Озон

Озон - хімічна газоподібна речовина, яка є сильним окислювачем. Які властивості має газ, і для яких цілей його отримують?

Загальна інформація

Озон вперше було виявлено у 1785 році голландським фізиком М.М. ван Марум. Він зауважив, що при пропусканні через повітря електричних розрядів повітря набуває специфічного запаху. Проте термін «озон» було запроваджено пізніше німецьким хіміком Х. Ф. Шенбейном у 1840 році.

Формула озону – Про₃тобто озон складається з трьох молекул кисню. Озон – це алотропна видозміна кисню. Про₃ – газ світло-синього кольору, з характерним запахом, нестійкий, токсичний. За температури -111,9 градусів цей газ зріджується. Розчинність озону у воді більша, ніж у кисню: 100 об'ємів води розчиняють 49 об'ємів озону.

Ця речовина утворюється в атмосфері за електричних розрядів. Озоновий шар у стратосфері (25 км. від поверхні) поглинає ультрафіолетове випромінювання, небезпечне для всіх живих організмів.

Озон – сильний окислювач, навіть сильніший, ніж кисень. Він здатний окислювати такі метали, як золото та платина.

Особлива хімічна активність озону пояснюється тим, що його молекула легко розпадається на молекулу кисню та атомарний кисень. Атомарний кисень, що утворився, більш активно реагує з речовинами, ніж молекулярний.

Озон здатний із розчину йодистого калію виділяти йод:

Папір, змочений йодистим калієм та крохмалем у повітрі, що містить озон, синіє. Ця реакція використовується виявлення озону.

У 1860 році вчені Ендрюс і Тет експериментально довели за допомогою скляної трубки з манометром, наповненої чистим киснем, що при перетворенні кисню на озон відбувається зменшення обсягу газу

Отримання та застосування озону

Отримують озон за впливу електричних розрядів на кисень в озонаторах.

Озон застосовують для знезараження питної води, для знешкодження промислових стічних вод, у медицині – як дезінфікуючий засіб. Також як і хлорування, озонування має знезаражуючий ефект, але його плюсом є те, що при використанні озону в обробленій воді не утворюється токсинів. Озон також ефективно бореться з пліснявою та бактеріями.

При гострому отруєнні озон уражає органи дихання, подразнює слизові очі, викликає головний біль. Токсичність озону різко зростає за одночасного впливу оксидів азоту.

Що ми дізналися?

Озон – газ, який було виявлено наприкінці XVIII століття, а свою сучасну назву отримав лише у середині ХІХ століття. На відміну від кисню, цей газ має характерний запах і відрізняється світло-синім кольором.

Озон

Озон - що складається з трихатомних молекул O₃ алотропна модифікація кисню. За нормальних умов – блакитний отруйний газ. Запах – різкий специфічний. При зрідженні перетворюється на рідину кольору індиго. У твердому вигляді є темно-сині, сірі, практично чорні кристали.

Будова озону

Обидва зв'язки O—O у молекулі озону мають однакову довжину 1,278 Å. Кут між зв'язками становить 116,8 °. Центральний атом кисню sp²-гібридизований, має одну неподілену пару електронів. Порядок кожного зв'язку - 1,5, резонансні структури - з локалізованим одинарним зв'язком з одним атомом і подвійний - з іншим, і навпаки. Молекула полярна, електричний дипольний момент - 0,5337Д.

Історія відкриття

Вперше озон виявив у 1785 році голландський фізик М.М.ван Марум за характерним запахом і окисними властивостями, які набуває повітря після пропускання через нього електричних іскор, а також за здатністю діяти на ртуть при звичайній температурі, внаслідок чого вона втрачає свій блиск і починає прилипати до скла. Однак, як нову речовину він описаний не був, ван Марум вважав, що утворюється особлива «електрична матерія».

Термін озон було запропоновано німецьким хіміком X. Ф. Шенбейном у 1840 році за його пахучість увійшов до словників наприкінці XIX століття. Багато джерел саме йому віддають пріоритет відкриття озону у 1839 році. В 1840 Шенбейн показав здатність озону витісняти йод з іодиду калію:

Цю реакцію використовують для якісного визначення озону за допомогою фільтрувального паперу, просоченою сумішшю розчинів крохмалю та йодиду калію (йодкрохмального паперу) — вона в озоні синіє через взаємодію йоду з крохмалем, що виділяється.

Факт зменшення обсягу газу при перетворенні кисню в озон експериментально довели в 1860 Ендрюс і Тет за допомогою скляної трубки з манометром, наповненої чистим киснем, з впаяними в неї платиновими провідниками для отримання електричного розряду.

Фізичні властивості

• Молекулярна маса - 48 а. е. м.
• Щільність газу за нормальних умов 2,1445 г/дм³. Відносна щільність газу кисню 1,5; повітрям 1,62 (1,658).
• Щільність рідини при −188 °C (85,2 К) становить 1,59(7) г/см³.
• Щільність твердого озону при -195,7 ° С (77,4 К) дорівнює 1,73 (2) г/см 3 .
• Температура кипіння -111,8 (3) ° C (161,3 К). Рідкий озон – темно-фіолетового кольору.
• Температура плавлення −197,2(2) °С (75,9 К) Наведена іноді т.пл.−251,4 °C (21,7 К) хибна, оскільки за її визначенні не враховувалася велика здатність озону до переохолодження. За іншими відомостями Tпл = -192,5 (4) ° С (80,6 К). У твердому стані – чорного кольору з фіолетовим відблиском.
• Критична температура -12,0 ° С (261,1 К).
• Критичний тиск 51,6 атм.
• Коефіцієнт дифузії (при 300 К, 1 атм) 0,157 см2/с.
• Теплота плавлення 2,1 кДж/моль.
• Теплота випаровування при температурі кипіння у різних джерелах вказується від 11,17 до 15,19 кДж/моль; при 90 К від 15,27 до 16,6 кДж/моль.
• Розчинність у воді при 0 ° С - 0,394 кг / м ³ (0,494 л / кг), вона в 10 разів вище в порівнянні з киснем. Розчинність, що здається, сильно залежить від чистоти води, оскільки домішки каталізують розпад озону.
• Рідкий озон поєднується у всіх відносинах з рідкими аргоном, азотом, фтором, метаном, вуглекислотою, тетрахлорвуглецем. Змішується з рідким киснем у всіх відношеннях при температурі вище 93 К, нижче за цю температуру розчин розшаровується на дві фази.
• Добре розчиняється у фреонах, утворюючи стабільні розчини (використовується для зберігання та перевезення).
• Потенціал іонізації молекули 12,52 еВ.
• У газоподібному стані озон діамагнітний, у рідкому - слабопарамагнітний.
• Запах - різкий, специфічний "металевий" (по Менделєєву - "запах раків"). При високих концентраціях нагадує запах хлору. Запах відчутний навіть при розведенні 1:100000.

Хімічні властивості

Утворення озону відбувається за оборотною реакцією:

Молекула О₃ нестійка і при достатніх концентраціях у повітрі за нормальних умов мимовільно за кілька десятків хвилин перетворюється на O₂ із виділенням тепла. Підвищення температури та зниження тиску збільшують швидкість переходу в двоатомний стан.При великих концентраціях перехід може мати вибуховий характер. Контакт озону навіть із малими кількостями органічних речовин, деяких металів чи їх оксидів різко прискорює перетворення.

У присутності невеликих кількостей азотної кислоти озон стабілізується, а в герметичних судинах зі скла, деяких пластмас або чистих металів озон за низьких температур (−78 °С) практично не розкладається.

Озон — потужний окислювач, набагато реакційніший, ніж двоатомний кисень. Окислює майже всі метали (за винятком золота, платини та іридію) до їх вищих ступенів окислення. Окислює багато неметалів. Продуктом реакції переважно є кисень.

Озон підвищує рівень окислення оксидів:

Ця реакція супроводжується хемілюмінесценцією. Діоксид азоту може бути окислений до азотного ангідриду:

Озон не реагує з молекулярним азотом при кімнатній температурі, але при 295°З з ним вступає в реакцію:

Озон реагує з вуглецем за нормальної температури з утворенням діоксиду вуглецю:

Озон не реагує з амонієвими солями, але реагує з аміаком з утворенням нітрату амонію:

Озон реагує з воднем з утворенням води та кисню:

Озон реагує з сульфідами з утворенням сульфатів:

За допомогою озону можна отримати сірчану кислоту як з елементарної сірки, так і з діоксиду сірки та сірководню:

У газовій фазі озон взаємодіє із сірководнем з утворенням діоксиду сірки:

У водному розчині проходять дві конкуруючі реакції з сірководнем, одна з утворенням сірки елементарної, інша з утворенням сірчаної кислоти:

Всі три атоми кисню в озоні можуть реагувати окремо в реакції хлориду олова з соляною кислотою та озоном:

Обробкою озоном розчину йоду в холодній безводній хлорній кислоті може бути одержаний перхлорат йоду(III):

Твердий перхлорат нітронію російськ. може бути отриманий реакцією газоподібних NO₂, ClO₂ та O₃:

Озон може брати участь у реакціях горіння, при цьому температури горіння вище, ніж з двоатомним киснем:

Озон може вступати в хімічні реакції при низьких температурах. При 77 K (−196 °C, температура кипіння рідкого азоту) атомарний водень взаємодіє з озоном з утворенням гідропероксидного радикалу з димеризацією останнього:

Озон може утворювати неорганічні озоніди, що містять аніон O₃ − . Ці вибухонебезпечні з'єднання можуть зберігатися тільки при низьких температурах. Відомі озоніди всіх лужних металів (крім Франція). KO₃, RbO₃ та CsO₃ можуть бути отримані з відповідних супероксидів:

Озонід калію може бути отриманий і іншим шляхом гідроксиду калію:

NaO₃ та LiO₃ можуть бути отримані дією CsO₃ у рідкому аміаку NH₃ на іонообмінні смоли, що містять іони Na ​​+ або Li + :

Обробка озоном розчину кальцію в аміаку призводить до утворення озоніду амонію, а не кальцію:

Озон може бути використаний для видалення заліза та марганцю з води з утворенням осаду (відповідно гідроксиду заліза(III) та діоксигідрату марганцю), який може бути відокремлений фільтруванням:

У кислих середовищах окиснення марганцю може йти до перманганату.

Озон перетворює токсичні ціаніди на менш небезпечні ціанати:

Озон може повністю розкладати сечовину:

Взаємодія озону з органічними сполуками з активованим або третинним атомом вуглецю за низьких температур призводить до відповідних гідротриоксидів.Реакція озону з ненасиченими сполуками з утворенням органічних озонів знаходить застосування в аналізі органічних речовин.

Отримання озону

Озон утворюється в багатьох процесах, що супроводжуються виділенням атомарного кисню, наприклад, при розкладанні перекисів, окисленні фосфору і т.п. п.

У промисловості його одержують із повітря чи кисню в озонаторах дією електричного розряду. Зріджується O₃ легше, ніж O₂, І тому їх нескладно розділити. Озон для озонотерапії в медицині одержують лише з чистого кисню. При опроміненні повітря твердим ультрафіолетовим випромінюванням утворюється озон. Той самий процес протікає у верхніх шарах атмосфери, де під дією сонячного випромінювання утворюється і підтримується озоновий шар.

В лабораторії озон можна одержати взаємодією охолодженої концентрованої сірчаної кислоти з пероксидом барію:

Токсичність

Висока окислювальна здатність озону та утворення у багатьох реакціях за його участю вільних радикалів кисню визначають його високу токсичність. Вплив озону на організм є загальнотоксичним, дратівливим, канцерогенним, а також може призводити до передчасної смерті.

Найбільш небезпечна дія високих концентрацій озону в повітрі:

Озон у Російській Федерації віднесений до першого, найвищого класу небезпеки шкідливих речовин. Нормативи по озону:

• максимальна разова гранично допустима концентрація (ГДК м.р.) в атмосферному повітрі населених місць 0,16 мг/м3;
• середньодобова гранично допустима концентрація (ГДК с.с.) в атмосферному повітрі населених місць 0,03 мг/м³;
• гранично допустима концентрація (ГДК) у повітрі робочої зони 0,1 мг/м³.
• Мінімальна смертельна концентрація (LC50) - 4,8 ppm

При цьому поріг людського нюху приблизно дорівнює 0,01 мг/м³.

Озон ефективно вбиває плісняву, бактерії та віруси. Промислові озонатори використовуються для дезінфекції приміщень від коронавірусу COVID-19.

Застосування озону

Застосування озону обумовлено його властивостями:

• сильного окислюючого реагенту:
  • для стерилізації виробів медичного призначення;
  • при отриманні багатьох речовин у лабораторній та промисловій практиці;
  • для відбілювання паперу;
  • для очищення олій.
  • для очищення води та повітря від мікроорганізмів (озонування);
  • для дезінфекції приміщень та одягу;
  • для озонування розчинів, що застосовуються в медицині (як для внутрішньовенного, так контактного застосування).

  Істотними перевагами озонування, в порівнянні з хлоруванням, є відсутність токсинів (крім формальдегіду) в обробленій воді (тоді як при хлоруванні можливе утворення суттєвої кількості хлорорганічних сполук, багато з яких токсичні, наприклад, діоксин) і краща, порівняно з киснем, розчинність у воді.

  За заявами озонотерапевтів, здоров'я людини значно покращується при лікуванні озоном (зовнішньо, перорально, внутрішньовенно та екстракорпорально), проте жодне об'єктивне клінічне дослідження не підтвердило скільки-небудь вираженого терапевтичного ефекту.Більш того, при використанні озону як лікарського засобу (особливо при безпосередньому впливі на кров пацієнта) доведений ризик канцерогенного та токсичного впливу переважує будь-які теоретично можливі позитивні ефекти, тому практично у всіх розвинених країнах озонотерапія не визнається лікарським методом, а її застосування у приватних клініках можливо виключно з поінформованої згоди пацієнта.

  У XXI столітті багато фірм почали випуск так званих побутових озонаторів, призначених також для дезінфекції приміщень (підвалів, кімнат після вірусних захворювань, складів, заражених бактеріями та грибками речей), часто замовчуючи про запобіжні заходи, необхідні при застосуванні даної техніки.

  Застосування рідкого озону

  Давно розглядається застосування озону як високоенергетичного і водночас екологічно чистого окислювача ракетної техніці. Загальна хімічна енергія, що звільняється при реакції згоряння за участю озону, більша, ніж для простого кисню, приблизно на одну чверть (719 ккал/кг). Більше буде відповідно і питомий імпульс. У рідкого озону більша щільність, ніж у рідкого кисню (1,35 і 1,14 г/см 3 відповідно), а його температура кипіння вища (−112 °C та −183 °C відповідно), тому в цьому відношенні перевага як окислювача в ракетній техніці більше рідкого озону. Однак перешкодою є хімічна нестійкість та вибухонебезпечність рідкого озону з розкладанням його на O та O₂, при якому виникає рухома зі швидкістю близько 2 км/с детонаційна хвиля і розвивається детонаційний тиск, що руйнує, більше 3·10 7 дин/см 2 (3 МПа), що робить застосування рідкого озону неможливим при нинішньому рівні техніки, за винятком використання стійких кисень- озонових сумішей (до 24% озону). Перевагою подібної суміші є більший питомий імпульс для водневих двигунів, порівняно з озон-водневими. На сьогоднішній день такі високоефективні двигуни, як РД-170, РД-180, РД-191, а також розгінні вакуумні двигуни вийшли по УІ на близькі до граничних параметри, і для підвищення питомого імпульсу необхідно знайти можливість перейти на нові види палива.

  Озон у атмосфері

  Атмосферний (стратосферний) озон є продуктом впливу сонячного випромінювання на атмосферний₂) кисень. Однак тропосферний озон є забруднювачем, який може загрожувати здоров'ю людей та тварин, а також ушкоджує рослини.

  Вважається, що блискавки Кататумбо є найбільшим поодиноким генератором тропосферного озону Землі.