Озон. Боевые свойства смертоносного оружия

Крайне ценными для всего человечества свойствами обладает такой газ, как озон. Химический элемент, которым он образован, - О. На самом деле, озон О 3 - одна из аллотропных модификаций оксигена, состоящая из трёх формульных единиц (О÷О÷О). Первое и более известное соединение - это сам кислород, точнее газ, который образован двумя его атомами (О=О) - О 2 .

Аллотропия - это способность одного химического элемента образовывать ряд различных по свойствам простых соединений. Благодаря ей человечество изучило и использует такие вещества, как алмаз и графит, моноклинная и ромбическая сера, кислород и озон. Химический элемент, имеющий такую способность, не обязательно ограничен только двумя модификациями, у некоторых их больше.

История открытия соединения

Составляющая единица многих органических и минеральных веществ, в том числе и такого как озон - химический элемент, обозначение которого О - оксиген, в переводе с греческого «oxys» - кислый, и «gignomai» - рождать.

Впервые новую во время опытов с электрическими разрядами обнаружил в 1785 году голландец Мартин ван Марун, его внимание привлёк специфический запах. А веком позже француз Шенбейн отметил присутствие такого же после грозы, в результате чего газ был назван «пахнущий». Но учёные несколько обманулись, считая, что их обоняние учуяло сам озон. Запах, который они чувствовали, принадлежал окисленным при взаимодействии с О 3 , так как газ очень реакционноспособен.

Электронное строение

Один и тот же структурный фрагмент имеют О2 и О3 - химический элемент. Озон имеет более сложное строение. В кислороде же всё просто - два атома оксигена соединены двойной связью, состоящей из ϭ- и π-составляющей, согласно валентности элемента. О 3 имеет несколько резонансных структур.

Кратная связь соединяет два кислорода, а третий имеет одинарную. Таким образом, вследствие миграции π-составляющей, в общей картине три атома имеют полуторное соединение. Эта связь короче, чем одинарная, но длиннее, чем двойная. Вероятность цикличности молекулы проведённые учёными эксперименты исключают.

Методы синтеза

Для образования такого газа, как озон, химический элемент оксиген должен находиться в газообразной среде в виде отдельных атомов. Такие условия создаются при соударении молекул кислорода О 2 с электронами во время электрических разрядов или другими частицами с большой энергией, а также при его облучении ультрафиолетом.

Львиная доля от общего количества озона в естественных условиях атмосферы образуется фотохимическим способом. Человек предпочитает в химической деятельности использовать другие методы, такие как, например, электролитический синтез. Он заключается в том, что в водную среду электролита помещают платиновые электроды и пускают ток. Схема реакции:

Н 2 О + О 2 → О 3 + Н 2 + е -

Физические свойства

Кислород (О) - составная единица такого вещества как озон - химический элемент, формула которого, а также относительная молярная масса указаны в таблице Менделеева. Образуя О 3 , оксиген приобретает свойства, кардинально отличающиеся от свойств О 2 .

Газ голубого цвета - это обычное состояние такого соединения, как озон. Химический элемент, формула, количественные характеристики - все это определили при идентификации и изучении данного вещества. для него -111,9 °C, сжиженное состояние имеет темно-фиолетовый окрас, при дальнейшем понижении градуса до -197,2 °C начинается плавление. В твёрдом агрегатном состоянии озон приобретает чёрный цвет с фиолетовым отливом. Растворимость его в десять раз превышает это свойство кислорода О 2 . При самых незначительных концентрациях в воздухе чувствуется запах озона, он резок, специфичен и напоминает запах металла.

Химические свойства

Очень активным, с реакционной точки зрения, является газ озон. Химический элемент, который его образует - это кислород. Характеристики, определяющие поведение озона во взаимодействии с другими веществами, - это высокая окисляющая способность и неустойчивость самого газа. При повышенных температурах он разлагается с небывалой скоростью, процесс ускоряют и катализаторы, такие как оксиды металлов, азота и другие. Свойства окислителя присущи озону благодаря особенностям строения молекулы и подвижности одного из атомов оксигена, который отщепляясь, превращает газ в кислород: О 3 → О 2 + О·

Оксиген (кирпичик, из которого построены молекулы таких веществ, как кислород и озон) - химический элемент. Как пишется в уравнениях реакции - О·. Озон окисляет все металлы, за исключением золота, платины и его подгруппы. Он реагирует с газами, находящимися в атмосфере - оксидами серы, азота и прочими. Не остаются инертными и органические вещества, особенно быстро идут процессы разрывов кратных связей через образования промежуточных соединений. Крайне важно, что продукты реакций являются безвредными для окружающей среды и человека. Это вода, кислород, высшие оксиды различных элементов, окислы углерода. Во взаимодействие с озоном не вступают бинарные соединения кальция, титана и кремния с кислородом.

Применение

Основная область, где применяется «пахнущий» газ - это озонирование. Подобный метод стерилизации гораздо эффективнее и безопаснее для живых организмов, чем дезинфекция хлором. При не происходит образование токсичных производных метана, замещенных опасным галогеном.

Всё чаще такой экологический метод стерилизации находит применение в пищевой отрасли промышленности. Озоном обрабатывают холодильное оборудование, складские помещения для продуктов, с помощь него проводят устранение запахов.

Для медицины дезинфицирующие свойства озона также незаменимы. Им обеззараживают раны, физиологические растворы. Озонируют венозную кровь, а также «пахнущим» газом лечат ряд хронических заболеваний.

Нахождение в природе и значение

Простое вещество озон - элемент газового состава стратосферы, области околоземного пространства, расположенной на расстоянии порядка 20-30 км от поверхности планеты. Выделение этого соединения происходит во время процессов, связанных с электрическими разрядами, при сварке, работе аппаратов ксерокса. Но именно в стратосфере образуется и содержит 99% от общего количества озона, находящегося в атмосфере Земли.

Жизненно важным оказалось присутствие газа в околоземном пространстве. Он образует в нем так называемый озоновый слой, который защищает всё живое от смертельного ультрафиолетового излучения Солнца. Как ни странно, но наравне с огромной пользой, сам газ опасен для людей. Повышение концентрации озона в воздухе, которым дышит человек, вредно для организма, вследствие его крайней химической активности.

Принято различать два вида озона:

- тропосферный озон , образующийся в нижних слоях атмосферы Земли ниже 8-12 км. На тропосферный озон приходится около 10% всего атмосферного озона.

- стратосферный озон , образующийся в верхних слоях атмосферы Земли выше 12 км.

Концентрация озона в атмосфере очень незначительна: до одной тысячной доли процента от общего объема атмосферы Земли (до 0,001 %).

Озоновый слой (озоносфера) – это область атмосферы Земли , в которой происходит активное образование озона. Озоносфера начинается на уровне 10-12 км от поверхности Земли и простирается до высот 50-55 км, но больше всего озона содержится на высоте около 25 км.

Однако даже в зоне наибольшей концентрации озона в атмосфере находится не более 5-10 молекул озона на миллион молекул воздуха.

Если собрать весь озон, содержащийся в вертикальном столбе атмосферы при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С, то получится слой толщиной всего 3 мм.

При различных условиях количество озона в атмосфере может меняться примерно в 2 раза, так что высота однородной атмосферы озона может составлять то 0.2, то 0.4 см.

Концентрация озона в атмосфере и распределение озонового слоя над поверхностью Земли.

Озоносфера охватывает всю планету, но распределение озонового слоя над поверхностью Земли неравномерно. Образование большей части озона происходит над экватором, а в сторону полюсов О 3 переносится воздушными течениями. Но если взглянуть на карту распределения озонового слоя по широтам Земли, мы увидим, что как раз над экваториальными широтами содержание озона в атмосфере минимально.

На планете четко выделяется тропическая область недостаточного содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя О 3 около 0,26 см. К северу и югу от нее толщина слоя больше – 0,35 см. То есть толщина озонового слоя (концентрация озона в атмосфере) растет по направлению к полюсам.

Количество озона относительно велико в северных полярных широтах, далее убывает к югу, сравнительно мало в области между 35 с.ш. и 35 ю.ш., затем нарастает, и вторичный максимум приходится на 50 - 60 ю.ш. Над Антарктидой намечается новый "провал"".

Наибольшая концентрация озона в атмосфере приходится на следующие широты:

В Северном полушарии на широте 65-75°

В Южном полушарии на широте 50-60°

Почему же так происходит?

Почему над экватором озоновый слой тоньше, концентрация озона в атмосфере меньше?

Ведь, казалось бы, вполне логично предположить, что озона должно быть больше там, где он и образуется. Для объяснения этого феномена есть несколько причин. Рассмотрим их подробнее.

Причиной малой концентрации озона над экваториальными широтами является быстрый распад молекулы озона. Время жизни молекулы озона здесь составляет всего несколько часов.

Это связано, прежде всего, с высокой интенсивностью солнечного излучения в высоких слоях атмосферы экваториальных широт. Ультрафиолетовое излучение разбивает молекулы озона, также озон разрушается вследствие реакции с атомарным кислородом.

Оставшийся озон из-за большей плотности опускается в более нижние слои атмосферы и воздушными течениями переносится по направлению к полюсам Земли. Здесь время жизни молекулы озона уже значительно выше – около 100 дней.

Таким образом, концентрация озона в атмосфере над экватором получается ниже, чем над полярными широтами.

Это правило (увеличение концентрации озона от тропических к полярным областям и от более высоких слоёв к более низким) носит название принципов Дютша–Добсона и Добсона-Норманда соответственно.

2. Концентрация озона в атмосфере в зависимости от времени года.

В предыдущем пункте мы рассмотрели изменение концентрации озона в атмосфере в зависимости от географической широты. Но на концентрацию озона влияет также и время года. Особенно это заметно в полярных широтах, в средних широтах максимум (0.43 см) приходится на март, а минимум (0.27 см) - на октябрь.

Вообще, независимо от широты, максимум содержания озона в атмосфере приходится на конец зимы и весну, а минимум – на осень и начало зимы. Но с продвижением к северу и югу наступление максимума отодвигается на более поздние месяцы. Например, в Алма-Ате максимум толщины озонового слоя наблюдается в феврале, в Санкт-Петербурге – в марте, на о. Диксон – в мае.

Максимальное значение концентрации озона в атмосфере, зарегистрированное на земном шаре, составляет 0.76 см (это рекордное значение зарегистрировано на острове Кергелен 20 октября 1967 г.), а минимальное значение (в "озонных дырах"") равно 0.09 см.

3. Концентрация озона в атмосфере в зависимости от времени суток.

Концентрация озона в атмосфере может меняться более или менее случайным образом в течение суток и амплитуда этих изменений сравнима с амплитудой широтных и сезонных вариаций.

Междусуточные изменения содержания озона могут быть очень велики. Так, на озонометрической станции на острове Кергелен в 1968 году были получены следующие данные: 22 марта - 0.583 см; 23 марта - 0.749 см; 25 марта - 0.283 см.

Это была статья о концентрации озона в атмосфере Земли и границах озонового слоя. Читайте далее: Значение озонового слоя Земли – озоносферы. Воздействие ультрафиолетовых лучей Солнца на человека и другие живые организмы.

Озон - это газ. В отличие от многих других он не прозрачный, а имеет характерный цвет и даже запах. Он присутствует в нашей атмосфере и является одним из важнейших её составляющих. Какова плотность озона, его масса и другие свойства? Какова его роль в жизни планеты?

Голубой газ

В химии озон не имеет отдельного места в таблице Менделеева. Все потому, что он не является элементом. Озон - это аллотропная модификация или же вариация кислорода. Как и в О2, его молекула состоит только из атомов кислорода, но имеет их не два, а три. Поэтому его химическая формула выглядит как О3.

Озон является газом голубого цвета. Он обладает хорошо заметным резким запахом, напоминающим хлор, если концентрация будет слишком большой. Вы помните запах свежести во время дождя? Это и есть озон. Благодаря такому свойству он и получил своё название, ведь с древнегреческого языка «озон» - это «пахну».

Молекула газа полярна, атомы в ней соединяются под углом 116,78°. Озон образуется, когда к молекуле О2 присоединяется свободный атом кислорода. Происходит это во время различных реакций, например, окисления фосфора, электрического разряда или разложения перекисей, в ходе которых и освобождаются атомы оксигена.

Свойства озона

При нормальных условиях озон существует в с молекулярной массой почти 48 г/моль. Он является диамагнетиком, то есть не способен притягиваться к магниту, точно так же, как серебро, золото или азот. Плотность озона составляет 2,1445 г/дм³.

В твердом состоянии озон приобретает иссиня-черный цвет, в жидком - цвет индиго, близкий к фиолетовому. Температура кипения при этом составляет 111,8 градусов Цельсия. При температуре нуль градусов он растворяется в воде (только в чистой) в десять раз лучше кислорода. Он отлично смешивается с азотом, фтором, аргоном, а при определенных условиях и с кислородом.

Под действием ряда катализаторов легко окисляется, выделяя при этом свободные атомы кислорода. Соединяясь с ним, тут же воспламеняется. Вещество способно окислить практически все металлы. Не поддаются его действию только платина и золота. Он разрушает различные органические и ароматические соединения. При контакте с аммиаком образует нитрит аммония, разрушает двойные углеродные связи.

Присутствуя в атмосфере в больших концентрациях, озон самопроизвольно разлагается. При этом выделяется тепло и образуется молекула О2. Чем выше его концентрация, тем сильнее реакция тепловыделения. При содержании озона больше 10% она сопровождается взрывом. При увеличении температуры и снижении давления или при контакте с органическими веществами разложение О3 происходит быстрее.

История открытия

В химии озон не был известен до XVIII века. Обнаружен он был в 1785 году благодаря запаху, который физик Ван Марум услышал рядом с работающей электростатической машиной. Ещё 50 лет после никак не фигурировал в научных экспериментах и исследованиях.

Ученый Кристиан Шёнбейн в 1840 году изучал окисление белого фосфора. Во время экспериментов ему удалось выделить неизвестное вещество, которое он назвал «озон». Химик вплотную занялся изучением его свойств и описал способы получения вновь открытого газа.

Вскоре к исследованиям вещества подключились и другие ученые. Знаменитый физик Никола Тесла даже соорудил первый в истории Промышленное использование О3 началось в конце XIX века с появлением первых установок для подачи в дома питьевой воды. Вещество применяли для дезинфицирования.

Озон в атмосфере

Наша Земля окружена невидимой оболочкой из воздуха - атмосферой. Без неё жизнь на планете была бы невозможна. Составляющие атмосферного воздуха: кислород, озон, азот, водород, метан и другие газы.

Сам по себе озон не существует и возникает только в результате химических реакций. Близко к поверхности Земли он образуется за счет электрических разрядов молнии во время грозы. Неестественным путем он появляется благодаря выбросам выхлопных газов автомобилей, заводов, испарениям бензина, действию тепловых электростанций.

Озон нижних слоев атмосферы называют приземным или тропосферным. Существует и стратосферный. Он возникает под действием ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца. Он образуется на расстоянии 19-20 километров над поверхностью планеты и тянется до высоты 25-30 километров.

Стратосферный О3 формирует озоновый слой планеты, который защищает её от мощной солнечной радиации. Он поглощает примерно 98% ультрафиолетового излучения с длиной волны, достаточной для возникновения раковых заболеваний и ожогов.

Применение вещества

Озон - это отличный окислитель и разрушитель. Такое свойство давно используется для очищения питьевой воды. Вещество губительно действует на опасные для человека бактерии и вирусы, а само при окислении превращается в безвредный кислород.

Он способен убить даже стойких к хлору организмов. Кроме того, его применяют для очищения сточных вод от губительных для окружающей среды нефтепродуктов, сульфидов, фенолов и т.д. Такие практики распространены в основном на территории США и некоторых стран Европы.

Озон применяют в медицине для обеззараживания инструментов, в промышленности с его помощью отбеливают бумагу, очищают масла, получают различные вещества. Применение О3 для очистки воздуха, воды и помещения называется озонированием.

Озон и человек

Несмотря на все свои полезные свойства, озон может быть опасен для человека. Если в воздухе газа окажется больше, чем может перенести человек, отравления не избежать. В России его допустимая норма составляет 0,1 мкг/л.

При превышении этой нормы появляются типичные признаки химического отравления, такие как головная боль, раздражение слизистых, головокружение. Озон уменьшает сопротивление организма к инфекциям, передающимся через дыхательные пути, а также снижает давление крови. При концентрации газа выше 8-9 мкг/л возможен отек легких и даже смерть.

При этом распознать озон в воздухе достаточно легко. Запах «свежести», хлора или «раков» (как утверждал Менделеев) отчетливо слышен и при незначительном содержании вещества.

Озон – это активная форма кислорода. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Формула озона – O 3 , молекулярная масса – 48. Озон по своему бактерицидному воздействию в 3-6 раз сильнее ультрафиолетового излучения и в 400-600 раз сильнее хлора. Озон можно получить из двухатомного кислорода через ионизацию и газовый разряд высокого напряжения. В наше время озон используется не только для очистки и дезинфекции воздуха и воды , но и в целях удаления токсинов из продуктов питания . Мировая общественность уже признала озон наиболее экологически чистым, популярным и эффективным бактерицидным веществом.

Запах озона чувствуется после грозового дождя. Также озон составляет один из важнейших слоёв земной атмосферы, поглощая губительное ультрафиолетовое излучение. Вследствие недостатка озона появляются озоновые дыры, что угрожает вымиранием всему живому. Однако это ещё не всё.

Синтетически получаемый озон широко используется в медицине. Он применяется в лечении широкого спектра заболеваний, а также замедляет процессы старения . Сегодня озонотерапия применяется во многих медицинских учреждениях и косметических салонах.

Всем нам в школе на уроке химии объясняли, что первооткрывателем озона был нидерландский физик М. ванн Марум (1785г.). Однако получено данное вещество было лишь в 1839 году немецким физиком К.Ф. Шёнбейном путем электролиза воды. Он же дал веществу название – озон (от древнегреческого - пахнущий). И название действительно соответствует свойствам озона, т.к. его аромат отчетливо чувствуется уже при 7%-м содержании в воздухе.

Озон – это вторая по устойчивости молекула кислорода. В отличие от обычного двухатомного кислорода, молекула озона состоит из трех атомов, и обладает большим расстоянием между атомами (около 128 ангстрем, тогда как расстояние между атомами в двухатомном кислороде – 121 ангстрем).

При нормальных условиях озон – это газообразное вещество голубого цвета. Его масса больше массы воздуха. Один литр газа весит 2,15 грамм. Предельно допустимая концентрация O 3 в воздухе – 0,1 мкг/л. Температура перехода в газообразное состояние при 100 КПа -112 градусов по Цельсию, а температура плавления при тех же условиях - -193 градуса. В первое время практического применения озону не было найдено. Однако в начале 20 века ученые обнаружили антибактериальные свойства, чем сразу заинтересовались медицинские работники.

Смесь озона и кислорода стали применять в терапии туберкулёза , малокровия, воспаления лёгких . В 1-й мировой войне – для дезинфекции нарывов и гнойных ран. В 30-е годы этот газ уже широко применялся в хирургической практике.

С открытием антибиотиков спектр применения озона уменьшился. Поначалу казалось, что антибиотики являются лучшими средствами для лечения инфекционных заболеваний. Спустя некоторое время было выяснено, что антибиотики вызывают ряд побочных явлений, а со временем микроорганизмы становятся толерантны к ним. И тогда в медицину стал возвращаться озон.

Новые исследования свойств озона принесли ряд интересных фактов. Выяснилось, что при прямом контакте данное вещество уничтожает все известные типы микроорганизмов (в т.ч. вирусы). Причем, в отличие от многих антисептиков, наносящих вред тканям, озон не повреждает эпителиальную ткань, т.к. человеческие клетки снабжены системой антиокислительной защиты (в отличие от клеток бактерий и вирусов). Также озон существует во всех агрегатных состояниях. Это делает его использование очень удобным и дает возможность ученым открывать всё новые методы его применения. На сегодняшний день применяется не только смесь озона и кислорода, которой воздействуют на воспаления. Растворы озона вводят в кровь через инъекции. Практикуется впрыскивание смеси озона и кислорода в суставы и в точки иглоукалывания .

Однако период существования озона в нормальных условиях крайне непродолжителен. Поэтому вещество используют непосредственно после получения.

Применение озона в медицинских целях начиналось с газовой смеси озона и кислорода. Сейчас эта смесь применяется в основном наружно. Также наружно применяется озонированная вода и озонированное масло. Независимо от того, в каком виде применяется озон, его наносят на пораженный инфекцией участок эпителия. Газовую смесь озона и кислорода применяют и в хирургической практике – в целях предотвращения заражения и нагноения тканей. Количество озона в препаратах не фиксировано. В смеси озона с кислородом его концентрация составляет 3-80 мкг/мл. Озонокислородная смесь мгновенно уничтожает все виды микроорганизмов и эффективно останавливает кровотечения – ее используют для обработки сильно инфицированных и плохо затягивающихся ран, а также при некрозе мягких тканей, гангрене и ожогах . Невысокие концентрации оказывают крайне благоприятный эффект – стимулируют рост новых клеток эпителия и заживление повреждений.

Вместе с тем озон применяют не только в целях уничтожения микроорганизмов. В небольшом количестве он может влиять на местный иммунитет человека, стимулируя лейкоциты к обнаружению и уничтожению чужеродных объектов. Озонотерапия стимулирует поступление кислорода во все клетки и ткани. Попадая в кровь, это вещество стимулирует эритроциты к производству особого энзима, обеспечивающего прочность связи гемоглобина и двухатомного кислорода. Благодаря этому энзиму гемоглобин эффективно снабжает кислородом клетки и ткани.

Благодаря повышенному количеству кислорода, укрепляются мельчайшие капилляры. Кровоток в тканях улучшается, заживление ран ускоряется.