Физические и химические свойства газообразного озона.

Физические свойства

При нормальных условиях озон — голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.

Строение молекулы озона представлено на рисунке 4:

Рисунок 4. Строение молекулы озона.

Обе связи O-O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Å.

Угол между связями составляет 116,78°.[1]

Центральный атом кислорода sp²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов.

Порядок каждой связи 1,5, резонансные структуры — с локализованной одинарной связью с одним атомом и двойной с другим и наоборот.

Молекула озона полярна, дипольный момент 0.5337 D.[2]

Молекулярная масса озона — 47,998 а.е.м.

Плотность газа при нормальных условиях — 2,1445 кг/м³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху — 1,62 (1,658 [3]).

Плотность жидкого озона при −183 °C — 1,71 кг/м³

Температура кипения — −111,9 °C.

Температура плавления — -197,2 ± 0,2 °С .

Растворимость озона 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 — слабо парамагнитен.

Запах — резкий, специфический «металлический» (по Менделееву — «запах раков»).

При больших концентрациях запах озона напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1 : 100000.

Основными методами, применяемыми для определения содержания озона являются фотометрический (в УФ области), иодометрический и люминесцентный .

Химические свойства газообразного озона

Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет он и многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.

Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:

NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂

с образованием азотного ангидрида N₂O₅:

NO₂ + NO₃ → N₂O₅

Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием двуокиси углерода:

C + 2 O₃ → CO₂ + 2 O₂

Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:

2 NH₃ + 4 O₃ → NH₄NO₃ + 4 O₂ + H₂O

Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:

PbS + 4O₃ → PbSO₄ + 4O₂

С помощью озона можно получить серную кислоту как из элементарной серы, так и из двуокиси серы:

S + H₂O + O₃ → H₂SO₄

3 SO₂ + 3 H₂O + O₃ → 3 H₂SO₄

В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:

H₂S + O₃ → SO₂ + H₂O

Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры пламени выше, чем при использовании для его образования двухатомного кислорода:

3 C₄N₂ + 4 O₃ → 12 CO + 3 N₂

Озон может реагировать с атомарным водородом даже при температурах 77 K (-196 °C) ,  образуя супероксидный радикал:

H + O₃ → HO₂ + O

2 HO₂ → H₂O₂+O₂

HO₂+ O₃→ ОН+ O₂

Озон может образовывать озониды всех щелочных металлов , содержащие анион O3−, которые  взрывоопасны и могут храниться при низких температурах.

2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O

Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его высокую токсичность.

Озон взрывоопасен во всех агрегатных состояниях, примеси повышают его чувствительность. При содержании озона в озоновоздушной смеси, превышающем 9%, она  взрывается под влиянием внешнего импульса давления, причем скорость детонации растет от 880 м/с при концентрации 9,2 мол. % озона до 1730 м/с при 77 мол. %.

Озон эффективно убивает плесень и бактерии. Поэтому основная часть искусственно производимого озона используют для обеззараживания питьевой воды, что более эффективно, чем хлорирование. Озон используют также для обезвреживания сточных вод химических предприятий, особенно в случае фенольных и цианидных загрязнений.

Озон применяют для получения камфоры, ванилина, монокарбоновых и дикарбоновых к-т (адипиновой, азелаиновой и др.) путем окисления углеводородов, для отбеливания тканей, изготовления минеральных масел и др.

Механизмы образования и разрушения озона в стратосфере и тропосфере

Образование озона

Озон образуется во всех процессах, сопровождаемых появлением атомарногокислорода,

-при УФ облучении воздуха,

- в электроразрядах,

- при распаде пероксидов, окислении фосфора и т.п.

В стратосфере озон образуется в основном в фотохимических реакциях цикла Чепмена:

O₂ +hν (λ<260нм) = О+О

O₂ +О= О₃

О₃+hν λ<310нм)= О+ O₂

Первая реакция этого цикла в условиях стратосферы осуществляется в 5 раз чаще, чем вторая. Поэтому цикл Чепмена – цикл образования стратосферного озона.

В тропосфере озон в основном образуется при фотолизе NO₂.

NO₂+hν =NO+O

O₂ +О= О₃

Часть образовавшегося при этом озона испытывает обратное превращение:

О₃ + NO= NO₂+ O₂

Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией.

Часть озона при этом накапливается в воздухе, поскольку соответствующее количество молекул NO превращается в NO₂ в реакциях с пероксильными радикалами RO₂ :

RO₂ + NO= NO₂ + RO.

Пероксильные радикалы образуются в воздухе, при окислении попадающих в него молекул газообразных углеводородов (метана, этана, бутана пропана и др.). Поэтому загрязнение воздуха этими веществами приводит к накоплению в воздухе тропосферного озона.

Некоторое количество тропосферного озона образуется в ходе обратимой реакции:

3O₂ + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O₃.

Молекула О₃ неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно, за несколько десятков минут, превращается в O₂ с выделением тепла.

Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода О₃ в O₂. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет подобное превращение.

Заметное количество тропосферного озона образуется при грозах (в каналах молний), а также в лесах (при фотосинтезе).

Техногенными источниками тропосферного озона являются любые искрящие электрические контакты, взрывы и источники ионизирующего излучения.