§ 32.1. Озон

Молекула озона имеет угловое строение вследствие sp²-гибридизации орбиталей центрального атома кислорода, угол связи — около 117°. Строение молекулы озона представлено на рисунке 74.1.

Образование озона в природе и его искусственный синтез

Образование озона из кислорода — эндотермический процесс:

3О₂ 2О₃ – Q.

В природе озон образуется из атмосферного кислорода при грозовых разрядах, а на высоте 10–30 км — под действием ультрафиолетового излучения. Образование озона из молекул кислорода в верхних слоях атмосферы схематически изображено на рисунке 74.2. Озоновый слой над поверхностью Земли задерживает вредное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца и поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствуя её переохлаждению. В этом важнейшая роль озона в жизни всего живого на нашей планете.

Существующий озоновый слой разрушается под действием фторированных и хлорированных углеводородов, оксида азота(I) и многих других веществ, входящих в состав хладагентов, пенообразователей, выхлопных газов, растворителей, многочисленных химикатов.

Озон образуется не только в природе, но и во время работы лазерных принтеров, копировальной техники, лазерных источников, газоразрядных и люминесцентных устройств, искусственных источников ультрафиолетового излучения, например ртутно-кварцевых ламп.

В промышленности озон получают из воздуха или кислорода под действием электрического разряда в специальных приборах — озонаторах.

Физические свойства и физиологическое действие

Озон — газ с резким запахом, имеет голубой цвет, в жидком состоянии — синий. Плотность озона при н. у. в 1,5 раза больше плотности кислорода. Температура кипения –111,8 °С, что почти на 70 °С выше, чем у кислорода.

Озон очень токсичен. Его относят к первому, самому высокому классу опасности. Предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны — 0,1 мг/м³. Характерный запах озона начинает ощущаться уже при концентрациях 0,004–0,010 мг/м³, то есть во много раз ниже гигиенического норматива. Это важно для персонала, работающего с озоном. Приборы, при работе которых генерируется озон, следует использовать только в хорошо проветриваемых помещениях.

Токсичность озона обусловлена его сильной окислительной способностью. Он раздражает и повреждает ткани органов дыхания. При его воздействии на организм в результате ряда реакций образуются свободные радикалы кислорода. Тем не менее именно благодаря этим свойствам озон обладает бактерицидным, противовирусным и противогрибковым действием.

Химические свойства

1. При нормальных условиях озон может медленно самопроизвольно превращаться в кислород с выделением теплоты:

2О₃ 3О₂ + Q.

Процесс ускоряется под действием катализаторов, УФ-облучения. Повышение температуры и понижение давления ускоряют этот процесс. Озон — более сильный окислитель, чем кислород, так как от его молекулы в процессе химических реакций легко отрывается один атом кислорода:

О₃ = О₂ + О.

Именно атомарный кислород принимает участие в реакциях окисления, а молекулы кислорода чаще всего являются одним из продуктов реакций. Например, озон реагирует с азотом при температуре 295 °С:

N₂ + O₃ = N₂O + O₂,

в то время как кислород взаимодействует с азотом при температуре более 3000 °С:

N₂ + O₂ = 2NO – Q.

2. Озон окисляет все металлы (за небольшим исключением, например, золота, платины):

.

3. Озон окисляет атомы элементов в низших степенях окисления в составе оксидов, гидроксидов, солей. Например:

.

4. Озон взаимодействует с раствором йодида калия. Даже без нагревания озон окисляет йодид-ионы, в результате чего выделяется свободный йод:

.

Эта реакция является тестом (качественной реакцией) на присутствие озона. Фильтровальная бумага, пропитанная смесью йодида калия и крахмала, синеет в озоне в результате выделения йода.

5. Озон разрушает органические вещества: красители обесцвечиваются, спирты, эфиры, скипидар воспламеняются, резина «стареет». Молекулы ненасыщенных органических соединений в реакциях с озоном разрываются по месту кратных связей.

Применение

Озон оказывает губительное действие на бактерии, поэтому используется для обеззараживания помещений и медицинского оборудования.

Озон — очень сильный окислитель, поэтому его применяют для обеззараживания воды. Озонирование воды, в отличие от её хлорирования, не приводит к образованию хлорорганических веществ, которые токсичны и являются канцерогенами.

Вопросы, задания, задачи

1. Опишите строение молекулы озона.

2. Каким физиологическим действием обладает озон?

3. Перечислите физические свойства озона. Учитывая температуру плавления этого вещества, предложите метод разделения кислорода и озона.

4. В трёх закрытых колбах находятся газы озон, кислород, хлороводород. Предложите план их распознавания.

5. Рассчитайте массу смеси, содержащей кислород и озон количеством 3 моль и 0,5 моль соответственно.

6. Как и во сколько раз изменится объём газа в результате полного превращения газообразного кислорода в озон?

7. Определите относительную плотность по водороду смеси, содержащей кислород массой 3,2 г и озон количеством 0,125 моль.

8. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

.

9. Относительная плотность смеси озона и кислорода по воздуху равна 1,195. Определите объём такой смеси (н. у.), необходимый для полного окисления метана объёмом 1 дм³.

10. В смеси кислорода и озона число молекул в 2,2 раза меньше числа атомов. Рассчитайте массу озона в этой смеси массой 100 г.

Самоконтроль

1. Аллотропной модификацией кислорода является:

• а) азот;
• б) озон;
• в) алмаз;
• г) графит.

2. Правильными утверждениями по отношению к озону являются:

• а) молекулы вещества трёхатомны;
• б) разложение озона — процесс экзотермический;
• в) озон является высокотоксичным веществом;
• г) озон обладает высоким окислительным действием.

3. Сумма коэффициентов в уравнении реакции NaI + H₂O + O₃ = NaOH + I₂ + O₂ равна:

• а) 6;
• б) 8;
• в) 10;
• г) 11.

4. Влажная йодкрахмальная бумага становится синей при контакте с:

• а) О₃;
• б) I₂;
• в) KI;
• г) KOH.

5. Смесь озона и кислорода может иметь молярную массу (г/моль):

• а) 34,5;
• б) 18;
• в) 29;
• г) 37.