Lozono (nome sistematico: triossigeno, o anche catena-triossigeno) è una forma allotropica dell'ossigeno avente formula molecolare O3, più ossidante e molto meno stabile dell'ossigeno biatomico (O2) presente nell'aria, nel quale tende a trasformarsi.
È un gas azzurro chiaro dal caratteristico odore agliaceo che gli vale il nome: il termine "ozono", coniato dal chimico Christian. F. Schönbein, derivandolo dal greco antico "ὄζειν" (ózein), cioè emanare odore. L'odore dell'ozono è rilevabile da molte persone a concentrazioni atmosferiche superiori a 0,1 ppm.
L'ozono è naturalmente presente nell'alta atmosfera terrestre, nella cosiddetta fascia di ozono della stratosfera, dove assorbe gran parte della radiazione ultravioletta del Sole. Si forma inoltre durante i temporali per azione dei fulmini.
Storia Nel 1785, il chimico olandese Martinus van Marum stava conducendo esperimenti che coinvolgevano scintille elettriche sopra l'acqua quando notò un odore insolito, che attribuì alle reazioni elettriche, non riuscendo a rendersi conto che si era effettivamente formato l'ozono.
Nel 1839 Christian Friedrich Schönbein, mentre conduceva esperimenti sull'ossidazione lenta del fosforo e sull'elettrolisi dell'acqua, notò lo stesso odore e lo associò a quello che segue un fulmine nel cielo. Nel 1840 isolò la molecola e la chiamò ozono.
La formula chimica O3 fu determinata nel 1865 dal chimico svizzero Jacques-Louis Soret e venne confermata da Schönbein nel 1867.
Sebbene l'ozono abbia degli effetti positivi di schermatura dai raggi ultravioletti quando è libero in ozonosfera (parte della stratosfera terrestre), nel 1873 James Dewar e John Gray McKendrick documentarono alcuni effetti negativi che questa molecola ha negli strati bassi dell'atmosfera a contatto degli organismi: le rane diventavano più lente, gli uccelli respiravano senza fiato e il sangue dei conigli mostrava livelli ridotti di ossigeno dopo l'esposizione a un'aria ricca di ozono. Lo stesso Schönbein ha riferito che ha avuto dolori al petto, irritazione delle mucose e difficoltà respiratorie si sono verificate a causa dell'inalazione di ozono e che piccoli mammiferi sono morti durante i suoi esperimenti.
A oggi, l'unica conoscenza completamente ben accertata riguardo all'effetto fisiologico dell'ozono, è che provoca irritazione ed edema polmonare e morte se inalato in una concentrazione relativamente alta per qualsiasi periodo di tempo.
Proprietà chimico-fisiche e struttura molecolare
In condizioni ambiente l'ozono è un gas fortemente reattivo e ossidante, molto più di O2. È appena colorato in azzurro ed ha un caratteristico odore agliaceo; è leggermente solubile in acqua, 1,05 g/L a 0 °C (490 mL in un litro), ma molto più solubile dell'ossigeno biatomico, pari a14,6 mg/L a 0 °C (10,2 mL in un litro). È alquanto più solubile in solventi sufficientemente inerti, come il tetracloruro di carbonio e i fluorocarburi, acido solforico a diverse concentrazioni, dando soluzioni azzurre.
A -112 °C condensa in un liquido blu scuro che, raffreddato al di sotto di -193,2 °C, forma un solido di colore nero-violetto. Il solido e il liquido puro, come pure il gas sotto pressione, sono da trattare con cautela perché potenzialmente esplosivi. Sotto pressione può essere liquefatto se raffreddato al di sotto della sua temperatura critica di -12,1 °C, cui corrisponde una pressione critica di 54,6 atm e un volume critico di 147,1 mL/mol.
L'ozono è un composto termodinamicamente instabile, la sua formazione dall'ossigeno biatomico (3/2 O2 → O3) è alquanto endotermica: ΔHƒ° = +142,67 kJ/mol.
La molecola dell'ozono in fase gassosa è diamagnetica, a differenza di quella dell'ossigeno biatomico (biradicale stabile), sebbene l'ozono liquido risulti molto debolmente paramagnetico.
Da esperimenti di spettroscopia rotazionale nella regione delle microonde in fase gassosa è stato possibile appurare che la molecola di ozono è angolare, con i tre ossigeni ai vertici di un triangolo isoscele: la simmetria risultante è C2v, come per la molecola dell'acqua. La molecola di ozono è polare: il suo momento dipolare, misurato tramite effetto Stark-Lo Surdo, risulta essere μ = 0,53 D.
I legami tra l'ossigeno centrale e quelli terminali sono uguali e di ordine ≈ 1,5, come previsto dalla risonanza e dalla teoria degli orbitali molecolari: un legame sigma e mezzo legame pi-greco. Dall'analisi dei dati spettroscopici si ricava che la lunghezza di legame O−O è di 127,2 pm, un valore intermedio tra l'ossigeno molecolare (O=O, 121 pm), dove il legame è di ordine 2, e il perossido di idrogeno (HO−OH, 149 pm), dove il legame è singolo. La distanza tra i due ossigeni terminali, pari a 217,7 pm, è notevolmente minore rispetto al valore atteso, pari al doppio del raggio di van der Waals dell'ossigeno, 304 pm. L'angolo di legame O–O–O è pari a 116,78°.
La molecola può essere rappresentata come un ibrido di risonanza tra due forme limite tra loro speculari. In ciascuna di queste forme l'atomo di ossigeno centrale porta una carica formale positiva e si lega con un legame semplice ad un O terminale con una carica formale negativa, e con un legame doppio all'altro O, formalmente neutro. La risonanza fa sì che i due ossigeni terminali siano tra loro uguali e legati a quello centrale con un legame di ordine prossimo a 1,5, come si evidenzia dal dato sperimentale delle lunghezze di legame. La risonanza comporta inoltre che tutti e tre gli atomi di ossigeno siano ibridati sp2, il che si accorda con un angolo di legame solo di poco inferiore all'angolo ideale di 120°.
La molecola O3 è precisamente isoelettronica al fluoruro di nitrosile (F−N=O) e all'anione nitrito (−O−N=O) ed è isoelettronica di valenza al cloruro di nitrosile (Cl−N=O), all'anidride solforosa (O=S=O) e al catione O=Cl+=O.
Per l'ozono si ipotizza l'esistenza di un isomero strutturale, il triossigeno ciclico avente i tre atomi di ossigeno ai vertici di un triangolo equilatero, ciascuno legato agli altri due con legami semplici. Tale isomero, attualmente non confermato, dovrebbe avere energia considerevolmente maggiore ed essere quindi molto più reattivo.
Formazione, instabilità ed altre proprietà A 20 °C è un gas instabile con un tempo di dimezzamento di tre giorni, mentre sotto i −112 °C è un liquido esplosivo che decade in 20 minuti. Non può dunque essere conservato, e deve essere prodotto al momento dell'uso.
Ha un odore pungente caratteristico, lo stesso che accompagna talvolta i temporali, dovuto proprio all'ozono prodotto dalle scariche elettriche dei fulmini. È un energico ossidante e per gli esseri viventi è altamente velenoso. È tuttavia un gas essenziale alla vita sulla Terra per via della sua capacità di assorbire la luce ultravioletta; lo strato di ozono presente nella stratosfera protegge la Terra dall'azione nociva dei raggi ultravioletti UV-C provenienti dal Sole. Proprio per la loro capacità di distruggere lo strato di ozono della stratosfera, i freon sono stati banditi dalla produzione e dall'utilizzo. È anche diminuito molto l'uso dei CFC (che non sono stati aboliti del tutto). In Cina e in India ad esempio si persevera ancora nel loro utilizzo.
Con i metalli alcalini l'ozono forma composti di formula MO3 detti ozonuri.
Ozono nell'atmosfera terrestre
Ozonosfera
L'ozono è presente negli strati alti dell'atmosfera concentrandosi soprattutto a 25 km di altezza, dove si trova appunto l'ozonosfera:. qui l'ozono assorbe e trattiene parte dell'energia proveniente direttamente dal Sole contribuendo al riscaldamento di questo strato di atmosfera.
L'ozono dell'ozonosfera assorbe l'energia della luce solare a lunghezze d'onda che vanno da circa 200 nm a 315 nm, con un picco di assorbimento a circa 250 nm. Queste lunghezze d'onda corrispondono alla radiazione UV-C e UV-B (lontani) e il loro assorbimento è importante per la sopravvivenza della vita sulla superficie terrestre. Lo spettro di assorbimento dell'atmosfera si estende quindi a UV-C e UV-B completo in quanto l'assorbimento dei raggi UV da parte dell'ossigeno e dell'azoto comprendono le lunghezze d'onda inferiori a 200 nm (UV-B vicini). La piccola parte non assorbita che rimane di UV-B dopo il passaggio attraverso l'ozono provoca scottature negli esseri umani e danni diretti al DNA nei tessuti viventi sia nelle piante che negli animali. Tuttavia, queste stesse lunghezze d'onda sono anche tra quelle responsabili della produzione di vitamina D nell'uomo.
Ozono troposferico L'ozono è presente in piccola parte anche negli strati più bassi dell'atmosfera come inquinante secondario o fotochimico proveniente dalla trasformazione chimica degli inquinanti primari (è uno dei principali componenti dello smog prodotto dall'uomo nelle grandi città): diversamente dall'ozono che si trova nella stratosfera, quello troposferico risulta essere un inquinante molto velenoso per gli occhi e le vie respiratorie.
Ci sono prove di una significativa riduzione dei raccolti agricoli a causa dell'aumento dell'ozono poiché interferisce con la fotosintesi e blocca la crescita complessiva di alcune specie di piante.
Sintesi
Produzione naturale L'ozono si genera da molecole di ossigeno biatomico (O2) in prossimità di scariche elettriche, scintille e fulmini, secondo la seguente reazione:.
3O2 \to 2O3
Siccome la reazione è endotermica, questa necessita dell'assorbimento di una certa quantità di energia, pari a circa 69 000 calorie/mole, affinché avvenga.
Produzione industriale
L'ozono non è stabile sul lungo periodo e non viene pertanto prodotto e commercializzato in bombole come gli altri gas industriali. Viene generalmente preparato al momento dell'utilizzo attraverso apparecchi detti ozonizzatori che convertono l'ossigeno dell'aria in ozono tramite scariche elettriche. La reazione di formazione industriale dell'ozono segue quindi questa reazione:
O2 \,+\, H2O \leftrightarrows O3 \,+\, 2H+ \,+\, 2e-
Generatori a effetto corona Il processo più importante per la produzione di ozono è mediante generatori a effetto corona, che si sono dimostrati particolarmente efficienti, e dei quali si sono sviluppate diverse varianti. Tra i loro vantaggi, la possibilità di costruire generatori di dimensioni anche contenute, quella di poter produrre ozono riducendo al minimo la produzione di altri gas irritanti, la longevità delle celle a effetto corona, che può superare i dieci anni, e l'elevata produttività.
Generatori a celle Siemens
Sono i principali generatori a effetto corona attualmente in commercio e per la produzione di ozono, utilizzano celle che ricalcano il brevetto di Werner von Siemens del 1857 e del generatori d'ozono progettati da Welsbach nel 1950. Tali celle sono costituite da due elettrodi concentrici separati da un'intercapedine di pochi decimi di millimetro (), nella quale fluisce l'aria o l'ossigeno. Tra gli elettrodi c'è una differenza di potenziale di , con una frequenza dai a oltre . L'elettrodo più interno è di metallo, mentre l'elettrodo esterno è costituito da un filo conduttivo metallico che avvolge esternamente un tubo di materiale dielettrico, ordinariamente vetro borosilicato oppure ceramica (questa introdotta tra il 1984 e il 1985). L'elettrodo interno è collegato al generatore di media tensione, mentre l'elettrodo esterno è collegato a terra (in certi casi tali collegamenti possono essere invertiti). La pressione di esercizio può variare tra una e tre volte quella atmosferica . Si tenga presente che la formazione di ozono dall'ossigeno avviene con diminuzione del numero di moli, e dunque è favorita dalla pressione.