Открытие озона. Полезные свойства озона

Фраза «озоновый слой», ставшая известной в 70-е гг. прошлого века, давно уже набила оскомину. При этом мало кто действительно понимает, что означает это понятие и чем опасно разрушение озонового слоя. Еще большей загадкой для многих является строение молекулы озона, а ведь она напрямую связана с проблемами озонового слоя. Давайте узнаем больше об озоне, его строении и применении этого вещества в промышленности.

Что такое озон

Озон, или, как его еще называют, активный кислород, - это газ лазурного цвета с резким металлическим запахом.

Данное вещество может существовать во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, твердом и жидком.

При этом в природе озон встречается только в виде газа, образуя так называемый озоновый слой. Именно из-за его лазурного цвета небо кажется голубым.

Как выглядит молекула озона

Свое прозвище «активный кислород» озон получил из-за своего сходства с кислородом. Так главным действующим химическим элементом в этих веществах является оксиген (О). Однако если в молекуле кислорода содержится 2 его атома, то молекула - О 3) состоит из 3 атомов этого элемента.

Благодаря такому строению, свойства озона подобны кислородным, однако более выражены. В частности, как и О 2 , О 3 является сильнейшим окислителем.

Самое главное отличие между этими «родственными» веществами, которое помнить жизненно важно для каждого, следующее: озоном нельзя дышать, он токсичен и при вдыхании способен повредить легкие или даже убить человека. При этом О 3 прекрасно подходит для очистки воздуха от токсичных примесей. Кстати, именно из-за этого после дождя так легко дышится: озон окисляет вредные вещества, содержащиеся в воздухе, и он очищается.

Модель молекулы озона (состоящая из 3 атомов оксигена) немного напоминает изображение угла, причем его размер - 117°. Эта молекула не имеет неспаренных электронов, поэтому является диамагнитной. Помимо этого, она обладает полярностью, хотя и состоит из атомов одного элемента.

Два атома данной молекулы прочно скреплены между собой. А вот связь с третьим менее надежна. По этой причине молекула озона (фото модели можно увидеть ниже) весьма непрочна и вскоре после образования распадается. Как правило, при любой реакции распада О 3 выделяется кислород.

Из-за нестабильности озона его не получается заготавливать и хранить, а также перевозить, как другие вещества. По этой причине его производство более затратно, чем других веществ.

При этом высокая активность молекул О 3 позволяет этому веществу быть сильнейшим окислителем, более мощным, чем кислород, и более безопасным, чем хлор.

Если молекула озона разрушается и выделяется О 2 , данная реакция всегда сопровождается выделением энергии. В то же время, чтобы произошел обратный процесс (образование О 3 из О 2), необходимо затратить ее не меньше.

В газообразном состоянии молекула озона распадается при температуре 70° С. Если ее повысить до 100 градусов и более, реакция значительно ускорится. Также ускоряет период распада молекул озона наличие примесей.

Свойства О3

В каком бы из трех состояний ни пребывал озон, он сохраняет синий цвет. Чем тверже вещество, тем насыщеннее и темнее этот оттенок.

Каждая молекула озона весит 48 г/моль. Она является более тяжелой, чем воздух, что помогает разделять эти вещества между собою.

О 3 способен окислять практически все металлы и неметаллы (кроме золота, иридия и платины).

Также это вещество может участвовать в реакции горения, однако для этого нужна более высокая температура, чем для О 2 .

Озон способен растворяться в Н 2 О и фреонах. В жидком состоянии он может смешиваться с жидким кислородом, азотом, метаном, аргоном, тетрахлоруглеродом и углекислотой.

Как образуется молекула озона

Молекулы О 3 образуются с помощью прикрепления к молекулам кислорода свободных атомов оксигена. Они, в свою очередь, появляются благодаря расщеплению других молекул О 2 из-за воздействия на них электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, быстрых электронов и других частиц высокой энергии. По этой причине специфический запах озона можно почувствовать возле искрящих электрических приборов или ламп, излучающих ультрафиолет.

В промышленных масштабах О 3 выделяют с помощью электрических или озонаторов. В этих приборах электрический ток высокого напряжения пропускается через газовый поток, в котором находится О 2 , атомы которого и служат «строительным материалом» для озона.

Иногда в эти аппараты запускают чистый кислород или обычный воздух. От чистоты исходного продукта зависит качество получаемого озона. Так, медицинский О 3 , предназначенный для обработки ран, добывают только из химически чистого О 2 .

История открытия озона

Разобравшись с тем, как выглядит молекула озона и как она образуется, стоит познакомиться с историей этого вещества.

Впервые оно было синтезировано нидерландским исследователем Мартином Ван Марумом во второй половине XVIII в. Ученый заметил, что после пропускания электрических искр через емкость с воздухом газ в ней менял свои свойства. При этом Ван Марум так и не понял, что выделил молекулы нового вещества.

А вот его немецкий коллега по фамилии Шейнбейн, пытаясь с помощью электричества разложить Н 2 О на Н и О 2 , обратил внимание на выделение нового газа с едким запахом. Проведя массу исследований, ученый описал открытое им вещество и дал ему имя «озон» в честь греческого слова «пахнуть».

Способность убивать грибки и бактерии, а также понижать токсичность вредных соединений, которой обладало открытое вещество, заинтересовала многих ученых. Через 17 лет после официального открытия О 3 Вернером фон Сименсом был сконструирован первый аппарат, позволяющий синтезировать озон в любом количестве. А еще через 39 лет гениальный Никола Тесла изобрел и запатентовал первый в мире генератор озона.

Именно этот аппарат уже через 2 года впервые был использован во Франции на очистительных сооружениях для питьевой воды. С началом XX в. Европа начинает переходить на озонирование питьевой воды для ее очистки.

Российская империя впервые использовала эту методику в 1911 г., а через 5 лет в стране было оборудовано почти 4 десятка установок для очистки питьевой воды с помощью озона.

Сегодня озонирование воды постепенно вытесняет хлорирование. Так, 95% всей питьевой воды в Европе очищается с помощью О 3 . Также весьма популярна данная методика и в США. В СНГ она пока еще на стадии изучения, поскольку, хотя данная процедура и более безопасна и удобна, обходится она дороже, чем хлорирование.

Сферы применения озона

Помимо очистки воды, О 3 имеет ряд других сфер применения.

• Озон используется в качестве отбеливателя при производстве бумаги и ткани.
• Активный кислород применяется для дезинфекции вин, а также для ускорения процесса «старения» коньяков.
• С помощью О 3 рафинируются различные растительные масла.
• Очень часто это вещество применяют для обработки скоропортящихся продуктов, вроде мяса, яиц, фруктов и овощей. При этой процедуре не остается химических следов, как при использовании хлора или формальдегидов, а продукты могут храниться значительно дольше.
• Озоном стерилизуют медицинское оборудование и одежду.
• Также очищенный О 3 применяют для различных медицинских и косметических процедур. В частности, с его помощью в стоматологии дезинфицируют ротовую полость и десны, а также лечат различные заболевания (стоматит, герпес, оральный кандидоз). В европейских странах О 3 весьма популярен для дезинфекции ран.
• В последние годы огромную популярность приобретают портативные домашние приборы для фильтрации воздуха и воды с помощью озона.

Озоновый слой - что это?

На расстоянии 15-35 км над поверхностью Земли находится озоновый слой, или, как его еще называют, озоносфера. В этом месте концентрированный О 3 служит своеобразным фильтром для вредного солнечного излучения.

Откуда берется такое количество вещества, если его молекулы нестабильны? Ответить на этот вопрос не сложно, если вспомнить модель молекулы озона и способ ее образования. Итак, кислород, состоящий из 2 молекул оксигена, попадая в стратосферу, нагревается там солнечными лучами. Этой энергии оказывается достаточно, чтобы расщепить О 2 на атомы, из которых образуется О 3 . При этом озоновый слой не только использует часть солнечной энергии, но и фильтрует ее, поглощает опасный ультрафиолет.

Выше было сказано, что озон растворяется фреонами. Эти газообразные вещества (применяются при изготовлении дезодорантов, огнетушителей и холодильников), попав в атмосферу, влияют на озон и способствуют его разложению. Вследствие этого в озоносфере возникают дыры, сквозь которые на планету попадают нефильтрированые солнечные лучи, которые разрушительно действуют на живые организмы.

Рассмотрев особенности и строение молекул озона, можно прийти к выводу, что это вещество, хотя и опасно, но весьма полезно для человечества, если его правильно использовать.

Озон (Оз) - бесцветный газ, обладающий раздражающим острым запахом. Молекулярная масса 48 г/моль, плотность относительно воздуха 1,657 кг/м. Концентрация озона в воздухе у порога обоняния достигает 1 мг/м. В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м (в 5 раз ниже предельно допустимой для человека концентрации), озон придает воздуху характерный запах свежести и чистоты. Так, например, после грозы едва уловимый запах озона неизменно ассоциируется с чистым воздухом.

Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: 0 2 . При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия: создаются во время грозы при разрядах атмосферного электричества и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли). Однако атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы .

Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу 0 3 (d = 1.28 A, q = 11.6.5°).

Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.

Озон широко распространен в природе. Он всегда образуется в воздухе во время грозы за счет атмосферного электричества, а также под воздействием коротковолновых излучений и потоков быстрых частиц при естественном распаде радиоактивных веществ в ядерных реакциях, космических излучениях и т. п. Образование озона происходит также при испарении воды с больших поверхностей, особенно таянии снега, окислении смолистых веществ, фотохимическом окислении ненасыщенных углеводородов и спиртов. Повышенное образование озона в воздухе хвойных лесов и на берегу моря объясняется окислением древесной смолы и морских водорослей. Так называемая озоносфера, образующаяся в верхних слоях атмосферы, представляет собой защитный слой земной биосферы вследствие того, что озон интенсивно поглощает биологически активное УФ излучение солнца (с длиной волны менее 290 нм).

В приземной слой атмосферы озон заносится из нижней стратосферы. Концентрация озона в атмосфере колеблется в пределах 0,08-0,12 мг/м. Од­нако перед созреванием кучевых облаков возрастает ионизация атмосферы, в результате которой значительно увеличивается образование озона, концентрация его в воздухе может превышать 1,3 мг/м .

Озон - высокоактивная, аллотропная форма кислорода. Образование озона из кислорода выражают уравнением

3О2= 20 3 - 285 кДж/моль, (1)

из которого следует, что стандартная энтальпия образования озона положи­тельна и равна 142,5 кДж/моль. Кроме того, как показывают коэффициенты уравнения, в ходе этой реакции из трех молекул газа получаются две молекулы, т. е. энтропия системы уменьшается. В итоге стандартное отклонение энергии Гиббса в рассматриваемой реакции также положительно (163 кДж/моль). Таким образом, реакция превращения кислорода в озон самопроизвольно протекать не может, для ее осуществления необходима затрата энергии. Обратная же реакция - распад озона протекает самопроизвольно, так как в ходе этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается. Иначе говоря, озон - неустойчивое вещество, быстро рекомбинируется, превращаясь в молекулярный кислород:

20з = 302 + 285 кДж/моль. (2)

Скорость реакции зависит от температуры, давления смеси и концентрации озона в ней. При нормальной температуре и давлении реакция протекает медленно, при повышенной температуре распад озона ускоряется. При небольших концентрациях (без посторонних примесей) в нормальных условиях озон разлагается довольно медленно. С повышением температуры до 100°С и более скорость разложения значительно возрастает. Механизм распада озона, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, довольно сложен и зависит от внешних условий.

Основные физические свойства озона представлены в таблице 1.

Знание физических свойств озона необходимо для правильного его использования в технологических процессах в невзрывоопасных концентрациях, проведения синтеза и разложения озона в оптимальных безопасных режимах, оценки его активности в различных средах.

Свойства озона характеризуются его активностью к излучениям различного спектрального состава. Озон интенсивно поглощает микроволновые, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения .

Озон химически агрессивен и легко вступает в химические реакции. Реагируя с органическими веществами, он вызывает разнообразные окисли­тельные реакции при сравнительно низкой температуре. На этом, в частности, основано бактерицидное действие озона, который применяется для обеззараживания воды. Окислительные процессы, инициируемые озоном, часто являются цепными.

Химическая активность озона обусловлена в большей мере тем, что диссоциация молекулы

0 3 ->0 2 + О (3)

требует затраты энергии немногим более 1 эВ. Озон легко отдает атом кисло­рода, обладающий высокой активностью. В некоторых случаях молекула озона может целиком присоединиться к органическим молекулам, образуя неустой­чивые соединения, которые легко распадаются под действием температуры или света с образованием различных кислородсодержащих соединений.

Реакциям озона с органическими веществами посвящено большое ко­личество исследований, в которых показано, что озон способствует вовлечению кислорода в окислительные процессы, что некоторые реакции окисления при обработке реагентов озонированным кислородом начинаются при более низких температурах.

Озон активно вступает в реакции с ароматическими соединениями, реакция при этом может идти как с разрушением, так и без разрушения ароматического ядра.

В реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс М + Оˉ Н + О3ˉ с последующей ре­акцией с озоном, образуются озониды. Ион Оˉ 3 может образовываться и в реакциях с органическими соединениями .

Для промышленных целей озон получают обработкой атмосферного воздуха или кислорода в специальных аппаратах - озонаторах. Разработаны конструкции озонаторов, работающих на повышенной частоте тока (500-2000 Гц), и озонаторы с каскадным разрядом, не требующие предварительной подготовки воздуха (очистки, осушки) и охлаждения электродов. Энергетический выход озона в них достигает 20-40 г/кВт-ч.

Преимущество озона по сравнению с другими окислителями состоит в том, что озон может быть получен на месте потребления из кислорода воздуха, для чего не требуется подвозки реагентов, сырья и т. д. Получение озона не сопровождается выделением кумулирующихся вредных веществ. Озон легко нейтрализовать. Стоимость озона сравнительно невелика.

Из всех известных окислителей только кислород и ограниченный круг перекисных соединений принимает участие в естественных биопроцессах.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Озон - О3, аллотропная форма кислорода, являющаяся мощным окислителем химических и других загрязняющих веществ, разрушающихся при контакте. В отличие от молекулы кислорода, молекула озона состоит из трех атомов и имеет более длинные связи между атомами кислорода. По своей реакционной способности озон занимает второе место, уступая только фтору.

История открытия
В 1785 г. голландский физик Ван Ма-рум, проводя опыты с электричеством, обратил внимание на запах при образовании искр в электрической машине и на окислительные способности воздуха после пропускания через него электрических искр.
В 1840 г. немецкий ученый Шейнбейн занимаясь гидролизом воды пытался с помощью электрической дуги разложить её на кислород и водород. И тогда он обнаружил, что образовался новый, доселе не известный науке газ со специфическим запахом. Имя “озон” было присвоено газу Шейнбейном из-за характерного запаха и происходит от греческого слова “озиен”, что значит “пахнуть”.
22 сентября 1896 г. изобретатель Н. Тесла запатентовал первый генератор озона.

Физические свойства озона.
Озон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета. Температура кипения озона - 1120С, а температура плавления составляет - 1920С.
Благодаря своей химической активности озон имеет очень низкую предельно-допустимую концентрацию в воздухе (соизмеримую с ПДК боевых отравляющих веществ) 5·10-8 % или 0,1 мг/м3, что в 10 раз больше обонятельного порога для человека.

Химические свойства озона.
Следует отметить прежде всего два основных свойства озона:

Озон в отличие от атомарного кислорода является относительно устойчивым соединением. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом чем выше концентрация, тем выше скорость реакции разложения. При концентрациях озона 12-15 % озон может разлагаться со взрывом. Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения 2О3>3О2 + 68 ккал экзотермична и сопровождается выделением большого количества тепла.

O3 -> О + О 2
О3 + О -> 2 О2
О2 + E- -> О2-

Озон является одним из сильнейших природных окислителей. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения у фтора 2,4 В, а у хлора 1,7 В).

Озон окисляет все металлы за исключением золота и группы платины, доокисляет оксиды серы и азота, окисляет аммиак с образованием нитрита аммония.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра. В частности озон реагирует с фенолом с разрушением ядра. Озон активно взаимодействует с насыщенными углеводородами с разрушением двойных углеродных связей.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред, помещений и сточных вод.

Биологические свойства озона.
Несмотря на большое количество исследований механизм недостаточно раскрыт. Известно, что при высоких концентрациях озона наблюдаются поражения дыхательных путей, легких и слизистой оболочки. Длительное воздействие озона приводит к развитию хронических заболеваний легких и верхних дыхательных путей.
Воздействие малыми дозами озона оказывает профилактическое и терапевтическое воздействие и начинает активно использоваться в медицине - в первую очередь для дерматологии и косметологии.
Кроме большой способности уничтожения бактерий озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов, например, жгутиковых и корненожек, при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях) и многих других патогенных микробов.

Технологическое применение озона
В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. Столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличие от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ как, например, при окислении хлором или фтором.

Вода:
В 1857 г. с помощью созданной Вернером фон Сименсом "совершенной трубки магнитной индукции" удалось построить первую техническую озоновую установку. В 1901 г. фирмой "Сименс" построена первая гидростанция с озонаторной установкой в Висбанде.
Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 году в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция) для нужд города Ниццы. В 1911 году была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге.
В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и других городах).

Воздух:
Применение озона в системах очистки воды доказано в высшей степени эффективным, однако до сих пор не создано таких же эффективных и доказано безопасных воздухоочистительных систем. Озонирование считается нехимическим способом очистки и поэтому популярно среди населения. Вместе с тем, хроническое воздействие микро-концентраций озона на организм человека достаточно не изучено.
При очень незначительной концентрации озона воздух в помещении чувствуется приятным и свежим, а неприятные запахи ощущаются гораздо слабее. В противоположность распространенному мнению о благоприятном воздействии этого газа, которое приписывают в некоторых проспектах богатому озоном лесному воздуху, в действительности озон даже при большом разбавлении представляет собой очень токсичный и опасный раздражающий газ. Даже малые концентрации озона могут оказывать раздражающее действие на слизистые оболочки и вызывать нарушения центральной нервной системы, что ведет к появлению бронхита и головных болей.

Медицинское применение озона
В 1873 г. Фоке наблюдал уничтожение микроорганизмов под воздействием озона и это уникальное свойство озона привлекло к себе внимание медиков.
История использования озона в медицинских целях берет свое начало в 1885 г., когда Чарли Кенворф впервые опубликовал свой доклад в Медицинской Ассоциации Флориды, США. Краткие сведения о применении озона в медицине обнаружены и до этой даты.
В 1911 г. М. Eberhart использовал озон при лечении туберкулеза, анемии, пневмонии, диабета и др. заболеваний. А. Вольф (1916) в период первой мировой войны применяет кислородно-озоновую смесь у раненых при сложных переломах, флегмонах, абсцессах, гнойных ранах. Н. Kleinmann (1921) применил озон для общего лечения “полостей тела”. В 30-х гг. 20 века Е.А. Фиш, зубной врач, начинает лечение озоном на практике.
В заявке на изобретение первого лабораторного прибора Фишем был предложен термин "CYTOZON", который и сегодня значится на генераторах озона, используемых в зубоврачебной практике. Йоахим Хэнзлер (1908-1981) создал первый медицинский генератор озона, который позволял точно дозировать озоно-кислородную смесь, и тем самым дал возможность широко применять озонотерапию.
Р. Auborg (1936) выявил эффект рубцевания язв толстой кишки под действием озона и обратил внимание на характер его общего воздействия на организм. Работы по изучению лечебного действия озона во время второй мировой войны активно продолжались в Германии, немцы успешно применяли озон для местного лечения ран и ожогов. Однако после войны практически на два десятилетия исследования были прерваны, что обусловлено появлением антибиотиков, отсутствием надежных, компактных генераторов озона и озоно-стойких материалов. Обширные и систематические исследования в области озонотерапии начались в середине 70-х гг., когда в повседневной медицинской практике появились стойкие к озону полимерные материалы и удобные для работы озонаторные установки.
Исследования in vitro , то есть в идеальных лабораторных условиях, показали что при взаимодействии с клетками организма озон окисляет жиры и образует пероксиды - вещества, губительные для всех известных вирусов, бактерий и грибков. По действию озон можно сравнить с антибиотиками, с той разницей, что он не “сажает” печень и почки, не имеет побочных явлений. Но, к сожалению, in vivo - в реальных условиях всё обстоит гораздо сложнее.
Озонотерапия одно время была весьма популярна - многие считали озон чуть ли панацеей от всех недугов. Но детальное изучение воздействия озона показало, что вместе с больными озон поражает и здоровые клетки кожи, легких. В результате в живых клетках начинаются непредвиденные и непрогнозируемые мутации. Озонотерапия так и не прижилась в Европе, а в США и Канаде официальное медицинское применение озона не легализовано, за исключением альтернативной медицины.
В России, к сожалению, официальная медицина так и не отказалась от столь опасного и недостаточно проверенного способа терапии. В настоящее время воздушные озонаторы и озонаторные установки получили широкое распространение. Малые генераторы озона используются в присутствии людей.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
Озон образуется из кислорода. Существует несколько способов получения озона, среди которых наиболее распространенными являются: электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда. Дабы избежать нежелательных окисей предпочтительнее получать озон из чистого медицинского кислорода используя электросинтез. Концентрацию получаемой озоно-кислородной смеси в таких аппаратах легко варьировать - либо задавая определенную мощность электрического разряда, либо регулируя поток входящего кислорода (чем быстрее кислород проходит через озонатор, тем меньше озона образуется).

Электролитический метод синтеза озона осуществляется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных кислот и их соли (H2SO4, HClO4, NaClO4, KClO4). Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединяясь к молекуле кислорода образует озон и молекулу водорода. Этот метод позволяет получить концентрированный озон, однако он весьма энергоемкий, и поэтому он не нашел широкого распространения.
Фото-химический метод получения озона представляет из себя наиболее распространенный в природе способ. Образование озона происходит при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения. Этот метод не позволяет получать озон высокой концентрации. Приборы, основанные на этом методе, получили распространение для лабораторных целей, в медицине и пищевой промышленности.
Электросинтез озона получил наибольшее распространение. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций с большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.
В результате многочисленных исследований по использованию различных видов газового разряда для электросинтеза озона распространение получили аппараты использующие три формы разряда:

1. Барьерный разряд - получивший наибольшее распространение, представляет из себя большую совокупность импульсных микроразрядов в газовом промежутке длиной 1-3 мм между двумя электродами, разделенными одним или двумя диэлектрическими барьерами при питании электродов переменным высоким напряжением частотой от 50 Гц до нескольких килогерц. Производительность одной установки может составлять от граммов до 150 кг озона в час.
2. Поверхностный разряд - близкий по форме к барьерному разряду, получивший распространение в последнее десятилетие благодаря своей простоте и надежности. Так же представляет из себя совокупность микроразрядов, развивающихся вдоль поверхности твердого диэлектрика при питании электродов переменным напряжением частотой от 50 Гц до 15-40 кГц.
3. Импульсный разряд - как правило стримерный коронный разряд, возникающий в промежутке между двумя электродами при питании электродов импульсным напряжением длительностью от сотен наносекунд до единиц микросекунд.

• Эффективны в очистке воздуха помещений.
• Не производят вредных побочных продуктов.
• Облегчают условия для аллергиков, астматиков и др.

В 1997 г. компании-производители озонаторов Living Air Corporation, Alpine Industries Inc.(ныне “Ecoguest”), Quantum Electronics Corp. и другие, нарушившие предписание ФТК США, решением судов были наказаны в административном порядке, включая запрет на дальнейшую деятельность некоторых из них на территории США. В тоже время частные предприниматели, продававшие генераторы озона c рекомендациями использовать их в помещениях с людьми, получили тюремные сроки заключения от 1 до 6 лет.
В настоящее время некоторые из этих западных компаний успешно развивают активную деятельность по реализации своей продукции в России.

Недостатки озонаторов:
Любая система стерилизации, использующая озон, требует тщательного контроля техники безопасности, тестирование константы концентрации озона газоанализаторами, а также аварийного управления чрезмерной концентрацией озона.
Озонатор не рассчитан для работы в:

• среде, насыщенной электропроводящей пылью и водяными парами,
• местах, содержащих активные газы и пары, разрушающие металл,
• местах с относительной влажностью свыше 95 %,
• во взрыво- и пожароопасных помещениях.

Применение озонаторов для стерилизации воздуха в помещениях:

• удлиняет по времени процесс стерилизации,
• увеличивает токсичность и окисление воздушной среды,
• приводит к опасности взрыва,
• возращение людей в продезинфицированное помещение возможно только после полного разложения озона.

РЕЗЮМЕ.
Озонирование высокоэффективно для стерилизации поверхностей и воздушной среды помещения, однако эффект очистки воздуха от механических примесей отсутствует. Невозможность использования метода в присутствии людей и необходимость проводить обеззараживание в герметичном помещении серьезно ограничивает сферу его профессионального применения.

Озон представляет собой едкий с характерным "металлическим" запахом, голубоватый газ. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода O3 . При сжижении озон превращается в жидкость цвета индиго. В твердом состоянии озон представлен в виде темно-синих, практически черных, кристаллов. Озон очень неустойчивое соединение, которое легко распадается на кислород и отдельный атом кислорода.

Физические свойства озона

1. молекулярная масса озона - 47.998 а.е.м.

2. плотность газа при нормальных условиях - 2.1445 кг/м³.

3. плотность жидкого озона при -183 °C составляет - 1,71 кг/м³

4. температура кипения жидкого озона составляет - -111.9 °C

5. температура плавления кристаллов озона составляет - -251,4 °C

6. растворим в воде. Растворимость в 10 раз выше, чем у кислорода.

7. обладает резким запахом.

Химические свойства озона

Характерными химическими свойствами озона в первую очередь следует считать его

нестойкость, способность быстро разлагаться, и высокую окислительную активность.

Для озона установлено окислительное число И, которое характеризует число атомов кислорода, отдаваемых озоном окисляемому веществу. Как показали опыты, оно может быть равным 0,1, 3. В первом случае озон разлагается с увеличением объема: 2Оз--->ЗО 2 , во втором он отдает окисляемому веществу один атом кислорода: О3 ->О2+О (при этом, объем не увеличивается), и в третьем случае происходит присоединение озона к окисляемому веществу: О 3 ->ЗО (при этом объем его уменьшается) .

Окислительными свойствами характеризуются химические реакции озона с неорганическими веществами.

Озон окисляет все металлы, за исключением золота ■ и группы платины. Сернистые соединения окисляются им до сернокислых, нитриты - в нитраты. В реакциях с соединениями йода и брома озон проявляет восстановительные свойства, и на этом основан ряд методов его количественного определения. В реакцию с озоном вступают азот, углерод и их окислы. В реакции озона с водородом образуются гидроксильные радикалы: Н+О 3 -> HO+O 2 . Окислы азота реагируют с озоном быстро, образуя высшие окислы:

NO+Оз->NO 2 +O 2 ;

NO 2 +O 3 ----->NO 3 +O 2 ;

NO 2 +O 3 ->N 2 O 5 .

Аммиак окисляется озоном в азотнокислый аммоний.

Озон разлагает галогеноводороды и переводит низшие окислы в высшие. Галогены, участвующие в качестве активаторов процесса, также образуют высшие окислы.

Восстановительный потенциал озон - кислород достаточно высокий и в кислой среде определен величиной 2,07 В, а в щелочном растворе - 1,24 В. Сродство озона с электроном определено величиной в 2 эВ, и только фтор, его окислы и свободные радикалы обладают более сильным сродством к электрону.

Высокое окислительное действие озона было использовано для перевода ряда трансурановых элементов в семивалентное состояние, хотя высшее валентное состояние их равно 6. Реакция озона с металлами переменной валентности (Сг, Сог и др.) находит практическое применение при получении исходного сырья в производстве красителей и витамина PP.

Щелочные и щелочно-земельные металлы под действием озона окисляются, а их гидроокиси образуют озониды (триоксиды). Известны озониды давно, о них упоминал еще в 1886 г. французский химик-органик Шарль Адольф Вюрц. Они представляют собой кристаллическое вещество красно-коричневого цвета, в решетку молекул которого входят однократно отрицательные ионы озона (O 3 -), чем и обусловлены их парамагнитные свойства. Предел термической устойчивости озонидов -60±2° С, содержание активного кислорода - 46% по весу. Как многие пе-рекисные соединения озониды щелочных металлов нашли широкое применение в регенеративных процессах.

Озониды образуются в реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс типа М+ О- Н+ O 3 - -с дальнейшей реакцией с озоном, в результате чего образуется смесь озонида и водного гидрата окиси щелочного металла.

Озон активно вступает в химическое взаимодействие со многими органическими соединениями. Так, первичным продуктом взаимодействия озона с двойной связью непредельных соединений является малозоид, который нестоек и распадается на биполярный ион и карбонильные соединения (альдегид или кетон). Промежуточные продукты, которые образуются в этой реакции, вновь соединяются в другой последовательности, образуя озо-нид. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с биполярным ионом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.

Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения.

В реакциях с насыщенными углеводородами озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление, при этом выход продуктов окисления соответствует расходу озона. Взаимодействие озона с насыщенными углеводородами протекает как в газовой фазе, так и в растворах.

С озоном легко реагируют фенолы, при этом происходит разрушение последних до соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.

Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины и полимерные материалы; реакции озона с ароматическими углеводородами - дифениловую кислоту, фталевый диальдегид и фталевую кислоту, глиоксалевую кислоту и др.

Реакции озона с ароматическими углеводородами легли в основу разработки методов дезодорации различных сред, помещений, сточных вод, абгазов, а с серосодержащими соединениями - в основу разработки методов очистки сточных вод и отходящих газов различных производств, включая сельское хозяйство, от серосодержащих вредных соединений (сероводород, меркаптаны, сернистый ангидрид).

Влияние озона на человека

При воздействии озоном на человека у него прежде всего наступает раздражение верхних частей дыхательного тракта, а затем и головная боль - уже при концентрации озона в воздухе 2,0 мг/м4. При 3,0 мг/м3 через 30 мин вдыхания у человека появляются сухой кашель, сухость во рту, снижается способность концентрировать свое внимание, нарушаются аппетит и сон, появляются боли под ложечкой, чувство «ватносш» рук и ног, кашель с прозрачной мокротой, чувство оглушения, воспаление легких, повышается давление в глазном яблоке и ухудшается зрение, угнетается секреторная функция желудка, снижается чувство восприятия боли.

В связи с высокой поражаемостью легких озоном наибольшее количество работ в литературе посвящено этому вопросу.

Под воздействием озона меняется и иммунобиологическая реактивность организма вследствие его сенсибилизации белковыми продуктами озонолиза, образующимися непосредственно в организме под воздействием пероксидов и других веществ. Процесс этот сложен. В его развитии, несомненно, принимают участие все указанные выше механизмы. Разрушение озоном фагоцитов в легких снижает способность организма к проявлению клеточной аллергической защитной реакции. В результате повышается проницаемость патогенных микроорганизмов в клетки и органы, снижается выработка организмом защитных факторов, например интерферрона, повышается чувствительность к респираторным инфекциям. Обстоятельные исследования этого вопроса на мышах показали, что под воздействием озона I мг/м3 за 7-35 дней развивались поражения в центре ацинусов бронхиол и альвеолярного протока с повышением количества макрофагов в периферических альвеолах, гипер-эргической пролиферацией бронхиального эпителия. На этом фоне гриппозная инфекция усиливала поражающее влияние озона на легкие. А сама гиперэргическая модулярная пролиферация бронхиального эпителия по характеру была сходна с предраковым состоянием. Тем не менее гибель мышей от гриппа при одновременном воздействии озона снижалась.

Снижались под воздействием озона и вирусные заболевания у человека. Вместе с тем длительное воздействие озона на человека повышает заболеваемость хроническими респираторными инфекциями, например туберкулезом, пневмониями, что связано, видимо, с. мутацией патогенной микрофлоры и неспособностью организма человека быстро реагировать на это выработкой соответствующих антител в связи с перенапряжением механизмов аллергизации, характеризующихся снижением содержания гистамина в легких на фоне повышения содержания воды при одновременном снижении чувствительности организма к экзогенному гистамину. Это подтверждает мнение о том, что при определенных условиях озон оказывает на организм иммунодепрессорное влияние с понижением устойчивости организма к микробным токсинам. Хотя даже в концентрациях 7,8 мг/м3 за 4 ч озон у человека не угнетал розетки Т-лимфоцитов, но активность В-лимфоцитов была снижена.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Озон является аллотропной модификацией кислорода. В обычном состоянии он представляет собой светло-синий газ, в жидком - темно-голубой, а в твердом - темно-фиолетовый (до черного).

Может оставаться в состоянии переохлажденной жидкости до температуры (-250 o C). плохо растворяется в воде, лучше в тетрахлориде углерода и различных фторхлоруглеродах. Очень сильный окислитель.

Химическая формула озона

Химическая формула озона - O 3 . Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится три атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу озона:

Mr(O 3) = 3×Ar(O) = 3×16 = 48

Структурная (графическая) формула озона

Более наглядной является структурная (графическая) формула озона . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы (рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы озона.

Электронная формула , показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

16 O 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Она также показывает, что кислород, из которого состоит озон, относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 6 электронов (3s 2 3p 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2