Из-за неблагополучного состояния окружающей среды в России ежегодно погибают более 300 тыс. человек. К традиционным, существовавшим в нашей стране много лет экологическим проблемам прибавилась еще одна - проблема тропосферного (приземного) озона.

Озон: полезен вверху, вреден внизу

Трудно найти человека, который не знал бы о существовании в стратосфере Земли озоновых дыр, лишающих нас защиты от избыточного ультрафиолета Солнца, губительного для всего живого. На фоне этой глобальной проблемы, казалось бы, совершенно невинно выглядит влияние на наше здоровье другого озона, находящегося в приземном воздухе, которым мы дышим. Люди обращают внимание на загрязнение атмосферы выбросами промышленных предприятий и выхлопами автомобилей, но мало кто знает, как опасен приземный озон для человеческого организма.

Токсичность озона (О3) проявляется в результате его действия на дыхательную систему человека и животных. Озон обладает высокой химической активностью, для проявления его токсического действия достаточно минимальных концентраций. Он является почти идеальным боевым отравляющим веществом, и только по причине трудности его

получения он не оказался в числе примененных боевых газов в период Первой мировой войны. К числу его недостатков военные относят резкий запах.

Опасность приземного озона, условия его возникновения и необходимость разработки способов защиты давно тревожат общественность и правительства промышленно развитых стран.

Существует международный термин «доиндустриальный озон». Его концентрация в воздухе составляла 10-20 мкг/м3. Развитие автотранспорта привело к значительному увеличению концентрации озона в тропосфере. Этот приземный озон американцы называют «плохим», в отличие от хорошего - стратосферного. Индустриально развитые страны столкнулись с этой бедой несколько десятилетий назад, а Россия - только в конце 1990-х годов.

Как образуется озон?

Повышенный уровень приземного озона возникает лишь при определенных метеорологических условиях - в жаркую погоду.

В приземном слое атмосферы основным источником озона являются фотохимические реакции, в которых участвуют оксиды азота, летучие углеводороды (выхлопы автотранспорта и промышленные выбросы) и ряд других веществ. Эти компоненты называются предшественниками озона. Под действием ветра они могут распространяться на сотни километров. Когда уровень солнечной радиации мал (пасмурная летняя погода, осень, зима), фотохимические реакции в приземной атмосфере отсутствуют или потекают очень вяло. Но стоит увеличиться солнечной радиации, особенно в безветренную погоду, как воздух в городе и за его пределами становится особенно ядовитым.

Жарким летом 2002 г. в традиционном курортном месте дальнего Подмосковья мы фиксировали уровни озона, превышавшие 300 мкг/м3! Что означают эти цифры?

Озон - вещество высшего класса опасности, по токсичности он превосходит синильную кислоту и хлор, которые являются боевыми отравляющими веществами. Всемирная организация здравоохранения отнесла озон к веществам безпорогового действия, т. е. любая концентрация в воздухе этого газа, сильнейшего канцерогена, опасна для человека. Предельно допустимые концентрации озона в России составляют:
- для жилых зон 30 мкг/м3 (среднее за сутки) и 160 мкг/м3 (среднее за 30 мин и не более 1% повторяемости в год);
- для промышленных зон - не более 100 мкг/м3.

В станах Европейского Союза принят стандарт 110 мкг/м3 за 8 ч светлого времени суток.

В чем опасность озона для здоровья?

Озон попадает в организм со вдыхаемым воздухом. Озон оказывает общетоксическое, раздражающее, канцерогенное, мутагенное, генотоксическое действие; вызывает усталость, головную боль, тошноту, рвоту, раздражение дыхательных путей, кашель, расстройство дыхания, хронический бронхит, эмфизему легких, приступы астмы, отек легких, гемолитическую анемию (из справочника Я.М. Глушко «Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу»; Л.,: Химия, 1987).

А эта информация взята с американского правительственного экологического сайта (www.epa.gov/air now (environmental Protection Agency). Ученые США определили, что каждый третий американец обладает повышенной чувствительностью к озону. Люди этой группы могут серьезно навредить своему здоровью, если не будут следить за сообщениями о содержании озона в приземных слоях атмосферы в районах мест их проживания. Такие сведения предоставляет ЕРА (Агентство по защите окружающей среды) совместно с Правительством США. Получая ее, люди оптимизируют свои решения.

Воздействие озона на здоровье человека:
- вызывает раздражение органов дыхания, кашель, тяжесть в груди; эти симптомы могут длиться несколько часов и переходить в хроническую фазу;
- уменьшает легочную функцию;
- способствует развитию астмы и увеличивает количество ее приступов;
- провоцирует возникновение аллергических реакций;
- повреждает ткани бронхов и легких;
- способствует возникновению бесплодия у мужчин;
- значительно понижает иммунитет;
- провоцирует канцерогенные и мутогенные процессы.

Ученые выявили четыре группы людей, которые подвергаются повышенному риску негативного воздействия озона:
- дети;
- взрослые, по роду занятий много времени проводящие в активном движении на открытом воздухе;
- люди, имеющие высокую чувствительность к озону (причину ученые определить пока не могут);
- пожилые люди. К этой же группе относятся больные с хроническими заболеваниями органов дыхания и сердечно-сосудистой системы.

Как защитить себя от действия приземного озона?

Если вы узнали о его повышенной концентрации, выход один - избегать нахождения на открытом воздухе; если это невозможно, максимально ограничить пребывание вне помещения, не двигаться при этом активно; не разрешать детям выходить на улицу.

Ученые Йельского университета США опубликовали данные о негативном воздействии озона на здоровье человека. Они сопоставили данные о смертности с данными о выбросах озона в 95 городах за период 1987-2000 гг. Повышение в воздухе концентрации озона на 20 мкг/м3 приводит к увеличению смертности на следующей неделе более чем на 0,5 % общего количества смертей.

В 2005 г. несколько европейских государств подписали Протокол об ограничении выбросов загрязняющих веществ. Европейские эксперты подсчитали, что при сокращении выбросов предшественников озона (оксидов азота и летучих углеводородов) примерно на 40% уменьшится количество дней, в которые происходит интенсивное образование тропосферного озона.

При уменьшении вредных выбросов промышленности и автомобильного транспорта (соответственно и уменьшения образования приземного озона) количество лет жизни, потерянных людьми из-за хронических болезней, в 2010 году будет на 2,3 млн лет меньше, чем в 1990. Показатели смертности среди детей и подростков, спровоцированных присутствием в атмосфере этого опасного газа и микрочастиц, могут сократиться приблизительно на 47 500 случаев. Вредное воздействие повышенной концентрации озона на процесс роста растений по сравнению с 1990 г. уменьшится на 44% .

В России в 1993 г. ущерб от повышенного озонового фона только по ржи и пшенице составил 150 млн долл., а в Европе - более 2 млрд.

Анализ, проведенный в ходе переговоров о заключении Протокола, показал, что предполагаемая польза от его реализации (улучшение здоровья населения, повышение урожайности в сельском хозяйстве, ограничение ущерба для строений и памятников) значительно превышает по стоимости прогнозируемые расходы (самое малое - в 3 раза) по претворению этого документа в жизнь.

Мы проводили эксперимент по одновременному измерению озона двумя одинаковыми газоанализаторами в Москве и в курортном районе дальнего Подмосковья. Оказалось, что за период летних измерений концентрации озона в городском воздухе были меньше, чем аналогичные показатели в атмосфере курортной зоны. Парадоксальный факт удалось объяснить с помощью модели образования этого газа в пригородах мегаполисов, которую разработали зарубежные ученые. Суть метода в следующем.

С подветренной стороны мегаполиса концентрации озона начинают расти с расстояния примерно 20 км от города и достигают максимальных значений при удалении от него на 50-60 км. В городской среде постоянно действуют мощные источники оксидов азота. Они вступают в реакцию с озоном и нейтрализуют его, а за городом таких источников нет и избыток озона остается в воздухе.

Эти реакции носят циклический характер и определяют равновесие в атмосфере. Таким образом, за городом фотохимическое равновесие устанавливается в сторону высоких значений озона, а в городской среде - более низких. Но это не значит, что воздух мегаполисе безопасней. За последние годы атмосфера Москвы превратилась в химический реактор, производящий очень ядовитые соединения. В присутствии двуокиси азота (а этого газа в городском воздухе всегда много) озон становится в 20 раз более токсичным. Москвичи, спасаясь на дачах от летней жары, не представляют, какой опасности подвергают свое здоровье. Единственное спасение - холодное, пасмурное и дождливое лето! Потепление климата в Московском регионе может привести к катастрофической ситуации с уровнем приземного озона, особенно если наши власти и дальше будут считать его полезным.

Следует сказать несколько слов еще об одном популярном мифе. В художественной литературе можно встретить фразу «после грозы чудесно пахнет озоном». Практически все люди, включая министра экологии, считают, что чем больше озона в воздухе, тем полезней для здоровья, дышать нужно как можно глубже. Между тем многолетние измерения озона в курортных зонах и городах всегда показывают одну картину: - после грозы и ливня в приземной атмосфере озон исчезает.

Как решают проблему тропосферного озона в США и странах Европейского союза? В Европе насчитывается более 10 тыс. станций контроля за предшественниками озона и за ним самим. Получаемая информация используется для оповещения населения. Самый посещаемый сайт в Германии - о содержании озона в воздухе. На основе полученных данных формируется политика в области охраны окружающей среды стран - членов ЕС. США и Европе уже удалось добиться ежегодного снижения концентраций озона в атмосферном воздухе.

В России нет ни одной станции контроля озона и его предшественников, хотя есть качественная аналитическая техника, для контроля уровня озона, специалисты, предлагающие способы решения этой проблемы. У властей нет ни воли, ни желания вникать в нее.

Как же реагируют на эту острейшую ситуацию чиновники, которые формируют политику природопользования, чиновники, которые строят дворцы на самой дорогой и самой опасной земле Подмосковья?

22 августа 2004 г. принят Федеральный закон № 12 «О внесении изменений в законодательные акты Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых законодательных актов Российской Федерации в связи с принятием федеральных законов «О внесении изменений и дополнений в Федеральный закон «Об общих принципах организации законодательных (представительных) и исполнительных органов государственной власти субъектов Российской Федерации» и «Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации».

Название закона, казалось бы, указывает на то, что изменения должны касаться органов государственной власти и местного самоуправления. Мы же убедились в том, что этот закон внес существенные изменения в жизнь всех граждан России, причем далеко не позитивного характера. Тенденция изменений в области природоохранного законодательства не внушает оптимизма, она демонстрирует факт самоустранения органов государственной власти от выполнения обязательств перед обществом по обеспечению экологической безопасности и ликвидации правовых гарантий и практических механизмов охраны окружающей среды. Важнейшим негативным аспектом принятых изменений является лишение природоохранной деятельности государственной финансовой поддержки, а также антиконституционные изменения в части разграничения полномочий между федеральными органами власти и органами власти субъектов РФ.

Ликвидированы правовые механизмы защиты атмосферного воздуха в городах.

Федеральные власти сняли с себя ответственность за жизнь и здоровье миллионов горожан.

Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха»

Качество воздушной среды является одним из определяющих факторов состояния окружающей среды. Общая тенденция развития законодательства в этой области демонстрирует отход от соблюдения конституционных гарантий права граждан на благоприятную окружающую среду.

Состояние атмосферного воздуха таких городов, как Москва, Новокузнецк, Череповец, Кемерово, Челябинск, Екатеринбург, является катастрофическим. Люди, проживающие в городах, вынуждены дышать токсичными выбросами промышленных предприятий, превышающими предельно допустимые нормы в сотни раз. Последние изменения, внесенные в Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха», лишают их даже теоретической возможности изменить ситуацию в будущем.

Возможно, судьба значительной части населения России, обеспечивающего благосостояние страны, не волнует ни исполнительную, ни законодательную власти. Однако собственная жизнь, казалось бы, не должна быть безразлична даже власть имущим. Существует мнение, что Москва находится в особом положении и трудности, переживаемые в регионах, москвичам не знакомы, а уж правительство, президент и депутаты Государственной думы вообще живут на другой планете. Во многом такое мнение обоснованно, но только не в ситуации с воздухом. И бомж, и президент, и председатель правительства, живя в Москве, дышат одним воздухом.

В Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» внесены изменения, свидетельствующие о полной ликвидации системы защиты воздушной среды.

Статья 8 (утратила силу)

«Специально уполномоченный федеральный орган исполнительной власти в области охраны атмосферного воздуха в установленном порядке осуществляет деятельность в области охраны атмосферного воздуха совместно с другими федеральными органами исполнительной власти в пределах их компетенции и взаимодействует с органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации».

Статья 9 (утратила силу)

«1. Юридические лица, имеющие источники выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, а также вредного физического воздействия на атмосферный воздух, разрабатывают и осуществляют в области охраны атмосферного воздуха мероприятия по охране атмосферного воздуха.

2. С учетом мероприятий по уменьшению выбросов вредных (загрязняющих) веществ, данных мониторинга атмосферного воздуха, результатов контроля выбросов вредных (загрязняющих) веществ, результатов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ специально уполномоченный федеральный орган исполнительной власти в области охраны атмосферного воздуха, его территориальные органы разрабатывают соответствующие федеральные целевые программы, программы субъектов Российской Федерации и местные программы охраны атмосферного воздуха.

Мероприятия по охране атмосферного воздуха не должны приводить к загрязнению других объектов окружающей природной среды.

3. Проекты программ охраны атмосферного воздуха могут выноситься на обсуждение граждан и общественных объединений в целях учета их предложений при планировании и осуществлении мероприятий по улучшению качества атмосферного воздуха.

Статья 10 (утратила силу)

«Финансирование программ охраны атмосферного воздуха и мероприятий по его охране осуществляется в соответствии законодательством Российской Федерации.»

Анализируя внесенные в законодательство изменения, можно сделать следующие выводы:

1. Ликвидирован специально уполномоченный орган по охране атмосферного воздуха, фактически снята ответственность с федеральной власти за ужасающее состояние воздушной среды огромного количества российских городов с развитой промышленностью. Состояние воздуха в них представляет угрозу не только для здоровья, но и для жизни людей (ст. 8)

2. Ликвидированы программы охраны атмосферного воздуха (ст. 9).

3. С юридических лиц, имеющих источники выбросов вредных веществ, снята обязанность по охране атмосферного воздуха.

4. С федеральных органов власти и властей субъектов Российской Федерации снята обязанность по разработке и реализации программ и проведению мероприятий по охране атмосферного воздуха.

5. Ликвидирован контроль общественности и ее участие в планировании и осуществлении программ по охране атмосферного воздуха.

6. Ликвидировано финансирование программ и мероприятий по охране атмосферного воздуха (ст. 10).

Признание указанных статей утратившими силу делает бессмысленным само существование в России Закона об охране атмосферного воздуха.

Без гарантий правовой защиты оставлено население всех промышленных городов России, проживающих в условиях катастрофического загрязнения атмосферы.

А.М.Чучалин, О.А. Яковлева, В.А. Миляев, С.Н. Котельников.

ОЗОН O3 (от греч. ozon-пахнущий) - аллотропная модификация кислорода, которая может существовать во всех трех агрегатных состояниях. Озон - нестабильное соединение, и даже при комнатной температуре медленно разлагается на молекулярный кислород, однако озон не является радикалом.

Физические свойства

Молекулярный вес = 47, 9982 г/моль. Газообразный озон имеет плотность 2,144 10-3 г/см3 при давлении 1 атм и 29° С.

Озон – вещество особое. Он крайне нестабилен и при повышении концентрации легко диспропорционирует по общей схеме: 2О3 -> 3О2.В газообразном виде озон имеет голубоватый оттенок, заметный при содержании в воздухе 15-20% озона.

Озон при нормальных условиях - газ с резким запахом. При очень низких концентрациях, запах озона ощущается как приятная свежесть, но с увеличением концентрации становится неприятным. Запах замерзшего белья - запах озона. К нему легко привыкнуть.

Основное его количество сосредоточено в так называемом "озонном поясе" на высоте 15-30 км. У поверхности земли концентрация озона значительно меньше и абсолютно безопасна для живых существ; существует даже мнение, что полное его отсутствие также отрицательно сказывается на работоспособности человека.

При концентрациях порядка 10 ПДК озон ощущается очень хорошо, но через несколько минут ощущение пропадает практически полностью. Это необходимо иметь в виду при работе с ним.

Однако озон обеспечивает и сохранение жизни на Земле, т.к. озоновый слой задерживает наиболее губительную для живых организмов и растений часть уф-излучения Солнца с длиной волны менее 300 нм, наряду с СО2 поглощает ик-излучение Земли, препятствуя ее охлаждению.

Озон сильнее кислорода растворим в воде. В воде озон разлагается значительно быстрее, чем в газовой фазе, причем исключительно большое влияние на скорость разложения оказывает наличие примесей, особенно ионов металлов.

Рис1. Разложение озона в различных видах воды при температуре 20°С (1 - бидистиллят; 2 - дистиллят; 3 - вода "из под крана"; 4 - фильтрованная озерная вода)

Озон хорошо адсорбируется силикагелем и алюмогелем. При парциальном давлении озона, например 20 мм рт. ст., и при 0° С силикагель поглощает около 0,19% озона по весу. При низких температурах адсорбция заметно ослабевает. В адсорбированном состоянии озон очень устойчив. Потенциал ионизации озона равен 12,8 эВ.

Химические свойства озона

Они отличаются двумя главными чертами - нестойкостью и окисляющей способностью. Примешанный к воздуху в малых концентрациях, он разлагается сравнительно медленно, но при повышении температуры разложение его ускоряется и при температуре более 100° С становится очень быстрым.

Присутствие в воздухе NO2, Cl, а также каталитическое действие окислов металлов - серебра, меди, железа, марганца - ускоряют разложение озона. Озон обладает столь сильными окислительными свойствами, поскольку один из атомов кислорода очень легко отщепляется от его молекулы. Легко переходит в кислород.

Озон окисляет при обычной температуре большинство металлов. Кислые водные растворы озона довольно устойчивы, в щелочных растворах озон быстро разрушается. Металлы переменной валентности (Mn, Co, Fe и др.), многие окислы, перекиси и гидроокиси эффективно разрушают озон. Большинство металлических поверхностей покрывается пленкой окисла в высшем валентном состоянии металла (например, PbO2, AgO или Ag2O3, HgO).

Озон окисляет все металлы, за исключением золота и металлов платиновой группы, реагирует с большинством других элементов, разлагает галогеноводороды (кроме HF), переводит низшие окислы в высшие и т. д.

Он не окисляет золото, платину, иридий, сплав 75%Fe + 25%Cr. Черный сернистый свинец PbS он обращает в белый сернокислый PbSO4, мышьяковистый ангидрид Аs2O3 - в мышьяковый As2O5 и т. д.

Реакция озона с ионами металлов переменной валентности (Мn, Сr и Со) в последние годы находит практическое применение для синтеза полупродуктов для красителей, витамина РР (изоникотиновая кислота) и др. Смеси солей марганца и хрома в кислом растворе, содержащем окисляемое соединение (например, метилпиридины), окисляются озоном. При этом ионы Сr3+ переходят в Сr6+ и окисляют метилпиридины только по метальным группам. В отсутствие солей металлов разрушается преимущественно ароматическое ядро.

Озон реагирует и со многими газами, которые присутствуют в атмосфере. Сероводород H2S при соединении с озоном выделяет свободную серу, сернистый ангидрид SO2 превращается в серный SO3; закись азота N2O - в окись NO, оксид азота NO быстро окисляется до NO2, в свою очередь NO2 также реагирует с озоном, причем в конечном счете образуется N2O5; аммиак NH3 - в азотноаммиачную соль NH4NO3.

Одна из важнейших реакций озона с неорганическими веществами - разложение им йодистого калия. Эта реакция широко используется для количественного определения озона.

Озон реагирует в ряде случаев и с твердыми веществами, образуя озониды. Выделены озониды щелочных металлов, щелочноземельных металлов: стронция, бария, причем температура их стабилизации растет в указанном ряду; Са(O3) 2 стабилен при 238 К, Ва(O3) 2 при 273 К. Озониды разлагаются с образованием надперекиси, например NaO3 -> NaO2 + 1/2O2. Различные озониды образуются также при реакциях озона с органическими соединениями.

Озон окисляет многочисленные органические вещества, насыщенные, ненасыщенные и циклические углеводороды. Опубликовано много работ по исследованию состава продуктов реакции озона с различными ароматическими углеводородами: бензолом, ксилолами, нафталином, фенантреном, антраценом, бензантраценом, дифениламином, хинолином, акриловой кислотой и др. Он обесцвечивает индиго и многие другие органические красители, благодаря чему им пользуются даже для отбелки тканей.

Скорость реакции озона с двойной связью С=С в 100 000 раз выше, чем скорость реакции озона с одинарной связью С-С. Поэтому от озона в первую очередь страдают каучуки и резины. Озон реагирует с двойной связью с образованием промежуточного комплекса:

Эта реакция идет достаточно быстро уже при температурах ниже 0°С. В случае предельных соединении озон является инициатором обычной реакции окисления:

Интересно взаимодействие озона с некоторыми органическими красителями, которые сильно флюоресцируют при наличии озона в воздухе. Таковы, например, эйхрозин, рибофлавин и люминол (триаминофталгидразид), и особенно, родамин-В и, сходный с ним родамин-С.

Высокие окислительные свойства озона, разрушающие органические вещества и окисляющие металлы (в особенности железо) до нерастворимой формы, способность разлагать растворимые в воде газообразные соединения, насыщать водные растворы кислородом, низкая стойкость озона в воде и самоликвидация его опасных для человека свойств - все это в совокупности делает озон наиболее привлекательным веществом для подготовки хозяйственной воды и обработки различных стоков.

Синтез озона

Озон образуется в газовой среде, содержащей кислород, если возникнут условия, при которых кислород диссоциирует на атомы. Это возможно во всех формах электрического разряда: тлеющем, дуговом, искровом, коронном, поверхностном, барьерном, безэлектродном и т.п. Основной причиной диссоциации является столкновение молекулярного кислорода с электронами, ускоренными в электрическом поле.

Кроме разряда диссоциацию кислорода вызывают УФ-излучение с диной волны менее 240 нм и различные частицы высокой энергии: альфа-, бета-, гамма - частицы, рентгеновские лучи и т.п. Озон получают также при электролизе воды.

Практически во всех источниках образования озона существует группа реакций, в результате которых озон разлагается. Они мешают образованию озона, но реально существуют, и их необходимо учитывать. Сюда входит термическое разложение в объеме и на стенках реактора, его реакции с радикалами и возбужденными частицами, реакции с добавками и примесями, которые могут контактировать с кислородом и озоном.

Полный механизм состоит из значительного числа реакций. Реальные установки, на каком бы принципе они ни работали, показывают высокие энергетические затраты на выработку озона. КПД генератора озона зависит от того, на какую – полную или активную – мощность рассчитывается единица массы образовавшегося озона.

Барьерный разряд

Под барьерным разрядом понимают разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлом. Из-за того, что электрическая цепь разорвана диэлектриком, питание осуществляется только переменным током. Впервые озонатор, близкий к современным, был предложен в 1897 г. Сименсом.

При небольших мощностях озонатор можно не охлаждать, так как выделяющееся тепло уносится с потоком кислорода и озона. В промышленных производствах озон также синтезируют в дуговых озонаторах (плазмотроны), в генераторах озона тлеющего (лазеры) и поверхностного разряда.

Фотохимический способ

Основная доля произведенного на Земле озона в природе образуется фотохимическим способом. В практической деятельности человека фотохимические методы синтеза играют меньшую роль, чем синтезы в барьерном разряде. Главная область их использования - получение средних и малых концентраций озона. Такие концентрации озона требуются, например, при испытании резинотехнических изделий на устойчивость к растрескиванию под действием атмосферного озона. На практике для производства озона данным методом применяются ртутные и эксимерные ксеноновые лампы.

Электролитический метод синтеза

Первое упоминание об образовании озона в электролитических процессах относится к 1907 г. Однако до настоящего времени механизм его образования остается неясным.

Обычно в качестве электролита применяют водные растворы хлорной или серной кислоты, электроды изготовляют из платины. Использование кислот, меченных О18, показало, что они не отдают своего кислорода при образовании озона. Поэтому брутто-схема должна учитывать только разложение воды:

Н2О + O2 -> O3 + 2Н+ + e-

с возможным промежуточным образованием ионов или радикалов.

Образование озона под действием ионизирующего излучения

Озон образуется в ряде процессов, сопровождающихся возбуждением молекулы кислорода либо светом, либо электрическим полем. При облучении кислорода ионизирующей радиацией также могут возникать возбужденные молекулы, и наблюдается образование озона. Образование озона под действием ионизирующего излучения до настоящего времени не было использовано для синтеза озона.

Образование озона в СВЧ-поле

При пропускании струи кислорода через СВЧ-поле наблюдалось образование озона. Этот процесс мало изучен, хотя генераторы, основанные на этом явлении, часто используются в лабораторной практике.

Применение озона в быту и влияние его на человека

Озонирование воды, воздуха и других веществ

Озонированная вода не содержит токсичных галогенметанов - типичных примесей стерилизации воды хлором. Процесс озонирования проводят в барботажных ваннах или смесителях, в которых очищенная от взвесей вода смешивается с озонированным воздухом или кислородом. Недостаток процесса - быстрое разрушение О3 в воде (период полураспада 15-30 минут).

Озонирование применяют также в пищевой промышленности для стерилизации холодильников, складов, устранения неприятного запаха; в медицинской практике - для обеззараживания открытых ран и лечения некоторых хронических заболеваний (трофические язвы, грибковые заболевания), озонирования венозной крови, физиологических растворов.

Современные озонаторы, в которых озон получают с помощью электрического разряда в воздухе или в кислороде, состоят из генераторов озона и источников питания и являются составной частью озонаторных установок, включающих в себя, кроме озонаторов, вспомогательные устройства.

В настоящее время озон является газом, используемым в так называемых озоновых технологиях: очистка и подготовка питьевой воды, очистка сточных вод (бытовых и промышленных стоков), отходов газов и др.

В зависимости от технологии использования озона производительность озонатора может составлять от долей грамма до десятков килограмм озона в час. Специальные озонаторы применяются для газовой стерилизации медицинского инструментария и мелкого оборудования. Стерилизация осуществляется в искусственно увлажненной озонокислородной среде, заполняющей стерилизационную камеру. Цикл стерилизации состоит из стадии замещения воздуха в стерилизационной камере увлажненной озонокислородной смесью, стадии стерилизационной выдержки и стадии замещения озонокислородной смеси в камере микробиологически очищенным воздухом.

Озонаторы, применяемые в медицине для озонотерапии, имеют широкий диапазон регулирования концентрации озонокислородной смеси. Гарантированная точность вырабатываемой концентрации озонокислородной смеси контролируется системой автоматики озонатора и автоматически поддерживается.

Биологическое действие озона

Биологическое действие озона зависит от способа его применения, дозы и концентрации. Многие из его эффектов в разных диапазонах концентраций проявляются в различной степени. В основе лечебного действия озонотерапии лежит применение озонокислородных смесей. Высокий окислительно-восстановительный потенциал озона обуславливает его системное (восстановление кислородного гомеостаза) и локальное (выраженное дезинфицирующее) лечебное действие.

Впервые озон как антисептическое средство был использован А. Wolff в 1915 г. для лечения инфицированных ран. В последние годы озонотерапию успешно применяют практически во всех областях медицины: в неотложной и гнойной хирургии, общей и инфекционной терапии, гинекологии, урологии, гастроэнтерологии, дерматологии, косметологии и др. Использование озона обусловлено его уникальным спектром воздействия на организм, в т.ч. иммуномодулирующим, противовоспалительным, бактерицидным, противовирусным, фунгицидным и др.

Однако нельзя и отрицать, что методы использования озона в медицине, несмотря на явные преимущества по многим биологическим показателям, до сих пор широкого применения не получили. Согласно литературным данным высокие концентрации озона являются абсолютно бактерицидными практически для всех штаммов микроорганизмов. Поэтому озон используется в клинической практике как универсальный антисептик при санации инфекционно-воспалительных очагов различной этиологии и локализации.

В литературе встречаются данные о повышенной эффективности антисептических препаратов после их озонирования при лечении острых гнойных хирургических заболеваний.

Выводы относительно бытового использования озона

Прежде всего, нужно безоговорочно подтвердить факт применение озона в практике врачевания во многих областях медицины, как терапевтического и обеззараживающего средства, однако говорить о широком его применении пока не приходится.

Озон воспринимается человеком с наименьшими побочными аллергическими проявлениями. И даже если в литературе можно найти упоминание об индивидуальной непереносимости O3, то эти случаи никак не могут быть сопоставимы, например, с хлорсодержащими и прочими галогенопроизводными антибактериальными препаратами.

Озон - трёхатомный кислород и наиболее экологичен. Кому не знаком его запах “свежести” – в летние жаркие дни после грозы?! Постоянное присутствие его в земной атмосфере испытывает на себе любой живой организм.

Обзор составлен по материалам сети Интернет.

Замечали ли вы когда-то, как приятно дышится после дождя? Этот освежающий воздух обеспечивает озон в атмосфере, который появляется после дождя. Что это за вещество, каковы его функции, формула, а также действительно ли оно полезно для организма человека? Давайте разберемся.

Что такое озон?

Всем, кто учился в средней школе, известно, что молекула кислорода состоит из двух атомов химического элемента кислорода. Однако этот элемент способен образовывать еще одно химическое соединение - озон. Это название носит вещество, как правило, встречающееся в виде газа (хотя может пребывать во всех трех агрегатных состояниях).

Молекула данного вещества довольно сильно похожа на кислород (О 2), однако она состоит не из двух, а из трех атомов - О 3 .

История открытия озона

Человек, впервые синтезировавший озон - это нидерландский физик Мартин Ван Марум.

Именно он в 1785 г. провел опыт, пропустив через воздух электрический разряд. Получившийся газ не только приобрел специфический запах, но и синеватый оттенок. Помимо этого новое вещество оказалось более сильным окислителем, чем обычный кислород. Так, рассмотрев его влияние на ртуть, Ван Марум обнаружил, что металл немного изменил свои физические свойства, чего с ним не происходило под влиянием кислорода.

Несмотря на свое открытие, нидерландский физик не считал, что озон - это особое вещество. Только через 50 лет после открытия Ван Марума озоном всерьез заинтересовался немецкий ученый Кристиан Фридрих Шенбейн. Именно благодаря ему это вещество получило свое имя - озон (в честь греческого слова, означающего «пахнуть»), а также было более пристально изучено и описано.

Озон: физические свойства

Это вещество имеет ряд свойств. Первым из них является способность озона, как и воды, пребывать в трех агрегатных состояниях.

Нормальное состояние, в котором пребывает озон - газ голубоватого цвета (именно он окрашивает небеса в лазурный цвет) с ощутимым металлическим ароматом. Плотность такого газа - 2,1445 г/дм³.

При снижении температуры молекулы озона образуют сине-фиолетовую жидкость с плотностью 1,59 г/см³ (при температуре -188 °C). Закипает жидкий О 3 при -111,8 °C.

Пребывая в твердом состоянии, озон темнеет, становясь практически черным с отчетливым фиолетово-синим отблеском. Его плотность - 1,73 г/см 3 (при −195,7 °С). Температура, при которой начинает плавиться твердый озон - это −197,2 °С.

Молекулярная масса О 3 - 48 дальтонов.

При температуре в 0 °C озон прекрасно растворяется в воде, причем в десять раз быстрее, чем кислород. Наличие примесей в воде способно еще больше ускорить данную реакцию.

Помимо воды озон растворяется во фреоне, что облегчает его транспортировку.

Среди других веществ, в которых легко растворить О 3 (в жидком агрегатном состоянии) - аргон, азот, фтор, метан, углекислота, тетрахлоруглерод.

Также он неплохо смешивается с жидким кислородом (при температуре от 93 К).

Химические свойства озона

Молекула О 3 является довольно неустойчивой. По этой причине в нормальном состоянии она существует 10-40 минут, после чего разлагается, образуя небольшое количество тепла и кислород О 2 . Эта реакция способно произойти и гораздо быстрее, если в качестве катализаторов выступит повышение температуры окружающей среды или понижение атмосферного давления. Также разложению озона способствует и его контакт с металлами (кроме золота, платины и иридия), окислами или веществами органического происхождения.

Взаимодействие с азотной кислотой останавливает разложение О 3 . Также этому способствует хранение вещества при температуре −78 °С.

Главным химическим свойством озона является его окисляемость. Одним из продуктов окисления всегда является кислород.

При разных условиях О 3 способен взаимодействовать практически со всеми веществами и химическими элементами, уменьшая их токсичность путем превращения их в менее опасные. Например, цианиды окисляются им до цианатов, которые намного безопаснее для биологических организмов.

Как добывают?

Чаще всего для добывания О 3 на кислород воздействуют электрическим током. Чтобы разделить получившуюся смесь кислорода и озона, используют свойство последнего лучше сжижаться, чем О 2 .

В химических лабораториях иногда О 3 добывают с помощью реакции охлажденного концентрата серной кислоты с пероксидом бария.

В медицинских учреждениях, использующих О 3 для оздоровления пациентов, это вещество получают путем облучения О2 ультрафиолетом (кстати, таким же способом образуется данное вещество в атмосфере Земли под действием солнечных лучей).

Использование О3 в медицине и промышленности

Несложное строение озона, доступность исходного материала для его добывания способствует активному использованию данного вещества в промышленности.

Будучи сильным окислителем, он способен дезинфицировать значительно лучше хлора, формальдегида или окиси этилена, при этом являясь не столь токсичным. Поэтому О 3 часто используется для стерилизации медицинских инструментов, оборудования, формы, а также многих препаратов.

В промышленности данное вещество чаще всего используют для очистки или добывания многих химических веществ.

Еще одной отраслью использования является отбеливание бумаги, тканей, минеральных масел.

В химической промышленности О 3 не только помогает стерилизовать оборудование, инструменты и тару, но и применяется для обеззараживания самих продуктов (яиц, зерна, мяса, молока) и увеличения их срока хранения. Фактически он считается одним из лучших консервантов для продуктов, поскольку нетоксичен и неканцерогенен, а также прекрасно убивает споры плесени и других грибков и бактерий.

В хлебопекарнях озон применяется для ускорения процесса брожения дрожжей.

Также с помощью О 3 искусственно старятся коньяки, производится рафинирование жирных масел.

Как влияет озон на организм человека?

Из-за такой схожести с кислородом бытует заблуждение, что озон - это полезное для организма человека вещество. Однако это не так, поскольку О 3 является одним из сильнейших окислителей, способных разрушить легкие и убить каждого, кто чрезмерно вдыхает этого газ. Не зря государственные экологические организации в каждой стране строго следят за концентрацией озона в атмосфере.

Если озон так вреден, то почему же после дождя всегда становится легче дышать?

Дело в том, что одним из свойств О 3 является его способность убивать бактерии и очищать вещества от вредных примесей. Во время дождя из-за грозы начинает образовываться озон. Газ этот влияет на токсические вещества, содержащиеся в воздухе, расщепляя их, и очищает кислород от этих примесей. Именно по этой причине воздух после дождя столь свеж и приятен, а небо обретает красивый лазурный цвет.

Эти химические свойства озона, позволяющие ему очищать воздух, в последнее время активно используют для лечения людей, страдающих от различных респираторных заболеваний, а также для очистки воздуха, воды, различных косметических процедур.

Довольно активно сегодня рекламируются бытовые озонаторы, очищающие воздух в доме с помощью данного газа. Хотя эта методика кажется весьма эффективной, пока что учеными недостаточно изучено влияние большого количества очищенного озоном воздуха на организм. По этой причине чрезмерно увлекаться озонированием не стоит.

Озон - газообразное вещество, являющееся видоизменением кислорода (состоит из трех атомов его). Он всегда присутствует в атмосфере, но впервые был обнаружен в 1785 г. во время изучения действия искры на воздух голландским физиком Ван Марумом. В 1840 г. немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн подтвердил эти наблюдения и предложил, что им открыт новый элемент, которому он дал название «озон» (от греческого ozon - пахнущий). В 1850 г. была определена высокая активность озона как окислителя и способность его присоединяться к двойным связям в реакциях со многими органическими соединениями. Оба эти свойства озона в дальнейшем нашли широкое практическое применение. Однако значение озона не ограничивается только этими двумя свойствами. Было установлено, что он обладает рядом ценных свойств как дезинфектанта и дезодоранта.
Впервые озон стали использовать в санитарии как средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха. В числе первых исследователей процессов озонирования были и русские ученые. Еще в 1874 г. создатель перво" школы (русской) гигиенистов профессор А. Д. Доброе ш вин предложил озон как лучшее средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха от патогенной микро флоры. Дозднее, в 1886 г. Н. К. Келдыш провел исследования бактерицидного действия озона и рекомендовали его как высокоэффективное дезинфицирующее средство. Особенно широко развернулись исследования озона в XX в. И уже в 1911 г. в.Петербурге была пущена в эксплуатацию первая в Европе озоноводопроводная станция. В этот же период были проведены многочисленные исследования озонирования с лечебной целью в медицине, с санитарной целью в пищевой промышленности, в окислительных процессах химической промышленности и др.
Сферы и масштабы использования озона в последнее десятилетие увеличиваются быстрыми темпами. В настоящее время наиболее важные области применения озона следующие: очистка и обеззараживание питьевой и промышленной воды, а также хозяйственно-фекальных и промышленных стоков с целью снижения биологического потребления кислорода (БПК), обесцвечивание, нейтрализация вредных ядовитых веществ (цианидов, фенолов, меркаптанов), устранение неприятных запахов, дезодорация и очистка воздуха различных производств, озонирование в системах кондиционирования воздуха, хранение пищевых продуктов, стерилизация упаковочных и перевязочных материалов в фармацевтической промышленности, терапия и медицинская профилактика различных заболеваний и др.
В последние годы установлено еще одно свойство озона - способность повышать биологическую ценность кормов для животных и продуктов питания для человека, что позволило применять озон в процессах переработки, подготовки и хранения кормов и различных продуктов. Поэтому разработка технологий озонирования в сельскохозяйственном производстве, и, в частности в птицеводстве, весьма перспективна

Физические свойства озона

Озон - это высокоактивная, аллотропная форма кислорода; при обычных температурах - это газ светло-голубого цвета с характерным острым запахом (запах органолептически ощущается при концентрации озона 0,015 мг/м3 воздуха). В жидкой фазе озон имеет индиго-голубой, а в твердой - густой фиолетово-голубоватый цвет, слой озона толщиной в 1 мм практически светонепроницаем. 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
2Оз=ЗО2+68 ккал
Эндотермическая реакция

Скорости этих реакций зависят от температуры, давления и концентрации озона. При нормальной температуре и давлении реакции протекают медленно, но при повышенных температурах ускоряется распад озона.
Образование озона под действием энергии различных излучений довольно сложно. Первичные процессы образования озона из кислорода могут протекать по-разному в зависимости от количества приложенной энергии.
Возбуждение молекулы кислорода происходит при энергии электронов 6,1 эВ; образование молекулярных ионов кислорода - при энергии электронов 12,2 эВ; диссоциация в кислороде - при энергии электронов 19,2 эВ. Все свободные электроны захватываются молекулами кислорода, в результате чего образуются отрицательные ионы кислорода. После возбуждения молекулы наступает реакция образования озона.
При энергии электронов 12,2 эВ, когда происходит образование молекулярных ионов кислорода, выхода озона не наблюдается, а при энергии электронов 19,2 эВ, когда участвуют как атом, так и ион кислорода, образуется озон. Наряду с этим образуются положительные и отрицательные ионы кислорода. Механизм распада озона*, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, сложен и зависит от условий. Разложение озона ускоряется в гомогенных системах газообразными добавками (окислы азота, хлор и др.), а в гетерогенных системах металлами (ртуть, серебро, медь и др.) и окислами металлов (железо, медь, никель, свинец и др.). При высоких концентрациях озона реакция происходит со взрывом. При концентрации озона до 10% взрывного разложения его не происходит. Низкие температуры способствуют сохранению озона. При температурах около - 183°С жидкий озон можно хранить длительное время без заметного разложения. Быстрое нагревание до точки кипения (-119°С) или быстрое охлаждение озона могут привести к взрыву. Поэтому знание свойств озона и соблюдение мер предосторожности очень важно при работе с ним. В таблице 1 приведены основные физические свойства озона.
При газообразном состоянии озон диамагнитен, а в жидком - слабо парамагнитен. Озон хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Растворимость его в воде выше, чем кислорода, более чем в 15 раз.
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).

Основные физические свойства озона

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. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.



гольника, 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).
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. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.
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 Оз + воздух), в которых содержание озона не превышает 2-5% по объему. Получение чистого озона - технически сложная задача и до настоящего времени еще нерешенная. Существует способ отделения кислорода от смесей путем низкотемпературной ректификации газовых смесей. Однако пока еще не удалось исключить опасность взрыва озона при ректификации. В исследовательской практике часто используют прием двойного намораживания озона жидким азотом, позволяющий получить концентрированный озон. Более безопасным является метод получения концентрированного озона путем адсорбции - десорбции, когда поток газовой смеси продувают через слой охлажденного (-80°С) силикагеля, а затем адсорбент продувают инертным газом (азотом или гелием). Таким методом можно получить соотношение озон: кислород =9:1, т. е. высококонцентрированный озон.
Использование в промышленных целях концентрированного озона как окислительного компонента незначительно.

Химические свойства озона

Характерными химическими свойствами озона в первую очередь следует считать его нестойкость, способность быстро разлагаться, и высокую окислительную активность.
Для озона установлено окислительное число И, которое характеризует число атомов кислорода, отдаваемых озоном окисляемому веществу. Как показали опыты, оно может быть равным 0,1, 3. В первом случае озон разлагается с увеличением объема: 2Оз--->ЗО2, во втором он отдает окисляемому веществу один атом кислорода: О3 ->О2+О (при этом, объем не увеличивается), и в третьем случае происходит присоединение озона к окисляемому веществу: О3->ЗО (при этом объем его уменьшается) .
Окислительными свойствами характеризуются химические реакции озона с неорганическими веществами.
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. Окислы азота реагируют с озоном быстро, образуя высшие окислы:
NO+Оз->NO2+O2;
NO2+O3----->NO3+O2;
NO2+O3->N2O5.
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.
Восстановительный потенциал озон - кислород достаточно высокий и в кислой среде определен величиной 2,07 В, а в щелочном растворе - 1,24 В. Сродство озона с электроном определено величиной в 2 эВ, и только фтор, его окислы и свободные радикалы обладают более сильным сродством к электрону.
Высокое окислительное действие озона было использовано для перевода ряда трансурановых элементов в семивалентное состояние, хотя высшее валентное состояние их равно 6. Реакция озона с металлами переменной валентности (Сг, Сог и др.) находит практическое применение при получении исходного сырья в производстве красителей и витамина PP.
Щелочные и щелочно-земельные металлы под действием озона окисляются, а их гидроокиси образуют озониды (триоксиды). Известны озониды давно, о них упоминал еще в 1886 г. французский химик-органик Шарль Адольф Вюрц. Они представляют собой кристаллическое вещество красно-коричневого цвета, в решетку молекул которого входят однократно отрицательные ионы озона (O3-), чем и обусловлены их парамагнитные свойства. Предел термической устойчивости озонидов -60±2° С, содержание активного кислорода - 46% по весу. Как многие пе-рекисные соединения озониды щелочных металлов нашли широкое применение в регенеративных процессах.
Озониды образуются в реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс типа М+ О- Н+ O3--с дальнейшей реакцией с озоном, в результате чего образуется смесь озонида и водного гидрата окиси щелочного металла.
Озон активно вступает в химическое взаимодействие со многими органическими соединениями. Так, первичным продуктом взаимодействия озона с двойной связью непредельных соединений является малозоид, который нестоек и распадается на биполярный ион и карбонильные соединения (альдегид или кетон). Промежуточные продукты, которые образуются в этой реакции, вновь соединяются в другой последовательности, образуя озо-нид. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с биполярным ионом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения.
В реакциях с насыщенными углеводородами озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление, при этом выход продуктов окисления соответствует расходу озона. Взаимодействие озона с насыщенными углеводородами протекает как в газовой фазе, так и в растворах.
С озоном легко реагируют фенолы, при этом происходит разрушение последних до соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины и полимерные материалы; реакции озона с ароматическими углеводородами - дифениловую кислоту, фталевый диальдегид и фталевую кислоту, глиоксалевую кислоту и др.
Реакции озона с ароматическими углеводородами легли в основу разработки методов дезодорации различных сред, помещений, сточных вод, абгазов, а с серосодержащими соединениями - в основу разработки методов очистки сточных вод и отходящих газов различных производств, включая сельское хозяйство, от серосодержащих вредных соединений (сероводород, меркаптаны, сернистый ангидрид).