Введение
Озон - простое вещество, аллотропное видоизменение кислорода. В отличие от кислорода, молекула озона состоит из трех атомов. При обыкновенных условиях представляет из себя резко пахнущий взрывчатый газ синего цвета, и обладающий сильнейшими окислительными свойствами.
Озон является постоянным компонентом атмосферы земли играет важнейшую роль для поддержания на ней жизни. В приземных слоях земной атмосферы концентрация озона резко возрастает. Общее состояние озона в атмосфере переменное, и колеблется в зависимости от времен года. Атмосферный озон играет ключевую роль для поддержания жизни на земле. Он защищает Землю от губительного воздействия определенной роли солнечной радиации, способствуя тем самым сохранению жизни на планете.
Таким образом, необходимо узнать, какие же действия может оказывать озон на биологические ткани.
Общие свойства озона
Озон - состоящая из трехатомных молекул О 3 аллотропная модификация кислорода. Его молекула диамагнитна и имеет угловую форму. Связь в молекуле является делокализованной, трехцентровой.
Рис. 1 Строение озона
Обе связи O-O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Ангстрем. Угол между связями составляет 116,78°. Центральный атом кислорода sp ²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов. Молекула полярна, дипольный момент 0,5337 D.
Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 ->3О2) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OH
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
История открытия.
Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретаетвоздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности действовать на ртуть при обыкновенной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Однако как новое вещество он описан не был, ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя».
Термин озон был предложен немецким химиком X. Ф. Шёнбейном в 1840 году за его пахучесть, вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему отдают приоритет открытия озона в 1839 году. В 1840 году Шёнбейн показал способность озона вытеснять иод из иодида калия:
Факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон экспериментально доказали Эндрюс и Тэт при помощи стеклянной трубки с манометром, наполненной чистым кислородом, со впаянными в неё платиновыми проволками для получения электрического разряда.
Физические свойства.
Озон - газ, обладающий синим цветом, который можно заметить, если смотреть через значительный слой, до 1 метра толщиной, озонированного кислорода. В твёрдом состоянии озон чёрного цвета с фиолетовым отблеском. Жидкий озон обладает густым синим цветом; прозрачен в слое, не превышающем 2 мм. толщины; довольно прочен.
Свойства:
§ Молекулярная масса - 48 а.е.м.
§ Плотность газа при нормальных условиях - 2,1445 г/дм³. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху - 1,62
§ Плотность жидкости при −183 °C - 1,71 г/см³
§ Температура кипения - −111,9 °C. (у жидкого озона - 106 °C.)
§ Температура плавления - −197,2 ± 0,2 °С (приводимая обычно т.пл. −251,4 °C ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению).
§ Растворимость в воде при 0 °С - 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом.
§ В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком - слабопарамагнитен.
§ Запах - резкий, специфический «металлический» (по Менделееву - «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1: 100000.
Xимuчecкие свойства.
Химические свойства озона определяются его большой способностью к окислению.
Молекула О 3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O 2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер.
Свойства:
§ Окисление металлов
§ Окисление неметаллов
§ Взаимодействие с оксидами
§ Горение
§ Образование озонидов
Способы получения озона
Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.
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.
- 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).
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
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
- Озонотерапия — немедикаментозный метод лечебного воздействия, позволяющий получать положительные результаты при патологии различного генеза.
- Биологическое действие парентерально введенного озона проявляется на уровне низких концентраций и доз, что сопровождается клинически выраженными позитивными лечебными эффектами, имеющими четко выраженную дозозависимость.
- 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.
- Технические возможности современных медицинских озонаторов, обладающих возможностями сверхточной дозировки, позволяют применять озон в диапазоне низких терапевтических концентраций аналогично общепринятым фармакологическим средствам.
«Озон - бесценный подарок Создателя.
Его уникальные свойства огромны и неограниченны.
Это не фармацевтический препарат - сама природа заботится о нас. Великий и непревзойденный художник и целитель -
Доктор Природа - благословил Человечество, принеся в дар исключительную помощь и выдающееся благословение - Озон»
Озон, свойства, токсикология и применение. Роль озонового щита планеты.
1
Озон. Общая характеристика
Озон
(от др.- греч.
?
?? - пахну) - состоящая
из трёхатомных молекул O3 аллотропная
модификация кислорода. При нормальных
условиях - голубой газ. При сжижении
превращается в жидкость цвета индиго.
В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие,
практически чёрные кристаллы.
Основная
масса озона в атмосфере расположена
на высоте от 10 до 50 км с максимальной концентрацией
на высоте 20-25 км, образуя слой, называемый
озоносферой.
Озоносфера
отражает жесткое ультрафиолетовое
излучение, защищает живые организмы
от губительного действия радиации. Именно,
благодаря образованию озона из кислорода
воздуха стала возможна жизнь на суше.
Впервые
озон обнаружил в 1785
году
голландский физик Мартинус
ван Марум
по характерному запаху, создающему
эффект свежести, и окислительным свойствам,
которые приобретает воздух после пропускания
через него «электрических искр». Однако
как новое вещество он описан не был, так
как ван Марум считал, что данный эффект
достигается образованием особой «электрической
материи».
Сам
термин «озон» (от греческого слова
«пахнущий») был предложен немецким
химиком X. Ф. Шейнбейном
в 1840 году
. В словари его ввели в конце
19 века. Многие источники отдают приоритет
открытия озона именно Х. Ф. Шейнбену, датируя
это событие 1839 годом.
2 Нахождение в природе. Основные способы получения
В
природе озон образуется из молекулярного
кислорода (О2) во время грозы или под действием
ультрафиолетового излучения. Особенно
это ощутимо в местах, богатых кислородом:
в лесу, в приморской зоне или около водопада.
При попадании солнечных лучей, в капле
воды кислород преобразуется в озон. Озон
обеззараживает воздух, окисляя примеси
различных веществ, придавая приятную
свежесть - запах грозы. Озон вступает
в реакцию с большинством органических
и неорганических веществ, в результате
образуется кислород, вода, оксиды углерода
и высшие оксиды других элементов. Все
эти продукты абсолютно безвредны и постоянно
присутствуют в чистом природном воздухе.
Озон
образуется в газовой среде, содержащей
кислород, если возникнут условия, при
которых кислород диссоциирует на атомы.
Это возможно во всех формах электрического
разряда: тлеющем, дуговом, искровом, коронном,
поверхностном, барьерном, безэлектродном
и т.п. Основной причиной диссоциации является
столкновение молекулярного кислорода
с электронами, ускоренными в электрическом
поле.
Кроме
разряда диссоциацию кислорода вызывают
УФ-излучение. Озон получают также при
электролизе воды.
Получение
озона
Озон
образуется из кислорода. Существует несколько
способов получения озона, среди
которых наиболее распространенными
являются: электролитический, фотохимический
и электросинтез в плазме газового
разряда. Чтобы избежать нежелательных
окисей, предпочтительнее получать озон
из чистого медицинского кислорода, используя
электросинтез. Концентрацию получаемой
озоно-кислородной смеси в таких аппаратах
легко варьировать - либо задавая определенную
мощность электрического разряда, либо
регулируя поток входящего кислорода
(чем быстрее кислород проходит через
озонатор, тем меньше озона образуется).
Фотохимический
способ
Фотохимический
метод получения озона представляет из
себя наиболее распространенный в природе
способ. Образование озона происходит
при диссоциации молекулы кислорода под
действием коротковолнового УФ излучения.
Этот метод не позволяет получать озон
высокой концентрации. Приборы, основанные
на этом методе, получили распространение
для лабораторных целей, в медицине и пищевой
промышленности.
Электролитический
метод синтеза.
Первое
упоминание об образовании озона
в электролитических процессах
относится к 1907 г. Электролитический
метод синтеза озона осуществляется в
специальных электролитических ячейках.
В качестве электролитов используются
растворы различных кислот и их соли (H2SO4,
HClO4, NaClO4, KClO4). Образование озона происходит
за счет разложения воды и образования
атомарного кислорода, который присоединясь
к молекуле кислорода образует озон и
молекулу водорода. Этот метод позволяет
получить концентрированный озон, однако
он весьма энергоемкий, и поэтому он не
нашел широкого распространения.
Н2О
+ О2 -> О3 + 2Н+ + e-
с
возможным промежуточным образованием
ионов или радикалов.
Электросинтез
озона получил наибольшее распространение.
Этот метод сочетает в себе возможность
получения озона высоких концентраций
с большой производительностью и относительно
невысокими энергозатратами.
В
результате многочисленных исследований
по использованию различных видов газового
разряда для электросинтеза озона распространение
получили аппараты использующие три формы
разряда:
1 Барьерный разряд;
2 Поверхностный разряд;
3 Импульсный разряд.
Образование
озона под действием
ионизирующего излучения.
Озон
образуется в ряде процессов, сопровождающихся
возбуждением молекулы кислорода либо
светом, либо электрическим полем. При
облучении кислорода ионизирующей
радиацией также могут возникать
возбужденные молекулы, и наблюдается
образование озона
Образование
озона в СВЧ-поле.
При
пропускании струи кислорода
через СВЧ-поле наблюдалось образование
озона. Этот процесс мало изучен, хотя
генераторы, основанные на этом явлении,
часто используются в лабораторной
практике.
3 Физические и химические свойства озона.
Физические свойства:
- Молекулярная
масса - 47,998 г/моль.
Плотность газа при нормальных условиях - 2,1445 кг/м?. Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху - 1,62 (1,658).
Плотность жидкости при?183 °C - 1,71 кг/м?
Температура кипения - ?111,9 °C. Жидкий озон - тёмно-фиолетового цвета. В газообразном виде озон имеет голубоватый оттенок, заметный при содержании в воздухе 15-20% озона.
Температура плавления - -197,2 ± 0,2 °С (приводимая обычно?251,4 °C ошибочна, так как при её определении не учитывалась большая способность озона к переохлаждению). В твёрдом состоянии - чёрного цвета с фиолетовым отблеском.
Растворимость в воде при 0 °С - 0,394 кг/м? (0,494 л/кг), она в 10 раз выше по сравнению с кислородом.
В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком - слабопарамагнитен.
Запах - резкий, специфический «металлический» (по Менделееву - «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1: 100000.
Озон - мощный окислитель , намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота , платины и иридия ) до их высших степеней окисления . Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.
2 Cu 2+ (aq) + 2 H 3 O + (aq) + O 3(g) > 2 Cu 3+ (aq) + 3 H 2 O (l) + O 2(g)
Озон повышает степень окисления оксидов:
NO + O 3 > NO 2 + O 2
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией . Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:
NO 2 + O 3 > NO 3 + O 2
с образованием азотного ангидрида N 2 O 5:
NO 2 + NO 3 > N 2 O 5
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием двуокиси углерода :
C + 2 O 3 > CO 2 + 2 O 2
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония :
2 NH 3 + 4 O 3 > NH 4 NO 3 + 4 O 2 + H 2 O
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов :
PbS + 4O 3 > PbSO 4 + 4O 2
С помощью озона можно получить Серную кислоту как из элементарной серы , так и из двуокиси серы :
S + H 2 O + O 3 > H 2 SO 4
3 SO 2 + 3 H 2 O + O 3 > 3 H 2 SO 4
Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:
3 SnCl 2 + 6 HCl + O 3 > 3 SnCl 4 + 3 H 2 O
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородо м с образованием двуокиси серы:
H 2 S + O 3 > SO 2 + H 2 O
В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:
H 2 S + O 3 > S + O 2 + H 2 O
3 H 2 S + 4 O 3 > 3 H 2 SO 4
Обработкой озоном раствора йода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат йода (III):
I 2 + 6 HClO 4 + O 3 > 2 I(ClO 4) 3 + 3 H 2 O
Твёрдый нитрилперхлорат может быть получен реакцией газообразных NO 2 , ClO 2 и O 3:
2 NO 2 + 2 ClO 2 + 2 O 3 > 2 NO 2 ClO 4 + O 2
Озон может участвовать в реакциях горения , при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:
3 C 4 N 2 + 4 O 3 > 12 CO + 3 N 2
Озон может реагировать при низких температурах. При 77 K (?196 °C), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием супероксидного радикала с димеризацией последнего :
H + O 3 > HO 2 + O
2 HO 2 > H 2 O 2 +O 2
5 Основные области применения.
После
открытия озона было сразу отмечено его
главное свойство - огромная окислительная
способность, значительно превосходящая
таковую у кислорода. Поэтому неудивительно,
что озон стал использоваться для борьбы
с микроорганизмами.
В
1881 году в книге, посвященной дифтерии,
доктор Келлог (Kellogg) рекомендовал его
использование в качестве средства для
дезинфекции. Но подлинная революция в
использовании озона для стерилизации
произошла после патентования и начала
массового производства генераторов озона
- предшественников озоновых стерилизаторов.
До середины XIX века попытки создания таких
генераторов были безуспешными. Считается,
что первый образец создал Werner von Siemens в
1857 году. Однако понадобилось еще 29 лет
для того, чтобы запатентовать промышленный
генератор озона, который отвечал определенным
требованиям. Патент на его изобретение
принадлежит Николе Тесла. Он же в 1900 году
начал выпуск данного продукта для медицины.
С
этих пор начинает развиваться несколько
направлений по применению озона
- дезинфекция,
стерилизация и лечение.
При
стерилизации происходит уничтожение
микроорганизмов путем насыщения
озоном замкнутого объема, где находятся
медицинские инструменты, приспособления,
устройства. Во время лечения применяют
озонированную воду, водные растворы и
озонокислородную смесь. Для дезинфекции
помещений, емкостей, трубопроводов -
озоновоздушную или озонокислородную
смеси.
Все
три метода обладают одним неоспоримым
преимуществом: озон оказывает быстрое
и эффективное воздействие
Время
воздействия озона на некоторые
виды микроорганизмов измеряется секундами.
По качеству стерилизации и некоторым
техническим характеристикам современные
озоновые стерилизаторы превосходят
ультрафиолетовые, сухожаровые шкафы,
паровые автоклавы, жидкостную и газовую
стерилизацию. Лечение с применением озона
позволяет безболезненно и с высокой эффективностью
уничтожать микроорганизмы, проникшие
в органы и ткани человека. Это стало возможным
еще и потому, что наш организм, в отличие
от бактерий, обладает достаточно мощной
системой антиоксидантной защиты. При
воздействии определенных концентраций
озона в течение ограниченного времени
клетки нашего организма сохраняют достаточную
устойчивость к образованию нежелательных
агрессивных продуктов.
Озон
оказывает положительное действие
на метаболизм печени и почек, поддерживает
работу сердечной мышцы, уменьшает
частоту дыхания и увеличивает
дыхательный объем. Положительное
влияние озона на людей с заболеваниями
сердечно-сосудистой системы (снижается
уровень холестерина в крови, снижается
риск тромбообразования, активизируется
процесс "дыхания" клетки).
Озонотерапия
в последние годы довольно широко
применяется и в гинекологии,
и в терапии, и в хирургии, и
в проктологии, и в урологии, и в офтальмологии,
и в стоматологии, и в других направлениях
медицины.
Озон
широко используют в химической
отрасли промышленности.
Особая
роль отводится озону в пищевой
промышленности
. Являясь сильно дезинфицирующим
и химически безопасным средством, он
используется для предотвращения биологического
роста нежелательных организмов в продуктах
питания и на технологическом пищевом
оборудовании. Озон обладает свойством
убивать микроорганизмы, не создавая новых
вредных химических веществ.
Самое
распространенное применение - для очистки
воды
. В 1907 году был построен первый
завод по озонированию воды в городе Бон
Вуаяж (Франция), который обрабатывал 22500
кубических метров воды из реки Вазюби
в сутки для нужд города Ниццы. В 1911 году
была пущена в эксплуатацию станция озонирования
питьевой воды в Санкт-Петербурге. В 1916
году действует уже 49 установок по озонированию
питьевой воды.
К
1977 году во всем мире действует более
1000 установок. В настоящее время
95% питьевой воды в Европе проходит
озонную подготовку. В США идет процесс
перевода с хлорирования на озонирование.
В России действуют несколько крупных
станций (в Москве, Нижнем Новгороде и
ряде других городах). Приняты программы
перевода на озонирование еще нескольких
крупных станций водоподготовки.
Широкие
спектр областей применения озона
в сельском хозяйстве
: растениеводство,
животноводство, рыбоводство, кормопроизводство
и хранение продуктов, обуславливает множество
озонных технологий, которые условно можно
разделить на два больших направления.
Первое имеет целью стимулировать жизнедеятельность
живых организмов. С этой целью применяются
концентрации озона на уровне ПДК, например
санация помещений с животными и растениями
для улучшения комфортности их пребывания.
Второе направление связано с подавлением
жизнедеятельности вредных организмов
или с устранением вредных загрязнений
из окружающей атмосферы и гидросферы.
Концентрации озона в этом случае намного
превышают значения ПДК. К таким технологиям
относятся дезинфекция тары и помещений,
очистка газовых выбросов птицеферм, свинарников,
обезвреживание сточных вод сельскохозяйственных
предприятий и т.д.
5 Озон в атмосфере. Озоновый слой - ультрафиолетовый щит Земли
Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О22 -> О3).
5.1 Изучение озонового слоя. Причины его разрушения.
С
начала 20 века ученые наблюдают за состоянием
озонового слоя атмосферы. Сейчас уже
все понимают, что стратосферный озон
является своего рода естественным фильтром,
препятствующим проникновению в нижние
слои атмосферы жесткого космического
излучения - ультрафиолета-В.
С
конца 70-х годов ученые стали отмечать
неуклонное истощение озонового
слоя. Различные причины приводят к истощению
озонового слоя. Среди них есть естественные,
как, например, извержения вулканов. Известно,
например, что при этом происходят выбросы
газов, содержащих соединения серы, которая
реагирует с находящимися в воздухе другими
газами, образуя сульфаты, разрушающие
озоновый слой. Но гораздо большее влияние
на стратосферный озон оказывают антропогенные
воздействия, т.е. деятельность человека.
И она многообразна.
Использование в хозяйственной
деятельности таких соединений, как ХФУ,
бромистый метил, галоны, растворители,
разрушающие озон, также приводят к истощению
озонового слоя. Хлорфторуглероды (ХФУ)
или другие ОРВ, выпущенные человеком
в атмосферу, достигают стратосферы, где
под действием коротковолнового ультрафиолетового
излучения Солнца их молекулы теряют атом
хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать
одну за другой молекулы озона, сам при
этом не претерпевая никаких изменений.
Срок существования различных ХФУ в атмосфере
от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано,
что за это время один атом хлора способен
превратить в кислород 100 000 молекул озона.
Однако озоновый слой разрушает также
реактивная авиация и некоторые пуски
космических ракет
В
изучении проблемы озонового слоя наука
оказалась удивительно недальновидной.
Еще с 1975 г. содержание стратосферного
озона над Антарктидой в весенние месяцы
стало заметно падать. В середине 1980-х
годов его концентрация снизилась уже
на 40%. Вполне можно было говорить об образовании
озоновой дыры. Ее размеры достигли примерно
площади США. Тогда же появились еще слабовыраженные
- со снижением концентрации озона на 1,5-2,5%
- дыры вблизи Северного полюса и южнее.
Край одной из них зависал даже над Санкт-
Петербургом.
Однако
еще в первой половине 1980-х некоторые
ученые продолжали рисовать радужную
перспективу, предвещая убыль стратосферного
озона лишь на 1-2% и то чуть ли не через
70-100 лет.
В
1985 г. английские ученые опубликовали
статью, в которой утверждалось,
что каждой весной, начиная с 1980 г.,
над Антарктидой образуются значительные
области уменьшения общего содержания
озона. Выяснилось, что диаметр её свыше
1000 километров, площадь – около 9 миллионов
квадратных километров. Этот результат
журналисты превратили в сенсацию, объявив
о существовании "озоновой дыры"
над Антарктидой. Сегодня принято аномалии
озона относить к "озоновым дырам",
если дефицит озона превышает 30%.
5.2
Последствия разрушения
озонового слоя.
Озоновый
слой защищает жизнь на Земле от
вредного ультрафиолетового излучения
Солнца.
Утончение
этого слоя может привести к серьезным
последствиям для человечества. Содержание
озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно
озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое
излучение солнца с длиной волны l<280
нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б
с 280
Падение
концентрации озона на 1% приводит в
среднем к увеличению интенсивности
жесткого ультрафиолета у поверхности
земли на 2%. Эта оценка подтверждается
измерениями, проведенными в Антарктиде
(правда, из-за низкого положения солнца,
интенсивность ультрафиолета в Антарктиде
все еще ниже, чем в средних широтах).
По своему воздействию на живые организмы
жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим
излучениям, однако, из-за большей, чем
у g-излучения длины волны он не способен
проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает
только поверхностные органы. Жесткий
ультрафиолет обладает достаточной энергией
для разрушения ДНК и других органических
молекул.
По
мнению врачей, каждый потерянный процент
озона в масштабах планеты вызывает
до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты
из-за катаракты, вызывает 4%-ный скачок
в распространении рака кожи, значительно
возрастает число болезней, вызванных
ослаблением иммунной системы человека.
Наибольшему риску подвержены жители
северного полушария со светлой кожей.
Уже
сейчас во всем мире заметно увеличение
числа заболевания раком кожи, однако,
значительно количество других факторов
(например, возросшая популярность загара,
приводящая к тому, что люди больше времени
проводят на солнце, таким образом, получая
большую дозу УФ облучения) не позволяет
однозначно утверждать, что в этом повинно
уменьшение содержания озона. Жесткий
ультрафиолет плохо поглощается водой
и поэтому представляет большую опасность
для морских экосистем. Эксперименты показали,
что планктон, обитающий в приповерхностном
слое, при увеличении интенсивности жесткого
УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть
полностью. Планктон находится в основании
пищевых цепочек практически всех морских
экосистем, поэтому без преувеличения
можно сказать, что практически вся жизнь
в приповерхностных слоях морей и океанов
может исчезнуть. Растения менее чувствительны
к жесткому УФ, но при увеличении дозы
могут пострадать и они. Если содержание
озона в атмосфере значительно уменьшится,
человечество легко найдет способ защититься
от жесткого УФ излучения но при этом рискует
умереть от голода.
5.3 Меры по сохранению и восстановлению озонового слоя
Многие
страны мира разрабатывают и осуществляют
мероприятия по выполнению Венских
конвенций об охране озонового слоя
и Монреальского протокола по веществам,
разрушающим озоновый слой.
Монреальский
протокол:
первое глобальное экологическое
соглашение, достигшее всеобщей ратификации
и всемирного участия 196 стран. Монреальский
протокол был подписан 16 сентября 1987 года.
Впоследствии по инициативе ООН этот день
стал отмечаться как День
защиты озонового слоя.
К концу 2009 года деятельность, осуществленная
в рамках Монреальского протокола привела
к выводу из обращения 98% веществ, разрушающих
озоновый слой. Другое важное достижение
Монреальского протокола – в ближайшем
будущем страны должны были прекратить
производство и потребление хлорфторуглеродов,
галонов, четырёххлористого углерода
и других гидрогенизованных соединений,
разрушающих озоновый слой. Все эти вещества
объединяются под единым названием –
озоноразрушающие вещества (далее по тексту
ОРВ).
Без Монреальского протокола
и Венской конвенции, содержание
ОРВ в атмосфере повысилось
бы в 10 раз к 2050, что привело
бы к 20 миллионам случаев рака
кожи и 130 миллионам случаев катаракты
глаза, не говоря об ущербе, нанесенном
иммунной системе человека, фауне и сельскому
хозяйству. Теперь мы также знаем, что
некоторые из этих газов воздействуют
на изменение климата. По некоторым оценкам,
выведение ОРВ с 1990 года способствовало
замедлению глобального потепления на
7-12 лет и каждый доллар, потраченный на
озон обернулся выгодой в других областях
экологии. Даже при быстрых и решительных
действиях правительств согласно Монреальскому
протоколу, полное восстановление защитного
слоя Земли займет еще 40-50 лет.
Согласно
международным соглашениям промышленно
развитые страны полностью прекращают
производство фреонов и тетрахлорида
углерода, которые также разрушают
озон, а развивающиеся страны – к 2010г.
Россия из-за тяжелого финансово-экономического
положения попросила отсрочки на 3 – 4
года. Страны-члены Монреальского протокола
по веществам, разрушающим озоновый слой,
на встрече в Катаре договорились выделить
в общей сложности 490
миллионов долларов
в течение трех ле
Вторым этапом
должен стать запрет
на производство метилбромидов
и гидрофреонов.
Уровень производства
первых в промышленно развитых странах
с 1996 г. заморожен, гидрофреоны полностью
снимаются с производства к 2030 г. Однако
развивающиеся страны до сих пор не взяли
на себя обязательств по контролю над
этими химическими субстанциями.
Восстановить озоновый слой над
Антарктидой при помощи запуска специальных
воздушных шаров с установками для производства
озона надеется английская группа защитников
окружающей среды, которая называется
«Помогите озону». Один из авторов этого
проекта заявил, что озонаторы, работающие
от солнечных батарей, будут установлены
на сотнях шаров, наполненных водородом
или гелием.
Несколько лет назад была разработана
технология замены фреона специально
подготовленным пропаном. Сейчас промышленность
уже на треть сократила выпуск аэрозолей
с использованием фреонов, В странах ЕЭС
намечено полное прекращение использования
фреонов на заводах бытовой химии и т.д.
и т.д.................
Физические свойства озона весьма характерны: это легко взрывающийся газ голубого цвета. Литр озона весит примерно 2 грамма, а воздух - 1,3 грамма. Следовательно, озон тяжелее воздуха. Температура плавления озона - минус 192,7ºС. Такой «растаявший» озон представляет собой тёмно-синюю жидкость. Озоновый «лед» имеет темно-синюю окраску с фиолетовым оттенком и при толщине свыше 1 мм становится непрозрачным. Температура кипения озона - минус 112ºС. В газообразном состоянии озон диамагнитен, т.е. не обладает магнитными свойствами, а в жидком состоянии - слабопарамагнитен. Растворимость озона в талой воде в 15 раз больше, чем у кислорода и составляет примерно 1,1 г/л. В литре уксусной кислоты при комнатной температуре растворяется 2,5 грамма озона. Он также хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Запах озона ощущается при концентрациях свыше 15 мкг/м3 воздуха. В минимальных концентрациях воспринимается как «запах свежести», в более значительных концентрациях приобретает резкий раздражающий оттенок.
Озон образуется из кислорода по следующей формуле: 3O2 + 68 ккал → 2O3. Классические примеры образования озона: под действием молнии во время грозы; под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы. Озон также способен образовываться при любых процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например, при разложении перекиси водорода. Промышленный синтез озона связан с использованием электрических разрядов при низких температурах. Технологии получения озона могут отличаться друг от друга. Так, для получения озона применяемого для медицинских целей используется только чистый (без примесей) медицинский кислород. Отделение образовавшегося озона от примеси кислорода обычно не составляет труда в силу различий физических свойств (озон легче сжижается). Если не требуется соблюдения определенных качественных и количественных параметров реакции, то получение озона не представляет особых трудностей.
Молекула О3 неустойчива и довольно быстро превращается в O2 с выделением тепла. При небольших концентрациях и без посторонних примесей озон разлагается медленно, при больших — со взрывом. Спирт при соприкосновении с ним моментально воспламеняется. Нагревание и контакт озона даже с ничтожными количествами субстрата окисления (органических веществ, некоторых металлов или их окислов) резко ускоряет его разложение. Озон может сохраняться длительное время при − 78ºС в присутствии стабилизатора (небольшого количества HNO3), а также в сосудах из стекла, некоторых пластмасс или благородных металлов.
Озон - сильнейший окислитель. Причина такого явления кроется в том, что в процессе распада образуется атомарный кислород. Такой кислород гораздо агрессивнее молекулярного, потому что в молекуле кислорода дефицит электронов на внешнем уровне вследствие их коллективного использования молекулярной орбитали не так заметен.
Еще в XVIII веке было замечено, что ртуть в присутствии озона теряет блеск и прилипает к стеклу, т.е. окисляется. А при пропускании озона через водный раствор йодистого калия начинает выделяться газообразный йод. Такие же «фокусы» с чистым кислородом не получались. В дальнейшем открывались свойства озона, которые сразу же были приняты на вооружение человечества: озон оказался прекрасным антисептиком, озон быстро удалял из воды органические вещества любого происхождения (парфюмерия и косметика, биологические жидкости), стал широко использоваться в промышленности и быту, прекрасно зарекомендовал себя в качестве альтернативы стоматологической бормашине.
В XXI веке применение озона во всех областях жизни и деятельности человека растет и развивается, а потому мы становимся свидетелями его превращения из экзотики в привычный инструмент для повседневной работы. ОЗОН O3, аллотропная форма кислорода.
Получение и физические свойства озона.
Впервые ученые узнали о существовании неизвестного им газа, когда начали экспериментировать с электростатическими машинами. Случилось это в 17 веке. Но начали изучать новый газ лишь в конце следующего столетия. В 1785 голландский физик Мартин ван Марум получил озон, пропуская через кислород электрические искры. Название же озон появилось лишь в 1840; его придумал швейцарский химик Кристиан Шенбейн, произведя его от греческого ozon - пахнущий. По химическому составу этот газ не отличался от кислорода, но был значительно агрессивнее. Так, он мгновенно окислял бесцветный иодид калия с выделением бурого иода; эту реакцию Шенбейн использовал для определения озона по степени посинения бумаги, пропитанной раствором иодида калия и крахмала. Даже малоактивные при комнатной температуре ртуть и серебро в присутствии озона окисляются.
Оказалось, что молекулы озона, как и кислорода, состоят только из атомов кислорода, только не из двух, а из трех. Кислород О2 и озон О3 - единственный пример образования одним химическим элементом двух газообразных (при обычных условиях) простых веществ. В молекуле О3 атомы расположены под углом, поэтому эти молекулы полярны. Получается озон в результате «прилипания» к молекулам О2 свободных атомов кислорода, которые образуются из молекул кислорода под действием электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, гамма-квантов, быстрых электронов и других частиц высокой энергии. Озоном всегда пахнет около работающих электрических машин, в которых «искрят» щетки, около бактерицидных ртутно-кварцевых ламп, которые излучают ультрафиолет. Атомы кислорода выделяются и в ходе некоторых химических реакций. Озон образуется в малых количествах при электролизе подкисленной воды, при медленном окислении на воздухе влажного белого фосфора, при разложении соединений с высоким содержанием кислорода (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), при действии на воду фтора или на пероксид бария концентрированной серной кислоты. Атомы кислорода всегда присутствуют в пламени, поэтому если направить струю сжатого воздуха поперек пламени кислородной горелки, в воздухе обнаружится характерный запах озона.
Реакция 3O2 → 2O3 сильно эндотермичная: для получения 1 моль озона надо затратить 142 кДж. Обратная реакция идет с выделением энергии и осуществляется очень легко. Соответственно озон неустойчив. В отсутствие примесей газообразный озон медленно разлагается при температуре 70° С и быстро - выше 100° С. Скорость разложения озона значительно увеличивается в присутствии катализаторов. Ими могут быть и газы (например, оксид азота, хлор), и многие твердые вещества (даже стенки сосуда). Поэтому чистый озон получить трудно, а работать с ним опасно из-за возможности взрыва.
Не удивительно, что в течение многих десятилетий после открытия озона неизвестны были даже основные его физические константы: долго никому не удавалось получить чистый озон. Как писал в своем учебнике Основы химии Д.И.Менделеев, «при всех способах приготовления газообразного озона содержание его в кислороде всегда незначительно, обыкновенно лишь несколько десятых долей процента, редко 2%, и только при очень пониженной температуре оно достигает 20%». Лишь в 1880 французские ученые Ж.Готфейль и П.Шаппюи получали озон из чистого кислорода при температуре минус 23° С. Оказалось, что в толстом слое озон имеет красивую синюю окраску. Когда охлажденный озонированный кислород медленно сжали, газ стал темно-синим, а после быстрого сброса давления температура еще более понизилась и образовались капли жидкого озона темно-фиолетового цвета. Если же газ не охлаждали или сжимали быстро, то озон мгновенно, с желтой вспышкой, переходил в кислород.
Позднее разработали удобный метод синтеза озона. Если подвергнуть электролизу концентрированный раствор хлорной, фосфорной или серной кислоты с охлаждаемым анодом из платины или из оксида свинца(IV), то выделяющийся на аноде газ будет содержать до 50% озона. Были уточнены и физические константы озона. Он сжижается намного легче кислорода - при температуре -112° С (кислород - при -183° С). При -192,7° С озон затвердевает. Твердый озон имеет сине-черный цвет.
Опыты с озоном опасны. Газообразный озон способен взрываться, если его концентрация в воздухе превысит 9%. Еще легче взрываются жидкий и твердый озон, особенно при контакте с окисляющимися веществами. Озон можно хранить при низких температурах в виде растворов во фторированных углеводородах (фреонах). Такие растворы имеют голубой цвет.
Химические свойства озона.
Для озона характерна чрезвычайно высокая реакционная способность. Озон - один из сильнейших окислителей и уступает в этом отношении только фтору и фториду кислорода OF2. Действующее начало озона как окислителя - атомарный кислород, который образуется при распаде молекулы озона. Поэтому, выступая в качестве окислителя, молекула озона, как правило, «использует» только один атом кислорода, а два других выделяются в виде свободного кислорода, например, 2KI + O3 + H2O → I2 + 2KOH + O2. Так же происходит окисление многих других соединений. Однако бывают и исключения, когда молекула озона использует для окисления все три имеющиеся у нее атома кислорода, например, 3SO2 + O3 → 3SO3; Na2S + O3 → Na2SO3.
Очень важное отличие озона от кислорода в том, что озон проявляет окислительные свойства уже при комнатной температуре. Например, PbS и Pb(OH)2 в обычных условиях не реагируют с кислородом, тогда как в присутствии озона сульфид превращается в PbSO4, а гидроксид - в PbO2. Если в сосуд с озоном налить концентрированный раствор аммиака, появится белый дым - это озон окислил аммиак с образованием нитрита аммония NH4NO2. Особенно характерна для озона способность «чернить» серебряные изделия с образованием AgO и Ag2O3.
Присоединив один электрон и превратившись в отрицательный ион О3-, молекула озона становится более стабильной. Содержащие такие анионы «озонокислые соли» или озониды были известны давно - их образуют все щелочные металлы, кроме лития, причем устойчивость озонидов растет от натрия к цезию. Известны и некоторые озониды щелочноземельных металлов, например, Са(О3)2. Если направить на поверхность твердой сухой щелочи струю газообразного озона, то образуется оранжево-красная корка, содержащая озониды, например, 4КОН + 4О3 → 4КО3 + О2 + 2Н2О. При этом твердая щелочь эффективно связывает воду, что предохраняет озонид от немедленного гидролиза. Однако при избытке воды озониды бурно разлагаются: 4КО3+ 2Н2О → 4КОН + 5О2. Разложение идет и при хранении: 2КО3 → 2КО2 + О2. Озониды хорошо растворимы в жидком аммиаке, что позволило выделить их в чистом виде и изучить их свойства.
Органические, вещества, с которыми озон соприкасается, он обычно разрушает. Так, озон, в отличие от хлора, способен расщеплять бензольное кольцо. При работе с озоном нельзя использовать резиновые трубки и шланги - они моментально «прохудятся». Реакции озона с органическими соединениями идут с выделением большого количества энергии. Например, эфир, спирт, вата, смоченная скипидаром, метан и многие другие вещества самовоспламеняются при соприкосновении с озонированным воздухом, а смешение озона с этиленом приводит к сильному взрыву.
Применение озона.
Озон не всегда «сжигает» органические вещества; в ряде случаев удается провести специфические реакции с сильно разбавленным озоном. Например, при озонировании олеиновой кислоты (она в больших количествах содержится в растительных маслах) образуется азелаиновая кислота НООС(СН2)7СООН, которую используют для получения высококачественных смазочных масел, синтетических волокон и пластификаторов для пластмасс. Аналогично получают адипиновую кислоту, которую используют при синтезе найлона. В 1855 Шенбейн открыл реакцию с озоном непредельных соединений, содержащих двойные связи С=С, но только в 1925 немецкий химик Х.Штаудингер установил механизм этой реакции. Молекула озона присоединяется к двойной связи с образованием озонида - на этот раз органического, причем на место одной из связей С=С встает атом кислорода, а на место другой - группировка -О-О-. Хотя некоторые органические озониды выделены в чистом виде (например, озонид этилена), эту реакцию обычно проводят в разбавленном растворе, так как в свободном виде озониды - очень неустойчивые взрывчатые вещества. Реакция озонирования непредельных соединений пользуется у химиков-органиков большим почетом; задачи с этой реакцией часто предлагают даже на школьных олимпиадах. Дело в том, что при разложении озонида водой образуются две молекулы альдегида или кетона, которые легко идентифицировать и далее установить строение исходного непредельного соединения. Таким образом химики еще в начале 20 века установили строение многих важных органических соединений, в том числе природных, содержащих связи С=С.
Важная область применения озона - обеззараживание питьевой воды. Обычно воду хлорируют. Однако некоторые примеси в воде под действием хлора превращаются соединения с очень непpиятым запахом. Поэтому уже давно предложено заменить хлор озоном. Озонированная вода не приобретает постороннего запаха или вкуса; при полном окислении озоном многих органических соединений образуются только углекислый газ и вода. Очищают озоном и сточные воды. Продукты окисления озоном даже таких загрязнителей как фенолы, цианиды, повеpхностно-активные вещества, сульфиты, хлоpамины, представляют собой безвредные соединения без цвета и запаха. Избыток же озона довольно быстро распадается с образованием кислорода. Однако озонирование воды обходится дороже, чем хлорирование; кроме того, озон нельзя перевозить, и он должен производиться на месте использования.
Озон в атмосфере.
Озона в атмосфере Земли немного - 4 млрд. тонн, т.е. в среднем всего 1 мг/м3. Концентрация озона растет с удалением от поверхности Земли и достигает максимума в стратосфере, на высоте 20-25 км - это и есть «озоновый слой». Если весь озон из атмосферы собрать у поверхности Земли при нормальном давлении, получится слой толщиной всего около 2-3 мм. И вот такие малые количества озона в воздухе фактически обеспечивают жизнь на Земле. Озон создает «защитный экран», не пропускающий к поверхности Земли жесткие ультрафиолетовые солнечные лучи, губительные для всего живого.
В последние десятилетия большое внимание уделяется появлению так называемых «озоновых дыр» - областях со значительно уменьшенным содержанием стратосферного озона. Через такой «прохудившийся» щит до поверхности Земли доходит более жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Поэтому ученые давно следят за озоном в атмосфере. В 1930 английский геофизик С.Чепмен для объяснения постоянной концентрации озона в стратосфере предложил схему из четырех реакций (эти реакции получили название цикла Чепмена, в них М означает любой атом или молекулу, которые уносят избыточную энергию):
О + О + М → О2 + М
О + О3 → 2О2
О3 → О2 + О.
Первая и четвертая реакции этого цикла - фотохимические, они идут под действием солнечной радиации. Для распада молекулы кислорода на атомы требуется излучение с длиной волны менее 242 нм, тогда как озон распадается при поглощении света в области 240-320 нм (последняя реакция как раз и защищает нас от жесткого ультрафиолета, так как кислород в этой спектральной области не поглощает). Остальные две реакции термические, т.е. идут без действия света. Очень важно, что третья реакция, приводящая к исчезновению озона, имеет энергию активации; это означает, что скорость такой реакции может увеличиваться под действием катализаторов. Как выяснилось, основной катализатор распада озона - оксид азота NO. Он образуется в верхних слоях атмосферы из азота и кислорода под действием наиболее жесткой солнечной радиации. Попадая в озоносферу, он вступает в цикл из двух реакций O3 + NO → NO2 + O2, NO2 + O → NO + O2, в результате которой его содержание в атмосфере не меняется, а стационарная концентрация озона снижается. Существуют и другие циклы, приводящие к снижению содержания озона в стратосфере, например, с участием хлора:
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O → Cl + O2.
Разрушают озон также пыль и газы, которые в большом количестве попадают в атмосферу при извержении вулканов. В последнее время возникло предположение, что озон также эффективно разрушает водород, выделяющийся из земной коры. Совокупность всех реакций образования и распада озона приводит к тому, что среднее время жизни молекулы озона в стратосфере составляет около трех часов.
Предполагают, что помимо природных, существуют и искусственные факторы, влияющие на озоновый слой. Хорошо известный пример - фреоны, которые являются источниками атомов хлора. Фреоны - это углеводороды, в которых атомы водорода замещены атомами фтора и хлора. Их используют в холодильной технике и для заполнения аэрозольных баллончиков. В конечном счете, фреоны попадают в воздух и медленно поднимаются с потоками воздуха все выше и выше, достигая, наконец, озонового слоя. Разлагаясь под действием солнечной радиации, фреоны сами начинают каталитически разлагать озон. Пока не известно в точности, в какой степени именно фреоны повинны в «озоновых дырах», и, тем не менее, уже давно принимают меры по ограничению их применения.
Как показывают расчеты, через 60-70 лет концентрация озона в стратосфере может уменьшиться на 25%. И одновременно увеличится концентрации озона в приземном слое - тропосфере, что тоже плохо, так как озон и продукты его превращений в воздухе ядовиты. Основной источник озона в тропосфере - перенос с массами воздуха стратосферного озона в нижние слои. Ежегодно в приземный слой озона поступает примерно 1,6 млрд. тонн. Время жизни молекулы озона в нижней части атмосферы значительно выше - более 100 суток, поскольку в приземном слое меньше интенсивность ультрафиолетового солнечного излучения, разрушающего озон. Обычно озона в тропосфере очень мало: в чистом свежем воздухе его концентрация составляет в среднем всего 0,016 мкг/л. Концентрация озона в воздухе зависит не только от высоты, но и от местности. Так, над океанами озона всегда больше, чем над сушей, так как там озон распадается медленнее. Измерения в Сочи показали, что воздух у морского побережья содержит на 20% больше озона, чем в лесу в 2 км от берега.
Современные люди вдыхают значительно больше озона, чем их предки. Основная причина этого - увеличение количества метана и оксидов азота в воздухе. Так, содержание метана в атмосфере постоянно растет, начиная с середины 19 века, когда началось использование природного газа. В загрязненной оксидами азота атмосфере метан вступает в сложную цепочку превращений с участием кислорода и паров воды, итог которой можно выразить уравнением CH4 + 4O2 → HCHO + H2O + 2O3. В роли метана могут выступать и другие углеводороды, например, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей при неполном сгорании бензина. В результате в воздухе крупных городов за последние десятилетия концентрация озона выросла в десятки раз.
Всегда считалось, что во время грозы концентрация озона в воздухе резко увеличивается, так как молнии способствуют превращению кислорода в озон. На самом деле увеличение незначительно, причем оно происходит не во время грозы, а за несколько часов до нее. Во время же грозы и в течение нескольких часов после нее концентрация озона снижается. Объясняется это тем, что перед грозой происходит сильное вертикальное перемешивание воздушных масс, так что дополнительное количество озона поступает из верхних слоев. Кроме того, перед грозой увеличивается напряженность электрического поля, и создаются условия для образования коронного разряда на остриях различных предметов, например, кончиков ветвей. Это также способствует образованию озона. А затем при развитии грозового облака под ним возникают мощные восходящие потоки воздуха, которые и снижают содержание озона непосредственно под облаком.
Интересен вопрос о содержании озона в воздухе хвойных лесов. Например, в Курсе неорганической химии Г. Реми можно прочитать, что «озонированный воздух хвойных лесов» - выдумка. Так ли это? Ни одно растение озон, конечно, не выделяет. Но растения, особенно хвойные, выделяют в воздух множество летучих органических соединений, в том числе ненасыщенных углеводородов класса терпенов (их много в скипидаре). Так, в жаркий день сосна выделяет в час 16 мкг терпенов на каждый грамм сухой массы хвои. Терпены выделяют не только хвойные, но и некоторые лиственные деревья, среди которых - тополь и эвкалипт. А некоторые тропические деревья способны выделить в час 45 мкг терпенов на 1 г сухой массы листьев. В результате в сутки один гектар хвойного леса может выделить до 4 кг органических веществ, лиственного - около 2 кг. Покрытая лесом площадь Земли составляет миллионы гектаров, и все они выделяют в год сотни тысяч тонн различных углеводородов, в том числе и терпенов. А углеводороды, как это было показано на примере метана, под действием солнечной радиации и в присутствии других примесей способствуют образованию озона. Как показали опыты, терпены в подходящих условиях действительно очень активно включаются в цикл атмосферных фотохимических реакций с образованием озона. Так что озон в хвойном лесу - вовсе не выдумка, а экспериментальный факт.
Озон и здоровье.
Как приятно прогуляться после грозы! Воздух чист и свеж, его бодрящие струи, кажется, без всяких усилий сами втекают в легкие. «Озоном пахнет, - часто говорят в таких случаях. - Очень полезно для здоровья». Так ли это?
Когда-то озон, безусловно, считали полезным для здоровья. Но если его концентрация превышает определенный порог, он может вызывать массу неприятных последствий. В зависимости от концентрации и времени вдыхания озон вызывает изменения в легких, раздражение слизистых глаз и носа, головную боль, головокружение, снижение кровяного давления; озон уменьшает сопротивляемость организма бактериальным инфекциям дыхательных путей. Предельно допустимая его концентрация в воздухе составляет всего 0,1 мкг/л, а это означает, что озон намного опаснее хлора! Если несколько часов провести в помещении при концентрации озона всего лишь 0,4 мкг/л, могут появиться загрудинные боли, кашель, бессонница, снижается острота зрения. Если долго дышать озоном при концентрации больше 2 мкг/л, последствия могут быть более тяжелыми - вплоть до оцепенения и упадка сердечной деятельности. При содержании озона 8-9 мкг/л через несколько часов происходит отек легких, что чревато смертельным исходом. А ведь такие ничтожные количества вещества обычно с трудом поддаются анализу обычными химическими методами. К счастью, человек чувствует присутствие озона уже при очень малых его концентрациях - примерно 1 мкг/л, при которых йодкрахмальная бумажка еще и не собирается синеть. Одним людям запах озона в малых концентрациях напоминает запах хлора, другим - сернистого газа, третьим - чеснока.
Ядовит не только сам озон. С его участием в воздухе образуется, например, пероксиацетилнитрат (ПАН) СН3-СО-ООNО2 - вещество, оказывающее сильнейшее раздражающее, в том числе слезоточивое, действие, затрудняющее дыхание, а в более высоких концентрациях вызывающее паралич сердца. ПАН - один из компонентов образующегося летом в загрязненном воздухе так называемого фотохимического смога (это слово образовано от английского smoke - дым и fog - туман). Концентрация озона в смоге может достигать 2 мкг/л, что в 20 раз больше предельно допустимой. Следует также учесть, что совместное действие озона и оксидов азота в воздухе в десятки раз сильнее, чем каждого вещества порознь. Не удивительно, что последствия возникновения такого смога в больших городах могут быть катастрофическими, особенно если воздух над городом не продувается «сквозняками» и образуется застойная зона. Так, в Лондоне в 1952 от смога в течение нескольких дней погибло более 4000 человек. А смог в Нью-Йорке в 1963 убил 350 человек. Аналогичные истории были в Токио, других крупных городах. Страдают от атмосферного озона не только люди. Американские исследователи показали, например, что в областях с повышенным содержанием озона в воздухе время службы автомобильных шин и других изделий из резины значительно уменьшается.
Как уменьшить содержание озона в приземном слое? Снизить поступление в атмосферу метана вряд ли реалистично. Остается другой путь - уменьшить выбросы оксидов азота, без которых цикл реакций, приводящих к озону, идти не может. Путь это тоже непростой, так как оксиды азота выбрасываются не только автомобилями, но и (главным образом) тепловыми электростанциями.
Источники озона - не только на улице. Он образуется в рентгеновских кабинетах, в кабинетах физиотерапии (его источник - ртутно-кварцевые лампы), при работе копировальной техники (ксероксов), лазерных принтеров (здесь причина его образования - высоковольтный разряд). Озон - неизбежный спутник производства пергидроля, аргонодуговой сварки. Для уменьшения вредного действия озона необходимо оборудование вытяжки у ультрафиолетовых ламп, хорошее проветривание помещения.
И все же вряд ли правильно считать озон, безусловно, вредным для здоровья. Все зависит от его концентрации. Как показали исследования, свежий воздух очень слабо светится в темноте; причина свечения - реакции окисления с участием озона. Свечение наблюдали и при встряхивании воды в колбе, в которую был предварительно напущен озонированный кислород. Это свечение всегда связано с присутствием в воздухе или воде небольших количеств органических примесей. При смешении свежего воздуха с выдыхаемым человеком интенсивность свечения повышалась в десятки раз! И это не удивительно: в выдыхаемом воздухе обнаружены микропримеси этилена, бензола, уксусного альдегида, формальдегида, ацетона, муравьиной кислоты. Они-то и «высвечиваются» озоном. В то же время «несвежий», т.е. полностью лишенный озона, хотя и очень чистый, воздух свечения не вызывает, а человек его ощущает как «затхлый». Такой воздух можно сравнить с дистиллированной водой: она очень чистая, практически не содержит примесей, а пить ее вредно. Так что полное отсутствие в воздухе озона, по-видимому, тоже неблагоприятно для человека, так как увеличивает содержание в нем микроорганизмов, приводит к накоплению вредных веществ и неприятных запахов, которые озон разрушает. Таким образом, становится понятной необходимость регулярного и длительного проветривания помещений, даже если в нем нет людей: ведь попавший в комнату озон долго в ней не задерживается - частично он распадается, а в значительной степени оседает (адсорбируется) на стенках и других поверхностях. Сколько должно быть озона в помещении, пока сказать трудно. Однако в минимальных концентрациях озон, вероятно, необходим и полезен.
Таким образом, озон это мина замедленного действия. Если его правильно использовать, то он будет служить человечеству, но стоит его начать использовать не по назначению, как это моментально приведет к глобальной катастрофе и Земля превратится в такую планету как Марс.
Озон - газообразное вещество, являющееся видоизменением кислорода (состоит из трех атомов его). Он всегда присутствует в атмосфере, но впервые был обнаружен в 1785 г. во время изучения действия искры на воздух голландским физиком Ван Марумом. В 1840 г. немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн подтвердил эти наблюдения и предложил, что им открыт новый элемент, которому он дал название «озон» (от греческого ozon - пахнущий). В 1850 г. была определена высокая активность озона как окислителя и способность его присоединяться к двойным связям в реакциях со многими органическими соединениями. Оба эти свойства озона в дальнейшем нашли широкое практическое применение. Однако значение озона не ограничивается только этими двумя свойствами. Было установлено, что он обладает рядом ценных свойств как дезинфектанта и дезодоранта.
Впервые озон стали использовать в санитарии как средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха. В числе первых исследователей процессов озонирования были и русские ученые. Еще в 1874 г. создатель перво" школы (русской) гигиенистов профессор А. Д. Доброе ш вин предложил озон как лучшее средство для обеззараживания питьевой воды и воздуха от патогенной микро флоры. Дозднее, в 1886 г. Н. К. Келдыш провел исследования бактерицидного действия озона и рекомендовали его как высокоэффективное дезинфицирующее средство. Особенно широко развернулись исследования озона в XX в. И уже в 1911 г. в.Петербурге была пущена в эксплуатацию первая в Европе озоноводопроводная станция. В этот же период были проведены многочисленные исследования озонирования с лечебной целью в медицине, с санитарной целью в пищевой промышленности, в окислительных процессах химической промышленности и др.
Сферы и масштабы использования озона в последнее десятилетие увеличиваются быстрыми темпами. В настоящее время наиболее важные области применения озона следующие: очистка и обеззараживание питьевой и промышленной воды, а также хозяйственно-фекальных и промышленных стоков с целью снижения биологического потребления кислорода (БПК), обесцвечивание, нейтрализация вредных ядовитых веществ (цианидов, фенолов, меркаптанов), устранение неприятных запахов, дезодорация и очистка воздуха различных производств, озонирование в системах кондиционирования воздуха, хранение пищевых продуктов, стерилизация упаковочных и перевязочных материалов в фармацевтической промышленности, терапия и медицинская профилактика различных заболеваний и др.
В последние годы установлено еще одно свойство озона - способность повышать биологическую ценность кормов для животных и продуктов питания для человека, что позволило применять озон в процессах переработки, подготовки и хранения кормов и различных продуктов. Поэтому разработка технологий озонирования в сельскохозяйственном производстве, и, в частности в птицеводстве, весьма перспективна
Физические свойства озона
Озон - это высокоактивная, аллотропная форма кислорода; при обычных температурах - это газ светло-голубого цвета с характерным острым запахом (запах органолептически ощущается при концентрации озона 0,015 мг/м3 воздуха). В жидкой фазе озон имеет индиго-голубой, а в твердой - густой фиолетово-голубоватый цвет, слой озона толщиной в 1 мм практически светонепроницаем. Озон образуется из кислорода, поглощая при этом тепло и, наоборот, при разложении переходит в кислород, выделяя тепло (подобно горению). Процесс этот можно записать в следующем виде:
Экзотермическая реакция
2Оз=ЗО2+68 ккал
Эндотермическая реакция
Скорости этих реакций зависят от температуры, давления и концентрации озона. При нормальной температуре и давлении реакции протекают медленно, но при повышенных температурах ускоряется распад озона.
Образование озона под действием энергии различных излучений довольно сложно. Первичные процессы образования озона из кислорода могут протекать по-разному в зависимости от количества приложенной энергии.
Возбуждение молекулы кислорода происходит при энергии электронов 6,1 эВ; образование молекулярных ионов кислорода - при энергии электронов 12,2 эВ; диссоциация в кислороде - при энергии электронов 19,2 эВ. Все свободные электроны захватываются молекулами кислорода, в результате чего образуются отрицательные ионы кислорода. После возбуждения молекулы наступает реакция образования озона.
При энергии электронов 12,2 эВ, когда происходит образование молекулярных ионов кислорода, выхода озона не наблюдается, а при энергии электронов 19,2 эВ, когда участвуют как атом, так и ион кислорода, образуется озон. Наряду с этим образуются положительные и отрицательные ионы кислорода. Механизм распада озона*, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, сложен и зависит от условий. Разложение озона ускоряется в гомогенных системах газообразными добавками (окислы азота, хлор и др.), а в гетерогенных системах металлами (ртуть, серебро, медь и др.) и окислами металлов (железо, медь, никель, свинец и др.). При высоких концентрациях озона реакция происходит со взрывом. При концентрации озона до 10% взрывного разложения его не происходит. Низкие температуры способствуют сохранению озона. При температурах около - 183°С жидкий озон можно хранить длительное время без заметного разложения. Быстрое нагревание до точки кипения (-119°С) или быстрое охлаждение озона могут привести к взрыву. Поэтому знание свойств озона и соблюдение мер предосторожности очень важно при работе с ним. В таблице 1 приведены основные физические свойства озона.
При газообразном состоянии озон диамагнитен, а в жидком - слабо парамагнитен. Озон хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Растворимость его в воде выше, чем кислорода, более чем в 15 раз.
Молекула озона, как уже отмечалось, состоит из трех атомов кислорода и имеет несимметричную структуру треугольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыражен-ной полярностью (0,58).
Основные физические свойства озона
| Показатель | Значение |
| Молекулярный вес | 47,998 |
| Удельный вес по воздуху | 1,624 |
| Плотность при НТД | 2,1415 г/л |
| Объем при НТД | 506 см3/г |
| Температура плавления | - 192,5° С |
| Температура кипения | -111,9°С |
| Критическая температура | - 12,1° С |
| Критическое давление | 54,6 атм |
| Критический объем | 147,1 см3/моль |
| Вязкость при НТД | 127- КГ* пауз |
| Теплота образования (18° С) | 34,2 ккал/моль |
| Теплота испарения (-112° С) | 74,6 ккал/моль |
| Теплота растворения (НгО, 18° С) | 3,9 ккал/моль |
| Потенциал ионизации | 12,8 эВ |
| Сродство к электрону | 1,9-2,7 эВ |
| Диэлектрическая постоянная Газообразного озона при НТД |
1,0019 |
| Теплопроводность (25° С) | 3,3- 10~"5 кал/с- см2 |
| Скорость детонации (25° С) | 1863 м/с |
| Давление детонации (25° С) | 30 атм |
| Магнитная восприимчивость | |
| (18° С) | 0,002- Ю-6 ед |
| Молекулярные коэффициенты | |
| .кстинции (25° С) | 3360 см""1 моль (при 252 нмУФЛ); 1,32см-1 (при 605 нм видимого света) |
| Растворимость в воде при ("С): | |
| 0 | 1,13 г/л |
| 10 | 0,875 г/л |
| 20 | 0,688 г/л |
| 40 | 0,450 г/л |
| СО | 0,307 г/л |
| Растворимость озона: | |
| в уксусной кислоте (18,2° С) | 2,5 г/л |
| в трихлоруксусной кислоте, 0"С) | 1,69 г/л |
| , ангидриде уксусной кислоты (0°С) | 2,15 г/л |
| в пропионовой кислоте (17,3° С) | 3,6 г/л |
| в ангидриде пропионовой кислоты (18,2° С) | 2,8 г/л |
| в четыреххлористом углероде (21° С) | 2,95 г/л |
Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.
гольника, характеризующегося тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями (1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыражен-ной полярностью (0,58).
Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в биосфере Земли.
Озон обладает хорошей способностью адсорбироваться силикагелем и алюмогелем, что позволяет использовать это явление для извлечения озона из газовых смесей и из растворов, а также для безопасного обращения с ним при высоких концентрациях. В последнее время для безопасной работы с высокими концентрациями озона широко используют фреоны. Концентрированный озон, растворенный во фреоне, может сохраняться длительное время.
При синтезе озона, как правило, образуются газовые смеси (O3+O2 или Оз + воздух), в которых содержание озона не превышает 2-5% по объему. Получение чистого озона - технически сложная задача и до настоящего времени еще нерешенная. Существует способ отделения кислорода от смесей путем низкотемпературной ректификации газовых смесей. Однако пока еще не удалось исключить опасность взрыва озона при ректификации. В исследовательской практике часто используют прием двойного намораживания озона жидким азотом, позволяющий получить концентрированный озон. Более безопасным является метод получения концентрированного озона путем адсорбции - десорбции, когда поток газовой смеси продувают через слой охлажденного (-80°С) силикагеля, а затем адсорбент продувают инертным газом (азотом или гелием). Таким методом можно получить соотношение озон: кислород =9:1, т. е. высококонцентрированный озон.
Использование в промышленных целях концентрированного озона как окислительного компонента незначительно.
Химические свойства озона
Характерными химическими свойствами озона в первую очередь следует считать его нестойкость, способность быстро разлагаться, и высокую окислительную активность.
Для озона установлено окислительное число И, которое характеризует число атомов кислорода, отдаваемых озоном окисляемому веществу. Как показали опыты, оно может быть равным 0,1, 3. В первом случае озон разлагается с увеличением объема: 2Оз--->ЗО2, во втором он отдает окисляемому веществу один атом кислорода: О3 ->О2+О (при этом, объем не увеличивается), и в третьем случае происходит присоединение озона к окисляемому веществу: О3->ЗО (при этом объем его уменьшается) .
Окислительными свойствами характеризуются химические реакции озона с неорганическими веществами.
Озон окисляет все металлы, за исключением золота и группы платины. Сернистые соединения окисляются им до сернокислых, нитриты - в нитраты. В реакциях с соединениями йода и брома озон проявляет восстановительные свойства, и на этом основан ряд методов его количественного определения. В реакцию с озоном вступают азот, углерод и их окислы. В реакции озона с водородом образуются гидроксильные радикалы: Н+О3-> HO+O2. Окислы азота реагируют с озоном быстро, образуя высшие окислы:
NO+Оз->NO2+O2;
NO2+O3----->NO3+O2;
NO2+O3->N2O5.
Аммиак окисляется озоном в азотнокислый аммоний.
Озон разлагает галогеноводороды и переводит низшие окислы в высшие. Галогены, участвующие в качестве активаторов процесса, также образуют высшие окислы.
Восстановительный потенциал озон - кислород достаточно высокий и в кислой среде определен величиной 2,07 В, а в щелочном растворе - 1,24 В. Сродство озона с электроном определено величиной в 2 эВ, и только фтор, его окислы и свободные радикалы обладают более сильным сродством к электрону.
Высокое окислительное действие озона было использовано для перевода ряда трансурановых элементов в семивалентное состояние, хотя высшее валентное состояние их равно 6. Реакция озона с металлами переменной валентности (Сг, Сог и др.) находит практическое применение при получении исходного сырья в производстве красителей и витамина PP.
Щелочные и щелочно-земельные металлы под действием озона окисляются, а их гидроокиси образуют озониды (триоксиды). Известны озониды давно, о них упоминал еще в 1886 г. французский химик-органик Шарль Адольф Вюрц. Они представляют собой кристаллическое вещество красно-коричневого цвета, в решетку молекул которого входят однократно отрицательные ионы озона (O3-), чем и обусловлены их парамагнитные свойства. Предел термической устойчивости озонидов -60±2° С, содержание активного кислорода - 46% по весу. Как многие пе-рекисные соединения озониды щелочных металлов нашли широкое применение в регенеративных процессах.
Озониды образуются в реакциях озона с натрием, калием, рубидием, цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс типа М+ О- Н+ O3--с дальнейшей реакцией с озоном, в результате чего образуется смесь озонида и водного гидрата окиси щелочного металла.
Озон активно вступает в химическое взаимодействие со многими органическими соединениями. Так, первичным продуктом взаимодействия озона с двойной связью непредельных соединений является малозоид, который нестоек и распадается на биполярный ион и карбонильные соединения (альдегид или кетон). Промежуточные продукты, которые образуются в этой реакции, вновь соединяются в другой последовательности, образуя озо-нид. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с биполярным ионом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения.
В реакциях с насыщенными углеводородами озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление, при этом выход продуктов окисления соответствует расходу озона. Взаимодействие озона с насыщенными углеводородами протекает как в газовой фазе, так и в растворах.
С озоном легко реагируют фенолы, при этом происходит разрушение последних до соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины и полимерные материалы; реакции озона с ароматическими углеводородами - дифениловую кислоту, фталевый диальдегид и фталевую кислоту, глиоксалевую кислоту и др.
Реакции озона с ароматическими углеводородами легли в основу разработки методов дезодорации различных сред, помещений, сточных вод, абгазов, а с серосодержащими соединениями - в основу разработки методов очистки сточных вод и отходящих газов различных производств, включая сельское хозяйство, от серосодержащих вредных соединений (сероводород, меркаптаны, сернистый ангидрид).
