Озон

Опубликовано admin 08.04.2009 в категории География |

Как приятно прогуляться после грозы! Воздух чист и
свеж, его бодрящие струи, кажется, без всяких усилий сами
втекают в легкие. «Озоном пахнет, — часто говорят в таких
случаях. — Очень полезно для здоровья». Так ли это? И вообще,
что мы знаем об удивительном веществе — озокс, его
свойствах и применении?

Впервые люди встретились с ощутимыми количествами
озона, когда были изобретены электростатические машины
наподобие тех, которые можно увидеть в школьном кабинете
физики. Так что впервые с этим веществом познакомились не
химики, а физики.

В 1785 году голландский физик Мартин ван Марум получил
озон, подвергая кислород действию электрических искр
и даже посчитал, что обнаружил особую «электрическую материю».
Название же озону дал в 1840 году уже химик, швейцарец
Кристиан Шенбейн; он использовал греческое слово
ozon — пахнущий. Оказалось, что озон действительно родственник
кислорода, но значительно более агрессивный. Так, он
мгновенно окисляет бесцветный йодид калия с выделением
бурого йода:

2KI + О3 + Н2О -> 12 + О2 + 2КОН.
бесцв. бурый
Даже малоактивная при комнатной температуре ртуть не
может устоять под натиском этого газа — она теряет свой
блеск и приобретает способность прилипать к стеклу. Окисляется
озоном и серебро:

8Ag + 2О3 -» 4Ag2O + О2.
Озон и кислород — единственный пример образования
одним химическим элементом двух газообразных (при обычных
условиях) простых веществ. Молекула кислорода состоит,
как известно, из двух атомов, а озона — из трех, причем
эти три атома расположены не на прямой линии, а под углом.
Это является причиной еще одной уникальной особенностью
этого газа — из всех газообразных веществ только молекулы
озона полярны, то есть представляют собой диполь с разделенными
в пространстве зарядами.

Путь к получению озона всегда одинаков — сначала надо
получить свободные атомы кислорода, например, разрушив
молекулу кислорода.
Затем каждый образовавшийся атом кислорода «прилипает
» к молекуле кислорода с образованием молекулы озона:

О + О2 -> О3 + Q.
Молекулы кислорода очень прочные, для их разрушения
надо затратить очень большую энергию — почти 500 кДж/моль,
правда, при второй реакции часть ее выделится, так что в итоге
для получения 1 моль озона надо затратить 142 кДж энергии.
Эту энергию проще получить физическими методами —
действием на кислород электрических разрядов, ультрафиолетовых
лучей, гамма-квантов, электронов, поэтому, например,
озоном всегда пахнет около работающих электрических
машин, в которых «искрят» щетки. Сейчас озон чаще всего
получают действием на кислород так называемым «тихим»
(без искр) электрическим разрядом.

Но возможны и чисто химические способы получения озона,
правда, в очень малых количествах. Это происходит при
электролизе подкисленой воды, при медленном окислении на
воздухе влажного белого фосфора, при разложении соединений
с высоким содержанием кислорода (перманганат калия
КМпО дихромата калия КСгО и др.), при действии на воду
фтора или на пероксид бария концентрированной серной кислоты.
Атомы кислорода всегда присутствуют в пламени, поэтому
если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части
пламени горелки, то обнаружится характерный запах озона.
Обратная реакция образования кислорода из оз эна происходит
с выделением энергии, значит, озон неустойчив.

Скорость его разложения значительно увеличивается в
присутствии катализаторов (газов — оксидов дзота, хлора;
твердых веществ — металлов, оксидов).

Каковы же свойства чистого озона? Сжижается он значительно
легче кислорода, при температуре лишь -111,9°С
(кислород при — 183°С), а затвердевает при -192,7°С. Твердый
озон сине-черный. Интенсивность окраски жидкого озона
настолько велика, что уже через очень тонкий его слой не
видно нити горящей электрической лампочки. Опыты с озоном
небезопасны. Газообразный озон способен взрываться,
если концентрация его в воздухе превысит 9 %.

Озон отличается чрезвычайно высокой реакционной способностью.
Он сильнейший окислитель, и в этом отношении
уступает лишь фтору и фториду кислорода OF2. Важное отличие
озона от кислорода в том, что он проявляет окислительные
свойства уже при комнатной температуре. Например, PbS
и РЬ(ОН)2 в обычных условиях не реагируют с кислородом,
тогда как в присутствии озона сульфид превращается в PbSO4,
а гидроксид — в РЬО.

Если в сосуд с озоном налить концентрированный ра
створ аммиака, появится белый дым — это озон окислил аммиак
с образованием нитрита аммония NH4NO2:

2NHНО О -» NHNO + ЗНО.
Особенно характерна для озона способность «чернить»
серебряные изделия с образованием Ag2O. Если направить на
поверхность твердой сухой щелочи струю озона, то образуется
оранжево-красная корка, содержащая озониды, например:
4КОН + 4О3 -> 4КО3 + О/Г + 2Н2О.
озонид калия
При этом твердая щелочь эффективно связыкает воду,
что предохраняет озонид от немедленного гидролиза. Однако
при избытке воды озониды бурно разлагаются:

4КО3 + 2Н2О -> 4КОН + 5О2Т.
Разложение озонидоз идет и при отсутствия виды - при
сто при хранении, например:

2КО2 -> 2КО2 О2Т.
Озониды хорошо растворимы в жидком аммиаке, что позволило
выделить их в чистом виде и изучить их свойства.

Озон разрушает органические вещества, с которыми соприкасается.
Так, озон, в отличие от хлора, способен расщеплять
бензольное кольцо.
При работе с озоном нельзя использовать резиновые трубки
и шланги — они моментально «прохудятся». Реакции озона
с органическими соединениями идут с выделением большого
количества энергии. Например, эфир, спирт, вата, смоченная
скипидаром, метан и многие другие вещества самовоспламеняются
при соприкосновении с озонированным воздухом, а
смешение озона с этиловым спиртом приводит к сильному
взрыву.

ПРИМЕНЕНИЕ ОЗОНА

После того как в 1888 году на Международном гигиеническом
конгрессе в Вене было признано, что с питьевой водой
могут распространяться заразные болезни, начались поиски
наиболее эффективного способа обеззараживания воды. Их
было найдено множество, и среди прочих — химическая обработка
воды озоном. Преимущество этого способа в том, что
озонированная вода, в отличие от хлорированной, не приобретает
постороннего запаха и вкуса; при полном окислении
озоном многих органических соединений образуются совершенно
безвредные вещества — углекислый газ и вода, избыток
же озона довольно быстро распадается также с образованием
безвредного кислорода. Однако, озонирование воды обходится
дороже, чем хлорирование; например, озон нельзя перевозить,
он должен производиться на мэсте использования,
это препятствует повсеместному распространению метода озонирования.

ОЗОН В АТМОСФЕРЕ

Как известно сейчас даже далеким от химии людям, озоновый
слой в атмосфере фактически обеспечивает жизнь на
нашей планете. Об этом подробнее. Озона в атмосфере немного
— 4 млрд. т, т. е. всего 1 миллиграмм в 1 кубическом метре.
Концентрация озона растет с удалением от поверхности Земли
и достигает максимума на высоте 20—25 км. Это и есть
«озоновый слой». Если весь озон собрать у поверхности Земли
при нормальном давлении, получится слой толщиной всего
2-3 мм.

Двухэтапная реакция образования озона из кислорода
начинается под действием солнечной радиации. В реакции распада
атмосферного озона также участвует солнечная радиация
— жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны
от 240 до 320 нм. Энергия ультрафиолета расходуется на разложение
озона, и губительная радиация не доходит до поверхности
Земли. Однако распадаться озон может не только под
воздействием солнечных лучей, но и самопроизвольно, а ускоряют
эту реакцию многочисленные катализаторы. Основной
катализатор — это оксид азота NO, который образуется из
азота и кислорода под действием наиболее жесткой солнечной
радиации в верхних слоях атмосферы. Попадая в озоносферу,
он вступает в цикл из двух реакций:

О3 + NO -» NO, + О,,

NO, + О -» NO + О2,

в результате которых его содержание в атмосфере не меняется,
а концентрация озона снижается. Существуют и другие
циклы, приводящие к снижению содержания озона, например
с участием хлора.

Разрушают озон также пыль и газы, которые в большом
количестве попадают в атмосферу при извержении вулканов.
В последние десятилетия, помимо природных факторов, влияющих
на озоновый слой, появились и искусственные. Хорошо
известный пример — фреоны, являющиеся источниками
атомов хлора. Фреоны — это углеводороды, в которых атомы
водорода заменены на атомы фтора и хлора. Фреоны не ядовиты,
многие из них легко летучие жидкости или легко сжижающиеся
газы, поэтому их широко используют в холодильной
технике и для заполнения аэрозольных баллончиков, которые
во всем мире выпускаются в огромном количестве (дезодоранты,
лаки для волос, освежители воздуха, средства для
мытья окон, полировки мебели и др.). В результате этого в
воздух ежегодно попадают сотни тысяч тонн фреонов, которые
медленно в течение многих лет и даже десятилетий поднимаются
выше и выше, достигая озонового слоя. Здесь, разлагаясь
под действием солнечной радиации, они сами начинают
каталитически расщеплять озон, и это приводит к снижению
его концентрации. Фреоны — не единственные рукотворные
разрушители озона. Например, летающие в стратосфере
сверхзвуковые самолеты выбрасывают довольно много
оксида азота.

Как показывают расчеты, все это может привести к тому,
что через 50 лет концентрация озона в стратосфере уменьшится
на 25 %. Но те же расчеты свидетельствуют об одновременном
увеличении концентрации озона в приземном слое — тропосфере,
и это также не сулит нам ничего хорошего. И если
стратосферный озон влияет на нашу жизнь косвенно, через
изменение состава солнечной радиации, то озон в приземном
слое, как и продукты его химических превращений, непосредственно
попадает в наши легкие.

Откуда берется в тропосфере озон? Традиционный его
источник — конвекционный перенос с массами воздуха высотного
(стратосферного) озона в нижние слои, за счет чего
каждую минуту на 1 квадратный метр приносится в среднем
5—6 мкг озона. Следовательно, ежегодно в приземный слой
озона поступает примерно 1,6 млрд. тонн. Однако это создает
лишь небольшую концентрацию приземного озона, хотя время
жизни молекулы озона в нижней части атмосферы значительно
выше — более 100 сут. (это объясняется тем, что здесь
меньше интенсивность ультрафиолетовых лучей, разрушающих
озон). В чистом свежем воздухе концентрация озона приблизительно
постоянна и составляет всего 0,016 мкг/л.

Вместе с тем, новые исследования показали, что современные
люди вдыхают значительно больше озона, чем их предки.
Основная причина этого — увеличение в воздухе количества
метана и оксидов азота. Дело в том, что в результате
длинной цепочки реакций, п которых помимо метана, азота,
кислорода и воды участвует еще и солнечный свет с длиной
волны менее 430 нм, образуется вода, формальдегид НСНО и
озон.

Концентрация озона у поверхности не остается постоянной
в течение суток. После восхода солнца она начинает
увеличиваться, достигает максимального значения к 14—16 часам,
затем уменьшается — быстрее днем и медленнее ночью.

Над океанами озона всегда больше, чем над сушей. Не все
подобные факты удается пока объяснить. Так, в знаменитом
лосанжелеском смоге концентрация озона в 20 раз больше
нормальной, но иногда в городах его оказывается меньше, чем
в сельской местности. Очевидно, что различные загрязнители
в воздухе могут приводить как к образованию, так и к разрушению
озона.

Всегда считалось, что во время грозы концентрация озона
резко увеличивается, так как молнии способствуют превращению
кислорода в озон. Однако и здесь все оказалось сложнее.
Во время грозы и в течение нескольких часов после нее
концентрация озона сильно снижается тем сильнее, чем мощнее
облако. Это связано с тем, что при развитии грозового
облака под ним возникают мощные восходящие потоки воздуха,
которые уносят озон вверх. А при удалении облака на
5—7 км концентрация озона повышается — это уже работают
нисходящие потоки на периферии грозового облака, переносящие
озон сверху вниз.

А правда ли, что особенно много озона в воздухе хвойных
лесов? Найти ответ на этот вопрос оказалось не так просто.
Прежде всего, ни одно растение, конечно, озон не выделяет.
Но зато хвойные и некоторые лиственные деревья (тополь,
эвкалипт), а также злаковые культуры выделяют в воздух
различные органические вещества, относящиеся к ненасыщенным
углеводородам. Покрытая лесом площадь Земли составляет
миллионы гектаров, и оттуда в атмосферу поступают сотни
тысяч тонн различных углеводородов, что намного больше
количества выбрасываемых фреонов. Но если фреоны
чубивают» атмосферный озон, то углеводороды способствуют
его образованию — при условии, что в воздухе имеются и
другие примеси и что все это подвергается действию солнечной
радиации. Так что озон в хвойном лесу — экспериментально
установленный факт. Следует еще отметить, что углеводороды
выделяют не только живые растения. Огромное их
количество, в том числе и метан, попадает в воздух во время
лесных и степных пожаров, когда горение происходит при
недостатке кислорода.

Итак, хотим мы этого или нет,.нам приходится вдыхать
озон — в больших или меньших количествах. Хорошо это или
плохо? Если концентрация озона во вдыхаемом воздухе превышает
определенный порог, это может вызвать массу неприятных
последствий. В зависимости от концентрации и времени
вдыхания, озон вызывает изменения в легких, раздражение

слизистых оболочек глаз и носа, головную боль, головокружение,
снижение кровяного давления. Но это не все. Озон
уменьшает сопротивляемость организма бактериальным инфекциям
дыхательных путей. Предельно допустимая его концентрация
в воздухе составляет всего 0,1 мкг/л, а это означает,
что озон намного опаснее хлора!

Если долго дышать озоном при концентрации больше
2 мкг/л, последствия могут быть более тяжелыми — вплоть
до оцепенения или упадка сердечной деятельности. При содержании
озона 8—9 мкг/л через несколько часов происходит
отек легких, что чревато смертельным исходом. А ведь такие
ничтожные количества даже с трудом поддаются химическому
анализу обычными методами. К счастью, человек чувствует
присутствие озона уже при очень малых его концентрациях
(менее 1:1 000 000), при которых йодокрахмальная бумага
еще и не собирается синеть. Одним людям запах озона в малых
концентрациях напоминает запах хлора, другим — сернистого
газа, третьим — чеснока.

Ядовит не только сам озон. С его участием в воздухе
образуется пероксиацетилнитрат (ПАН) СН.,—СО—OONO2
— вещество, оказывающее сильнейшее раздражающее, в том
числе слезоточивое действие, затрудняющее дыхание, а в более
высоких концентрациях, вызывающее паралич сердца.
ПАН — один из компонентов смога. Неудивительно, что последствия
возникновения смога в больших городах могут быть
катастрофическими, особенно если воздух над городом не продувается
«сквозняками» и образуется застойная зона. Так, в
Лондоне в 1952 г. от смога в течение нескольких дней погибло
более 4000 человек. А смог в Нью-Йорке в 1963 г. убил 350 человек.
Аналогичные истории были в Токио и других крупных
городах. Страдают от атмосферного озона не тэлько люди. В
областях с повышенным содержанием озона в воздухе время
службы автомобильных шин и других изделий из резины значительно
сокращается.
Тем не менее, по мнению ученых, полное отсутствие в
воздухе озона будет иметь неблагоприятные псследствия, так
как это снизит бактерицидные свойства свежего воздуха и
увеличит содержание в нем микроорганизмов, ускорит рост
плесени и грибков, приведет к накоплению в воздухе вредных
веществ и неприятных запахов, которые он разрушает. Таким
образом, становится понятной необходимость регулярного и
длительного проветривания помещений. Kpoме’ всего прочего,
таким образом пополняется содержание в них озона.