Озон - свойства, структура, получение, реакции и использование

Озон — раздражающий светло-голубой газ, который даже при низких концентрациях взрывоопасен и ядовит. Это естественно происходит на небольших уровнях в стратосфере Земли, где он поглощает солнечный ультрафиолетовый свет, который в противном случае причинил бы серьезный вред живым существам на поверхности Земли. При некоторых условиях в результате фотохимических реакций в нижних слоях атмосферы между оксидами азота и углеводородами может образовываться озон в концентрациях, достаточно высоких для раздражения глаз и слизистых оболочек.

Ozone is a triatomic oxygen allotrope that gives the air a distinctive odour after a thunderstorm or near electrical equipment. The odour of ozone surrounding electrical machinery was first reported in 1785, and the chemical composition of ozone was identified in 1872.

Озон

Запах озона подобен запаху хлора, и многие люди могут ощущать его даже в количествах всего 0,1 промилле в воздухе. В 1865 году была открыта структура озона. Позже было обнаружено, что молекула имеет изогнутую форму и слабо парамагнитна. При нормальных условиях озон представляет собой бледно-голубой газ, который конденсируется в темно-синюю жидкость, а затем в фиолетово-черное твердое вещество при криогенных температурах. Несовместимость озона с более распространенным дикислородом приводит к взрывному разрушению как концентрированного газа, так и жидкого озона при высоких температурах, физических травмах или быстром нагревании до точки кипения. В результате он используется только в коммерческих целях в небольших количествах.

Озон является сильным окислителем (гораздо более сильным, чем молекулярный кислород) с многочисленными промышленными и потребительскими применениями, связанными с окислением. При концентрации выше примерно 0,1 ppm высокий окислительный потенциал озона приводит к тому, что он повреждает слизистые и дыхательные ткани животных, а также ткани растений. В то время как это делает озон существенно опасным для органов дыхания и загрязняющим веществом вблизи земли, более высокая концентрация озонового слоя (от двух до восьми частей на миллион) полезна, поскольку она не дает вредным ультрафиолетовым лучам достигать поверхности Земли.

Физические свойства озона

1. Озон представляет собой бесцветный или бледно-голубой газ, слабо растворимый в воде, но гораздо более растворимый в инертных неполярных растворителях, таких как четыреххлористый углерод или фторуглероды, где он образует раствор синего цвета.
2. Он конденсируется, образуя темно-синюю жидкость с температурой около 161К.
3. Доведение этой жидкости до точки кипения опасно, поскольку как концентрированный газообразный, так и жидкий озон может взорваться.
4. При температуре ниже 80 градусов Цельсия он застывает в виде фиолетово-черной жидкости.
5. Большинство людей могут обнаружить озон в воздухе, потому что он имеет отчетливый резкий запах, похожий на хлорный отбеливатель.
6. Воздействие озона вызывает головные боли, жжение в глазах и раздражение дыхательных путей.
7. Небольшой уровень озона в воздухе чрезвычайно вреден для органических материалов, таких как латекс, полимеры и ткани легких животных.
8. Озон обладает слабым парамагнитным свойством.

Химические свойства озона

• Озон действует как мощный окислитель. Реакция

О ₃ ⇢ О ₂ + О

• Озон восстанавливает пероксиды до оксидов и восстанавливает их до кислорода.

Н ₂ О ₂ + О ₃ ⇢ Н ₂ О + 2О ₂

Структура озона

Согласно экспериментам по микроволновой спектроскопии, озон представляет собой изогнутую молекулу с симметрией, подобной воде. Угол, образованный ООО, равен 116,78°. Одна неподеленная пара sp ² гибридизована с центральным атомом. Молекула озона полярна. Молекулу можно описать как резонансный гибрид с двумя участвующими структурами: одна с одинарной связью с одной стороны, а другая с двойной связью. Он имеет те же изоэлектронные свойства, что и нитрит-анион.

Подготовка озона

В лаборатории озон создается путем пропускания через сухой кислород тихого электрического разряда. Некоторые молекулы кислорода диссоциируют, когда через них пропускают электрический ток, и впоследствии атомарный кислород смешивается с молекулами кислорода, образуя озон.

О ₂ ⇢ О + О

О ₂ + О ⇢ О ₃

Реакции озона

Озон является одним из самых сильных известных окислителей, значительно более сильным, чем O ₂ . При больших концентрациях он также нестабилен и распадается на обычный кислород. На его период полураспада влияют атмосферные факторы, такие как температура, влажность и движение воздуха. С повышением температуры скорость этой реакции увеличивается. Искра может вызвать дефлаграцию озона, которая может произойти при концентрации озона 10% и более. На аноде электрохимической ячейки кислород также можно использовать для получения озона. С помощью этого процесса можно производить меньшее количество озона для научных целей.

С металлами: Озон окисляет большинство металлов (за исключением золота, платины и иридия) до оксидов металлов в их высшей степени окисления. Рассмотрим следующий сценарий:

Cu + O ₃ → CuO + O ₂

Даже при температуре окружающей среды озон взаимодействует с углеродом с образованием углекислого газа:

С + 2О ₃ → СО ₂ + 2О ₂

Разложение озона

Озон — это вредный газ, который широко распространен или образуется в среде обитания человека (например, в кабинах самолетов, офисах с фотокопировальными аппаратами, лазерными принтерами и стерилизаторами), и его каталитическое разложение имеет решающее значение для уменьшения загрязнения. Это наиболее распространенный вид разложения, особенно с твердыми катализаторами, и он имеет ряд преимуществ, в том числе лучшую конверсию при более низких температурах. Кроме того, продукт и катализатор можно мгновенно разделить, что позволяет извлекать катализатор без необходимости процесса разделения. Кроме того, благородные металлы, такие как Pt, Rh или Pd, а также переходные металлы, такие как Mn, Co, Cu, Fe, Ni или Ag, являются наиболее часто используемыми материалами для каталитического разложения озона в газовой фазе.

В газовой фазе возможны два альтернативных варианта разложения озона: Первый – это термическое разложение, при котором озон разлагается только под действием тепла. Дело в том, что при температурах ниже 250°C такое разрушение протекает крайне медленно. Однако, работая при более высоких температурах, можно увеличить скорость пробоя, хотя и со значительными затратами энергии. Второй — фотохимический распад, который происходит, когда озон подвергается воздействию ультрафиолетового излучения (УФ), что приводит к образованию кислорода и перекиси радикалов.

Использование озона

1. В водоочистных сооружениях без систем фильтрации используется озон.
2. Широко используемое оборудование, такое как копировальные аппараты, лазерные принтеры и другие электрические устройства, может выделять озон.
3. Озонотерапия используется для дезинфекции и лечения заболеваний путем сведения к минимуму воздействия бактерий, вирусов, грибков, дрожжей и простейших.
4. Некоторые химические вещества, разрушающие озоновый слой, обладают свойствами, которые позволяют им эффективно передавать тепло от одного места к другому, что делает их хорошими хладагентами.

What is an Ozone Layer?

The ozone layer, also known as the ozone shield, is a region of the Earth’s stratosphere that absorbs the majority of ultraviolet radiation from the Sun. It has a high concentration of ozone in comparison to the rest of the atmosphere, although it is relatively low in comparison to other gases in the stratosphere. The ozone layer contains fewer than 10ppm of ozone, whereas the average ozone concentration in the Earth’s atmosphere is around 0.3ppm. The ozone layer is primarily located in the lower stratosphere, between 15 and 35 kilometres above Earth, however, its thickness varies seasonally and geographically.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое озон?

Отвечать:

Ozone is a gas that exists naturally in our environment. Each ozone molecule has three oxygen atoms and is designated chemically as O₃.

Вопрос 2: Где содержится озон в атмосфере?

Отвечать:

Ozone is typically present in two regions of the atmosphere. The troposphere, which stretches from the surface to roughly 10–15 kilometres height, contains around 10% of the Earth’s ozone. The stratosphere, the region of the atmosphere between the top of the troposphere and about 50 kilometres altitude, contains approximately 90 percent of the Earth’s ozone. The “ozone layer” refers to the region of the stratosphere with the highest concentration of ozone. 

Вопрос 3: Как образуется озон?

Отвечать:

Ozone is generated in the atmosphere through multistep chemical processes begun by sunlight. The process begins in the stratosphere with an oxygen molecule being torn apart by UV light from the Sun. Ozone is generated in the troposphere through a separate set of chemical reactions that involve both naturally occurring chemicals and those emitted by sources of air pollution.

Вопрос 4: Как измеряется содержание озона в атмосфере?

Отвечать:

Instruments on the ground and transported aloft on balloons, aircraft, and satellites measure the amount of ozone in the atmosphere. Some instruments use a continuous air sampler to monitor ozone in a tiny detection chamber. Other technologies use ozone’s distinctive optical absorption or emission qualities to assess ozone across vast distances.

Вопрос 5: Какие выбросы в результате деятельности человека приводят к истощению озонового слоя?

Отвечать:

Ozone-depleting substances (ODSs) are released into the atmosphere by some industrial operations and consumer items. The Montreal Protocol regulates the use of produced halogen source gases around the world. These gases transport chlorine and bromine atoms to the stratosphere, where chemical processes destroy ozone. Chlorofluorocarbons (CFCs), which were originally utilised in practically all refrigeration and air conditioning systems, and halons, which were used as fire suppressing agents, are two notable examples.