Οζο

Τρία άτομα οξυγόνου συνθέτουν το όζον (O3), ένα εξαιρετικά αντιδραστικό αέριο. Είναι ένα φυσικό και ανθρωπογενές προϊόν που υπάρχει στην ανώτερη (στρατόσφαιρα) και στην κατώτερη (τροπόσφαιρα) ατμόσφαιρα της Γης (την τροπόσφαιρα). Το όζον έχει θετική ή αρνητική επίδραση στη ζωή στη Γη ανάλογα με τη θέση του στην ατμόσφαιρα. Η αλληλεπίδραση του ηλιακού υπεριώδους φωτός (UV) με το μοριακό οξυγόνο παράγει το στρατοσφαιρικό όζον (O2). Το «στρώμα του όζοντος», το οποίο βρίσκεται περίπου 6 έως 30 μίλια πάνω από την επιφάνεια της Γης, μειώνει την ποσότητα του επικίνδυνου υπεριώδους φωτός που φτάνει στην επιφάνεια. Το όζον είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό (πολύ περισσότερο από το διοοξυγόνο) με ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και καταναλωτικών εφαρμογών.

Οι φωτοχημικές αντιδράσεις μεταξύ δύο βασικών ομάδων ατμοσφαιρικών ρύπων, των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) και των οξειδίων του αζώτου, παράγουν τροποσφαιρικό ή όζον σε επίπεδο εδάφους, το οποίο αναπνέουμε (NOx). Παραδοσιακά, αυτές οι διεργασίες πιστεύεται ότι εξαρτώνται από την παρουσία θερμότητας και ηλιακού φωτός, με αποτέλεσμα αυξημένες συγκεντρώσεις όζοντος στο περιβάλλον κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Ωστόσο, την τελευταία δεκαετία, έχουν παρατηρηθεί υψηλές συγκεντρώσεις όζοντος σε συγκεκριμένες συνθήκες κρύου καιρού στις Δυτικές Ηνωμένες Πολιτείες, όπου μερικές περιοχές με υψηλό υψόμετρο με υψηλά επίπεδα τοπικών εκπομπών VOC και NOx έχουν σχηματίσει όζον όταν υπάρχει χιόνι στο το έδαφος και οι θερμοκρασίες είναι κοντά ή κάτω από το μηδέν. Το όζον συμβάλλει σε αυτό που συχνά αποκαλούμε «ομίχλη» ή «ομίχλη», που εξακολουθεί να επικρατεί κατά τους καλοκαιρινούς μήνες.

Αν και μέρος του στρατοσφαιρικού όζοντος μεταφέρεται στην τροπόσφαιρα και μερικά VOC και NOx παράγονται φυσικά, η πλειονότητα του όζοντος στο επίπεδο του εδάφους παράγεται μέσω αλληλεπιδράσεων VOC και NOx. Τα χημικά εργοστάσια, οι αντλίες καυσίμων, τα χρώματα με βάση το λάδι, τα φανοποιεία αυτοκινήτων και τα τυπογραφεία είναι επίσης σημαντικοί συνεισφέροντες των VOC. Η καύση σε υψηλές θερμοκρασίες είναι η κύρια πηγή οξειδίων του αζώτου. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής, οι βιομηχανικοί κλίβανοι και λέβητες και τα αυτοκίνητα συμβάλλουν επίσης σημαντικά.

Δομή:

Το όζον είναι ένα λυγισμένο μόριο με συμμετρία C2v, σύμφωνα με πειραματικά στοιχεία από τη φασματοσκοπία μικροκυμάτων (παρόμοιο με το μόριο του νερού). 127,2 μ.μ. είναι οι αποστάσεις O – O. Η γωνία Ο – Ο – Ο είναι 116,78°. Ένα μεμονωμένο ζεύγος είναι sp²  υβριδισμένο με το κεντρικό άτομο. Με διπολική ροπή 0,53 D, το όζον είναι ένα πολικό μόριο. Το μόριο είναι ένα υβρίδιο συντονισμού, με δύο συνεισφέρουσες δομές, η μία με έναν απλό δεσμό στη μία πλευρά και έναν διπλό δεσμό στην άλλη. Και οι δύο πλευρές της συμφωνίας έχουν συνολική τάξη ομολόγων 1,5. Έχει τις ίδιες ισοηλεκτρονικές ιδιότητες με το νιτρικό ανιόν. Υποκατεστημένα ισότοπα μπορούν να βρεθούν στο φυσικό όζον (16O, 17O, 18O).

Φυσικές και μαγνητικές ιδιότητες :

• Το χρώμα του όζοντος είναι  απαλό μπλε , ένα αέριο  που είναι ήπια διαλυτό στο νερό αλλά πολύ πιο διαλυτό  σε μη πολικούς αδρανείς διαλύτες όπως ο τετραχλωράνθρακας ή οι φθοράνθρακες, όπου σχηματίζει ένα μπλε διάλυμα. Συμπυκνώνεται για να δημιουργήσει ένα σκούρο μπλε υγρό στους 161 K (112 °C, 170 °F). Το να αφήσουμε αυτό το υγρό να φτάσει στο σημείο βρασμού του είναι επικίνδυνο επειδή τόσο το συμπυκνωμένο αέριο όσο και το υγρό όζον μπορεί να εκραγεί. Σχηματίζει ένα ιώδες-μαύρο στερεό σε θερμοκρασίες κάτω των 80 K (193,2 °C, 315,7 °F).

• Οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν να αντιληφθούν 0,01 μmol/mol όζοντος στον αέρα, το οποίο έχει μια ευδιάκριτη σκληρή οσμή παρόμοια με το λευκαντικό χλωρίου. Οι πονοκέφαλοι, το κάψιμο των ματιών και ο ερεθισμός των αναπνευστικών οδών είναι όλα συμπτώματα έκθεσης 0,1 έως 1 μmol/mol.

• Ακόμη και τα μέτρια επίπεδα όζοντος στον αέρα είναι εξαιρετικά επιβλαβή για οργανικά υλικά όπως το λατέξ, τα πολυμερή και τον πνευμονικό ιστό των ζώων.

• Το όζον έχει ασθενή διαμαγνητική ιδιότητα.

Αποσύνθεση όζοντος:

Το όζον είναι ένα επιβλαβές αέριο που απαντάται ευρέως ή παράγεται σε ανθρώπινο περιβάλλον (καμπίνες αεροσκαφών, γραφεία με φωτοτυπικά μηχανήματα, εκτυπωτές λέιζερ, αποστειρωτές κ.λπ.) και η καταλυτική του αποσύνθεση είναι κρίσιμη για τη μείωση της ρύπανσης. Αυτό είναι το πιο κοινό είδος διάσπασης, ειδικά με στερεούς καταλύτες, και έχει πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της καλύτερης μετατροπής σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Επιπλέον, το προϊόν και ο καταλύτης μπορούν να διαχωριστούν αμέσως, επιτρέποντας στον καταλύτη να ανακτηθεί χωρίς την ανάγκη διεργασίας διαχωρισμού. Επιπλέον, ευγενή μέταλλα όπως Pt, Rh ή Pd, καθώς και μέταλλα μετάπτωσης όπως Mn, Co, Cu, Fe, Ni ή Ag, είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά στην καταλυτική διάσπαση του όζοντος στην αέρια φάση.

Στην αέρια φάση, υπάρχουν δύο εναλλακτικές επιλογές για την αποσύνθεση του όζοντος:

Η πρώτη είναι μια θερμική αποσύνθεση, η οποία αποσυνθέτει το όζον μόνο με τη δράση της θερμότητας. Το θέμα είναι ότι σε θερμοκρασίες κάτω των 250 °C, αυτού του είδους η διάσπαση είναι εξαιρετικά υποτονική. Ωστόσο, δουλεύοντας σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ο ρυθμός διάσπασης μπορεί να αυξηθεί, αν και με σημαντικό κόστος ενέργειας.

Η δεύτερη είναι μια φωτοχημική διάσπαση, η οποία συμβαίνει όταν το όζον εκτίθεται στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV), με αποτέλεσμα το σχηματισμό οξυγόνου και υπεροξειδίου των ριζών.

Είναι αλήθεια ότι υψηλές συγκεντρώσεις όζοντος στο περιβάλλον μπορούν να βρεθούν μόνο σε πυκνοκατοικημένες περιοχές;

Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι υψηλές συγκεντρώσεις όζοντος στην τροπόσφαιρα μπορούν να βρεθούν μόνο στις μεγάλες πόλεις, ωστόσο υψηλές συγκεντρώσεις όζοντος στο περιβάλλον μπορεί και υπάρχουν οπουδήποτε. Μεγάλες πόλεις όπως το Λος Άντζελες, το Χιούστον, η Ατλάντα και η Νέα Υόρκη δεν είναι τα μόνα μέρη όπου σχηματίζεται το όζον. Κατασκευάζεται επίσης σε μικρότερα μέρη όπως το Ράλεϊ της Βόρειας Καρολίνας και το Σινσινάτι του Οχάιο και μεταφέρεται εκατοντάδες μίλια κατά τον άνεμο για να βλάψει την ποιότητα του ατμοσφαιρικού αέρα σε άλλες αστικές και αγροτικές περιοχές. Οι μέγιστες ποσότητες όζοντος είναι πιο συχνές τις απογευματινές ώρες, όταν το ηλιακό φως είναι πιο έντονο.

Τα μέγιστα του όζοντος μπορεί να εμφανιστούν σε μέρη κατά τον άνεμο μεγάλων πηγών VOC και NOx το απόγευμα και το βράδυ, αφού ο άνεμος έχει παραδώσει το όζον και τις πρόδρομες ουσίες VOC και NOx πολλά μίλια από την προέλευσή τους. Ως αποτέλεσμα, σημαντικές συγκεντρώσεις όζοντος μπορεί να εμφανιστούν σε απομονωμένες περιοχές και σε διαφορετικές ώρες της ημέρας, συμπεριλαμβανομένων νωρίς το βράδυ και τη νύχτα.

Εφαρμογές όζοντος:

1. Πύργοι ψύξης
2. Φαρμακευτικό εξαιρετικά καθαρό νερό
3. Πόσιμο νερό
4. Έλεγχος οσμών
5. Επεξεργασία αερίου από την κουζίνα.
6. Αποθήκευση τροφίμων και λαχανικών
7. Σε πισίνες
8. Θερμοκήπια/Κηπευτικά.

Συμπέρασμα:

Το όζον είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό (πολύ ισχυρότερο από το διοοξυγόνο) με ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και καταναλωτικών χρήσεων. Το υψηλό οξειδωτικό δυναμικό του όζοντος προκαλεί τον τραυματισμό των βλεννογόνων και των αναπνευστικών ιστών στα ζώα, καθώς και στους ιστούς των φυτών, πάνω από συγκεντρώσεις περίπου 0,1 ppm. Ενώ το όζον αποτελεί σημαντικό αναπνευστικό κίνδυνο και ρύπο κοντά στο έδαφος, μια υψηλότερη συγκέντρωση στο στρώμα του όζοντος (από δύο έως οκτώ ppm) είναι επωφελής επειδή εμποδίζει τις βλαβερές ακτίνες UV να φτάσουν στην επιφάνεια της Γης.

Το όζον που παράγεται από ανθρωπογενείς πηγές στην τροπόσφαιρα, όπως οι εκπομπές από τα αυτοκίνητα, μπορεί να διανύσει μεγάλες αποστάσεις. Η καθημερινή ροή παραγωγής όζοντος και σάρωση από άλλες ενώσεις όπως το ΝΟ είναι σταθερή.