В 1785 г. голландский физик Ван Марум, проводя опыты с электричеством, обратил внимание на запах при образовании искр в электрической машине и на окислительные способности воздуха после пропускания через него электрических искр.
В 1840 г. немецкий ученый Шейнбейн, занимаясь гидролизом воды, пытался с помощью электрической дуги разложить её на кислород и водород. И тогда он обнаружил, что образовался новый, доселе неизвестный науке, газ со специфическим запахом. Имя «озон» было присвоено газу Шейнбейном из-за характерного запаха и происходит оно от греческого слова «озиен», что значит «пахнуть».
В 1857 г. с помощью созданной Вернером фон Сименсом «совершенной трубки магнитной индукции» удалось построить первую техническую озоновую установку. В 1901 г. фирмой «Сименс» построена первая гидростанция с озонаторной установкой в Висбанде.
Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 году в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция), для нужд города Ниццы. В 1911 г. была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге (в настоящее время не действует). В 1916 г. действовало уже 49 установок по озонированию питьевой воды.
К 1977 г. во всем мире действует уже более 1000 установок. Широкое же распространение озон получил только в течение последних 30 лет, благодаря появлению надежных и компактных аппаратов для его синтеза — озонаторов (генераторов озона).
В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и других городах).
2. Озон и его свойства
Механизм образования и молекулярная формула озона
Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: O2 . При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия создаются во время грозы при разрядах атмосферного электричества, и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли). Механизм образования и молекулярная формула озона. Однако, атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы.
Молекула озона Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу O3 (d = 1.28 A, q = 116.5°).
Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду.
Свойства озона
Озон O3 — голубоватый газ с характерным резким запахом, молекулярная масса 48 г/моль; плотность относительно воздуха 1,657 (озон тяжелее воздуха); плотность при 00С и давлении 0,1 МПа 2,143 кг/м3. Получение озона
В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м3 (в пять раз ниже предельно допустимой для человека концентрации), озон придает воздуху характерный запах свежести и чистоты. Так, например, после грозы едва уловимый запах озона неизменно ассоциируется с чистым воздухом.
Как было сказано выше, молекула озона нестабильна и обладает свойством самораспада. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.
Окислительный потенциал озона
Мерой эффективности окислителя служит его электрохимический (окислительный) потенциал, выраженный в вольтах. Ниже приведены значения электрохимического потенциала различных окислителей в сравнении с озоном:
| Окислитель | Потенциал, В | В % от потенциала озона | Использование окислителя в водоподготовке |
| Фтор (F2) | 2,87 | 139 | — |
| Озон (O3) | 2,07 | 100 | + |
| Перекись водорода (H2O2) | 1,78 | 86 | + |
| Перманганат калия (KMnO4) | 1,7 | 82 | + |
| Гипобромовая кислота (HOBr) | 1,59 | 77 | + |
| Гипохлоровая кислота (HOCl) | 1,49 | 72 | + |
| Хлор (Cl2) | 1,36 | 66 | + |
| Диоксид хлора (ClO2) | 1,27 | 61 | + |
| Кислород (O2) | 1,23 | 59 | + |
| Хромовая кислота (H2CrO2) | 1,21 | 58 | — |
| Бром (Br2) | 1,09 | 53 | + |
| Азотная кислота (HNO3) | 0,94 | 45 | — |
| Йод (I2) | 0,54 | 26 | — |
Из таблицы видно, что озон — самый сильный из всех окислителей, используемых в водоподготовке.
Применение на месте
Нестабильность озона обуславливает необходимость его применения непосредственно на месте получения. Озон не подлежит упаковке, хранению и транспортировке.
Растворимость озона в воде
В соответствии с законом Генри, концентрация озона в воде возрастает с увеличением концентрации озона в газовой фазе, подмешиваемой в воду. Кроме того, чем выше температура воды, тем ниже концентрация озона в воде.
Растворимость озона в воде выше, чем кислорода, но ниже, чем хлора, в 12 раз. Если рассматривать 100% озон, то его предельная концентрация в воде составляет 570 мг/л при температуре воды 20С. Концентрация озона в газе на выходе современных озонаторных установок достигает 14% по весу. Ниже приведена зависимость концентрации озона, растворенного в дистиллированной воде, от концентрации озона в газе и температуры воды.
| Концентрация озона в газовой смеси | Растворимость озона в воде, мг/л | |||
| 5°C | 10°C | 15°C | 20°C | |
| 1.5% | 11.09 | 9.75 | 8.40 | 6.43 |
| 2% | 14.79 | 13.00 | 11.19 | 8.57 |
| 3% | 22.18 | 19.50 | 16.79 | 12.86 |
Самораспад озона в воде и в воздухе
Скорость разложения озона в воздушной или водной среде оценивается при помощи периода полураспада, т.е. времени, в течение которого концентрация озона уменьшается вдвое.
Самораспад озона в воде (pH 7)
| Температура воды, °С | Период полураспада |
| 15 | 30 минут |
| 20 | 20 минут |
| 25 | 15 минут |
| 30 | 12 минут |
| 35 | 8 минут |
Самораспад озона в воздухе
| Температура воздуха, °C | Период полураспада |
| -50 | 3 месяца |
| -35 | 18 дней |
| -25 | 8 дней |
| 20 | 3 дня |
| 120 | 1.5 часа |
| 250 | 1.5 секунды |
Из таблиц видно, что водные растворы озона намного менее стабильны, чем газообразный озон. Данные по распаду озона в воде приведены для чистой воды, не содержащей растворенных и взвешенных примесей. Скорость распада озона в воде возрастает многократно в следующих случаях:
1. при наличии в воде примесей, окисляемых озоном (химическая потребность воды в озоне)
2. при повышенной мутности воды, т.к. на границе раздела между частицами и водой реакции самораспада озона протекают быстрее (катализ)
3. при воздействии на воду УФ облучением
3. Способы получения озона
В настоящее время широкое распространение получили 2 способа выработки озона:
* УФ-облучением
* под воздействием тихого (т.е. рассеянного, без образования искр) разряда коронного типа
1. УФ-облучение
Озон может образовываться вблизи УФ ламп, однако только в маленьких концентрациях (0,1 вес.%).
2.Коронный разряд
Тем же способом, которым озон образуется под действием электрических разрядов во время грозы, большое количество озона производится в современных электрических генераторах озона. Этот метод называется коронный разряд. Высокое напряжение пропускают через газовый поток, содержащий кислород. Энергия высокого напряжения разделяет молекулу кислорода О2 на 2 атома О, которые соединяются с молекулой О2 и образуют озон О3.
Чистый кислород, поступающий в генератор озона, можно заменить окружающим воздухом, содержащим большой процент кислорода.
Данный метод повышает содержание озона до 10-15 вес.%
Потребление энергии: 20 — 30 Вт/г О3 для воздуха 10 — 15 Вт/г О3 для кислорода
4. Применение озона для очистки и обеззараживания воды
Обеззараживание воды
Озон уничтожает все известные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейших, их споры, цисты и т.д.; при этом озон на 51% сильнее хлора и действует в 15-20 раз быстрее. Вирус полиомиелита погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, а от хлора — только за 3 ч при 1мг/л.
На споровые формы бактерий озон действует в 300-600 раз сильнее хлора.
Озон разрушает окислительно-восстановительную систему бактерий и их протоплазму.
Биологические летальные коэффициенты (БЛК*) при использовании различных дезинфектантов
| Дезинфектант | Энтеробактерии | Вирусы | Споры | Цисты |
| Озон О3 | 500 | 5 | 2 | 0.5 |
| Гипохлористая кислота HOCl | 20 | 1 | 0.05 | 0.05 |
| Гипохлорит OCl- | 0.2 | <0.02 | <0.0005 | 0.0005 |
| Хлорамин NH2Cl | 0.1 | 0.0005 | 0.001 | 0.02 |
*Чем выше БЛК, тем мощнее дезинфектант
Сравнение дезинфектантов
| ОЗОН | УФ | ХЛОР | |
| E. coli | Да | Да | Да |
| Salmonella | Да | Да | Да |
| Giardia | Да | Да | Да |
| Legionnaire | Да | Нет | Нет |
| Crypto-sporidium | Да | Нет | Нет |
| Virus | Да | Нет | Нет |
| Микроводоросли | Да | Нет | Нет |
| Риск образованиея тригалометанов | Нет | Нет | Да |
Дезодорация воды
При озонировании окисляются органические и минеральные примеси, являющиеся источником запахов и привкусов. Вода, прошедшая обработку озоном, содержит больше кислорода и по вкусу напоминает свежую родниковую воду.
Финишная подготовка питьевой воды на линиях розлива
Озонирование на линии розлива. Очищенная и подготовленная к розливу вода, насыщается озоном, полностью дезинфицируется и на относительно короткое время сама 
приобретает дезинфицирующие свойства. Благодаря этому повышается микробиологическая безопасность процесса розлива, озонированная вода надежно стерилизует стенки тары, пробку и воздушный зазор под пробкой. Срок хранения воды после озонирования увеличивается многократно. Особенно эффективна комбинированная обработка воды озоном в сочетании с ополаскиванием тары.
Окисление железа, марганца, сероводорода
Железо, марганец и сероводород легко окисляются озоном. Железо при этом переходит в нерастворимую гидроокись, которая затем легко задерживается в фильтрах. Марганец окисляется до перманганат-иона, который легко удаляется на угольных фильтрах. Сероводород, сульфиды и гидросульфиды переходят в безвредные сульфаты. Процесс окисления и формирования фильтруемых осадков при озонировании протекает в среднем в 250 раз быстрее, чем при аэрации. Особенно эффективно применение озона для обезжелезивания вод, содержащих железоорганические комплексы и бактериальные формы железа, марганца и сероводорода.
Очистка поверхностных вод от антропогенных примесей
Озонирование предварительно осветленной воды с последующей фильтрацией через активированный уголь — надежный способ очистки поверхностных вод от фенолов, нефтепродуктов, пестицидов и тяжелых металлов (окислительно-сорбционная очистка).
Очистка и обеззараживание воды на птицефабриках и фермах
Озонирование на птицефабрике. Подача воды, обеззараженной озоном, в поилки для птицы и животных не только способствует снижению заболеваемости и риска массовых эпидемий, но и вызывает ускоренную прибавку в весе птиц и животных.
Очистка и обеззараживание стоков
При помощи озона сточные воды обесцвечиваются.
При помощи озонирования сточные воды могут быть приведены в соответствие жестким требованиям рыбохозяйственных водоемов по содержанию фенолов, нефтепродуктов и ПАВ, а также микробиологическим показателям.
Озонирование воды для санитарной обработки продуктов и оборудования
Как было сказано выше, срок хранения воды, озонируемой в процессе розлива, увеличивается значительно за счет того, что продуктовая вода приобретает свойства дезинфицирующего раствора.
При переработке пищевых продуктов, на загрязненном оборудовании размножаются бактерии, являющиеся источником сильных запахов гниения и разложения. Ополаскивание оборудования озонированной водой после удаления основной массы загрязнений приводит к дезинфекции поверхностей, освежающему воздействию на воздух помещения и улучшению общего санитарного-гигиенического состояния производства.
Озонирование для санитарной обработки. В воде для санитарной обработки оборудования, в отличие от озонирования воды перед розливом, создаются более высокие концентрации озона.
Аналогично озонированной водой могут быть обработаны рыба и морепродукты, тушки птицы и овощи перед упаковкой. Срок службы обработанных перед закладкой на хранение продуктов увеличивается, а их внешний вид после хранения мало отличается от свежих продуктов.
5. Аспекты безопасности при эксплуатации озонового оборудования
Газообразный озон токсичен и способен вызывать ожог верхних дыхательных путей и отравление (как и любой другой сильный окислитель).
Предельно-допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны регламентируется ГОСТом 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», согласно которому она составляет 0,1мг/м3.
Запах озона фиксируется человеком в концентрациях 0,01-0,02мг/м3, что в 5-10раз меньше ПДК, поэтому появление слабого запаха озона в помещении не является тревожным сигналом. Для обеспечения надежного контроля содержания озона в производственном помещении должны быть установлены газоанализаторы, позволяющие осуществлять мониторинг концентрации озона и в случае превышения ПДК принять своевременные меры по ее снижению до безопасного уровня.
Любая технологическая схема, содержащая озоновое оборудование, должна быть оснащена газоотделителем, с помощью которого избыточный (не растворившийся) озон поступает в каталитический деструктор, где разлагается до кислорода. Подобная система позволяет исключить поступление озона в воздух производственного помещения.
Т.к. озон является сильнейшим окислителем, все газовые магистрали должны быть выполнены из озоностойких материалов таких, как нержавеющая сталь и фторопласт.
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
| Задание | Массовая доля водорода в его соединении с кремнием равна 12,5%. Выведите эмпирическую формулу соединения и рассчитайте его молярную массу. |
| Решение |
Вычислим массовую долю кремния в соединении: ω (Si) = 100% — ω(H) = 100% — 12,5% = 87,5% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (кремний) и «у» (водород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(Si)/Ar(Si) : ω(H)/Ar(H); x:y= 87,5/28: 12,5/1; x:y= 3,125: 12,5 = 1: 4 Значит формула соединения кремния с водородом будет иметь вид SiH 4 . Это гидрид кремния. |
| Ответ | SiH 4 |
ПРИМЕР 2
| Задание | В соединении калия, хлора и кислорода массовые доли элементов соответственно равны 31,8%, 29%, 39,2%. Установите простейшую формулу соединения. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (калий), «у» (хлор) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(K)/Ar(K) : ω(Cl)/Ar(Cl) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 31,8/39: 29/35,5: 39,2/16; x:y:z= 0,82: 0,82: 2,45 = 1: 1: 3 Значит формула соединения калия, хлора и кислорода будет иметь вид KClO 3 . Это бертолетова соль. |
| Ответ | KClO 3 |
Озон (Оз) - бесцветный газ, обладающий раздражающим острым запахом. Молекулярная масса 48 г/моль, плотность относительно воздуха 1,657 кг/м. Концентрация озона в воздухе у порога обоняния достигает 1 мг/м. В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м (в 5 раз ниже предельно допустимой для человека концентрации), озон придает воздуху характерный запах свежести и чистоты. Так, например, после грозы едва уловимый запах озона неизменно ассоциируется с чистым воздухом.
Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: 0 2 . При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия: создаются во время грозы при разрядах атмосферного электричества и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли). Однако атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы .
Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу 0 3 (d = 1.28 A, q = 11.6.5°).
Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.
Озон широко распространен в природе. Он всегда образуется в воздухе во время грозы за счет атмосферного электричества, а также под воздействием коротковолновых излучений и потоков быстрых частиц при естественном распаде радиоактивных веществ в ядерных реакциях, космических излучениях и т. п. Образование озона происходит также при испарении воды с больших поверхностей, особенно таянии снега, окислении смолистых веществ, фотохимическом окислении ненасыщенных углеводородов и спиртов. Повышенное образование озона в воздухе хвойных лесов и на берегу моря объясняется окислением древесной смолы и морских водорослей. Так называемая озоносфера, образующаяся в верхних слоях атмосферы, представляет собой защитный слой земной биосферы вследствие того, что озон интенсивно поглощает биологически активное УФ излучение солнца (с длиной волны менее 290 нм).
В приземной слой атмосферы озон заносится из нижней стратосферы. Концентрация озона в атмосфере колеблется в пределах 0,08-0,12 мг/м. Однако перед созреванием кучевых облаков возрастает ионизация атмосферы, в результате которой значительно увеличивается образование озона, концентрация его в воздухе может превышать 1,3 мг/м .
Озон - высокоактивная, аллотропная форма кислорода. Образование озона из кислорода выражают уравнением
3О2= 20 3 - 285 кДж/моль, (1)
из которого следует, что стандартная энтальпия образования озона положительна и равна 142,5 кДж/моль. Кроме того, как показывают коэффициенты уравнения, в ходе этой реакции из трех молекул газа получаются две молекулы, т. е. энтропия системы уменьшается. В итоге стандартное отклонение энергии Гиббса в рассматриваемой реакции также положительно (163 кДж/моль). Таким образом, реакция превращения кислорода в озон самопроизвольно протекать не может, для ее осуществления необходима затрата энергии. Обратная же реакция - распад озона протекает самопроизвольно, так как в ходе этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается. Иначе говоря, озон - неустойчивое вещество, быстро рекомбинируется, превращаясь в молекулярный кислород:
20з = 302 + 285 кДж/моль. (2)
Скорость реакции зависит от температуры, давления смеси и концентрации озона в ней. При нормальной температуре и давлении реакция протекает медленно, при повышенной температуре распад озона ускоряется. При небольших концентрациях (без посторонних примесей) в нормальных условиях озон разлагается довольно медленно. С повышением температуры до 100°С и более скорость разложения значительно возрастает. Механизм распада озона, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, довольно сложен и зависит от внешних условий.
Основные физические свойства озона представлены в таблице 1.
Знание физических свойств озона необходимо для правильного его использования в технологических процессах в невзрывоопасных концентрациях, проведения синтеза и разложения озона в оптимальных безопасных режимах, оценки его активности в различных средах.
Свойства озона характеризуются его активностью к излучениям различного спектрального состава. Озон интенсивно поглощает микроволновые, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения .
Озон химически агрессивен и легко вступает в химические реакции. Реагируя с органическими веществами, он вызывает разнообразные окислительные реакции при сравнительно низкой температуре. На этом, в частности, основано бактерицидное действие озона, который применяется для обеззараживания воды. Окислительные процессы, инициируемые озоном, часто являются цепными.
Химическая активность озона обусловлена в большей мере тем, что диссоциация молекулы
0 3 ->0 2 + О (3)
требует затраты энергии немногим более 1 эВ. Озон легко отдает атом кислорода, обладающий высокой активностью. В некоторых случаях молекула озона может целиком присоединиться к органическим молекулам, образуя неустойчивые соединения, которые легко распадаются под действием температуры или света с образованием различных кислородсодержащих соединений.
Реакциям озона с органическими веществами посвящено большое количество исследований, в которых показано, что озон способствует вовлечению кислорода в окислительные процессы, что некоторые реакции окисления при обработке реагентов озонированным кислородом начинаются при более низких температурах.
Озон активно вступает в реакции с ароматическими соединениями, реакция при этом может идти как с разрушением, так и без разрушения ароматического ядра.
В реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс М + Оˉ Н + О3ˉ с последующей реакцией с озоном, образуются озониды. Ион Оˉ 3 может образовываться и в реакциях с органическими соединениями .
Для промышленных целей озон получают обработкой атмосферного воздуха или кислорода в специальных аппаратах - озонаторах. Разработаны конструкции озонаторов, работающих на повышенной частоте тока (500-2000 Гц), и озонаторы с каскадным разрядом, не требующие предварительной подготовки воздуха (очистки, осушки) и охлаждения электродов. Энергетический выход озона в них достигает 20-40 г/кВт-ч.
Преимущество озона по сравнению с другими окислителями состоит в том, что озон может быть получен на месте потребления из кислорода воздуха, для чего не требуется подвозки реагентов, сырья и т. д. Получение озона не сопровождается выделением кумулирующихся вредных веществ. Озон легко нейтрализовать. Стоимость озона сравнительно невелика.
Из всех известных окислителей только кислород и ограниченный круг перекисных соединений принимает участие в естественных биопроцессах.
ОЗОН O3 (от греч. ozon-пахнущий) - аллотропная модификация кислорода, которая может существовать во всех трех агрегатных состояниях. Озон - нестабильное соединение, и даже при комнатной температуре медленно разлагается на молекулярный кислород, однако озон не является радикалом.
Физические свойства
Молекулярный вес = 47, 9982 г/моль. Газообразный озон имеет плотность 2,144 10-3 г/см3 при давлении 1 атм и 29° С.
Озон – вещество особое. Он крайне нестабилен и при повышении концентрации легко диспропорционирует по общей схеме: 2О3 -> 3О2.В газообразном виде озон имеет голубоватый оттенок, заметный при содержании в воздухе 15-20% озона.
Озон при нормальных условиях - газ с резким запахом. При очень низких концентрациях, запах озона ощущается как приятная свежесть, но с увеличением концентрации становится неприятным. Запах замерзшего белья - запах озона. К нему легко привыкнуть.
Основное его количество сосредоточено в так называемом "озонном поясе" на высоте 15-30 км. У поверхности земли концентрация озона значительно меньше и абсолютно безопасна для живых существ; существует даже мнение, что полное его отсутствие также отрицательно сказывается на работоспособности человека.
При концентрациях порядка 10 ПДК озон ощущается очень хорошо, но через несколько минут ощущение пропадает практически полностью. Это необходимо иметь в виду при работе с ним.
Однако озон обеспечивает и сохранение жизни на Земле, т.к. озоновый слой задерживает наиболее губительную для живых организмов и растений часть уф-излучения Солнца с длиной волны менее 300 нм, наряду с СО2 поглощает ик-излучение Земли, препятствуя ее охлаждению.
Озон сильнее кислорода растворим в воде. В воде озон разлагается значительно быстрее, чем в газовой фазе, причем исключительно большое влияние на скорость разложения оказывает наличие примесей, особенно ионов металлов.
Рис1. Разложение озона в различных видах воды при температуре 20°С (1 - бидистиллят; 2 - дистиллят; 3 - вода "из под крана"; 4 - фильтрованная озерная вода)
Озон хорошо адсорбируется силикагелем и алюмогелем. При парциальном давлении озона, например 20 мм рт. ст., и при 0° С силикагель поглощает около 0,19% озона по весу. При низких температурах адсорбция заметно ослабевает. В адсорбированном состоянии озон очень устойчив. Потенциал ионизации озона равен 12,8 эВ.
Химические свойства озона
Они отличаются двумя главными чертами - нестойкостью и окисляющей способностью. Примешанный к воздуху в малых концентрациях, он разлагается сравнительно медленно, но при повышении температуры разложение его ускоряется и при температуре более 100° С становится очень быстрым.
Присутствие в воздухе NO2, Cl, а также каталитическое действие окислов металлов - серебра, меди, железа, марганца - ускоряют разложение озона. Озон обладает столь сильными окислительными свойствами, поскольку один из атомов кислорода очень легко отщепляется от его молекулы. Легко переходит в кислород.
Озон окисляет при обычной температуре большинство металлов. Кислые водные растворы озона довольно устойчивы, в щелочных растворах озон быстро разрушается. Металлы переменной валентности (Mn, Co, Fe и др.), многие окислы, перекиси и гидроокиси эффективно разрушают озон. Большинство металлических поверхностей покрывается пленкой окисла в высшем валентном состоянии металла (например, PbO2, AgO или Ag2O3, HgO).
Озон окисляет все металлы, за исключением золота и металлов платиновой группы, реагирует с большинством других элементов, разлагает галогеноводороды (кроме HF), переводит низшие окислы в высшие и т. д.
Он не окисляет золото, платину, иридий, сплав 75%Fe + 25%Cr. Черный сернистый свинец PbS он обращает в белый сернокислый PbSO4, мышьяковистый ангидрид Аs2O3 - в мышьяковый As2O5 и т. д.
Реакция озона с ионами металлов переменной валентности (Мn, Сr и Со) в последние годы находит практическое применение для синтеза полупродуктов для красителей, витамина РР (изоникотиновая кислота) и др. Смеси солей марганца и хрома в кислом растворе, содержащем окисляемое соединение (например, метилпиридины), окисляются озоном. При этом ионы Сr3+ переходят в Сr6+ и окисляют метилпиридины только по метальным группам. В отсутствие солей металлов разрушается преимущественно ароматическое ядро.
Озон реагирует и со многими газами, которые присутствуют в атмосфере. Сероводород H2S при соединении с озоном выделяет свободную серу, сернистый ангидрид SO2 превращается в серный SO3; закись азота N2O - в окись NO, оксид азота NO быстро окисляется до NO2, в свою очередь NO2 также реагирует с озоном, причем в конечном счете образуется N2O5; аммиак NH3 - в азотноаммиачную соль NH4NO3.
Одна из важнейших реакций озона с неорганическими веществами - разложение им йодистого калия. Эта реакция широко используется для количественного определения озона.
Озон реагирует в ряде случаев и с твердыми веществами, образуя озониды. Выделены озониды щелочных металлов, щелочноземельных металлов: стронция, бария, причем температура их стабилизации растет в указанном ряду; Са(O3) 2 стабилен при 238 К, Ва(O3) 2 при 273 К. Озониды разлагаются с образованием надперекиси, например NaO3 -> NaO2 + 1/2O2. Различные озониды образуются также при реакциях озона с органическими соединениями.
Озон окисляет многочисленные органические вещества, насыщенные, ненасыщенные и циклические углеводороды. Опубликовано много работ по исследованию состава продуктов реакции озона с различными ароматическими углеводородами: бензолом, ксилолами, нафталином, фенантреном, антраценом, бензантраценом, дифениламином, хинолином, акриловой кислотой и др. Он обесцвечивает индиго и многие другие органические красители, благодаря чему им пользуются даже для отбелки тканей.
Скорость реакции озона с двойной связью С=С в 100 000 раз выше, чем скорость реакции озона с одинарной связью С-С. Поэтому от озона в первую очередь страдают каучуки и резины. Озон реагирует с двойной связью с образованием промежуточного комплекса:
Эта реакция идет достаточно быстро уже при температурах ниже 0°С. В случае предельных соединении озон является инициатором обычной реакции окисления:
Интересно взаимодействие озона с некоторыми органическими красителями, которые сильно флюоресцируют при наличии озона в воздухе. Таковы, например, эйхрозин, рибофлавин и люминол (триаминофталгидразид), и особенно, родамин-В и, сходный с ним родамин-С.
Высокие окислительные свойства озона, разрушающие органические вещества и окисляющие металлы (в особенности железо) до нерастворимой формы, способность разлагать растворимые в воде газообразные соединения, насыщать водные растворы кислородом, низкая стойкость озона в воде и самоликвидация его опасных для человека свойств - все это в совокупности делает озон наиболее привлекательным веществом для подготовки хозяйственной воды и обработки различных стоков.
Синтез озона
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 с диной волны менее 240 нм и различные частицы высокой энергии: альфа-, бета-, гамма - частицы, рентгеновские лучи и т.п. Озон получают также при электролизе воды.
Практически во всех источниках образования озона существует группа реакций, в результате которых озон разлагается. Они мешают образованию озона, но реально существуют, и их необходимо учитывать. Сюда входит термическое разложение в объеме и на стенках реактора, его реакции с радикалами и возбужденными частицами, реакции с добавками и примесями, которые могут контактировать с кислородом и озоном.
Полный механизм состоит из значительного числа реакций. Реальные установки, на каком бы принципе они ни работали, показывают высокие энергетические затраты на выработку озона. КПД генератора озона зависит от того, на какую – полную или активную – мощность рассчитывается единица массы образовавшегося озона.
Барьерный разряд
Под барьерным разрядом понимают разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлом. Из-за того, что электрическая цепь разорвана диэлектриком, питание осуществляется только переменным током. Впервые озонатор, близкий к современным, был предложен в 1897 г. Сименсом.
При небольших мощностях озонатор можно не охлаждать, так как выделяющееся тепло уносится с потоком кислорода и озона. В промышленных производствах озон также синтезируют в дуговых озонаторах (плазмотроны), в генераторах озона тлеющего (лазеры) и поверхностного разряда.
Фотохимический способ
Основная доля произведенного на Земле озона в природе образуется фотохимическим способом. В практической деятельности человека фотохимические методы синтеза играют меньшую роль, чем синтезы в барьерном разряде. Главная область их использования - получение средних и малых концентраций озона. Такие концентрации озона требуются, например, при испытании резинотехнических изделий на устойчивость к растрескиванию под действием атмосферного озона. На практике для производства озона данным методом применяются ртутные и эксимерные ксеноновые лампы.
Электролитический метод синтеза
Первое упоминание об образовании озона в электролитических процессах относится к 1907 г. Однако до настоящего времени механизм его образования остается неясным.
Обычно в качестве электролита применяют водные растворы хлорной или серной кислоты, электроды изготовляют из платины. Использование кислот, меченных О18, показало, что они не отдают своего кислорода при образовании озона. Поэтому брутто-схема должна учитывать только разложение воды:
Н2О + O2 -> O3 + 2Н+ + e-
с возможным промежуточным образованием ионов или радикалов.
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 под действием ионизирующего излучения до настоящего времени не было использовано для синтеза 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.
Применение озона в быту и влияние его на человека
Озонирование воды, воздуха и других веществ
Озонированная вода не содержит токсичных галогенметанов - типичных примесей стерилизации воды хлором. Процесс озонирования проводят в барботажных ваннах или смесителях, в которых очищенная от взвесей вода смешивается с озонированным воздухом или кислородом. Недостаток процесса - быстрое разрушение О3 в воде (период полураспада 15-30 минут).
Озонирование применяют также в пищевой промышленности для стерилизации холодильников, складов, устранения неприятного запаха; в медицинской практике - для обеззараживания открытых ран и лечения некоторых хронических заболеваний (трофические язвы, грибковые заболевания), озонирования венозной крови, физиологических растворов.
Современные озонаторы, в которых озон получают с помощью электрического разряда в воздухе или в кислороде, состоят из генераторов озона и источников питания и являются составной частью озонаторных установок, включающих в себя, кроме озонаторов, вспомогательные устройства.
В настоящее время озон является газом, используемым в так называемых озоновых технологиях: очистка и подготовка питьевой воды, очистка сточных вод (бытовых и промышленных стоков), отходов газов и др.
В зависимости от технологии использования озона производительность озонатора может составлять от долей грамма до десятков килограмм озона в час. Специальные озонаторы применяются для газовой стерилизации медицинского инструментария и мелкого оборудования. Стерилизация осуществляется в искусственно увлажненной озонокислородной среде, заполняющей стерилизационную камеру. Цикл стерилизации состоит из стадии замещения воздуха в стерилизационной камере увлажненной озонокислородной смесью, стадии стерилизационной выдержки и стадии замещения озонокислородной смеси в камере микробиологически очищенным воздухом.
Озонаторы, применяемые в медицине для озонотерапии, имеют широкий диапазон регулирования концентрации озонокислородной смеси. Гарантированная точность вырабатываемой концентрации озонокислородной смеси контролируется системой автоматики озонатора и автоматически поддерживается.
Биологическое действие озона
Биологическое действие озона зависит от способа его применения, дозы и концентрации. Многие из его эффектов в разных диапазонах концентраций проявляются в различной степени. В основе лечебного действия озонотерапии лежит применение озонокислородных смесей. Высокий окислительно-восстановительный потенциал озона обуславливает его системное (восстановление кислородного гомеостаза) и локальное (выраженное дезинфицирующее) лечебное действие.
Впервые озон как антисептическое средство был использован А. Wolff в 1915 г. для лечения инфицированных ран. В последние годы озонотерапию успешно применяют практически во всех областях медицины: в неотложной и гнойной хирургии, общей и инфекционной терапии, гинекологии, урологии, гастроэнтерологии, дерматологии, косметологии и др. Использование озона обусловлено его уникальным спектром воздействия на организм, в т.ч. иммуномодулирующим, противовоспалительным, бактерицидным, противовирусным, фунгицидным и др.
Однако нельзя и отрицать, что методы использования озона в медицине, несмотря на явные преимущества по многим биологическим показателям, до сих пор широкого применения не получили. Согласно литературным данным высокие концентрации озона являются абсолютно бактерицидными практически для всех штаммов микроорганизмов. Поэтому озон используется в клинической практике как универсальный антисептик при санации инфекционно-воспалительных очагов различной этиологии и локализации.
В литературе встречаются данные о повышенной эффективности антисептических препаратов после их озонирования при лечении острых гнойных хирургических заболеваний.
Выводы относительно бытового использования озона
Прежде всего, нужно безоговорочно подтвердить факт применение озона в практике врачевания во многих областях медицины, как терапевтического и обеззараживающего средства, однако говорить о широком его применении пока не приходится.
Озон воспринимается человеком с наименьшими побочными аллергическими проявлениями. И даже если в литературе можно найти упоминание об индивидуальной непереносимости O3, то эти случаи никак не могут быть сопоставимы, например, с хлорсодержащими и прочими галогенопроизводными антибактериальными препаратами.
Озон - трёхатомный кислород и наиболее экологичен. Кому не знаком его запах “свежести” – в летние жаркие дни после грозы?! Постоянное присутствие его в земной атмосфере испытывает на себе любой живой организм.
Обзор составлен по материалам сети Интернет.
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.