Озон - это газ голубого цвета. Свойства и применение газа. Озон в атмосфере. Озон польза и вред для организма человека
Введение
Озон (О 3) является трехатомной модификацией кислорода (О 2), который при нормальных условиях представляет из себя газ. Озон - очень сильный окислитель, поэтому его реакции обычно очень быстрые и полные. Основные преимущества применения озона для обработки питьевой воды содержатся в самой его природе: результатом его реакции является только кислород и продукты окисления. Вредные побочные продукты, такие как хлорорганические соединения, при этом не образуются.
Газ голубоватого цвета озон (О 3) имеет характерный запах. Молекула озона нестабильна. Благодаря свойству самораспада озон является сильным окислителем и наиболее эффективным средством для очистки и обеззараживания воды и воздуха. Сильные окислительные свойства позволяют использовать озон в промышленных целях для получения многих органических веществ, для отбеливания бумаги, масел и т.д. Широко используется озон для удаления марганца и железа, улучшения вкуса, устранения цвета и запаха, а также для удаления органических соединений, опасных для окружающей среды. Он убивает микроорганизмы, поэтому озон применяют для очистки воды и воздуха. Установки по очистке воды и озонированию воздуха получили огромное распространение не только в промышленности, но и в быту.
Озон является постоянным компонентом атмосферы земли играет важнейшую роль для поддержания на ней жизни. В приземных слоях земной атмосферы концентрация озона резко возрастает. Общее состояние озона в атмосфере переменное, и колеблется в зависимости от времен года. Атмосферный озон играет ключевую роль для поддержания жизни на земле. Он защищает Землю от губительного воздействия определенной роли солнечной радиации, способствуя тем самым сохранению жизни на планете.
Таким образом, необходимо узнать, какие же действия может оказывать озон на биологические ткани.
Общие свойства озона
Озон - состоящая из трехатомных молекул О 3 аллотропная модификация кислорода. Его молекула диамагнитна и имеет угловую форму. Связь в молекуле является делокализованной, трехцентровой
Строение молекулы озона можно изобразить разными способами. Например, комбинацией двух крайних (или резонансных) структур. Каждая из таких структур не существует в реальности (это как бы "чертеж" молекулы), а настоящая молекула представляет собой нечто среднее между двумя резонансными структурами.
Рис. 1 Строение озона
Обе связи O-O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Ангстрем. Угол между связями составляет 116,78°. Центральный атом кислорода sp ²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов. Молекула полярна, дипольный момент 0,5337 D.
Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 ->3О2) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OH
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
История открытия
Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретаетвоздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности действовать на ртуть при обыкновенной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Однако как новое вещество он описан не был, ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя».
Термин озон был предложен немецким химиком X. Ф. Шёнбейном в 1840 году за его пахучесть, вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему отдают приоритет открытия озона в 1839 году. В 1840 году Шёнбейн показал способность озона вытеснять иод из иодида калия:
Факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон экспериментально доказали Эндрюс и Тэт при помощи стеклянной трубки с манометром, наполненной чистым кислородом, со впаянными в неё платиновыми проволками для получения электрического разряда.
Озон - газ, обладающий синим цветом, который можно заметить, если смотреть через значительный слой, до 1 метра толщиной, озонированного кислорода. В твёрдом состоянии озон чёрного цвета с фиолетовым отблеском. Жидкий озон обладает густым синим цветом; прозрачен в слое, не превышающем 2 мм. толщины; довольно прочен.
Свойства:
§ Молекулярная масса - 48 а.е.м.
§ Плотность газа при нормальных условиях - 2,1445 г/дм³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху - 1,62
§ Плотность жидкости при −183 °C - 1,71 г/см³
§ Температура кипения - −111,9 °C. (у жидкого озона - 106 °C.)
§ Температура плавления - −197,2 ± 0,2 °С (приводимая обычно т.пл. −251,4 °C ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению).
§ Растворимость в воде при 0 °С - 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом.
§ В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком - слабопарамагнитен.
§ Запах - резкий, специфический «металлический» (по Менделееву - «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1: 100000.
Xимuчecкие свойства.
Химические свойства озона определяются его большой способностью к окислению.
Молекула О 3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O 2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер.
Озон - мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления.
Свойства:
1) Окисляет многие неметаллы:
2) Озон повышает степень окисления оксидов:
3) Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием диоксида углерода:
4) Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:
5) Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
6) С помощью озона можно получить Серную кислоту как из элементарной серы, так и из диоксида серы:
7) Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:
8) В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:
15) Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием осадка, который может быть отделён фильтрованием:
16)Озон превращает токсичные цианиды в менее опасные цианаты:
17)Озон может полностью разлагать мочевину
Способы получения озона
Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.
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.
Крайне ценными для всего человечества свойствами обладает такой газ, как озон. Химический элемент, которым он образован, - О. На самом деле, озон О 3 - одна из аллотропных модификаций оксигена, состоящая из трёх формульных единиц (О÷О÷О). Первое и более известное соединение - это сам кислород, точнее газ, который образован двумя его атомами (О=О) - О 2 .
Аллотропия - это способность одного химического элемента образовывать ряд различных по свойствам простых соединений. Благодаря ей человечество изучило и использует такие вещества, как алмаз и графит, моноклинная и ромбическая сера, кислород и озон. Химический элемент, имеющий такую способность, не обязательно ограничен только двумя модификациями, у некоторых их больше.
История открытия соединения
Составляющая единица многих органических и минеральных веществ, в том числе и такого как озон - химический элемент, обозначение которого О - оксиген, в переводе с греческого «oxys» - кислый, и «gignomai» - рождать.
Впервые новую во время опытов с электрическими разрядами обнаружил в 1785 году голландец Мартин ван Марун, его внимание привлёк специфический запах. А веком позже француз Шенбейн отметил присутствие такого же после грозы, в результате чего газ был назван «пахнущий». Но учёные несколько обманулись, считая, что их обоняние учуяло сам озон. Запах, который они чувствовали, принадлежал окисленным при взаимодействии с О 3 , так как газ очень реакционноспособен.
Электронное строение
Один и тот же структурный фрагмент имеют О2 и О3 - химический элемент. Озон имеет более сложное строение. В кислороде же всё просто - два атома оксигена соединены двойной связью, состоящей из ϭ- и π-составляющей, согласно валентности элемента. О 3 имеет несколько резонансных структур.
Кратная связь соединяет два кислорода, а третий имеет одинарную. Таким образом, вследствие миграции π-составляющей, в общей картине три атома имеют полуторное соединение. Эта связь короче, чем одинарная, но длиннее, чем двойная. Вероятность цикличности молекулы проведённые учёными эксперименты исключают.
Методы синтеза
Для образования такого газа, как озон, химический элемент оксиген должен находиться в газообразной среде в виде отдельных атомов. Такие условия создаются при соударении молекул кислорода О 2 с электронами во время электрических разрядов или другими частицами с большой энергией, а также при его облучении ультрафиолетом.
Львиная доля от общего количества озона в естественных условиях атмосферы образуется фотохимическим способом. Человек предпочитает в химической деятельности использовать другие методы, такие как, например, электролитический синтез. Он заключается в том, что в водную среду электролита помещают платиновые электроды и пускают ток. Схема реакции:
Н 2 О + О 2 → О 3 + Н 2 + е -
Физические свойства
Кислород (О) - составная единица такого вещества как озон - химический элемент, формула которого, а также относительная молярная масса указаны в таблице Менделеева. Образуя О 3 , оксиген приобретает свойства, кардинально отличающиеся от свойств О 2 .
Газ голубого цвета - это обычное состояние такого соединения, как озон. Химический элемент, формула, количественные характеристики - все это определили при идентификации и изучении данного вещества. для него -111,9 °C, сжиженное состояние имеет темно-фиолетовый окрас, при дальнейшем понижении градуса до -197,2 °C начинается плавление. В твёрдом агрегатном состоянии озон приобретает чёрный цвет с фиолетовым отливом. Растворимость его в десять раз превышает это свойство кислорода О 2 . При самых незначительных концентрациях в воздухе чувствуется запах озона, он резок, специфичен и напоминает запах металла.
Химические свойства
Очень активным, с реакционной точки зрения, является газ озон. Химический элемент, который его образует - это кислород. Характеристики, определяющие поведение озона во взаимодействии с другими веществами, - это высокая окисляющая способность и неустойчивость самого газа. При повышенных температурах он разлагается с небывалой скоростью, процесс ускоряют и катализаторы, такие как оксиды металлов, азота и другие. Свойства окислителя присущи озону благодаря особенностям строения молекулы и подвижности одного из атомов оксигена, который отщепляясь, превращает газ в кислород: О 3 → О 2 + О·
Оксиген (кирпичик, из которого построены молекулы таких веществ, как кислород и озон) - химический элемент. Как пишется в уравнениях реакции - О·. Озон окисляет все металлы, за исключением золота, платины и его подгруппы. Он реагирует с газами, находящимися в атмосфере - оксидами серы, азота и прочими. Не остаются инертными и органические вещества, особенно быстро идут процессы разрывов кратных связей через образования промежуточных соединений. Крайне важно, что продукты реакций являются безвредными для окружающей среды и человека. Это вода, кислород, высшие оксиды различных элементов, окислы углерода. Во взаимодействие с озоном не вступают бинарные соединения кальция, титана и кремния с кислородом.
Применение
Основная область, где применяется «пахнущий» газ - это озонирование. Подобный метод стерилизации гораздо эффективнее и безопаснее для живых организмов, чем дезинфекция хлором. При не происходит образование токсичных производных метана, замещенных опасным галогеном.
Всё чаще такой экологический метод стерилизации находит применение в пищевой отрасли промышленности. Озоном обрабатывают холодильное оборудование, складские помещения для продуктов, с помощь него проводят устранение запахов.
Для медицины дезинфицирующие свойства озона также незаменимы. Им обеззараживают раны, физиологические растворы. Озонируют венозную кровь, а также «пахнущим» газом лечат ряд хронических заболеваний.
Нахождение в природе и значение
Простое вещество озон - элемент газового состава стратосферы, области околоземного пространства, расположенной на расстоянии порядка 20-30 км от поверхности планеты. Выделение этого соединения происходит во время процессов, связанных с электрическими разрядами, при сварке, работе аппаратов ксерокса. Но именно в стратосфере образуется и содержит 99% от общего количества озона, находящегося в атмосфере Земли.
Жизненно важным оказалось присутствие газа в околоземном пространстве. Он образует в нем так называемый озоновый слой, который защищает всё живое от смертельного ультрафиолетового излучения Солнца. Как ни странно, но наравне с огромной пользой, сам газ опасен для людей. Повышение концентрации озона в воздухе, которым дышит человек, вредно для организма, вследствие его крайней химической активности.
Принято различать два вида озона:
- тропосферный озон , образующийся в нижних слоях атмосферы Земли ниже 8-12 км. На тропосферный озон приходится около 10% всего атмосферного озона.
- стратосферный озон , образующийся в верхних слоях атмосферы Земли выше 12 км.
Концентрация озона в атмосфере очень незначительна: до одной тысячной доли процента от общего объема атмосферы Земли (до 0,001 %).
Озоновый слой (озоносфера) – это область атмосферы Земли , в которой происходит активное образование озона. Озоносфера начинается на уровне 10-12 км от поверхности Земли и простирается до высот 50-55 км, но больше всего озона содержится на высоте около 25 км.
Однако даже в зоне наибольшей концентрации озона в атмосфере находится не более 5-10 молекул озона на миллион молекул воздуха.
Если собрать весь озон, содержащийся в вертикальном столбе атмосферы при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С, то получится слой толщиной всего 3 мм.
При различных условиях количество озона в атмосфере может меняться примерно в 2 раза, так что высота однородной атмосферы озона может составлять то 0.2, то 0.4 см.
Концентрация озона в атмосфере и распределение озонового слоя над поверхностью Земли.
Озоносфера охватывает всю планету, но распределение озонового слоя над поверхностью Земли неравномерно. Образование большей части озона происходит над экватором, а в сторону полюсов О 3 переносится воздушными течениями. Но если взглянуть на карту распределения озонового слоя по широтам Земли, мы увидим, что как раз над экваториальными широтами содержание озона в атмосфере минимально.
На планете четко выделяется тропическая область недостаточного содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя О 3 около 0,26 см. К северу и югу от нее толщина слоя больше – 0,35 см. То есть толщина озонового слоя (концентрация озона в атмосфере) растет по направлению к полюсам.
Количество озона относительно велико в северных полярных широтах, далее убывает к югу, сравнительно мало в области между 35 с.ш. и 35 ю.ш., затем нарастает, и вторичный максимум приходится на 50 - 60 ю.ш. Над Антарктидой намечается новый "провал"".
Наибольшая концентрация озона в атмосфере приходится на следующие широты:
В Северном полушарии на широте 65-75°
В Южном полушарии на широте 50-60°
Почему же так происходит?
Почему над экватором озоновый слой тоньше, концентрация озона в атмосфере меньше?
Ведь, казалось бы, вполне логично предположить, что озона должно быть больше там, где он и образуется. Для объяснения этого феномена есть несколько причин. Рассмотрим их подробнее.
Причиной малой концентрации озона над экваториальными широтами является быстрый распад молекулы озона. Время жизни молекулы озона здесь составляет всего несколько часов.
Это связано, прежде всего, с высокой интенсивностью солнечного излучения в высоких слоях атмосферы экваториальных широт. Ультрафиолетовое излучение разбивает молекулы озона, также озон разрушается вследствие реакции с атомарным кислородом.
Оставшийся озон из-за большей плотности опускается в более нижние слои атмосферы и воздушными течениями переносится по направлению к полюсам Земли. Здесь время жизни молекулы озона уже значительно выше – около 100 дней.
Таким образом, концентрация озона в атмосфере над экватором получается ниже, чем над полярными широтами.
Это правило (увеличение концентрации озона от тропических к полярным областям и от более высоких слоёв к более низким) носит название принципов Дютша–Добсона и Добсона-Норманда соответственно.
2. Концентрация озона в атмосфере в зависимости от времени года.
В предыдущем пункте мы рассмотрели изменение концентрации озона в атмосфере в зависимости от географической широты. Но на концентрацию озона влияет также и время года. Особенно это заметно в полярных широтах, в средних широтах максимум (0.43 см) приходится на март, а минимум (0.27 см) - на октябрь.
Вообще, независимо от широты, максимум содержания озона в атмосфере приходится на конец зимы и весну, а минимум – на осень и начало зимы. Но с продвижением к северу и югу наступление максимума отодвигается на более поздние месяцы. Например, в Алма-Ате максимум толщины озонового слоя наблюдается в феврале, в Санкт-Петербурге – в марте, на о. Диксон – в мае.
Максимальное значение концентрации озона в атмосфере, зарегистрированное на земном шаре, составляет 0.76 см (это рекордное значение зарегистрировано на острове Кергелен 20 октября 1967 г.), а минимальное значение (в "озонных дырах"") равно 0.09 см.
3. Концентрация озона в атмосфере в зависимости от времени суток.
Концентрация озона в атмосфере может меняться более или менее случайным образом в течение суток и амплитуда этих изменений сравнима с амплитудой широтных и сезонных вариаций.
Междусуточные изменения содержания озона могут быть очень велики. Так, на озонометрической станции на острове Кергелен в 1968 году были получены следующие данные: 22 марта - 0.583 см; 23 марта - 0.749 см; 25 марта - 0.283 см.
Это была статья о концентрации озона в атмосфере Земли и границах озонового слоя. Читайте далее: Значение озонового слоя Земли – озоносферы. Воздействие ультрафиолетовых лучей Солнца на человека и другие живые организмы.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.
Озон - О3, аллотропная форма кислорода, являющаяся мощным окислителем химических и других загрязняющих веществ, разрушающихся при контакте. В отличие от молекулы кислорода, молекула озона состоит из трех атомов и имеет более длинные связи между атомами кислорода. По своей реакционной способности озон занимает второе место, уступая только фтору.
История открытия
В 1785 г. голландский физик Ван Ма-рум, 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 не известный науке газ со специфическим запахом. Имя “озон” было присвоено газу Шейнбейном из-за характерного запаха и происходит от греческого слова “озиен”, что значит “пахнуть”.
22 сентября 1896 г. изобретатель Н. Тесла запатентовал первый генератор озона.Физические свойства озона.
Озон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета. Температура кипения озона - 1120С, а температура плавления составляет - 1920С.
Благодаря своей химической активности озон имеет очень низкую предельно-допустимую концентрацию в воздухе (соизмеримую с ПДК боевых отравляющих веществ) 5·10-8 % или 0,1 мг/м3, что в 10 раз больше обонятельного порога для человека.Химические свойства озона.
Следует отметить прежде всего два основных свойства озона:
Озон в отличие от атомарного кислорода является относительно устойчивым соединением. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом чем выше концентрация, тем выше скорость реакции разложения. При концентрациях озона 12-15 % озон может разлагаться со взрывом. Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения 2О3>3О2 + 68 ккал экзотермична и сопровождается выделением большого количества тепла.
O3 -> О + О 2
О3 + О -> 2 О2
О2 + E- -> О2-Озон является одним из сильнейших природных окислителей. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения у фтора 2,4 В, а у хлора 1,7 В).
Озон окисляет все металлы за исключением золота и группы платины, доокисляет оксиды серы и азота, окисляет аммиак с образованием нитрита аммония.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра. В частности озон реагирует с фенолом с разрушением ядра. Озон активно взаимодействует с насыщенными углеводородами с разрушением двойных углеродных связей.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред, помещений и сточных вод.Биологические свойства озона.
Несмотря на большое количество исследований механизм недостаточно раскрыт. Известно, что при высоких концентрациях озона наблюдаются поражения дыхательных путей, легких и слизистой оболочки. Длительное воздействие озона приводит к развитию хронических заболеваний легких и верхних дыхательных путей.
Воздействие малыми дозами озона оказывает профилактическое и терапевтическое воздействие и начинает активно использоваться в медицине - в первую очередь для дерматологии и косметологии.
Кроме большой способности уничтожения бактерий озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов, например, жгутиковых и корненожек, при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях) и многих других патогенных микробов.Технологическое применение озона
В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. Столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличие от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ как, например, при окислении хлором или фтором.Вода:
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 году была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге.
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).Воздух:
Применение озона в системах очистки воды доказано в высшей степени эффективным, однако до сих пор не создано таких же эффективных и доказано безопасных воздухоочистительных систем. Озонирование считается нехимическим способом очистки и поэтому популярно среди населения. Вместе с тем, хроническое воздействие микро-концентраций озона на организм человека достаточно не изучено.
При очень незначительной концентрации озона воздух в помещении чувствуется приятным и свежим, а неприятные запахи ощущаются гораздо слабее. В противоположность распространенному мнению о благоприятном воздействии этого газа, которое приписывают в некоторых проспектах богатому озоном лесному воздуху, в действительности озон даже при большом разбавлении представляет собой очень токсичный и опасный раздражающий газ. Даже малые концентрации озона могут оказывать раздражающее действие на слизистые оболочки и вызывать нарушения центральной нервной системы, что ведет к появлению бронхита и головных болей.Медицинское применение озона
В 1873 г. Фоке наблюдал уничтожение микроорганизмов под воздействием озона и это уникальное свойство озона привлекло к себе внимание медиков.
История использования озона в медицинских целях берет свое начало в 1885 г., когда Чарли Кенворф впервые опубликовал свой доклад в Медицинской Ассоциации Флориды, США. Краткие сведения о применении озона в медицине обнаружены и до этой даты.
В 1911 г. М. Eberhart использовал озон при лечении туберкулеза, анемии, пневмонии, диабета и др. заболеваний. А. Вольф (1916) в период первой мировой войны применяет кислородно-озоновую смесь у раненых при сложных переломах, флегмонах, абсцессах, гнойных ранах. Н. Kleinmann (1921) применил озон для общего лечения “полостей тела”. В 30-х гг. 20 века Е.А. Фиш, зубной врач, начинает лечение озоном на практике.
В заявке на изобретение первого лабораторного прибора Фишем был предложен термин "CYTOZON", который и сегодня значится на генераторах озона, используемых в зубоврачебной практике. Йоахим Хэнзлер (1908-1981) создал первый медицинский генератор озона, который позволял точно дозировать озоно-кислородную смесь, и тем самым дал возможность широко применять озонотерапию.
Р. Auborg (1936) выявил эффект рубцевания язв толстой кишки под действием озона и обратил внимание на характер его общего воздействия на организм. Работы по изучению лечебного действия озона во время второй мировой войны активно продолжались в Германии, немцы успешно применяли озон для местного лечения ран и ожогов. Однако после войны практически на два десятилетия исследования были прерваны, что обусловлено появлением антибиотиков, отсутствием надежных, компактных генераторов озона и озоно-стойких материалов. Обширные и систематические исследования в области озонотерапии начались в середине 70-х гг., когда в повседневной медицинской практике появились стойкие к озону полимерные материалы и удобные для работы озонаторные установки.
Исследования in vitro , то есть в идеальных лабораторных условиях, показали что при взаимодействии с клетками организма озон окисляет жиры и образует пероксиды - вещества, губительные для всех известных вирусов, бактерий и грибков. По действию озон можно сравнить с антибиотиками, с той разницей, что он не “сажает” печень и почки, не имеет побочных явлений. Но, к сожалению, in vivo - в реальных условиях всё обстоит гораздо сложнее.
Озонотерапия одно время была весьма популярна - многие считали озон чуть ли панацеей от всех недугов. Но детальное изучение воздействия озона показало, что вместе с больными озон поражает и здоровые клетки кожи, легких. В результате в живых клетках начинаются непредвиденные и непрогнозируемые мутации. Озонотерапия так и не прижилась в Европе, а в США и Канаде официальное медицинское применение озона не легализовано, за исключением альтернативной медицины.
В России, к сожалению, официальная медицина так и не отказалась от столь опасного и недостаточно проверенного способа терапии. В настоящее время воздушные озонаторы и озонаторные установки получили широкое распространение. Малые генераторы озона используются в присутствии людей.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
Озон образуется из кислорода. Существует несколько способов получения озона, среди которых наиболее распространенными являются: электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда. Дабы избежать нежелательных окисей предпочтительнее получать озон из чистого медицинского кислорода используя электросинтез. Концентрацию получаемой озоно-кислородной смеси в таких аппаратах легко варьировать - либо задавая определенную мощность электрического разряда, либо регулируя поток входящего кислорода (чем быстрее кислород проходит через озонатор, тем меньше озона образуется).Электролитический метод синтеза озона осуществляется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных кислот и их соли (H2SO4, HClO4, NaClO4, KClO4). Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединяясь к молекуле кислорода образует озон и молекулу водорода. Этот метод позволяет получить концентрированный озон, однако он весьма энергоемкий, и поэтому он не нашел широкого распространения.
Фото-химический метод получения озона представляет из себя наиболее распространенный в природе способ. Образование озона происходит при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения. Этот метод не позволяет получать озон высокой концентрации. Приборы, основанные на этом методе, получили распространение для лабораторных целей, в медицине и пищевой промышленности.
Электросинтез озона получил наибольшее распространение. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций с большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.
В результате многочисленных исследований по использованию различных видов газового разряда для электросинтеза озона распространение получили аппараты использующие три формы разряда:
- Барьерный разряд - получивший наибольшее распространение, представляет из себя большую совокупность импульсных микроразрядов в газовом промежутке длиной 1-3 мм между двумя электродами, разделенными одним или двумя диэлектрическими барьерами при питании электродов переменным высоким напряжением частотой от 50 Гц до нескольких килогерц. Производительность одной установки может составлять от граммов до 150 кг озона в час.
- Поверхностный разряд - близкий по форме к барьерному разряду, получивший распространение в последнее десятилетие благодаря своей простоте и надежности. Так же представляет из себя совокупность микроразрядов, развивающихся вдоль поверхности твердого диэлектрика при питании электродов переменным напряжением частотой от 50 Гц до 15-40 кГц.
- Импульсный разряд - как правило стримерный коронный разряд, возникающий в промежутке между двумя электродами при питании электродов импульсным напряжением длительностью от сотен наносекунд до единиц микросекунд.
- Эффективны в очистке воздуха помещений.
- Не производят вредных побочных продуктов.
- Облегчают условия для аллергиков, астматиков и др.
В 1997 г. компании-производители озонаторов Living Air Corporation, Alpine Industries Inc.(ныне “Ecoguest”), Quantum Electronics Corp. и другие, нарушившие предписание ФТК США, решением судов были наказаны в административном порядке, включая запрет на дальнейшую деятельность некоторых из них на территории США. В тоже время частные предприниматели, продававшие генераторы озона c рекомендациями использовать их в помещениях с людьми, получили тюремные сроки заключения от 1 до 6 лет.
В настоящее время некоторые из этих западных компаний успешно развивают активную деятельность по реализации своей продукции в России.Недостатки озонаторов:
Любая система стерилизации, использующая озон, требует тщательного контроля техники безопасности, тестирование константы концентрации озона газоанализаторами, а также аварийного управления чрезмерной концентрацией озона.
Озонатор не рассчитан для работы в:
- среде, насыщенной электропроводящей пылью и водяными парами,
- местах, содержащих активные газы и пары, разрушающие металл,
- местах с относительной влажностью свыше 95 %,
- во взрыво- и пожароопасных помещениях.
Применение озонаторов для стерилизации воздуха в помещениях:
- удлиняет по времени процесс стерилизации,
- увеличивает токсичность и окисление воздушной среды,
- приводит к опасности взрыва,
- возращение людей в продезинфицированное помещение возможно только после полного разложения озона.
РЕЗЮМЕ.
Озонирование высокоэффективно для стерилизации поверхностей и воздушной среды помещения, однако эффект очистки воздуха от механических примесей отсутствует. Невозможность использования метода в присутствии людей и необходимость проводить обеззараживание в герметичном помещении серьезно ограничивает сферу его профессионального применения.
