Озон — аллотропная форма кислорода¶

Озон (O₃) — аллотропная модификация кислорода, трёхатомный молекулярный газ голубоватого цвета с характерным резким запахом. Относится к классу сильных окислителей, в 1,5 раза тяжелее воздуха, при нормальных условиях нестабилен и постепенно разлагается с выделением обычного двухатомного кислорода O₂. Название происходит от греческого слова «озон» — «пахнущий», что связано с его резким запахом, ощущаемым во время грозы.

¶Физические и химические свойства

Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода, связанных в изогнутую (угловую) конфигурацию с углом около 116,8°. Длина связи O–O составляет примерно 0,128 нм. Такая структура делает молекулу полярной, хотя молекула O₂ неполярна.

Основные физические характеристики:

Озон сильный окислитель (стандартный электродный потенциал +2,07 В), активнее молекулярного кислорода. Он взаимодействует со многими элементами и соединениями, в том числе с металлами (серебро, ртуть, свинец), образуя оксиды. С органическими веществами даёт озониды — неустойчивые соединения, некоторые из которых взрывоопасны. В концентрированном виде озон взрывается при ударе, трении или нагревании выше +100 °C.

¶Получение

В лаборатории и промышленности озон получают, пропуская кислород или воздух через электрический разряд (коронный разряд, тихоэлектрическая дуга). Метод основан на диссоциации O₂ с последующим присоединением свободного атома кислорода к другой молекуле. Альтернативный способ — облучение кислорода ультрафиолетовым излучением длиной волны менее 200 нм.

В природе озон образуется в атмосфере под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. В промышленных масштабах озон получают на озонаторах, используемых для водоподготовки, дезинфекции и в химическом синтезе.

¶Озоновый слой

Наиболее известная роль озона в природе — образование озонового слоя в стратосфере на высоте 15–35 км, где его концентрация максимальна. Этот слой поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца (диапазон UV-B и UV-C), защищая живые организмы от вредного воздействия.

В 1974 году Молина и Роуланд выдвинули гипотезу, что хлорфторуглероды (фреоны) разрушают озоновый слой. В 1985 году британские учёные обнаружили «озоновую дыру» над Антарктидой. В 1987 году был принят Монреальский протокол, ограничивший производство веществ, разрушающих озоновый слой. К началу 2020-х годов учёные отмечают постепенное восстановление озонового слоя.

¶Роль в природе и жизни человека

В природе озон образуется в атмосфере при грозовых разрядах, что и создаёт характерный «свежий» запах после грозы. В приземном слое атмосферы озон является загрязнителем — компонентом фотохимического смога. Он образуется из оксидов азота и летучих органических соединений под действием солнечного света и раздражает дыхательные пути, повреждает растения.

Приземный озон в концентрациях свыше предельно допустимых наносит вред здоровью: вызывает кашель, одышку, обострение астмы, снижает иммунитет дыхательных путей. Санитарные нормы России (ГН 1.2.3685-21) устанавливают предельно допустимые среднесуточные концентрации озона на уровне 0,16 мг/м³ (максимально разовая — 0,24 мг/м³).

¶Применение

Озон широко используется в промышленности и медицине:

• Водоподготовка. Озонирование — один из эффективных методов обеззараживания питьевой и сточных вод. Озон уничтожает бактерии, вирусы и паразитов, окисляет органические загрязнения, не оставляя вредных остаточных соединений (в отличие от хлорирования).
• Пищевая промышленность. Обработка озоном поверхностей, оборудования и продуктов для продления срока хранения.
• Медицина. Озонотерапия применяется в некоторых странах для лечения ран, инфекций и как вспомогательный метод. Эффективность и безопасность озонотерапии остаются предметом научных дискуссий.
• Химический синтез. Озон используется как селективный окислитель в органическом синтезе (озонолиз).
• Оборонная промышленность. Ранее применялся для производства ракетного топлива на основе высококонцентрированного перекиси водорода.

¶Безопасность

Озон токсичен. ПДК в рабочей зоне в России составляет 0,1 мг/м³ (по данным СН 1.2.3685-21). При концентрации выше 0,1 мг/м³ ощущается резкий запах, выше 1 мг/м³ — раздражение слизистых оболочек. Длительное вдыхание озона в повышенных концентрациях может привести к отёку лёгких. При работе с озонаторами применяют местные вытяжные вентиляционные системы и средства индивидуальной защиты органов дыхания.

¶История открытия

Озон был открыт в 1785 году нидерландским физиком Мартином Ван Марумом, заметившим характерный запах при электрических разрядах. Термин «оззон» ввёл в 1840 году химик Кристиан Шёнбейн, установивший, что это вещество является модификацией кислорода. В 1872 году Шёнбейн и, независимо от него, Жюль де Мариньяк предложили молекулярную формулу O₃. В 1899 году Чемберлен и Фрич показали, что озон образуется в атмосфере из кислорода под действием ультрафиолетового излучения.

Источники:

• Большая советская энциклопедия, статья «Озон»
• Химическая энциклопедия, т. 3
• ГН 1.2.3685-21 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест»
• Молина М., Роуланд Ф. «Stratospheric sink for chlorofluoromethanes», Nature, 1974
• WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion, 2022