главная > справочник > химическая энциклопедия:

Озон

Озон (от греч. ozon-пахнущий) О₃, аллотропная форма кислорода. Газ синего цвета, в жидком состоянии темно-синий, в твердом-сине-фиолетовый. Молекула О₃ симметричная ангулярная (уголковая); длина связи О—О 0,12717 нм, угол ООО 116,78°, m 1,78• 10^-30 Кл•м. Т. пл. 80,6 К, т. кип. 161,2 К; плотн. газа при 273,2 К 2,141 г/л, при 298,2 К 1,962 г/л; плотн. жидкого при 90,2 К 1,571 г/см³, при 123,2 К 1,473 г/см³, при 153,2 К 1,376 г/см³; плотн. кристаллов при 77,4 К 1,728 г/см³; при 90,2 К h 1,57•10^-3 Па•с, g 3,84•10^-2 Н/м; температурная зависимость давления пара над жидкостью lg p(мм рт.ст.) = 8,25313 - 814,941587/Т-- 0,001966943Т; 39,374 ДжДмоль•К); 2,1 кДж/моль,

15,2 кДж/моль, 141,8 кДж/моль; 238,896 ДжДмоль•К). В газе озон диамагнитен, в жидком состоянии слабо парамагнитен, магн. восприимчивость + 1,8•10^-6. В УФ спектре озон имеет широкую сильную полосу поглощения в интервале 200-300 нм с максимумом при l 255 нм (полоса Гартли).

Растворимость озона в воде (0,21 объема в 1 объеме раствора при 298 К) почти в 7 раз выше растворимости О₂. В кислой среде растворимость озона падает, в щелочной-возрастает. Гораздо выше растворимость озона в хлорир. углеводородах и хладонах:

* Отношение мол. концентраций О₃ в растворе и газе над раствором.

Неограниченная взаимная растворимость в жидкой системе О₂-О₃ имеет место выше 93,2 К, в системе F₂-О₃-выше 79,3 К, в системе СF₄-О₃-выше 103 К, ниже этих температур растворы расслаиваются.

Озон термически неустойчив в газе и в растворах. В водном растворе распад озона медленно идет при комнатной температуре и заметно ускоряется с ростом рН. В газе более устойчив; медленный распад идет ок. 70 °С, быстрый-выше 100 °С. Распад озона ускоряют примеси NO, Cl₂ и др. газов, а также гетерог. катализаторы - металлы и их оксиды (Pt, Ag, Cu, Mn, Ni, Co и др.).

В реакциях с большинством веществ озон — сильный окислитель. что обусловлено низкой энергией отрыва атома О от молекулы О₃ (107 кДж/моль) и высоким сродством молекулы озона к электрону (2,26 эВ). В водном растворе озон окисляет Fe(II) до Fe(III), Ce(III) до Ce(IV), Mn(II) до MnO^-₄, соед. Os и Ru до OsO₄ и RuO₄,I₂ до НIO₃ и т. п. В газовой фазе озон окисляет Сl₂ до Сl₂О₇ (фотохимически), SO₂ до SO₃, NO₂ до N₂O₅. Реакция с конц. водной щелочью идет через последоват. образование в растворе O^-₃, О^-₂, HO^-₂ и О₂. При взаимод. с кристаллич. гидроксидами и супероксидами щелочных металлов образуются озониды МО₃. озон окисляет мн. орг. вещества - олефины, ароматич. соед. и насыщ. углеводороды, спирты и др., при этом в качестве промежут. веществ образуются продукты присоединения озона, также наз. озонидами (см. Озонирование).

Общая масса озона в атмосфере Земли 4•10⁹ т, т.е. 0,64•10^-6 от массы всей атмосферы, средняя стационарная концентрация 1 мг/м³. У поверхности Земли фоновая концентрация озона в течение суток проходит через максимум в интервале 10-18 ч и минимум ночью; летом и весной концентрация в 3,5 раза выше, чем зимой и осенью; над полярными областями Земли концентрация выше, чем над экваториальной, в атмосфере городов выше, чем в сельской местности. С удалением от пов-сти Земли концентрация растет и достигает максимума на высоте 20-25 км. Концентрация озона на высоте 20-30 км каждые 11 лет проходит через максимум, вызванный циклом солнечной активности.

Озон обеспечивает сохранение жизни на Земле, т. к. озоновый слой задерживает наиб. губительную для живых организмов и растений часть УФ радиации Солнца с длиной волны менее 300 нм, наряду с СО₂ поглощает ИК излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Содержание и перемещение озона в атмосфере влияет на метеорологич. обстановку. Образование озон в атмосфере происходит в результате реакций: О₂ О + О, О + О₂ О₃. Распад атмосферного озон происходит фотохимически, а также в результате его реакций с радикалами НО и НО₂, оксидами азота. хлором и его соединениями. Массовый выброс в атмосферу оксидов азота в результате развития реактивной авиации и применения удобрений. а также использование хлорсодержащих хладонов (фреонов), может привести к убыли озона в атмосфере. Мощные вулканич. извержения, сопровождаемые выбросом аэрозоля в стратосферу, также приводят к понижению содержания озон в средних широтах на 4-8%. По оценкам ядерная война с тротиловым эквивалентом 5000 Мт приведет к 50%-ному разрушению озонового слоя, на его восстановление потребуется 5-8 лет.

Озон образуется во всех процессах, сопровождаемых появлением атомарного кислорода. -при УФ облучении воздуха, в электроразрядах, при распаде пероксидов, окислении фосфора и т.п. В лабораториях и промышленности озон получают действием тихого электрич. разряда на О₂ в озонаторах. Осн. типы пром. озонаторов - трубчатые и плоские; в качестве диэлектрика применяют стекло или керамику, материал электродов - Аl или Си. Мощность озонатора пропорциональна частоте тока. Присутствие влаги в О₂ сильно снижает выход озон, поэтому исходный газ осушают до точки росы (от -40 до -60 °С), а озонатор охлаждают. Содержание озона на выходе из озонатора при использовании в качестве исходного О₂ 5-8%, воздуха-1-1,5%, расход энергии соотв. 8-18 и 10-30 кВт•ч/кг О₃. озон более высокой концентрации (до 50%) м. б. получен электролизом конц. растворов НСlО₄, Н₃РО₄ или H₂SO₄ на охлаждаемом аноде из Pt или РbО₂. Др. способ получения высококонцентрированного озона - растворение его в хладонах при низкой температуре, О₂ в хладонах практически не растворяется. Наиб. удобны хладоны 22 и 12, растворимость озона в них при 163 К достигает 50%; при нагр. такого раствора озон испаряется первым. Растворы озона во фреонах не взрывчаты и могут длительно храниться при температуре ниже 223 К.

Для определения содержания озон используют фотометрич. (в УФ области), иодометрич., люминесцентный методы и ряд способов, основанных на измерении физ. свойств озона, -e, энтальпии разложения и т.п.

Озон ядовит для людей, животных и растений; ПДК в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³, в атм. воздухе 0,16 мг/м³; ЛД₅₀ 0,046 мг/л (мыши, 2 ч), 3 мг/л (мыши, 5 мин). Малые концентрации озона в воздухе создают ощущение свежести, вдыхание воздуха с концентрацией озон 0,002-0,02 мг/л вызывает раздражение дыхат. путей, кашель, рвоту, головокружение, усталость. В присут. оксидов азота токсичность озона увеличивается в 20 раз.

Озон взрывоопасен во всех агрегатных состояниях, примеси повышают его чувствительность. Ниж. КПВ для озоно-воздушной смеси 9%, при более высоком содержании озона смеси взрываются под влиянием внеш. импульса, причем скорость детонации растет от 880 м/с при концентрации 9,2 мол. % озон до 1730 м/с при 77 мол. %.

Осн. часть производимого озона используют для обеззараживания питьевой воды, что более эффективно, чем хлорирование. Озон используют также для обезвреживания сточных вод хим. предприятий, особенно в случае фенольных и цианидных загрязнений. Озон применяют для получения камфоры, ванилина, монокарбоновых и дикарбоновых кислот (адипиновой, азелаиновой и др.) путем окисления углеводородов и др. малоценного сырья, для отбеливания тканей, минер. масел и др., в орг. химии - для определения места двойной связи в молекуле.

Озон открыл и назвал X. Шёнбейн в 1840, на появление специфич. запаха при электроразряде в воздухе обратил внимание М. ван Марум в 1785.

Лит.: Разумовский С. Д., Заиков Г.Е., Озон и его реакции с органическими соединениями, М., 1974; Атмосферный озон и изменения глобального климата, Л., 1982. © В. Я. Росоловский.

Дополнительная информация: "Озон: химические и физические свойства".