Озон элемент порядковый номер. Что такое озон

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: 0 2 . 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 .

Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу 0 3 (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 .

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

3О2= 20 3 - 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.

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 .

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

0 3 ->0 2 + 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 Оˉ 3 может образовываться и в реакциях с органическими соединениями .

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.

При пропускании электрических искр через кислород или воздух появляется характерный запах, причиной которого является образование нового вещества - озона. Озон можно получить из совершенно чистого сухого кислорода; отсюда следует, что он состоит только из кислорода и представляет собой его аллотропическое видоизменение.

Молекулярная масса озона равна 48. Атомная же масса кислорода равна 16; следовательно, молекула озона состоит из трех атомов кислорода.

Для получения озона пользуются действием тихих электрических разрядов на кислород. Приборы, служащие для этой цели, называются озонаторами.

Рис. 110. Схема строения молекулы озона.

Рис. 111. Схема орбиталей центрального атома кислорода в молекуле озона.

При обычных условиях озон - газ. От кислорода его можно отделить сильным охлаждением; озон конденсируется в синюю жидкость, кипящую при .

Растворимость озона в воде значительно больше, чем кислорода: 100 объемов воды при растворяют 49 объемов озона.

Образование озона из кислорода можно выразить уравнением

из которого следует, что стандартная энтальпия образования озона положительна и равна . 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 изменение энергии Гиббса в рассматриваемой реакции также положительно (163 ). 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.

Молекула озона построена в форме равнобедренного треугольника. Ее структура схематически изображена на рис. 110. Близость угла при вершине треугольника к 120° указывает на то, что центральный атом кислорода находится здесь в состоянии -гибридизации. В соответствии с этим, с позиций метода ВС образование молекулы можно описать следующим образом.

Гибридная -орбиталь центрального атома, содержащая один электрон (рис. 111, слева), перекрывается с -орбиталью одного из крайних атомов кислорода, в результате чего образуется -связь. Не участвующая в гибридизации -орбиталь центрального атома, ориентированная перпендикулярно к плоскости молекулы и также содержащая неспаренный электрон, перекрывается с аналогично расположенной -орбиталью того же крайнего атома кислорода, что приводит к образованию -связи. Наконец, выступая в качестве донора электронной пары, занимающей одну из гибридных -орбиталей (рис. 111, справа), центральный атом кислорода образует по донорно-акцепторному способу -связь с другим крайним атомом кислорода.

Образовавшейся структуре соответствует валентная схема А, на которой точками обозначены неподеленные пары электронов, а - и -связи помечены буквами.

Согласно схеме А, связи центрального атома кислорода с двумя крайними атомами неравноценны - одна из них двойная, а другая простая. Однако одинаковая длина этих связей (рис. 110) указывает на их равноценность. Поэтому, наряду со схемой А, строение Молекулы озона с равным основанием можно описать схемой Б, С позиций метода наложения валентных схем (см. § 44) это означает, что в действительности структура молекулы озона является промежуточной между схемами А и Б и ее можно представить в форме:

Здесь пунктирные линии указывают на делокализацию -электронной пары, т. е. на принадлежность ее всем трем атомам кислорода. Следовательно, -связь в молекуле озона - трехцентровая.

Рассмотрение строения молекулы озона с позиций метода МО также приводит к выводу об образовании здесь трехцентровои связывающей молекулярной -орбитали.

Озон - один из сильнейших окислителей. Он окисляет все металлы, кроме золота и платиновых металлов, а также большинство неметаллов. Он переводит низшие оксиды в высшие, а сульфиды металлов - в их сульфаты. В ходе большинства этих реакций молекула озона теряет один атом кислорода, переходя в молекулу .

Из раствора иодида калия озон выделяет иод:

Если поместить в воздух, содержащий озон, бумажку, смоченную растворами KI и крахмала, то она тотчас же синеет. Этой реакцией пользуются для открытия озона.

Как сильный окислитель озон убивает бактерии и потому применяется для обеззараживания воды и для дезинфекции воздуха.

Озон ядовит. Предельно допустимым является его содержание в воздухе, равное . При этой концентрации хорошо ощущается его запах. В приземном слое атмосферы содержание озона обычно лежит в пределах он образуется в при электрических разрядах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Озон является аллотропной модификацией кислорода. В обычном состоянии он представляет собой светло-синий газ, в жидком - темно-голубой, а в твердом - темно-фиолетовый (до черного).

Может оставаться в состоянии переохлажденной жидкости до температуры (-250 o C). плохо растворяется в воде, лучше в тетрахлориде углерода и различных фторхлоруглеродах. Очень сильный окислитель.

Химическая формула озона

Химическая формула озона - O 3 . Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится три атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу озона:

Mr(O 3) = 3×Ar(O) = 3×16 = 48

Структурная (графическая) формула озона

Более наглядной является структурная (графическая) формула озона . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы (рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы озона.

Электронная формула , показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

16 O 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Она также показывает, что кислород, из которого состоит озон, относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 6 электронов (3s 2 3p 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Введение

Озон - простое вещество, аллотропное видоизменение кислорода. В отличие от кислорода, молекула озона состоит из трех атомов. При обыкновенных условиях представляет из себя резко пахнущий взрывчатый газ синего цвета, и обладающий сильнейшими окислительными свойствами.

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.

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.

Физические свойства.

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.

Свойства:

§ Окисление металлов

§ Окисление неметаллов

§ Взаимодействие с оксидами

§ Горение

§ Образование озонидов

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.

Озон - слово греческого происхождения, которое в переводе означает “пахучий”. Что такое озон? По своей сути, озон О3 - это газ голубого цвета с характерным запахом, который ассоциируется с запахом воздуха после грозового дождя. Особенно ощущается вблизи источников электрического тока.

История обнаружения озона учеными

Что такое озон? Как он был открыт? В 1785 физиком из Голландии Мартином ван Марумом было проведено несколько экспериментов, направленных на исследование воздействия электрического тока на кислород. По их результатам ученый исследовал появление специфической "электрической материи". Продолжая работать в данном направлении, в 1850 году ему удалось определить способность озона взаимодействовать с органическими соединениями и его свойство в качестве окислителя.

Впервые дезинфицирующие свойства озона были применены в 1898 году на территории Франции. В городке Бон Вояж был построен завод, который осуществлял обеззараживание и дезинфекцию воды из реки Вазюби. В России первый завод по озонированию был запущен в Санкт-Петербурге в 1911 году.

Широкое применение озон получил в годы Первой мировой войны в качестве антисептического средства. Озонокислородная смесь применялась для лечения заболеваний кишечника, пневмонии, гепатита и практиковалась при инфекционных поражениях после хирургического вмешательства. Особенно активно озонированием начали заниматься с 1980 года, толчком к этому стало появление на рынке надежных и энергосберегающих В настоящее время с помощью озона очищают около 95% воды в США и по всей Европе.

Технология образования озона

Что такое озон? Как он образуется? В естественной среде озон находится в атмосфере Земли на высоте 25 км. По сути, это газ, который образуется в результате ультрафиолетового излучения Солнца. На поверхности он образует слой толщиной 19-35 км, который защищает Землю от проникновения солнечной радиации. Согласно трактовке химиков, озон - это активный кислород (соединение трех атомов кислорода). В газообразном состоянии он голубой, в жидком имеет оттенок индиго, а в твердом - это темно-синие кристаллы. О3 - это его молекулярная формула.

Каков вред озона? Он относится к самому высокому классу опасности - это очень ядовитый газ, токсичность которого приравнивается к категории боевых отравляющих веществ. Причиной его появления являются электрические разряды в атмосфере (3O2 = 2O3). В природе почувствовать его можно после сильных вспышек молний. Озон хорошо взаимодействует с другими соединениями и считается одним из Поэтому его используют для уничтожения бактерий, вирусов, микроорганизмов, для очистки воды и воздуха.

Негативное влияние озона

На что влияет озон? Характерной особенностью этого газа является способность быстро взаимодействовать с другими веществами. Если в природе наблюдается превышение нормативных показателей, то в результате его взаимодействия с тканями человека могут возникнуть опасные вещества и заболевания. Озон - сильнодействующий окислитель, при взаимодействии с которым быстро разрушаются:

• натуральная резина;
• металлы, за исключением золота, платины и иридия;
• бытовые приборы;
• электроника.

При больших концентрациях озона в воздухе происходит ухудшение здоровья и самочувствия человека, в частности:

• раздражается слизистая оболочка глаз;
• нарушается функционирование органов дыхания, которое приведет к параличу легких;
• наблюдается общая усталость организма;
• появляются головные боли;
• возможно появление аллергических реакций;
• жжение в горле и тошнота;
• происходит негативное влияние на нервную систему.

Полезные свойства озона

Очищает ли озон воздух? Да, несмотря на свою газ является очень полезным для человека. В небольших концентрациях он отмечается отличными дезинфицирующими и дезодорирующими свойствами. В частности, он губительно действует на вредные микроорганизмы и производит к уничтожению:

• вирусов;
• различных видов микробов;
• бактерий;
• грибков;
• микроорганизмов.

Чаще всего озон используют во время эпидемии гриппа и вспышек опасных инфекционных заболеваний. С его помощью очищают воду от разного рода примесей и соединений железа, при этом обогащают ее кислородом и минералами.

Интересная информация об озоне, сфера его применения

Отличные дезинфицирующие свойства и отсутствие побочных эффектов привели к появлению спроса на озон и его широкому применению в различных отраслях экономики. В наши дни озон успешно используется для:

• удовлетворения потребностей фармацевтической отрасли;
• очистки воды в аквариумах и рыбных хозяйствах;
• дезинфекции бассейнов;
• медицинских целей;
• косметических процедур.

В медицинской отрасли озонирование практикуется при язвах, ожогах, экземах, варикозе, ранах и дерматологических заболеваниях. В косметологии озон применяют для борьбы со старением кожи, целлюлитом и лишним весом.

Влияние озона на жизнедеятельность живых существ

Что такое озон? Как он влияет на жизнь на Земле? Согласно исследованиям ученых, 10% озона находится в тропосфере. Этот озон является составным компонентом смогов и выполняет роль загрязнителя. Он негативно сказывается на дыхательных органах людей, животных и замедляет рост растений. Однако его количество очень мало, чтобы существенно вредить здоровью. Значительная часть вредного озона в составе смогов - это продукты функционирования автомобилей и электростанций.

Значительно больше озона (около 90%) находится в стратосфере. Этот поглощает биологически вредное ультрафиолетовое излучение Солнца, тем самым защищая людей, флору и фауну от негативных последствий.