Озоновый слой и его место в природе

Озон — вещество, молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Химическая формула озона – O³. В нормальных условиях озон представляет собой голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде образует тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.

Озон обладает характерным запахом, который легко почувствовать после грозы. В 1785 году озон впервые был получен искусственным путем. Это сделал голландский физик М. ван Марум, пропуская через воздух электрические искры. Однако ван Марум решил, что получил не новое вещество, а особую «электрическую материю».

Термин озон, образованный от древнегреческого глагола «озо» – «пахну», предложил в 1840 г. немецкий химик X.Ф. Шёнбейном, часто именно его называют первооткрывателем озона.

Роль, которую играет озон для человека и для всего живого на Земле стала ясна с открытием озонового слоя. В 1912 году французским физикам Шарлю Фабри и Анри Буиссону с помощью спектроскопических измерений удалось доказать, что в отдалённых слоях атмосферы существует озон, предохраняющий поверхность планеты от губительного воздействия ультрафиолетового солнечного излучения.

Атмосферный озон играет важную роль, защищая растения и животных. Однако тропосферный озон является загрязнителем, который может угрожать здоровью людей и животных, а также повреждать растения.

Химические свойства озона

Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Химическая формула этого – O ₃.
Реакция образования озона:
3O ₂ + 68 ккал/моль (285 кДж/моль) ⇄ 2O ₃.
Молекула озона неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно превращается в двухатомный кислород с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость разложения озона. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.
Химическая активность озона очень велика, это мощный окислитель. Он окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) и многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.

Физические свойства озона

Молекулярная масса — 48 а.е.м.
Плотность озона при нормальных условиях — 2,1445 г/дм ³.
Относительная плотность озона по кислороду 1,5; по воздуху — 1,62.
Плотность жидкости при −183 °C — 1,71 г/см ³
Температура кипения озона — −111,9 °C. Жидкий озон — тёмно-фиолетового цвета.
Температура плавления — −197,2 ± 0,2 °С. В твёрдом состоянии — чёрного цвета с фиолетовым отблеском.
Растворимость в воде при 0 °С — 0,394 кг/м ³ (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом.
Запах — резкий, специфический «металлический» (Менделеев писал, что озон пахнет раками). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1 к 100000.

Биологические свойства озона и его влияние на организм человека

Высокая окисляющая способность и то, что во многих химических реакциях, протекающих с участием озона, образуются свободные радикалы кислорода, делают этот газ крайне опасным для человека.

Как озон влияет на человека:

Раздражает и повреждает ткани органов дыхания;
Воздействует на холестерин в крови человека, образуя нерастворимые формы, что приводит к атеросклерозу;
Долгое нахождение в среде с повышенной концентрацией озона может стать причиной мужского бесплодия.

Российской Федерации озон 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.) – 0,03 мг/м³
Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м³ (при этом, порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м³).

Высокую токсичность озона, а именно – его способность эффективно убивать плесень и бактерии, используют для дезинфекции. Применение озона вместо средств дезинфекции на основе хлора позволяет существенно сократить загрязнение окружающей среды хлором, опасным, в числе прочего, и для стратосферного озона. Стратосферный озон играет роль защитного экрана для всего живого на земле, препятствуя проникновению к поверхности Землю жесткого ультрафиолетового излучения.

Стратосферный, тропосферный и приземный озон

Озоновый экран, защищающий Землю от жесткого ультрафиолетового излучения, находится на высоте от 12 до 50 км – в стратосфере, поэтому озон, образующий его, называют стратосферным.

Озон, образующий стратосферный экран, это продукт естественных реакций, проходящих под воздействием солнечного ультрафиолета.

Слой атмосферы, расположенный в непосредственной близости к поверхности Земли (на высоте от 0 до 10 км) называют тропосферой. Озон, находящийся в нем, получил название приземного или тропосферного. Источник озона в тропосфере – химические реакции, в которые вступают окислы азота (NO_x) и летучие органические соединения (ЛОС). Основные источники NOx и ЛОС – выбросы промышленных предприятий и тепловых электростанций, выхлопные газы автомобильного транспорта, бензиновые пары и химические растворители.

Приземный озон – вредоносный загрязнитель, опасный для здоровья человека.

Вредные и полезные свойства озона

Озон присутствует в двух слоях атмосферы. Тропосферный или приземный озон, находящийся в ближайшем к поверхности Земли слое атмосферы—в тропосфере – опасен. Он вреден и для человека, и для других живых организмов. Он губительно воздействует на деревья, посевы сельскохозяйственных культур. Кроме того, тропосферный озон—один из главных „ингредиентов“ городского смога.

В тоже время стратосферный озон очень полезен. Разрушение образованного им озонового слоя (озонового экрана) приводит к тому, что поток ультрафиолетового излучения на земную поверхность увеличивается. Из-за этого возрастает количество заболеваний раком кожи (в том числе наиболее опасного его вида—меланомы), случаев катаракты. Воздействие жесткого ультрафиолета ослабляет иммунитет. Избыточное УФ-излучение может также стать проблемой для сельского хозяйства, так как посевы некоторых культур чрезвычайно чувствительны к ультрафиолету.

В то же время следует помнить, что озон – ядовитый газ, и на уровне земной поверхности он является вредоносным загрязнителем. Летом из-за интенсивного солнечного излучения и жары в воздухе образуется особенно много вредоносного озона.

Взаимодействие озона и кислорода друг с другом. Сходства и различия

Озон – аллотропная форма кислорода. Аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ. В данном случае и озон (O3) и кислород (O₂) образованы химическим элементом О.

Получение озона из кислорода

Как правило, исходным веществом для получения озона выступает молекулярный кислород (O₂), а сам процесс описывается уравнением 3O₂ → 2O₃. Эта реакция эндотермична и легко обратима. Для смещения равновесия в сторону целевого продукта (озона) применяются определенные меры.

Один из способов получения озона – использование дугового разряда. Термическая диссоциация молекул резко возрастает с ростом температуры. Так, при Т=3000К — содержание атомарного кислорода составляет ~10 %. Температуру в несколько тысяч градусов можно получить при помощи дугового разряда. Однако при высокой температуре озон разлагается быстрее молекулярного кислорода. Чтобы предотвратить это, можно сместить равновесие, сначала нагрев газ, а затем резко его охладив. Озон в данном случае—промежуточный продукт при переходе смеси O₂+O к молекулярному кислороду.

Максимальная концентрация O₃, которую можно получить при таком способе производства, достигает 1 %. Этого достаточно для большинства промышленных целей.

Окислительные свойства озона

Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный по сравнению с двухатомным кислородом. Окисляет почти все металлы и многие неметаллы с образованием кислорода:

2 Cu²⁺_(aq) + 2 H₃ O⁺_(aq) + O_3(g) → 2 Cu³⁺_(aq)+ 3 H₂ O₍₁₎ + O_2(g)

Озон может участвовать в реакциях горения, температура горения при этом выше, чем при горении в атмосфере двухатомного кислорода:

3 C ₄ N ₂ + 4 O ₃ → 12 CO + 3 N ₂