Количественный состав озона. Такой разный озон: пять фактов о газе, который может спасать и убивать

Фраза «озоновый слой», ставшая известной в 70-е гг. прошлого века, давно уже набила оскомину. При этом мало кто действительно понимает, что означает это понятие и чем опасно разрушение озонового слоя. Еще большей загадкой для многих является строение молекулы озона, а ведь она напрямую связана с проблемами озонового слоя. Давайте узнаем больше об озоне, его строении и применении этого вещества в промышленности.

Что такое озон

Озон, или, как его еще называют, активный кислород, - это газ лазурного цвета с резким металлическим запахом.

Данное вещество может существовать во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, твердом и жидком.

При этом в природе озон встречается только в виде газа, образуя так называемый озоновый слой. Именно из-за его лазурного цвета небо кажется голубым.

Как выглядит молекула озона

Свое прозвище «активный кислород» озон получил из-за своего сходства с кислородом. Так главным действующим химическим элементом в этих веществах является оксиген (О). Однако если в молекуле кислорода содержится 2 его атома, то молекула - О 3) состоит из 3 атомов этого элемента.

Благодаря такому строению, свойства озона подобны кислородным, однако более выражены. В частности, как и О 2 , О 3 является сильнейшим окислителем.

Самое главное отличие между этими «родственными» веществами, которое помнить жизненно важно для каждого, следующее: озоном нельзя дышать, он токсичен и при вдыхании способен повредить легкие или даже убить человека. При этом О 3 прекрасно подходит для очистки воздуха от токсичных примесей. Кстати, именно из-за этого после дождя так легко дышится: озон окисляет вредные вещества, содержащиеся в воздухе, и он очищается.

Модель молекулы озона (состоящая из 3 атомов оксигена) немного напоминает изображение угла, причем его размер - 117°. Эта молекула не имеет неспаренных электронов, поэтому является диамагнитной. Помимо этого, она обладает полярностью, хотя и состоит из атомов одного элемента.

Два атома данной молекулы прочно скреплены между собой. А вот связь с третьим менее надежна. По этой причине молекула озона (фото модели можно увидеть ниже) весьма непрочна и вскоре после образования распадается. Как правило, при любой реакции распада О 3 выделяется кислород.

Из-за нестабильности озона его не получается заготавливать и хранить, а также перевозить, как другие вещества. По этой причине его производство более затратно, чем других веществ.

При этом высокая активность молекул О 3 позволяет этому веществу быть сильнейшим окислителем, более мощным, чем кислород, и более безопасным, чем хлор.

Если молекула озона разрушается и выделяется О 2 , данная реакция всегда сопровождается выделением энергии. В то же время, чтобы произошел обратный процесс (образование О 3 из О 2), необходимо затратить ее не меньше.

В газообразном состоянии молекула озона распадается при температуре 70° С. Если ее повысить до 100 градусов и более, реакция значительно ускорится. Также ускоряет период распада молекул озона наличие примесей.

Свойства О3

В каком бы из трех состояний ни пребывал озон, он сохраняет синий цвет. Чем тверже вещество, тем насыщеннее и темнее этот оттенок.

Каждая молекула озона весит 48 г/моль. Она является более тяжелой, чем воздух, что помогает разделять эти вещества между собою.

О 3 способен окислять практически все металлы и неметаллы (кроме золота, иридия и платины).

Также это вещество может участвовать в реакции горения, однако для этого нужна более высокая температура, чем для О 2 .

Озон способен растворяться в Н 2 О и фреонах. В жидком состоянии он может смешиваться с жидким кислородом, азотом, метаном, аргоном, тетрахлоруглеродом и углекислотой.

Как образуется молекула озона

Молекулы О 3 образуются с помощью прикрепления к молекулам кислорода свободных атомов оксигена. Они, в свою очередь, появляются благодаря расщеплению других молекул О 2 из-за воздействия на них электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, быстрых электронов и других частиц высокой энергии. По этой причине специфический запах озона можно почувствовать возле искрящих электрических приборов или ламп, излучающих ультрафиолет.

В промышленных масштабах О 3 выделяют с помощью электрических или озонаторов. В этих приборах электрический ток высокого напряжения пропускается через газовый поток, в котором находится О 2 , атомы которого и служат «строительным материалом» для озона.

Иногда в эти аппараты запускают чистый кислород или обычный воздух. От чистоты исходного продукта зависит качество получаемого озона. Так, медицинский О 3 , предназначенный для обработки ран, добывают только из химически чистого О 2 .

История открытия озона

Разобравшись с тем, как выглядит молекула озона и как она образуется, стоит познакомиться с историей этого вещества.

Впервые оно было синтезировано нидерландским исследователем Мартином Ван Марумом во второй половине XVIII в. Ученый заметил, что после пропускания электрических искр через емкость с воздухом газ в ней менял свои свойства. При этом Ван Марум так и не понял, что выделил молекулы нового вещества.

А вот его немецкий коллега по фамилии Шейнбейн, пытаясь с помощью электричества разложить Н 2 О на Н и О 2 , обратил внимание на выделение нового газа с едким запахом. Проведя массу исследований, ученый описал открытое им вещество и дал ему имя «озон» в честь греческого слова «пахнуть».

Способность убивать грибки и бактерии, а также понижать токсичность вредных соединений, которой обладало открытое вещество, заинтересовала многих ученых. Через 17 лет после официального открытия О 3 Вернером фон Сименсом был сконструирован первый аппарат, позволяющий синтезировать озон в любом количестве. А еще через 39 лет гениальный Никола Тесла изобрел и запатентовал первый в мире генератор озона.

Именно этот аппарат уже через 2 года впервые был использован во Франции на очистительных сооружениях для питьевой воды. С началом XX в. Европа начинает переходить на озонирование питьевой воды для ее очистки.

Российская империя впервые использовала эту методику в 1911 г., а через 5 лет в стране было оборудовано почти 4 десятка установок для очистки питьевой воды с помощью озона.

Сегодня озонирование воды постепенно вытесняет хлорирование. Так, 95% всей питьевой воды в Европе очищается с помощью О 3 . Также весьма популярна данная методика и в США. В СНГ она пока еще на стадии изучения, поскольку, хотя данная процедура и более безопасна и удобна, обходится она дороже, чем хлорирование.

Сферы применения озона

Помимо очистки воды, О 3 имеет ряд других сфер применения.

• Озон используется в качестве отбеливателя при производстве бумаги и ткани.
• Активный кислород применяется для дезинфекции вин, а также для ускорения процесса «старения» коньяков.
• С помощью О 3 рафинируются различные растительные масла.
• Очень часто это вещество применяют для обработки скоропортящихся продуктов, вроде мяса, яиц, фруктов и овощей. При этой процедуре не остается химических следов, как при использовании хлора или формальдегидов, а продукты могут храниться значительно дольше.
• Озоном стерилизуют медицинское оборудование и одежду.
• Также очищенный О 3 применяют для различных медицинских и косметических процедур. В частности, с его помощью в стоматологии дезинфицируют ротовую полость и десны, а также лечат различные заболевания (стоматит, герпес, оральный кандидоз). В европейских странах О 3 весьма популярен для дезинфекции ран.
• В последние годы огромную популярность приобретают портативные домашние приборы для фильтрации воздуха и воды с помощью озона.

Озоновый слой - что это?

На расстоянии 15-35 км над поверхностью Земли находится озоновый слой, или, как его еще называют, озоносфера. В этом месте концентрированный О 3 служит своеобразным фильтром для вредного солнечного излучения.

Откуда берется такое количество вещества, если его молекулы нестабильны? Ответить на этот вопрос не сложно, если вспомнить модель молекулы озона и способ ее образования. Итак, кислород, состоящий из 2 молекул оксигена, попадая в стратосферу, нагревается там солнечными лучами. Этой энергии оказывается достаточно, чтобы расщепить О 2 на атомы, из которых образуется О 3 . При этом озоновый слой не только использует часть солнечной энергии, но и фильтрует ее, поглощает опасный ультрафиолет.

Выше было сказано, что озон растворяется фреонами. Эти газообразные вещества (применяются при изготовлении дезодорантов, огнетушителей и холодильников), попав в атмосферу, влияют на озон и способствуют его разложению. Вследствие этого в озоносфере возникают дыры, сквозь которые на планету попадают нефильтрированые солнечные лучи, которые разрушительно действуют на живые организмы.

Рассмотрев особенности и строение молекул озона, можно прийти к выводу, что это вещество, хотя и опасно, но весьма полезно для человечества, если его правильно использовать.

Озон (Оз) - бесцветный газ, обладающий раздражающим острым запахом. Молекулярная масса 48 г/моль, плотность относительно воздуха 1,657 кг/м. Концентрация озона в воздухе у порога обоняния достигает 1 мг/м. В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м (в 5 раз ниже предельно допустимой для человека концентрации), озон придает воздуху характерный запах свежести и чистоты. Так, например, после грозы едва уловимый запах озона неизменно ассоциируется с чистым воздухом.

Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: 0 2 . При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия: создаются во время грозы при разрядах атмосферного электричества и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли). Однако атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы .

Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу 0 3 (d = 1.28 A, q = 11.6.5°).

Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.

Озон широко распространен в природе. Он всегда образуется в воздухе во время грозы за счет атмосферного электричества, а также под воздействием коротковолновых излучений и потоков быстрых частиц при естественном распаде радиоактивных веществ в ядерных реакциях, космических излучениях и т. п. Образование озона происходит также при испарении воды с больших поверхностей, особенно таянии снега, окислении смолистых веществ, фотохимическом окислении ненасыщенных углеводородов и спиртов. Повышенное образование озона в воздухе хвойных лесов и на берегу моря объясняется окислением древесной смолы и морских водорослей. Так называемая озоносфера, образующаяся в верхних слоях атмосферы, представляет собой защитный слой земной биосферы вследствие того, что озон интенсивно поглощает биологически активное УФ излучение солнца (с длиной волны менее 290 нм).

В приземной слой атмосферы озон заносится из нижней стратосферы. Концентрация озона в атмосфере колеблется в пределах 0,08-0,12 мг/м. Од­нако перед созреванием кучевых облаков возрастает ионизация атмосферы, в результате которой значительно увеличивается образование озона, концентрация его в воздухе может превышать 1,3 мг/м .

Озон - высокоактивная, аллотропная форма кислорода. Образование озона из кислорода выражают уравнением

3О2= 20 3 - 285 кДж/моль, (1)

из которого следует, что стандартная энтальпия образования озона положи­тельна и равна 142,5 кДж/моль. Кроме того, как показывают коэффициенты уравнения, в ходе этой реакции из трех молекул газа получаются две молекулы, т. е. энтропия системы уменьшается. В итоге стандартное отклонение энергии Гиббса в рассматриваемой реакции также положительно (163 кДж/моль). Таким образом, реакция превращения кислорода в озон самопроизвольно протекать не может, для ее осуществления необходима затрата энергии. Обратная же реакция - распад озона протекает самопроизвольно, так как в ходе этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается. Иначе говоря, озон - неустойчивое вещество, быстро рекомбинируется, превращаясь в молекулярный кислород:

20з = 302 + 285 кДж/моль. (2)

Скорость реакции зависит от температуры, давления смеси и концентрации озона в ней. При нормальной температуре и давлении реакция протекает медленно, при повышенной температуре распад озона ускоряется. При небольших концентрациях (без посторонних примесей) в нормальных условиях озон разлагается довольно медленно. С повышением температуры до 100°С и более скорость разложения значительно возрастает. Механизм распада озона, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, довольно сложен и зависит от внешних условий.

Основные физические свойства озона представлены в таблице 1.

Знание физических свойств озона необходимо для правильного его использования в технологических процессах в невзрывоопасных концентрациях, проведения синтеза и разложения озона в оптимальных безопасных режимах, оценки его активности в различных средах.

Свойства озона характеризуются его активностью к излучениям различного спектрального состава. Озон интенсивно поглощает микроволновые, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения .

Озон химически агрессивен и легко вступает в химические реакции. Реагируя с органическими веществами, он вызывает разнообразные окисли­тельные реакции при сравнительно низкой температуре. На этом, в частности, основано бактерицидное действие озона, который применяется для обеззараживания воды. Окислительные процессы, инициируемые озоном, часто являются цепными.

Химическая активность озона обусловлена в большей мере тем, что диссоциация молекулы

0 3 ->0 2 + О (3)

требует затраты энергии немногим более 1 эВ. Озон легко отдает атом кисло­рода, обладающий высокой активностью. В некоторых случаях молекула озона может целиком присоединиться к органическим молекулам, образуя неустой­чивые соединения, которые легко распадаются под действием температуры или света с образованием различных кислородсодержащих соединений.

Реакциям озона с органическими веществами посвящено большое ко­личество исследований, в которых показано, что озон способствует вовлечению кислорода в окислительные процессы, что некоторые реакции окисления при обработке реагентов озонированным кислородом начинаются при более низких температурах.

Озон активно вступает в реакции с ароматическими соединениями, реакция при этом может идти как с разрушением, так и без разрушения ароматического ядра.

В реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс М + Оˉ Н + О3ˉ с последующей ре­акцией с озоном, образуются озониды. Ион Оˉ 3 может образовываться и в реакциях с органическими соединениями .

Для промышленных целей озон получают обработкой атмосферного воздуха или кислорода в специальных аппаратах - озонаторах. Разработаны конструкции озонаторов, работающих на повышенной частоте тока (500-2000 Гц), и озонаторы с каскадным разрядом, не требующие предварительной подготовки воздуха (очистки, осушки) и охлаждения электродов. Энергетический выход озона в них достигает 20-40 г/кВт-ч.

Преимущество озона по сравнению с другими окислителями состоит в том, что озон может быть получен на месте потребления из кислорода воздуха, для чего не требуется подвозки реагентов, сырья и т. д. Получение озона не сопровождается выделением кумулирующихся вредных веществ. Озон легко нейтрализовать. Стоимость озона сравнительно невелика.

Из всех известных окислителей только кислород и ограниченный круг перекисных соединений принимает участие в естественных биопроцессах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Озон является аллотропной модификацией кислорода. В обычном состоянии он представляет собой светло-синий газ, в жидком - темно-голубой, а в твердом - темно-фиолетовый (до черного).

Может оставаться в состоянии переохлажденной жидкости до температуры (-250 o C). плохо растворяется в воде, лучше в тетрахлориде углерода и различных фторхлоруглеродах. Очень сильный окислитель.

Химическая формула озона

Химическая формула озона - O 3 . Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится три атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу озона:

Mr(O 3) = 3×Ar(O) = 3×16 = 48

Структурная (графическая) формула озона

Более наглядной является структурная (графическая) формула озона . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы (рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы озона.

Электронная формула , показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

16 O 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Она также показывает, что кислород, из которого состоит озон, относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 6 электронов (3s 2 3p 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Массовая доля водорода в его соединении с кремнием равна 12,5%. Выведите эмпирическую формулу соединения и рассчитайте его молярную массу.
Решение	Вычислим массовую долю кремния в соединении: ω (Si) = 100% — ω(H) = 100% — 12,5% = 87,5% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (кремний) и «у» (водород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(Si)/Ar(Si) : ω(H)/Ar(H); x:y= 87,5/28: 12,5/1; x:y= 3,125: 12,5 = 1: 4 Значит формула соединения кремния с водородом будет иметь вид SiH 4 . Это гидрид кремния.
Ответ	SiH 4

ПРИМЕР 2

Задание	В соединении калия, хлора и кислорода массовые доли элементов соответственно равны 31,8%, 29%, 39,2%. Установите простейшую формулу соединения.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (калий), «у» (хлор) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(K)/Ar(K) : ω(Cl)/Ar(Cl) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 31,8/39: 29/35,5: 39,2/16; x:y:z= 0,82: 0,82: 2,45 = 1: 1: 3 Значит формула соединения калия, хлора и кислорода будет иметь вид KClO 3 . Это бертолетова соль.
Ответ	KClO 3

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 (О 3) — аллотропная модификация кислорода, его молекула состоит из трех атомов кислорода и может существовать во всех трех агрегатных состояниях. Молекула озона имеет угловую структуру в форме равнобедренного треугольника с вершиной 127 o . Однако замкнутого треугольника не образуется, а молекула имеет строение цепи из 3-х атомов кислорода с расстоянием между ними 0,224 нм. В соответствии с этой молекулярной структурой дипольный момент составляет 0,55 дебай. В электронной структуре молекулы озона имеются 18 электронов, которые образуют мезомерностабильную систему, существующую в различных пограничных состояниях. Пограничные ионные структуры отражают дипольный характер молекулы озона и объясняют его специфическое реакционное поведение в сравнении с кислородом, который образует радикал с двумя неспаренными электронами. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Химическая формула этого газа– O 3 Реакция образования озона: 3O 2 + 68 ккал/моль (285 кДж/моль) ⇄ 2O 3 Молекулярная масса озона – 48 При комнатной температуре озон — это бесцветный газ с характерным запахом. Запах озона чувствуется при концентрации 10 -7 М. В жидком состоянии озон — это темно-синий цвет с температурой плавления -192,50 С. Твердый озон представляет собой кристаллы черного цвета с температурой кипения -111,9 гр.С. При температуре 0 гр. и 1 атм. = 101,3 кПа плотность озона составляет 2,143 г/л. В газообразном состоянии озон диамагнитен и выталкивается из магнитного поля, в жидком -слабопарамагнитен, т.е. обладает собственным магнитным полем и втягивается в магнитное поле.

Химические свойства озона

Молекула озона неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно превращается в двухатомный кислород с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость разложения озона. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение. Химическая активность озона очень велика, это мощный окислитель. Он окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) и многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород. Озон растворяется в воде лучше, чем кислород, образуя нестойкие растворы, причём скорость его разложения в растворе в 5 -8 раз выше, чем в газовой фазе, чем в газовой фазе (Разумовский С.Д., 1990). Это обусловлено, по-видимому, не спецификой конденсированной фазы, а его реакциями с примесями и ионом гидроксила, поскольку скорость распада очень чувствительна к содержанию примесей и рН. Растворимость озона в растворах хлорида натрия подчиняется закону Генри. С увеличением концентрации NaCl в водном растворе растворимость озона уменьшается (Тарунина В.Н. и соавт.,1983). Озон имеет очень высокое сродство к электрону (1,9 эВ), что и обуславливает его свойства сильного окислителя, превосходимого только фтором (Разумовский С.Д., 1990).

Биологические свойства озона и его влияние на организм человека

Высокая окисляющая способность и то, что во многих химических реакциях, протекающих с участием озона, образуются свободные радикалы кислорода, делают этот газ крайне опасным для человека. Как газообразный озон влияет на человека:

• Раздражает и повреждает ткани органов дыхания;
• Воздействует на холестерин в крови человека, образуя нерастворимые формы, что приводит к атеросклерозу;
• Долгое нахождение в среде с повышенной концентрацией озона может стать причиной мужского бесплодия.

В Российской Федерации озон отнесён к первому, самому высокому классу опасности вредных веществ. Нормативы по озону:

• Максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м 3
• Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) – 0,03 мг/м 3
• Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м 3 (при этом, порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м 3).

Высокую токсичность озона, а именно – его способность эффективно убивать плесень и бактерии, используют для дезинфекции. Применение озона вместо средств дезинфекции на основе хлора позволяет существенно сократить загрязнение окружающей среды хлором, опасным, в числе прочего, и для стратосферного озона. Стратосферный озон играет роль защитного экрана для всего живого на земле, препятствуя проникновению к поверхности Землю жесткого ультрафиолетового излучения.

Вредные и полезные свойства озона

Озон присутствует в двух слоях атмосферы. Тропосферный или приземный озон, находящийся в ближайшем к поверхности Земли слое атмосферы-в тропосфере – опасен. Он вреден и для человека, и для других живых организмов. Он губительно воздействует на деревья, посевы сельскохозяйственных культур. Кроме того, тропосферный озон-один из главных „ингредиентов“ городского смога. В тоже время стратосферный озон очень полезен. Разрушение образованного им озонового слоя (озонового экрана) приводит к тому, что поток ультрафиолетового излучения на земную поверхность увеличивается. Из-за этого возрастает количество заболеваний раком кожи (в том числе наиболее опасного его вида-меланомы), случаев катаракты. Воздействие жесткого ультрафиолета ослабляет иммунитет. Избыточное УФ-излучение может также стать проблемой для сельского хозяйства, так как посевы некоторых культур чрезвычайно чувствительны к ультрафиолету. В то же время следует помнить, что озон – ядовитый газ, и на уровне земной поверхности он является вредоносным загрязнителем. Летом из-за интенсивного солнечного излучения и жары в воздухе образуется особенно много вредоносного озона.

Взаимодействие озона и кислорода друг с другом. Сходства и различия.

Озон – аллотропная форма кислорода. Аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ. В данном случае и озон (O3) и кислород (O 2) образованы химическим элементом О. Получение озона из кислорода Как правило, исходным веществом для получения озона выступает молекулярный кислород (O 2), а сам процесс описывается уравнением 3O 2 → 2O 3 . Эта реакция эндотермична и легко обратима. Для смещения равновесия в сторону целевого продукта (озона) применяются определенные меры. Один из способов получения озона – использование дугового разряда. Термическая диссоциация молекул резко возрастает с ростом температуры. Так, при Т=3000К - содержание атомарного кислорода составляет ~10 %. Температуру в несколько тысяч градусов можно получить при помощи дугового разряда. Однако при высокой температуре озон разлагается быстрее молекулярного кислорода. Чтобы предотвратить это, можно сместить равновесие, сначала нагрев газ, а затем резко его охладив. Озон в данном случае-промежуточный продукт при переходе смеси O 2 +O к молекулярному кислороду. Максимальная концентрация O 3 , которую можно получить при таком способе производства, достигает 1 %. Этого достаточно для большинства промышленных целей. Окислительные свойства озона Озон - мощный окислитель, намного более реакционноспособный по сравнению с двухатомным кислородом. Окисляет почти все металлы и многие неметаллы с образованием кислорода: 2 Cu 2+ (aq) + 2 H 3 O + (aq) + O 3(g) → 2 Cu 3+ (aq) + 3 H 2 O (1) + O 2(g) Озон может участвовать в реакциях горения, температура горения при этом выше, чем при горении в атмосфере двухатомного кислорода: 3 C 4 N 2 + 4 O 3 → 12 CO + 3 N 2 Стандартный потенциал озона равен 2.07 В, поэтому молекула озона неустойчива и самопроизвольно превращается в кислород с выделением тепла. При небольших концентрациях озон разлагается медленно, при высоких — со взрывом, т.к. его молекула обладает избыточной энергией. Нагревание и контакт озона с ничтожными количествами органических веществ (гидроокиси, перекиси, металлы переменной валентности, их окислы) резко ускоряет превращение. Напротив, присутствие небольших количеств азотной кислоты стабилизирует озон, а в сосудах из стекла и некоторых пластмасс или чистых металлов озон при -78 0 C. практически разлагается. Сродство озона к электрону равняется 2 эв. Таким сильным сродством обладает только фтор и его окислы. Озон окисляет все металлы (за исключением золота и платиновых), а также большинство других элементов. Хлор участвует в реакциях с озоном с образованием гипохлора ОCL. Реакции озона с атомарным водородом являются источником образования гидроксильных радикалов. Озон имеет максимум поглощения в УФ-области при длине волны 253,7 нм с молярным коэффициентом экстинции: E = 2,900 На основании этого УФ-фотометрическое определение концентрации озона вместе с йодо-метрическим титрованием принято за международные стандарты. Кислород, в отличие от озона, в реакцию с KI не вступает.

Растворимость озона и его стабильность в водных растворах

Скорость разложения озона в растворе в 5-8 раз выше, чем в газовой фазе. Растворимость озона в воде в 10 раз выше, чем кислорода. По данным разных авторов величина коэффициента растворимости озона в воде колеблется от 0,49 до 0,64 мл озона/ мл воды. В идеальных термодинамических условиях равновесие подчиняется закону Генри, т.е. концентрация насыщенного раствора газа пропорциональна его парциальному давлению. C S = B × d × Рi где: С S — концентрация насыщенного раствора в воде; d — масса озона; Pi — парциальное давление озона; B — коэффициент растворения; Выполнение закона Генри для озона как метастабильного газа условно. Распад озона в газовой фазе зависит от парциального давления. В водной среде имеют место процессы, выходящие за область действия закона Генри. Вместо него в идеальных условиях действует закон Gibs-Dukem-Margulesdu. В практике принято выражать растворимость озона в воде через соотношение концентрации озона в жидкой среде к концентрации озона в газовой фазе: Насыщение озоном зависит от температуры и качества воды, поскольку органические и неорганические примеси изменяют рН среды. При одинаковых условиях в водопроводной воде концентрация озона составляет 13 mg/l, в бидистиллированной воде — 20mg/l. Причиной этого является значительный распад озона из-за различных ионных примесей в питьевой воде.

Распад озона и период полураспада (т 1/2)

В водной среде распад озона сильно зависит от качества воды, температуры и рН среды. Повышение рН среды ускоряет распад озона и снижает при этом концентрацию озона в воде. Аналогичные процессы происходят при повышении температуры. Период полураспада озона в бидистиллированной воде составляет 10 часов, в деминерализованной воде — 80 минут; в дистиллированной воде — 120 минут. Известно, что разложение озона в воде является сложным процессом реакций радикальных цепей: Максимальное количество озона в водном образце наблюдается в течение 8-15 минут. Через 1 час в растворе отмечаются только свободные радикалы кислорода. Среди них важнейшим является гидроксильный радикал (ОН’) (Staehelin G., 1985), и это необходимо принимать во внимание при использовании озонированной воды в терапевтических целях. Поскольку в клинической практике находят применение озонированная вода и озонированный физиологический раствор, нами проведена оценка этих озонированных жидкостей в зависимости от концентраций, используемых в отечественной медицине. Основными методами анализа явились йодометрическое титрование и интенсивность хемилюминесценции с использованием прибора биохемилюминометра БХЛ-06 (производство Нижний Новгород) (Конторщикова К. Н., Перетягин С. П., Иванова И. П. 1995). Явление хемилюминесценции связано с реакциями рекомбинации свободных радикалов, образующихся при разложении озона в воде. При обработке 500 мл би- или дистиллированной воды барботированием озоно-кислородной газовой смесью с концентрацией озона в пределах 1000-1500 мкг/л и скоростью потока газа 1 л/мин в течение 20 минут хемилюминесценция выявляется в течение 160 минут. Причем в бидистиллированной воде интенсивность свечения существенно выше, чем в дистиллированной, что объясняется наличием примесей, гасящих свечение. Растворимость озона в растворах NaCl подчиняется закону Генри, т.е. уменьшается с увеличением концентрации солей. Физиологический раствор обрабатывали озоном с концентрацией 400, 800 и 1000 мкг/л в течение 15 минут. Общая интенсивность свечения (в mv) увеличивалась с ростом концентрации озона. Продолжительность свечения составляет 20 минут. Это объясняется более быстрой рекомбинацией свободных радикалов и отсюда гашением свечения за счет наличия в физиологическом растворе примесей. Несмотря на высокий окислительный потенциал, озон обладает высокой селективностью, которая обусловлена полярным строением молекулы. Мгновенно реагируют с озоном соединения, содержащие свободные двойные связи (-С=С-). В результате чувствительными к действию озона являются ненасыщенные жирные кислоты, ароматические аминокислоты и пептиды, прежде всего содержащие SH- группы. Согласно данным Криге (1953) (цит. По Vieban R. 1994), первичным продуктом взаимодействия молекулы озона с биоорганическими субстратами является 1-3 диполярная молекула. Эта реакция является основной при взаимодействии озона с органическими субстратами при рН < 7,4. Озонолиз проходит в доли секунды. В растворах скорость этой реакции равна 105 г/моль·с. В первом акте реакции образуется пи-комплекс олефинов с озоном. Он относительно стабилен при температуре 140 0 С и затем превращается в первичный озонид (молозонид) 1,2,3-триоксалан. Другое возможное направление реакции — образование эпоксидных соединений. Первичный озонид нестабилен и распадается с образованием карбоксильного соединения и карбонилоксида. В результате взаимодействия карбонилоксида с карбонильным соединением образуется биполярный ион, который затем превращается во вторичный озонид 1,2,3 — триоксалан. Последний при восстановлении распадается с образованием смеси 2-х карбонильных соединений, с дальнейшим образованием пероксида (I) и озонида (II). Озонирование ароматических соединений протекает с образованием полимерных озонидов. Присоединение озона нарушает ароматическое сопряжение в ядре и требует затрат энергии, поэтому скорость озонирования гомологов коррелирует с энергией сопряжения. Озонирование насушенных углеводородов связано с механизмом внедрения. Озонирование серо- и азотосодержащих органических соединений протекает следующим образом: Озониды обычно плохо растворимы в воде, но хорошо в органических растворителях. При нагревании, действии переходных металлов распадаются на радикалы. Количество озонидов в органическом соединении определяется йодным числом. Йодное число — масса йода в граммах, присоединяющееся к 100 г органического вещества. В норме для жирных кислот йодное число составляет 100-400, для твердых жиров 35-85, для жидких жиров — 150-200. Впервые озон, как антисептическое средство был опробован A. Wolff еще в 1915 во время первой мировой войны. Последующие годы постепенно накапливалась информация об успешном применении озона при лечении различных заболеваний. Однако длительное время использовались лишь методы озонотерапии, связанные с прямыми контактами озона с наружными поверхностями и различными полостями тела. Интерес к озонотерапии усиливался по мере накопления данных о биологическом действии озона на организм и появления сообщений из различных клиник мира об успешном использовании озона при лечении целого ряда заболеваний. История медицинского применения озона начинается с XIX века. Пионерами клинического применения озона были западные ученые Америки и Европы, в частности, C. J. Kenworthy, B. Lust, I. Aberhart, Е. Payer, E. A. Fisch, Н. Н. Wolff и другие. В России о лечебном применении озона было известно мало. Только в 60-70 годы в отечественной литературе появилось несколько работ по ингаляционной озонотерапии и по применению озона в лечении некоторых кожных заболеваний, а с 80-х годов в нашей стране этот метод стал интенсивно разрабатываться и получать более широкое распространение. Основы для фундаментальных разработок технологий озонотерапии были во многом определены работами Института химической физики АМН СССР. Книга «Озон и его реакции с органическими веществами» (С. Д. Разумовский, Г. Е. Зайков, Москва, 1974 г.) явилась отправной точкой для обоснования механизмов лечебного действия озона у многих разработчиков. В мире широко действует Международная озоновая ассоциация (IOA), которая провела 20 международных конгрессов, а с 1991 года в работе этих конгрессов принимают участие и наши врачи и ученые. Совершенно по-новому сегодня рассматриваются проблемы прикладного использования озона, а именно в медицине. В терапевтическом диапазоне концентраций и доз озон проявляет свойства мощного биорегулятора, средства, способного во многом усилить методы традиционной медицины, а зачастую выступать в качестве средства монотерапии. Применение медицинского озона представляет качественно новое решение актуальных проблем лечения многих заболеваний. Технологии озонотерапии используются в хирургии, акушерстве и гинекологии, стоматологии, неврологии, при терапевтической патологии, инфекционных болезнях, дерматологии и венерических болезнях и целом ряде других заболеваний. Для озонотерапии характерна простота исполнения, высокая эффективность, хорошая переносимость, практическое отсутствие побочных действий, она экономически выгодна. Лечебные свойства озона при заболеваниях различной этиологии основаны на его уникальной способности воздействовать на организм. Озон в терапевтических дозах действует как иммуномодулирующее, противовоспалительное, бактерицидное, противовирусное, фунгицидное, цитостатическое, антистрессовое и аналгезирующее средство. Его способность активно коррегировать нарушенный кислородный гомеостаз организма открывает большие перспективы для восстановительной медицины. Широкий спектр методических возможностей позволяет с большой эффективностью использовать лечебные свойства озона для местной и системной терапии. В последние десятилетия на передний план вышли методы, связанные с парентеральным (внутривенным, внутримышечным, внутрисуставным, подкожным) введением терапевтических доз озона, лечебный эффект которых связан, в основном, с активизацией различных систем жизнедеятельности организма. Кислородно-озоновая газовая смесь при высоких (4000 — 8000 мкг/л) концентрациях в ней озона в эффективна при обработке сильно инфицированных, плохо заживающих ран, гангрене, пролежней, ожогов, грибковых поражениях кожи и т.п. Озон в высоких концентрациях можно также использовать как кровоостанавливающее средство. Низкие концентрации озона стимулируют репарацию, способствуют эпителизации и заживлению. В лечении колитов, проктитов, свищей и ряда других заболеваний кишечника используют ректальное введение кислородно-озоновой газовой смеси. Озон, растворенный в физиологическом растворе, успешно применяют при перитоните для санации брюшной полости, а озонированную дистиллированную воду в челюстной хирургии и др. Для внутривенного введения используется озон, растворенный в физиологическом растворе или в крови больного. Пионерами Европейской школы было высказано постулирующее положение о том, что главной целью озонотерапии является: «Стимуляция и реактивация кислородного метаболизма без нарушения окислительно-восстановительных систем»,- это значит, что при расчете дозировок на сеанс или курс, озонотерапевтическое воздействие должно находиться в пределах, в которых ферментативно выравниваются радикальные кислородные метаболиты или избыточно полученный пероксид» (З. Риллинг, Р. Фибан 1996 в кн. Практика озонотерапии). В зарубежной медицинской практике для парентерального введения озона используются, в основном, большая и малая аутогемотерапии. При проведении большой аутогемотерапии, взятая у пациента кровь тщательно смешивается с определенным объемом кислородно-озоновой газовой смеси, и сразу же капельно вводится обратно в вену того же пациента. При малой аутогемотерапии озонированная кровь вводится внутримышечно. Терапевтическая доза озона в этом случае выдерживается за счет фиксированных объемов газа и концентрации озона в нем.

Научные достижения отечественных учёных стали регулярно докладываться на международных конгрессах и симпозиумах

• 1991 г. – Куба, Гавана,
• 1993 г. – США Сан-Франциско,
• 1995 г. – ФранцияЛилль,
• 1997 г. – Япония, Киото,
• 1998 г. – Австрия, Зальцбург,
• 1999г. – Германия,Баден-Баден,
• 2001 г. – Англия, Лондон,
• 2005 г. – Франция,Страсбург,
• 2009 г. – Япония, Киото,
• 2010 г. — Испания, Мадрид
• 2011 г.Турция(Стамбул),Франция (Париж),Мексика(Канкун)
• 2012г. – Испания, Мадрид

Научными центрами разработок озонотерапии в России стали клиники городов Москвы и Нижнего Новгорода. Очень скоро к ним присоединились учёные из Воронежа, Смоленска, Кирова, Новгорода, Екатеринбурга, Саранска, Волгограда, Ижевска и других городов. Распространению технологий озонотерапии безусловно способствовало регулярное проведение Всероссийских научно-практических конференций с международным участием, организуемых по инициативе Ассоциации российских озонотерапевтов с 1992 года в г. Н. Новгород, собирающие специалистов со всех уголков страны.

Всероссийские научно-практические конференции с Международным участием по озонотерапии

I – «ОЗОН В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ» – 1992 г ., Н.Новгород II – «ОЗОН В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ» – 1995 г ., Н.Новгород III – «ОЗОН И МЕТОДЫ ЭФФЕРЕНТНОЙ ТЕРАПИИ» – 1998 г ., Н.Новгород IV – «ОЗОН И МЕТОДЫ ЭФФЕРЕНТНОЙ ТЕРАПИИ» – 2000 г ., Н.Новгород V – «ОЗОН В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ» – 2003 г ., Н.Новгород VI – «ОЗОН В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ» – 2005 г ., Н.Новгород «I Конференция по озонотерапии Азиатско-Европейского союза озонотерапевтов и производителей медоборудования»– 2006 г ., Большое Болдино, Нижегородская область VII – «ОЗОН В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ» – 2007 г ., Н.Новгород У111 – «Озон, активные формы кислорода и методы интенсивной терапии в медицине» — 2009, г.Н.Новгород К 2000 г. Российская школа озонотерапии окончательно сформировала свой, отличающийся от Европейского, подход к применению озона как лечебного средства. Главные отличия — широкое использование физиологического раствора в качестве носителя озона, применение значительно более низких концентраций и доз озона, разработанные технологии экстракорпоральной обработки больших объёмов крови (озонированное искусственное кровообращение), индивидуальный выбор доз и концентраций озона при системной озонотерапии. В стремлении большинства российских врачей использовать наименьшие из эффективных концентраций озона нашел отражение основной принцип медицины — «не навреди». Безопасность и эффективность Российских методик озонотерапии многократно обоснована и доказана применительно к различным областям медицины. В результате многолетних фундаментально-клинических исследований нижегородскими учёными была «Установлена неизвестная закономерность формирования адаптационных механизмов организма млекопитающих при системном воздействии низкими терапевтическими дозами озона, заключающаяся в том, что пусковым механизмом является влияние озона на про- и антиоксидантный баланс организма и обусловленная умеренной интенсификацией свободно-радикальных реакций, что, в свою очередь, увеличивает активность ферментативного и неферментативного звеньев антиоксидантной системы защиты» (Конторщикова К. Н., Перетягин С. П.), на которую авторы получили открытие (Диплом № 309 от 16 мая 2006 г.). В работах отечественных учёных нашли развитие новые технологии и аспекты использования озона с лечебными целями:

• Широкое использование в качестве носителя растворенного озона физиологического раствора (0,9% раствор NaCl)
• Применение сравнительно малых концентраций и доз озона при системном воздействии (внутрисосудистое и внутрикишечное введение)
• Внутрикостные вливания озонированных растворов
• Внутрикоронарное введение озонированных кардиоплегических растворов
• Тотальная экстракорпоральная обработка озоном больших объемов крови при искусственном кровообращении
• Низкопоточная озонокислородная терапия
• Внутрипортальное введение озонированных растворов
• Применение озона на театре военных действий
• Сопровождение системной озонотерапии методами биохимического контроля

В 2005-2007 гг. впервые в мировой практике в России озонотерапия получила официальный статус на государственном уровне в виде утверждения МЗ и социального развития РФ новых медицинских технологий использования озона в дерматологии и косметологии, акушерстве и гинекологии, травматологии. В настоящее время в нашей стране ведутся активные работы по распространению и внедрению метода озонотерапии. Анализ Российского и Европейского опыта озонотерапии позволяет сделать важные выводы :

1. Озонотерапия — немедикаментозный метод лечебного воздействия, позволяющий получать положительные результаты при патологии различного генеза.
2. Биологическое действие парентерально введенного озона проявляется на уровне низких концентраций и доз, что сопровождается клинически выраженными позитивными лечебными эффектами, имеющими четко выраженную дозозависимость.
3. Опыт Российской и Европейской школ озонотерапии свидетельствует о том, что использование озона в качестве лечебного средства значительно повышает эффективность лекарственной терапии, позволяет в ряде случаев заменить или уменьшить фармакологическую нагрузку на пациента. На фоне озонотерапии восстанавливаются собственные кислородзависимые реакции и процессы больного организма.
4. Технические возможности современных медицинских озонаторов, обладающих возможностями сверхточной дозировки, позволяют применять озон в диапазоне низких терапевтических концентраций аналогично общепринятым фармакологическим средствам.