Озон - общие сведения. Общие сведения о медицинском озоне

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.

В 1785 г. голландский физик Ван Марум, 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 неизвестный науке, газ со специфическим запахом. Имя «озон» было присвоено газу Шейнбейном из-за характерного запаха и происходит оно от греческого слова «озиен», что значит «пахнуть».

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 г. была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге (в настоящее время не действует). В 1916 г. действовало уже 49 установок по озонированию питьевой воды.

К 1977 г. во всем мире действует уже более 1000 установок. Широкое же распространение озон получил только в течение последних 30 лет, благодаря появлению надежных и компактных аппаратов для его синтеза — озонаторов (генераторов озона).

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).

2. Озон и его свойства

Механизм образования и молекулярная формула озона

Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: O2 . 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). Механизм образования и молекулярная формула озона. Однако, атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы.

Молекула озона Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу O3 (d = 1.28 A, q = 116.5°).

Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду.

Свойства озона

Озон O3 — голубоватый газ с характерным резким запахом, молекулярная масса 48 г/моль; плотность относительно воздуха 1,657 (озон тяжелее воздуха); плотность при 00С и давлении 0,1 МПа 2,143 кг/м3. Получение озона

В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м3 (в пять 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.

Как было сказано выше, молекула озона нестабильна и обладает свойством самораспада. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.

Окислительный потенциал озона

Мерой эффективности окислителя служит его электрохимический (окислительный) потенциал, выраженный в вольтах. Ниже приведены значения электрохимического потенциала различных окислителей в сравнении с озоном:

Из таблицы видно, что озон — самый сильный из всех окислителей, используемых в водоподготовке.

Применение на месте

Нестабильность озона обуславливает необходимость его применения непосредственно на месте получения. Озон не подлежит упаковке, хранению и транспортировке.

Растворимость озона в воде

В соответствии с законом Генри, концентрация озона в воде возрастает с увеличением концентрации озона в газовой фазе, подмешиваемой в воду. Кроме того, чем выше температура воды, тем ниже концентрация озона в воде.

Растворимость озона в воде выше, чем кислорода, но ниже, чем хлора, в 12 раз. Если рассматривать 100% озон, то его предельная концентрация в воде составляет 570 мг/л при температуре воды 20С. Концентрация озона в газе на выходе современных озонаторных установок достигает 14% по весу. Ниже приведена зависимость концентрации озона, растворенного в дистиллированной воде, от концентрации озона в газе и температуры воды.

Самораспад озона в воде и в воздухе

Скорость разложения озона в воздушной или водной среде оценивается при помощи периода полураспада, т.е. времени, в течение которого концентрация озона уменьшается вдвое.

Самораспад озона в воде (pH 7)

Самораспад озона в воздухе

Из таблиц видно, что водные растворы озона намного менее стабильны, чем газообразный озон. Данные по распаду озона в воде приведены для чистой воды, не содержащей растворенных и взвешенных примесей. Скорость распада озона в воде возрастает многократно в следующих случаях:

1. при наличии в воде примесей, окисляемых озоном (химическая потребность воды в озоне)
2. при повышенной мутности воды, т.к. на границе раздела между частицами и водой реакции самораспада озона протекают быстрее (катализ)
3. при воздействии на воду УФ облучением

3. Способы получения озона

В настоящее время широкое распространение получили 2 способа выработки озона:

* УФ-облучением

* под воздействием тихого (т.е. рассеянного, без образования искр) разряда коронного типа

1. УФ-облучение

Озон может образовываться вблизи УФ ламп, однако только в маленьких концентрациях (0,1 вес.%).

2.Коронный разряд

Тем же способом, которым озон образуется под действием электрических разрядов во время грозы, большое количество озона производится в современных электрических генераторах озона. Этот метод называется коронный разряд. Высокое напряжение пропускают через газовый поток, содержащий кислород. Энергия высокого напряжения разделяет молекулу кислорода О2 на 2 атома О, которые соединяются с молекулой О2 и образуют озон О3.

Чистый кислород, поступающий в генератор озона, можно заменить окружающим воздухом, содержащим большой процент кислорода.

Данный метод повышает содержание озона до 10-15 вес.%

Потребление энергии: 20 — 30 Вт/г О3 для воздуха 10 — 15 Вт/г О3 для кислорода

4. Применение озона для очистки и обеззараживания воды

Обеззараживание воды

Озон уничтожает все известные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейших, их споры, цисты и т.д.; при этом озон на 51% сильнее хлора и действует в 15-20 раз быстрее. Вирус полиомиелита погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, а от хлора — только за 3 ч при 1мг/л.

На споровые формы бактерий озон действует в 300-600 раз сильнее хлора.

Озон разрушает окислительно-восстановительную систему бактерий и их протоплазму.

Биологические летальные коэффициенты (БЛК*) при использовании различных дезинфектантов

*Чем выше БЛК, тем мощнее дезинфектант

Сравнение дезинфектантов

Дезодорация воды

При озонировании окисляются органические и минеральные примеси, являющиеся источником запахов и привкусов. Вода, прошедшая обработку озоном, содержит больше кислорода и по вкусу напоминает свежую родниковую воду.

Финишная подготовка питьевой воды на линиях розлива
Озонирование на линии розлива. Очищенная и подготовленная к розливу вода, насыщается озоном, полностью дезинфицируется и на относительно короткое время сама приобретает дезинфицирующие свойства. Благодаря этому повышается микробиологическая безопасность процесса розлива, озонированная вода надежно стерилизует стенки тары, пробку и воздушный зазор под пробкой. Срок хранения воды после озонирования увеличивается многократно. Особенно эффективна комбинированная обработка воды озоном в сочетании с ополаскиванием тары.

Окисление железа, марганца, сероводорода

Железо, марганец и сероводород легко окисляются озоном. Железо при этом переходит в нерастворимую гидроокись, которая затем легко задерживается в фильтрах. Марганец окисляется до перманганат-иона, который легко удаляется на угольных фильтрах. Сероводород, сульфиды и гидросульфиды переходят в безвредные сульфаты. Процесс окисления и формирования фильтруемых осадков при озонировании протекает в среднем в 250 раз быстрее, чем при аэрации. Особенно эффективно применение озона для обезжелезивания вод, содержащих железоорганические комплексы и бактериальные формы железа, марганца и сероводорода.

Очистка поверхностных вод от антропогенных примесей

Озонирование предварительно осветленной воды с последующей фильтрацией через активированный уголь — надежный способ очистки поверхностных вод от фенолов, нефтепродуктов, пестицидов и тяжелых металлов (окислительно-сорбционная очистка).

Очистка и обеззараживание воды на птицефабриках и фермах

Озонирование на птицефабрике. Подача воды, обеззараженной озоном, в поилки для птицы и животных не только способствует снижению заболеваемости и риска массовых эпидемий, но и вызывает ускоренную прибавку в весе птиц и животных.

Очистка и обеззараживание стоков

При помощи озона сточные воды обесцвечиваются.

При помощи озонирования сточные воды могут быть приведены в соответствие жестким требованиям рыбохозяйственных водоемов по содержанию фенолов, нефтепродуктов и ПАВ, а также микробиологическим показателям.

Озонирование воды для санитарной обработки продуктов и оборудования

Как было сказано выше, срок хранения воды, озонируемой в процессе розлива, увеличивается значительно за счет того, что продуктовая вода приобретает свойства дезинфицирующего раствора.

При переработке пищевых продуктов, на загрязненном оборудовании размножаются бактерии, являющиеся источником сильных запахов гниения и разложения. Ополаскивание оборудования озонированной водой после удаления основной массы загрязнений приводит к дезинфекции поверхностей, освежающему воздействию на воздух помещения и улучшению общего санитарного-гигиенического состояния производства.

Озонирование для санитарной обработки. В воде для санитарной обработки оборудования, в отличие от озонирования воды перед розливом, создаются более высокие концентрации озона.

Аналогично озонированной водой могут быть обработаны рыба и морепродукты, тушки птицы и овощи перед упаковкой. Срок службы обработанных перед закладкой на хранение продуктов увеличивается, а их внешний вид после хранения мало отличается от свежих продуктов.

5. Аспекты безопасности при эксплуатации озонового оборудования

Газообразный озон токсичен и способен вызывать ожог верхних дыхательных путей и отравление (как и любой другой сильный окислитель).

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны регламентируется ГОСТом 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», согласно которому она составляет 0,1мг/м3.

Запах озона фиксируется человеком в концентрациях 0,01-0,02мг/м3, что в 5-10раз меньше ПДК, поэтому появление слабого запаха озона в помещении не является тревожным сигналом. Для обеспечения надежного контроля содержания озона в производственном помещении должны быть установлены газоанализаторы, позволяющие осуществлять мониторинг концентрации озона и в случае превышения ПДК принять своевременные меры по ее снижению до безопасного уровня.

Любая технологическая схема, содержащая озоновое оборудование, должна быть оснащена газоотделителем, с помощью которого избыточный (не растворившийся) озон поступает в каталитический деструктор, где разлагается до кислорода. Подобная система позволяет исключить поступление озона в воздух производственного помещения.

Т.к. озон является сильнейшим окислителем, все газовые магистрали должны быть выполнены из озоностойких материалов таких, как нержавеющая сталь и фторопласт.

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.

Замечали ли вы когда-то, как приятно дышится после дождя? Этот освежающий воздух обеспечивает озон в атмосфере, который появляется после дождя. Что это за вещество, каковы его функции, формула, а также действительно ли оно полезно для организма человека? Давайте разберемся.

Что такое озон?

Всем, кто учился в средней школе, известно, что молекула кислорода состоит из двух атомов химического элемента кислорода. Однако этот элемент способен образовывать еще одно химическое соединение - озон. Это название носит вещество, как правило, встречающееся в виде газа (хотя может пребывать во всех трех агрегатных состояниях).

Молекула данного вещества довольно сильно похожа на кислород (О 2), однако она состоит не из двух, а из трех атомов - О 3 .

История открытия озона

Человек, впервые синтезировавший озон - это нидерландский физик Мартин Ван Марум.

Именно он в 1785 г. провел опыт, пропустив через воздух электрический разряд. Получившийся газ не только приобрел специфический запах, но и синеватый оттенок. Помимо этого новое вещество оказалось более сильным окислителем, чем обычный кислород. Так, рассмотрев его влияние на ртуть, Ван Марум обнаружил, что металл немного изменил свои физические свойства, чего с ним не происходило под влиянием кислорода.

Несмотря на свое открытие, нидерландский физик не считал, что озон - это особое вещество. Только через 50 лет после открытия Ван Марума озоном всерьез заинтересовался немецкий ученый Кристиан Фридрих Шенбейн. Именно благодаря ему это вещество получило свое имя - озон (в честь греческого слова, означающего «пахнуть»), а также было более пристально изучено и описано.

Озон: физические свойства

Это вещество имеет ряд свойств. Первым из них является способность озона, как и воды, пребывать в трех агрегатных состояниях.

Нормальное состояние, в котором пребывает озон - газ голубоватого цвета (именно он окрашивает небеса в лазурный цвет) с ощутимым металлическим ароматом. Плотность такого газа - 2,1445 г/дм³.

При снижении температуры молекулы озона образуют сине-фиолетовую жидкость с плотностью 1,59 г/см³ (при температуре -188 °C). Закипает жидкий О 3 при -111,8 °C.

Пребывая в твердом состоянии, озон темнеет, становясь практически черным с отчетливым фиолетово-синим отблеском. Его плотность - 1,73 г/см 3 (при −195,7 °С). Температура, при которой начинает плавиться твердый озон - это −197,2 °С.

Молекулярная масса О 3 - 48 дальтонов.

При температуре в 0 °C озон прекрасно растворяется в воде, причем в десять раз быстрее, чем кислород. Наличие примесей в воде способно еще больше ускорить данную реакцию.

Помимо воды озон растворяется во фреоне, что облегчает его транспортировку.

Среди других веществ, в которых легко растворить О 3 (в жидком агрегатном состоянии) - аргон, азот, фтор, метан, углекислота, тетрахлоруглерод.

Также он неплохо смешивается с жидким кислородом (при температуре от 93 К).

Химические свойства озона

Молекула О 3 является довольно неустойчивой. По этой причине в нормальном состоянии она существует 10-40 минут, после чего разлагается, образуя небольшое количество тепла и кислород О 2 . Эта реакция способно произойти и гораздо быстрее, если в качестве катализаторов выступит повышение температуры окружающей среды или понижение атмосферного давления. Также разложению озона способствует и его контакт с металлами (кроме золота, платины и иридия), окислами или веществами органического происхождения.

Взаимодействие с азотной кислотой останавливает разложение О 3 . Также этому способствует хранение вещества при температуре −78 °С.

Главным химическим свойством озона является его окисляемость. Одним из продуктов окисления всегда является кислород.

При разных условиях О 3 способен взаимодействовать практически со всеми веществами и химическими элементами, уменьшая их токсичность путем превращения их в менее опасные. Например, цианиды окисляются им до цианатов, которые намного безопаснее для биологических организмов.

Как добывают?

Чаще всего для добывания О 3 на кислород воздействуют электрическим током. Чтобы разделить получившуюся смесь кислорода и озона, используют свойство последнего лучше сжижаться, чем О 2 .

В химических лабораториях иногда О 3 добывают с помощью реакции охлажденного концентрата серной кислоты с пероксидом бария.

В медицинских учреждениях, использующих О 3 для оздоровления пациентов, это вещество получают путем облучения О2 ультрафиолетом (кстати, таким же способом образуется данное вещество в атмосфере Земли под действием солнечных лучей).

Использование О3 в медицине и промышленности

Несложное строение озона, доступность исходного материала для его добывания способствует активному использованию данного вещества в промышленности.

Будучи сильным окислителем, он способен дезинфицировать значительно лучше хлора, формальдегида или окиси этилена, при этом являясь не столь токсичным. Поэтому О 3 часто используется для стерилизации медицинских инструментов, оборудования, формы, а также многих препаратов.

В промышленности данное вещество чаще всего используют для очистки или добывания многих химических веществ.

Еще одной отраслью использования является отбеливание бумаги, тканей, минеральных масел.

В химической промышленности О 3 не только помогает стерилизовать оборудование, инструменты и тару, но и применяется для обеззараживания самих продуктов (яиц, зерна, мяса, молока) и увеличения их срока хранения. Фактически он считается одним из лучших консервантов для продуктов, поскольку нетоксичен и неканцерогенен, а также прекрасно убивает споры плесени и других грибков и бактерий.

В хлебопекарнях озон применяется для ускорения процесса брожения дрожжей.

Также с помощью О 3 искусственно старятся коньяки, производится рафинирование жирных масел.

Как влияет озон на организм человека?

Из-за такой схожести с кислородом бытует заблуждение, что озон - это полезное для организма человека вещество. Однако это не так, поскольку О 3 является одним из сильнейших окислителей, способных разрушить легкие и убить каждого, кто чрезмерно вдыхает этого газ. Не зря государственные экологические организации в каждой стране строго следят за концентрацией озона в атмосфере.

Если озон так вреден, то почему же после дождя всегда становится легче дышать?

Дело в том, что одним из свойств О 3 является его способность убивать бактерии и очищать вещества от вредных примесей. Во время дождя из-за грозы начинает образовываться озон. Газ этот влияет на токсические вещества, содержащиеся в воздухе, расщепляя их, и очищает кислород от этих примесей. Именно по этой причине воздух после дождя столь свеж и приятен, а небо обретает красивый лазурный цвет.

Эти химические свойства озона, позволяющие ему очищать воздух, в последнее время активно используют для лечения людей, страдающих от различных респираторных заболеваний, а также для очистки воздуха, воды, различных косметических процедур.

Довольно активно сегодня рекламируются бытовые озонаторы, очищающие воздух в доме с помощью данного газа. Хотя эта методика кажется весьма эффективной, пока что учеными недостаточно изучено влияние большого количества очищенного озоном воздуха на организм. По этой причине чрезмерно увлекаться озонированием не стоит.

Физические свойства озона весьма характерны: это легко взрывающийся газ голубого цвета. Литр озона весит примерно 2 грамма, а воздух - 1,3 грамма. Следовательно, озон тяжелее воздуха. Температура плавления озона - минус 192,7ºС. Такой «растаявший» озон представляет собой тёмно-синюю жидкость. Озоновый «лед» имеет темно-синюю окраску с фиолетовым оттенком и при толщине свыше 1 мм становится непрозрачным. Температура кипения озона - минус 112ºС. В газообразном состоянии озон диамагнитен, т.е. не обладает магнитными свойствами, а в жидком состоянии - слабопарамагнитен. Растворимость озона в талой воде в 15 раз больше, чем у кислорода и составляет примерно 1,1 г/л. В литре уксусной кислоты при комнатной температуре растворяется 2,5 грамма озона. Он также хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Запах озона ощущается при концентрациях свыше 15 мкг/м3 воздуха. В минимальных концентрациях воспринимается как «запах свежести», в более значительных концентрациях приобретает резкий раздражающий оттенок.

Озон образуется из кислорода по следующей формуле: 3O2 + 68 ккал → 2O3. Классические примеры образования озона: под действием молнии во время грозы; под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы. Озон также способен образовываться при любых процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например, при разложении перекиси водорода. Промышленный синтез озона связан с использованием электрических разрядов при низких температурах. Технологии получения озона могут отличаться друг от друга. Так, для получения озона применяемого для медицинских целей используется только чистый (без примесей) медицинский кислород. Отделение образовавшегося озона от примеси кислорода обычно не составляет труда в силу различий физических свойств (озон легче сжижается). Если не требуется соблюдения определенных качественных и количественных параметров реакции, то получение озона не представляет особых трудностей.

Молекула О3 неустойчива и довольно быстро превращается в O2 с выделением тепла. При небольших концентрациях и без посторонних примесей озон разлагается медленно, при больших — со взрывом. Спирт при соприкосновении с ним моментально воспламеняется. Нагревание и контакт озона даже с ничтожными количествами субстрата окисления (органических веществ, некоторых металлов или их окислов) резко ускоряет его разложение. Озон может сохраняться длительное время при − 78ºС в присутствии стабилизатора (небольшого количества HNO3), а также в сосудах из стекла, некоторых пластмасс или благородных металлов.

Озон - сильнейший окислитель. Причина такого явления кроется в том, что в процессе распада образуется атомарный кислород. Такой кислород гораздо агрессивнее молекулярного, потому что в молекуле кислорода дефицит электронов на внешнем уровне вследствие их коллективного использования молекулярной орбитали не так заметен.

Еще в XVIII веке было замечено, что ртуть в присутствии озона теряет блеск и прилипает к стеклу, т.е. окисляется. А при пропускании озона через водный раствор йодистого калия начинает выделяться газообразный йод. Такие же «фокусы» с чистым кислородом не получались. В дальнейшем открывались свойства озона, которые сразу же были приняты на вооружение человечества: озон оказался прекрасным антисептиком, озон быстро удалял из воды органические вещества любого происхождения (парфюмерия и косметика, биологические жидкости), стал широко использоваться в промышленности и быту, прекрасно зарекомендовал себя в качестве альтернативы стоматологической бормашине.

В XXI веке применение озона во всех областях жизни и деятельности человека растет и развивается, а потому мы становимся свидетелями его превращения из экзотики в привычный инструмент для повседневной работы. ОЗОН O3, аллотропная форма кислорода.

Получение и физические свойства озона.

Впервые ученые узнали о существовании неизвестного им газа, когда начали экспериментировать с электростатическими машинами. Случилось это в 17 веке. Но начали изучать новый газ лишь в конце следующего столетия. В 1785 голландский физик Мартин ван Марум получил озон, пропуская через кислород электрические искры. Название же озон появилось лишь в 1840; его придумал швейцарский химик Кристиан Шенбейн, произведя его от греческого ozon - пахнущий. По химическому составу этот газ не отличался от кислорода, но был значительно агрессивнее. Так, он мгновенно окислял бесцветный иодид калия с выделением бурого иода; эту реакцию Шенбейн использовал для определения озона по степени посинения бумаги, пропитанной раствором иодида калия и крахмала. Даже малоактивные при комнатной температуре ртуть и серебро в присутствии озона окисляются.

Оказалось, что молекулы озона, как и кислорода, состоят только из атомов кислорода, только не из двух, а из трех. Кислород О2 и озон О3 - единственный пример образования одним химическим элементом двух газообразных (при обычных условиях) простых веществ. В молекуле О3 атомы расположены под углом, поэтому эти молекулы полярны. Получается озон в результате «прилипания» к молекулам О2 свободных атомов кислорода, которые образуются из молекул кислорода под действием электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, гамма-квантов, быстрых электронов и других частиц высокой энергии. Озоном всегда пахнет около работающих электрических машин, в которых «искрят» щетки, около бактерицидных ртутно-кварцевых ламп, которые излучают ультрафиолет. Атомы кислорода выделяются и в ходе некоторых химических реакций. Озон образуется в малых количествах при электролизе подкисленной воды, при медленном окислении на воздухе влажного белого фосфора, при разложении соединений с высоким содержанием кислорода (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), при действии на воду фтора или на пероксид бария концентрированной серной кислоты. Атомы кислорода всегда присутствуют в пламени, поэтому если направить струю сжатого воздуха поперек пламени кислородной горелки, в воздухе обнаружится характерный запах озона.

Реакция 3O2 → 2O3 сильно эндотермичная: для получения 1 моль озона надо затратить 142 кДж. Обратная реакция идет с выделением энергии и осуществляется очень легко. Соответственно озон неустойчив. В отсутствие примесей газообразный озон медленно разлагается при температуре 70° С и быстро - выше 100° С. Скорость разложения озона значительно увеличивается в присутствии катализаторов. Ими могут быть и газы (например, оксид азота, хлор), и многие твердые вещества (даже стенки сосуда). Поэтому чистый озон получить трудно, а работать с ним опасно из-за возможности взрыва.

Не удивительно, что в течение многих десятилетий после открытия озона неизвестны были даже основные его физические константы: долго никому не удавалось получить чистый озон. Как писал в своем учебнике Основы химии Д.И.Менделеев, «при всех способах приготовления газообразного озона содержание его в кислороде всегда незначительно, обыкновенно лишь несколько десятых долей процента, редко 2%, и только при очень пониженной температуре оно достигает 20%». Лишь в 1880 французские ученые Ж.Готфейль и П.Шаппюи получали озон из чистого кислорода при температуре минус 23° С. Оказалось, что в толстом слое озон имеет красивую синюю окраску. Когда охлажденный озонированный кислород медленно сжали, газ стал темно-синим, а после быстрого сброса давления температура еще более понизилась и образовались капли жидкого озона темно-фиолетового цвета. Если же газ не охлаждали или сжимали быстро, то озон мгновенно, с желтой вспышкой, переходил в кислород.

Позднее разработали удобный метод синтеза озона. Если подвергнуть электролизу концентрированный раствор хлорной, фосфорной или серной кислоты с охлаждаемым анодом из платины или из оксида свинца(IV), то выделяющийся на аноде газ будет содержать до 50% озона. Были уточнены и физические константы озона. Он сжижается намного легче кислорода - при температуре -112° С (кислород - при -183° С). При -192,7° С озон затвердевает. Твердый озон имеет сине-черный цвет.

Опыты с озоном опасны. Газообразный озон способен взрываться, если его концентрация в воздухе превысит 9%. Еще легче взрываются жидкий и твердый озон, особенно при контакте с окисляющимися веществами. Озон можно хранить при низких температурах в виде растворов во фторированных углеводородах (фреонах). Такие растворы имеют голубой цвет.

Химические свойства озона.

Для озона характерна чрезвычайно высокая реакционная способность. Озон - один из сильнейших окислителей и уступает в этом отношении только фтору и фториду кислорода OF2. Действующее начало озона как окислителя - атомарный кислород, который образуется при распаде молекулы озона. Поэтому, выступая в качестве окислителя, молекула озона, как правило, «использует» только один атом кислорода, а два других выделяются в виде свободного кислорода, например, 2KI + O3 + H2O → I2 + 2KOH + O2. Так же происходит окисление многих других соединений. Однако бывают и исключения, когда молекула озона использует для окисления все три имеющиеся у нее атома кислорода, например, 3SO2 + O3 → 3SO3; Na2S + O3 → Na2SO3.

Очень важное отличие озона от кислорода в том, что озон проявляет окислительные свойства уже при комнатной температуре. Например, PbS и Pb(OH)2 в обычных условиях не реагируют с кислородом, тогда как в присутствии озона сульфид превращается в PbSO4, а гидроксид - в PbO2. Если в сосуд с озоном налить концентрированный раствор аммиака, появится белый дым - это озон окислил аммиак с образованием нитрита аммония NH4NO2. Особенно характерна для озона способность «чернить» серебряные изделия с образованием AgO и Ag2O3.

Присоединив один электрон и превратившись в отрицательный ион О3-, молекула озона становится более стабильной. Содержащие такие анионы «озонокислые соли» или озониды были известны давно - их образуют все щелочные металлы, кроме лития, причем устойчивость озонидов растет от натрия к цезию. Известны и некоторые озониды щелочноземельных металлов, например, Са(О3)2. Если направить на поверхность твердой сухой щелочи струю газообразного озона, то образуется оранжево-красная корка, содержащая озониды, например, 4КОН + 4О3 → 4КО3 + О2 + 2Н2О. При этом твердая щелочь эффективно связывает воду, что предохраняет озонид от немедленного гидролиза. Однако при избытке воды озониды бурно разлагаются: 4КО3+ 2Н2О → 4КОН + 5О2. Разложение идет и при хранении: 2КО3 → 2КО2 + О2. Озониды хорошо растворимы в жидком аммиаке, что позволило выделить их в чистом виде и изучить их свойства.

Органические, вещества, с которыми озон соприкасается, он обычно разрушает. Так, озон, в отличие от хлора, способен расщеплять бензольное кольцо. При работе с озоном нельзя использовать резиновые трубки и шланги - они моментально «прохудятся». Реакции озона с органическими соединениями идут с выделением большого количества энергии. Например, эфир, спирт, вата, смоченная скипидаром, метан и многие другие вещества самовоспламеняются при соприкосновении с озонированным воздухом, а смешение озона с этиленом приводит к сильному взрыву.

Применение озона.

Озон не всегда «сжигает» органические вещества; в ряде случаев удается провести специфические реакции с сильно разбавленным озоном. Например, при озонировании олеиновой кислоты (она в больших количествах содержится в растительных маслах) образуется азелаиновая кислота НООС(СН2)7СООН, которую используют для получения высококачественных смазочных масел, синтетических волокон и пластификаторов для пластмасс. Аналогично получают адипиновую кислоту, которую используют при синтезе найлона. В 1855 Шенбейн открыл реакцию с озоном непредельных соединений, содержащих двойные связи С=С, но только в 1925 немецкий химик Х.Штаудингер установил механизм этой реакции. Молекула озона присоединяется к двойной связи с образованием озонида - на этот раз органического, причем на место одной из связей С=С встает атом кислорода, а на место другой - группировка -О-О-. Хотя некоторые органические озониды выделены в чистом виде (например, озонид этилена), эту реакцию обычно проводят в разбавленном растворе, так как в свободном виде озониды - очень неустойчивые взрывчатые вещества. Реакция озонирования непредельных соединений пользуется у химиков-органиков большим почетом; задачи с этой реакцией часто предлагают даже на школьных олимпиадах. Дело в том, что при разложении озонида водой образуются две молекулы альдегида или кетона, которые легко идентифицировать и далее установить строение исходного непредельного соединения. Таким образом химики еще в начале 20 века установили строение многих важных органических соединений, в том числе природных, содержащих связи С=С.

Важная область применения озона - обеззараживание питьевой воды. Обычно воду хлорируют. Однако некоторые примеси в воде под действием хлора превращаются соединения с очень непpиятым запахом. Поэтому уже давно предложено заменить хлор озоном. Озонированная вода не приобретает постороннего запаха или вкуса; при полном окислении озоном многих органических соединений образуются только углекислый газ и вода. Очищают озоном и сточные воды. Продукты окисления озоном даже таких загрязнителей как фенолы, цианиды, повеpхностно-активные вещества, сульфиты, хлоpамины, представляют собой безвредные соединения без цвета и запаха. Избыток же озона довольно быстро распадается с образованием кислорода. Однако озонирование воды обходится дороже, чем хлорирование; кроме того, озон нельзя перевозить, и он должен производиться на месте использования.

Озон в атмосфере.

Озона в атмосфере Земли немного - 4 млрд. тонн, т.е. в среднем всего 1 мг/м3. Концентрация озона растет с удалением от поверхности Земли и достигает максимума в стратосфере, на высоте 20-25 км - это и есть «озоновый слой». Если весь озон из атмосферы собрать у поверхности Земли при нормальном давлении, получится слой толщиной всего около 2-3 мм. И вот такие малые количества озона в воздухе фактически обеспечивают жизнь на Земле. Озон создает «защитный экран», не пропускающий к поверхности Земли жесткие ультрафиолетовые солнечные лучи, губительные для всего живого.

В последние десятилетия большое внимание уделяется появлению так называемых «озоновых дыр» - областях со значительно уменьшенным содержанием стратосферного озона. Через такой «прохудившийся» щит до поверхности Земли доходит более жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Поэтому ученые давно следят за озоном в атмосфере. В 1930 английский геофизик С.Чепмен для объяснения постоянной концентрации озона в стратосфере предложил схему из четырех реакций (эти реакции получили название цикла Чепмена, в них М означает любой атом или молекулу, которые уносят избыточную энергию):

О + О + М → О2 + М

О + О3 → 2О2

О3 → О2 + О.

Первая и четвертая реакции этого цикла - фотохимические, они идут под действием солнечной радиации. Для распада молекулы кислорода на атомы требуется излучение с длиной волны менее 242 нм, тогда как озон распадается при поглощении света в области 240-320 нм (последняя реакция как раз и защищает нас от жесткого ультрафиолета, так как кислород в этой спектральной области не поглощает). Остальные две реакции термические, т.е. идут без действия света. Очень важно, что третья реакция, приводящая к исчезновению озона, имеет энергию активации; это означает, что скорость такой реакции может увеличиваться под действием катализаторов. Как выяснилось, основной катализатор распада озона - оксид азота NO. Он образуется в верхних слоях атмосферы из азота и кислорода под действием наиболее жесткой солнечной радиации. Попадая в озоносферу, он вступает в цикл из двух реакций O3 + NO → NO2 + O2, NO2 + O → NO + O2, в результате которой его содержание в атмосфере не меняется, а стационарная концентрация озона снижается. Существуют и другие циклы, приводящие к снижению содержания озона в стратосфере, например, с участием хлора:

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2.

Разрушают озон также пыль и газы, которые в большом количестве попадают в атмосферу при извержении вулканов. В последнее время возникло предположение, что озон также эффективно разрушает водород, выделяющийся из земной коры. Совокупность всех реакций образования и распада озона приводит к тому, что среднее время жизни молекулы озона в стратосфере составляет около трех часов.

Предполагают, что помимо природных, существуют и искусственные факторы, влияющие на озоновый слой. Хорошо известный пример - фреоны, которые являются источниками атомов хлора. Фреоны - это углеводороды, в которых атомы водорода замещены атомами фтора и хлора. Их используют в холодильной технике и для заполнения аэрозольных баллончиков. В конечном счете, фреоны попадают в воздух и медленно поднимаются с потоками воздуха все выше и выше, достигая, наконец, озонового слоя. Разлагаясь под действием солнечной радиации, фреоны сами начинают каталитически разлагать озон. Пока не известно в точности, в какой степени именно фреоны повинны в «озоновых дырах», и, тем не менее, уже давно принимают меры по ограничению их применения.

Как показывают расчеты, через 60-70 лет концентрация озона в стратосфере может уменьшиться на 25%. И одновременно увеличится концентрации озона в приземном слое - тропосфере, что тоже плохо, так как озон и продукты его превращений в воздухе ядовиты. Основной источник озона в тропосфере - перенос с массами воздуха стратосферного озона в нижние слои. Ежегодно в приземный слой озона поступает примерно 1,6 млрд. тонн. Время жизни молекулы озона в нижней части атмосферы значительно выше - более 100 суток, поскольку в приземном слое меньше интенсивность ультрафиолетового солнечного излучения, разрушающего озон. Обычно озона в тропосфере очень мало: в чистом свежем воздухе его концентрация составляет в среднем всего 0,016 мкг/л. Концентрация озона в воздухе зависит не только от высоты, но и от местности. Так, над океанами озона всегда больше, чем над сушей, так как там озон распадается медленнее. Измерения в Сочи показали, что воздух у морского побережья содержит на 20% больше озона, чем в лесу в 2 км от берега.

Современные люди вдыхают значительно больше озона, чем их предки. Основная причина этого - увеличение количества метана и оксидов азота в воздухе. Так, содержание метана в атмосфере постоянно растет, начиная с середины 19 века, когда началось использование природного газа. В загрязненной оксидами азота атмосфере метан вступает в сложную цепочку превращений с участием кислорода и паров воды, итог которой можно выразить уравнением CH4 + 4O2 → HCHO + H2O + 2O3. В роли метана могут выступать и другие углеводороды, например, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей при неполном сгорании бензина. В результате в воздухе крупных городов за последние десятилетия концентрация озона выросла в десятки раз.

Всегда считалось, что во время грозы концентрация озона в воздухе резко увеличивается, так как молнии способствуют превращению кислорода в озон. На самом деле увеличение незначительно, причем оно происходит не во время грозы, а за несколько часов до нее. Во время же грозы и в течение нескольких часов после нее концентрация озона снижается. Объясняется это тем, что перед грозой происходит сильное вертикальное перемешивание воздушных масс, так что дополнительное количество озона поступает из верхних слоев. Кроме того, перед грозой увеличивается напряженность электрического поля, и создаются условия для образования коронного разряда на остриях различных предметов, например, кончиков ветвей. Это также способствует образованию озона. А затем при развитии грозового облака под ним возникают мощные восходящие потоки воздуха, которые и снижают содержание озона непосредственно под облаком.

Интересен вопрос о содержании озона в воздухе хвойных лесов. Например, в Курсе неорганической химии Г. Реми можно прочитать, что «озонированный воздух хвойных лесов» - выдумка. Так ли это? Ни одно растение озон, конечно, не выделяет. Но растения, особенно хвойные, выделяют в воздух множество летучих органических соединений, в том числе ненасыщенных углеводородов класса терпенов (их много в скипидаре). Так, в жаркий день сосна выделяет в час 16 мкг терпенов на каждый грамм сухой массы хвои. Терпены выделяют не только хвойные, но и некоторые лиственные деревья, среди которых - тополь и эвкалипт. А некоторые тропические деревья способны выделить в час 45 мкг терпенов на 1 г сухой массы листьев. В результате в сутки один гектар хвойного леса может выделить до 4 кг органических веществ, лиственного - около 2 кг. Покрытая лесом площадь Земли составляет миллионы гектаров, и все они выделяют в год сотни тысяч тонн различных углеводородов, в том числе и терпенов. А углеводороды, как это было показано на примере метана, под действием солнечной радиации и в присутствии других примесей способствуют образованию озона. Как показали опыты, терпены в подходящих условиях действительно очень активно включаются в цикл атмосферных фотохимических реакций с образованием озона. Так что озон в хвойном лесу - вовсе не выдумка, а экспериментальный факт.

Озон и здоровье.

Как приятно прогуляться после грозы! Воздух чист и свеж, его бодрящие струи, кажется, без всяких усилий сами втекают в легкие. «Озоном пахнет, - часто говорят в таких случаях. - Очень полезно для здоровья». Так ли это?

Когда-то озон, безусловно, считали полезным для здоровья. Но если его концентрация превышает определенный порог, он может вызывать массу неприятных последствий. В зависимости от концентрации и времени вдыхания озон вызывает изменения в легких, раздражение слизистых глаз и носа, головную боль, головокружение, снижение кровяного давления; озон уменьшает сопротивляемость организма бактериальным инфекциям дыхательных путей. Предельно допустимая его концентрация в воздухе составляет всего 0,1 мкг/л, а это означает, что озон намного опаснее хлора! Если несколько часов провести в помещении при концентрации озона всего лишь 0,4 мкг/л, могут появиться загрудинные боли, кашель, бессонница, снижается острота зрения. Если долго дышать озоном при концентрации больше 2 мкг/л, последствия могут быть более тяжелыми - вплоть до оцепенения и упадка сердечной деятельности. При содержании озона 8-9 мкг/л через несколько часов происходит отек легких, что чревато смертельным исходом. А ведь такие ничтожные количества вещества обычно с трудом поддаются анализу обычными химическими методами. К счастью, человек чувствует присутствие озона уже при очень малых его концентрациях - примерно 1 мкг/л, при которых йодкрахмальная бумажка еще и не собирается синеть. Одним людям запах озона в малых концентрациях напоминает запах хлора, другим - сернистого газа, третьим - чеснока.

Ядовит не только сам озон. С его участием в воздухе образуется, например, пероксиацетилнитрат (ПАН) СН3-СО-ООNО2 - вещество, оказывающее сильнейшее раздражающее, в том числе слезоточивое, действие, затрудняющее дыхание, а в более высоких концентрациях вызывающее паралич сердца. ПАН - один из компонентов образующегося летом в загрязненном воздухе так называемого фотохимического смога (это слово образовано от английского smoke - дым и fog - туман). Концентрация озона в смоге может достигать 2 мкг/л, что в 20 раз больше предельно допустимой. Следует также учесть, что совместное действие озона и оксидов азота в воздухе в десятки раз сильнее, чем каждого вещества порознь. Не удивительно, что последствия возникновения такого смога в больших городах могут быть катастрофическими, особенно если воздух над городом не продувается «сквозняками» и образуется застойная зона. Так, в Лондоне в 1952 от смога в течение нескольких дней погибло более 4000 человек. А смог в Нью-Йорке в 1963 убил 350 человек. Аналогичные истории были в Токио, других крупных городах. Страдают от атмосферного озона не только люди. Американские исследователи показали, например, что в областях с повышенным содержанием озона в воздухе время службы автомобильных шин и других изделий из резины значительно уменьшается.

Как уменьшить содержание озона в приземном слое? Снизить поступление в атмосферу метана вряд ли реалистично. Остается другой путь - уменьшить выбросы оксидов азота, без которых цикл реакций, приводящих к озону, идти не может. Путь это тоже непростой, так как оксиды азота выбрасываются не только автомобилями, но и (главным образом) тепловыми электростанциями.

Источники озона - не только на улице. Он образуется в рентгеновских кабинетах, в кабинетах физиотерапии (его источник - ртутно-кварцевые лампы), при работе копировальной техники (ксероксов), лазерных принтеров (здесь причина его образования - высоковольтный разряд). Озон - неизбежный спутник производства пергидроля, аргонодуговой сварки. Для уменьшения вредного действия озона необходимо оборудование вытяжки у ультрафиолетовых ламп, хорошее проветривание помещения.

И все же вряд ли правильно считать озон, безусловно, вредным для здоровья. Все зависит от его концентрации. Как показали исследования, свежий воздух очень слабо светится в темноте; причина свечения - реакции окисления с участием озона. Свечение наблюдали и при встряхивании воды в колбе, в которую был предварительно напущен озонированный кислород. Это свечение всегда связано с присутствием в воздухе или воде небольших количеств органических примесей. При смешении свежего воздуха с выдыхаемым человеком интенсивность свечения повышалась в десятки раз! И это не удивительно: в выдыхаемом воздухе обнаружены микропримеси этилена, бензола, уксусного альдегида, формальдегида, ацетона, муравьиной кислоты. Они-то и «высвечиваются» озоном. В то же время «несвежий», т.е. полностью лишенный озона, хотя и очень чистый, воздух свечения не вызывает, а человек его ощущает как «затхлый». Такой воздух можно сравнить с дистиллированной водой: она очень чистая, практически не содержит примесей, а пить ее вредно. Так что полное отсутствие в воздухе озона, по-видимому, тоже неблагоприятно для человека, так как увеличивает содержание в нем микроорганизмов, приводит к накоплению вредных веществ и неприятных запахов, которые озон разрушает. Таким образом, становится понятной необходимость регулярного и длительного проветривания помещений, даже если в нем нет людей: ведь попавший в комнату озон долго в ней не задерживается - частично он распадается, а в значительной степени оседает (адсорбируется) на стенках и других поверхностях. Сколько должно быть озона в помещении, пока сказать трудно. Однако в минимальных концентрациях озон, вероятно, необходим и полезен.

Таким образом, озон это мина замедленного действия. Если его правильно использовать, то он будет служить человечеству, но стоит его начать использовать не по назначению, как это моментально приведет к глобальной катастрофе и Земля превратится в такую планету как Марс.