Химические свойства газообразного озона
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 он и многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.
Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:
NO2 + O3 → NO3 + O2
с образованием азотного ангидрида N2O5:
NO2 + NO3 → N2O5
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием двуокиси углерода:
C + 2 O3 → CO2 + 2 O2
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:
2 NH3 + 4 O3 → NH4NO3 + 4 O2 + H2O
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
PbS + 4O3 → PbSO4 + 4O2
С помощью озона можно получить серную кислоту как из элементарной серы, так и из двуокиси серы:
S + H2O + O3 → H2SO4
3 SO2 + 3 H2O + O3 → 3 H2SO4
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:
H2S + O3 → SO2 + H2O
Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры пламени выше, чем при использовании для его образования двухатомного кислорода:
3 C4N2 + 4 O3 → 12 CO + 3 N2
Озон может реагировать с атомарным водородом даже при температурах 77 K (-196 °C) , образуя супероксидный радикал:
H + O3 → HO2 + O
2 HO2 → H2O2+O2
HO2+ O3→ ОН+ O2
Озон может образовывать озониды всех щелочных металлов , содержащие анион O3−, которые взрывоопасны и могут храниться при низких температурах.
2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O
Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его высокую токсичность.
Озон взрывоопасен во всех агрегатных состояниях, примеси повышают его чувствительность. При содержании озона в озоновоздушной смеси, превышающем 9%, она взрывается под влиянием внешнего импульса давления, причем скорость детонации растет от 880 м/с при концентрации 9,2 мол. % озона до 1730 м/с при 77 мол. %.
Озон эффективно убивает плесень и бактерии. Поэтому основная часть искусственно производимого озона используют для обеззараживания питьевой воды, что более эффективно, чем хлорирование. Озон используют также для обезвреживания сточных вод химических предприятий, особенно в случае фенольных и цианидных загрязнений.
Озон применяют для получения камфоры, ванилина, монокарбоновых и дикарбоновых к-т (адипиновой, азелаиновой и др.) путем окисления углеводородов, для отбеливания тканей, изготовления минеральных масел и др.
Механизмы образования и разрушения озона в стратосфере и тропосфере
Образование озона
Озон образуется во всех процессах, сопровождаемых появлением атомарного кислорода,
-при УФ облучении воздуха,
- в электроразрядах,
- при распаде пероксидов, окислении фосфора и т.п.
В стратосфере озон образуется в основном в фотохимических реакциях цикла Чепмена:
O2 +hν (λ<260нм) = О+О
O2 +О= О3
О3+hν λ<310нм)= О+ O2
Первая реакция этого цикла в условиях стратосферы осуществляется в 5 раз чаще, чем вторая. Поэтому цикл Чепмена – цикл образования стратосферного озона.
В тропосфере озон в основном образуется при фотолизе NO2.
NO2+hν =NO+O
O2 +О= О3
Часть образовавшегося при этом озона испытывает обратное превращение:
О3 + NO= NO2+ O2
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией.
Часть озона при этом накапливается в воздухе, поскольку соответствующее количество молекул NO превращается в NO2 в реакциях с пероксильными радикалами RO2 :
RO2 + NO= NO2 + RO.
Пероксильные радикалы образуются в воздухе, при окислении попадающих в него молекул газообразных углеводородов (метана, этана, бутана пропана и др.). Поэтому загрязнение воздуха этими веществами приводит к накоплению в воздухе тропосферного озона.
Некоторое количество тропосферного озона образуется в ходе обратимой реакции:
3O2 + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O3.
Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно, за несколько десятков минут, превращается в O2 с выделением тепла.
Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода О3 в O2. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет подобное превращение.
Заметное количество тропосферного озона образуется при грозах (в каналах молний), а также в лесах (при фотосинтезе).
Техногенными источниками тропосферного озона являются любые искрящие электрические контакты, взрывы и источники ионизирующего излучения.