לפי ספקטרום המיקרוגל של הגז (בליעות של רמות רוטציה של המולקולה), מולקולת האוזון מכופפת -חבורת הסימטריה C2v (בדומה למולקולת המים). אורך הקשר חמצן-חמצן 127.2pm וזווית הקשר 116.78°. שני הקשרים ברזוננס: קשר כפול בצד אחד וקשר בודד בצידה השני של המולקולה יוצרים אל-איתור וסדר הקשר של שני קשרי החמצן-חמצן 1.5 כ"א.
כימיה.
אוזון מגיב כימית עם אלקנים ומפרק אותם לאלדהידים וקטונים. תגובה זו נקראת אוזונוליזה ("ליזה" ביוונית פירושו "פירוק"). תחילה ניתק הקשר הכפול שבמולקולת האלקן ולאחר מכן נוצר קשר כפול בין כל אחד משני אטומי הפחמן שנותרו לא-קשורים ובין אטום חמצן מהאוזון.
בריכוזים גבוהים אוזון יתפרק ויתקבל חמצן
אוזון יגיב עם מתכות (פרט לזהב, פלטינה ואירידיום) ויחמצן אותן למצב החמצון המרבי שלהן, לדוגמה:
אוזון מחמצן גם תחמוצות חנקן למשל בתגובה הבאה המלווה פליטת אור (כמי-לומינסנסיה):
ה NO2 שנוצר בתגובה יכול להתחמצן עוד :
אוזון מגיב עם פחמן לתת פחמן דו-חמצני אפילו בטמפרטורת החדר
אוזון לא יגיב עם מלחי אמוניום אך יגיב עם אמוניה גזית לתת אמוניום ניטראט
אוזון יחמצן גפרית בסולפידים לסולפט למשל:
ניתן לייצר חומצה גפרתית מאוזון - חומר הגלם יכול להיות גפרית או גפרית דו-חמצנית
במצב גזי אוזון מגיב עם מימן גפרתי ומתקבלת גפרית דו-חמצנית
בתמיסה מימית, לעומת זאת, מימן גפרתי מגיב עם אוזון בשתי ריאקציות מתחרות בו זמנית: אחת נותנת חומצה גפרתית והשנייה גפרית מוצקה.
ניתן להשתמש באוזון להרחיק יוני מנגן ממים על ידי יצירת משקע שניתן לסלק בסינון
אוזון יחמצן ציאניד ליון ציאנט הרעיל פי אלף פחות
אוזון יפרק שתנן
ייצור אוזון.
התפרקות חשמלית.
באמצעות יצירת פלזמה על ידי התפרקות חשמלית ניתן לקבל 10% אוזון. זוהי השיטה בה מייצרים אוזון לצרכים תעשייתיים ורפואיים. כאשר ההתפרקות החשמלית היא דרך אוויר נוצרות גם תחמוצות חנקן כתוצר לואי. הקפדה על אוויר יבש מונעת היווצרות של חומצה חנקתית (מהמגע בין אדי מים לתחמוצת חנקן). שיפור הניצולת מושג על ידי הזרמת חמצן במקום אוויר.
יצירת אוזון על ידי קרינת UV.
בשיטה זו מחקים את מנגנון יצירת האוזון בסטרטוספירה ומקרינים חמצן בUV. שיטה זו זולה יותר אך ניתן להגיע לריכוזי אוזון של 2% בלבד. בנוסף נדרש זמן הקרנה ארוך של החמצן כך שהשיטה אינה ישימה למצבים בהם נדרשת אוזונציה של זרם מהיר של גז.
אוזון בריכוז גבוה.
ניתן לקבל אוזון טהור על ידי ניזול של תערובת O2 ו O3 . מתקבלת מערכת נוזלית בה פאזה אחת יציבה ומכילה 25% אוזון ופאזה שנייה שצבעה סגול עמוק מכילה 70% אוזון והיא נפיצה.
היסטוריה.
ההיתקלות הראשונה באוזון התרחשה ב-1785 כאשר המדען מרטינוס ון מארום, שהתעניין מאוד בחשמל, בנה בעזרתו של ג'ון קאתברטסון גנרטור חשמלי המופעל על ידי חיכוך (חשמל אלקטרו סטאטי) בדומה לגנרטור ון דה גראף, במהלך אותו ניסוי נוצר מתח חשמלי הקרוב ל-750 מיליון וולט. בנוסף למטען החשמלי אשר הפקתו הייתה מטרת הניסוי, תיארו הנוכחים תחושה מוזרה של מעין קורי עכביש העוטפים אותם. תחושה זו לוותה בריח חריף אשר היה ניתן להרגיש בו גם למרחק של כתשעה עד עשרה מטרים מהגנרטור. מארום ציין ברשימותיו כי זהו "ריחו של החשמל", ואף שיער כי זו השפעת החשמל על אוויר או חמצן, אך לא התעניין הרבה מעבר לכך בתופעה.
בשנת 1840, כ-55 שנים לאחר ההיתקלות הידועה הראשונה באוזון, הבחין גם הכימאי כריסטיאן שנביין (Christian Friedrich Schönbein), במהלך ניסויים בחמצון ובאלקטרוליזה של מים, באותו ריח חריף אותו תיאר מארום. בניגוד למארום אשר לא התעניין בכימיה, שונביין התעניין בתופעה, ואף כינה את הגז בעל הריח החריף שנוצר בשם אוזון, מהמילה היוונית אוזיין שמשמעותה: "להריח".
בשנת 1857, תכנן ארנסט ורנר פון סימנס את המכונה הראשונה המיועדת ליצירת אוזון. מאז ועד היום מתוכננים המכשירים על בסיס התכנון שלו.
האוזון באטמוספירה.
אוזון סטרטוספירי.
שכבת האוזון נמצאת, כאמור, בסטרטוספירה, חלקה האמצעי של אטמוספירת כדור הארץ. שכבה זו בולעת חלק מהקרינה האולטרה סגולה המגיעה מהשמש והמזיקה ליצורים חיים. הקרינה האולטרה-סגולה גורמת להיווצרות האוזון, בכך שהיא מפרקת את מולקולת החמצן לאטומים בודדים, ואלה מתחברים למולקולות חמצן שלמות ליצירת אוזון
formula_16
formula_17
M הוא צורון נייטרלי שמקבל חלק מהאנרגיה הקינטית של אטומי החמצן ובכך מוריד את האנרגיה של המערכת ומאפשר את יצירת מולקולת האוזון. קרינה האולטרה-סגולה באורכי גל שבין 220 ל-320 ננומטר (UVC) מפרקת את מולקולת האוזון, כך שנוצר מחזור של אוזון-חמצן. בליעה זו של מולקולות האוזון מגינה על כדור הארץ מקרינה מזיקה. מחזור זה משתבש בנוכחות אטומים של כלור, פלואור או ברום. אטומים אלה, שמקורם טבעי או בפעילות האדם, גורמים להתפרקות האוזון באטמוספירה על ידי זרוז (קטליזה) של הריאקציה formula_18. מכיוון שהתפרקות האוזון מתמקדת בעיקר באזור הקוטב הדרומי והקוטב הצפוני, הם מופיעים בתמונות לוויין כשני חורים ענקיים באטמוספירה. החור בשכבת האוזון הפך לנושא בוער ומרכזי באיכות הסביבה העולמית.
האוזון כמזהם אוויר - אוזון טרופוספירי.
בשכבה נמוכה של האטמוספירה - הטרופוספירה האוזון הוא מזהם אוויר. נזקיו כוללים:
מחקר אפידמיולוגי במרכזים עירוניים בארצות הברית העלה מתאם גבוה בין ריכוז האוזון באוויר למוות מוקדם. המחקר העריך שירידה של שליש בריכוז האוזון תציל את חייהם של כ-4000 אנשים בשנה. בהתאם, הוחמרו תקנות זיהום האוויר באזורים שונים בארצות הברית לשם הורדת רמת האוזון בטרופוספירה.
אוזון עשוי להיווצר כתוצאה מתגובות של מזהמי אוויר אורגנים (תרכובות אורגניות נדיפות VOC) או אי אורגנים עם קרינת שמש (ערפיח פוטוכימי). כך, למשל, עשוי להיווצר אוזון מהגז NO הנוצר בריאקציה 1 בצילינדר של מנוע בעירה פנימית - זיהום האופייני למצבי ערפיח (smog)
תרכובות אורגניות נדיפות גורמות גם כן להיווצרות אוזון כמודגם עבור פחמן חד-חמצני CO. שרשרת התגובות מתחילה בתגובה עם רדיקל הידרוקסיד OH המביאה ליצירת אטום מימן ואחר כך רדיקל HO2 המגיב עם NO ליצירת NO2
הריאקציה נטו היא:
התקן הישראלי לאוזון הוא 230 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לחצי שעה ו-160 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לשמונה שעות.
שימושים באוזון.
שימושים תעשייתיים של אוזון כוללים:
אנגסטרום
אנגסטרום או אנגסטרם (בשוודית: Ångström - נהגה אוֹנְגְּסְטְרֵם; ההגייה בעברית מבוססת על המונח באנגלית) היא יחידת מידה לאורך השווה ל- מטר, עשירית הננומטר או מאה פיקומטר, כלומר מאית המיליונית של סנטימטר. סימון היחידה הוא Å.
האנגסטרום שימושי למדידת אורך בקנה מידה של אטומים בודדים: רדיוס בוהר הוא כחצי אנגסטרום. לדוגמה, הקוטר של אטום הליום הוא כ-6.2 אנגסטרום. כמו כן קנה מידה זה הוא אורכם של קשרים כימיים.
מדע הספקטרוסקופיה משתמש באנגסטרום למדידת אורכי גל של אור.
האנגסטרום קרוי על שמו של הפיזיקאי והאסטרונום השוודי אנדרס יונאס אונגסטרם (1814-1874), שהיה הראשון שהשתמש ביחידה זו.
מערכת היחידות הבין-לאומית
מערכת היחידות הבין-לאומית (בצרפתית: Système international d'unités, בקיצור: SI) היא מערכת יחידות מידה רציונלית וקוהרנטית הנמצאת בשימוש נרחב בפיזיקה ובשאר ענפי המדע. מקורה של מערכת SI במערכת יחידות MKS (מטר־קילוגרם־שנייה) ההיסטורית, שהתפתחה על בסיס מערכת היחידות המטרית.
במערכת SI יש שבע יחידות בסיסיות ומגוון יחידות שנגזרות מהיחידות הבסיסיות. בין היחידות הבסיסיות, יחידת המידה לאורך היא המטר; זמן נמדד בשנייה, ומסה בקילוגרם. חלק מהיחידות הבסיסיות עצמן נגזרות מקבועים פיזיקליים, למשל מהירות האור, קבוע פלאנק, ומטען יסודי.
פרט לארצות הברית, מיאנמר (בורמה) וליבריה, כל המדינות בעולם משתמשות ביחידות מדידה על בסיס מטרי, אם כי אנגליה ואזורים מסוימים בקנדה עוד לא השלימו את המעבר לשיטה המטרית.
המקור.
היחידות השונות נקבעו על ידי ועידות בינלאומיות, אשר אורגנו על ידי הלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות (Bureau international des poids et mesures). השיטה קיבלה את שמה לראשונה בשנת 1960, והתוספת האחרונה הייתה בשנת 1971.
מערכת היחידות SI מורכבת מ־7 יחידות בסיסיות כמו הקילוגרם והמטר, והן משמשות להגדרת יחידות המשנה. כמו כן, SI מגדירה גם את התחיליות המוצמדות ליחידות השונות, כדוגמת מגה, קילו ומיקרו.
לאורך השנים השתנה בסיס מערכת היחידות מקבועים שרירותיים, ועבר להיות בחלקו יחידות הנגזרות מקבועים פיזיקליים, מפאת הסיבה שהקבועים הפיזיקליים לא משתנים לעולם, ואפשר למדוד או לחשב אותם בכל מקום מאשר שהתקינה ליחידה היא עצם ממשי.
עד שנת 2019 נעשה שימוש במשקולת אשר שימשה כגורם יחוס של הקילוגרם ועל פיה הוא הוגדר. ב-20 במאי באותה שנה הוגדרה מחדש מערכת היחידות הבינלאומית על-פי גדלים קבועים מראש ולא על-פי גורם ייחוס פיזי.
שיטת הרישום ב־SI.
כל המדינות יכולות להשתמש בשיטה זו באופן חוקי. במדינות שאינן משתמשות בה (כמו ארצות הברית ואנגליה) קיימות טבלאות המציגות את הגדלים המקומיים במונחים של יחידות SI. כלל זה נקבע בוועידה ה־11 של הלשכה הבינלאומית למידות ומשקלות.
יחידות בסיסיות.
מתוך היחידות הבסיסיות ניתן לגזור את כל היחידות שמשתמשים בהן בפיזיקה. לדוגמה, יחידת המהירות היא מטר לשנייה.
יחידות חצי בסיסיות.
היחידות הבאות נתונות במחלוקת בין אם הן יחידות בסיסיות או משניות. הרוב מפרידים אותם לקבוצה נפרדת של "יחידות משניות חסרות מימד".
יחידות הנגזרות מיחידות הבסיס.
להלן רשימת יחידות שיש להן שם מיוחד, והן מהוות מכפלה או חילוק של יחידות בסיס: