Озон и его свойства

Что такое озон?

Озон — газообразное вещество, являющееся видоизменением кислорода (состоит из трех атомов его). Он всегда присутствует в атмосфере, но впервые был обнаружен в 1785 г. во время изучения действия искры на воздух голландским физиком Ван Марумом.

В 1840 г. немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн подтвердил эти наблюдения и предложил, что им открыт новый элемент, которому он дал название «озон» (от греческого ozon — пахнущий).

В 1850 г. была определена высокая активность озона как окислителя и способность его присоединяться к двойным связям в реакциях со многими органическими соединениями. Оба эти свойства озона в дальнейшем нашли широкое практическое применение.

Однако значение озона не ограничивается только этими двумя свойствами. Было установлено, что он обладает рядом ценных свойств как дезинфектанта и дезодоранта. Впервые озон стали использовать в санитарии как средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха. В числе первых исследователей процессов озонирования были и русские ученые.

Еще в 1874 г. создатель первой школы (русской) гигиенистов профессор А. Д. Доброе ш вин предложил озон как лучшее средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха от патогенной микро флоры. Дозднее, в 1886 г.

Н. К. Келдыш провел исследования бактерицидного действия озона и рекомендовали его как высокоэффективное дезинфицирующее средство. Особенно широко развернулись исследования озона в XX в. И уже в 1911 г. в .Петербурге была пущена в эксплуатацию первая в Европе озоноводопроводная станция. В этот же период были проведены многочисленные исследования озонирования с лечебной целью в медицине, с санитарной целью в пищевой промышленности, в окислительных процессах химической промышленности и др.

Сферы и масштабы использования озона в последнее десятилетие увеличиваются быстрыми темпами. В настоящее время наиболее важные области применения озона следующие: очистка и обеззараживание питьевой и промышленной воды, а также хозяйственно-фекальных и промышленных стоков с целью снижения биологического потребления кислорода (БПК), обесцвечивание, нейтрализация вредных ядовитых веществ (цианидов, фенолов, меркаптанов), устранение неприятных запахов, дезодорация и очистка воздуха различных производств, озонирование в системах кондиционирования воздуха, хранение пищевых продуктов, стерилизация упаковочных и перевязочных материалов в фармацевтической промышленности, терапия и медицинская профилактика различных заболеваний и др.

В последние годы установлено еще одно свойство озона — способность повышать биологическую ценность кормов для животных и продуктов питания для человека, что позволило применять озон в процессах переработки, подготовки и хранения кормов и различных продуктов. Поэтому разработка технологий озонирования в сельскохозяйственном производстве, и, в частности в птицеводстве, весьма перспективна

Физические свойства озона

Озон — это высокоактивная, аллотропная форма кислорода; при обычных температурах — это газ светло-голубого цвета с характерным острым запахом (запах органолептически ощущается при концентрации озона 0,015 мг/м3 воздуха). В жидкой фазе озон имеет индиго-голубой, а в твердой — густой фиолетово-голубоватый цвет, слой озона толщиной в 1 мм практически светонепроницаем.

Озон образуется из кислорода, поглощая при этом тепло и, наоборот, при разложении переходит в кислород, выделяя тепло (подобно горению). Процесс этот можно записать в следующем виде:

Экзотермическая реакция 2Оз=ЗО2+68 ккал Эндотермическая реакция

Скорости этих реакций зависят от температуры, давления и концентрации озона. При нормальной температуре и давлении реакции протекают медленно, но при повышенных температурах ускоряется распад озона. Образование озона под действием энергии различных излучений довольно сложно.

Первичные процессы образования озона из кислорода могут протекать по-разному в зависимости от количества приложенной энергии. Возбуждение молекулы кислорода происходит при энергии электронов 6,1 эВ; образование молекулярных ионов кислорода — при энергии электронов 12,2 эВ; диссоциация в кислороде — при энергии электронов 19,2 эВ. Все свободные электроны захватываются молекулами кислорода, в результате чего образуются отрицательные ионы кислорода. После возбуждения молекулы наступает реакция образования озона. При энергии электронов 12,2 эВ, когда происходит образование молекулярных ионов кислорода, выхода озона не наблюдается, а при энергии электронов 19,2 эВ, когда участвуют как атом, так и ион кислорода, образуется озон. Наряду с этим образуются положительные и отрицательные ионы кислорода.

Механизм распада озона*, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, сложен и зависит от условий. Разложение озона ускоряется в гомогенных системах газообразными добавками (окислы азота, хлор и др.), а в гетерогенных системах металлами (ртуть, серебро, медь и др.) и окислами металлов (железо, медь, никель, свинец и др.). При высоких концентрациях озона реакция происходит со взрывом.

При концентрации озона до 10% взрывного разложения его не происходит. Низкие температуры способствуют сохранению озона. При температурах около — 183°С жидкий озон можно хранить длительное время без заметного разложения. Быстрое нагревание до точки кипения (—119°С) или быстрое охлаждение озона могут привести к взрыву. Поэтому знание свойств озона и соблюдение мер предосторожности очень важно при работе с ним. В таблице 1 приведены основные физические свойства озона.

При газообразном состоянии озон диамагнитен, а в жидком — слабо парамагнитен. Озон хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Растворимость его в воде выше, чем кислорода, более чем в 15 раз. Молекула озона, как уже отмечалось, состоит из трех атомов кислорода и имеет несимметричную структуру треугольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыраженной полярностью (0,58).

Основные физические свойства озона

Показатель Значение
Молекулярный вес 47,998
Удельный вес по воздуху 1,624
Плотность при НТД 2,1415 г/л
Объем при НТД 506 см3/г
Температура плавления - 192,5° С
Температура кипения -111,9°С
Критическая температура - 12,1° С
Критическое давление 54,6 атм
Критический объем 147,1 см3/моль
Вязкость при НТД 127- КГ* пауз
Теплота образования (18° С) 34,2 ккал/моль
Теплота испарения (-112° С) 74,6 ккал/моль
Теплота растворения (НгО, 18° С) 3,9 ккал/моль
Потенциал ионизации 12,8 эВ
Сродство к электрону 1,9-2,7 эВ
Диэлектрическая постоянная
Газообразного озона при НТД
1,0019
Теплопроводность (25° С) 3,3- 10~'5 кал/с- см2
Скорость детонации (25° С) 1863 м/с
Давление детонации (25° С) 30 атм
Магнитная восприимчивость  
(18° С) 0,002- Ю-6 ед
Молекулярные коэффициенты  
.кстинции (25° С) 3360 см""1 • моль (при 252 нмУФЛ); 1,32см-1 (при 605 нм видимого света)
Растворимость в воде при ("С):  
0 1,13 г/л
10 0,875 г/л
20 0,688 г/л
40 0,450 г/л
СО 0,307 г/л
Растворимость озона:  
в уксусной кислоте (18,2° С) 2,5 г/л
в трихлоруксусной кислоте, 0'С) 1,69 г/л
, ангидриде уксусной кислоты (0°С) 2,15 г/л
в пропионовой кислоте (17,3° С) 3,6 г/л
в ангидриде пропионовой кислоты (18,2° С) 2,8 г/л
в четыреххлористом углероде (21° С) 2,95 г/л

Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон.

Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210—220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.

Озон обладает хорошей способностью адсорбироваться силикагелем и алюмогелем, что позволяет использовать это явление для извлечения озона из газовых смесей и из растворов, а также для безопасного обращения с ним при высоких концентрациях. В последнее время для безопасной работы с высокими концентрациями озона широко используют фреоны.

Концентрированный озон, растворенный во фреоне, может сохраняться длительное время. При синтезе озона, как правило, образуются газовые смеси (O3+O2 или Оз + воздух), в которых содержание озона не превышает 2—5% по объему. Получение чистого озона — технически сложная задача и до настоящего времени еще нерешенная. Существует способ отделения кислорода от смесей путем низкотемпературной ректификации газовых смесей. Однако пока еще не удалось исключить опасность взрыва озона при ректификации.

В исследовательской практике часто используют прием двойного намораживания озона жидким азотом, позволяющий получить концентрированный озон. Более безопасным является метод получения концентрированного озона путем адсорбции — десорбции, когда поток газовой смеси продувают через слой охлажденного (—80°С) силикагеля, а затем адсорбент продувают инертным газом (азотом или гелием). Таким методом можно получить соотношение озон: кислород =9:1, т. е. высококонцентрированный озон.

Использование в промышленных целях концентрированного озона как окислительного компонента незначительно. гольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыраженной полярностью (0,58). Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210—220 и 175 нм.

При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли. Озон обладает хорошей способностью адсорбироваться силикагелем и алюмогелем, что позволяет использовать это явление для извлечения озона из газовых смесей и из растворов, а также для безопасного обращения с ним при высоких концентрациях.

В последнее время для безопасной работы с высокими концентрациями озона широко используют фреоны. Концентрированный озон, растворенный во фреоне, может сохраняться длительное время. При синтезе озона, как правило, образуются газовые смеси (O3+O2 или Оз + воздух), в которых содержание озона не превышает 2—5% по объему.

Получение чистого озона — технически сложная задача и до настоящего времени еще нерешенная. Существует способ отделения кислорода от смесей путем низкотемпературной ректификации газовых смесей. Однако пока еще не удалось исключить опасность взрыва озона при ректификации.

В исследовательской практике часто используют прием двойного намораживания озона жидким азотом, позволяющий получить концентрированный озон. Более безопасным является метод получения концентрированного озона путем адсорбции — десорбции, когда поток газовой смеси продувают через слой охлажденного (—80°С) силикагеля, а затем адсорбент продувают инертным газом (азотом или гелием). Таким методом можно получить соотношение озон: кислород =9:1, т. е. высококонцентрированный озон. Использование в промышленных целях концентрированного озона как окислительного компонента незначительно.

Химические свойства озона

Характерными химическими свойствами озона в первую очередь следует считать его нестойкость, способность быстро разлагаться, и высокую окислительную активность. Для озона установлено окислительное число И, которое характеризует число атомов кислорода, отдаваемых озоном окисляемому веществу.

Как показали опыты, оно может быть равным 0,1, 3. В первом случае озон разлагается с увеличением объема: 2Оз--->ЗО2, во втором он отдает окисляемому веществу один атом кислорода: О3 ->О2+О (при этом, объем не увеличивается), и в третьем случае происходит присоединение озона к окисляемому веществу: О3->ЗО (при этом объем его уменьшается) .

Окислительными свойствами характеризуются химические реакции озона с неорганическими веществами. Озон окисляет все металлы, за исключением золота и группы платины. Сернистые соединения окисляются им до сернокислых, нитриты — в нитраты.

В реакциях с соединениями йода и брома озон проявляет восстановительные свойства, и на этом основан ряд методов его количественного определения.

В реакцию с озоном вступают азот, углерод и их окислы. В реакции озона с водородом образуются гидроксильные радикалы: Н+О3-> HO+O2. Окислы азота реагируют с озоном быстро, образуя высшие окислы: NO+Оз—>NO2+O2; NO2+O3----->NO3+O2; NO2+O3—>N2O5. Аммиак окисляется озоном в азотнокислый аммоний. Озон разлагает галогеноводороды и переводит низшие окислы в высшие. Галогены, участвующие в качестве активаторов процесса, также образуют высшие окислы.

Восстановительный потенциал озон — кислород достаточно высокий и в кислой среде определен величиной 2,07 В, а в щелочном растворе — 1,24 В. Сродство озона с электроном определено величиной в 2 эВ, и только фтор, его окислы и свободные радикалы обладают более сильным сродством к электрону. Высокое окислительное действие озона было использовано для перевода ряда трансурановых элементов в семивалентное состояние, хотя высшее валентное состояние их равно 6.

Реакция озона с металлами переменной валентности (Сг, Сог и др.) находит практическое применение при получении исходного сырья в производстве красителей и витамина PP. Щелочные и щелочно-земельные металлы под действием озона окисляются, а их гидроокиси образуют озониды (триоксиды).

Известны озониды давно, о них упоминал еще в 1886 г. французский химик-органик Шарль Адольф Вюрц. Они представляют собой кристаллическое вещество красно-коричневого цвета, в решетку молекул которого входят однократно отрицательные ионы озона (O3-), чем и обусловлены их парамагнитные свойства. Предел термической устойчивости озонидов —60±2° С, содержание активного кислорода — 46% по весу. Как многие пе-рекисные соединения озониды щелочных металлов нашли широкое применение в регенеративных процессах. Озониды образуются в реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс типа М+ О- Н+ O3--с дальнейшей реакцией с озоном, в результате чего образуется смесь озонида и водного гидрата окиси щелочного металла.

Озон активно вступает в химическое взаимодействие со многими органическими соединениями. Так, первичным продуктом взаимодействия озона с двойной связью непредельных соединений является малозоид, который нестоек и распадается на биполярный ион и карбонильные соединения (альдегид или кетон). Промежуточные продукты, которые образуются в этой реакции, вновь соединяются в другой последовательности, образуя озо-нид. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с биполярным ионом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.

Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения. В реакциях с насыщенными углеводородами озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление, при этом выход продуктов окисления соответствует расходу озона. Взаимодействие озона с насыщенными углеводородами протекает как в газовой фазе, так и в растворах.

С озоном легко реагируют фенолы, при этом происходит разрушение последних до соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот. Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях.

Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины и полимерные материалы; реакции озона с ароматическими углеводородами — дифениловую кислоту, фталевый диальдегид и фталевую кислоту, глиоксалевую кислоту и др.

Реакции озона с ароматическими углеводородами легли в основу разработки методов дезодорации различных сред, помещений, сточных вод, абгазов, а с серосодержащими соединениями — в основу разработки методов очистки сточных вод и отходящих газов различных производств, включая сельское хозяйство, от серосодержащих вредных соединений (сероводород, меркаптаны, сернистый ангидрид).