1 метра толщиной, озонированного кислорода. В твёрдом состоянии озон чёрного цвета с фиолетовым отблеском. Жидкий озон обладает густым синим цветом; прозрачен в слое, не превышающем 2 мм. толщины; довольно прочен.

Свойства:

§ Молекулярная масса - 48 а.е.м.

§ Плотность газа при нормальных условиях - 2,1445 г/дм³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху - 1,62

§ Плотность жидкости при −183 °C - 1,71 г/см³

§ Температура кипения - −111,9 °C. (у жидкого озона - 106 °C.)

§ Температура плавления - −197,2 ± 0,2 °С (приводимая обычно т.пл. −251,4 °C ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению).

§ Растворимость в воде при 0 °С - 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом.

§ В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком - слабопарамагнитен.

§ Запах - резкий, специфический «металлический» (по Менделееву - «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1: 100000.

Xимuчecкие свойства.

Химические свойства озона определяются его большой способностью к окислению.

Молекула О 3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O 2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер.

Озон - мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления.

Свойства:

1) Окисляет многие неметаллы:

2) Озон повышает степень окисления оксидов:

3) Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием диоксида углерода:

4) Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:

5) Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:

6) С помощью озона можно получить Серную кислоту как из элементарной серы, так и из диоксида серы:

7) Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:

8) В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:

15) Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием осадка, который может быть отделён фильтрованием:

16)Озон превращает токсичные цианиды в менее опасные цианаты:

17)Озон может полностью разлагать мочевину

Способы получения озона

Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.