Химический элемент озон - формула, строение и основные свойства газа

История открытия

Озон был открыт в 1785 году. Нидерландский физик Мартин Ван Марум обнаружил вещество во время проводимых им опытов. Учёный пропустил через воздух электрический ток, после чего возник незнакомый запах. В результате реакции получился неизвестный газ синеватого цвета. По окислительным свойствам вещество оказалось сильнее кислорода. Кроме того, неизвестный газ воздействовал на ртуть при нормальных условиях и заставлял её терять характерный блеск и прилипать к стеклу.

Ван Марум полагал, что это была некая электрическая материя. Но он не считал его открытие важным. Только через половину столетия этим газом снова заинтересовались учёные.

Немец Кристиан Фридрих Шенбейн тщательно изучил нераскрытую материю и её свойства. В 1840 году он дал веществу название «озон», что на греческом означает «пахнуть». Такое наименование было связано со специфическим запахом газа. По ошибке многие считают, что именно Шенбейн был первооткрывателем этой материи. Учёный провёл эксперимент, в ходе которого озон вытеснял иод из иодида калия. Эта качественная реакция позволяет определить наличие вещества при помощи иодкрахмальной бумаги, которая приобретает синий оттенок.

В 1860 году было доказано, что при превращении кислорода в озон объём газа уменьшался. Для опытов химики Тэт и Эндрюс использовали стеклянную трубку с манометром, наполненную O2, с впаянными в неё проводниками из платины, которые способствовали получению электрического заряда.

В 1880 году французские учёные Готфейль и Шаппюи смогли получить вещество из кислорода при температуре -23^oC. Когда газ медленно сжимался, он постепенно приобретал тёмно-синий оттенок. Затем давление резко сбросили, а температура ещё понизилась, что привело к образованию фиолетовых капель жидкого озона. Если вещество не охлаждали или быстро сжимали, тогда оно переходило в кислород с мгновенной жёлтой вспышкой.

Способы получения

Газ образуется во многих процессах, которые сопровождаются выделением атомарного кислорода. Озон формируется при разложении пероксидов, окислении фосфора и т. д.

В промышленной сфере вещество получают в специальном оборудовании, которое называют озонатор. Через воздух проводят электрическую искру, которая даёт реакцию 3O2→cur2O3. Получившийся газ отделяют фракционной перегонкой.

В лабораторных условиях используют пероксид бария, который обрабатывают концентрированной серной кислотой. В результате реакции получаются сульфат бария и озон.

В медицинских учреждениях, где вещество применяют для оздоровления пациентов, средство получают путём облучения кислорода ультрафиолетом. Именно этим способом газ образуется и в атмосфере нашей планеты под воздействием солнца.

Вещество в атмосфере

В атмосфере Земли озон находится в объёме 4 млрд тонн. Его концентрация растёт с удалением от поверхности планеты. Максимальное количество газа находится в стратосфере. Озоновый слой наблюдается на высоте 20−25 км от Земли. Хотя озона в атмосфере не так много, его хватает для обеспечения жизни на планете. Газ создаёт особый защитный слой, который не даёт опасным ультрафиолетовым лучам достичь поверхности Земли.

В последние годы специалисты уделяют много внимания появлению «озоновых дыр». В этих областях наблюдается значительно уменьшенный объём стратосферного вещества. Через такой тонкий газовый слой до Земли доходит жёсткое ультрафиолетовое излучение. Озон могут разрушать пыль, газы и различные естественные факторы.

Кроме того, существуют искусственные причины, воздействующие на озоновый слой. Например, фирмы создают фреоны с атомами хлора, которые используются в холодильной технике и для заполнения аэрозольных баллончиков. Эти соединения попадают в воздух, а затем постепенно поднимаются и достигают озонового слоя. Под воздействием солнечной радиации фреоны разлагаются и разрушают его.

Также следует учитывать тот факт, что сегодня люди вдыхают больше озона, чем в далёком прошлом. Это связано с загрязнением воздуха большими объёмами метана и оксидов азота.

Физические особенности

Вещество представляет аллотропную модификацию кислорода, состоящую из трёхатомных молекул. Химическая формула озона и обозначение — O³. При нормальных условиях вещество выглядит как голубой ядовитый газ с резким запахом, напоминающим металлический аромат. При сжижении преобразуется в жидкость оттенка индиго. В твёрдом состоянии выглядит как тёмно-синие или чёрные кристаллы. Полярная молекула отличается уголковым строением. Между атомами имеется две связи О-О.

Основные физические свойства озона:

• молярная масса — 48 а. е. м.;
• температура кипения — 111,8^oC;
• температура плавления — 197,2^oC;
• растворимость в воде при 0^о — 0,394 кг/м³.

Плотность озона в газообразном состоянии равна 2,1445 г/дм³, в жидком — 1,59 г/см³, в твёрдом — 1,73 г/см³. Ещё одна важная характеристика вещества — его молекулярная кристаллическая решётка.

O³ растворяется в воде в 10 раз быстрее, чем кислород. А с наличием примесей реакция ускоряется в несколько раз. В виде газа озон выступает диамагнетиком, а в жидком состоянии — слабым парамагнетиком. Производная кислорода отлично растворяется во фреонах с образованием стабильных растворов, которые возможно перевозить. Жидкий озон можно смешивать с азотом, аргоном, метаном, фтором, углекислотой и тетрахлоруглеродом в том же агрегатном состоянии.

Химическая природа

Молекулы озона отличаются неустойчивостью. После образования они существуют около 10−30 минут, а затем начинают разлагаться, образуя кислород и большой объём тепла. Если температура окружающей среды будет высокой, тогда процесс реакции ускорится. Тот же эффект наблюдается и при понижении атмосферного давления.

Среди химических свойств озона следует выделить его высокую реакционную способность. Он окисляет металлы (за исключением платины, золота и иридия), органические вещества, а также повышает степень окисления у оксидов. Действующим началом газа в качестве окислителя выступает атомарный кислород, который образуется при распаде молекулы озона. Однако в некоторых случаях в окислении участвуют все три атома элемента. Озон считается сильным окислителем, хотя уступает в этом плане фтору и фториду кислорода.

Если смешать озон с концентрированным раствором аммиака, получится нитрит аммония с выделением белого дыма. Вещество также способно «чернить» изделия из серебра, образуя AgO и Ag2O3.

Молекула газа становится стабильнее, если она превращается в отрицательный ион О3-. Такие анионы содержатся в озонидах (озонокислых солях). Соединения разлагаются во время хранения или при избытке H2O. Озонокислые соли хорошо растворяются в жидком аммиаке.

Озон разрушает все органические вещества, с которыми он контактирует. При реакции выделяется большое количество энергии. К примеру, такие вещества, как эфир, спирт или метан, самовоспламеняются, когда они соприкасаются с озонированным воздухом. При смешении этилена и озона произойдёт сильный взрыв.

Газ способен уменьшать токсичность некоторых веществ. Например, он может окислить цианиды до цианатов, которые безопаснее для живых организмов.

Области использования

В Российской Федерации озон относится к группе вредных веществ первого класса опасности. Сильные окислительные свойства делают его опасным для здоровья человека. Однако вещество широко используется в разных сферах.

Основные области применения озона:

• стерилизация медицинских инструментов;
• отбеливание бумаги;
• очистка нефтепродуктов и масел;
• лабораторный и промышленный синтез.

Озон применяется для дезинфекции одежды и помещений, озонирования растворов медицинского назначения. Также вещество используется в качестве дезинфицирующего средства при очистке воздуха и воды от вредных микроорганизмов.

Озонирование воды имеет много преимуществ перед хлорированием, поскольку в обработанной жидкости отсутствуют токсины. Кроме того, озон лучше растворяется в воде.

Если верить заявлениям озонотерапевтов, здоровье пациентов значительно улучшается, когда лечение включает пероральное или внутривенное применение вещества. Однако пока нет объективных клинических подтверждений терапевтического эффекта. Сегодня озонотерапию используют только в некоторых частных клиниках развитых стран, где она не считается лечебным методом. Поскольку доказано мутагенное и токсическое действие этого вещества, пациентов лечат озоном только с их согласия и лишь в тяжёлых случаях.

С начала XXI века многие компании начали выпускать бытовые озонаторы. Такие устройства предназначены для дезинфекции помещений. Перед их использованием необходимо прочитать инструкцию по применению техники. Поскольку некоторые фирмы не пишут в аннотациях о мерах безопасности при работе с озонаторами, не рекомендуется приобретать их продукцию.

Влияние на здоровье человека

Некоторые считают, что озон, как и кислород, полезен для организма. Многие люди любят гулять после дождя, когда в воздухе остаётся этот газ из-за грозы. Озон действительно разрушает токсические соединения и очищает кислород от вредных примесей. Из-за этого воздух после дождя свежий и приятный, а небо приобретает привлекательный лазурный оттенок.

Наличие в воздухе озона позволяет легче дышать, но сильный окислитель способен вызвать отравление и привести к летальному исходу. Негативные последствия происходят при превышении определённого порога концентрации и времени вдыхания этого вещества. Газ может вызывать мигрень, головокружения, раздражение слизистых органов зрения и обоняния, снижение артериального давления. Чрезмерное вдыхание вещества нередко способствует тому, что организм перестаёт сопротивляться бактериальным инфекциям дыхательной системы.

Учёные считают, что предельно допустимая концентрация (пдк) озона в воздухе составляет 0,1 мкг/л. Если человек проведёт несколько часов в помещении, где в воздухе будет содержаться больше 0,4 мкг/л вещества, у него появятся болезненные ощущения в груди, кашель и бессонница. Кроме того, возможно снижение остроты зрения. Более тяжёлые последствия наблюдаются при концентрации озона в воздухе свыше 2 мкг/л.

Опасный газ может образовывать с кислородом другое опасное вещество — пероксиацетилнитрат. Органическое соединение затрудняет дыхание и вызывает слезоточивость. Высокие концентрации этого вещества могут привести к параличу сердца.

Занимательные факты

Озон вызывает большой интерес не только у учёных, но и у обычных людей. Хотя это вещество ещё не полностью изучено, о нём уже имеется немало занимательной информации:

• Озон эффективно уничтожает бактерии и плесень.
• В малых концентрациях запах вещества может напоминать хлор, сернистый газ или даже чеснок.
• Озон образуется во время грозы, при ударе молнии и в рентгеновском оборудовании.
• Он применяется в стоматологии вместо антибиотиков.
• Для очистки воды вещество начали использовать в 1898 году во Франции.
• Во время Первой мировой войны его применяли в качестве антисептического средства.
• Самая большая озоновая дыра была обнаружена над Антарктидой в 1985 году. Это явление отличается диаметром свыше 1000 км.
• Молнии Кататумбо считаются крупнейшим одиночным генератором озона в тропосфере нашей планеты.

Вещество продолжают изучать не только из-за озоновых дыр, которые могут повлиять на будущее людей и всех других живых организмов. Хотя озон опасен, учёные считают, что он способен заменить многие лечебные средства при борьбе с тяжёлыми заболеваниями.