Ozon (, IUPAC: trikisik) je triatomska molekula, sestavljena iz treh atomov kisika. Ozon je kisikov alotrop, ki je veliko manj stabilen od navedenega kisika .
Sloj ozona je vitalen zaščitni plašč okrog Zemlje, ki nastaja med 10 in 50 km nad njeno površino, največjo gostoto pa doseže pri 25 km višine nad morsko gladino. Tam filtrira in tako ščiti žive organizme pred nevarnimi sončnimi žarki kratkih valovnih dolžin UV-B. V nižjih koncentracijah pa je prisoten čez celotno Zemljino ozračje. Dokaz za veliko ranljivost ozonski plasti je, da bi z dva do štiri milimetre debelo ozonsko plastjo na morski gladini pri temperaturi 0˚C zbrali ves ozon iz ozračja.
V plasti zraka pri tleh je ozon onesnaževalec, ki nastaja ob fotokemičnih reakcijah izpušnih plinov vozil in industrije. Ozon je poleg tega škodljiv zdravju, saj pušča posledice na dihalnem sistemu ljudi in živali.
Uporablja se v številne industrijske in potrošniške namene. Ozon, kot prvoodkriti alotrop kemijskega elementa, je bil poimenovan leta 1840 na predlog Christiana Friedricha Schönbeina, po grškem izrazu dišati (ozein), zaradi svojevrstnega vonja. Molekulska formula za ozon, , ni bila določena vse do leta 1865, ko jo je zapisal Jacques-Louis Soret in 2 leti pozneje potrdil Schönbein. Njegov specifičen vonj po udaru strele je močan, saj je zaznaven tudi pri razredčenju 1 : 500.000. Vzrok zato je v ionih, ki nastanejo med burnimi kemijskimi spremembami, ne za zaradi ozona samega.
V zraku ga je približno 10−6%. Njegova vsebnost v zraku je med drugim merilo za čistost zraka, ker se porablja za oksidacijo bakterij in prašnih snovi. Uporablja se ga za sterilizacijo zraka in pitne vode ter odstranjevanje zadaha.
Zgodovina Ozon, prvi priznani alotrop kemičnega elementa, je bil prvič predlagan kot samostojna kemična snov s strani Schönbeina v letu 1840, ki ga je poimenoval po starogrškemu glagolu ozein (, ), zaradi značilnega vonja pri strelastih nevihtah. Formulo za ozon – – je leta 1865 določil Jacques-Louis Soret in 1867. potrdil Schönbein.
Fizikalne značilnosti
Ozon je belo moder, strupen plin z ostrim, hladnim in dražljivim vonjem. Normalna količina ozona, ki ga večina ljudi lahko zazna je približno 0.01 delcev/meter v zraku. Porast koncentarcije iz 0.1 na 1 delcev/meter povzroča glavobol, pekoče oči in razdražljivost.
Pri -112 °C je ozon temno vijoličasto-modra tekočina. Pri temperaturah nižjih od -193 °C je trdna vijolično-črno snov.
Ozon je diamagnetičen, kar pomeni, da vzdrži tvorbo magnetnega polja in znižuje zalogo energije polja, ko je to že vzpostavljeno.
Struktura V skladu s poskuševalnimi dokazi iz mikrovalovne spektroskopije, je struktura ozona zvita s C2v simetrijo (podobno kot pri molekuli vode), razdalje 127,2 pm in kota 116,78°.Takehiko Tanaka; Yonezo Morino. Coriolis interaction and anharmonic potential function of ozone from the microwave spectra in the excited vibrational states Journal of Molecular Spectroscopy 1970, 33, 538–551. Sredinski atom tvori sp² hibridizacijo z enim samskim parom. Ozon je polarna moekula z dipolnim trenutkom 0,5337 D.Kenneth M. Mack; J. S. Muenter. Stark and Zeeman properties of ozone from molecular beam spectroscopy. Journal of Chemical Physics 1977, 66, 5278–5283. Na eni strani molekule je enojna kovalentna vez, na drugi pa dvojna kovalentna vez. Te vezi so mešane in znane kot resonančne strukture. Vezni red je 1,5 na vsaki strani. 400px|Resonance Lewis structures of the ozone molecule
Kemijske reakcije
Ozon je močan oksidant, veliko boljši od kisika. Tudi v večjih koncentarcijah je zelo nestabilen in neprestano razpada na dvoatomni kisik (v približno polovici ure v atmosferskih pogojihEarth Science FAQ: Where can I find information about the ozone hole and ozone depletion? Goddard Space Flight Center, NASA, Marec 2008.):
Ta proces teče hitreje z višanjem temperature in nižanjem tlaka. Deflagmacijo ozona lahko sproži ena sama iskra, to pa lahko povzroči povišanje koncentracije ozona na 10 wt%. Ozon bo oksidiral vse kovine (razen zlata, platine in iridija) v najvišjo oksidacijsko stopnjo izbranega kovinskega oksida:
Ozon tudi zviša oksidacijsko številko oksidov:
Pri zgornji reakciji se sprošča svetloba. je lahko še nadaljnje oksidiran:
Nastali lahko reagira s prebitkom in z njim tvori didušikov pentaoksid ():
Ozon reagira tudi z ogljikom in tvori ogljikov dioksid celo pri sobni temperaturi:
Ozon ne reagira z amonijevimi solmi temveč skupaj z amoniakom tvori amonijev nitrat:
Ozon v reakciji z sulfidi tvori sulfate:
Tako z žveplom v vodi, kot z žveplovim dioksidom ozon tvori žveplovo kislino:
Ozon reagira tudi v kombinaciji s kloridi II. skupine:
V plinastem agregatnem stanju, ozon reagira z vodikovim sulfidom in tvori žveplov dioksid:
v vodni raztopini tako pride do dveh tekmujočih hkratnih reakcij. Pri prvi nastaja nastaja žveplo v elementarni obliki (ta hitro tvori druge spojine) in pri drugi žveplova kislina:
lahko nastane po tem postopku:
Trden nitril perklorat lahko nastane iz plinov , in :
Ozon je lahko rabljen za reakcije gorenja plinov, saj ponuja višje temperature vnetišča kot kisik (). Sledi reakcija za gorenje ogljikovega subnitrida:
Ozon lahko reagira tudi pri temperaturah pod lediščem. Pri 77 K (-196 °C) vodik s tekočim ozonom reagira, tako da nastane radikal vodikovega superoksida:Horvath M., Bilitzky L., & Huttner J., 1985. "Ozone." pg 44–49
Ozonidi, ki vsebujejo ozonidni anion , so ekspolozivne snovi in morajo biti shranjene pri temperaturah pod lediščem. Znani so ozonidi za vse alkalijske kovine. , in se lahko pripravi iz njihovih oksidov:
lahko nastaja tako po zgornjem postopku, kot pri reakciji kalijevega hidroksida in ozona:Housecroft & Sharpe, 2005. "Inorganic Chemistry." pg 439
in se mora pripraviti z reakcijo s v tekočem na ionski zamenjavi smole, ki vsebuje ali ione:Housecroft & Sharpe, 2005. "Inorganic Chemistry." pg 265
Obdelava kalcija z ozonom raztopljenim v amoniaku vodi do amonijevega ozonida, ne pa do kalcijevega ozonida:
Ozon se lahko uporabi za odstranjevanje mangana iz vode, nastalo oborino pa se lahko odstrani s filtriranjem:
Ozon lahko tudi spremeni cianide v tisočkrat manj toksične ciante:
Ozon tudi popolnoma razgradi sečnino:Horvath M., Bilitzky L., & Huttner J., 1985. "Ozone." pg 259, 269–270
Prosti radikali klora in broma v F-plinih (CFC, PFC, HFC, idr.), ki izhajajo iz raznih naprav in izdelkov, potrebujejo kar nekaj let, da se dvignejo do zgornjih plasti atmosfere, potem pa se desetletja zadržujejo tam. Pri tem reagirajo z molekulami ozona in jih uničujejo.
350px|center|A generalized scheme of ozonolysis
Ozon v Zemeljski atmosferi thumb|Razdelitev ozona v atmosferi glede na višino in pritiskthumb|Koncebtracuja ozona izmerjena s satelitom Nimbus-7
Standardni način za izražanje celotne vrednosti ozona (količina ozona v navpičnem stolpcu) se meri z Dobsonovo enoto. Povprečna koncentracija se meri v delcih na milijardo (ppb) ali v µg/m3.
Ozonska plast
Najvišja raven ozona v atmosferi je v stratosferi, v regiji, znan tudi kot ozonski plašč, približno 10 km in 50 km nad površino (ali med približno 6 in 31 miljami). Tukaj se izločijo fotoni s krajše valovne dolžine (manj kot 320 nm) z ultravijolično svetlobo, imenovano tudi UV žarki, (270 do 400 nm) od Sonca, ki bi bila škodljiva za večino živih bitij. Ta valovna dolžina sodi med tiste, ki so odgovorne za proizvodnjo vitamina D pri ljudeh. Ozon v stratosferi je večinoma proizveden iz ultravijoličnih žarkov, ki reagirajo s kisikom:
O2 + foton (sevanje <240 nm) → 2 O O + O2 + O3 + M → M
To je uničeno zaradi reakcije z atomskim kisikom:
Slednja reakcija se katalizira v prisotnosti določenih prostih radikalov, ki so najpomembnejši hidroksilnih (), dušikov oksid () in atomsko klora () in broma (). V zadnjih desetletjih se je količina ozona v stratosferi zmanjšala predvsem zaradi emisij CFC-jev in podobnih kloriranih in bromiranih organskih molekul, ki so povečala koncentracijo tanjšanja ozonskega plašča, katalizatorji nad naravnega ozadja. Ozon predstavlja le 0,00006 % atmosfere.
Nizka raven ozona
Troposferski ozon in fotokemični smog
Nizka stopnja ozona (ali troposferskega ozona) je atmosferičen onesnaževalec.WHO-Europe reports: Health Aspects of Air Pollution (2003) (PDF) Ne oddajajo ga neposredno avtomobilski motorji ali industrijska dejavnosta, ampak nastane z reakcijo sončne svetlobe na zraku, ki vsebuje ogljikovodike in dušikove okside, ki se odzovejo neposredno na vir onesnaževanja.
Ozon reagira neposredno z nekaj ogljikovodiki, kot so aldehidi, in tako se začne njihova odstranitev iz zraka, le-ti so ključne sestavine smoga. Ozonska fotoliza z ultravijolično svetlobo proizvaja hidroksi radikalne OH skupine in to igra vlogo pri odstranitvi ogljikovodikov iz zraka, ampak je tudi prvi korak pri ustvarjanju sestavin smoga, kot npr. peroxyacyl nitrati, ki lahko močno dražijo oči. Atmosferska življenjska doba troposferskega ozona je približno 22 dni. Njegov glavni odmrli del se odlaga na tla z zgoraj omenjeno reakcijo veže z , pri reakciji z in peroksi radikali (Stevenson et al, 2006.)
Obstajajo dokazi o zmanjšanju kmetijskih pridelkov zaradi povečanega zemeljskega ozona in onesnaženosti, ki posega v fotosintezo in splošno rast nekaterih rastlinskih vrst.
Primeri mest s povišano vrednostjo ozona: Houston, Texas, in Mexico City, Mehika. Houston ima približno 41 ppb, medtem ko ima Mexico City približno 125 ppb.
Ozonske razpoke
Ozon plina napade katerikoli polimer, ki ima olefinske ali dvojne vezi v verigi svoje strukture, kot so naravne gume, nitrilne gume in stiren-butadien kavčuk. Proizvodi, izdelani iz teh polimerov so še posebej dovzetni za napade, ki jih povzroča ozon; to so razpoke, ki se večajo in prodirajo globlje s časom. Take materiale se lahko zaščiti z dodajanjem antiozonantov, kot so voski, ki na površini ustvarjajo zaščitni film ali mešanico z materialom in zagotavljajo dolgotrajno zaščito. Ozonske razpoke so velik problem pri avtomobilskih pnevmatikah; omenjeni problem je viden le pri starih pnevmatikah.
Vplivi na zdravje thumb|right|Rdeča pega list je indikator tipičnega onesnaženja z ozonom thumb|Tabla v Gulfton, Houston opozarja na ozonsko stražo
Onesnaženost zraka
Obstaja veliko dokazov, da ozon, ki ga ustvarjajo visoke koncentracije onesnaženja in UV žarki na površini Zemlje, lahko škodijo delovanju pljuč in dražijo dihala.
Dolgotrajna izpostavljenost ozonu dokazano povečuje tveganje za smrt zaradi bolezni dihal. Študija, ki je vključevala 450.000 ljudi živečih v mestih, v Združenih državah Amerike, je pokazala povezanost med ozonskimi luknjami in boleznimi dihal. Raziskava je potekala 18 let. Študija je pokazala, da ljudje, ki živijo v mestih z visoko ravnjo ozona, kot so Houston in Los Angeles je več kot 30 % večje tveganje smrti zaradi bolezni pljuč.
Kakovost zraka, ki so ga predpisale Svetovna zdravstvena organizacija, United States Environmental Protection Agency (EPA) in Evropska Unija so na podlagi dolgoletnih študij opredelile nivo kakovosti zraka, ki vpliva na zdravstveno stanje prebivalstva.
Po mnenju znanstvenikov iz agencije EPA, lahko že 40 ppb negativno vpliva na občutljive ljudi.
V EU je trenutna najvišja vrednost koncentracije ozona 120 µg / m³, kar je približno 60ppb. Ta vrednost se uporablja za vse države članice v skladu z Direktivo 2008/50/ES. Koncentracija ozona se meri z največjo dnevno srednjo vrednostjo v povprečju 8-ih ur. Vrednost ne sme biti presežena v več kot 25 koledarskih dneh na leto, in sicer od januarja 2010. Direktiva zahteva, da se v prihodnosti drži normativa 120 µg/m3 (tj. povprečna koncentracija ozona ne sme biti presežena na katerikoli dan v letu), za omenjeno zahtevo ni določenega datuma saj gre za dolgoročni cilj.
Zakona o kakovosti zraka usmerja EPA za določitev nacionalnih standardov kakovosti onesnaženega zunanjega zraka vključno s