אוזון

שגיאות פרמטריות בתבנית:תרכובת
פרמטרים [ מסה מולקולרית, נוסחה כימית ] לא מופיעים בהגדרת התבנית
פרמטרים ריקים [ 1 ] לא מופיעים בהגדרת התבנית

אוזון

שם סיסטמטי	trioxygen
כתיב כימי	O₃
מראה	גז כחול
מספר CAS	10028-15-6
צפיפות	2.144g/l גרם לליטר (גז ב0°C) גרם/סמ"ק
מצב צבירה	גז
מסיסות	0.105 גרם ב-100 מ"ל מים ב 0°C
טמפרטורת היתוך	192.5- °C -80.65 K
טמפרטורת רתיחה	111.9- °C -161.25 K
אנטרופיה מולרית תקנית	238.9±0.05 ג'ול למול־קלווין

אוֹזוֹן הוא מולקולה המורכבת משלושה אטומים של חמצן (במקום שניים במבנה הנפוץ). סימנו הכימי הוא O₃.

האוזון הוא גז רעיל הגורם לקשיי נשימה ולגירויים שונים. בסטרטוספירה של כדור הארץ, שם הוא יוצר שכבה (שכבת האוזון), יש לאוזון תפקיד חשוב בקיום תקין של מהלך החיים על-פני כדור הארץ בסננו את הקרינה האולטרה סגולה המזיקה של השמש.

תכונות החומר

בטמפרטורת החדר האוזון הוא גז שצבעו כחול בהיר. טמפרטורת הרתיחה שלו היא 161 קלווין (בטמפרטורה נמוכה מזו האוזון הופך לנוזל כחול כהה), וטמפרטורת ההיתוך שלו היא 80 קלווין (בטמפרטורה נמוכה מזו האוזון הופך למוצק כחול כהה). בניגוד לO₂ האוזון דיאמגנטי. סף הריכוז להרחה של אוזון באוויר הוא בין 0.0076 ל 0.036 חלקים למליון (ppm).

מבנה

לפי ספקטרום המיקרוגל של הגז (בליעות של רמות רוטציה של המולקולה) מולקולת האוזון מכופפת -חבורת הסימטריה C2_v (בדומה למולקולת המים). אורך הקשר חמצן-חמצן 127.2pm וזווית הקשר 116.78°. שני הקשרים ברזוננס: קשר כפול בצד אחד וקשר בודד בצידה השני של המולקולה יוצרים אל-איתור וסדר הקשר של שני קשרי החמצן-חמצן 1.5 כ"א.

כימיה

אוזון מגיב כימית עם אלקנים ומפרק אותם לאלדהידים וקטונים. תגובה זו נקראת אוזונוליזה ("ליזה" ביוונית פירושו פירוק). תחילה ניתק הקשר הכפול שבמולקולת האלקן ולאחר מכן נוצר קשר כפול בין כל אחד משני אטומי הפחמן שנותרו לא-קשורים ובין אטום חמצן מהאוזון.

בריכוזים גבוהים אוזון יתפרק ויתקבל חמצן

• $2O_{3}\Rightarrow 3O_{2}$

אוזון יגיב עם מתכות (פרט לזהב, פלטינה ואירידיום) ויחמצן אותן למצב החמצון המרבי שלהן, לדוגמה:

• $2Cu_{(aq)}^{+}+2H_{3}O_{(aq)}^{+}+O_{3(g)}\Rightarrow 2Cu_{(aq)}^{2+}+3H_{2}O_{(l)}+O_{2(g)}$

אוזון מחמצן גם תחמוצות חנקן למשל בתגובה הבאה המלווה פליטת אור (כמי-לומינסנסיה):

• $NO+O_{3}\Rightarrow NO_{2}+O_{2}$

ה NO₂ שנוצר בתגובה יכול להתחמצן עוד :

• $NO_{2}+O_{3}\Rightarrow NO_{3}+O_{2}$

אוזון מגיב עם פחמן לתת פחמן דו-חמצני אפילו בטמפרטורת החדר

• $C+2O_{3}\Rightarrow CO_{2}+2O_{2}$

אוזון לא יגיב עם מלחי אמוניום אך יגיב עם אמוניה גזית לתת אמוניום ניטראט

• $2NH_{3}+4O_{3}\Rightarrow NH_{4}NO_{3}+4O_{2}+H_{2}O$

אוזון יחמצן גפרית בסולפידים לסולפט למשל:

• $PbS+4O_{3}\Rightarrow PbSO_{4}+4O_{2}$

ניתן לייצר חומצה גפרתית מאוזון - חומר הגלם יכול להיות גפרית או גפרית דו-חמצנית

1. $S+H_{2}O+O_{3}\Rightarrow H_{2}SO_{4}$
2. $3SO_{2}+3H_{2}O+O_{3}\Rightarrow 3H_{2}SO_{4}$

במצב גזי אוזון מגיב עם מימן גפרתי ומתקבלת גפרית דו-חמצנית

• $H_{2}S+O_{3}\Rightarrow SO_{2}+H_{2}O$

בתמיסה מימית, לעומת זאת, מימן גפרתי מגיב עם אוזון בשתי ריאקציות מתחרות בו זמנית: אחת נותנת חומצה גפרתית והשנייה גפרית מוצקה.

1. $H_{2}S+O_{3}\Rightarrow S+O_{2}+H_{2}O$
2. $3H_{2}S+4O_{3}\Rightarrow 3H_{2}SO_{4}$

ניתן להשתמש באוזון להרחיק יוני מנגן ממים על ידי יצירת משקע שניתן לסלק בסינון

• $Mn^{2+}+2O_{3}+4H_{2}O\Rightarrow 2MnO(OH)_{2(s)}+2O_{2}+4H^{+}$

אוזון יחמצן ציאניד ליון ציאנט הרעיל פי אלף פחות

• $CN^{-}+O_{3}\Rightarrow CNO^{-}+O_{2}$

אוזון יפרק שתנן

• $(NH_{2})_{2}CO+O_{3}\Rightarrow N_{2}+CO_{2}+2H_{2}O$

ייצור אוזון

התפרקות חשמלית

באמצעות יצירת פלזמה על ידי התפרקות חשמלית ניתן לקבל 10% אוזון. זוהי השיטה בה מייצרים אוזון לצרכים תעשייתיים ורפואיים. כאשר ההתפרקות החשמלית היא דרך אוויר נוצרות גם תחמוצות חנקן כתוצר לואי. הקפדה על אוויר יבש מונעת היווצרות של חומצה חנקתית (מהמגע בין אדי מים לתחמוצת חנקן). שיפור הניצולת מושג על ידי הזרמת חמצן במקום אוויר.

יצירת אוזון על ידי קרינת UV

בשיטה זו מחקים את מנגנון יצירת האוזון בסטרטוספירה ומקרינים חמצן בUV. שיטה זו זולה יותר אך ניתן להגיע לריכוזי אוזון של 2% בלבד. בנוסף נדרש זמן הקרנה ארוך של החמצן כך שהשיטה אינה ישימה למצבים בהם נדרשת אוזונציה של זרם מהיר של גז.

אוזון בריכוז גבוה

ניתן לקבל אוזון טהור על ידי ניזול של תערובת O₂ ו O₃ . מתקבלת מערכת נוזלית בה פאזה אחת יציבה ומכילה 25% אוזון ופאזה שניה שצבעה סגול עמוק מכילה 70% אוזון והיא נפיצה.

האוזון באטמוספירה

אוזון סטרטוספירי

ערך מורחב – הידלדלות שכבת האוזון

שכבת האוזון נמצאת, כאמור, בסטרטוספירה, חלקה האמצעי של אטמוספירת כדור הארץ. שכבה זו בולעת חלק מהקרינה האולטרה סגולה המגיעה מהשמש והמזיקה ליצורים חיים. הקרינה האולטרה-סגולה גורמת להיווצרות האוזון, בכך שהיא מפרקת את מולקולת החמצן לאטומים בודדים, ואלה מתחברים למולקולות חמצן שלמות ליצירת אוזון
$O_{2}+h\nu (\lambda \leq 242nm)\Rightarrow \cdot O\cdot +\cdot O\cdot$

$\cdot O\cdot +O_{2}+M\Rightarrow O_{3}+M$

M הוא צורון נייטרלי שמקבל חלק מהאנרגיה הקינטית של אטומי החמצן ובכך מוריד את האנרגיה של המערכת ומאפשר את יצירת מולקולת האוזון. קרינה האולטרה-סגולה באורכי גל שבין 220 ל-320 ננומטר (UVC) מפרקת את מולקולת האוזון, כך שנוצר מחזור של אוזון-חמצן. בליעה זו של מולקולות האוזון מגינה על כדור הארץ מקרינה מזיקה. מחזור זה משתבש בנוכחות אטומים של כלור, פלואור או ברום. אטומים אלה, שמקורם טבעי או בפעילות האדם, גורמים להתפרקות האוזון באטמוספירה על ידי זרוז (קטליזה) של הריאקציה $O+O_{3}\Rightarrow 2O_{2}$. מכיוון שהתפרקות האוזון מתמקדת בעיקר באזור הקוטב הדרומי והקוטב הצפוני, הם מופיעים בתמונות לוויין כשני חורים ענקיים באטמוספירה. החור בשכבת האוזון הפך לנושא בוער ומרכזי באיכות הסביבה העולמית.

קובץ:160658main2 OZONE large 350.png

הדמיה של החור בשכבת האוזון מעל אנטארקטיקה, ספטמבר 2006

האוזון כמזהם אוויר- אוזון טרופוספירי

בשכבה נמוכה של האטמוספירה - הטרופוספירה האוזון הוא מזהם אויר. נזקיו כוללים:

• גרוי בדרכי הנשימה, שיעול
• ירידה ביעילות פעולת הראות: קושי בשאיפה עמוקה - הנשימה הופכת רדודה יותר ומתפתח קושי בנשימה בעת פעילות מאומצת.
• החמרה של אסטמה על ידי הגברת הרגישות לאלרגנים.
• הגברת הפגיעות לזיהומי מערכת הנשימה

מחקר אפידמיולוגי במרכזים עירוניים בארצות הברית העלה מתאם גבוה בין ריכוז האוזון באוויר למוות מוקדם. המחקר העריך שירידה של שליש בריכוז האוזון תציל את חייהם של כ4000 אנשים בשנה. בהתאם, הוחמרו תקנות זיהום האוויר באזורים שונים בארצות הברית לשם הורדת רמת האוזון בטרופוספירה.

אוזון עשוי להיווצר כתוצאה מתגובות של מזהמי אוויר אורגנים (תרכובות אורגניות נדיפות VOC) או אי אורגנים עם קרינת שמש. כך, למשל, עשוי להיווצר אוזון מהגז NO הנוצר בריאקציה 1 בצילינדר של מנוע בעירה פנימית - זהום האופייני למצבי ערפיח (smog)

1. $N_{2}+O_{2}\Rightarrow 2NO$
2. $2NO+O_{2}\Rightarrow 2NO_{2}$
3. $NO_{2}+h\nu \Rightarrow NO+O$
4. $O+O_{2}\Rightarrow O_{3}$

תרכובות אורגניות נדיפות גורמות גם כן להיווצרות אוזון כמודגם עבור פחמן חד-חמצני CO. שרשרת התגובות מתחילה בתגובה עם רדיקל הידרוקסיד OH המביאה ליצירת אטום מימן ואחר כך רדיקל HO₂ המגיב עם NO ליצירת NO₂

1. $OH+CO\Rightarrow H+CO_{2}$
2. $H+O_{2}\Rightarrow HO_{2}$
3. $HO_{2}+NO\Rightarrow HO+NO_{2}$
4. $NO_{2}+h\nu \Rightarrow NO+O$
5. $O+O_{2}\Rightarrow O_{3}$

הריאקציה נטו היא:

• $CO+2O_{2}\Rightarrow CO_{2}+O_{3}$

התקן הישראלי לאוזון הוא 230 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לחצי שעה ו- 160 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לשמונה שעות.

שימושים באוזון

שימושים תעשייתיים של אוזון כוללים:

• חיטוי מים קודם לאריזתם בבקבוקים.
• תקיפה כימית של מזהמים המצויים במים ובפרט מי שתייה, בריכות שחיה ומי שופכין מטוהרים.
• ניקוי והבהרה של אריגים.
• טיפול רפואי בדלקות קשות לריפוי שאינן מגיבות לאנטיביוטיקה, הרפס, סיבוכי סוכרת וכלי דם בצורת טיפול חיצוני, הזרקת אוזון ורידית והזרמת אוזון לאזורי דלקת.
• לשימוש ביתי ניתן להשתמש במשחת אוזון המכילה תרכובת של שמן זית, שמן חוחובה ושמנים נוספים עם אוזון. התרכובת מוחזקת בקירור ומתפרקת לאוזון גזי בטמפרטורת הגוף. האוזון מפעפע דרך העור בקלות ומסייע בחיסול חיידקים, וירוסים ופטריות בתוך הרקמה. משחת אוזון יעילה נגד בעיות עור שונות כגון אקנה, פצעים שאינם מגלידים ודלקות עור שונות.
• מי אוזון, מים שלתוכם הוכנס אוזון על ידי גנרטור אוזון ביתי ניתנים לשתייה ומסייעים לריפוי דלקות בפה, דלקות לאחר טיפולי שיניים ובעיות שונות במערכת העיכול. לא מומלץ לשתות יותר מ 6 כוסות ביום.

ראו גם

• הידלדלות שכבת האוזון (או החור באוזון כפי שנהוג לקרוא לתופעה בציבור)

קישורים חיצוניים

• אתר אודות החור בשכבת האוזון (אנגלית)
• זהום אוויר מאוזון - המשרד להגנת הסביבה (עברית)
• יהודית הלבן, פרס נובל בכימיה - והפעם לאוזון, גליליאו, גיליון 13, נובמבר/דצמבר 1995