Ozon | ||
Identificare | ||
---|---|---|
Numele IUPAC | Trioxigen | |
Sinonime |
ozon |
|
N o CAS | ||
N o ECHA | 100.030.051 | |
N o EC | 233-069-2 | |
ZÂMBETE |
[O +] (= O) [O-] , |
|
InChI |
InChI: InChI = 1 / O3 / c1-3-2 |
|
Aspect | gaz incolor sau albăstrui cu miros caracteristic | |
Proprietăți chimice | ||
Formula brută |
O 3 [Izomeri] |
|
Masă molară | 47,9982 ± 0,0009 g / mol O 100%, |
|
Momentul dipolar | 0,533 73 D | |
Proprietăți fizice | ||
T ° fuziune | −192,5 ° C | |
T ° fierbere | −111,9 ° C | |
Solubilitate | în apă la 0 ° C : 1 g / l | |
Masa volumică | 2,144 g / l ( 0 ° C ) | |
Punct critic | 55,7 bari, -12,05 ° C | |
Termochimie | ||
Δ f H 0 gaz | 142,67 kJ / mol | |
Proprietăți electronice | ||
1 re energie de ionizare | 12,43 eV (gaz) | |
Precauții | ||
WHMIS „ Ozon ” în baza de date cu produse chimice Reptox a CSST (organizația din Quebec responsabilă de securitatea și sănătatea în muncă), accesată la 25 aprilie 2009 | ||
A, C, D1A, D2A, D2B, F, A : Temperatura critică a gazului comprimat = -12,1 ° C C : Materialul oxidant cauzează sau favorizează arderea unui alt material care eliberează oxigen D1A : Material foarte toxic provocând efecte grave imediate Letalitate acută: LC50 inhalare / 4 ore (mouse) = 5,9 ppm D2A : Material foarte toxic cu alte efecte toxice Toxicitate cronică: deteriorare permanentă a plămânilor D2B : Material toxic cu alte efecte toxice Mutagenitate la animale F : Materialul reactiv periculos devine auto-reactiv sub efectul unui șoc; devine auto-reactiv sub efectul unei creșteri a presiunii; devine auto-reactiv sub efectul unei creșteri a temperaturii Divulgarea la 1,0% conform listei de divulgare a ingredientelor |
||
Directiva 67/548 / CEE | ||
Semnalizare indicativă, nu este cerută de reglementări, deoarece ozonul este întotdeauna produs la locul utilizării sale: | ||
T + VS O Simboluri : T + : Foarte toxic C : coroziv O : oxidant |
||
Ecotoxicologie | ||
CL 50 | 8 până la 12 mg / m 3 | |
Pragul mirosului | scăzut: 0,007 6 ppm înalt: 0,03 ppm |
|
Unități de SI și STP, cu excepția cazului în care se prevede altfel. | ||
Ozonul (German Ozon , derivat din greaca ozo „miros expirație“), sau trioxygen , este o substanță cu formula chimică O 3 : moleculele sale sunt triatomice , formate din trei atomi de oxigen . Ozonul este astfel o varietate alotropă de oxigen, dar mult mai puțin stabilă decât oxigenul O 2, în care tinde în mod natural să se descompună. Se lichefiază la 161,3 K ( -111,9 ° C ) ca un lichid albastru închis și se solidifică la 80,7 K ( -192,5 ° C ) până la un solid violet. La temperatura camerei, este un gaz albastru pal sau chiar incolor care se distinge prin mirosul său. Ozonul ajunge sa punct critic la 5460 kPa și -12.05 ° C .
Instabilitatea sa se manifestă în stare condensată printr-o tendință de explozie atunci când concentrația sa este semnificativă. Ozonul se descompune în oxigen O 2la temperatura camerei: viteza de reacție depinde de temperatura , umiditatea aerului , prezența catalizatorilor ( hidrogen , fier , cupru , crom , etc. ) , sau contactul cu o suprafață solidă.
Spre deosebire de oxigenul inodor, ozonul este perceput de simțul mirosului uman (detectabil de la o concentrație de 0,01 ppm ); mirosul său caracteristic care amintește de înălbitor este perceptibil în locuri restrânse în care există un câmp electric puternic (transformator de înaltă tensiune, scară Jacob, tuburi UV, brichetă cu gaz ). Respirat în cantități mari, este otrăvitor și provoacă tuse.
Ozonul este prezentă în mod natural în atmosfera Pământului , formând un strat de ozon din stratosfera între 13 și 40 kilometri De altitudine care intercepteaza peste 97% din Soarelui razele ultraviolete , dar este un poluant în straturile inferioare ale atmosferă ( troposferă ) unde atacă sistemul respirator al animalelor și poate arde cele mai sensibile plante . Acest oxidant energetic atacă celulele vii și poate fi responsabil pentru fenomenele de coroziune accelerată a polimerilor („ crăparea elastomerilor prin ozon ”).
Ozonul a fost descoperit în 1789 de chimistul olandez Martin van Marum prin trecerea unui curent electric prin oxigen închis într-o eprubetă. Notează un miros specific comparabil cu cel al acidului sulfuros sau al fosforului. Eprubeta cufundată în mercur îi permite să observe că volumul de oxigen scade aproape la jumătate și că mercurul se oxidează foarte repede. Fără să știe ce a dezvăluit munca sa, el a definit acest miros ca fiind cel al electricității și elementul creat ca acid azotat.
Acest studiu a fost reluat în 1840 de chimistul german Christian Friedrich Schönbein care, aprofundând cercetările lui Van Marum, a reușit să izoleze molecula. El l-a numit astfel, referindu-se la rădăcina greacă ozein (a expira un miros, a mirosi). Formula pentru ozon, O 3, nu a fost stabilită până în 1865 de Jacques-Louis Soret și apoi confirmată în 1867 de Christian Friedrich Schönbein. Ulterior, au urmat multe cercetări privind mecanismul de dezinfecție a ozonului. Werner von Siemens a fabricat primul generator de ozon. Acest producător a scris o carte despre aplicarea ozonului în apă, care a dus la o multitudine de proiecte de cercetare privind dezinfectarea ozonului.
În 1907, chimistul francez Marius-Paul Otto , care a primit un doctorat pentru munca sa asupra ozonului, a creat o companie numită Compagnie des Eaux et de l'Ozone.
Relația dintre ozon și oxizii de azot a fost demonstrată în anii 1970 de Paul Josef Crutzen , Premiul Nobel pentru chimie din 1995 .
Potențialul redox al ozonului este 2.07 V .
Entalpia de formare: Δ f H 0 gaz = 142,67 kJ mol −1
Primul energie de ionizare este egal cu 12,43 eV (gaz)
Mirosul asociat cu ozonul provine din ionizare datorată distrugerii ozonului. Culoarea sa se datorează împrăștierii Rayleigh care dă o nuanță albăstruie în prezența concentrațiilor ridicate ale moleculei.
Molecula de ozon este o moleculă C2v îndoită molecular simetric (similară cu molecula de apă ). Unghiul dintre atomii de oxigen este de 116,78 °. Ozonul este o moleculă polară cu un moment de dipol de 0,533 73 D .
Ozonul este un oxidant foarte puternic, mai puternic decât oxigenul sau clorul. Fiind foarte instabil, se degradează la O 2 destul de repede :
2 O 3 → 3 O 2
Reacții cu metale
În prezența umezelii, ozonul oxidează toate metalele, cu excepția aurului , platinei și iridiului . Mai jos, oxidarea cuprului, de exemplu:
2 Cu + + 2 H 3 O + + O 3 → 2 Cu 2+ + 3 H 2 O + O 2
Reacții cu metalele alcaline
Ozonul reacționează cu metalele alcaline și metalele alcalino-pământoase pentru a forma ozonide (M + O 3→ MO 3) , instabil și care reacționează cu apa pentru a forma oxigen. Această succesiune de reacții chimice explică în mare parte caracterul poluant care este atribuit ozonului atunci când acesta din urmă este prezent în atmosfera din apropierea solului.
Reacții cu compuși de azot
Ozonul oxidează monoxidul de azot (NO) în dioxid de azot (NO 2):
NO + O 3 → NO 2 + O 2
Dioxid de azot (NO 2) poate fi la rândul său oxidat la nitrat (NO 3):
NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2
Ozonul poate oxida amoniacul (NH 3) în azotat de amoniu (NH 4 NO 3):
2 NH 3 + 4 O 3 → NH 4 NO 3 + 4 O 2 + H 2 O
Reacții cu compuși de carbon
Ozonul reacționează cu carbonul pentru a forma dioxid de carbon :
C + 2 O 3 → CO 2 + 2 O 2
Reacții cu compuși de sulf
Ozonul oxidează sulfurile (S 2- ) în sulfați (SO 4 2- ). Exemplu cu sulfură de plumb (II) :
PbS + 4 O 3 → PbSO 4 + 4 O 2
Acidul sulfuric (H 2 SO 4) poate fi produs cu ozon, apă și sulf sau dioxid de sulf :
S + H 2 O + O 3 → H 2 SO 4 sau 3 SO 2 + 3 H 2 O + O 3 → 3 H 2 SO 4
În faza gazoasă, ozonul reacționează cu hidrogen sulfurat pentru a forma dioxid de sulf :
H 2 S + O 3 → SO 2 + H 2 O
În soluție apoasă, apar două reacții simultane. Primul produce sulf , al doilea produce acid sulfuric :
H 2 S + O 3 → S + O 2 + H 2 O și 3 H 2 S + 4 O 3 → 3 H 2 SO 4
Ozonul are un timp de înjumătățire destul de scurt, chiar mai mult în apă (unde se descompune în radicali -OH ) decât în aer. Diferiti factori influenteaza rata descompunerii ozonului:
In aer | În apă (pH 7) | ||
---|---|---|---|
Temperatura (° C) | Jumătate de viață | Temperatura (° C) | Jumătate de viață |
–50 |
3 luni |
15 |
30 minute |
–35 |
18 zile |
20 |
20 de minute |
–25 |
8 zile |
25 |
15 minute |
20 |
3 zile |
30 |
12 minute |
120 |
1 oră și 30 de minute |
35 |
8 minute |
250 |
1,5 secunde |
Ozonul este extrem de nociv pentru plămâni , rinichi , creier și ochi . De exemplu, o concentrație de 9 ppm de ozon în aer va provoca edem pulmonar . Între această valoare și pragul mediu de percepție olfactivă ( în medie 0,1 ppm ), găsim gura uscată, tuse , hipersecreție bronșică, dispnee , dureri retrosternale și anomalii ale sistemului respirator. O simplă concentrație de 0,2 până la 0,5 ppm de ozon în aer poate provoca deja tulburări vizuale, cum ar fi scăderea vederii nocturne și slabă adaptabilitate la lumină, creșterea vederii periferice și tulburări de vedere . În plus, există tulburări de rinichi ( nefrită acută) și neurologice ( amețeli , astenie , modificări ale gustului, tulburări de vorbire, slabă coordonare a mișcării etc. ).
Reglementările franceze și directivele europene stabilesc un obiectiv zilnic de calitate maximă în medie peste 8 ore la 120 µg / m 3 (60 ppb sau 0,06 ppm ) și pragul de alertă la 240 µg / m 3 . Acest obiectiv de calitate corespunde nivelurilor 5 (index francez) sau 50 (index european) de informații difuzate de organizații precum Airparif, Airpaca, Atmo etc.
În atmosfera superioară a Pământului , stratul de ozon este o concentrație de ozon care filtrează unele dintre razele ultraviolete emise de Soare, care sunt responsabile în special de cancerul de piele . Acest strat protector este amenințat de poluare, în special de emisiile de gaze CFC ( clorofluorocarbon ), care cresc în atmosfera superioară și catalizează distrugerea ozonului de acolo prin transformarea acestuia în dioxigen, fiind astfel la originea găurii din stratul de ozon.
Ca instrument de măsurare, putem nota instrumentul GOMOS al satelitului ENVISAT .
Dincolo de un anumit prag în atmosfera inferioară, ozonul este unul dintre cei mai periculoși poluanți atmosferici pentru sănătate.
Cauze naturale:
Cauze umane:
Această poluare în ansamblu are un impact foarte semnificativ în agricultură (atacul cuticulelor frunzelor ) cu pierderea productivității și asupra sănătății umane. Într-adevăr, ozonul irită și atacă membranele mucoase oculare și bronhiile și bronhiolele , în special la populațiile cele mai sensibile. În 2010, un studiu american a confirmat că ozonul, chiar și la doze mici, a fost direct asociat cu apariția atacurilor de astm la copii. Creșterile de poluare induc o creștere a numărului și severității atacurilor de astm. Aceste vârfuri sunt, de asemenea, asociate cu un exces de mortalitate a persoanelor cu probleme respiratorii ( în special în timpul valurilor de căldură , dar și în timpul iernii, pe timp însorit). Prevalenta astmului precum mortalitatea prin astm a crescut de la 1980 la 2000, în același timp , ca nivelurile de ozon a crescut , în apropierea autostrăzilor, în zonele mari industrializate și urbanizate și cu mult sub ele. Vânt, în mediul rural și peste ocean: precursorii de ozon și ozon troposferic produși în Canada sunt exportați de vânt în centrul Atlanticului de Nord. Aceste cantități le depășesc cu mult pe cele care provin din stratosferă (principala sursă naturală de ozon). Nivelurile de ozon pot crește, de asemenea, brusc în emisiunea bogată în pană de oxizi de azot de la centralele electrice . În emisfera nordică cel puțin, poluarea antropogenă cu ozon are un efect care depășește scara continentelor.
Copiii din populațiile urbane sărace sunt adesea mai vulnerabili. În 1994, în Atlanta , un studiu epidemiologic a arătat că în zilele în care nivelurile de ozon au atins sau au depășit 0,11 ppm în aer și până în ziua următoare vârfului de poluare, numărul mediu de spitalizări pentru astm sau dificultăți de respirație reactivă a fost cu 37% mai mare decât în celelalte zile. În plus, acest studiu a mai arătat că copiii negri din familii sărace au fost cei mai afectați.
Din toate aceste motive, Association Health Environnement France (ASEF), care reunește aproape 2.500 de medici în Franța, a solicitat gestionarea politică a problemei.
Ozonul a făcut obiectul modelelor și previziunilor disponibile încă din anii '90.
Un aparat de laborator utilizat în mod obișnuit pentru demonstrarea producției de ozon a fost Mașina Electrostatică Whimshurst : a folosit manivela a două platouri identice izolate, dar rotind în direcția opusă. Periile colectează electricitatea statică produsă prin frecare, descarcă plăcile producând un arc electric în jurul căruia apare ozonul (apoi difuzat în aer).
Ozonul poate fi produs prin electroliză folosind o baterie de 9 V , un catod de grafit , un anod de platină și acid sulfuric ca electrolit . Semicreacțiile care au loc sunt:
3H 2 O→ O 3 + 6H + + 6e - Δ E o = −1,53 V 6H + + 6 - → 3H 2 Δ E o = 0 V 2H 2 O→ O 2+ 4H + + 4e - Δ E o = −1,23 VTrei echivalenți de apă sunt folosiți pentru a produce un echivalent de ozon. Această reacție concurează cu cea a formării oxigenului.
Producția industrială de ozon este permisă de mai multe tehnici:
Ozonul se degradează foarte repede (vezi descompunerea ozonului), dar este totuși esențial să poți distruge ozonul rezidual atunci când această moleculă este utilizată în industrie cu scopul evident de a proteja personalul. Ozonul poate fi descompus în oxigen în diferite moduri:
De asemenea, ozonul rezidual poate fi eliberat în atmosferă după diluarea într-un volum mare de aer, operație efectuată de ventilatoare puternice.
Injectarea ozonului în apă este destul de complicată, deoarece ozonul este foarte puțin solubil în apă.
Difuzoarele numite difuzoare poroase al căror element poros este realizat din sticlă de cuarț permit o eficiență maximă de 20%. Principiul difuzoarelor poroase este difuzarea bulelor de ozon gazos cu o dimensiune variabilă între 0,5 și 2 mm în apa de tratat. Aceste sisteme sunt ideale pentru tratarea unor cantități mici de apă.
Comutatoarele cu membrană permit obținerea unei concentrații mari de ozon dizolvat în apă. Membrana permite tratarea schimburilor dintre ozonul gazos și apa. Principiul contactorului respectă legea lui Henry prin scăderea presiunii ozonului gazos în contact cu apa (care curge transversal) pentru a crea o forță conductivă care să permită injectarea ozonului în apă.
Un injector venturi este cel mai des folosit pentru a obține o concentrație maximă de ozon dizolvat în apă, de fapt, un injector venturi permite o eficiență de aproximativ 90%. Principiul venturi este o aplicație a ecuației Bernoulli care exprimă echilibrul hidraulic al unui fluid într-o țeavă în stare de echilibru:
sau este presiunea într-un punct (în Pa sau N / m²); este densitatea la un punct (în kg / m³); este viteza fluidului într-un punct (în m / s); este accelerația gravitației (în N / kg sau m / s²); este altitudinea (în m).Cu toate acestea, la debit constant: q (debit în m³ / s) = S 1 v 1 = S 2 v 2 = constant, cu S: suprafață într-un punct (m²) și v : viteza fluidului într-un punct (m / s). Acest lucru arată că, dacă zona scade, așa cum este cazul injectorului venturi, viteza crește.
Luând din nou ecuația simplificată a lui Bernoulli : dacă viteza crește, atunci presiunea scade. Prin urmare, există o depresiune în zona contractată a venturiului (unde este conectată conducta de ozon gazos) care permite ozonarea aspirației ozonului gazos din apă.
Ozonul este un puternic oxidant și dezinfectant. Are anumite avantaje față de alți oxidanți utilizați în mod obișnuit în industrie, în special clorul .
În general, dezavantajele sunt:
Pentru dezinfecția apei potabile, ozonul are avantaje față de clor : nu rămâne prezent în apă și, prin urmare, nu își modifică gustul și nu provoacă apariția compușilor organoclorurați , care pot fi cancerigeni .
Cu toate acestea, ozonul nu inactivează toate microorganismele prezente în apă (cum ar fi paraziții Cryptosporidium , Giardia și Toxoplasma gondii ), chiar dacă are o anumită eficacitate împotriva Cryptosporidium și Giardia .
Ozonul este utilizat în tratarea apei pentru mai multe funcții:
Ozonul a devenit un punct de referință de calitate pentru apa potabilă în multe orașe din întreaga lume:
Ozonul este utilizat în tratare a apelor uzate procese , în special pentru a face așa-numita „hard“ oxigen chimic cerere (COD) digerabil de bacterii , pentru tratamentul de culoare, și pentru dezinfectarea apei. La ieșirea din stațiile de epurare (așa-numitul terțiară tratament ). Aceste aplicații necesită stăpânirea mai multor tehnici: ozonizare, dar și bioreactoare . Uneori, performanța ozonului poate fi îmbunătățită prin combinarea ozonării cu tratament cu doze mari de iradiere UV . Acestea sunt apoi denumite procese avansate de oxidare .
Ozonul este utilizat ca antiseptic și bactericid în tratamentul rănilor.
Proprietățile oxidante și dezinfectante ale ozonului sunt încă utilizate în diverse situații.
Aceasta este cea mai ușoară și mai ieftină metodă. Proba de apă care urmează să fie analizată trece într-un tub care conține un reactiv de ozon ( reactiv DPD sau dipropil-p-fenilendiamină numit și reactiv indigo ), concentrația este citită folosind un disc colorimetric sau un spectrofotometru . Problema cu această tehnică este lipsa de precizie. În plus, această metodă necesită personal cu pregătire de laborator.
Sondele electrochimice conțin un electrolit care este separat de apă printr-o membrană selectivă. Un curent electric este apoi măsurat între acești doi electrozi așezați de ambele părți ale membranei. Concentrația de ozon din apă va face ca acest curent electric să varieze.
Acești analizatori folosesc legea Beer-Lambert . O lungime cunoscută de apă este traversată de o rază ultravioletă . Absorbția UV a probei este măsurată și un calcul simplu dă concentrația de ozon din apă.
Analizator folosind legea lui HenryO coloană de degazare extrage ozonul din apă. Concentrația de ozon este apoi măsurată în aer, ulterior concentrația de ozon din apă este dedusă folosind legea lui Henry . Marele avantaj al acestor analizoare este posibila utilizare pe apă netratată.
Este o metodă relativ puțin utilizată, deoarece se bazează pe faptul că ozonul, fiind un oxidant puternic, va varia potențialul redox al apei. Acest lucru este adevărat, dar atunci calitatea apei va trebui să rămână perfect constantă. În caz contrar, există riscul ca măsurătorile potențiale redox să fie incorecte. În plus, această metodă necesită o precalibrare utilizând o altă metodă (de exemplu colorimetrică) pentru a putea fi utilizată în practică.
Aceasta este cea mai ușoară și mai ieftină metodă. Proba de aer care urmează să fie analizată trece într-un tub care conține un reactiv de ozon ( reactiv DPD sau dipropil-p-fenilendiamină), concentrația este citită folosind o scară colorimetrică. Problema cu această tehnică este lipsa de precizie.
Aceste dispozitive utilizează un material semiconductor ale cărui caracteristici electrice variază în funcție de concentrația de ozon din aer.
Analizoarele de ozon (sau ozometrul de ozon gazos) calculează concentrația de ozon din aer utilizând legea Beer-Lambert care determină concentrația de ozon pe baza absorbției radiațiilor UV . Aceste dispozitive, extrem de scumpe în comparație cu alte sisteme, au multe avantaje precum precizie ridicată, fără interferențe cu alte elemente, răspuns foarte rapid și nu sunt de așteptat consumabile. De asemenea, trebuie remarcat faptul că, având în vedere toxicitatea ozonului gazos, majoritatea generatoarelor de ozon sunt cuplate la un analizor de ozon gazos care oprește producția de ozon atunci când valoarea pragului de ozon în temperatura ambiantă a aerului (de obicei, 0,3 ppm ) este depășită.
Modificările concentrației stratului de ozon stratosferic sunt măsurate prin spectroscopie .