Озон связь ковалентная. Способы получения озона

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.

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.

Озон - слово греческого происхождения, которое в переводе означает “пахучий”. Что такое озон? По своей сути, озон О3 - это газ голубого цвета с характерным запахом, который ассоциируется с запахом воздуха после грозового дождя. Особенно ощущается вблизи источников электрического тока.

История обнаружения озона учеными

Что такое озон? Как он был открыт? В 1785 физиком из Голландии Мартином ван Марумом было проведено несколько экспериментов, направленных на исследование воздействия электрического тока на кислород. По их результатам ученый исследовал появление специфической "электрической материи". Продолжая работать в данном направлении, в 1850 году ему удалось определить способность озона взаимодействовать с органическими соединениями и его свойство в качестве окислителя.

Впервые дезинфицирующие свойства озона были применены в 1898 году на территории Франции. В городке Бон Вояж был построен завод, который осуществлял обеззараживание и дезинфекцию воды из реки Вазюби. В России первый завод по озонированию был запущен в Санкт-Петербурге в 1911 году.

Широкое применение озон получил в годы Первой мировой войны в качестве антисептического средства. Озонокислородная смесь применялась для лечения заболеваний кишечника, пневмонии, гепатита и практиковалась при инфекционных поражениях после хирургического вмешательства. Особенно активно озонированием начали заниматься с 1980 года, толчком к этому стало появление на рынке надежных и энергосберегающих В настоящее время с помощью озона очищают около 95% воды в США и по всей Европе.

Технология образования озона

Что такое озон? Как он образуется? В естественной среде озон находится в атмосфере Земли на высоте 25 км. По сути, это газ, который образуется в результате ультрафиолетового излучения Солнца. На поверхности он образует слой толщиной 19-35 км, который защищает Землю от проникновения солнечной радиации. Согласно трактовке химиков, озон - это активный кислород (соединение трех атомов кислорода). В газообразном состоянии он голубой, в жидком имеет оттенок индиго, а в твердом - это темно-синие кристаллы. О3 - это его молекулярная формула.

Каков вред озона? Он относится к самому высокому классу опасности - это очень ядовитый газ, токсичность которого приравнивается к категории боевых отравляющих веществ. Причиной его появления являются электрические разряды в атмосфере (3O2 = 2O3). В природе почувствовать его можно после сильных вспышек молний. Озон хорошо взаимодействует с другими соединениями и считается одним из Поэтому его используют для уничтожения бактерий, вирусов, микроорганизмов, для очистки воды и воздуха.

Негативное влияние озона

На что влияет озон? Характерной особенностью этого газа является способность быстро взаимодействовать с другими веществами. Если в природе наблюдается превышение нормативных показателей, то в результате его взаимодействия с тканями человека могут возникнуть опасные вещества и заболевания. Озон - сильнодействующий окислитель, при взаимодействии с которым быстро разрушаются:

• натуральная резина;
• металлы, за исключением золота, платины и иридия;
• бытовые приборы;
• электроника.

При больших концентрациях озона в воздухе происходит ухудшение здоровья и самочувствия человека, в частности:

• раздражается слизистая оболочка глаз;
• нарушается функционирование органов дыхания, которое приведет к параличу легких;
• наблюдается общая усталость организма;
• появляются головные боли;
• возможно появление аллергических реакций;
• жжение в горле и тошнота;
• происходит негативное влияние на нервную систему.

Полезные свойства озона

Очищает ли озон воздух? Да, несмотря на свою газ является очень полезным для человека. В небольших концентрациях он отмечается отличными дезинфицирующими и дезодорирующими свойствами. В частности, он губительно действует на вредные микроорганизмы и производит к уничтожению:

• вирусов;
• различных видов микробов;
• бактерий;
• грибков;
• микроорганизмов.

Чаще всего озон используют во время эпидемии гриппа и вспышек опасных инфекционных заболеваний. С его помощью очищают воду от разного рода примесей и соединений железа, при этом обогащают ее кислородом и минералами.

Интересная информация об озоне, сфера его применения

Отличные дезинфицирующие свойства и отсутствие побочных эффектов привели к появлению спроса на озон и его широкому применению в различных отраслях экономики. В наши дни озон успешно используется для:

• удовлетворения потребностей фармацевтической отрасли;
• очистки воды в аквариумах и рыбных хозяйствах;
• дезинфекции бассейнов;
• медицинских целей;
• косметических процедур.

В медицинской отрасли озонирование практикуется при язвах, ожогах, экземах, варикозе, ранах и дерматологических заболеваниях. В косметологии озон применяют для борьбы со старением кожи, целлюлитом и лишним весом.

Влияние озона на жизнедеятельность живых существ

Что такое озон? Как он влияет на жизнь на Земле? Согласно исследованиям ученых, 10% озона находится в тропосфере. Этот озон является составным компонентом смогов и выполняет роль загрязнителя. Он негативно сказывается на дыхательных органах людей, животных и замедляет рост растений. Однако его количество очень мало, чтобы существенно вредить здоровью. Значительная часть вредного озона в составе смогов - это продукты функционирования автомобилей и электростанций.

Значительно больше озона (около 90%) находится в стратосфере. Этот поглощает биологически вредное ультрафиолетовое излучение Солнца, тем самым защищая людей, флору и фауну от негативных последствий.

Крайне ценными для всего человечества свойствами обладает такой газ, как озон. Химический элемент, которым он образован, - О. На самом деле, озон О 3 - одна из аллотропных модификаций оксигена, состоящая из трёх формульных единиц (О÷О÷О). Первое и более известное соединение - это сам кислород, точнее газ, который образован двумя его атомами (О=О) - О 2 .

Аллотропия - это способность одного химического элемента образовывать ряд различных по свойствам простых соединений. Благодаря ей человечество изучило и использует такие вещества, как алмаз и графит, моноклинная и ромбическая сера, кислород и озон. Химический элемент, имеющий такую способность, не обязательно ограничен только двумя модификациями, у некоторых их больше.

История открытия соединения

Составляющая единица многих органических и минеральных веществ, в том числе и такого как озон - химический элемент, обозначение которого О - оксиген, в переводе с греческого «oxys» - кислый, и «gignomai» - рождать.

Впервые новую во время опытов с электрическими разрядами обнаружил в 1785 году голландец Мартин ван Марун, его внимание привлёк специфический запах. А веком позже француз Шенбейн отметил присутствие такого же после грозы, в результате чего газ был назван «пахнущий». Но учёные несколько обманулись, считая, что их обоняние учуяло сам озон. Запах, который они чувствовали, принадлежал окисленным при взаимодействии с О 3 , так как газ очень реакционноспособен.

Электронное строение

Один и тот же структурный фрагмент имеют О2 и О3 - химический элемент. Озон имеет более сложное строение. В кислороде же всё просто - два атома оксигена соединены двойной связью, состоящей из ϭ- и π-составляющей, согласно валентности элемента. О 3 имеет несколько резонансных структур.

Кратная связь соединяет два кислорода, а третий имеет одинарную. Таким образом, вследствие миграции π-составляющей, в общей картине три атома имеют полуторное соединение. Эта связь короче, чем одинарная, но длиннее, чем двойная. Вероятность цикличности молекулы проведённые учёными эксперименты исключают.

Методы синтеза

Для образования такого газа, как озон, химический элемент оксиген должен находиться в газообразной среде в виде отдельных атомов. Такие условия создаются при соударении молекул кислорода О 2 с электронами во время электрических разрядов или другими частицами с большой энергией, а также при его облучении ультрафиолетом.

Львиная доля от общего количества озона в естественных условиях атмосферы образуется фотохимическим способом. Человек предпочитает в химической деятельности использовать другие методы, такие как, например, электролитический синтез. Он заключается в том, что в водную среду электролита помещают платиновые электроды и пускают ток. Схема реакции:

Н 2 О + О 2 → О 3 + Н 2 + е -

Физические свойства

Кислород (О) - составная единица такого вещества как озон - химический элемент, формула которого, а также относительная молярная масса указаны в таблице Менделеева. Образуя О 3 , оксиген приобретает свойства, кардинально отличающиеся от свойств О 2 .

Газ голубого цвета - это обычное состояние такого соединения, как озон. Химический элемент, формула, количественные характеристики - все это определили при идентификации и изучении данного вещества. для него -111,9 °C, сжиженное состояние имеет темно-фиолетовый окрас, при дальнейшем понижении градуса до -197,2 °C начинается плавление. В твёрдом агрегатном состоянии озон приобретает чёрный цвет с фиолетовым отливом. Растворимость его в десять раз превышает это свойство кислорода О 2 . При самых незначительных концентрациях в воздухе чувствуется запах озона, он резок, специфичен и напоминает запах металла.

Химические свойства

Очень активным, с реакционной точки зрения, является газ озон. Химический элемент, который его образует - это кислород. Характеристики, определяющие поведение озона во взаимодействии с другими веществами, - это высокая окисляющая способность и неустойчивость самого газа. При повышенных температурах он разлагается с небывалой скоростью, процесс ускоряют и катализаторы, такие как оксиды металлов, азота и другие. Свойства окислителя присущи озону благодаря особенностям строения молекулы и подвижности одного из атомов оксигена, который отщепляясь, превращает газ в кислород: О 3 → О 2 + О·

Оксиген (кирпичик, из которого построены молекулы таких веществ, как кислород и озон) - химический элемент. Как пишется в уравнениях реакции - О·. Озон окисляет все металлы, за исключением золота, платины и его подгруппы. Он реагирует с газами, находящимися в атмосфере - оксидами серы, азота и прочими. Не остаются инертными и органические вещества, особенно быстро идут процессы разрывов кратных связей через образования промежуточных соединений. Крайне важно, что продукты реакций являются безвредными для окружающей среды и человека. Это вода, кислород, высшие оксиды различных элементов, окислы углерода. Во взаимодействие с озоном не вступают бинарные соединения кальция, титана и кремния с кислородом.

Применение

Основная область, где применяется «пахнущий» газ - это озонирование. Подобный метод стерилизации гораздо эффективнее и безопаснее для живых организмов, чем дезинфекция хлором. При не происходит образование токсичных производных метана, замещенных опасным галогеном.

Всё чаще такой экологический метод стерилизации находит применение в пищевой отрасли промышленности. Озоном обрабатывают холодильное оборудование, складские помещения для продуктов, с помощь него проводят устранение запахов.

Для медицины дезинфицирующие свойства озона также незаменимы. Им обеззараживают раны, физиологические растворы. Озонируют венозную кровь, а также «пахнущим» газом лечат ряд хронических заболеваний.

Нахождение в природе и значение

Простое вещество озон - элемент газового состава стратосферы, области околоземного пространства, расположенной на расстоянии порядка 20-30 км от поверхности планеты. Выделение этого соединения происходит во время процессов, связанных с электрическими разрядами, при сварке, работе аппаратов ксерокса. Но именно в стратосфере образуется и содержит 99% от общего количества озона, находящегося в атмосфере Земли.

Жизненно важным оказалось присутствие газа в околоземном пространстве. Он образует в нем так называемый озоновый слой, который защищает всё живое от смертельного ультрафиолетового излучения Солнца. Как ни странно, но наравне с огромной пользой, сам газ опасен для людей. Повышение концентрации озона в воздухе, которым дышит человек, вредно для организма, вследствие его крайней химической активности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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

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

Химическая формула озона

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

Mr(O 3) = 3×Ar(O) = 3×16 = 48

Структурная (графическая) формула озона

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

Рис. 1. Строение молекулы озона.

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

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

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

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2