Озон

Озон
Общие
Систематическое наименование	Трикислород
Традиционные названия	Озон
Хим. формула	O3
Физические свойства
Состояние	голубой газ
Молярная масса	47,998 г/моль
Плотность	0,0021445 г/см³ (газ при 0 °C); 1,59(7) г/см³ (жидкость при 85,2 К); 1,73(2) г/см³ (твёрдый вид при 77,4 К)
Поверхностное натяжение	43,8 Н/м (77,4 К); 38,4 Н/м (90,2 К) Н/м
Динамическая вязкость	4,17 мПа·с (77,6 К); 1,56(2) мПа·с (90,2 К)
Термические свойства
Температура
• плавления	−197,2 °C
• кипения	−111,9 °C
Критическая точка
• температура	−12,0 °С (261,1 К) °C
• давление	54,6 атм.
Мол. теплоёмк.	85,354 − 0,2812·(T − 90) (ж., при T от 90 до 160 К) Дж/(моль·К)
Энтальпия
• образования	144,457 (при 0 К, отн. О2) кДж/моль
Коэфф. тепл. расширения	2,0·10−3 К−1 (жидкость, 90,1 К) 2,5·10−3 К−1 (жидкость, 161 К)
Химические свойства
Растворимость
• в воде	1,06 г/л (при 0 °С)
Диэлектрическая проницаемость	1,0019 (г), 4,79 (ж)
Оптические свойства
Показатель преломления	1,0533 (газ, 480 нм) 1,0520 (газ, 546 нм) 1,0502 (газ, 671 нм) 1,2236 (жидкость, 535 нм) 1,2226 (жидкость, 589 нм) 1,2213 (жидкость, 670,5 нм)
Структура
Дипольный момент	0,5337 Д
Безопасность
ЛД50	4,8 ppm
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 2 4 OX
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Озо́н — это светло-голубой газ, обладающий раздражающими свойствами и потенциально взрывоопасный и токсичный даже в низких концентрациях. В естественных условиях он присутствует на небольших уровнях в стратосфере, где защищает жизнь на Земле, поглощая ультрафиолетовые лучи солнца, которые могут причинить серьёзный вред. В определённых атмосферных условиях фотохимические реакции между оксидами азота и углеводородами могут приводить к образованию озона в концентрациях, способных вызывать раздражение глаз и слизистых оболочек.

Строение озона

Обе связи O—O в молекуле озона имеют одинаковую длину, составляющую 1,278 Å. Угол между этими связями равен 116,8°. Центральный атом кислорода sp²-гибридизирован и имеет одну неподелённую пару электронов. Порядок каждой связи равен 1,5, а резонансные структуры представляют собой локализованную одинарную связь с одним атомом и двойную — с другим, и наоборот. Молекула озона полярна, а её электрический дипольный момент составляет 0,5337 Д.

История открытия

Озон был открыт в 1785 году нидерландским учёным Мартином Ван Марумом. Во время своих экспериментов он пропустил электрический ток через воздух и заметил необычный запах, что привело к образованию синеватого газа. Этот газ оказался более окислительным, чем кислород, и влиял на ртуть, лишая её блеска и заставляя прилипать к стеклу. Ван Марум не считал своё открытие значительным, однако через полвека немецкий учёный Кристиан Фридрих Шёнбейн снова заинтересовался озоном. В 1840 году он назвал это вещество «озоном», что на греческом означает «пахнуть», из-за его характерного запаха. Ошибочно многие считают Шёнбейна первооткрывателем. Он провёл эксперимент, в котором озон вытеснял йод из йодида калия, что позволило определить его наличие с помощью йодкрахмальной бумаги, которая принимает синий цвет.

В 1880 году французские учёные Готфейль и Шаппюи получили озон из кислорода при температуре −23 °C. Постепенно сжимая газ, они заметили, что он приобретал тёмно-синий цвет. Затем, резким снижением давления и дальнейшим понижением температуры, удалось получить фиолетовые капли жидкого озона. Если вещество не подвергать охлаждению или сжимать слишком быстро, оно мгновенно превращалось в кислород с жёлтой вспышкой.

Физические свойства

Молекулярная масса озона составляет 48 а. е. м. При нормальных условиях плотность газа равна 2,1445 г/дм³. Относительная плотность по сравнению с кислородом — 1,5, а по отношению к воздуху — 1,62 (1,658). Плотность жидкости при −188 °C (85,2 К) равняется 1,59(7) г/см³. Плотность твёрдого озона при −195,7 °C (77,4 К) составит 1,73(2) г/см³.

Температура кипения озона — −111,8(3) °C (161,3 К), а жидкий озон имеет тёмно-фиолетовый цвет. Температура плавления равна −197,2(2) °C (75,9 К). Указанная иногда температура плавления −251,4 °C (21,7 К) является ошибочной из-за игнорирования высокой способности озона к переохлаждению. Некоторые источники указывают температуру плавления −192,5(4) °C (80,6 К). В твёрдом состоянии озон имеет чёрный цвет с фиолетовым отливом.

Критическая температура озона составляет −12,0 °C (261,1 К), а критическое давление — 51,6 атм. Коэффициент диффузии (при 300 К и 1 атм) равен 0,157 см²/с. Теплота плавления составляет 2,1 кДж/моль. Теплота испарения при температуре кипения варьируется от 11,17 до 15,19 кДж/моль; при 90 К — от 15,27 до 16,6 кДж/моль.

Растворимость озона в воде при 0 °C составляет 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), что в 10 раз больше, чем у кислорода. Эта растворимость сильно зависит от чистоты воды, так как примеси могут вызывать распад озона. Жидкий озон хорошо смешивается с жидкими аргоном, азотом, фтор, метаном и углекислотой, а также с жидким кислородом при температурах выше 93 К — при более низких температурах наблюдается расслоение на две фазы. Он также хорошо растворяется в фреонах, образуя стабильные растворы, которые используются для хранения и транспортировки.

Потенциал ионизации молекулы составляет 12,52 эВ. В газообразном состоянии озон является диамагнитным, а в жидком — слабопарамагнитным. Запах озона резкий, специфический, «металлический» (по Менделееву — «запах раков»), а в высоких концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощущается даже при разбавлении в 1:100 000.

Химические свойства

Озон — это мощный окислитель (сильнее кислорода, но слабее фтора), который образует высоко-реакционноспособный атомарный кислород в реакции ${\ce {O3 -> O2+O}}$ (ат.)

Он окисляет все металлы, за исключением Au и Pt, а также большинство неметаллов. После некоторого окисления на поверхности хорошо противостоят воздействию озона такие металлы, как ${\ce {Cu, Ni, Sn}}$, а также безуглеродные сплавы железа с 25 % хрома.

В реакциях с озоном часто выделяется кислород.

• Озон взаимодействует с неметаллами, окисляя их до высших оксидов:${\ce {Cl2+O3-> Cl2O7+O2}}$

• Взаимодействие с металлами:

${\ce {Ag+O3->Ag2O+O2}}$

• Озон взаимодействует с оксидами, переводя низшие в высшие:

${\ce {NO+O3 -> N2O5+O2}}$, кислород окисляет ${\ce {NO}}$только до ${\ce {NO2}}$:${\ce {NO+O2-> NO2}}$

• Озон взаимодействует с сульфидами, селенидами и теллуридами, переводя их в сульфаты, селенаты и теллураты:

${\ce {PbS+O3->PbSO4+O2}}$, происходит обесцвечивание.

• Качественная реакция на озон — йодокрахмальная реакция:

${\ce {KJ+O3+H2O->I2+KOH+O2}}$

Бумага, смоченная в растворе ${\ce {KI}}$ и крахмала, синеет в присутствии озона.

Каучук и резина под воздействием озона быстро разрушаются, а многие горючие органические вещества (например, спирты, кетоны и углеводороды) могут воспламеняться или взрываться при контакте с озоном.

Получение озона

Поскольку молекула озона нестабильна, она должна использоваться сразу же после получения. Для производства озона применяются специальные устройства — генераторы озона, или озонаторы. В настоящее время существует три основных способа получения озона в промышленности:

1. УФ-облучение.
2. Электролиз.
3. Электросинтез с использованием коронного разряда.

Получение озона с использованием УФ-облучения

Воздух, содержащий кислород или очищенный кислород, пропускается через специальную камеру, где коротковолновое УФ-облучение вызывает диссоциацию молекул кислорода на два атома, после чего образуется озон путём соединения одного атома с молекулой кислорода. Этот метод часто используется в кабинетах физиотерапии, где запах озона сопровождает процедуры кварцевания. Однако метод применяется довольно ограниченно, так как концентрация получаемого озона не превышает 0,1 % по весу, что недостаточно для эффективной очистки и обеззараживания воды в промышленных условиях.

Электролитический способ производства озона

Этот метод основывается на электрохимических реакциях: при пропускании электрического тока через растворы электролитов в специальных ячейках происходит разложение молекул воды, в результате чего образуется атомарный кислород, а затем озон.

С помощью этого способа можно обрабатывать воду большими дозами озона и достигать высоких концентраций благодаря отсутствию потерь, связанных с передачей озона из газовой фазы в раствор. Эти потери характерны для технологий, использующих УФ-облучение или электросинтез. Тем не менее, значительные энергозатраты не позволили электролитическому методу широко распространиться в промышленности.

Электросинтез озона в коронном разряде

Этот способ получения озона считается самым надёжным и эффективным, поэтому он получил наибольшее применение в промышленности. Он отличается оптимальным соотношением энергозатрат и концентрации получаемого озона.

Коронный разряд, представляющий собой слабое голубовато-фиолетовое свечение, возникает в газе в сильно неоднородном электрическом поле между двумя электродами — высоковольтным и заземлённым, разделёнными зазором (разрядным промежутком) и диэлектриком. Озон формируется в результате диссоциации молекулы кислорода под воздействием энергии электронов, движущихся между электродами через разрядный промежуток. Концентрация озона зависит от величины напряжения, его частоты, толщины диэлектрика, величины диэлектрической постоянной, а также от концентрации кислорода в рабочем газе, что определяется типом используемого газа: осушенным или неосушенным воздухом, кислородом и давлением в разрядном промежутке.

Токсичность

В умеренных концентрациях озон не является токсичным. Однако его высокая окисляющая способность и образование свободных радикалов кислорода в ряде реакций делают его токсичным при повышенных концентрациях. Чрезмерное воздействие озона на организм может привести к преждевременной смерти.

Наиболее опасным является воздействие высоких концентраций озона в воздухе, особенно для органов дыхания, так как он может вызывать прямое раздражение. Озон в Российской Федерации отнесён к первому, самому высокому классу опасности для здоровья. Установлены следующие нормативы по озону:

• Максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых пунктов составляет 0,16 мг/м³.
• Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) в атмосферном воздухе населённых мест — 0,03 мг/м³.
• Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны равна 0,1 мг/м³.
• Минимальная смертельная концентрация (LC50) составляет 4,8 ppm.
• Порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м³.

Озон эффективно уничтожает плесень, бактерии и вирусы.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!