- Химические, физические и тепловые свойства озона O3. Растворимость озона.
- Химические, физические и тепловые свойства озона O3. Растворимость озона.
- Растворимость озона:
- Озон при нормальных условиях имеет плотность
- Содержание
- Строение озона
- История открытия
- Физические свойства
- Химические свойства
- Получение озона
- Биологические свойства
- Применение озона
- Применение жидкого озона
- Озон в атмосфере
Химические, физические и тепловые свойства озона O3. Растворимость озона.
Химические, физические и тепловые свойства озона O3. Растворимость озона.
- Молекулярная масса 48 а.е.м. (47,998)
- Плотность озона при нормальных условиях 2,1445 г/дм 3.
- Относительная плотность озона по кислороду 1,5; по воздуху 1,62.
- Плотность жидкости при -183 °C = 1,71 г/см 3
- Температура кипения озона -111,9 °C.
- Жидкий озон тёмно-фиолетового цвета.
- Температура плавления -197,2 ± 0,2 °С. (75,9 К) приводимая иногда т.пл. −251,4 °C (21,7 К) ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению
- В твёрдом состоянии — чёрного цвета с фиолетовым отблеском.
- Растворимость в воде при 0 °С — 0,394 кг/м 3 (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом. Кажущаяся растворимость сильно зависит от чистоты воды, поскольку примеси катализируют распад озона. Жидкий озон смешивается во всех отношениях с жидкими аргоном, азотом, фтором, метаном, углекислотой, тетрахлоруглеродом.
- Запах — резкий, специфический «металлический» (Менделеев писал, что озон пахнет раками). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1 к 100000. Запах органолептически ощущается при концентрации озона 0,015 мг/м3 воздуха
- Критическая температура −12,0 °С (261,1 К)
- Критическое давление 51,6 атм
- Коэффициент диффузии (при 300 К, 1 атм) 0,157 см2/с
- Молярная теплота плавления 2,1 кДж/моль
- Теплота испарения
- при температуре кипения в различных источниках указывается от 11,17 до 15,19 кДж/моль
- при 90 К от 15,27 до 16,6 кДж/моль
- Смешивается с жидким кислородом во всех отношениях при температуре выше 93 К, ниже этой температуры раствор расслаивается на две фазы.
- Хорошо растворяется в фреонах, образуя стабильные растворы (используется для хранения и перевозки), а также в эфирных маслах и скипидаре.
- Потенциал ионизации молекулы 12,52 эВ
- В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком — слабопарамагнитен.
- Молекула озона, как уже отмечалось, состоит из трех атомов кислорода и имеет несимметричную структуру треугольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыражен-ной полярностью (0,58).
- Озон образуется из кислорода, поглощая при этом тепло и, наоборот, при разложении переходит в кислород, выделяя тепло (подобно горению). Процесс этот можно записать в следующем виде: Экзотермическая реакция 2О3=ЗО2+68 ккал
Растворимость озона:
Растворимость в воде при (°С): | |
0°С | 1,13 г/л |
10°С | 0,875 г/л |
20°С | 0,688 г/л |
40°С | 0,450 г/л |
60°С | 0,307 г/л |
Растворимость озона: | |
в уксусной кислоте 18,2° С | 2,5 г/л |
в трихлоруксусной кислоте, 0°С | 1,69 г/л |
в ангидриде уксусной кислоты 0°С | 2,15 г/л |
в пропионовой кислоте 17,3° С | 3,6 г/л |
в ангидриде пропионовой кислоты 18,2° С | 2,8 г/л |
в четыреххлористом углероде 21° С | 2,95 г/л |
Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона.
Озон обладает хорошей способностью адсорбироваться силикагелем и алюмогелем, что позволяет использовать это явление для извлечения озона из газовых смесей и из растворов, а также для безопасного обращения с ним при высоких концентрациях. В последнее время для безопасной работы с высокими концентрациями озона широко используют фреоны. Концентрированный озон, растворенный во фреоне, может сохраняться длительное время.
При синтезе озона, как правило, образуются газовые смеси (O3+O2 или О3 + воздух), в которых содержание озона не превышает 2-5% по объему.
Озон окисляет все металлы, за исключением золота и группы платины. Сернистые соединения окисляются им до сернокислых, нитриты — в нитраты. В реакциях с соединениями йода и брома озон проявляет восстановительные свойства, и на этом основан ряд методов его количественного определения. В реакцию с озоном вступают азот, углерод и их окислы. В реакции озона с водородом образуются гидроксильные радикалы: Н+О3-> HO+O2.
Аммиак окисляется озоном в азотнокислый аммоний.
Озон разлагает галогеноводороды и переводит низшие окислы в высшие. Галогены, участвующие в качестве активаторов процесса, также образуют высшие окислы.
Озон при нормальных условиях имеет плотность
Озо́н (от др.-греч. ὄζω — пахну) — состоящая из трёхатомных молекул O3 аллотропная модификация кислорода. При нормальных условиях — голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.
Содержание
Строение 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 полярна, дипольный момент 0,5337 D [2] .
История открытия
Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретает воздух 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 [3] . 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 [3] :
Факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон экспериментально доказали [когда?] Эндрюс и Тэт при помощи стеклянной трубки с манометром, наполненной чистым кислородом, со впаянными в неё платиновыми проволками для получения электрического разряда [3] .
Физические 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 (1,658 [4] ).
- Плотность жидкости при −183 °C — 1,71 г/см³
- Температура кипения — −111,9 °C. Жидкий озон — тёмно-фиолетового цвета.
- 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) [5] . В твёрдом состоянии — чёрного цвета с фиолетовым отблеском.
- 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.
Химические свойства
Образование озона проходит по обратимой реакции:
Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут [6] превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.
В присутствии небольших количеств HNO3 озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах (—78 °С) практически не разлагается.
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 многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.
Озон повышает степень окисления оксидов:
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Диоксид азота может быть окислен до азотного ангидрида:
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием диоксида углерода:
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:
Озон реагирует с водородом с образованием воды и кислорода:
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
С помощью озона можно получить Серную кислоту как из элементарной серы, так и из диоксида серы:
Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:
В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:
Обработкой озоном раствора иода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат иода(III):
Твёрдый нитрилперхлорат может быть получен реакцией газообразных NO2, ClO2 и O3:
Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:
Озон может вступать в химические реакции и при низких температурах. При 77 K (-196 °C), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием супероксидного радикала с димеризацией последнего [7] :
Озон может образовывать озониды, содержащие анион O3 − . Эти соединения взрывоопасны и могут храниться только при низких температурах. Известны озониды всех щелочных металлов (кроме франция). KO3, RbO3, и CsO3 могут быть получены из соответствующих супероксидов:
Озонид калия может быть получен и другим путём из гидроксида калия [8] :
NaO3 и LiO3 могут быть получены действием CsO3 в жидком аммиаке NH3 на ионообменные смолы, содержащие ионы Na + или Li + [9] :
Обработка озоном раствора кальция в аммиаке приводит к образованию озонида аммония, а не кальция [7] :
Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием осадка, который может быть отделён фильтрованием:
Озон превращает токсичные цианиды в менее опасные цианаты:
Озон может полностью разлагать мочевину [10] :
Взаимодействие озона с органическими соединениями с активированным или третичным атомом углерода при низких температурах приводит к соответствующим гидротриоксидам.
Получение 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.
В лаборатории озон можно получить взаимодействием охлажденной концентрированной серной кислоты с пероксидом бария:
Биологические свойства
Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его высокую токсичность. Воздействие озона на организм может приводить к преждевременной смерти. [11]
Наиболее опасное воздействие:
- на органы дыхания прямым раздражением и повреждением тканей
- на холестерин в крови человека с образованием нерастворимых форм, приводящим к атеросклерозу
- на органы размножения у самцов всех видов животных, в том числе и человека (вдыхание этого газа убивает мужские половые клетки и препятствует их образованию). При долгом нахождении в среде с повышенной концентрацией этот газ может стать причиной мужского бесплодия.
Озон в Российской Федерации отнесён к первому, самому высокому классу опасности вредных веществ. Нормативы по озону:
- максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³ [12]
- среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³ [12]
- предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³
При этом, порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м³. [13]
Озон эффективно убивает плесень и бактерии.
Применение озона
Применение озона обусловлено его свойствами:
- сильного окисляющего реагента:
- для стерилизации изделий медицинского назначения
- при получении многих веществ в лабораторной и промышленной практике
- для отбеливания бумаги
- для очистки масел
- сильного дезинфицирующего средства:
- для очистки воды и воздуха от микроорганизмов (озонирование)
- для дезинфекции помещений и одежды
- для озонирования растворов, применяемых в медицине (как для внутривенного, так и для контактного применения).
Одним из существенных достоинств озонирования, по сравнению с хлорированием, является отсутствие [13] токсинов после обработки, тогда как при хлорировании возможно образование существенного количества токсинов и ядов, например, диоксина.
- лучшая, по сравнению с кислородом, растворимость в воде:
- По заявлениям озонотерапевтов, здоровье человека значительно улучшается при лечении озоном (наружно, перорально, внутривенно и экстракорпорально), однако ни одно объективное клиническое исследование не подтвердило сколько-нибудь выраженный терапевтический эффект. Более того, при использовании озона в качестве лекарственного средства (особенно при непосредственном воздействии на кровь пациента) доказанный риск его мутагенного, канцерогенного и токсического воздействия [14] перевешивает любые теоретически возможные положительные эффекты, поэтому практически во всех развитых странах озонотерапия не признаётся лекарственным методом, а её применение в частных клиниках возможно исключительно с информированного согласия пациента.
В 21 веке многие фирмы начали выпуск так называемых бытовых озонаторов, предназначенных также для дезинфекции помещений (подвалов, комнат после вирусных заболеваний, складов, заражённых бактериями и грибками вещей), зачастую умалчивая о мерах предосторожности столь необходимых при применении данной техники [источник не указан 219 дней] .
Применение жидкого озона
Давно рассматривается применение озона в качестве высокоэнергетического и вместе с тем экологически чистого окислителя в ракетной технике [15] . Общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (719 ккал/кг). Больше будет, соответственно, и удельный импульс. У жидкого озона больший удельный вес, чем у жидкого кислорода (1,35 и 1,14 соответственно), а его температура кипения выше (минус 112° и минус 183°С соответственно), поэтому в этом отношении преимущество в качестве окислителя в ракетной технике больше у жидкого озона. Однако препятствием является химическая неустойчивость и взрывоопасность жидкого озона. При взрыве возникает движущаяся с огромной скоростью — по некоторым данным более 200 км/сек — детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 4000 атм, что делает применение жидкого озона невозможным при нынешнем уровне техники [16] .
Озон в атмосфере
Атмосферный озон играет важную роль для всего живого на планете. Образуя озоновый слой в стратосфере, он защищает растения и животных от жёсткого ультрафиолетового излучения. Поэтому проблема образования озоновых дыр имеет особое значение. Однако тропосферный озон является загрязнителем, который может угрожать здоровью людей и животных, а также повреждать растения.