Озо́н (от — «пахну») — аллотропная модификация кислорода, состоящая из трёхатомных молекул O3. При нормальных условиях — светло-голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, серые, практически чёрные кристаллы. Обладает высокой химической активностью. В высоких концентрациях токсичен. Запах — резкий специфический.
Строение озона Обе связи O—O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,278 Å. Угол между связями составляет 116,8°Takehiko Tanaka; Yonezo Morino. Coriolis interaction and anharmonic potential function of ozone from the microwave spectra in the excited vibrational states // Journal of Molecular Spectroscopy. — 1970. — Vol. 33. — P. 538—551.. Центральный атом кислорода sp²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов. Порядок каждой связи — 1,5, резонансные структуры — с локализованной одинарной связью с одним атомом и двойной — с другим, и наоборот. Молекула полярна, электрический дипольный момент — 0,5337 ДKenneth M. Mack; J. S. Muenter. Stark and Zeeman properties of ozone from molecular beam spectroscopy // Journal of Chemical Physics. — 1977. — Vol. 66. — P. 5278—5283..
История открытия Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности действовать на ртуть при обыкновенной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Однако как новое вещество он описан не был, ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя».
Термин озон был предложен немецким химиком X. Ф. Шёнбейном в 1840 году за его пахучесть, вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему отдают приоритет открытия озона в 1839 году. В 1840 году Шёнбейн показал способность озона вытеснять иод из иодида калия:
Эту реакцию используют для качественного определения озона с помощью фильтровальной бумаги, пропитанной смесью растворов крахмала и иодида калия (иодкрахмальной бумаги) — она в озоне синеет ввиду взаимодействия выделяющегося иода с крахмалом.
Факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон экспериментально доказали в 1860 году Эндрюс и Тэт при помощи стеклянной трубки с манометром, наполненной чистым кислородом, со впаянными в неё платиновыми проводниками для получения электрического разряда.
Физические свойства Молекулярная масса — 48 а. е. м. Плотность газа при нормальных условиях 2,1445 г/дм³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху 1,62 (1,658Справочник химика, т. II. — Л.: «Химия», 1971.). Плотность жидкости при −188 °C (85,2 К) составляет 1,59(7) г/см³. Плотность твёрдого озона при −192,7 °С равна 1,73(2) г/см³. Температура кипения −111,8(3) °C (161,3 К). Жидкий озон — тёмно-фиолетового цвета. Температура плавления −192,7 °С. Приводимая иногда температура плавления −251,4 °C (21,7 К) ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению. По другим сведениям −192,5(4) °С (80,6 К). В твёрдом состоянии — чёрного цвета с фиолетовым отблеском. Критическая температура −12,0 °С (261,1 К). Критическое давление 51,6 атм. Коэффициент диффузии (при 300 К, 1 атм) 0,157 /с. Теплота плавления 2,1 кДж/моль. Теплота испарения при температуре кипения в различных источниках указывается от 11,17 до 15,19 кДж/моль; при 90 К от 15,27 до 16,6 кДж/моль. Растворимость в воде при 0 °С — 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом. Кажущаяся растворимость сильно зависит от чистоты воды, поскольку примеси катализируют распад озона. Жидкий озон смешивается во всех отношениях с жидкими аргоном, азотом, фтором, метаном, углекислотой, тетрахлоруглеродом. Смешивается с жидким кислородом во всех отношениях при температуре выше 93 К, ниже этой температуры раствор расслаивается на две фазы. Хорошо растворяется в фреонах, образуя стабильные растворы (используется для хранения и перевозки). Потенциал ионизации молекулы 12,52 эВ. В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком — слабопарамагнитен. Запах — резкий, специфический «металлический» (по Менделееву — «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1:100 000.
Химические свойства Образование озона проходит по обратимой реакции:
Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минутEarth Science FAQ: Where can I find information about the ozone hole and ozone depletion? превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.
В присутствии небольших количеств азотной кислоты озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах (−78 °С) практически не разлагается.
Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платиныПлатина не окисляется озоном, но катализирует его разложение. и иридия) до их высших степеней окисления (после некоторого поверхностного окисления довольно хорошо противостоят действию озона Ni, Cu, Sn)Некрасов Б. В. Н48 Основы общей химии. В 2 томах. Том 1.4-е изд., стер.-СПб.: Издательство «Лань», 2003. — 656 с. — (Учебники для вузов, специальная литература).. Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород. Озон повышает степень окисления оксидов:
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Диоксид азота может быть окислен до азотного ангидрида:
Озон не реагирует с молекулярным азотом при комнатной температуре, но при 295°С вступает с ним в реакцию:
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием диоксида углерода:
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:
Озон реагирует с водородом с образованием воды и кислорода:
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
С помощью озона можно получить серную кислоту как из элементарной серы, так и из диоксида серы и сероводорода:
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием диоксида серы:
В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:
Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:
Обработкой озоном раствора иода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат иода(III):
Твёрдый может быть получен реакцией газообразных NO2, ClO2 и O3:
Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:
Озон может вступать в химические реакции и при низких температурах. При 77 K (−196 °C, температура кипения жидкого азота), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием гидропероксидного радикала с димеризацией последнегоHorvath M., Bilitzky L., & Huttner J., 1985. «Ozone.» pg 44-49:
Озон может образовывать неорганические озониды, содержащие анион O3−. Эти соединения взрывоопасны и могут храниться только при низких температурах. Известны озониды всех щелочных металлов (кроме франция). KO3, RbO3 и CsO3 могут быть получены из соответствующих супероксидов:
Озонид калия может быть получен и другим путём из гидроксида калияHousecroft & Sharpe, «Inorganic Chemistry». — 2005. — P. 439.:
NaO3 и LiO3 могут быть получены действием CsO3 в жидком аммиаке NH3 на ионообменные смолы, содержащие ионы Na+ или Li+Housecroft & Sharpe, «Inorganic Chemistry». — 2005. — P. 265:
Обработка озоном раствора кальция в аммиаке приводит к образованию озонида аммония, а не кальция:
Озон может быть использован для удаления железа и марганца из воды с образованием осадка (соответственно гидроксида железа(III) и диоксигидрата марганца), который может быть отделён фильтрованием:
В кислых средах окисление марганца может идти до перманганата.
Озон превращает токсичные цианиды в менее опасные цианаты:
Озон может полностью разлагать мочевинуHorvath M., Bilitzky L., & Huttner J., 1985. «Ozone.» pg 259, 269—270 :
Взаимодействие озона с органическими соединениями с активированным или третичным атомом углерода при низких температурах приводит к соответствующим гидротриоксидам. Реакция озона с непредельными соединениями с образованием органических озонидов находит применение в анализе органических веществ.
Получение озона
Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора
В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.
В лаборатории озон можно получить взаимодействием охлаждённой концентрированной серной кислоты с пероксидом бария:
Токсичность В умеренных концентрациях озон не токсичен. Однако высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его токсичность. Чрезмерное воздействие озона на организм может приводить к преждевременной смерти.
Наиболее опасно воздействие высоких концентраций озона в воздухе: на органы дыхания прямым раздражением;
Озон в Российской Федерации отнесён к первому, самому высокому классу опасности вредных веществ. Нормативы по озону: максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³; среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³; предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³; минимальная смертельная концентрация (LD50) — 4,8 ppm.
Порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м³Тышкевич Е. В. Озон — мирное оружие XXI века .
Озон эффективно уничтожает плесень, бактерии и вирусы.
Применение озона
Применение озона обусловлено его свойствами: сильного окисляющего реагента: для стерилизации изделий медицинского назначения; при получении многих веществ в лабораторной и промышленной практике; для отбеливания бумаги; для очистки масел. сильного дезинфицирующего средства: для очистки воды и воздуха от микроорганизмов (озонирование); для дезинфекции помещений и одежды; для озонирования растворов, применяемых в медицине (как для внутривенного, так и для контактного применения).
Существенными достоинствами озонирования, по сравнению с хлорированием, является отсутствие токсинов (кроме формальдегида) в обработанной воде (тогда как при хлорировании возможно образование существенного количества хлорорганических соединений, многие из которых токсичны, например, диоксин) и лучшая, по сравнению с кислородом, растворимость в воде.