Немного истории
Первооткрывателем озона считается физик из Голландии Мартин ван Марум. В 1785 году при пропускании электрического разряда через колбу с воздухом он получил газ с запахом. Но описал его химик из Германии Х.Ф. Шенбейн только в 1840 году. Газ он назвал озоном, что в переводе с греческого обозначает «пахнущий». Таким образом, была проведена аналогия с выделяемым им запахом. А вот откуда взялся озон в атмосфере планеты, стало известно гораздо позже.
Два атома кислорода и еще один
Аллотропная модификация кислорода, что состоит их трех атомов, в химии носит название озон. Описать его можно как немного голубоватый газ с ярко выраженным запахом при нормальных условиях. При охлаждении он превращается сначала в жидкость синего цвета (индиго), а при переходе в твердое состояние образует кристаллы темно-синего или почти черного цвета. Молекулы газообразного озона в природе очень неустойчивы, но пока они существуют, вещество обладает сильными окислительными свойствами.
Природный озон
Всем известный озоновый слой планеты (озоносфера) – это стратосферный озон. Он находится на высоте 12-25 километров. На него приходится порядка 90% всего природного озона. Остальные 10% — это газ, который находится ниже. Он называется тропосферный озон. Кроме различного расположения в атмосфере эти два газа имеют и совершенно разное значение
Откуда взялся озон в древней атмосфере
Голубой газ возник в атмосфере планеты в результате очень сложной фотохимической реакции. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и космической радиации, при распаде молекул воды к двухатомному кислороду присоединяется третий атом и образуется аллотропный атом озона. Эта реакция протекает в верхних слоях атмосферы планеты и сегодня. Всего по объему этот газ занимает 0,6 части на миллион – это значит, что в кубометре атмосферы содержится 0,6 сантиметра кубического озона. Вот откуда взялся озон в атмосфере нашей планеты.
Озон и жизнь на планете
На высоте 25 километров этот газ сосредоточен очень тонким слоем. Но роль его для жизни очень значительна. Откуда взялся озон на Земле, мы уже знаем. Он служит щитом для ультрафиолетового излучения — губительного для всего живого. Именно благодаря поглощению этого ультрафиолета, сопровождающегося образованием озона, происходит защита человечества от гибели. Скорость образования озона в среднем равна скорости его распада. Важность озона для жизни оценена человечеством. И 16 сентября весь мир отмечает день охраны озонового слоя планеты.
Приземный газ
Откуда взялся озон в атмосфере Земли, а в особенности приземный газ – вопрос не простой. И вариантов ответа подразумевает несколько. Главное, что образуется он все так же в результате фотохимических реакций и воздействия радиации или высоких энергий. Как смог в городах он образуется из своих предшественников (оксидов азота, углеводородов) под воздействием температуры и солнечного излучения. А в период летней жаркой погоды концентрация газа повышается с четко выраженным суточным ритмом. Максимум достигается в полдень, а минимум в ранние утренние часы. Повышению концентрации озона способствуют нисходящие потоки воздуха и высокая температура.
Озон или кислород?
Если кислород – источник жизни всего живого, то приземный озон – ее погибель. Недавние исследования биологов подтвердили его губительное действие на легкие нашей планеты – на растения. Под действием озона поры в листьях растений сокращаются, а процессы фотосинтеза подавляются. Компьютерная модель показала снижение потребления растениями углекислого газа на 23%. А это уже серьезная угроза для жизни на всей планете.
Озон как ресурс
Человечество издавна ищет способы использовать в своей деятельности все ресурсы, которые может предоставить Земля. И вне зависимости от того, откуда взялся озон в атмосфере, он не стал исключением. Сильнейший окислитель нашел применение в стерилизации инструментов, в дезинфекции помещений и одежды, в очистке промышленной, сточной и питьевой воды. В перспективных производствах им заменяют хлор при отбеливании целлюлозы. Ведутся разработки в использовании жидкого озона как ракетного топлива. А о косметике, обогащенной этим газом, знают все женщины мира.
Озоновый щит и дыры в нем
Для современной цивилизации вопрос состоит не в том, откуда взялся озон, а как сохранить защитный слой этого газа и не погибнуть в потоке ультрафиолета и космической радиации. А чтобы понять, как его сберечь, необходимо знать причины его разрушения. Сосредоточим внимание на причинах разрушения озонового слоя связанных с антропогенной деятельностью:
• Развитие сверхвысокой авиации способствует повышению в атмосфере азотистых продуктов сгорания топлива, которые становятся разрушителями озона в атмосфере.
• Следующая причина также связана с повышением концентрации азотистых оснований в атмосфере и это применение в сельскохозяйственной деятельности азотных удобрений.
• Всем известные фреоны, которые широко применяются при производстве распылителей, холодильников и кондиционеров. В верхних слоях атмосферы они посредством фотохимических реакций выделяют атомы хлора. А они в свою очередь губят озоновый слой, соединяясь в хлористые основания.
Перейти на… Форзац 1 Форзац 2 Вступительное слово Глава I. Введение § 1. Химия. Вещество, химический элемент, атом § 2. Простые и сложные вещества. Вещества молекулярного и немолекулярного строения § 3. Основные классы неорганических соединений § 3.1. Оксиды § 3.2. Кислоты § 3.3. Основания § 3.4. Соли § 3.5. Взаимосвязь между классами неорганических соединений § 4. Количественные характеристики вещества § 5. Основные законы химии. Закон постоянства состава вещества. Закон сохранения массы веществ § 6. Закон Авогадро как один из основных законов химии § 6.1. Молярная концентрация газа Глава II. Введение § 7. Строение атома § 8. Явление радиоактивности § 9. Состояние электрона в атоме § 10. Периодический закон в свете теории строения атома § 11. Периодичность изменения свойств атомов химических элементов и образуемых ими веществ § 12. Значение периодического закона и периодической системы Д. И. Менделеева для развития науки Глава III. Введение § 13. Природа и типы химической связи § 14. Свойства химических связей § 14.1. Гибридизация атомных орбиталей Лабораторный опыт 1 § 15. Валентность и степень окисления § 16. Типы кристаллических структур § 17. Межмолекулярное взаимодействие и водородная связь Глава IV. Введение § 18. Классификация и общие характеристики химических реакций § 18.1. Окислительно-восстановительные реакции. Важнейшие окислители и восстановители. Окислительно-восстановительные процессы в природе, технике, быту § 19. Тепловые эффекты химических реакций § 20. Скорость химических реакций § 21. Факторы, влияющие на скорость химических реакций Лабораторный опыт 2 § 21.1. Закон действующих масс § 22. Химическое равновесие Практическая работа 1 Глава V. Введение § 23. Растворение как физико-химический процесс § 24. Приготовление растворов § 25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах § 26. Понятие о водородном показателе (рН) раствора Лабораторный опыт 3 § 27. Химические свойства кислот, оснований, солей в свете теории электролитической диссоциации Лабораторный опыт 3.1* § 27.1. Гидролиз солей Лабораторный опыт 3.2* Практическая работа 2 Практическая работа 2.1* Глава VI. Введение § 28. Общая характеристика неметаллов § 29. Водород Лабораторный опыт 4 § 29.1. Водородные соединения неметаллов и металлов § 29.2. Пероксид водорода § 30. Галогены § 31. Соединения галогенов § 32. Элементы VIА-группы. Кислород и сера § 33. Водородные соединения кислорода и серы § 34. Кислородные соединения серы § 35. Серная кислота Лабораторный опыт 5 § 36. Элементы VА-группы. Азот и фосфор § 37. Аммиак Лабораторный опыт 6 § 37.1. Оксиды азота(II) и (IV) § 38. Азотная кислота § 39. Кислородсодержащие соединения фосфора Лабораторный опыт 6.1* § 40. Важнейшие минеральные удобрения § 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний § 42. Угольная и кремниевая кислоты, их соли Практическая работа 3 Практическая работа 3.1* Глава VII. Введение § 43. Металлы. Общая характеристика § 44. Общие химические свойства металлов Лабораторный опыт 7 § 45. Общие способы получения металлов § 45.1. Получение металлов электролизом водных растворов солей § 46. Щелочные металлы § 47. Металлы IIA-группы периодической системы Лабораторный опыт 8 § 48. Алюминий и его соединения Лабораторный опыт 9 § 48.1. Общая характеристика металлов B-групп § 48.2. Общая характеристика кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов металлов В-групп § 49. Железо и его соединения § 50. Важнейшие соединения железа § 50.1. Соединения хрома в различных степенях окисления § 50.2. Соединения марганца в различных степенях окисления § 50.3. Применение и биологическая роль металлов В-групп и их соединений Лабораторный опыт 9.1* Практическая работа 4 Практическая работа 4.1* Глава VIII. Введение § 51. Роль химии в развитии цивилизации § 51.1. Химия и сельское хозяйство § 52. Химическая промышленность Республики Беларусь в интересах устойчивого развития страны § 53. Охрана окружающей среды от вредного воздействия химических веществ. «Зелёная химия» Практическая работа 7* Приложения Предметный указатель Ответы на расчётные задачи Ответы на расчётные задачи* Ответы на тестовые задания (самоконтроль)* Видео «Растворение в разбавленной соляной кислоте меди, железа и магния» (§20, с.113) Видео «Электролиз раствора сульфата меди (II)» (§ 45-1, рис. 27) Видео «Электролиз раствора иодида калия и добавления раствора фенолфталеина и крахмального клейстер» (§45-1, рис. 28)
Озон O образуется в воздухе во время грозы и при окислении смолы хвойных деревьев. В верхних слоях атмосферы образование озона происходит под действием ультрафиолетового излучения Солнца.
Рис. \(1\). Молния
В лаборатории озон получают в приборах озонаторах при действии на кислород электрическим разрядом:
3O=2O.
При обычных условиях озон представляет собой бесцветный (в толстых слоях — голубой) газ. Он в \(1,7\) раза тяжелее воздуха. Сжижается озон при температуре \(–11\)\(2\) °С. Температура плавления — \(–197\) °С. В отличие от кислорода имеет запах
Озон сильно ядовит. Он губительно действует на бактерии, поэтому находит применение для обеззараживания воздуха и питьевой воды.
В воздушной оболочке Земли на высоте \(25\)–\(30\) км существует озоновый слой. Содержащийся в нём озон образуется из кислорода под действием солнечного излучения. Озоновый экран защищает все живые организмы, обитающие на Земле, от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей. Если бы не было озонового слоя, то жизнь на Земле была бы невозможна.
Молекулы озона неустойчивы и легко разлагаются с образованием молекулярного и атомарного кислорода:
O=O+O.
Образованием атомарного кислорода объясняются более сильные окислительные свойства озона по сравнению с кислородом. В атмосфере озона самовоспламеняются фосфор, этиловый спирт, скипидар, для сжигания которых в кислороде необходимо первоначальное нагревание.
ИСТОРИЯ и ОБЩЕСТВО
ПУТЕШЕСТВИЯ и ГЕОГРАФИЯ
ИСКУССТВО и КУЛЬТУРА
НАУКА и ТЕХНИКА
ЗДОРОВЬЕ и СПОРТ
Получение и физические свойства озона.
Также по теме:
Также по теме:
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.
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.
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.
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.
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.
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 иодкрахмальная бумажка еще и не собирается синеть. Одним людям запах озона в малых концентрациях напоминает запах хлора, другим – сернистого газа, третьим – чеснока.
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, аргоно-дуговой сварки. Для уменьшения вредного действия озона необходимо оборудование вытяжки у ультрафиолетовых ламп, хорошее проветривание помещения.
Илья Леенсон
Также по теме:
Литература:
Ш.Роун. Озоновый кризис. Пятнадцатилетняя эволюция неожиданной глобальной опасности. М., Мир, 1993
И.А.Леенсон. 100 вопросов и ответов по химии. М., Астрель, 2002
Проверь себя!
Какой музыкальный инструмент не может звучать в закрытом помещении?
Информация получена с сайтов:
, 
, 
, 
, 