Ozon

Ozon (O3) je alotrop kisika čija se molekula sastoji od 3 atoma kisika. Premda je količina ozona u atmosferi relativno mala (maksimalne koncentracije ne prelaze 0,001%), njegova važnost za život na Zemlji je ogromna.

Ozon je plin jakog mirisa (osjeti se u zraku već pri volumom udjelu od 0,0001%), blijedo plave boje. Pri temperaturi od -112°C tvori tamno-plavu tekućinu, a pri temperaturama nižim od -193° tvori ljubičasto-crnu čvrstu tvar. Slabo je topljiv u vodi, dok je u nepolarnim otapalima dobro topljiv. U velikm koncetracijama je vrlo nestabilan.

U Zemljinoj je atmosferi smješten u stratosferi na visini od 20 do 50 km iznad površine Zemlje. Odgovoran je za upijanje nekih valnih duljina ultraljubičastog zračenja (UVC i UVB) koje dolazi od Sunca, a upravo zbog tog zračenja i nastaje od molekula kisika. Bez stratosferskog ozona život na Zemlji ne bi bio moguć.

Za razliku od ozona u ozonskom omotaču, koji je neophodan za život na Zemlji, ozon pri tlu je je nepoželjan. U manjim količinama iritira očnu sluznicu, grlo, nos i dišne puteve, dok u velikim koncentracijama može biti smrtonosan.Ozon koji nastaje u nižim slojevima atmosfere ili troposferski ozon sastavni je dio gradskoga smoga. Troposferski je ozon u neposrednom dodiru sa živim organizmima. Lako reagira s drugim molekulama, oštećuje površinsko tkivo biljaka i životinja, pa štetno djeluje na ljudsko zdravlje (dišne organe), biljne usjeve i šume. Zbog sve većeg prometa, količina ozona u troposferi u stalnom je porastu.

Ozon je najjače oksidacijsko sredstvo poslije fluora i vrlo je otrovan. Služi za sterilizaciju vode, operacijskih, kino i športskih dvorana te kazališta, zatim u farmaceutskoj, kozmetičkoj, tiskarskoj industriji te industriji papira, tekstila i umjetnih materijala.


Povijest
Ozon kao kemijsku tvar prvi je prepoznao Christian Friedrich Schönbein 1840., koji ga je nazvao prema grčkoj riječi ozein, što bi značilo miris, prema svojstvenom mirisu, posebno nakon grmljavinskih oluja i munja. Kemijsku formulu za ozon O3 je odredio Jacques-Louis Soret 1867.

Svojstva
Ozon je blijedo plavi plin, slabo topljiv u vodi, dok je u nepolarnim otapalima dobro topljiv, kao što su ugljikov tetraklorid (CCl4) ili florougljici, gdje stvara plavu otopinu. Pri temperaturi od -112°C tvori tamno-plavu tekućinu, a pri temperaturama nižim od -193° tvori ljubičasto-crnu čvrstu tvar.

Većina ljudi može osjetiti miris ozona već pri koncentraciji od 0,0001% (po obujmu) u zraku, zbog vrlo oštrog mirisa, koji podsjeća na varikinu. Kod izloženosti od 0,00001 % do 0,0001 %, stvara glavobolju, iritira očnu sluznicu, grlo, nos i dišne puteve. I male količine ozona u zraku uništavaju prirodnu gumu, plastike i djeluje štetno na dišne putove životinja. [6]

Ozon je dijamagnetična tvar, dok je molekularni kisik O2 paramagnetičan.

Struktura
Zahvaljujući rezultatima rotacijske spektroskopije, znamo da ozon nije ravna molekula, već sliči molekuli vode. Razmak O – O veze je 127,2 pm. Kut O – O – O je 116,78°. Ozon je polarna molekula, s dipolnim momentum od 0,53 D (debye). To je molekula koja ima jednu jednostruku i jednu dvostruku vezu. [7] [8]

Resonance Lewis structures of the ozone molecule
Kemijske reakcije[uredi VE | uredi]
Ozon je vrlo snažan oksidans, puno jači od O2. Nestabilan je kod većih koncentracija, raspadajući se na dvoatomni kisik (sa vremenom poluraspada od oko pola sata kod atmosferskih uvjeta): [9]

2 O3 → 3 O2
Taj se process ubrzava s povećanjem temperature i tlaka. Brzo izgaranje ozona može pobuditi iskra, i javlja se kod koncentracije od 10 % ili više.

Kemijske reakcije s metalima
Ozon će oksidirati s većinom metala (osim zlata, platine i iridija), da bi doveli metale na veći stupanj oksidacije. Na primjer:

2 Cu+ + 2 H3O+ + O3 → 2 Cu2+ + 3 H2O + O2
Kemijske reakcije s dušikom i ugljikovim spojevima[uredi VE | uredi]
Ozon će oksidirati s dušikovim oksidom i dušikovim dioksidom:

NO + O3 → NO2 + O2
Ta reakcija je povezana s pojavom kemoluminiscencije. NO2 će dalje oksidirati:

NO2 + O3 → NO3 + O2
NO3 će dalje reagirati s NO2 da stvori didušikov pentoksid N2O5.

Kruti dušikov dioksid perklorat se može dobiti iz plinova NO2, ClO2, i O3:

2 NO2 + 2 ClO2 + 2 O3 → 2 NO2ClO4 + O2
Ozon ne reagira sa solima amonijaka, ali oksidira s amonijakom u amonijev nitrat:

2 NH3 + 4 O3 → NH4NO3 + 4 O2 + H2O
Ozon će reagirati s ugljikom, da bi stvorio ugljikov dioksid, čak i na sobnim temperaturama:

C + 2 O3 → CO2 + 2 O2
Kemijske reakcije sa spojevima sumpora
Ozon oksidira sulfide da bi stvorio sulfate. Na primjer, olovo (II) sulfid će oksidirati u olovo (II) sulfat:

PbS + 4 O3 → PbSO4 + 4 O2
Sumporna kiselina se može dobiti od ozona, vode i elemenata kao što je sumpor ili sumporov dioksid:

S + H2O + O3 → H2SO4
3 SO2 + 3 H2O + O3 → 3 H2SO4
Sa sumporovodikom, u plinskoj fazi, ozon će stvoriti sumporov dioksid:

H2S + O3 → SO2 + H2O
Sa sumporovodikom, u tekućoj fazi, dvije istovremene reakcije se javljaju, kod jedne se stvara sumpor, a kod druge sumporna kiselina:

H2S + O3 → S + O2 + H2O
3 H2S + 4 O3 → 3 H2SO4
Kemijske reakcije s ostalim tvarima
Sva tri atoma kisika mogu reagirati, kao u reakciji kositar (II) klorida s klorovodičnom kiselinom i ozonom:

3 SnCl2 + 6 HCl + O3 → 3 SnCl4 + 3 H2O
Jodov perklorat se može dobiti otapanjem joda u hladnoj perkloratnoj kiselini i s ozonom:

I2 + 6 HClO4 + O3 → 2 I(ClO4)3 + 3 H2O
Izgaranje[uredi VE | uredi]
Ozon se može koristiti za izgaranje, budući da stvara više temperature od dvoatomnog kisika O2. Slijedeća reakcija prikazuje izgaranje ugljikovog subnitrida, koji stvara više temperature:

3 C4N2 + 4 O3 → 12 CO + 3 N2
Ozon može reagirati kod vrlo niskih temperatura, tako kod −196 °C, atomski vodik reagira s tekućim ozonom, stvarajući vodikov superoksid radikal:

H + O3 → HO2 + O
2 HO2 → H2O4
Stvaranje ozonida[uredi VE | uredi]
Redukcijom ozona stvara se anion ozonid O3–. Derivati tih aniona su eksplozivni i moraju se čuvati na vrlo niskim temperaturama. Ozonidi svih alkalijskih metala su poznati, kao KO3, RbO3, and CsO3 :

KO2 + O3 → KO3 + O2
Iako KO3 se može dobiti na gornji način, moguće ga je dobiti iz kalijevog hidroksida i ozona:

2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O
NaO3 i LiO3 se mora pripremiti djelovanjem CsO3 u tekućoj NH3, na ionskoj izmjenjivačkoj smoli, koja sadrži ione Na+ ili Li+:

CsO3 + Na+ → Cs+ + NaO3
Otopina kalcija u amonijaku reagira s ozonom stvarajući amonijak ozonid, a ne kalcij ozonid:

3 Ca + 10 NH3 + 6 O3 → Ca·6NH3 + Ca(OH)2 + Ca(NO3)2 + 2 NH4O3 + 2 O2 + H2
Primjena[uredi VE | uredi]
Ozon se može koristiti za uklanjanje mangana iz vode, stvarajući talog, koji se može ukloniti filtriranjem:

2 Mn2+ + 2 O3 + 4 H2O → 2 MnO(OH)2 (s) + 2 O2 + 4 H+
Ozon može ukloniti slično cijanide, pretvarajući ih u cijanate, koji su puno manji otrovni:

CN- + O3 → CNO- + O2
Ozon može potpuno rastaviti ureu: [12]

(NH2)2CO + O3 → N2 + CO2 + 2 H2O
Ozon će rastaviti alkene, da se dobije karbonilna skupina:

A generalized scheme of ozonolysis
Ozon u Zemljinoj atmosferi

TRaspodjela atmosferskog ozona u ovisnosti od nadmorske visine, mjereno sa satelita Nimbus-7

Absorpcija UV zračenja u ozonskim sloju

Ozonska rupa iznad Antarktike 6. rujna 2000.
Dobsonova jedinica je jedinica u kojoj se najčešće izražava količina ozona u atmosferi. Količina ozona u atmosferi izražena u DU jednaka je ukupnoj količini O3 koja se nalazi u vertikalnom stupcu zraka koji se proteže od tla do vrha atmosfere. Kada bi sav ozon iz vertikalnog stupca doveli na standardne uvjete ne mijenjajući pri tom veličinu baze stupca, stupac ozona visok 0,01 mm bio bi jednak jednoj DU. Uobičajena količina ozona u atmosferi je 300 DU.

Ozonski omotač
Najveća koncentracija ozona u atmosferi je u stratosferi i ona se naziva ozonski omotač, a to je između 10 do 50 km iznad Zemljine površine (stratosferski ozon). Premda je količina ozona u atmosferi relativno mala (maksimalne koncentracije ne prelaze 0,001 %), njegova važnost za život na Zemlji je ogromna. To je filter za ultraljubičasto zračenje sa Sunca, koje ima valnu duljinu manju od 320 nm (UVB i UVC). Osim ozona ni jedan od preostalih sastojaka atmosfere ne apsorbira UV zračenje u rasponu od 240 do 290 nm. Kad bi to zračenje došlo do Zemljine površine, oštetilo bi genetički materijal (DNK), a fotosinteza, koja je neophodna za biljni svijet, bila bi onemogućena.

Ozon u stratosferi nastaje uglavnom djelovanjem ultraljubičastog zračenja sa Sunca, koje reagira s dvoatomnim kisikom O2:

O2 + foton (UV zračenje < 240 nm) → 2 O
O + O2 + M → O3 + M
Ozon se u istom ciklusu raspada reakcijom s jednoatomnim kisikom O:

O3 + O → 2 O2
Zadnja reakcija se odvija uz prisustvo katalizatora, a to su prisutni slobodni radikali u atmosferi, od kojih su najvažniji hidroksil (OH), dušikov oksid (NO), atomski klor (Cl) i brom (Br). Sredinom sedamdesetih godina 20. stoljeća nad Antarktikom je u ozonskom omotaču uočeno veliko smanjenje koncentracije ozona (ozonske rupe) s obzirom na ranija razdoblja. Kemičari atmosfere pripisuju to smanjenje ljudskom djelovanju, odnosno ljudskoj emisiji klorofluorougljika (CFC, koji su poznati i pod nazivom freoni). Najveće smanjenje (ponegdje čak do 99%) uočeno je na visinama od 14-19 km nad tlom. Kako bi spriječila pogubno djelovanje ozonske rupe na život na Zemlji, međunarodna zajednica ulaže velike napore da se emisija CFC svede na minimum.

Troposferski ozon
Posljednjih desetljeća ozon pri tlu nastaje fotokemijskim reakcijama u urbanoj atmosferi bogatoj dušikovim oksidima NO i NO2 (koji se najčešće kraće označavaju s NOx). NOx, koji su posebno aktivni u atmosferskom ciklusu ozona, u atmosferu dospijevaju u većim količinama kao posljedica ljudskih aktivnosti (naročito prometa). Stoga se u velikim gradovima s gustim prometom, koji obiluju Sunčevim zračenjem, a nalaze se u toplim i suhim klimama (poput npr. Rima, Tokija, Atene i Los Angelesa), javlja onečišćenje zraka poznato pod nazivom fotokemijski smog. U tako onečišćenoj atmosferi uz O3 i NOx nalaze se i organski nitrati, poput PAN-a (peroksiacetil nitrat CH3C(O)OONO2), oksidirani ugljikovodici i tzv. fotokemijski aerosol, a nad gradom se zbog velike količine aerosola može vidjeti žućkasto-smeđi oblak, koji je zbog svog čestog pojavljivanja nad Atenom dobio ime nefos (od grčke riječi νεφοσ, što znači oblak). [13]

Trajanje troposferskog ozona je otprilike 22 dana. Uglavnom se na kraju taloži na tlo, u obliku hidroksilnih (OH) spojeva ili peroksilnih radikala (HO2). Postoje snažni dokazi da povećana koncentracija ozona na tlu dovodi do smanjenih prinosa u poljoprivredi, jer ozon utječe na procese fotosinteze i usporava cjelokupan rast biljaka.

Ozonske pukotine
Ozon napada polimere, koji imaju olefinske i dvostruke veze u svojoj lančanoj strukturi, kao što su prirodne i umjetne gume. To izaziva pukotine na njima, koje s vremenom postaju duže i dublje. Rješenje je korištenje voska, koji stvara zaštitni sloj preko gume. Javlja se kod starih automobilskih guma, ali i brtva i O – prstena. Gumene cijevi za dovod goriva imaju često taj problem, posebno ako su u blizini električnih uređaja, kao što su istosmjerni elektromotori (kolektor stalno iskri, te stvara ozon).

Ozon kao staklenički plin
Iako je ozon bio prisutan u blizini tla i prije industrijske revolucije, danas su puno veće koncentracije u zraku. To nam daje zabrinutost, jer u gornjem dijelu troposfere, ozon djeluje kao staklenički plin, upijajući dio infracrvenog zračenja s površine Zemlje. Ozon u troposferi nije jednoliko raspoređen, ali procjena Međuvladinog panela o klimatskim promjenama govori da iznosi oko 25 % od ukupnog dodatnog zračenja što ga ostvaruje ugljikov dioksid.

Ozon je puno jači staklenički plin od ugljikovog dioksida, ali je u manjoj koncentraciji i traje puno kraće od njega. Zbog toga, ozon nema veliki utjecaj na globalno zatopljenje, ali u nekim područjima s velikom koncentracijom, stvara i 50% veće dodatno zračenje od CO2.

Utjecaj ozona na zdravlje

List crvene johe, pokazuje tipičnu promjenu boje, koja je uzrokovana ozonom
Onečišćenje zraka
U manjim količinama ozon iritira očnu sluznicu, grlo, nos i dišne puteve, dok u velikim koncentracijama može biti smrtonosan. Ozon izaziva velike poteškoće za one bolesnike s astmom, bronhitisom i sa srčanim smetnjama.

Dugo izlaganje ozonu povećava rizik smrtnosti zbog bolesti dišnih puteva. Jedna studija u SAD, na 450 000 ljudi, pokazala je snažnu povezanost između razine ozona i bolesti dišnih puteva, u trajanju od 18 godina. Studija je zaključila da ljudi koji žive u gradovima, s visokim koncentracijama ozona, imaju 30 % povećani rizik smrtnosti od bolesti dišnih puteva.

Prema Američkoj agenciji za zaštitu okoliša (engl. United States Environmental Protection Agency - EPA), ozon s koncentracijom 0,004 % ili više, može štetno djelovati na osjetljive ljude. U Europskoj uniji propisi (Directive 2008/50/EC) dozvoljavaju najveću koncentraciju ozona od 0,006 %, ali se još ne zna kada će stupiti na snagu. Svjetska zdravstvena organizacija preporučuje najveću koncentraciju ozona od 0,0051 %.

Fiziologija
Ozon, uz još druge oblike reaktivnog kisika, prirodno stvaraju u našem tijelu bijela krvna zrnca ili leukociti, da bi uništili strane mikroorganizme. Ozon reagira direktno s organskim spojevima koji imaju dvostruke veze. Smatra se čak da je ozon povezan i s upalnim procesima.

Sigurnosni propisi
Povećana razina ozona se može pojaviti u linijskim putničkim zrakoplovima, koji lete na velikim visinama i kod jačih turbulencija. Maksimalno dozvoljeni nivo ozona je 0,001 %, za trajanje leta od 4 sata. Neki zrakoplovi su opremljeni s uređajima u ventilaciji, koji smanjuju nivo ozona.

Dobivanje ozona
Kod industrijskog dobivanja ozona, koncentracije koje se dobivaju su 1 do 5 % u zraku, a 6 do 14 % u kisiku, kod starijih metoda. Nove elektrolitičke metode ostvaruju 20 do 30 % otopljenog ozona u vodi. [30]

Temperatura i vlažnost zraka igraju veliku ulogu kod dobivanja ozona koronalnim pražnjenjem i s UV zračenjem, te produktivnost može biti i 50 % manja kod vlažnog zraka. Nove metode koriste elektrolitičke metode za dobivanje ozona iz molekula vode.

Metoda koronalnog pražnjenja
To je najčešći način stvaranja ozona u industriji i u domaćinstvima. Koristi se zrak, relativno je jeftinija metoda i može se dobiti 3 do 6 % ozona. Stvaraju se i dušikovi oksidi, kao popratna pojava, što se može smanjiti sušenjem zraka.

Metoda s ultraljubičastim zračenjem
To je jeftinija metoda dobivanja ozona, ali najviše se dobije 0,5 % i treba duže vrijeme da se ozon dobije, tako da je za neke primjene nepraktičan, kao u cjevovodima zraka. Ova metoda se koristi za pročišćavanje vode u bazenima i termalnim kupalištima. Opasnost je oštećenje DNK u koži. Prednost je što se ne stvaraju dušikovi oksidi, dobro radi u vlažnom zraku i ne treba sušenje zraka.

Metoda s hladnom plazmom
Kod metode s hladnom plazmom, čisti kisik se izlaže plazmi, koja se stvara dielektričnim pražnjenjem. Dvoatomni kisik se razdvaja u jednoatomni, koji se ponovo spaja u ozon. Najviše se dobiva do 5 % ozona, ali je prednost što se mogu dobiti velike količine. Nedostatak su veliki investicioni troškovi, pa se rjeđe koristi.

Elektrolitička metoda

Elektrolitički generator ozona razdvaja molekule vode u H2, O2, i O3. Ovom metodom se može dobiti 20 do 30 % otopljenog ozona u vodi i ne ovisi o zraku.

Posebne okolnosti
Ozon se ne može staviti u spremnik i zatim transportirati, kao ostali industrijski plinovi, jer se brzo raspada u dvoatomni kisik. Zato se mora stvarati na mjestu upotrebe.

Zbog visoke reaktivnosti, samo se nekoliko materijala može koristiti za stvaranje ozona, i to nehrđajući čelik (SS 316L), titanij, aluminij (ako nema vlage), staklo, teflon (PTFE) ili PVDF. Za brtve treba koristiti silikonske gume.

Slučajno dobivanje ozona
Ozon se može stvoriti od molekularnog kisika O2 s električnim pražnjenjem visokoenergetskog elektromagnetskog zračenja. Neki električni uređaji stvaraju znatnu količinu ozona, pogotovo oni koji rade s visokim naponom, kao što su ionski pročiščivač zraka, laserski pisač, fotokopirni uređaji, elektrolučno zavarivanje. Istosmjerni elektromotori koji imaju četkice stvaraju ozon iskrenjem na kolektoru. Veliki motori s četkicama stvaraju više ozona od manjih.

Postoji pojava na rijeci Catatumbo u Venezueli, kod nastajanja grmljavinskih oluja, kada nastaju velike količine ozona, koje odlaze u gornje slojeve troposfere. To je svjetski najveći generator ozona i proglašen je UNESCO-vom Svjetskom baštinom.

Labaratorijsko dobivanje
U labaratoriju se ozon može dobiti elektrolizom, korištenjem baterije od 9 V, grafitne šipkaste katode, platinaste žičane anode i 3 % sumporne kiseline kao elektrolit. Kemijska reakcija se odvija na sljedeći način: [34]

3 H2O → O3 + 6 H+ + 6 e− (ΔEo = −1.53 V)
6 H+ + 6 e− → 3 H2 (ΔEo = 0 V)
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e− (ΔEo = −1.23 V)
Može se isto dobiti korištenjem istosmjernog napona od 10 000 do 20 000 V, na suhi molekularni kisik O2. Kemijska reakcija se odvija na sljedeći način:

3 O2 — electricitet → 2 O3
Primjena

Industrija
Najveća primjena ozona je u proizvodnji lijekova, dobivaju sintetičkih motornih ulja i kod nekih metoda dobivanja organskih spojeva, gdje je potrebno raskinuti vezu C – C. Ozon se koristi u procesu bijeljenja tkanina i za uništavanje mikroorganizama u vodi. Neki gradski vodovodi koriste ozon za pročišćavanje vode umjesto klora. Za ozon je karakteristično da ne ostaje u vodi nakon tretmana vode i ne stvara organske spojeve s klorom. Osim toga ne daje miris ili okus vodi.

Industrijski, ozon se koristi za:

dezinfekciju praonica u bolnicama, kod proizvodnje hrane itd.
dezinfekciju vode umjesto klora
pročišćavanje zraka u objektima nakon požara. Taj proces se koristi i kod obnavljanja tkanina
uništavanje bakterija na hrani ili na površinama s hranom
za higijenu bazena i termalnih kupališta
uništavanje insekata kod uskladištenih žitarica
uništavanje plijesni i kvasaca u proizvodnji hrane
uništavanje plijesni, kvasaca i bakterija kod svježeg voća i povrća
kemijski veže zagađivače u vodi (željezo, arsen, vodikov sulfid, nitrite itd.)
pomaže kod sinteze organskih spojeva
čišćenje i izbjeljivanje tkanina
Mnoge bolnice koriste generatore ozona za dezinficiranje operacijskih sala između operacija. Koristi se i za bijeljenje kod proizvodnje visokokvalitetnog bijelog papira, umjesto klora.

Domaćinstvo
Za domaćinstva su se počeli prodavati pročišćavači zraka, koji stvaraju malu količinu ozona. Neke ekološke organizacije upozoravaju da učinak tih uređaja nije značajan, ali se često premašuje dozvoljena granica ozona, što može biti opasno za zdravlje ljudi.