Газ озон: химические, физические свойства, формула, отличия и другое
Содержание:
Кислород – элемент VIA группы. Для него свойственны две аллотропные модификации с разными химическими формулами – кислород О2 и озон О3. Они отличаются не только составом молекул, но и различными характеристиками.
В конце XVIII века ученый Мартин Ван Марум провел эксперимент, в результате которого получил озон. Он через воздушное пространство пропускал электричество. Таким образом, образовался озон – это голубоватый газ с необычным запахом. Ученый предполагал, что полученный газ представляет собой электрическую материю.
В 1840 году ученый Кристиан Фридрих Шенбейн раскрыл структуру и свойства озона. Полученный газ он назвал «озоном» (с греч. языка «пахнуть»). Кристиан Фридрих Шенбейн провел эксперимент, где озон вытеснил йод из иодида калия.
Получение озона
Существует несколько способов получения молекул озона.
- Из кислорода воздуха при электрическом разряде
- 3О2 = 2О3 – 284 кДж
В промышленных условиях газ получают в озонаторах и отделяют фракционной перегонкой.
- 3О2 = 2О3 – 284 кДж
- Взаимодействие охлажденной концентрированной серной кислоты и пероксида бария
- 3H2SO4 + 3BaO2 = 3BaSO4 + O3 + 3H2O
Данной реакцией синтезируют озон в лабораториях.
- 3H2SO4 + 3BaO2 = 3BaSO4 + O3 + 3H2O
Физические свойства озона
Озон – бесцветный (в толстых слоях голубоватый) газ. Он почти в два раза тяжелее воздуха. Озон обладает специфическим запахом свежести.
- Температура сжижения -112˚С (газ приобретает оттенок индиго).
- Температура плавления -197˚С.
- Молярная масса озона – 48 г/моль.
Озон растворим в воде. Примеси позволяют растворяться еще быстрее. Если озон находится в состоянии газа, то он выступает в роли диамагнетика. Если озон – это жидкость, то проявляет свойства слабого парамагнетика.
Озон ядовит и губителен для бактерий. Его используют при обеззараживании воздуха и воды.
Химические свойства озона
Озон обладает сильными окислительными свойствами по сравнению с кислородом. Он реагирует с рядом веществ.
Если озон находится в состоянии газа, то реакция с сероводородом выглядит следующим образом:
H2S + O3 = SO2 + H2O
Озон способен взаимодействовать со ртутью при обычных условиях. В результате металл теряет блеск и способность липнуть к стеклу.
Токсичность озона
При умеренных концентрациях озон безвреден. Реакции с озоном характеризуются формированием свободных радикалов кислорода, которые губительны для организма при высоком содержании. Чрезмерное воздействие озона часто приводит к гибели. Озон особенно губителен для органов дыхания.
Озоновый слой в верхних слоях атмосферы
Озоновый слой – слой в верхней части атмосфера Земли, который состоит из бесцветного нестабильного газа. Он располагается на высоте 15-20 км над поверхностью планеты. Стратосфера – слой атмосферы, в котором содержится много озона.
Озон образуется в результате воздействия ультрафиолета на кислород. Слой газа задерживает все формы поступающей ультрафиолетовой коротковолновой радиации.
Озоновый экран защищает от вредного излучения, длина волн которого 290-320 нм. Это излучение может спровоцировать рак кожи. Озоновый слой появился на Земле около 600 млн лет назад в результате процесс фотосинтеза. Благодаря озоновому слою первые живые организмы смогли выйти из океана на сушу.
Дыры в озоновом слое
Озоновые дыры – локальное истощение озонового слоя. Самая большая озоновая дыра находится над Антарктидой. Если озоновый слой полностью исчезнет, то все живое на планете погибнет.
Озоновые дыры возникают по многим причинам, главная из которых – загрязнение окружающей среды. Озоновый слой разрушается под воздействием хлора, водорода, кислорода, брома и других продуктов сгорания. Выбросы фабрик, заводов и различных производств негативно влияют на выработку озона в верхних слоях атмосферы.
Озоновый слой может разрушить война. При испытании ядерного оружия выделяется огромное количество энергии и образуются окислы азота, которые разрушают озон. В период с 1952 по 1971 года при ядерных взрывах в атмосферу попало около 3 млн т окислов азота.
Реактивные самолеты выбрасывают окислы азота. Чем выше мощность турбореактивного двигателя, тем больше разрушающего вещества попадает в атмосферу. Ежегодно в воздух выбрасывается более 1 млн т соединений азота, из которых треть выбрасывают самолеты.
Защита озонового слоя
До 1989 года на производствах часто применялись галогенированные углеводороды, которые разрушают озоновый слой. Монреальская конвенция разработала программу по сокращению использования хлорфторуглеродов, которые быстро испарялись и достигали стратосферы. Они разлагаются на компоненты и разрушают озоновый слой. Из этих соединений раньше изготавливали аэрозоли, растворители и др.
Озоновые дыры произвольно создаются и исчезают. Это связано с некоторыми природными явлениями и даже климатическими особенностями. Газ озон образуется в результате воздействия ультрафиолета на кислород. Во время полярной ночи дыры образуются из-за того, что солнце не заходит несколько недель и ультрафиолет постоянно влияет на кислород. Во время полярного дня озоновый слой восстанавливается и воздействие ультрафиолета на живые организмы снижается.
Дыры могут формироваться в период активности Солнца. В результате этого они появляются и пропадают. Иногда это занимает несколько дней, реже растягивается на несколько месяцев.
Источник
Способы получения озона
Введение
Озон — простое вещество, аллотропное видоизменение кислорода. В отличие от кислорода, молекула озона состоит из трех атомов. При обыкновенных условиях представляет из себя резко пахнущий взрывчатый газ синего цвета, и обладающий сильнейшими окислительными свойствами.
Озон является постоянным компонентом атмосферы земли играет важнейшую роль для поддержания на ней жизни. В приземных слоях земной атмосферы концентрация озона резко возрастает. Общее состояние озона в атмосфере переменное, и колеблется в зависимости от времен года. Атмосферный озон играет ключевую роль для поддержания жизни на земле. Он защищает Землю от губительного воздействия определенной роли солнечной радиации, способствуя тем самым сохранению жизни на планете.
Таким образом, необходимо узнать, какие же действия может оказывать озон на биологические ткани.
Общие свойства озона
Озон — состоящая из трехатомных молекул О3 аллотропная модификация кислорода. Его молекула диамагнитна и имеет угловую форму. Связь в молекуле является делокализованной, трехцентровой.
Рис. 1 Строение озона
Обе связи O-O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Ангстрем. Угол между связями составляет 116,78°. Центральный атом кислорода sp²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов. Молекула полярна, дипольный момент 0,5337 D.
Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 —>3О2) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OH
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
История открытия.
Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретаетвоздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности действовать на ртуть при обыкновенной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Однако как новое вещество он описан не был, ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя».
Термин озон был предложен немецким химиком X. Ф. Шёнбейном в 1840 году за его пахучесть, вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему отдают приоритет открытия озона в 1839 году. В 1840 году Шёнбейн показал способность озона вытеснять иод из иодида калия: 
Факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон экспериментально доказали Эндрюс и Тэт при помощи стеклянной трубки с манометром, наполненной чистым кислородом, со впаянными в неё платиновыми проволками для получения электрического разряда.
Физические свойства.
Озон — газ, обладающий синим цветом, который можно заметить, если смотреть через значительный слой, до 1 метра толщиной, озонированного кислорода. В твёрдом состоянии озон чёрного цвета с фиолетовым отблеском. Жидкий озон обладает густым синим цветом; прозрачен в слое, не превышающем 2 мм. толщины; довольно прочен.
§ Молекулярная масса — 48 а.е.м.
§ Плотность газа при нормальных условиях — 2,1445 г/дм³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху — 1,62
§ Плотность жидкости при −183 °C — 1,71 г/см³
§ Температура кипения — −111,9 °C. (у жидкого озона — 106 °C.)
§ Температура плавления — −197,2 ± 0,2 °С (приводимая обычно т.пл. −251,4 °C ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению).
§ 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.
Xимuчecкие свойства.
Химические свойства озона определяются его большой способностью к окислению.
Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер.
§ Взаимодействие с оксидами
Способы получения озона
Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.
Источник
Способы получения озона реакции
С озоном вы уже знакомились в главе 1, когда мы рассказывали о составе атмосферного воздуха, в котором озон присутствует в виде незначительной примеси. В чистом виде озон O3 – голубой газ с резким запахом (греческое озос – пахучий). Строение молекулы озона можно изобразить разными способами. Например, комбинацией двух крайних (или резонансных) структур. Каждая из таких структур не существует в реальности (это как бы «чертеж» молекулы), а настоящая молекула представляет собой нечто среднее между двумя резонансными структурами.
Хотя молекулярный кислород и озон составлены из атомов одного и того же элемента кислорода – это разные вещества. С таким же явлением на примере углерода мы уже сталкивались в главе 3 (алмаз и графит). Оно называется аллотропией. Графит и алмаз – разные вещества, хотя и тот и другой состоят только из углерода. Теперь мы наблюдаем такое же явление у кислорода.
Если какой-либо элемент образует два или несколько простых веществ, то такие вещества называются аллотропными модификациями. Само это явление называется аллотропией.
Итак, озон и молекулярный кислород – две разные аллотропные модификации элемента кислорода.
В лаборатории озон получают при «тихом» (без искр) электрическом разряде в стеклянной трубке, через которую пропускается ток кислорода. Такой прибор называется озонатором. Есть и другие лабораторные способы получения озона.
** Кому-то из читателей (особенно участникам химических олимпиад) наверняка знаком классический способ получения пероксида водорода H2О2 из пероксида бария BaO2 при действии разбавленной серной кислоты.
Пероксиды – это вещества, содержащие связь О–О. Интересно, что если взять не разбавленную, а концентрированную серную кислоту, то реакция идет по другому пути и образуется озон:
Озон обладает более сильными окислительными свойствами, чем кислород. Например, озон способен изменить степень окисления иода от -1 до 0, т.е. окислить анион иода до свободного иода. Свободный иод, в свою очередь, легко обнаружить добавлением крахмала (получается темно-синий иодкрахмальный комплекс). Этот способ можно использовать для обнаружения озона – посмотрите опыт из «Единой коллекции образовательных ресурсов».
Резина быстро разрушается в атмосфере озона, а спирт при соприкосновении с ним воспламеняется. В чем же причина такой высокой окислительной способности озона?
Молекула озона относительно устойчива, однако под влиянием катализаторов (ими может служить целый ряд веществ) она легко разлагается с выделением атомарного кислорода — более сильного окислителя, чем молекулярный кислород:
Из-за своей высокой окислительной способности озон довольно токсичен для живых организмов. Если его содержание в помещении повышается до 10 –4 % по объему (а это совсем мало по сравнению с 21% кислорода в воздухе), то человек испытывает головную боль и другие признаки химического отравления. В России и СНГ предельно допустимая разовая концентрация озона составляет 0,08 × 10 –4 %, в Европейском Союзе — 0,09 × 10 –4 %, в США – 0,24 × 10 –4 % по объему.
С другой стороны, способность озона разлагаться с образованием атомарного кислорода делает его почти идеальным средством для обеззараживания питьевой воды. Озон убивает болезнетворные бактерии окислением, частично превращаясь при этом в молекулярный кислород. Поэтому озонированная вода лучше и вкуснее хлорированной, которую до сих пор приходится пить жителям многих городов.
** Почему бы не предположить, что молекула озона имеет циклическое строение – в форме равностороннего треугольника? В такой молекуле валентность всех атомов кислорода была бы равна двум, как и во всех остальных его соединениях. Однако экспериментальные факты не подтверждают эту гипотезу. Во-первых, структурные исследования показали, что молекула представляет собой не равносторонний, а равнобедренный треугольник, один из углов которого намного больше 60 o . Во-вторых, длина связи кислород-кислород (1,28 А) скорее соответствует кратной, а не простой связи (напомним, что длина простой связи О–О в H2O2 заметно больше – 1,48 А). В-третьих, молекула озона полярна. Все эти факты объясняют приведенные в начале параграфа формулы. Так, разделение зарядов «+» и «–» в резонансных структурах позволяет объяснить полярность молекулы озона (из-за этого озон намного лучше, чем O2, растворяется в воде). Кроме того, такое разделение зарядов эквивалентно еще одной химической связи и можно говорить, что у центрального атома кислорода валентность (IV). Аналогичная ситуация реализуется при образовании молекулы SO2, однако у атома серы валентность (IV) появляется благодаря переходу электрона с подуровня 3p на 3d (вспомните §3.5, где приведены нужные орбитальные диаграммы). Но у кислорода на 2-м уровне нет d-орбиталей! Как же в этом случае реализуется его четырехвалентное состояние? Вероятно, благодаря переходу электрона с уровня 2p на 3s в атоме кислорода. Эти уровни уже значительно отличаются по энергии, поэтому такой переход должен требовать больших энергетических затрат. Эксперимент говорит о том, что образование озона действительно требует поглощения большого количества энергии.
Основная масса природного озона образуется в верхних слоях атмосферы из молекул O2 в результате поглощения «жесткого» (т.е. несущего много энергии) ультрафиолетового излучения Солнца:
Земная атмосфера имеет слоистое строение. Основные ее слои — тропосфера и стратосфера. Тропосфера простирается от уровня моря до высоты 8 — 17 км (в зависимости от широты) — здесь сосредоточено примерно 4/5 массы всей атмосферы. Стратосфера – это безоблачная, сухая, холодная область над тропосферой до высоты примерно 40 — 50 км. Более 90% озона на нашей планете – это стратосферный озон.
Для характеристики содержания озона используют сокращенный темин — ОСО (общее содержание озона). Количественно ОСО выражают толщиной слоя озона, который получился бы, если бы весь содержащийся в атмосфере озон привести к нормальному давлению при температуре 0 o С. В среднем по земному шару она равна 3 мм, но может изменяться от 1 мм (в Антарктиде в период весенней озоновой аномалии) до 6 мм (в конце зимы – начале весны над Дальним Востоком). ОСО измеряют в так называемых единицах Добсона (е.Д.). Приведенная толщина слоя озона 3 мм соответствует 300 е.Д.
Несмотря на то, что в стратосфере озона относительно мало, он играет чрезвычайно важную роль в защите живых организмов от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Образование озона — эндотермическая реакция. Она происходит при поглощении энергии опасных для всего живого квантов УФ-света с длиной волны менее 180 нм (вспомните рис. 2-12 из главы 2, показывающий диапазоны солнечного спектра). Таким образом, озон служит «фильтром» опасного УФ-излучения. Заметную роль играет озон и в тепловом балансе Земли. Вы уже знаете, что образование озона – эндотермическая реакция, его разложение – реакция экзотермическая, происходящая с выделением тепла. По разным оценкам от 5 до 8% разогрева земной атмосферы за счет парниковых газов приходится на превращения озона. Катализаторами разложения озона в стратосфере могут служить атомарный хлор и другие, самые разнообразные вещества. Много таких веществ среди промышленных выбросов в атмосферу.
Рис. 6-7. Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей с длиной волны менее 180 нм. УФ-свет с большей длиной волны (около 320 нм), наоборот, способствует разложению озона. Поверхности Земли достигают только те ультрафиолетовые лучи, которые не опасны для живых организмов. Когда мы загораем на солнце, на нашу кожу падают «мягкие» ультрафиолетовые лучи, не способные принести вреда здоровью (если загорать в меру).
** Трудно сегодня найти человека, который бы не слышал об «озоновых дырах». Это явление, называемое учеными озоновой аномалией, заключается в опасном снижении концентрации озона в стратосфере над тем или иным районом планеты. Наиболее широко известна «озоновая дыра» над Антарктидой. Когда после долгой полярной ночи в высоких широтах Южного полушария наступает весна (это период с августа по декабрь), над обширным районом Антарктиды площадью более 10 млн. км 2 из года в год наблюдается снижение ОСО до 220, а иногда даже до 80 е.Д. (единиц Добсона — см. выше). При этом на высоте 15-20 км наблюдается локальный минимум содержания озона, что говорит о наличии здесь мощного источника его разрушения. Одновременно с появлением озоновой аномалии в нижней стратосфере фиксируются очень низкие температуры (ниже –78 o С) и появление полярных стратосферных облаков. По мнению ряда ученых, на поверхности этих облаков происходят фотохимические реакции, разрушающие озон, а катализаторами разрушения выступают хлор- и фторсодержащие вещества, попадающие сюда с других континентов.
В Северном полушарии в осенне-зимний период тоже иногда образуются «небольшие» озоновые дыры с ОСО меньше 220 е.Д. и площадью до 2 млн. км 2 . Они обычно зарождаются над Северной Атлантикой и «живут» не больше недели. Всемирная метеорологическая организация (World Meteorogical Organization) с помощью спутников постоянно следит за состоянием озонового слоя нашей планеты. На сайте Центра озонного картирования (Ozone Mapping Centre) ежедневно обновляется информация о состоянии озонового слоя. Рядом с картой распределения озона приводится цветная шкала в единицах Добсона (е.Д.), с которыми вы уже знакомы.
Ряд исследователей считает, что возникновение озоновых дыр связано не столько с загрязнением атмосферы хлор- и фторуглеводородами, сколько с особенностями атмосферной циркуляции в различных районах Земли. Вопрос пока остается открытым. Впрочем, снижение промышленного загрязнения атмосферы в любом случае пошло бы на пользу климату и биосфере нашей планеты.
Вполне вероятно, что проблема промышленных выбросов в атмосферу – это не только проблема загрязнения поверхности Земли вредными веществами, но еще и проблема «загрязнения» солнечного спектра жестким, вредным для человека ультрафиолетовым излучением в результате частичного разрушения озонового слоя.
Но не стоит и преувеличивать опасность: полное исчезновение озона не грозит атмосфере до тех пор, пока в ней есть кислород и пока светит Солнце.
Источник
