Реферат: Озон та життя

В молекулу озону можуть входити атоми більш важких ізотопів кисню О17 и О18. За наближеними оцінками в атмосферному озоні знаходиться біля 0,21"" молекул О^О^О'" та 0,41 "о молекул О^О^О".

Газоподібний озон при стандартних температурі та тиску має щільність рдц = 2,144- 10"3 г-см"3. Теплоємність газу Ср зменшується із зниженням температури: при 473 К с = = 904 Дж- кг-1. К-1, при 273 К с„ - 795 "Дж. кг-1- К-1, при 100 К Ср =-- 690 Дж.кг-^К-1.

Озон перетворюється на рідину при температурі 161,3 К (температура кипіння) в темно-синю рідину з щільністю 1,46 г-см~3. Питома теплота випаровування рідини 316 000 Дж-кг"1. При температурі 90 К рідкий озон має щільність 1,57 г см~3, а безпосередньо перед затвердінням його щільність складає 1,614 г-см~3. Температура затвердіння, за даними різних авторів, відрізняється на 2—3 К та складає приблизно 78 К. Тверда кристалічна структура має темно-фіолетовий колір.

Характерний запах озону відчувається при концентрации ~^ °о. Деякі вважають присутність запаху озону показником чистоти повітря. Як показують біологічні й медичні досліди - озон — сильнодіюча отрута, що крім загальнотоксичної дії, ще має такі властивості як мутагенність, канцерогенність, радіомиметричний эффект). За токсичністю озон перевищує, наприклад, синільную кислоту.

Озоно-кисневі суміші вибухонебезпечні при концентраціях озону від 20 до 100%. Саме вибухонебезпечність концентрованних сумішей озону довгий час була основною перешкодою вивченню його фізичних та хімічних властивостей. Не дивлячись на те, що промислове виробництво озону існувало ще з початку XX ст., найбільш фундаментальні властивості його молекули були вивчені тільки в 50-х рр., коли в багатьох країнах були зроблені спроби використання концентрованого озону як окиснювача в ракетних системах.

Потенціал іонізації озону 2,8 эВ, сродство до электрону за різними даними 1,9 ... 2,7 эВ, тобто достатньо сильно (більш сильне мають тільки фтор та його оксиди, а також нестабільні частки— атоми та вільні радикали).

Озон досить нестійкий у великих концентраціях може розкладатися з вибухом, тому цілком безпечне його зберiгання вимагає низьких температур. відомо, що людина не може iснувати в атмосферi з чистого кисню. Певний час, щоб зменшити масу своїх пiлотованих космiчних апаратiв, американці використовували r них чисто кисню атмосферу, але вiдмовилися вiд цього через надто велику небезпеку пожеж. До речi, людинi корнсна невелика концентрацiя озону в повiтрi, але велика кiлькiсть його стае смертельно небезпечною.

Дослiдженнями виявлено велику роль природних концентрацій озону (одна молекула озону на кілька десятків мільйонiв iншиx молекул повiтря) в окислювальних процесах, що вiдбуваються у клiтинах людського організму. Коли ж почали широко застосовувати очищене та кондиціоноване повiтря у робочих приміщеннях, то помітили незрозумiле пiдвищення кількості захворювань людей у порівнянні з мину-лим перiодом, коли вони дихали «неочищеним повiтрям». Не вiдразу, але знайшли причину—повна вiдсутнiсть озону в кондиціонованому повітрі зумовила розлади в організмі.

Пiдвищена окислювальна здатність озону все ширше використовується для обеззараження вiд шкiдливих мiкроорганiзмiв повiтря та питної води. Не обійшлось i без курйозiв. кiлька рокiв тому в наших газетах тривалий час писалося про спроби використання озону при зберiганнi картоплі та інших овочів. Критика з боку вчених, якi вказували, що такий активний окислювач, як озон, лише прискорює процеси розкладу речовин, що входять до складу картоплi нічого не дали. Було втрачено чимало грошей, доки зрозуміли, що розв'язати проблему зберiгання овочів при замiнi повітря у сховищах на озон не можна.

Найчастiше озон одержують у великих кiлькостях при пропусканні електричного струму через сухий кисень. Електричний розряд розщеплює молекули кисню на двi частини — атоми кнсню:

О2 = О+О

Звшьпеш атоми рухаються швидко i часто стикаються з двохатомними молекулами кисню, що при сприятливих умо­вах веде до утворення комплекса i3 трьох атомiв кисню молекул озону

О+ О2 = О3

ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОЗОНУ

Енергію молекули можно представити як суму трьох частин — електронної, коливальної та обертальної енергій. Енергетичні стани, змінюються дискретним чином. Набори енергетичних станів індивідуальні для кожної молекули. Переходи молекули з одного енергетичного стану в інший супроводжуються поглинанням або випромінюванням кванта електромагнітної енергії. Спектри, що виникають при таких переходах, залежать від молеку­лярних сталих, молекули, що поглинає або випромінює та є своєрідною візитною карткою даної молекули. Для озону переходи між різноманітними електронними станами відбуваються при випромінюванні або поглинанні світла в видимій, ультрафіолетовій та так званій вакуумній ультрафіолетовій (нижче 2000 А) області спектра. Кожний електронний перехід супроводжується порівняно невеликими за енергіями змінами коливальних та вращательных станів молекули, через що електронно-коливально-обертальний спектр молекули представляє собю систему близько розташованих одна до одної смуг. Якщо при поглинанні світла молекула досягне збудженого стану, що має достатню енергію для того, щоб розірвати слабкий звязок в молекулі, то остання дисоціює. Для молекули озону енергія звязку (О—О2), розрив якої приводить до розпаду озону на молекулярний та атомарний кисень, складає 1,05 эВ.

Наибільш важливі смуги поглинання озону лежать в діапазоні довжин хвиль 2000—3000 А (рис. ). Здатність газу поглинати випромінювання кількістно характеризується коефіцієнтом поглинання k в законі, який називають законом Беєра—Ламберта:

I(v, х)=I(v,0)10-k(v)x

де I(v, 0) — інтенсивність пучка монохроматичного світла частотою v, що приходить на вхідне вікно пристрою довжиною х, заповненого газом при даному тиску; I(v, х) — інтенсивність світла, що пройшов крізь пристрій..) Виміряна в см"' величина коефіцієнту поглинання k(v) в смугах поглинання Хартлі молекули озону розрахована за формулою та представлена на рис. 2 в вигляді залежності від довжини хвилі випромінювання, що надходить. Як і більшість інших смуг поглинання в молекулярній спектроскопії, ці смуги носять імя науковця, що відкрив їх. В максимумі поглинання k =135 см""', при товщині шару озону 0,3 см з формули (1) виходить, що відношення I(v, 0): I(v, х) буде рівно 1040! Це значить, що земний шар озону послабить сонячне випромінювання цієї довжини хвилі в 1040 разів, тобто практично поглине його повністю.

При довжинах хвиль більше 3000 А біля смуг Хартлі зявляються більш слабкі смуги Хаггінса та Шалона— Лефевра (рис. 2). Коефіцієнт поглинання в цих смугах на декілька порядків менше, ніж у смуг Хартлі. Окремі близько розташовані в цих системах смуги мають добре видимі різкі максимуми та мінімуми. В видимій частині спектру розташована на широка смуга Шаппюї, з якою повязаний синій колір озону. Сильне поглинання озону спостерігається в області вакуумного ультрафіолета (1000—2000 А). Разом з поглинанням в смугах Хартлі це поглинання приводить до обриву сонячного спектру на поверхні Землі при довжинах хвиль менше 2900 А, що дуже важливо для захисту життя на нашій планеті від короткохвильових випромінюваннь. Треб відмітити ,що величини коефіцієнтів поглинання суттєво змінюються з температурою.

Смуги, що відповідають коливально - обертальним переходам в молекулі озону, розташовані в інфрачервоній області спектру (3—15 мкм). Коефіцієнти поглинання в цих смугах змінюються в широких рамках.

Первісним процесом фотохімічної реакції є дисоціація молекули. При цьому в залежності від того в яких смугах поглинання відбулася фотодисоціація, кінцеві продукти фотореакції можуть відрізнятися між собою. При розкладенні світлом озону на молекулярний та атомарний кисень в залежності від енергії кванта, який було поглинуто (довжини хвилі поглинутого світла) атом та молекула кисню можуть бути як в основних, так і в збуджених станах.

Реакційна здатність електронно - збуджених атомів та молекул сильно відрізняється від їх реакційної здатності в основному стані Для прикладу можна розглянути як проходить фотодиссоціація при збудженні в смугах Шаппюї. При поглинанні червоного світла (~6000 А) первісний процесо завершується розкладанням озону на атом та молекулу кисню в основних станах:

Оз hv = O(3P) + O2(3E)

за яким 'йде другорядний процес взаємодії атомарного кисню з озоном.

O(3P) + O3 = 2O2

Таким чином, в результаті поглинання одного кванта света було зруйновано дві молекули озона. Одним з продуктів фоторозкладення при збудженні в смугах Хаггінса є збуджена молекула кисню:

O3 hv = O(3P) + O2(1E)

за яким йдуть процеси

O(3P) + O3 = 2O2

O2(1E) + O3 = 2O2 + O(3P)

O(3P) + O3 = 2O2

В результаті сумарний квантовий вихід розкладу Оз дорівнює 4м молекулам . Аналогіно можно показати, щ квантовий вихід фотодисоціації озону при збуджені в смугах Хартлі може дорівнювати 6.

З розглянутих закономірностей взаємодії світла з озоном можна зробити два важливих висновки : 1) молекули озону поглинають світло в широкому спектральному діапазоні від ва­куумного ультрафіолетового до мікрохвильового частин спектра, причому найбільш інтенсивне поглинання спостерігається для довжин хвиль менше 3000 А; 2) при поглинанні світла озоном як в ультрафіолетовій, так і у видимій частинах спектра відбувається фотохімічне зруйнування озону з утворенням молекули кисню. Інші цікаві відомості про фізикo -хімічні показники можна знайти в працях С. Д. Разумовського та Г. Е. Заікова.