1 Озон: свойства, получение

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: 0₂. 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 [2].

Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу 0₃ (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 [4].

Озон - высокоактивная, аллотропная форма кислорода. Образование озона из кислорода выражают уравнением

3О2= 20₃ - 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.

Показатели	Значение
Молекулярная масса Плотность по воздуху Плотность при нормальной температуре и давлении Критическая температура Критическая плотность Критический объем Теплота образования (18°С) Теплота растворения (Н20, 18°С) Теплопроводность (25°С)	47,998 1,624 г/см3 2,1415 г/л -12,1 °С 0,437 г/см3 147,1см3/моль 143,2 кДж/моль 16,33 кДж/моль 13,8*10 см2*Дж/с

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 [3].

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

0₃->0₂ + 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 Оˉ₃ может образовываться и в реакциях с органическими соединениями [5].

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.