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 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 - это газ. В отличие от многих других он не прозрачный, а имеет характерный цвет и даже запах. Он присутствует в нашей атмосфере и является одним из важнейших её составляющих. Какова плотность озона, его масса и другие свойства? Какова его роль в жизни планеты?
Голубой газ
В химии озон не имеет отдельного места в таблице Менделеева. Все потому, что он не является элементом. Озон - это аллотропная модификация или же вариация кислорода. Как и в О2, его молекула состоит только из атомов кислорода, но имеет их не два, а три. Поэтому его химическая формула выглядит как О3.
Озон является газом голубого цвета. Он обладает хорошо заметным резким запахом, напоминающим хлор, если концентрация будет слишком большой. Вы помните запах свежести во время дождя? Это и есть озон. Благодаря такому свойству он и получил своё название, ведь с древнегреческого языка «озон» - это «пахну».
Молекула газа полярна, атомы в ней соединяются под углом 116,78°. Озон образуется, когда к молекуле О2 присоединяется свободный атом кислорода. Происходит это во время различных реакций, например, окисления фосфора, электрического разряда или разложения перекисей, в ходе которых и освобождаются атомы оксигена.
Свойства озона
При нормальных условиях озон существует в с молекулярной массой почти 48 г/моль. Он является диамагнетиком, то есть не способен притягиваться к магниту, точно так же, как серебро, золото или азот. Плотность озона составляет 2,1445 г/дм³.
В твердом состоянии озон приобретает иссиня-черный цвет, в жидком - цвет индиго, близкий к фиолетовому. Температура кипения при этом составляет 111,8 градусов Цельсия. При температуре нуль градусов он растворяется в воде (только в чистой) в десять раз лучше кислорода. Он отлично смешивается с азотом, фтором, аргоном, а при определенных условиях и с кислородом.
Под действием ряда катализаторов легко окисляется, выделяя при этом свободные атомы кислорода. Соединяясь с ним, тут же воспламеняется. Вещество способно окислить практически все металлы. Не поддаются его действию только платина и золота. Он разрушает различные органические и ароматические соединения. При контакте с аммиаком образует нитрит аммония, разрушает двойные углеродные связи.
Присутствуя в атмосфере в больших концентрациях, озон самопроизвольно разлагается. При этом выделяется тепло и образуется молекула О2. Чем выше его концентрация, тем сильнее реакция тепловыделения. При содержании озона больше 10% она сопровождается взрывом. При увеличении температуры и снижении давления или при контакте с органическими веществами разложение О3 происходит быстрее.
История открытия
В химии озон не был известен до XVIII века. Обнаружен он был в 1785 году благодаря запаху, который физик Ван Марум услышал рядом с работающей электростатической машиной. Ещё 50 лет после никак не фигурировал в научных экспериментах и исследованиях.
Ученый Кристиан Шёнбейн в 1840 году изучал окисление белого фосфора. Во время экспериментов ему удалось выделить неизвестное вещество, которое он назвал «озон». Химик вплотную занялся изучением его свойств и описал способы получения вновь открытого газа.
Вскоре к исследованиям вещества подключились и другие ученые. Знаменитый физик Никола Тесла даже соорудил первый в истории Промышленное использование О3 началось в конце XIX века с появлением первых установок для подачи в дома питьевой воды. Вещество применяли для дезинфицирования.
Озон в атмосфере
Наша Земля окружена невидимой оболочкой из воздуха - атмосферой. Без неё жизнь на планете была бы невозможна. Составляющие атмосферного воздуха: кислород, озон, азот, водород, метан и другие газы.
Сам по себе озон не существует и возникает только в результате химических реакций. Близко к поверхности Земли он образуется за счет электрических разрядов молнии во время грозы. Неестественным путем он появляется благодаря выбросам выхлопных газов автомобилей, заводов, испарениям бензина, действию тепловых электростанций.
Озон нижних слоев атмосферы называют приземным или тропосферным. Существует и стратосферный. Он возникает под действием ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца. Он образуется на расстоянии 19-20 километров над поверхностью планеты и тянется до высоты 25-30 километров.
Стратосферный О3 формирует озоновый слой планеты, который защищает её от мощной солнечной радиации. Он поглощает примерно 98% ультрафиолетового излучения с длиной волны, достаточной для возникновения раковых заболеваний и ожогов.
Применение вещества
Озон - это отличный окислитель и разрушитель. Такое свойство давно используется для очищения питьевой воды. Вещество губительно действует на опасные для человека бактерии и вирусы, а само при окислении превращается в безвредный кислород.
Он способен убить даже стойких к хлору организмов. Кроме того, его применяют для очищения сточных вод от губительных для окружающей среды нефтепродуктов, сульфидов, фенолов и т.д. Такие практики распространены в основном на территории США и некоторых стран Европы.
Озон применяют в медицине для обеззараживания инструментов, в промышленности с его помощью отбеливают бумагу, очищают масла, получают различные вещества. Применение О3 для очистки воздуха, воды и помещения называется озонированием.
Озон и человек
Несмотря на все свои полезные свойства, озон может быть опасен для человека. Если в воздухе газа окажется больше, чем может перенести человек, отравления не избежать. В России его допустимая норма составляет 0,1 мкг/л.
При превышении этой нормы появляются типичные признаки химического отравления, такие как головная боль, раздражение слизистых, головокружение. Озон уменьшает сопротивление организма к инфекциям, передающимся через дыхательные пути, а также снижает давление крови. При концентрации газа выше 8-9 мкг/л возможен отек легких и даже смерть.
При этом распознать озон в воздухе достаточно легко. Запах «свежести», хлора или «раков» (как утверждал Менделеев) отчетливо слышен и при незначительном содержании вещества.
Замечали ли вы когда-то, как приятно дышится после дождя? Этот освежающий воздух обеспечивает озон в атмосфере, который появляется после дождя. Что это за вещество, каковы его функции, формула, а также действительно ли оно полезно для организма человека? Давайте разберемся.
Что такое озон?
Всем, кто учился в средней школе, известно, что молекула кислорода состоит из двух атомов химического элемента кислорода. Однако этот элемент способен образовывать еще одно химическое соединение - озон. Это название носит вещество, как правило, встречающееся в виде газа (хотя может пребывать во всех трех агрегатных состояниях).
Молекула данного вещества довольно сильно похожа на кислород (О 2), однако она состоит не из двух, а из трех атомов - О 3 .
История открытия озона
Человек, впервые синтезировавший озон - это нидерландский физик Мартин Ван Марум.
Именно он в 1785 г. провел опыт, пропустив через воздух электрический разряд. Получившийся газ не только приобрел специфический запах, но и синеватый оттенок. Помимо этого новое вещество оказалось более сильным окислителем, чем обычный кислород. Так, рассмотрев его влияние на ртуть, Ван Марум обнаружил, что металл немного изменил свои физические свойства, чего с ним не происходило под влиянием кислорода.
Несмотря на свое открытие, нидерландский физик не считал, что озон - это особое вещество. Только через 50 лет после открытия Ван Марума озоном всерьез заинтересовался немецкий ученый Кристиан Фридрих Шенбейн. Именно благодаря ему это вещество получило свое имя - озон (в честь греческого слова, означающего «пахнуть»), а также было более пристально изучено и описано.
Озон: физические свойства
Это вещество имеет ряд свойств. Первым из них является способность озона, как и воды, пребывать в трех агрегатных состояниях.
Нормальное состояние, в котором пребывает озон - газ голубоватого цвета (именно он окрашивает небеса в лазурный цвет) с ощутимым металлическим ароматом. Плотность такого газа - 2,1445 г/дм³.
При снижении температуры молекулы озона образуют сине-фиолетовую жидкость с плотностью 1,59 г/см³ (при температуре -188 °C). Закипает жидкий О 3 при -111,8 °C.
Пребывая в твердом состоянии, озон темнеет, становясь практически черным с отчетливым фиолетово-синим отблеском. Его плотность - 1,73 г/см 3 (при −195,7 °С). Температура, при которой начинает плавиться твердый озон - это −197,2 °С.
Молекулярная масса О 3 - 48 дальтонов.
При температуре в 0 °C озон прекрасно растворяется в воде, причем в десять раз быстрее, чем кислород. Наличие примесей в воде способно еще больше ускорить данную реакцию.
Помимо воды озон растворяется во фреоне, что облегчает его транспортировку.
Среди других веществ, в которых легко растворить О 3 (в жидком агрегатном состоянии) - аргон, азот, фтор, метан, углекислота, тетрахлоруглерод.
Также он неплохо смешивается с жидким кислородом (при температуре от 93 К).
Химические свойства озона
Молекула О 3 является довольно неустойчивой. По этой причине в нормальном состоянии она существует 10-40 минут, после чего разлагается, образуя небольшое количество тепла и кислород О 2 . Эта реакция способно произойти и гораздо быстрее, если в качестве катализаторов выступит повышение температуры окружающей среды или понижение атмосферного давления. Также разложению озона способствует и его контакт с металлами (кроме золота, платины и иридия), окислами или веществами органического происхождения.
Взаимодействие с азотной кислотой останавливает разложение О 3 . Также этому способствует хранение вещества при температуре −78 °С.
Главным химическим свойством озона является его окисляемость. Одним из продуктов окисления всегда является кислород.
При разных условиях О 3 способен взаимодействовать практически со всеми веществами и химическими элементами, уменьшая их токсичность путем превращения их в менее опасные. Например, цианиды окисляются им до цианатов, которые намного безопаснее для биологических организмов.
Как добывают?
Чаще всего для добывания О 3 на кислород воздействуют электрическим током. Чтобы разделить получившуюся смесь кислорода и озона, используют свойство последнего лучше сжижаться, чем О 2 .
В химических лабораториях иногда О 3 добывают с помощью реакции охлажденного концентрата серной кислоты с пероксидом бария.
В медицинских учреждениях, использующих О 3 для оздоровления пациентов, это вещество получают путем облучения О2 ультрафиолетом (кстати, таким же способом образуется данное вещество в атмосфере Земли под действием солнечных лучей).
Использование О3 в медицине и промышленности
Несложное строение озона, доступность исходного материала для его добывания способствует активному использованию данного вещества в промышленности.
Будучи сильным окислителем, он способен дезинфицировать значительно лучше хлора, формальдегида или окиси этилена, при этом являясь не столь токсичным. Поэтому О 3 часто используется для стерилизации медицинских инструментов, оборудования, формы, а также многих препаратов.
В промышленности данное вещество чаще всего используют для очистки или добывания многих химических веществ.
Еще одной отраслью использования является отбеливание бумаги, тканей, минеральных масел.
В химической промышленности О 3 не только помогает стерилизовать оборудование, инструменты и тару, но и применяется для обеззараживания самих продуктов (яиц, зерна, мяса, молока) и увеличения их срока хранения. Фактически он считается одним из лучших консервантов для продуктов, поскольку нетоксичен и неканцерогенен, а также прекрасно убивает споры плесени и других грибков и бактерий.
В хлебопекарнях озон применяется для ускорения процесса брожения дрожжей.
Также с помощью О 3 искусственно старятся коньяки, производится рафинирование жирных масел.
Как влияет озон на организм человека?
Из-за такой схожести с кислородом бытует заблуждение, что озон - это полезное для организма человека вещество. Однако это не так, поскольку О 3 является одним из сильнейших окислителей, способных разрушить легкие и убить каждого, кто чрезмерно вдыхает этого газ. Не зря государственные экологические организации в каждой стране строго следят за концентрацией озона в атмосфере.
Если озон так вреден, то почему же после дождя всегда становится легче дышать?
Дело в том, что одним из свойств О 3 является его способность убивать бактерии и очищать вещества от вредных примесей. Во время дождя из-за грозы начинает образовываться озон. Газ этот влияет на токсические вещества, содержащиеся в воздухе, расщепляя их, и очищает кислород от этих примесей. Именно по этой причине воздух после дождя столь свеж и приятен, а небо обретает красивый лазурный цвет.
Эти химические свойства озона, позволяющие ему очищать воздух, в последнее время активно используют для лечения людей, страдающих от различных респираторных заболеваний, а также для очистки воздуха, воды, различных косметических процедур.
Довольно активно сегодня рекламируются бытовые озонаторы, очищающие воздух в доме с помощью данного газа. Хотя эта методика кажется весьма эффективной, пока что учеными недостаточно изучено влияние большого количества очищенного озоном воздуха на организм. По этой причине чрезмерно увлекаться озонированием не стоит.
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 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
- 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.
