Озон, свойства, токсикология и применение. Роль озонового щита планеты

«Озон — бесценный подарок  Создателя.

Его уникальные свойства огромны и неограниченны.

Это не фармацевтический препарат — сама природа заботится  о нас. Великий  и непревзойденный  художник и целитель — 

Доктор  Природа — благословил  Человечество, принеся  в дар исключительную помощь и выдающееся благословение — Озон» 
 

     Озон, свойства, токсикология и применение. Роль озонового щита планеты.  

      1 Озон. Общая характеристика

     Озон (от др.- греч. ὄζω — пахну) — состоящая из трёхатомных молекул O3 аллотропная модификация кислорода. При нормальных условиях — голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.

     Основная  масса озона в атмосфере расположена  на высоте от 10 до 50 км с максимальной концентрацией на высоте 20-25 км, образуя слой, называемый озоносферой.

     Озоносфера  отражает жесткое ультрафиолетовое излучение, защищает живые организмы  от губительного действия радиации. Именно, благодаря образованию озона из кислорода воздуха стала возможна жизнь на суше.

     Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик Мартинус ван Марум по характерному запаху, создающему эффект свежести, и окислительным свойствам, которые приобретает воздух после пропускания через него «электрических искр». Однако как новое вещество он описан не был, так как ван Марум считал, что данный эффект достигается образованием особой «электрической материи».

     Сам термин «озон» (от греческого слова  «пахнущий») был предложен немецким химиком X. Ф. Шейнбейном в 1840 году. В словари его ввели в конце 19 века. Многие источники отдают приоритет открытия озона именно Х. Ф. Шейнбену, датируя это событие 1839 годом. 
 
 

     2 Нахождение в природе.  Основные способы  получения 

     В природе озон образуется из молекулярного кислорода (О2) во время грозы или под действием ультрафиолетового излучения. Особенно это ощутимо в местах, богатых кислородом: в лесу, в приморской зоне или около водопада. При попадании солнечных лучей, в капле воды кислород преобразуется в озон. Озон обеззараживает воздух, окисляя примеси различных веществ, придавая приятную свежесть - запах грозы. Озон вступает в реакцию с большинством органических и неорганических веществ, в результате образуется кислород, вода, оксиды углерода и высшие оксиды других элементов. Все эти продукты абсолютно безвредны и постоянно присутствуют в чистом природном воздухе.

     Озон  образуется в газовой среде, содержащей кислород, если возникнут условия, при  которых кислород диссоциирует на атомы. Это возможно во всех формах электрического разряда: тлеющем, дуговом, искровом, коронном, поверхностном, барьерном, безэлектродном и т.п. Основной причиной диссоциации является столкновение молекулярного кислорода с электронами, ускоренными в электрическом поле.

     Кроме разряда диссоциацию кислорода вызывают УФ-излучение. Озон получают также при электролизе воды.

     Получение озона

     Озон  образуется из кислорода. Существует несколько  способов получения озона, среди  которых наиболее распространенными  являются: электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда. Чтобы избежать нежелательных окисей, предпочтительнее получать озон из чистого медицинского кислорода, используя электросинтез. Концентрацию получаемой озоно-кислородной смеси в таких аппаратах легко варьировать — либо задавая определенную мощность электрического разряда, либо регулируя поток входящего кислорода (чем быстрее кислород проходит через озонатор, тем меньше озона образуется).

     Фотохимический  способ

     Фотохимический метод получения озона представляет из себя наиболее распространенный в природе способ. Образование озона происходит при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения. Этот метод не позволяет получать озон высокой концентрации. Приборы, основанные на этом методе, получили распространение для лабораторных целей, в медицине и пищевой промышленности.

     Электролитический метод синтеза.

     Первое  упоминание об образовании озона  в электролитических процессах  относится к 1907 г. Электролитический метод синтеза озона осуществляется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных кислот и их соли (H2SO4, HClO4, NaClO4, KClO4). Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединясь к молекуле кислорода образует озон и молекулу водорода. Этот метод позволяет получить концентрированный озон, однако он весьма энергоемкий, и поэтому он не нашел широкого распространения.

     Н2О + О2 —> О3 + 2Н+ + e-

     с возможным промежуточным образованием ионов или радикалов.

     Электросинтез озона получил наибольшее распространение. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций с большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.

     В результате многочисленных исследований по использованию различных видов газового разряда для электросинтеза озона распространение получили аппараты использующие три формы разряда:

         1 Барьерный разряд;

           2 Поверхностный разряд;

          3 Импульсный разряд .

     Образование озона под действием  ионизирующего излучения.

     Озон  образуется в ряде процессов, сопровождающихся возбуждением молекулы кислорода либо светом, либо электрическим полем. При  облучении кислорода ионизирующей радиацией также могут возникать  возбужденные молекулы, и наблюдается  образование озона

     Образование озона в СВЧ-поле.

     При пропускании струи кислорода  через СВЧ-поле наблюдалось образование  озона. Этот процесс мало изучен, хотя генераторы, основанные на этом явлении, часто используются в лабораторной практике. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Физические и химические свойства озона. 

     Физические  свойства:

• Молекулярная масса — 47,998 г/моль.
• Плотность газа при нормальных условиях — 2,1445 кг/м³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху — 1,62 (1,658).
• Плотность жидкости при −183 °C — 1,71 кг/м³
• Температура кипения — −111,9 °C. Жидкий озон — тёмно-фиолетового цвета. В газообразном виде озон имеет голубоватый оттенок, заметный при содержании в воздухе 15—20% озона.
• Температура плавления — -197,2 ± 0,2 °С (приводимая обычно −251,4 °C ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению). В твёрдом состоянии — чёрного цвета с фиолетовым отблеском.
• Растворимость в воде при 0 °С — 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом.
• В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком — слабопарамагнитен.
• Запах — резкий, специфический «металлический» (по Менделееву — «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1: 100000.

 

      Химические  свойства:

      Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.

2 Cu²⁺_(aq) + 2 H₃O⁺_(aq) + O_3(g) → 2 Cu³⁺_(aq) + 3 H₂O_(l) + O_2(g)

Озон  повышает степень окисления оксидов:

NO + O₃ → NO₂ + O₂

Эта реакция  сопровождается хемилюминесценцией. Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:

NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂

с образованием азотного ангидрида N₂O₅:

NO₂ + NO₃ → N₂O₅

Озон  реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием двуокиси углерода:

C + 2 O₃ → CO₂ + 2 O₂

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

2 NH₃ + 4 O₃ → NH₄NO₃ + 4 O₂ + H₂O

Озон  реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:

PbS + 4O₃ → PbSO₄ + 4O₂

С помощью  озона можно получить Серную кислоту как из элементарной серы, так и из двуокиси серы:

S + H₂O + O₃ → H₂SO₄

3 SO₂ + 3 H₂O + O₃ → 3 H₂SO₄

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

3 SnCl₂ + 6 HCl + O₃ → 3 SnCl₄ + 3 H₂O

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

H₂S + O₃ → SO₂ + H₂O

В водном растворе проходят две конкурирующие  реакции с сероводородом, одна с  образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:

H₂S + O₃ → S + O₂ + H₂O

3 H₂S + 4 O₃ → 3 H₂SO₄

Обработкой  озоном раствора йода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат йода (III):

I₂ + 6 HClO₄ + O₃ → 2 I(ClO₄)₃ + 3 H₂O

Твёрдый нитрилперхлорат может быть получен  реакцией газообразных NO₂, ClO₂ и O₃:

2 NO₂ + 2 ClO₂ + 2 O₃ → 2 NO₂ClO₄ + O₂

Озон  может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:

3 C₄N₂ + 4 O₃ → 12 CO + 3 N₂

Озон  может реагировать при низких температурах. При 77 K (−196 °C), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием супероксидного радикала с димеризацией последнего^[6] :

H + O₃ → HO₂ + O

2 HO₂ → H₂O₂+O₂ 
 
 
 

     5 Основные области применения.  

     После открытия озона было сразу отмечено его главное свойство — огромная окислительная способность, значительно превосходящая таковую у кислорода. Поэтому неудивительно, что озон стал использоваться для борьбы с микроорганизмами.