Взаимодействие озона с металлами

Обновлено: 28.09.2024

Кислород – элемент VIA группы. Для него свойственны две аллотропные модификации с разными химическими формулами – кислород О₂ и озон О₃. Они отличаются не только составом молекул, но и различными характеристиками.

В конце XVIII века ученый Мартин Ван Марум провел эксперимент, в результате которого получил озон. Он через воздушное пространство пропускал электричество. Таким образом, образовался озон – это голубоватый газ с необычным запахом. Ученый предполагал, что полученный газ представляет собой электрическую материю.

В 1840 году ученый Кристиан Фридрих Шенбейн раскрыл структуру и свойства озона. Полученный газ он назвал «озоном» (с греч. языка «пахнуть»). Кристиан Фридрих Шенбейн провел эксперимент, где озон вытеснил йод из иодида калия.

Получение озона

Существует несколько способов получения молекул озона.

Из кислорода воздуха при электрическом разряде
- 3О₂ = 2О₃ – 284 кДж
  В промышленных условиях газ получают в озонаторах и отделяют фракционной перегонкой.
Взаимодействие охлажденной концентрированной серной кислоты и пероксида бария
- 3H₂SO₄ + 3BaO₂ = 3BaSO₄ + O₃ + 3H₂O
  Данной реакцией синтезируют озон в лабораториях.

Физические свойства озона

Озон – бесцветный (в толстых слоях голубоватый) газ. Он почти в два раза тяжелее воздуха. Озон обладает специфическим запахом свежести.

Температура сжижения -112˚С (газ приобретает оттенок индиго).
Температура плавления -197˚С.
Молярная масса озона – 48 г/моль.

Озон растворим в воде. Примеси позволяют растворяться еще быстрее. Если озон находится в состоянии газа, то он выступает в роли диамагнетика. Если озон – это жидкость, то проявляет свойства слабого парамагнетика.

Озон ядовит и губителен для бактерий. Его используют при обеззараживании воздуха и воды.

Химические свойства озона

Озон обладает сильными окислительными свойствами по сравнению с кислородом. Он реагирует с рядом веществ.

Если озон находится в состоянии газа, то реакция с сероводородом выглядит следующим образом:
H₂S + O₃ = SO₂ + H₂O

Озон способен взаимодействовать со ртутью при обычных условиях. В результате металл теряет блеск и способность липнуть к стеклу.

Токсичность озона

При умеренных концентрациях озон безвреден. Реакции с озоном характеризуются формированием свободных радикалов кислорода, которые губительны для организма при высоком содержании. Чрезмерное воздействие озона часто приводит к гибели. Озон особенно губителен для органов дыхания.

Озоновый слой в верхних слоях атмосферы

Озоновый слой – слой в верхней части атмосфера Земли, который состоит из бесцветного нестабильного газа. Он располагается на высоте 15-20 км над поверхностью планеты. Стратосфера – слой атмосферы, в котором содержится много озона.

Озон образуется в результате воздействия ультрафиолета на кислород. Слой газа задерживает все формы поступающей ультрафиолетовой коротковолновой радиации.

Озоновый экран защищает от вредного излучения, длина волн которого 290-320 нм. Это излучение может спровоцировать рак кожи. Озоновый слой появился на Земле около 600 млн лет назад в результате процесс фотосинтеза. Благодаря озоновому слою первые живые организмы смогли выйти из океана на сушу.

Дыры в озоновом слое

Озоновые дыры – локальное истощение озонового слоя. Самая большая озоновая дыра находится над Антарктидой. Если озоновый слой полностью исчезнет, то все живое на планете погибнет.

Озоновые дыры возникают по многим причинам, главная из которых – загрязнение окружающей среды. Озоновый слой разрушается под воздействием хлора, водорода, кислорода, брома и других продуктов сгорания. Выбросы фабрик, заводов и различных производств негативно влияют на выработку озона в верхних слоях атмосферы.

Озоновый слой может разрушить война. При испытании ядерного оружия выделяется огромное количество энергии и образуются окислы азота, которые разрушают озон. В период с 1952 по 1971 года при ядерных взрывах в атмосферу попало около 3 млн т окислов азота.

Реактивные самолеты выбрасывают окислы азота. Чем выше мощность турбореактивного двигателя, тем больше разрушающего вещества попадает в атмосферу. Ежегодно в воздух выбрасывается более 1 млн т соединений азота, из которых треть выбрасывают самолеты.

Защита озонового слоя

До 1989 года на производствах часто применялись галогенированные углеводороды, которые разрушают озоновый слой. Монреальская конвенция разработала программу по сокращению использования хлорфторуглеродов, которые быстро испарялись и достигали стратосферы. Они разлагаются на компоненты и разрушают озоновый слой. Из этих соединений раньше изготавливали аэрозоли, растворители и др.

Озоновые дыры произвольно создаются и исчезают. Это связано с некоторыми природными явлениями и даже климатическими особенностями. Газ озон образуется в результате воздействия ультрафиолета на кислород. Во время полярной ночи дыры образуются из-за того, что солнце не заходит несколько недель и ультрафиолет постоянно влияет на кислород. Во время полярного дня озоновый слой восстанавливается и воздействие ультрафиолета на живые организмы снижается.

Дыры могут формироваться в период активности Солнца. В результате этого они появляются и пропадают. Иногда это занимает несколько дней, реже растягивается на несколько месяцев.

Свойства озона, его взаимодействие с различными веществами и области применения

В обывательском представлении озон считается безопасным газом, придающим воздуху особый аромат, и образующимся в атмосфере после грозы. Это является верным только для небольшой доли его предельно допустимой концентрации. Озон является газом, токсичным для органов дыхательной и нервной системы человека настолько, что его ПДК его равняется 0,1 мг/м3. Еще одним опасным моментом является привыкание к запаху озона, что даже при его концентрации, составляющей десять допустимых норм, он перестает ощущаться человеком. Озон является взрывоопасным и легкоразлагающимся газом, что так же определяет особенности его использования.

Растворимость и расщепление озона в водной среде

Озон является газом, прекрасно растворяющимся в воде, причем этот показатель растет с понижением температуры. Его растворимость намного выше, чем у азота и кислорода, хотя и меньше, чем у хлора и его диоксида. При растворении озона в воде также идет и его разложение, протекающее с одновременным взаимодействием с загрязняющими веществами, имеющимися в воде. Реакции расщепления озона в водной среде связаны с его взаимодействием с молекулами воды и гидроксид-ионами. В результате этих реакций идет выделение молекул двухатомного кислорода, обладающего так же высокими окислительными свойствами, и образование ионов водорода и гидроксида, а так же перекиси водорода. При диссоциации перекись водорода образует ионы водорода и частицы свободных радикалов, ускоряющих процесс разложения озона, а так же приводящие к началу цепных реакций разложения примесей. К ним таким частицам относятся радикалы супер-кислорода, состоящие из двух атомов и имеющие отрицательный заряд. Тормозом процесса разложения являются ионы карбонатов и гидрокарбонатов, нейтрализующие при взаимодействии ионы гидроксида путем образования углекислого газа и воды. Таким образом, процессы, протекающие при растворении озона в водной среде, проходят одновременно по нескольким механизмам. По выводам из практики принимается, что при растворении в воде одна половина озона существует в виде молекул, а вторая распадается с образованием гидроксильных радикалов.

Взаимодействие озона с различными веществами и механизмы протекания этих процессов

Взаимодействие загрязняющих веществ с озоном происходит за счет прямой реакции с молекулами озона или же с радикалами, появляющимися в процессе его распада. Более активно озон взаимодействует с анионами, чем с нейтральными и катионными веществами.

Озон, являясь активным окислителем, взаимодействует со многими органическими и неорганическими веществами. Из галогенов с озоном не реагирует фтор и практически не вступает во взаимодействие хлор. Бром окисляется озоном сначала до гипобромита, а затем и до броматных соединений. При этом образующийся бромид может параллельно взаимодействовать с веществами органического происхождения и аммиаком. Йод окисляется озоном очень быстро с образованием йодатов и йодноватистой кислоты. Соли галогеносодержащих кислот уже не поддаются озоновому окислению. Практически нейтральными к озону являются азот и его соединения, в том числе аммиак и ионы аммония, а так же нитраты, за исключением аминов, хорошо взаимодействующих с гидроксильными радикалами. Токсичные цианиды легко окисляются озоном в цианаты, дальнейшее окисление которых происходит очень медленно и ускоряется только в присутствии ионов меди, замедляясь при наличии в растворе ионов железа. Сера и сульфитные при взаимодействии с озоном окисляются до сульфатов. Что же касается реакций с металлами, то озон достаточно активно окисляет железо и марганец, кобальт и никель, образуя оксиды и гидроксиды, удаляемые из раствора при флокуляции или фильтрации. Практически пассивен в отношении озона хром, хотя при определенных условиях он может быть окислен им до максимальной степени окисления, шестивалентного хрома.

При взаимодействии озона с органическими веществами реакции проходят по довольно сложному механизму, так как они могут проходить как с непосредственно с молекулами озона, так и со свободными радикалами, образующимися в процессе его разложения. Насыщенные углеводороды характеризуются медленной скоростью реакции с озоном, а основная часть соединений углеводородов с хлором реагируют только с гидроксильным радикалом, образующимся при разложении озона. Практически мгновенно озон реагирует с фенолом и его производными. Карбоновые и кетоновые кислоты не реагируют с озоном, так как относятся к конечным продуктами реакций его взаимодействия со спиртами. Меркаптаны окисляются озоном до сульфоновых кислот, активно взаимодействуют с озоном так же белки и аминокислоты, что объясняет его высокое обеззараживающее действие. Следует отметить активность озона в отношении нейтрализации пестицидов, содержащих эфиры фосфорной кислоты путем окисления до нитратов и углекислого газа.

Применении озона

Благодаря своим свойствам, озон широко используется для очищения воды от фенолов, нефти и нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, аминов, железа и марганца, растворенного сероводорода, а также многих других веществ органического и неорганического происхождения, которые не могут быть эффективно удалены при использовании других методов очистки водной среды. Кроме того, с помощью озонового окисления проводится полное обеззараживание воды даже при значительном бактериальном ее загрязнении, в том числе и от патогенных микроорганизмов, устойчивых к действию хлора и хлоросодержащих дезинфектантов.

Это определяет так же и области его применения, к которым относится очистка воды, применяемой в оборотном водоснабжении, в схемах очищения сточных вод как бытового, так и производственного характера, при очистке нефотесодержащих стоков и сточных вод пищевой промышленности, характеризуемых высоким содержанием органических веществ.

Газ озон: химические, физические свойства, формула, отличия и другое

Химические свойства. Образование озона проходит по обратимой реакции:

Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут [4] превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.

В присутствии небольших количеств HNO3 озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах (—78 ºС) практически не разлагается.

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 многие неметаллы.

2 Cu2+(aq) + 2 H3O+(aq) + O3(g) → 2 Cu3+(aq) + 3 H2O(l) + O2(g)

Озон повышает степень окисления оксидов:

NO + O3 → NO2 + O2

Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:

NO2 + O3 → NO3 + O2

с образованием азотного ангидрида 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 + 4 O3 → PbSO4 + 4 O2

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

Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:

3 SnCl2 + 6 HCl + O3 → 3 SnCl4 + 3 H2O

В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:

H2S + O3 → SO2 + H2O

В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:

H2S + O3 → S + O2 + H2O

3 H2S + 4 O3 → 3 H2SO4

Обработкой озоном раствора йода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат йода:

I2 + 6 HClO4 + O3 → 2 I(ClO4)3 + 3 H2O

Твёрдый нитрилперхлорат может быть получен реакцией газообразных NO2, ClO2 и O3:

2 NO2 + 2 ClO2 + 2 O3 → 2 NO2ClO4 + O2

Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:

3 C4N2 + 4 O3 → 12 CO + 3 N2

Озон может реагировать при низких температурах. При 77 K (-196 °C), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием супероксидного радикала с димеризацией последнего[5] :

Озон может образовывать озониды, содержащие анион O3-. Эти соединения взрывоопасны и могут храниться при низких температурах. Известны озониды всех щелочных металлов. KO3, RbO3, and CsO3 могут быть получены из соответствующих супероксидов:

KO2 + O3 → KO3 + O2

Озонид калия может быть получен и другим путём из гидроокиси калия [6]:

2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O

NaO3 and LiO3 могут быть получены действием CsO3 в жидком аммиаке NH3 на ионообменные смолы, содержащие ионы Na+ or Li+ [7]:

CsO3 + Na+ → Cs+ + NaO3

Обработка озоном раствора кальция в аммиаке приводит к образованию озонида аммония, а не кальция [8]: 3 Ca + 10 NH3 + 6 O3 → Ca•6NH3 + Ca(OH)2 + Ca(NO3)2 + 2 NH4O3 + 2 O2 + H2

Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием осадка, который может быть удалён фильтрованием: 2 Mn2+ + 2 O3 + 4 H2O → 2 MnO(OH)2 (s) + 2 O2 + 4 H+

Применение озона Применение озона обусловлено его свойствами:сильного окисляющего агента: для стерилизации изделий медицинского назначения при получении многих веществ в лабораторной и промышленной практике для отбеливания бумаги для очистки масел сильного дезинфицирующего средства: для очистки воды и воздуха от микроорганизмов (озонирование) для дезинфекции помещений и одежды

Одним из существенных достоинств озонирования, по сравнению с хлорированием, является отсутствие токсинов после обработки. Тогда как при хлорировании возможно образование существенного количества токсинов и ядов, например, диоксина.

Фторид кислорода(II) (OF2) — дифторид кислорода. Представляет собой бесцветный газ, конденсирующийся при охлаждении в светло-желтую (в толстых слоях золотисто-желтую) жидкость. Фторид кислорода(II) имеет раздражающий запах несколько отличающийся от запаха фтора (смесь запаха хлорной извести и озона).

Читайте также: