9.2: Озон

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17869

Andrew R. Barron
Rice University via CNX

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Озон (O ₃) - це алотроп кисню, який набагато менш стійкий, ніж двоатомна молекула (O ₂). Приземний озон є забруднювачем повітря з шкідливим впливом на дихальну систему, тоді як озоновий шар у верхній атмосфері фільтрує потенційно пошкоджуючий ультрафіолетове світло від досягнення поверхні Землі.

Структура озону вигнута, з симетрією С _2v, схожа\(\PageIndex{1}\) на воду (рис. Центральний кисень має sp ² гібридизацію з однією самотньою парою. Внаслідок вигнутої структури і резонансної гібридизації (рис.\(\PageIndex{1}\) Б) озон являє собою полярну молекулу (дипольний момент = 0,5337 D).

Рисунок\(\PageIndex{1}\): (а) структурні параметри озону та (б) його резонансна гібридизація.

Озон виробляється шляхом впливу кисню (О ₂) електричним розрядом. Озон має характерний запах, який зазвичай може пахнути після удару освітлення; насправді назва озон походить від грецького ozein, що означає запах. У лабораторії озон також може бути отриманий електролізом з використанням катода графітового стрижня, анода з платинового дроту та електроліту сірчаної кислоти (3 М). Реакції половини клітин такі:

\[ \rm 3 H_2O \rightarrow O_3 + 6 H^+ + 6e^- \space\space\space\space\space\space\space (\Delta E_o = -1.53V)\]

\[ \rm 6 H^+ + 6 e^- \rightarrow 3 H_2 \space\space\space\space\space\space\space (\Delta E_o = 0 V)\]

\[ \rm 2 H_2O \rightarrow O_2 + 4 H^+ + 4 e^- \space\space\space\space\space\space\space (\Delta E_o = -1.23 V)\]

Озон також утворюється шляхом фотолізу кисню (Equation\ ref {9.2.4} і\ ref {9.2.5}), як в лабораторії, так і в атмосфері.

\[ \rm O_2 \xrightarrow{h\nu} 2 O\cdot \label{9.2.4}\]

\[ \rm O\cdot + O_2 \rightarrow O_3 \label{9.2.5}\]

Озон є дуже сильним окислювачем і легко окислює цілий ряд матеріалів, наприклад, Рівняння\ ref {9.2.6} і\ ref {9.2.7}. Він також окислює метали (крім золота, платини та іридію) до найвищого ступеня окислення, наприклад, Equation\ ref {9.2.8}.

\[ \rm O_3 + CO \rightarrow CO_2 + O_2 \label{9.2.6}\]

\[ \rm O_3 + 2 I^- + H_2O \rightarrow O_2 + 2OH^- + I_2 \label{9.2.7}\]

\[ \rm 2 Cu^+_{(aq)} + 2 H_3O^+_{(aq)} + O_{2(g)} \rightarrow 2 Cu^{2+}_{(aq)} + 3 H_2O_{(l)} + O_{2(g)} \label{9.2.8}\]

Озаниди металів, які містять аніон озоніду (O ₃ ^-) вибухонебезпечні і повинні зберігатися при кріогенних температурах. Озоніди для всіх лужних металів відомі. KO ₃, rBO ₃ та CsO ₃ можуть бути отримані з відповідних супероксидів.

\[ \rm KO_2 + O_3 \rightarrow KO_3 + O_2\]

Озон як модулятор життя на Землі

Атмосфера Землі виступає джерелом O ₂ і сховищем CO ₂, але вона також діє як щит для життя. По-перше, майже всі метеорити згоряють при вході через високі температури, породжені тертям атмосфери. По-друге, атмосфера діє як щит для високоенергетичного ультрафіолетового випромінювання.

Хоча УФ-випромінювання перетворює 7-дегідрохолестерин в вітамін D3 в шкірі (рис.\(\PageIndex{2}\)), і тому корисно, висока енергія УФ руйнує живі клітини. Насправді затемнення, яке ми називаємо засмагою, насправді є механізмом організму для запобігання подальшому пошкодженню ультрафіолетом. Сонячний опік та рак шкіри спричинені відносно слабким ультрафіолетовим світлом, яке досягає поверхні Землі, без атмосфери ми б піддавалися впливу ультрафіолетового випромінювання високої енергії, що було б небезпекою для всього життя на Землі. «Сонцезахисний екран» Землі - це озон (O ₃). А без озону у верхніх слоях атмосфери не було б життя на Землі.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Перетворення 7-дегідрохолестерину (похідного холестерину) в превітамін D3 шляхом фотолізу ультрафіолетовим світлом, і його подальша ізомеризація до вітаміну D3.

Озоновий шар розташований в нижній частині стратосфери приблизно від 10 км до 50 км над Землею, хоча товщина змінюється сезонно і географічно. Цей шар містить понад 91% озону в атмосфері Землі і поглинає 93-99% ультрафіолетового світла високої частоти сонця. Озон розкладається фотолітично до O ₂ та молекулярного кисню (9.2.10), і саме ця реакція становить захист атмосфери від ультрафіолетового випромінювання. Озон природним чином регенерується екзотермічною реакцією молекулярного кисню з O ₂, (9.2.11).

\[ \rm O_3 + h\nu \rightarrow O_2 + O\]

\[ \rm O + O_2 \rightarrow O_3\]

Таким чином, баланс між утворенням і руйнуванням озону є важливим механізмом захисту живих організмів на планеті. Хоча озоновий шар був відносно постійним на Землі протягом мільйонів років, останні 70 спостерігали різкі зміни, включаючи збільшення полярної діри в озоновому шарі. Озонова діра визначається географічно як область, де загальна концентрація озону менше 220 одиниць Добсона.

Один блок Добсона відноситься до шару озону, який буде 10 мкм (мікрометр), який товщиною 1 х 10 ^-5 м при стандартній температурі (25° C) і тиску (1 атмосфера).

Озонова діра неухильно зростала в розмірах і тривалості існування протягом останніх двох з половиною десятиліть. В даний час розмір озонової діри над Антарктидою оцінюється приблизно в 30 млн кв.км (рис.\(\PageIndex{3}\)).