Озон

Реферат

на тему

Озон


Як приємно прогулятися після грози! Повітря чисте й свіже, його струмені здається, без жодних зусиль проникають у легені. «Озоном пахне, — часто кажуть у таких випадках. —Дуже корисно для здоров'я» Чи це так? І взагалі, що ми знаємо про дивну речовину — озон, його властивості й застосування?

Уперше люди зустрілися з відчутними кількостями озону, коли були винайдені електростатичні машини на зразок тих, котрі можна побачити в шкільному кабінеті фізики. Так що вперше з цією речовиною познайомилися не хіміки, а фізики.

У 1785 році голландський фізик Мартін ван Марум одержав озон, піддаючи кисень дії електричних іскор, і навіть подумав, що знайшов особливу «електричну матерію».

Назву ж озону дав у 1840 році вже хімік, швейцарець Крістіан Шенбейн; він використовував грецьке слово ozon — «той, що пахне». Виявилося, що озон дійсно родич кисню, але значно більш агресивний. Так, він миттєво окиснює безбарвний калій йодид з виділенням бурого йоду:

2КІ + 03 + Н2О + І2 + 02 + 2КОН. 

незабарв- 	     бурий

лений

Навіть малоактивна при кімнатній температурі ртуть не може встояти під натиском цього газу — вона втрачає свій блиск і набуває здатності прилипати до скла. Окиснюється озоном і срібло:

8Ag + 2О2 → 4Ag20 + Ог

Озон і кисень — єдиний приклад утворення одним хімічним елементом двох газоподібних (за звичайних умов) простих речовин. Молекула кисню складається, як відомо, із двох атомів, а озону — із трьох, причому ці три атоми розташовані не на прямій лінії, а під кутом. Це є причиною ще однієї унікальної особливості цього газу — із усіх газоподібних речовин тільки молекули озону полярні, тобто являють собою діполь із розділеними в просторі зарядами.



Шлях до отримання озону завжди однаковий — спочатку треба отримати вільні атоми Оксигену, наприклад, зруйнувавши молекулу кисню: О2 ↔ 20 - Q.

Потім кожен утворений атом Оксигену «прилипає» до молекули кисню з утворенням молекули озону: 

О + 02  → О3 + Q.

Молекули кисню дуже міцні, для їхнього руйнування треба витратити дуже велику енергію — майже 500 кДж/моль, щоправда, при другій реакції частина її виділиться, так що для отримання 1 моль озону треба витратити 142 кДж енергії. Цю енергію простіше отримати фізичними методами — дією на кисень електричних розрядів, ультрафіолетових променів, гамма-квантів, електронів, тому, наприклад, озоном завжди пахне біля увімкнутих електричних машин, у яких «іскрять» щітки. Зараз озон найчастіше отримують дією на кисень так званим «тихим» (без іскор) електричним розрядом:



Але можливі й чисто хімічні способи отримання озону, щоправда, у дуже малих кількостях. Це відбувається при електролізі підкисленої води, при повільному окиснюванні на повітрі вологого білого фосфору, при розкладанні сполук із високим вмістом кисню (калій перманганату КМn04, калій дихромату К2Сг207 та ін.), при дії на воду фтору або на барій пероксид концентрованої сірчаної кислоти. Атоми Оксигену завжди присутні в полум'ї, тому якщо спрямувати струмінь стиснутого повітря поперек верхньої частини полум'я пальника, то з'явиться характерний запах озону. Зворотна реакція утворення кисню з озону відбувається з виділенням енергії, озон нестійкий.

Швидкість його розкладання значно збільшується в присутності каталізаторів (газів — нітроген оксидів, хлору; твердих речовин — металів, оксидів).

Які ж властивості чистого озону? Скраплюється він значно легше кисню, при температурі лише -111,9 °С (кисень — при -183 °С), а твердішає при-192,7 °С. Твердий озон синьо-чорний. Інтенсивність забарвлення рідкого озону настільки велика, що вже через дуже тонкий його шар не видно нитки палаючої електричної лампочки. Досліди з озоном небезпечні. Газоподібний озон здатен вибухати, якщо його концентрація в повітрі перевищує 9 %.

Озон відрізняється надзвичайно високою реактивною здатністю. Він найсильніший окиснювач, і в цьому відношенні поступається тільки фтору й оксиген фториду OF2. Важлива відмінність озону від кисню в тому, що він виявляє окисні властивості вже при кімнатній температурі. Наприклад. PbS і Pb(OH)2 у звичайних умовах не реагують із киснем, тоді як у присутності озону сульфід перетворюється на PbSO4, а гідроксид - на РbО 

PbS + 20, → PbSO4 + O2 

Pb(OH)2 + 2O3 → РbО + Н2O + 3O2 

Якщо в посуд з озоном налити концентрований розчин амоніаку, з'явиться білий дим — це озон окиснив амоніак з утворенням амоній нітриту NH4N02 

2NH3 Н2О + О3→ NH4NО2 + ЗН2О 

Особливо характерна для озону здатність «чорнити» срібні вироби з утворенням Ag20. Якщо спрямувати на поверхню твердого сухого лугу струмінь озону. то утвориться оранжево-червона кірка, що містить озон іди, наприклад 

4КОН + 4О3 → 4КО3 + О3↑ + 2Н20 

                 калій озонід 

При цьому твердий луг ефективно зв'язує воду, що вберігає озонід від негативного гідролізу. Однак при надлишку води озоніди бурхливо розкладаються. 

4КО3 + 2Н2О → 4КОН + 5О2↑. 

Розкладання озондів відбувається також за відсутності води — просто при зберіганні, наприклад

2К02 → 2КО2 + О2↑ 

Озоніди добре розчиняються в рідкому амоніаку, що дозволило виділити їх у чистому вигляді й вивчити їхні властивості.

Озон руйнує органічні речовини, із якими стикається. Так, озон, на відміну від хлору, здатен розщеплювати бензенове кільце



При роботі з озоном не можна використовувати гумові трубки і шланги вони моментально «продірявляться». Реакції озону з органічними сполуками відбуваються з виділенням великої кількості енергії. Наприклад, ефір, спирт, вата, змочена скипидаром, метан і багато інших речовин самозаймаються при зіткненні з озонованим повітрям, а зміщення озону з етиловим спиртом призводить до сильного вибуху.

ЗАСТОСУВАННЯ ОЗОНУ

Після того як у 1888 році на Міжнародному гігієнічному конгресі у Відні було визнано, що з питною водою можуть поширюватися заразні хвороби, почалися пошуки найбільш ефективного способу знезаражування води. їх було знайдено безліч, і серед інших — хімічна обробка води озоном Перевага цього способу в тому, що озонована вода, на відміну від хлорованої, не набуває стороннього запаху й смаку, при повному окиснюванні озоном багатьох органічних сполук утворюються зовсім нешкідливі речовини — вуглекислий газ і вода, а надлишок озону досить швидко розпадається з утворенням також нешкідливого кисню Однак озонування води обходиться дорожче, ніж хлорування, наприклад, озон не можна перевозити, він повинен вироблятися на місці використання, це перешкоджає повсюдному поширенню методу озонування

ОЗОН В АТМОСФЕРІ

Як відомо зараз навіть далеким від хімії людям, озоновий шар в атмосфері фактично забезпечує життя на нашій планеті Озону в атмосфері небагато — 4 млрд т, (тобто всього 1 міліграм у 1 кубічному метрі). Концентрація озону росте з віддаленням від поверхні Землі й сягає максимуму на висоті 20—25 км. Це і є «озоновий шар» Якщо весь озон зібрати біля поверхні Землі при нормальному тиску, вийде шар завтовшки всього 2—3 мм.

Двоетапна реакція утворення озону з кисню починається під дією сонячної радіації У реакції розпаду атмосферного озону також бере участь сонячна радіація — тверде ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі від 240 до 320 нм Енергія ультрафіолету витрачається на розкладання озону, і згубна радіація не доходить до поверхні Землі. Однак розпадатися озон може не тільки під впливом сонячних променів, але й самодовільно, а прискорюють цю реакцію численні каталізатори. Основний каталізатор — це нітроген оксид NO, що утворюється з азоту й кисню під дією найтвердішої сонячної радіації у верхніх шарах атмосфери. Потрапляючи в озоносферу, він вступає в цикл із двох реакцій:

О3 + NO → NО2 + О2,

NО2 + О → NO + О2, 

у результаті яких його вміст в атмосфері не змінюється, а концентрація озону знижується. Існують й інші цикли, що призводять до зниження вмісту озону, наприклад, за участю хлору:

Сl + О3 → СlO + O2,

СlO + О → СlO + O2.

Руйнують озон також пил і гази, які у великій кількості потрапляють в атмосферу при виверженні вулканів. В останні десятиліття крім природних факторів, що впливають на озоновий шар, з'явились і штучні. Добре відомий приклад — фреони, які є джерелами атомів Хлору. Фреони — це вуглеводні, у яких атоми Гідрогену замінені на атоми Флуору і Хлору. Фреони не отруйні, чимало з них — леткі рідини або гази, що легко скраплюються, тому їх широко використовують у холодильній техніці та для заповнення аерозольних балончиків, які в усьому світі випускаються у величезній кількості (дезодоранти, лаки для волосся, освіжувачі повітря, засоби для миття вікон, полірування меблів та ін.). У результаті цього в повітря щорічно потрапляють сотні тисяч тонн фреонів, які повільно протягом багатьох років і навіть десятиліть піднімаються вище й вище, досягаючи озонового шару. Тут, розкладаючись під дією сонячної радіації, вони самі починають каталітично розщеплювати озон, і це призводить до зниження його концентрації. Фреони — не єдині рукотворні руйнівники озону. Наприклад, надзвукові літаки, що літають у стратосфері, викидають досить багато нітроген оксиду.

Як показують розрахунки, усе це може призвести до того, що через 50 років концентрація озону в стратосфері зменшиться на 25 %. Але ті ж розрахунки свідчать про одночасне збільшення концентрації озону в приземному шарі — тропосфері, і це також не обіцяє нам нічого доброго. І якщо стратосферний озон впливає на наше життя побічно, через зміну складу сонячної радіації, то озон у приземному шарі, як і продукти його хімічних перетворень, безпосередньо потрапляють у наші легені.

Звідки береться в тропосфері озон? Традиційне його джерело — конвекційне перенесення з масами повітря висотного (стратосферного) озону в нижні шари, за рахунок чого щохвилини на 1 квадратний метр приноситься в середньому 5—6 мкг озону. Отже, щорічно в приземний шар озону надходить приблизно 1,6 млрд тонн. Однак це створює лише невелику концентрацію приземного озону, хоча час життя молекули озону в нижній частині атмосфери значно вищий — більше 100 діб (це пояснюється тим, що тут меншою є інтенсивність ультрафіолетових променів, які руйнують озон). У чистому свіжому повітрі концентрація озону приблизно постійна і складає всього 0,016 мкг/л. Разом із цим нові дослідження показали, що сучасні люди вдихають значно більше озону, ніж їхні предки. Основна причина цього — збільшення в повітрі кількості метану й нітроген оксидів. Справа в тому, що в результаті довгого ланцюжка реакцій, у яких крім метану, азоту, кисню і води бере участь також сонячне світло і довжиною хвилі менше 430 нм, утворюється вода, формальдегід НСНО й озон Концентрація озону біля поверхні не залишається постійною протягом доби Після сходу сонця вона починає збільшуватися, сягає максимального значення до 14—16 години, потім зменшується — швидше вдень і повільніше вночі. Над океанами озону завжди більше, ніж над сушею. Не всі подібні факти вдається поки пояснити. Так, у знаменитому лос-анджелеському смозі концентрація озону в 20 разів більша за нормальну, але іноді в містах його виявляється менше, ніж у сільській місцевості. Очевидно, що різні забруднювачі в повітрі можуть призводити як до утворення, так і до руйнування озону.

Завжди вважалося, що під час грози концентрація озону різко збільшується, тому що блискавки сприяють перетворенню кисню на озон. Однак і тут усе виявилося складніше. Під час грози і протягом декількох годин після неї концентрація озону суттєво знижується, причому тим сильніше, чим потужніше хмара. Це пов'язано з тим, шо при розвитку грозової хмари під нею виникають потужні висхідні потоки повітря, які несуть озон догори. А при віддаленні хмари на 5—7 км концентрація озону підвищується — це вже працюють спадні потоки на периферії грозової хмари, що переносять озон зверху вниз.

А чи правда, що особливо багато озону в повітрі хвойних лісів? Знайти відповідь на це питання виявилося не так просто. Насамперед, жодна рослина озон не виділяє. Але хвойні й деякі листяні дерева (тополя, евкаліпт), а також злакові культури виділяють у повітря різні органічні речовини, які належать до ненасичених вуглеводнів. Вкрита лісом площа Землі складає мільйони гектарів, і звідтіля в атмосферу надходять сотні тисяч тонн різних вуглеводнів, що набагато більше кількості фреонів, які викидаються. Але якщо фреони «вбивають» атмосферний озон, то вуглеводні сприяють його утворенню — за умови, що в повітрі є й інші домішки і що все це піддається дії сонячної радіації. Так що озон у хвойному лісі — експериментально встановлений факт. Слід ще зазначити, що вуглеводні виділяють не тільки живі рослини. Величезна їхня кількість, у тому числі й метан, потрапляє в повітря під час лісових і степових пожеж, коли горіння відбувається з браком кисню.

Отже, хочемо ми цього чи ні, нам доводиться вдихати озон — у великих або менших кількостях. Добре це чи погано? Якщо концентрація озону у вдихуваному повітрі перевищує певний поріг, це може викликати масу неприємних наслідків. У залежності від концентрації й часу вдихання, озон викликає зміни в легенях, подразнення слизуватих оболонок очей і носа, головний біль, запаморочення, зниження кров'яного тиску. Але це не все. Озон зменшує опірність організму бактеріальним інфекціям дихальних шляхів. Гранично допустима його концентрація в повітрі складає всього 0,1 мкг/л, а це означає, що озон набагато небезпечніший за хлор!

Якщо довго дихати озоном при концентрації більше 2 мкг/л, наслідки можуть бути більш загрозливими — аж до заціпеніння або зниження серцевої діяльності. При вмісті озону 8—9 мкг/л через кілька годин виникає набряк легень, що загрожує смертельним результатом. Але ж такі незначні кількості навіть важко піддаються хімічному аналізу звичайними методами. На щастя, людина відчуває присутність озону вже при дуже малих його концентраціях (менше 1:1000 000), при яких йодокрохмальний папір ще й не збирається синіти. Одним людям запах озону в малих концентраціях нагадує запах хлору, іншим—сірчистого газу, третім—часнику.

Отруйний не тільки сам озон. За його участю в повітрі утворюється, наприклад, пероксиацетилнітрат (ПАН) СН3—CO—OON02 — речовина, що має сильну подразливу, у тому числі сльозоточиву дію, ускладнює дихання, а в більш високих концентраціях викликає параліч серця. ПАН — один із компонентів смогу. Не дивно, шо наслідки виникнення смогу у великих містах можуть бути катастрофічними, особливо якщо повітря над містом не продувається «протягами» і утворюється застійна зона. Так, у Лондоні в 1952 році від смогу протягом декількох днів загинуло більше 4000 осіб. А смог у Нью-Йорку в 1963 році убив 350"осіб. Аналогічні історії були в Токіо та інших великих містах. Страждають від атмосферного озону не тільки люди. В областях з підвищеним вмістом озону в повітрі час служби автомобільних шин та інших виробів із гуми значно скорочується.

Проте, на думку вчених, повна відсутність у повітрі озону матиме несприятливі наслідки, тому що це знизить бактерицидні властивості свіжого повітря і збільшить вміст у ньому мікроорганізмів, прискорить ріст цвілі й грибків, призведе до нагромадження в повітрі шкідливих речовин і неприємних запахів, які він знищує. Таким чином, стає зрозумілою необхідність регулярного й тривалого провітрювання приміщень. Крім всього іншого, у такий спосіб поповнюється вміст у них озону.