Озон как химическое вещество¶

Озон — аллотропная модификация кислорода, состоящая из трёхатомных молекул O₃. При нормальных условиях представляет собой газ голубоватого цвета с резким характерным запахом, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза. Молекула озона нелинейна: атомы расположены под углом около 117°, что обусловливает её полярность и высокую реакционную способность. Озон является сильным окислителем и играет ключевую роль как в защите жизни на Земле от ультрафиолетового излучения, так и в ряде технологических процессов.

¶Физические и химические свойства

При обычных условиях озон — газ с температурой кипения около −112 °C и температурой плавления около −192 °C. В жидком состоянии он имеет тёмно-синюю окраску, в твёрдом — почти чёрную. Растворимость в воде невелика, но заметно выше, чем у кислорода, что важно для процессов обеззараживания воды.

Химически озон неустойчив: самопроизвольно разлагается с образованием молекулярного кислорода, выделяя тепло. Скорость распада резко возрастает при нагревании, под действием света, катализаторов и при контакте с некоторыми веществами. Именно поэтому озон не накапливается в больших количествах в обычных условиях и требует получения «на месте».

Как окислитель озон значительно активнее кислорода. Он окисляет большинство металлов (кроме золота и платины), реагирует с органическими соединениями, разрушая двойные связи, и способен окислять даже инертные в обычных условиях вещества. Эта высокая реакционная способность определяет как его полезные применения, так и токсичность.

¶Озон в атмосфере

В атмосфере Земли озон распределён неравномерно и выполняет две противоположные по значению функции.

¶Озоновый слой

Основная масса озона сосредоточена в стратосфере на высоте примерно 15–35 км, где образуется под действием жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца: молекула кислорода распадается на атомы, которые присоединяются к другим молекулам O₂, образуя O₃. Этот стратосферный слой поглощает большую часть ультрафиолета, защищая живые организмы от губительного излучения. Разрушение озонового слоя под действием хлорфторуглеродов и других промышленных выбросов стало предметом международных соглашений, в частности Монреальского протокола 1987 года.

¶Приземный озон

В тропосфере, у поверхности Земли, озон является загрязнителем. Он образуется в результате фотохимических реакций с участием оксидов азота, летучих органических соединений и солнечного света. Приземный озон входит в состав фотохимического смога, раздражает дыхательные пути, снижает продуктивность растений и наносит ущерб материалам. Таким образом, один и тот же газ в стратосфере полезен, а у земли вреден.

¶Получение

В промышленности и лабораториях озон получают действием электрического разряда на кислород или воздух — в так называемых озонаторах. Впервые этот способ применил немецкий физик Вернер фон Сименс в 1857 году. Также озон образуется при ультрафиолетовом облучении воздуха, при работе ртутных ламп и во время грозовых разрядов, чем объясняется свежий запах после грозы.

Поскольку озон быстро разлагается, его не транспортируют и не хранят в баллонах в сколько-нибудь значительных объёмах, а производят непосредственно на месте потребления.

¶Применение

Благодаря сильному окисляющему действию озон применяется в нескольких отраслях:

• Водоподготовка. Обеззараживание питьевой воды и воды в бассейнах, устранение запахов и цветности, окисление примесей.
• Промышленность. Отбеливание бумаги и тканей, синтез некоторых органических соединений.
• Медицина. Дезинфекция помещений, инструментов, а также озонотерапия в отдельных направлениях (метод имеет ограниченное научное подтверждение).
• Пищевая промышленность. Обработка продуктов и помещений для продления сроков хранения.
• Экология. Очистка промышленных и сточных вод от органических загрязнителей.

В России озоновые технологии применяются на станциях водоподготовки крупных городов, в частности в системах обеззараживания питьевой воды.

¶Токсичность и техника безопасности

Озон токсичен. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны в России составляет 0,1 мг/м³. При вдыхании он раздражает слизистые оболочки, вызывает кашель, головную боль, при высоких концентрациях возможен отёк лёгких. Опасность усугубляется тем, что запах ощущается лишь при относительно высоких концентрациях, а привыкание к нему снижает восприимчивость.

Работа с озонаторами требует вентиляции помещений, контроля концентрации газа и средств индивидуальной защиты. Озон негорюч, но в контакте с некоторыми органическими веществами может образовывать взрывоопасные смеси.

¶Значение и история изучения

Озон был открыт в 1785 году голландским физиком Мартином ван Марумом при опытах с электрическими разрядами, а название ему дал немецкий химик Христиан Фридрих Шёнбейн в 1840 году, произведя термин от греческого слова, означающего «пахнущий». В XX веке изучение озона привело к пониманию строения атмосферы, а во второй половине столетия — к осознанию проблемы разрушения озонового слоя и разработке мер по ограничению выбросов озоноразрушающих веществ.

Озон остаётся объектом активных исследований в химии, метеорологии, медицине и промышленных технологиях, сочетая в себе свойства жизненно важного атмосферного фильтра и опасного загрязнителя.

Источники: Большая российская энциклопедия, учебные курсы по общей и неорганической химии, материалы Всемирной метеорологической организации, данные о предельно допустимых концентрациях вредных веществ в воздухе рабочей зоны.