ترکیب مولکول ازن و خواص فیزیکی آن مولکول ازن: ساختار، فرمول، مدل. یک مولکول ازن چگونه به نظر می رسد؟

آیا تا به حال دقت کرده اید که نفس کشیدن بعد از باران چقدر لذت بخش است؟ این هوای با طراوت توسط ازن موجود در اتمسفر پس از باران ایجاد می شود. این ماده چیست، وظایف، فرمول آن چیست و آیا واقعا برای بدن انسان مفید است؟ بیایید آن را بفهمیم.

ازن چیست؟

همه کسانی که در دبیرستان درس خوانده اند می دانند که مولکول اکسیژن از دو اتم عنصر شیمیایی اکسیژن تشکیل شده است. با این حال، این عنصر قادر به تشکیل یک ترکیب شیمیایی دیگر - ازن است. این نام به ماده ای داده می شود که معمولاً به شکل گاز وجود دارد (اگرچه می تواند در هر سه حالت تجمع وجود داشته باشد).

مولکول این ماده کاملاً شبیه به اکسیژن (O 2) است ، اما از دو اتم نیست بلکه از سه اتم - O 3 تشکیل شده است.

تاریخچه کشف اوزون

مردی که برای اولین بار ازن را سنتز کرد، فیزیکدان هلندی مارتین ون ماروم است.

او بود که در سال 1785 آزمایشی را با عبور تخلیه الکتریکی از هوا انجام داد. گاز حاصل نه تنها بوی خاصی به دست آورد، بلکه رنگ مایل به آبی نیز پیدا کرد. علاوه بر این، ماده جدید یک عامل اکسید کننده قوی تر از اکسیژن معمولی است. بنابراین، ون ماروم با در نظر گرفتن تأثیر آن بر جیوه، دریافت که این فلز کمی خواص فیزیکی خود را تغییر داده است، که تحت تأثیر اکسیژن برای آن اتفاق نیفتاد.

فیزیکدان هلندی علیرغم کشف خود، باور نداشت که ازن ماده خاصی است. تنها 50 سال پس از کشف ون ماروم، دانشمند آلمانی کریستین فردریش شونبین به طور جدی به ازن علاقه مند شد. به لطف او بود که این ماده نام خود را - ازن (پس از کلمه یونانی به معنای "بو") گرفت و همچنین با دقت بیشتری مورد مطالعه و توصیف قرار گرفت.

ازن: خواص فیزیکی

این ماده دارای یک سری خواص است. اولین مورد، توانایی ازن، مانند آب، در سه حالت تجمع است.

حالت عادی که ازن در آن قرار دارد، گازی مایل به آبی است (این اوست که آسمان را به رنگ لاجوردی رنگ می کند) با عطر فلزی قابل توجهی. چگالی چنین گازی 2.1445 g/dm³ است.

هنگامی که دما کاهش می یابد، مولکول های ازن یک مایع بنفش آبی با چگالی 1.59 گرم بر سانتی متر مکعب (در -188 درجه سانتی گراد) تشکیل می دهند. مایع O 3 را در -111.8 درجه سانتیگراد می جوشاند.

در حالت جامد، ازن تیره می شود و تقریباً سیاه و با انعکاس آبی بنفش مشخص می شود. چگالی آن 1.73 گرم بر سانتی متر مکعب است (در -195.7 درجه سانتیگراد). دمایی که در آن ازن جامد شروع به ذوب شدن می کند -197.2 درجه سانتی گراد است.

وزن مولکولی O 3 48 دالتون است.

در دمای 0 درجه سانتیگراد، ازن کاملاً در آب حل می شود که ده برابر سریعتر از اکسیژن است. وجود ناخالصی ها در آب می تواند این واکنش را بیشتر تسریع کند.

علاوه بر آب، ازن در فریون نیز حل می شود که حمل و نقل آن را تسهیل می کند.

از جمله مواد دیگری که در آنها به راحتی می توان O 3 (در حالت تجمع مایع) حل کرد، آرگون، نیتروژن، فلوئور، متان، دی اکسید کربن، تتراکلرید کربن است.

همچنین به خوبی با اکسیژن مایع (در دمای 93 کلوین) مخلوط می شود.

خواص شیمیایی ازن

مولکول O 3 نسبتاً ناپایدار است. به همین دلیل در حالت عادی به مدت 10-40 دقیقه باقی می ماند و پس از آن تجزیه می شود و مقدار کمی گرما و اکسیژن O 2 را تشکیل می دهد. اگر کاتالیزورها افزایش دمای محیط یا کاهش فشار اتمسفر باشند، این واکنش می تواند بسیار سریعتر رخ دهد. همچنین، تجزیه ازن با تماس آن با فلزات (به جز طلا، پلاتین و ایریدیم)، اکسیدها یا مواد با منشاء آلی تسهیل می شود.

برهمکنش با اسید نیتریک تجزیه O 3 را متوقف می کند. این نیز با ذخیره سازی ماده در دمای -78 درجه سانتیگراد تسهیل می شود.

خاصیت شیمیایی اصلی ازن قابلیت اکسید شدن آن است. یکی از محصولات اکسیداسیون همیشه اکسیژن است.

تحت شرایط مختلف، O 3 قادر است تقریباً با تمام مواد و عناصر شیمیایی تعامل داشته باشد و با تبدیل آنها به مواد کم خطر، سمیت آنها را کاهش دهد. به عنوان مثال، سیانیدها به سیانات اکسید می شوند که برای موجودات بیولوژیکی بسیار ایمن تر هستند.

چگونه استخراج می شوند؟

اغلب، برای استخراج O 3، اکسیژن تحت تأثیر جریان الکتریکی قرار می گیرد. برای جداسازی مخلوط حاصل از اکسیژن و ازن، از خاصیت دومی برای مایع شدن بهتر از O 2 استفاده می شود.

در آزمایشگاه های شیمیایی، گاهی اوقات O 3 از واکنش کنسانتره اسید سولفوریک سرد شده با پراکسید باریم تولید می شود.

در مؤسسات پزشکی که از O 3 برای بهبود بیماران استفاده می کنند، این ماده با تابش O 2 به نور ماوراء بنفش به دست می آید (اتفاقاً این ماده در جو زمین به همین ترتیب تحت تأثیر نور خورشید تشکیل می شود).

استفاده از O3 در پزشکی و صنعت

ساختار ساده ازن، در دسترس بودن مواد منبع برای استخراج آن به استفاده فعال از این ماده در صنعت کمک می کند.

به عنوان یک عامل اکسید کننده قوی، می تواند بسیار بهتر از کلر، فرمالدئید یا اکسید اتیلن ضد عفونی شود، در حالی که سمیت کمتری دارد. بنابراین، O 3 اغلب برای استریل کردن ابزار پزشکی، تجهیزات، لباس‌ها و بسیاری از داروها استفاده می‌شود.

در صنعت، این ماده اغلب برای تصفیه یا استخراج بسیاری از مواد شیمیایی استفاده می شود.

یکی دیگر از شاخه های مورد استفاده، سفید کردن کاغذ، پارچه، روغن های معدنی است.

در صنایع شیمیایی، O 3 نه تنها به استریل کردن تجهیزات، ابزار و ظروف کمک می کند، بلکه برای ضد عفونی کردن خود محصولات (تخم مرغ، غلات، گوشت، شیر) و افزایش ماندگاری آنها استفاده می شود. در واقع یکی از بهترین نگهدارنده های غذایی به حساب می آید زیرا غیر سمی و غیر سرطان زا است و همچنین در از بین بردن هاگ های کپک و سایر قارچ ها و باکتری ها عالی است.

در نانوایی ها از ازن برای تسریع فرآیند تخمیر مخمر استفاده می شود.

همچنین، با کمک O 3، کنیاک ها به طور مصنوعی کهنه می شوند و روغن های چرب تصفیه می شوند.

ازن چگونه بر بدن انسان تأثیر می گذارد؟

به دلیل این شباهت با اکسیژن، این تصور غلط وجود دارد که اوزون ماده ای است که برای بدن انسان مفید است. با این حال، اینطور نیست، زیرا O 3 یکی از قوی ترین عوامل اکسید کننده است که می تواند ریه ها را از بین ببرد و هر کسی را که بیش از حد این گاز را استنشاق می کند، بکشد. جای تعجب نیست که سازمان های دولتی محیط زیست در هر کشور به شدت غلظت ازن در جو را کنترل می کنند.

اگر ازن خیلی بد است، چرا همیشه نفس کشیدن بعد از باران را آسان می کند؟

واقعیت این است که یکی از خواص O 3 توانایی آن در از بین بردن باکتری ها و پاکسازی مواد از ناخالصی های مضر است. هنگامی که باران می بارد، به دلیل رعد و برق، ازن شروع به تشکیل می کند. این گاز بر مواد سمی موجود در هوا تأثیر می گذارد و آنها را شکافته و اکسیژن را از این ناخالصی ها تصفیه می کند. به همین دلیل است که هوای پس از باران بسیار با طراوت و دلپذیر است و آسمان رنگ لاجوردی زیبایی به خود می گیرد.

این خواص شیمیایی ازن که به آن اجازه می دهد هوا را تصفیه کند، اخیراً به طور فعال برای درمان افرادی که از بیماری های تنفسی مختلف رنج می برند و همچنین برای تصفیه هوا، آب و روش های مختلف زیبایی استفاده می شود.

امروزه بطور کاملاً فعال، ازنسازهای خانگی تبلیغ می شود که با کمک این گاز هوای خانه را تصفیه می کنند. اگرچه این روش بسیار مؤثر به نظر می رسد، اما تاکنون دانشمندان به اندازه کافی تأثیر مقدار زیادی هوای تصفیه شده با ازن را بر بدن مطالعه نکرده اند. به همین دلیل، نباید بیش از حد درگیر ازن زنی شوید.

در سال 1785، فیزیکدان هلندی ون ماروم، در حین انجام آزمایشات با الکتریسیته، توجه را به بوی در هنگام تشکیل جرقه در یک ماشین الکتریکی و توانایی اکسیداسیون هوا پس از عبور جرقه های الکتریکی از آن جلب کرد.

در سال 1840، دانشمند آلمانی Sheinbein، که درگیر هیدرولیز آب بود، سعی کرد آن را با استفاده از قوس الکتریکی به اکسیژن و هیدروژن تجزیه کند. و سپس کشف کرد که یک گاز جدید، تا کنون برای علم ناشناخته، با بوی خاص تشکیل شده است. نام "اوزون" توسط Sheinbein به این گاز به دلیل بوی خاص آن داده شده است و از کلمه یونانی "osien" به معنای "بو" گرفته شده است.

در سال 1857، با کمک "لوله کامل القای مغناطیسی" ایجاد شده توسط ورنر فون زیمنس، اولین تاسیسات فنی ازن ساخته شد. در سال 1901، زیمنس اولین ایستگاه برق آبی با ژنراتور ازن را در ویزبند ساخت.

از لحاظ تاریخی، استفاده از ازن با تصفیه خانه های آب آشامیدنی آغاز شد، زمانی که در سال 1898 اولین کارخانه آزمایشی در شهر سنت ماور (فرانسه) آزمایش شد. قبلاً در سال 1907 اولین کارخانه ازن زنی آب در شهر Bon Voyage (فرانسه) برای نیازهای شهر نیس ساخته شد. در سال 1911، یک ایستگاه ازن زنی آب آشامیدنی در سن پترزبورگ به بهره برداری رسید (در حال حاضر این ایستگاه فعال نیست). در سال 1916، 49 تاسیسات برای ازن زنی آب آشامیدنی وجود داشت.

تا سال 1977، بیش از 1000 تاسیسات در سراسر جهان در حال بهره برداری بودند. ازن تنها در 30 سال گذشته به لطف ظهور دستگاه های قابل اعتماد و فشرده برای سنتز آن - ازن سازها (ژنراتور ازن) گسترده شده است.

در حال حاضر 95 درصد آب آشامیدنی اروپا با ازن تصفیه می شود. ایالات متحده در حال تغییر از کلرزنی به ازن زنی است. چندین ایستگاه بزرگ در روسیه (در مسکو، نیژنی نووگورود و سایر شهرها) وجود دارد.

2. ازن و خواص آن

مکانیسم تشکیل و فرمول مولکولی ازن

مشخص است که مولکول اکسیژن از 2 اتم تشکیل شده است: O2. تحت شرایط خاصی، یک مولکول اکسیژن می تواند جدا شود، به عنوان مثال. به 2 اتم جداگانه تجزیه می شود. در طبیعت این شرایط در هنگام رعد و برق در هنگام تخلیه الکتریسیته اتمسفر و در لایه های بالایی جو تحت تأثیر تابش فرابنفش خورشید (لایه ازن زمین) ایجاد می شود. مکانیسم تشکیل و فرمول مولکولی ازن. با این حال، اتم اکسیژن نمی تواند به طور جداگانه وجود داشته باشد و تمایل به گروه بندی مجدد دارد. در جریان چنین بازآرایی، مولکول های 3 اتمی تشکیل می شوند.

مولکول اوزون مولکولی متشکل از 3 اتم اکسیژن، به نام ازن یا اکسیژن فعال، یک اصلاح آلوتروپیک اکسیژن است و دارای فرمول مولکولی O3 (d = 1.28 A، q = 116.5 درجه).

لازم به ذکر است که پیوند اتم سوم در مولکول اوزون نسبتاً ضعیف است که باعث ناپایداری کل مولکول و تمایل آن به خود پوسیدگی می شود.

خواص ازن

اوزون O3 گازی مایل به آبی با بوی تند مشخص، وزن مولکولی 48 گرم در مول است. چگالی نسبت به هوا 1.657 (ازن سنگین تر از هوا است). چگالی در 0 درجه سانتی گراد و فشار 0.1 مگاپاسکال 2.143 کیلوگرم بر متر مکعب. گرفتن ازن

ازن در غلظت های پایین در سطح 0.01-0.02 میلی گرم بر متر مکعب (پنج برابر کمتر از حداکثر غلظت مجاز برای انسان)، بوی خاصی از طراوت و خلوص به هوا می دهد. بنابراین، به عنوان مثال، پس از رعد و برق، بوی لطیف ازن همیشه با هوای پاک مرتبط است.

همانطور که در بالا ذکر شد، مولکول ازن ناپایدار است و خاصیت خودپوسیدگی دارد. به دلیل این ویژگی است که ازن یک عامل اکسید کننده قوی و یک ضدعفونی کننده فوق العاده موثر است.

پتانسیل اکسیداسیون ازن

معیار اثربخشی یک اکسید کننده پتانسیل الکتروشیمیایی (اکسیداسیون) آن است که بر حسب ولت بیان می شود. در زیر مقادیر پتانسیل الکتروشیمیایی عوامل اکسید کننده مختلف در مقایسه با ازن آورده شده است:

جدول نشان می دهد که ازن قوی ترین اکسید کننده مورد استفاده در تصفیه آب است.

اپلیکیشن در محل

ناپایداری ازن، استفاده مستقیم از آن را در محل تولید ضروری می کند. ازن مشمول بسته بندی، ذخیره سازی و حمل و نقل نمی شود.

حلالیت ازن در آب

مطابق با قانون هنری، غلظت ازن در آب با افزایش غلظت ازن در فاز گاز مخلوط با آب افزایش می یابد. علاوه بر این، هر چه دمای آب بیشتر باشد، غلظت ازن در آب کمتر می شود.

حلالیت ازن در آب بیشتر از اکسیژن است، اما 12 برابر کمتر از کلر است. اگر ازن 100% را در نظر بگیریم، غلظت محدود کننده آن در آب 570 میلی گرم در لیتر در دمای آب 20 درجه سانتیگراد است. غلظت ازن در گاز در خروجی کارخانه های ازن زنی مدرن به 14 درصد وزنی می رسد. در زیر وابستگی غلظت ازن محلول در آب مقطر به غلظت ازن در گاز و دمای آب آورده شده است.

خود تجزیه ازن در آب و هوا

سرعت تجزیه ازن در هوا یا آب با استفاده از نیمه عمر تخمین زده می شود. مدت زمانی که طول می کشد تا غلظت ازن به نصف برسد.

خود تجزیه ازن در آب (PH 7)

خود تجزیه ازن در هوا

از جداول می توان دریافت که محلول های آبی ازن پایداری بسیار کمتری نسبت به ازن گازی دارند. داده‌های مربوط به تجزیه ازن در آب برای آب خالص و عاری از ناخالصی‌های محلول و معلق ارائه شده است. میزان پوسیدگی ازن در آب در موارد زیر چندین برابر افزایش می یابد:

1. در حضور ناخالصی های موجود در آب، اکسید شده توسط ازن (نیاز شیمیایی آب در ازن)
2. با افزایش کدورت آب، زیرا در حد فاصل بین ذرات و آب، واکنش های خود تجزیه ازن سریعتر انجام می شود (کاتالیز)
3. هنگامی که در معرض تابش UV آب قرار می گیرد

3. روش های تولید ازن

در حال حاضر، 2 روش تولید ازن به طور گسترده استفاده می شود:

* تابش UV

* تحت تأثیر یک ترشح آرام (یعنی منتشر، بدون ایجاد جرقه) نوع کرونا

1. اشعه ماوراء بنفش

ازن می تواند در مجاورت لامپ های UV تشکیل شود، اما فقط در غلظت های کوچک (0.1٪ وزنی).

2. ترشحات کرونا

همانطور که ازن توسط تخلیه الکتریکی در هنگام رعد و برق تولید می شود، مقادیر زیادی ازن در ازن مولدهای الکتریکی مدرن تولید می شود. به این روش ترشح کرونا می گویند. ولتاژ بالا از یک جریان گاز حاوی اکسیژن عبور می کند. انرژی ولتاژ بالا، مولکول اکسیژن O2 را به 2 اتم O تقسیم می کند که با مولکول O2 ترکیب می شود و ازن O3 را تشکیل می دهد.

اکسیژن خالص وارد شده به مولد ازن را می توان با هوای محیط حاوی درصد بالایی از اکسیژن جایگزین کرد.

این روش میزان ازن را به 10-15 درصد وزنی افزایش می دهد.

مصرف انرژی: 20 - 30 وات بر گرم O3 برای هوا 10 - 15 وات بر گرم O3 برای اکسیژن

4. استفاده از ازن برای تصفیه و ضد عفونی آب

ضد عفونی آب

ازن همه میکروارگانیسم های شناخته شده را از بین می برد: باکتری ها، ویروس ها، تک یاخته ها، هاگ ها، کیست ها و غیره. در حالی که ازن 51 درصد قوی تر از کلر است و 15 تا 20 برابر سریعتر عمل می کند. ویروس فلج اطفال در غلظت ازن 0.45 میلی گرم در لیتر پس از 2 دقیقه و از کلر - تنها 3 ساعت در 1 میلی گرم در لیتر می میرد.

ازن 300 تا 600 برابر قویتر از کلر بر روی اشکال اسپور باکتریها اثر می گذارد.

ازن سیستم ردوکس باکتری ها و پروتوپلاسم آنها را از بین می برد.

ضرایب کشنده بیولوژیکی (BL*) هنگام استفاده از ضدعفونی کننده های مختلف

*هرچه BLC بالاتر باشد، ضدعفونی کننده قوی تر است

مقایسه مواد ضدعفونی کننده

بو زدایی آب

ازن زنی ناخالصی های آلی و معدنی را که منشأ بو و طعم هستند اکسید می کند. آب تصفیه شده با ازن حاوی اکسیژن بیشتری است و طعمی شبیه آب چشمه شیرین دارد.

آماده سازی نهایی آب آشامیدنی در خطوط بطری
ازن زنی در خط بطری. تصفیه شده و آماده برای بسته بندی آب، اشباع از ازن، کاملا ضد عفونی شده و برای مدت نسبتاً کوتاهی خود خاصیت ضد عفونی کننده به دست می آورد. این امر ایمنی میکروبیولوژیکی فرآیند بطری سازی را افزایش می دهد، آب ازنیزه شده به طور قابل اعتماد دیواره های ظرف، چوب پنبه و شکاف هوای زیر چوب پنبه را استریل می کند. ماندگاری آب پس از ازن زنی چندین برابر افزایش می یابد. به ویژه درمان ترکیبی آب با ازن در ترکیب با شستشوی ظرف موثر است.

اکسیداسیون آهن، منگنز، سولفید هیدروژن

آهن، منگنز و سولفید هیدروژن به راحتی توسط ازن اکسید می شوند. در این حالت، آهن به هیدروکسید نامحلول وارد می شود که سپس به راحتی در فیلترها نگه داشته می شود. منگنز به یون پرمنگنات اکسید می شود که به راحتی در فیلترهای کربنی حذف می شود. سولفید هیدروژن، سولفیدها و هیدروسولفیدها به سولفات های بی ضرر تبدیل می شوند. فرآیند اکسیداسیون و تشکیل رسوبات قابل فیلتر در طی ازن زنی به طور متوسط ​​250 برابر سریعتر از زمان هوادهی انجام می شود. به ویژه استفاده از ازن برای deferrization آب های حاوی کمپلکس های آلی آهن و اشکال باکتریایی آهن، منگنز و سولفید هیدروژن موثر است.

تصفیه آب های سطحی از ناخالصی های انسانی

ازن زنی آب از پیش شفاف شده و به دنبال آن فیلتراسیون از طریق کربن فعال روشی قابل اعتماد برای تصفیه آب سطحی از فنل ها، فرآورده های نفتی، آفت کش ها و فلزات سنگین (تصفیه اکسیداسیون-جذب) است.

تصفیه و ضد عفونی آب در مرغداری ها و مرغداری ها

ازن زدایی در مرغداری عرضه آب ضدعفونی شده با ازن به کاسه های آشامیدنی برای طیور و حیوانات نه تنها به کاهش بروز و خطر اپیدمی های گسترده کمک می کند، بلکه باعث افزایش وزن سریع در پرندگان و حیوانات می شود.

تصفیه و ضدعفونی فاضلاب

ازن فاضلاب را سفید می کند.

با کمک ازن زنی، فاضلاب را می توان با نیازهای شدید مخازن شیلات برای محتوای فنل ها، فرآورده های نفتی و سورفکتانت ها و همچنین شاخص های میکروبیولوژیکی مطابقت داد.

ازن زنی آب برای پاکسازی مواد غذایی و تجهیزات

همانطور که در بالا ذکر شد، به دلیل اینکه آب محصول دارای خواص محلول ضد عفونی کننده است، عمر مفید آب ازن شده در طی فرآیند بطری سازی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

در طی فرآوری مواد غذایی، تجهیزات آلوده باکتری‌هایی را تولید می‌کنند که منشا بوی قوی پوسیدگی و پوسیدگی هستند. شستشوی تجهیزات با آب ازن دار پس از حذف عمده آلاینده ها منجر به ضدعفونی سطوح، اثر طراوت بخشی بر هوای اتاق و بهبود وضعیت بهداشتی و بهداشتی عمومی تولید می شود.

ازن زنی برای سرویس بهداشتی آب ضدعفونی تجهیزات، برخلاف ازن زنی آب قبل از بسته بندی، غلظت بالاتری از ازن ایجاد می کند.

به همین ترتیب، ماهی و غذاهای دریایی، لاشه طیور و سبزیجات را می توان قبل از بسته بندی با آب ازنیزه تصفیه کرد. طول عمر محصولات فرآوری شده قبل از ذخیره سازی افزایش می یابد و ظاهر آنها پس از ذخیره سازی تفاوت کمی با محصولات تازه دارد.

5. جنبه های ایمنی در بهره برداری از تجهیزات ازن

ازن گازی سمی است و می تواند باعث سوختگی و مسمومیت دستگاه تنفسی فوقانی شود (مانند هر عامل اکسید کننده قوی دیگری).

حداکثر غلظت مجاز (MAC) ازن در هوای محل کار توسط GOST 12.1.005 "الزامات عمومی بهداشتی و بهداشتی برای هوای محل کار" تنظیم می شود که طبق آن 0.1 میلی گرم بر متر مکعب است.

بوی ازن توسط فرد در غلظت های 0.01-0.02 mg/m3 ثابت می شود که 5-10 برابر کمتر از MPC است، بنابراین ظاهر شدن بوی خفیف ازن در اتاق زنگ خطر نیست. برای اطمینان از کنترل قابل اعتماد محتوای ازن در اتاق تولید، آنالایزرهای گازی باید نصب شوند که امکان نظارت بر غلظت ازن را فراهم کند و در صورت تجاوز از MPC، اقدامات به موقع برای کاهش آن به سطح ایمن انجام شود.

هر طرح فن آوری حاوی تجهیزات ازن باید مجهز به جداکننده گاز باشد که از طریق آن ازن اضافی (حل نشده) وارد تخریب کننده کاتالیزوری می شود و در آنجا به اکسیژن تجزیه می شود. چنین سیستمی جریان ازن را در هوای اتاق تولید حذف می کند.

زیرا ازن قوی ترین عامل اکسید کننده است، تمام خطوط لوله گاز باید از مواد مقاوم در برابر ازن مانند فولاد ضد زنگ و فلوروپلاستیک ساخته شوند.

خواص فیزیکی ازن بسیار مشخص است: این گاز آبی است که به راحتی منفجر می شود. یک لیتر ازن تقریباً 2 گرم وزن دارد در حالی که وزن هوا 1.3 گرم است. بنابراین، ازن سنگین تر از هوا است. نقطه ذوب ازن منهای 192.7 درجه سانتیگراد است. این ازن "ذوب شده" یک مایع آبی تیره است. ازن "یخ" دارای رنگ آبی تیره با رنگ بنفش است و در ضخامت بیش از 1 میلی متر مات می شود. نقطه جوش ازن منهای 112 درجه سانتیگراد است. در حالت گازی، ازن دیامغناطیس است، یعنی. خاصیت مغناطیسی ندارد و در حالت مایع پارامغناطیس ضعیفی دارد. حلالیت ازن در آب مذاب 15 برابر بیشتر از اکسیژن و تقریباً 1.1 گرم در لیتر است. یک لیتر اسید استیک 2.5 گرم ازن را در دمای اتاق حل می کند. همچنین در اسانس، سقز، تتراکلرید کربن به خوبی حل می شود. بوی ازن در غلظت های بالاتر از 15 میکروگرم بر متر مکعب هوا احساس می شود. در غلظت های حداقل، به عنوان "بوی طراوت" درک می شود، در غلظت های بالاتر رنگ تحریک کننده تیز به دست می آورد.

ازن طبق فرمول زیر از اکسیژن تشکیل می شود: 3O2 + 68 کیلو کالری → 2O3. نمونه‌های کلاسیک تشکیل ازن: در اثر رعد و برق در هنگام رعد و برق. در معرض نور خورشید در قسمت های بالای جو. ازن همچنین می تواند در طی هر فرآیندی که با آزاد شدن اکسیژن اتمی همراه باشد، به عنوان مثال، در هنگام تجزیه پراکسید هیدروژن، تشکیل شود. سنتز صنعتی ازن با استفاده از تخلیه الکتریکی در دماهای پایین همراه است. فن آوری های تولید ازن ممکن است با یکدیگر متفاوت باشند. بنابراین، برای به دست آوردن ازن مورد استفاده برای مقاصد پزشکی، فقط از اکسیژن پزشکی خالص (بدون ناخالصی) استفاده می شود. جداسازی ازن تشکیل شده از ناخالصی اکسیژن معمولاً به دلیل تفاوت در خواص فیزیکی دشوار نیست (ازن راحت تر مایع می شود). اگر پارامترهای کمی و کیفی خاصی از واکنش مورد نیاز نباشد، به دست آوردن ازن مشکل خاصی ایجاد نمی کند.

مولکول O3 ناپایدار است و با انتشار گرما به سرعت به O2 تبدیل می شود. در غلظت های کم و بدون ناخالصی های خارجی، ازن به آرامی تجزیه می شود، در غلظت های بالا - با انفجار. الکل در تماس با آن فورا مشتعل می شود. گرم شدن و تماس ازن با حتی مقادیر ناچیزی از بستر اکسیداسیون (مواد آلی، برخی فلزات یا اکسیدهای آنها) تجزیه آن را به شدت تسریع می کند. ازن را می توان برای مدت طولانی در -78 درجه سانتیگراد در حضور یک تثبیت کننده (مقدار کمی HNO3) و همچنین در ظروف ساخته شده از شیشه، برخی از پلاستیک ها یا فلزات گرانبها ذخیره کرد.

ازن قوی ترین عامل اکسید کننده است. دلیل این پدیده در این واقعیت نهفته است که در فرآیند فروپاشی، اکسیژن اتمی تشکیل می شود. چنین اکسیژنی بسیار تهاجمی تر از اکسیژن مولکولی است، زیرا در مولکول اکسیژن کمبود الکترون ها در سطح بیرونی به دلیل استفاده جمعی آنها از اوربیتال مولکولی چندان قابل توجه نیست.

در قرن هجدهم مشاهده شد که جیوه در حضور ازن درخشش خود را از دست می دهد و به شیشه می چسبد. اکسید شده و هنگامی که ازن از طریق محلول آبی یدید پتاسیم عبور می کند، ید گازی شروع به آزاد شدن می کند. همان «ترفندها» با اکسیژن خالص جواب نداد. بعداً خواص ازن کشف شد که بلافاصله توسط بشر پذیرفته شد: ازن معلوم شد که یک ضد عفونی کننده عالی است، ازن به سرعت مواد آلی با هر منشا را از آب حذف کرد (عطر و لوازم آرایشی، مایعات بیولوژیکی)، به طور گسترده در صنعت استفاده شد و زندگی روزمره، و خود را به عنوان جایگزینی برای مته دندان ثابت کرده است.

در قرن بیست و یکم، استفاده از ازن در تمامی عرصه های زندگی و فعالیت انسان رو به رشد و توسعه است و به همین دلیل شاهد تبدیل آن از اگزوتیک به ابزاری آشنا برای کارهای روزمره هستیم. ازن O3، شکل آلوتروپیک اکسیژن.

به دست آوردن و خواص فیزیکی ازن.

دانشمندان برای اولین بار از وجود یک گاز ناشناخته با شروع آزمایش با ماشین های الکترواستاتیک آگاه شدند. در قرن 17 اتفاق افتاد. اما آنها شروع به مطالعه گاز جدید تنها در پایان قرن بعد کردند. در سال 1785، فیزیکدان هلندی، مارتین ون ماروم، ازن را با عبور جرقه های الکتریکی از طریق اکسیژن ایجاد کرد. نام اوزون تنها در سال 1840 ظاهر شد. توسط شیمیدان سوئیسی، کریستین شونبین، اختراع شد و آن را از اوزون یونانی و بویایی گرفته است. ترکیب شیمیایی این گاز با اکسیژن تفاوتی نداشت، اما بسیار تهاجمی تر بود. بنابراین، او بلافاصله یدید پتاسیم بی رنگ را با آزاد شدن ید قهوه ای اکسید کرد. Shenbein از این واکنش برای تعیین ازن با درجه آبی بودن کاغذ آغشته به محلول یدید پتاسیم و نشاسته استفاده کرد. حتی جیوه و نقره که در دمای اتاق غیر فعال هستند در حضور ازن اکسید می شوند.

معلوم شد که مولکول های اوزون، مانند اکسیژن، فقط از دو اتم اکسیژن تشکیل شده اند، نه از دو، بلکه از سه اتم. اکسیژن O2 و ازن O3 تنها نمونه ای از تشکیل دو ماده ساده گازی (در شرایط عادی) توسط یک عنصر شیمیایی هستند. در مولکول O3، اتم ها در یک زاویه قرار دارند، بنابراین این مولکول ها قطبی هستند. ازن در نتیجه "چسبیدن" به مولکول های O2 اتم های اکسیژن آزاد تولید می شود که از مولکول های اکسیژن تحت تأثیر تخلیه های الکتریکی، پرتوهای فرابنفش، پرتوهای گاما، الکترون های سریع و سایر ذرات پر انرژی تشکیل می شوند. ازن همیشه در نزدیکی ماشین‌های الکتریکی کار می‌کند، که در آن برس‌ها «درخشش می‌زنند»، نزدیک لامپ‌های کوارتز جیوه‌ای باکتری‌کشی که تشعشعات فرابنفش ساطع می‌کنند. اتم های اکسیژن نیز در طی برخی واکنش های شیمیایی آزاد می شوند. ازن به مقدار کم در طی الکترولیز آب اسیدی شده، در طی اکسیداسیون آهسته فسفر سفید مرطوب در هوا، در هنگام تجزیه ترکیبات با محتوای اکسیژن بالا (KMnO4، K2Cr2O7 و غیره)، تحت تأثیر فلوئور روی آب تشکیل می شود. یا بر روی پراکسید باریم اسید سولفوریک غلیظ. اتم های اکسیژن همیشه در شعله وجود دارند، بنابراین اگر جریانی از هوای فشرده را روی شعله یک مشعل اکسیژن هدایت کنید، بوی مشخصه ازن در هوا پیدا می شود.

واکنش 3O2 → 2O3 بسیار گرماگیر است: برای تولید 1 مول ازن باید 142 کیلوژول صرف شود. واکنش معکوس با آزاد شدن انرژی ادامه می یابد و به راحتی انجام می شود. بر این اساس، ازن ناپایدار است. در صورت عدم وجود ناخالصی، ازن گازی در دمای 70 درجه سانتیگراد و به سرعت بالای 100 درجه سانتیگراد به آرامی تجزیه می شود، سرعت تجزیه ازن در حضور کاتالیزورها به طور قابل توجهی افزایش می یابد. آنها می توانند گازها (به عنوان مثال، اکسید نیتریک، کلر) و بسیاری از مواد جامد (حتی دیواره های رگ) باشند. بنابراین، ازن خالص به سختی به دست می آید و کار با آن به دلیل احتمال انفجار خطرناک است.

تعجب آور نیست که برای چندین دهه پس از کشف ازن، حتی ثابت های فیزیکی اولیه آن ناشناخته بود: برای مدت طولانی هیچ کس موفق به بدست آوردن ازن خالص نشد. همانطور که D.I. مندلیف در کتاب درسی خود مبانی شیمی می نویسد، "برای همه روش های تهیه ازن گازی، محتوای آن در اکسیژن همیشه ناچیز است، معمولاً فقط چند دهم درصد، به ندرت 2٪، و فقط در دماهای بسیار پایین به آن می رسد. 20 درصد.” تنها در سال 1880، دانشمندان فرانسوی J. Gotfeil و P. Chappui ازن را از اکسیژن خالص در دمای منفی 23 درجه سانتیگراد به دست آوردند. معلوم شد که در یک لایه ضخیم ازن دارای رنگ آبی زیبا است. هنگامی که اکسیژن ازن سرد شده به آرامی فشرده شد، گاز به رنگ آبی تیره درآمد و پس از آزاد شدن سریع فشار، دما حتی بیشتر کاهش یافت و قطرات ازن مایع بنفش تیره تشکیل شد. اگر گاز به سرعت خنک یا فشرده نمی شد، ازن فوراً با یک درخشش زرد به اکسیژن تبدیل می شد.

بعداً یک روش مناسب برای سنتز ازن ایجاد شد. اگر محلول غلیظی از اسید پرکلریک، فسفریک یا سولفوریک با آند سرد ساخته شده از پلاتین یا اکسید سرب (IV) تحت الکترولیز قرار گیرد، گاز آزاد شده در آند تا 50 درصد ازن خواهد داشت. ثابت های فیزیکی ازن نیز تصفیه شد. بسیار سبکتر از اکسیژن - در دمای -112 درجه سانتیگراد (اکسیژن - در -183 درجه سانتیگراد) مایع می شود. در 192.7- درجه سانتیگراد، ازن جامد می شود. ازن جامد به رنگ آبی مایل به سیاه است.

آزمایش با ازن خطرناک است. اگر غلظت اوزون در هوا از 9 درصد بیشتر شود، می تواند منفجر شود. ازن مایع و جامد حتی راحت‌تر منفجر می‌شود، به‌ویژه زمانی که در تماس با مواد اکسیدکننده باشد. ازن را می توان در دماهای پایین به شکل محلول در هیدروکربن های فلوئوردار (فریون) ذخیره کرد. این محلول ها به رنگ آبی هستند.

خواص شیمیایی ازن

ازن با واکنش پذیری بسیار بالا مشخص می شود. ازن یکی از قوی ترین عوامل اکسید کننده است و از این نظر فقط از فلوئور و اکسیژن فلوراید OF2 پایین تر است. اصل فعال ازن به عنوان یک عامل اکسید کننده، اکسیژن اتمی است که در طی تجزیه مولکول ازن تشکیل می شود. بنابراین، مولکول ازن، به عنوان یک عامل اکسید کننده، به عنوان یک قاعده، فقط از یک اتم اکسیژن "استفاده می کند"، در حالی که دو اتم دیگر به شکل اکسیژن آزاد آزاد می شوند، به عنوان مثال، 2KI + O3 + H2O → I2 + 2KOH + O2. بسیاری از ترکیبات دیگر نیز به همین ترتیب اکسید می شوند. با این حال، زمانی که مولکول ازن از هر سه اتم اکسیژنی که دارد برای اکسیداسیون استفاده می کند، استثناهایی وجود دارد، به عنوان مثال، 3SO2 + O3 → 3SO3. Na2S + O3 → Na2SO3.

یک تفاوت بسیار مهم بین ازن و اکسیژن این است که ازن از قبل در دمای اتاق دارای خواص اکسید کننده است. به عنوان مثال، PbS و Pb(OH)2 در شرایط عادی با اکسیژن واکنش نمی دهند، در حالی که در حضور ازن سولفید به PbSO4 و هیدروکسید به PbO2 تبدیل می شود. اگر محلول غلیظ آمونیاک در ظرف حاوی ازن ریخته شود، دود سفید ظاهر می شود - این ازن آمونیاک را اکسید کرده و نیتریت آمونیوم NH4NO2 را تشکیل می دهد. ویژگی خاص ازن، توانایی "سیاه کردن" اقلام نقره ای با تشکیل AgO و Ag2O3 است.

با اتصال یک الکترون و تبدیل شدن به یون منفی O3-، مولکول ازن پایدارتر می شود. "نمک های اوزونات" یا اوزونیدهای حاوی چنین آنیون ها از دیرباز شناخته شده اند - آنها توسط تمام فلزات قلیایی به جز لیتیوم تشکیل می شوند و پایداری ازونیدها از سدیم به سزیم افزایش می یابد. برخی از ازنیدهای فلزات قلیایی خاکی نیز شناخته شده اند، برای مثال Ca(O3)2. اگر جریانی از ازن گازی به سطح یک قلیایی خشک جامد هدایت شود، پوسته نارنجی قرمز حاوی ازونیدها تشکیل می شود، به عنوان مثال، 4KOH + 4O3 → 4KO3 + O2 + 2H2O. در همان زمان، قلیایی جامد به طور موثر آب را متصل می کند، که از هیدرولیز فوری ازونید جلوگیری می کند. با این حال، با آب اضافی، ازنیدها به سرعت تجزیه می شوند: 4KO3 + 2H2O → 4KOH + 5O2. تجزیه نیز در طول ذخیره سازی رخ می دهد: 2KO3 → 2KO2 + O2. اوزونیدها در آمونیاک مایع بسیار محلول هستند و همین امر امکان جداسازی آنها را به شکل خالص و بررسی خواص آنها فراهم می کند.

مواد آلی که ازن با آنها تماس پیدا می کند، معمولا از بین می برد. بنابراین، ازن، بر خلاف کلر، قادر به شکافتن حلقه بنزن است. هنگام کار با ازن، نمی توانید از لوله ها و شیلنگ های لاستیکی استفاده کنید - آنها فورا "نشت می کنند". ازن با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی با ترکیبات آلی واکنش می دهد. به عنوان مثال، اتر، الکل، پشم پنبه مرطوب شده با سقز، متان و بسیاری از مواد دیگر در تماس با هوای ازن دار خود به خود مشتعل می شوند و مخلوط ازن با اتیلن منجر به انفجار شدید می شود.

استفاده از ازن

ازن همیشه مواد آلی را "سوزانده" نمی کند. در تعدادی از موارد می توان واکنش های خاصی را با ازن بسیار رقیق انجام داد. به عنوان مثال، ازن زنی اسید اولئیک (در مقادیر زیادی در روغن های گیاهی یافت می شود) اسید آزلائیک HOOC(CH2)7COOH را تولید می کند که برای تولید روغن های روان کننده با کیفیت بالا، الیاف مصنوعی و نرم کننده های پلاستیک استفاده می شود. به همین ترتیب اسید آدیپیک به دست می آید که در سنتز نایلون استفاده می شود. در سال 1855، شونبین واکنش ترکیبات غیراشباع حاوی پیوندهای دوگانه C=C را با ازن کشف کرد، اما در سال 1925 بود که شیمیدان آلمانی H. Staudinger مکانیسم این واکنش را ایجاد کرد. مولکول ازن با تشکیل اوزونید - این بار آلی - به پیوند دوگانه می پیوندد و یک اتم اکسیژن جای یکی از پیوندهای C \u003d C را می گیرد و گروه -O-O- جای دیگری را می گیرد. اگرچه برخی از ازنیدهای آلی به شکل خالص جدا شده اند (مثلاً اتیلن ازونید)، این واکنش معمولاً در محلول رقیق انجام می شود، زیرا ازونیدها در حالت آزاد مواد منفجره بسیار ناپایدار هستند. واکنش ازن زنی ترکیبات غیراشباع از احترام زیادی در بین شیمیدانان آلی برخوردار است. مشکلات مربوط به این واکنش اغلب حتی در المپیادهای مدرسه نیز وجود دارد. واقعیت این است که وقتی ازونید توسط آب تجزیه می شود، دو مولکول آلدهید یا کتون تشکیل می شود که به راحتی قابل شناسایی و ایجاد ساختار ترکیب غیراشباع اصلی است. بنابراین، در آغاز قرن بیستم، شیمیدانان ساختار بسیاری از ترکیبات آلی مهم، از جمله ترکیبات طبیعی، حاوی پیوندهای C=C را ایجاد کردند.

یکی از زمینه های مهم کاربرد ازن، گندزدایی آب آشامیدنی است. معمولا آب کلر می شود. اما برخی ناخالصی های موجود در آب تحت اثر کلر به ترکیباتی با بوی بسیار نامطبوع تبدیل می شوند. بنابراین مدتهاست که پیشنهاد شده است که کلر را با ازن جایگزین کنند. آب ازن دار بو یا طعم خارجی نمی گیرد. هنگامی که بسیاری از ترکیبات آلی به طور کامل با ازن اکسید می شوند، تنها دی اکسید کربن و آب تشکیل می شود. با ازن و فاضلاب تصفیه کنید. محصولات اکسیداسیون ازن حتی آلاینده هایی مانند فنل ها، سیانیدها، سورفکتانت ها، سولفیت ها، کلرامین ها ترکیبات بی ضرر و بدون رنگ و بو هستند. ازن اضافی به سرعت با تشکیل اکسیژن تجزیه می شود. با این حال، ازن زنی آب گران تر از کلرزنی است. علاوه بر این، ازن قابل حمل نیست و باید در محل تولید شود.

ازن در جو.

ازن زیادی در جو زمین وجود ندارد - 4 میلیارد تن، یعنی. به طور متوسط ​​فقط 1 میلی گرم بر متر مکعب. غلظت ازن با فاصله از سطح زمین افزایش می یابد و در استراتوسفر، در ارتفاع 20-25 کیلومتری به حداکثر می رسد - این "لایه ازن" است. اگر تمام ازن اتمسفر با فشار معمولی در نزدیکی سطح زمین جمع آوری شود، لایه ای به ضخامت تنها حدود 2-3 میلی متر به دست می آید. و چنین مقادیر کمی از ازن موجود در هوا در واقع حیات روی زمین را فراهم می کند. ازن یک "صفحه محافظ" ایجاد می کند که اجازه نمی دهد اشعه ماوراء بنفش خشن خورشید به سطح زمین برسد که برای همه موجودات زنده مضر است.

در دهه های اخیر، توجه زیادی به پیدایش به اصطلاح "حفره های اوزون" - مناطقی با محتوای ازن استراتوسفر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. از طریق چنین سپر "نشتی"، تشعشعات فرابنفش سخت تر خورشید به سطح زمین می رسد. بنابراین، دانشمندان مدت طولانی است که ازن موجود در جو را زیر نظر گرفته اند. در سال 1930، ژئوفیزیکدان انگلیسی S. Chapman طرحی متشکل از چهار واکنش را برای توضیح غلظت ثابت ازن در استراتوسفر پیشنهاد کرد (این واکنش ها چرخه چپمن نامیده می شود، که در آن M به معنای هر اتم یا مولکولی است که انرژی اضافی را می برد):

O + O + M → O2 + M

O + O3 → 2O2

O3 → O2 + O.

اولین و چهارمین واکنش این چرخه فتوشیمیایی است، آنها تحت تأثیر تابش خورشید هستند. برای تجزیه یک مولکول اکسیژن به اتم ها، تابش با طول موج کمتر از 242 نانومتر مورد نیاز است، در حالی که ازن با جذب نور در ناحیه 240-320 نانومتر تجزیه می شود (واکنش اخیر فقط ما را از اشعه ماوراء بنفش سخت محافظت می کند، زیرا اکسیژن در این ناحیه طیفی جذب نمی شود). دو واکنش باقیمانده حرارتی هستند، یعنی. بدون عمل نور برو بسیار مهم است که واکنش سوم منجر به از بین رفتن ازن دارای انرژی فعال سازی باشد. این بدان معنی است که سرعت چنین واکنشی را می توان با عمل کاتالیزورها افزایش داد. همانطور که مشخص شد، کاتالیزور اصلی برای تجزیه ازن، اکسید نیتریک NO است. در اتمسفر فوقانی از نیتروژن و اکسیژن تحت تأثیر شدیدترین تشعشعات خورشیدی تشکیل می شود. هنگامی که در اوزونوسفر قرار می گیرد، وارد چرخه ای از دو واکنش O3 + NO → NO2 + O2، NO2 + O → NO + O2 می شود که در نتیجه محتوای آن در جو تغییر نمی کند و غلظت ثابت ازن کاهش می یابد. چرخه های دیگری نیز وجود دارد که منجر به کاهش محتوای ازن در استراتوسفر می شود، به عنوان مثال، با مشارکت کلر:

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2.

ازن نیز توسط گرد و غبار و گازهایی که در مقادیر زیاد در جریان فوران های آتشفشانی وارد جو می شوند، از بین می رود. اخیراً گفته شده است که ازن در از بین بردن هیدروژن آزاد شده از پوسته زمین نیز مؤثر است. مجموع تمام واکنش های تشکیل و فروپاشی ازن به این واقعیت منجر می شود که میانگین عمر یک مولکول ازن در استراتوسفر حدود سه ساعت است.

فرض بر این است که علاوه بر عوامل طبیعی، عوامل مصنوعی نیز بر لایه ازن تأثیر می گذارد. یک مثال شناخته شده فریون ها هستند که منابع اتم های کلر هستند. فرئون ها هیدروکربن هایی هستند که در آن اتم های هیدروژن با اتم های فلوئور و کلر جایگزین می شوند. آنها در تبرید و برای پر کردن قوطی های آئروسل استفاده می شوند. در نهایت، فریون ها وارد هوا می شوند و با جریان هوا به آرامی بالاتر و بالاتر می روند و در نهایت به لایه ازن می رسند. فرئون ها که تحت تأثیر تابش خورشیدی تجزیه می شوند، شروع به تجزیه کاتالیزوری ازن می کنند. هنوز دقیقاً مشخص نیست که فریون ها تا چه اندازه در ایجاد "حفره های اوزون" مقصر هستند و با این وجود، مدت هاست که اقداماتی برای محدود کردن استفاده از آنها انجام شده است.

محاسبات نشان می دهد که در 60-70 سال غلظت ازن در استراتوسفر می تواند 25٪ کاهش یابد. و در همان زمان، غلظت ازن در لایه سطحی - تروپوسفر، افزایش می یابد، که این نیز بد است، زیرا ازن و محصولات تبدیل آن در هوا سمی هستند. منبع اصلی ازن در تروپوسفر، انتقال ازن استراتوسفر با توده های هوا به لایه های زیرین است. سالانه تقریباً 1.6 میلیارد تن وارد لایه زمینی ازن می شود. طول عمر یک مولکول ازن در قسمت پایین اتمسفر بسیار بیشتر است - بیش از 100 روز، زیرا در لایه سطحی تابش خورشیدی ماوراء بنفش کمتری وجود دارد که ازن را از بین می برد. معمولاً، ازن بسیار کمی در تروپوسفر وجود دارد: در هوای تازه تمیز، میانگین غلظت آن تنها 0.016 میکروگرم در لیتر است. غلظت ازن در هوا نه تنها به ارتفاع، بلکه به زمین نیز بستگی دارد. بنابراین، ازن در اقیانوس‌ها بیشتر از روی خشکی است، زیرا ازن در آنجا کندتر تجزیه می‌شود. اندازه گیری ها در سوچی نشان داد که هوای نزدیک سواحل دریا 20 درصد بیشتر از جنگلی در فاصله 2 کیلومتری ساحل ازن دارد.

انسان های مدرن بسیار بیشتر از اجداد خود ازن تنفس می کنند. دلیل اصلی این امر افزایش میزان متان و اکسیدهای نیتروژن در هوا است. بنابراین، محتوای متان در جو از اواسط قرن نوزدهم، زمانی که استفاده از گاز طبیعی آغاز شد، به طور مداوم در حال افزایش است. در اتمسفر آلوده به اکسیدهای نیتروژن، متان وارد زنجیره پیچیده ای از تبدیلات شامل اکسیژن و بخار آب می شود که نتیجه آن را می توان با معادله CH4 + 4O2 → HCHO + H2O + 2O3 بیان کرد. هیدروکربن های دیگر نیز می توانند به عنوان متان عمل کنند، به عنوان مثال، هیدروکربن های موجود در گازهای خروجی اگزوز خودروها در طی احتراق ناقص بنزین. در نتیجه، در هوای شهرهای بزرگ طی دهه های گذشته، غلظت ازن ده برابر شده است.

همیشه اعتقاد بر این بود که در هنگام رعد و برق، غلظت ازن در هوا به طور چشمگیری افزایش می یابد، زیرا رعد و برق به تبدیل اکسیژن به ازن کمک می کند. در واقع این افزایش ناچیز است و در هنگام رعد و برق رخ نمی دهد، بلکه چندین ساعت قبل از آن اتفاق می افتد. در هنگام رعد و برق و چند ساعت پس از آن، غلظت ازن کاهش می یابد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که قبل از رعد و برق، مخلوط عمودی شدید توده های هوا وجود دارد، به طوری که مقدار اضافی ازن از لایه های بالایی می آید. علاوه بر این، قبل از رعد و برق، قدرت میدان الکتریکی افزایش می‌یابد و شرایط برای تشکیل تخلیه تاج در نقاط اجسام مختلف، به عنوان مثال، نوک شاخه‌ها ایجاد می‌شود. همچنین به تشکیل ازن کمک می کند. و سپس، با توسعه یک ابر رعد و برق، جریان های هوای صعودی قدرتمندی در زیر آن ایجاد می شود که محتوای ازن را مستقیماً در زیر ابر کاهش می دهد.

یک سوال جالب در مورد محتوای ازن در هوای جنگل های سوزنی برگ است. به عنوان مثال، در دوره شیمی معدنی اثر جی. رمی، می توان خواند که "هوای ازنیزه شده جنگل های مخروطی" یک داستان تخیلی است. آیا اینطور است؟ البته هیچ گیاهی ازن ساطع نمی کند. اما گیاهان، به ویژه مخروطیان، ترکیبات آلی فرار زیادی از جمله هیدروکربن های غیر اشباع از کلاس ترپن (در سقز تعداد زیادی از آنها وجود دارد) در هوا منتشر می کنند. بنابراین، در یک روز گرم، یک درخت کاج به ازای هر گرم وزن خشک سوزن، 16 میکروگرم ترپن در ساعت آزاد می کند. ترپن ها نه تنها توسط مخروطیان، بلکه با برخی از درختان برگریز، از جمله صنوبر و اکالیپتوس، متمایز می شوند. و برخی از درختان گرمسیری قادر به آزادسازی 45 میکروگرم ترپن به ازای هر 1 گرم توده برگ خشک در ساعت هستند. در نتیجه یک هکتار از جنگل های سوزنی برگ می تواند روزانه تا 4 کیلوگرم ماده آلی و حدود 2 کیلوگرم جنگل برگریز آزاد کند. مساحت جنگلی زمین میلیون ها هکتار است و همه آنها سالانه صدها هزار تن هیدروکربن های مختلف از جمله ترپن ها را آزاد می کنند. و هیدروکربن ها، همانطور که در مثال متان نشان داده شد، تحت تأثیر تابش خورشیدی و در حضور سایر ناخالصی ها به تشکیل ازن کمک می کنند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که در شرایط مناسب، ترپن‌ها در واقع به طور فعال در چرخه واکنش‌های فتوشیمیایی جوی با تشکیل ازن درگیر هستند. بنابراین ازن در یک جنگل مخروطی به هیچ وجه یک اختراع نیست، بلکه یک واقعیت تجربی است.

ازن و سلامتی

پیاده روی پس از رعد و برق چه لذتی دارد! هوا تمیز و تازه است، به نظر می رسد جت های نیروبخش آن بدون هیچ تلاشی به ریه ها می ریزد. آنها اغلب در چنین مواردی می گویند: "بوی اوزون می آید." "برای سلامتی بسیار خوب است." آیا اینطور است؟

روزی روزگاری، مطمئناً ازن برای سلامتی مفید بود. اما اگر غلظت آن از یک آستانه خاص فراتر رود، می تواند عواقب ناخوشایندی را به همراه داشته باشد. بسته به غلظت و زمان استنشاق، ازن باعث ایجاد تغییراتی در ریه ها، تحریک غشاهای مخاطی چشم و بینی، سردرد، سرگیجه، کاهش فشار خون می شود. ازن مقاومت بدن را در برابر عفونت های باکتریایی مجاری تنفسی کاهش می دهد. حداکثر غلظت مجاز آن در هوا تنها 0.1 میکروگرم در لیتر است، یعنی ازن بسیار خطرناکتر از کلر است! اگر چندین ساعت در داخل خانه با غلظت ازن تنها 0.4 میکروگرم در لیتر سپری کنید، ممکن است درد قفسه سینه، سرفه، بی خوابی ظاهر شود، حدت بینایی کاهش می یابد. اگر برای مدت طولانی در ازن با غلظت بیش از 2 میکروگرم در لیتر تنفس کنید، عواقب آن می تواند شدیدتر باشد - تا بی حالی و کاهش فعالیت قلبی. با محتوای ازن 8-9 میکروگرم در لیتر، ادم ریوی پس از چند ساعت رخ می دهد که مملو از مرگ است. اما تجزیه و تحلیل چنین مقادیر ناچیزی از یک ماده معمولاً با روش های شیمیایی مرسوم دشوار است. خوشبختانه، فرد وجود ازن را در غلظت های بسیار کم - حدود 1 میکروگرم در لیتر - احساس می کند که در آن کاغذ ید نشاسته ای آبی نمی شود. برای برخی افراد، بوی ازن در غلظت های کوچک شبیه بوی کلر است، برای برخی دیگر - به دی اکسید گوگرد، برای دیگران - شبیه به بوی سیر.

فقط خود اوزون نیست که سمی است. به عنوان مثال، با مشارکت آن در هوا، پراکسی استیل نیترات (PAN) CH3-CO-OONO2 تشکیل می شود - ماده ای که دارای یک محرک قوی، از جمله اشک، اثری است که تنفس را دشوار می کند و در غلظت های بالاتر باعث فلج قلب می شود. PAN یکی از اجزای به اصطلاح مه دود فتوشیمیایی است که در تابستان در هوای آلوده تشکیل می شود (این کلمه از دود انگلیسی دود و مه - مه گرفته شده است). غلظت ازن در مه دود می تواند به 2 میکروگرم در لیتر برسد که 20 برابر بیشتر از حداکثر مجاز است. همچنین باید در نظر داشت که اثر ترکیبی ازن و اکسیدهای نیتروژن در هوا ده برابر قوی تر از هر ماده به طور جداگانه است. جای تعجب نیست که عواقب چنین مه دود در شهرهای بزرگ می تواند فاجعه بار باشد، به خصوص اگر هوای بالای شهر توسط "پیش خور" دمیده نشود و یک منطقه راکد تشکیل شود. بنابراین، در لندن در سال 1952، بیش از 4000 نفر در طی چند روز بر اثر مه دود جان خود را از دست دادند. مه دود در نیویورک در سال 1963 باعث مرگ 350 نفر شد. داستان های مشابهی در توکیو و دیگر شهرهای بزرگ وجود داشت. نه تنها مردم از ازن اتمسفر رنج می برند. به عنوان مثال، محققان آمریکایی نشان داده‌اند که در مناطقی با محتوای بالای ازن در هوا، عمر لاستیک خودرو و سایر محصولات لاستیکی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

چگونه می توان میزان ازن را در لایه زمین کاهش داد؟ کاهش انتشار متان در جو به سختی واقع بینانه است. راه دیگری وجود دارد - کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن که بدون آن چرخه واکنش های منجر به ازن نمی تواند ادامه یابد. این مسیر نیز آسان نیست، زیرا اکسیدهای نیتروژن نه تنها توسط اتومبیل ها، بلکه (عمدتا) توسط نیروگاه های حرارتی منتشر می شود.

منابع اوزون فقط در خیابان نیستند. در اتاق های اشعه ایکس، در اتاق های فیزیوتراپی (منبع آن لامپ های جیوه-کوارتز است)، در حین کار دستگاه های کپی (کپی)، چاپگرهای لیزری (در اینجا دلیل تشکیل آن تخلیه ولتاژ بالا است). ازن یک همراه اجتناب ناپذیر برای تولید پرهیدرول، جوش آرگون است. برای کاهش اثرات مضر ازن، لازم است هود را به لامپ های فرابنفش، تهویه مناسب اتاق مجهز کنید.

و با این حال، به سختی درست است که اوزون را برای سلامتی مضر بدانیم. همه چیز به غلظت آن بستگی دارد. مطالعات نشان داده اند که هوای تازه در تاریکی بسیار ضعیف می درخشد. علت درخشش یک واکنش اکسیداسیون شامل ازن است. درخشش همچنین هنگام تکان دادن آب در یک فلاسک مشاهده شد که در آن اکسیژن ازن شده در ابتدا پر شده بود. این درخشش همیشه با وجود مقادیر کمی ناخالصی آلی در هوا یا آب همراه است. هنگام مخلوط کردن هوای تازه با یک فرد بازدم، شدت درخشش ده برابر شد! و این تعجب آور نیست: ریز ناخالصی های اتیلن، بنزن، استالدهید، فرمالدئید، استون و اسید فرمیک در هوای بازدمی یافت شد. آنها توسط ازن "برجسته" می شوند. در همان زمان، "بیات"، یعنی. به طور کامل بدون ازن، اگرچه بسیار تمیز است، اما هوا باعث درخشش نمی شود و فرد آن را "کهنه" احساس می کند. چنین هوایی را می توان با آب مقطر مقایسه کرد: بسیار خالص است، عملاً هیچ ناخالصی ندارد و نوشیدن آن مضر است. بنابراین فقدان کامل ازن در هوا ظاهراً برای انسان نیز نامطلوب است، زیرا باعث افزایش محتوای میکروارگانیسم ها در آن می شود و منجر به تجمع مواد مضر و بوهای نامطبوع می شود که ازن آنها را از بین می برد. بنابراین، نیاز به تهویه منظم و طولانی مدت محل، حتی اگر مردمی در آن نباشند، روشن می شود: از این گذشته، ازن که وارد اتاق شده است برای مدت طولانی در آن باقی نمی ماند - تا حدی تجزیه می شود. و تا حد زیادی روی دیوارها و سطوح دیگر ته نشین می شود (جذب می شود). گفتن اینکه چه مقدار ازن باید در اتاق باشد دشوار است. با این حال، در غلظت های حداقل، ازن احتمالا ضروری و مفید است.

بنابراین، ازن یک بمب ساعتی است. اگر به درستی از آن استفاده شود، به بشریت خدمت می کند، اما به محض استفاده از آن برای مقاصد دیگر، فوراً منجر به یک فاجعه جهانی می شود و زمین به سیاره ای مانند مریخ تبدیل می شود.

ازن (Oz) گازی بی رنگ با بوی تند و تحریک کننده است. وزن مولکولی 48 گرم در مول، چگالی نسبت به هوا 1.657 کیلوگرم بر متر. غلظت ازن در هوا در آستانه بو به 1 میلی گرم در متر می رسد. ازن در غلظت های پایین در سطح 0.01-0.02 میلی گرم بر متر (5 برابر کمتر از حداکثر غلظت مجاز برای انسان)، بوی خاصی از طراوت و خلوص را به هوا می دهد. بنابراین، به عنوان مثال، پس از رعد و برق، بوی لطیف ازن همیشه با هوای پاک مرتبط است.

مشخص است که مولکول اکسیژن از 2 اتم تشکیل شده است: 0 2 . تحت شرایط خاصی، یک مولکول اکسیژن می تواند جدا شود، به عنوان مثال. به 2 اتم جداگانه تجزیه می شود. در طبیعت، این شرایط عبارتند از: در هنگام رعد و برق در هنگام تخلیه الکتریسیته جو و در لایه های بالایی جو، تحت تأثیر تابش فرابنفش خورشید (لایه ازن زمین) ایجاد می شود. با این حال، اتم اکسیژن نمی تواند به طور جداگانه وجود داشته باشد و تمایل به گروه بندی مجدد دارد. در جریان چنین بازآرایی، مولکول های 3 اتمی تشکیل می شوند.

یک مولکول متشکل از 3 اتم اکسیژن، به نام ازن یا اکسیژن فعال، یک اصلاح آلوتروپیک اکسیژن است و دارای فرمول مولکولی 0 3 (d = 1.28 A، q = 11.6.5 درجه).

لازم به ذکر است که پیوند اتم سوم در مولکول اوزون نسبتاً ضعیف است که باعث ناپایداری کل مولکول و تمایل آن به خود پوسیدگی می شود. به دلیل این ویژگی است که ازن یک عامل اکسید کننده قوی و یک ضدعفونی کننده فوق العاده موثر است.

ازن به طور گسترده در طبیعت توزیع می شود. همیشه در هنگام رعد و برق به دلیل الکتریسیته جوی و همچنین تحت تأثیر تشعشعات موج کوتاه و جریان های ذرات سریع در هنگام فروپاشی طبیعی مواد رادیواکتیو در واکنش های هسته ای، تشعشعات کیهانی و غیره در هوا تشکیل می شود. ازن همچنین هنگام تبخیر آب از سطوح بزرگ، به ویژه ذوب برف، اکسیداسیون مواد رزینی، اکسیداسیون فتوشیمیایی هیدروکربن های غیر اشباع و الکل ها رخ می دهد. افزایش تشکیل ازن در هوای جنگل های مخروطی و در ساحل دریا با اکسیداسیون رزین درخت و جلبک دریایی توضیح داده می شود. به‌اصطلاح اوزونوسفر که در اتمسفر فوقانی تشکیل می‌شود، یک لایه محافظ از بیوسفر زمین است، زیرا ازن به شدت تابش بیولوژیکی فعال UV خورشید (با طول موج کمتر از 290 نانومتر) را جذب می‌کند.

ازن از استراتوسفر پایین به لایه سطحی جو وارد می شود. غلظت ازن در جو بین 0.08-0.12 میلی گرم بر متر متغیر است. با این حال، قبل از بلوغ ابرهای کومولوس، یونیزاسیون جو افزایش می یابد، در نتیجه تشکیل ازن به طور قابل توجهی افزایش می یابد، غلظت آن در هوا می تواند از 1.3 میلی گرم در متر مکعب فراتر رود.

ازن یک شکل بسیار فعال و آلوتروپیک از اکسیژن است. تشکیل ازن از اکسیژن با این معادله بیان می شود

3O2 \u003d 20 3 - 285 کیلوژول / مول، (1)

که از آن نتیجه می شود که آنتالپی استاندارد تشکیل ازن مثبت و برابر با 142.5 کیلوژول بر مول است. علاوه بر این، همانطور که ضرایب معادله نشان می دهد، در جریان این واکنش دو مولکول از سه مولکول گاز به دست می آید، یعنی آنتروپی سیستم کاهش می یابد. در نتیجه، انحراف معیار انرژی گیبس در واکنش در نظر گرفته شده نیز مثبت است (163 کیلوژول بر مول). بنابراین، واکنش تبدیل اکسیژن به ازن نمی تواند خود به خود ادامه یابد، انرژی برای اجرای آن مورد نیاز است. واکنش معکوس - پوسیدگی ازن به طور خود به خود ادامه می یابد، زیرا در طی این فرآیند انرژی گیبس سیستم کاهش می یابد. به عبارت دیگر، ازن یک ماده ناپایدار است که به سرعت دوباره ترکیب می شود و به اکسیژن مولکولی تبدیل می شود:

20z = 302 + 285 کیلوژول بر مول. (2)

سرعت واکنش به دما، فشار مخلوط و غلظت ازن در آن بستگی دارد. در دما و فشار معمولی، واکنش به کندی پیش می‌رود؛ در دماهای بالا، تجزیه ازن تسریع می‌شود. در غلظت های پایین (بدون ناخالصی های خارجی) در شرایط عادی، ازن به آرامی تجزیه می شود. با افزایش دما تا 100 درجه سانتیگراد یا بیشتر، سرعت تجزیه به طور قابل توجهی افزایش می یابد. مکانیسم تجزیه ازن که شامل سیستم های همگن و ناهمگن است، کاملاً پیچیده است و به شرایط خارجی بستگی دارد.

خواص فیزیکی اصلی ازن در جدول 1 ارائه شده است.

آگاهی از خواص فیزیکی ازن برای استفاده صحیح از آن در فرآیندهای تکنولوژیکی در غلظت های غیر قابل انفجار، برای سنتز و تجزیه ازن در حالت های ایمن بهینه و برای ارزیابی فعالیت آن در محیط های مختلف ضروری است.

خصوصیات ازن با فعالیت آن نسبت به تشعشعات با ترکیب طیفی مختلف مشخص می شود. ازن به شدت اشعه مایکروویو، مادون قرمز و فرابنفش را جذب می کند.

ازن از نظر شیمیایی تهاجمی است و به راحتی وارد واکنش های شیمیایی می شود. در واکنش با مواد آلی، انواع واکنش های اکسیداتیو در دمای نسبتا پایین ایجاد می کند. این، به ویژه، بر اساس اثر باکتری کش ازن است که برای ضد عفونی کردن آب استفاده می شود. فرآیندهای اکسیداتیو آغاز شده توسط ازن اغلب زنجیره ای هستند.

فعالیت شیمیایی ازن بیشتر به این دلیل است که تجزیه مولکول

0 3 -> 0 2 + O (3)

نیاز به مصرف انرژی کمی بیشتر از 1 eV دارد. ازن به راحتی یک اتم اکسیژن اهدا می کند که بسیار فعال است. در برخی موارد، مولکول ازن می تواند کاملاً به مولکول های آلی متصل شود و ترکیبات ناپایداری را تشکیل دهد که به راحتی تحت تأثیر دما یا نور تجزیه می شوند و ترکیبات مختلف حاوی اکسیژن را تشکیل می دهند.

تعداد زیادی از مطالعات به واکنش های ازن با مواد آلی اختصاص داده شده است، که در آنها نشان داده شده است که ازن به دخالت اکسیژن در فرآیندهای اکسیداتیو کمک می کند، برخی از واکنش های اکسیداسیون در دماهای پایین تر هنگامی که معرف ها با اکسیژن ازن دار درمان می شوند شروع می شود. .

ازن به طور فعال با ترکیبات معطر واکنش می دهد؛ در این حالت، واکنش می تواند هم با و هم بدون تخریب هسته معطر ادامه یابد.

در واکنش های ازن با سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم که از یک کمپلکس ناپایدار میانی M + Oˉ H + O3ˉ عبور می کند و به دنبال واکنش با ازن، ازونیدها تشکیل می شوند. یون Оˉ 3 همچنین می تواند در واکنش با ترکیبات آلی تشکیل شود.

برای مقاصد صنعتی، ازن با پردازش هوای اتمسفر یا اکسیژن در دستگاه های خاص - ازن سازها به دست می آید. طرح های اوزون سازهایی که با فرکانس جریان افزایش یافته (500-2000 هرتز) کار می کنند و ازنسازهایی با تخلیه آبشاری که نیازی به آماده سازی اولیه هوا (تمیز کردن، خشک کردن) و خنک کردن الکترودها ندارند، توسعه یافته اند. بازده انرژی ازن در آنها به 20-40 گرم در کیلووات ساعت می رسد.

مزیت ازن نسبت به سایر عوامل اکسید کننده این است که ازن را می توان در محل مصرف از اکسیژن اتمسفر به دست آورد که نیازی به تحویل معرف، مواد اولیه و غیره ندارد. تولید ازن با انتشار تجمعی مضر همراه نیست. مواد ازن به راحتی خنثی می شود. هزینه ازن نسبتا پایین است.

از بین تمام عوامل اکسید کننده شناخته شده، تنها اکسیژن و محدوده محدودی از ترکیبات پراکسید در فرآیندهای زیستی طبیعی شرکت می کنند.

اوزون یک ماده گازی است که یک تغییر اکسیژن است (از سه اتم آن تشکیل شده است). همیشه در جو وجود دارد، اما اولین بار در سال 1785 هنگام مطالعه تأثیر یک جرقه بر هوا توسط فیزیکدان هلندی Van Marum کشف شد. در سال 1840، شیمیدان آلمانی، کریستین فردریش شونبین، این مشاهدات را تأیید کرد و پیشنهاد کرد که عنصر جدیدی را کشف کند، که نام "ازون" (از یونانی اوزون - بوییدن) را به او داد. در سال 1850، فعالیت بالای ازن به عنوان یک عامل اکسید کننده و توانایی آن برای افزودن به پیوندهای مضاعف در واکنش با بسیاری از ترکیبات آلی مشخص شد. هر دوی این خواص ازن متعاقباً کاربرد عملی گسترده ای یافتند. با این حال، ارزش ازن به این دو ویژگی محدود نمی شود. مشخص شده است که دارای تعدادی خواص ارزشمند به عنوان ضد عفونی کننده و خوشبو کننده است.
برای اولین بار ازن در بهداشت به عنوان وسیله ای برای ضدعفونی آب آشامیدنی و هوا استفاده شد. دانشمندان روسی جزو اولین محققان فرآیندهای ازن زنی بودند. در سال 1874، خالق اولین مکتب بهداشت شناسان روسی، پروفسور A.D. Dobroye shvin، ازن را به عنوان بهترین وسیله برای ضد عفونی آب آشامیدنی و هوا از میکرو فلورهای بیماری زا پیشنهاد کرد. و آن را به عنوان یک ضد عفونی کننده بسیار موثر توصیه کرد. تحقیقات اوزون به ویژه در قرن بیستم گسترده بود. و در حال حاضر در سال 1911، اولین ایستگاه تامین آب ازن در اروپا در سنت هدف در پزشکی، برای اهداف بهداشتی در صنایع غذایی به بهره برداری رسید. ، در فرآیندهای اکسیداسیون صنایع شیمیایی و غیره.
مناطق و مقیاس های استفاده از ازن در دهه گذشته به سرعت افزایش یافته است. در حال حاضر مهمترین کاربردهای ازن به شرح زیر است: تصفیه و ضدعفونی آب آشامیدنی و صنعتی و پسابهای خانگی و مدفوعی و صنعتی به منظور کاهش نیاز بیولوژیکی به اکسیژن (BOD)، سفید کردن، خنثی سازی مواد سمی مضر (سیانیدها). فنل ها، مرکاپتان ها)، از بین بردن بوهای نامطبوع، بو زدایی و تصفیه هوای صنایع مختلف، ازن زنی در سیستم های تهویه مطبوع، نگهداری مواد غذایی، استریل کردن مواد بسته بندی و پانسمان در صنعت داروسازی، درمان و پیشگیری پزشکی از انواع بیماری ها و غیره.
در سال های اخیر، یکی دیگر از ویژگی های ازن ایجاد شده است - توانایی افزایش ارزش بیولوژیکی خوراک دام و غذا برای انسان، که امکان استفاده از ازن را در پردازش، تهیه و ذخیره سازی خوراک و محصولات مختلف فراهم می کند. بنابراین، توسعه فناوری ازن زنی در تولیدات کشاورزی و به ویژه در پرورش طیور بسیار امیدوارکننده است.

خواص فیزیکی ازن

ازن یک شکل بسیار فعال و آلوتروپیک از اکسیژن است. در دماهای معمولی، گاز آبی روشن با بوی تند مشخص است (بو در غلظت ازن 0.015 میلی گرم بر متر مکعب هوا از نظر ارگانولپتیکی احساس می شود). در فاز مایع، ازن دارای رنگ آبی نیلی و در فاز جامد دارای رنگ ضخیم بنفش مایل به آبی است، لایه ای از ازن به ضخامت 1 میلی متر عملاً مات است. ازن از اکسیژن تشکیل می شود، در حالی که گرما را جذب می کند، و برعکس، هنگامی که تجزیه می شود، به اکسیژن منتقل می شود و گرما آزاد می کند (مشابه احتراق). این فرآیند را می توان به شکل زیر نوشت:
واکنش گرمازا
2Oz \u003d ZO2 + 68 کیلو کالری
واکنش گرماگیر

سرعت این واکنش ها به دما، فشار و غلظت ازن بستگی دارد. در دما و فشار معمولی، واکنش ها به کندی پیش می رود، اما در دمای بالا، تجزیه ازن تسریع می شود.
تشکیل ازن تحت تأثیر انرژی پرتوهای مختلف بسیار پیچیده است. فرآیندهای اولیه برای تشکیل ازن از اکسیژن بسته به مقدار انرژی اعمال شده می تواند متفاوت باشد.
تحریک یک مولکول اکسیژن در انرژی الکترونی 6.1 eV رخ می دهد. تشکیل یون های اکسیژن مولکولی - در انرژی الکترونی 12.2 eV. تفکیک در اکسیژن - در انرژی الکترونی 19.2 eV. تمام الکترون های آزاد توسط مولکول های اکسیژن جذب می شوند و در نتیجه یون های اکسیژن منفی تشکیل می شوند. پس از تحریک مولکول، واکنش تشکیل ازن رخ می دهد.
در انرژی الکترونی 12.2 eV، زمانی که یون‌های مولکولی اکسیژن تشکیل می‌شوند، هیچ آزادسازی ازن مشاهده نمی‌شود و در انرژی الکترونی 19.2 eV، زمانی که یک اتم و یک یون اکسیژن درگیر می‌شوند، ازن تشکیل می‌شود. همراه با این، یون های اکسیژن مثبت و منفی تشکیل می شوند. مکانیسم تجزیه ازن* که شامل سیستم های همگن و ناهمگن است، پیچیده است و به شرایط بستگی دارد. تجزیه ازن در سیستم‌های همگن توسط افزودنی‌های گازی (اکسیدهای نیتروژن، کلر و غیره) و در سیستم‌های ناهمگن توسط فلزات (جیوه، نقره، مس و غیره) و اکسیدهای فلزی (آهن، مس، نیکل، سرب و...) تسریع می‌شود. و غیره.). در غلظت های بالای ازن، واکنش با یک انفجار رخ می دهد. در غلظت ازن تا 10٪، تجزیه انفجاری رخ نمی دهد. دمای پایین به حفظ ازن کمک می کند. در دمای حدود 183- درجه سانتیگراد، ازن مایع را می توان برای مدت طولانی بدون تجزیه قابل توجه ذخیره کرد. حرارت دادن سریع تا نقطه جوش (119- درجه سانتیگراد) یا سرد شدن سریع ازن می تواند باعث انفجار شود. بنابراین دانستن خواص ازن و رعایت نکات احتیاطی هنگام کار با آن بسیار مهم است. جدول 1 خواص فیزیکی اصلی ازن را نشان می دهد.
در حالت گازی، ازن دیامغناطیس است، در حالی که در حالت مایع، پارامغناطیس ضعیفی است. ازن به خوبی در اسانس ها، سقز، تتراکلرید کربن حل می شود. حلالیت آن در آب بیش از 15 برابر بیشتر از اکسیژن است.
مولکول ازن، همانطور که قبلا ذکر شد، از سه اتم اکسیژن تشکیل شده است و دارای ساختار مثلث نامتقارن است که با زاویه مبهم در راس (116.5 درجه) و فواصل هسته ای برابر (1.28 درجه A) با انرژی اتصال متوسط ​​(78 کیلو کالری /) مشخص می شود. مول) و قطبیت ضعیف بیان شده (0.58).

خواص فیزیکی اولیه ازن

ویژگی های نوری ازن با ناپایداری آن در برابر تشعشعات ترکیبات طیفی مختلف مشخص می شود. تابش نه تنها می تواند توسط ازن جذب شود و آن را از بین ببرد، بلکه ازن را نیز تشکیل می دهد. تشکیل ازن در جو تحت تأثیر تابش فرابنفش خورشید در منطقه با طول موج کوتاه طیف 210-220 و 175 نانومتر رخ می دهد. در این حالت به ازای هر کوانتوم نور جذب شده دو مولکول ازن تشکیل می شود. خواص طیفی ازن، تشکیل و فروپاشی آن تحت تأثیر تابش خورشیدی پارامترهای آب و هوایی بهینه را در بیوسفر زمین فراهم می کند.



یک آربور، که با زاویه ای مبهم در راس (116.5 درجه) و فواصل هسته ای برابر (1.28 درجه A) با انرژی اتصال متوسط ​​(78 کیلو کالری در مول) و قطبیت ضعیف (0.58) مشخص می شود.
ویژگی های نوری ازن با ناپایداری آن در برابر تشعشعات ترکیبات طیفی مختلف مشخص می شود. تابش نه تنها می تواند توسط ازن جذب شود و آن را از بین ببرد، بلکه ازن را نیز تشکیل می دهد. تشکیل ازن در جو تحت تأثیر تابش فرابنفش خورشید در منطقه با طول موج کوتاه طیف 210-220 و 175 نانومتر رخ می دهد. در این حالت به ازای هر کوانتوم نور جذب شده دو مولکول ازن تشکیل می شود. خواص طیفی ازن، تشکیل و فروپاشی آن تحت تأثیر تابش خورشیدی پارامترهای آب و هوایی بهینه را در بیوسفر زمین فراهم می کند.
ازن توانایی خوبی برای جذب توسط سیلیکاژل و ژل آلومینا دارد که استفاده از این پدیده را برای استخراج ازن از مخلوط‌ها و محلول‌های گازی و همچنین برای جابجایی ایمن آن در غلظت‌های بالا ممکن می‌سازد. اخیراً فریون ها به طور گسترده ای برای عملیات ایمن با غلظت های بالای ازن مورد استفاده قرار گرفته اند. ازن غلیظ حل شده در فریون را می توان برای مدت طولانی ذخیره کرد.
در سنتز ازن، به عنوان یک قاعده، مخلوط های گازی (O3 + O2 یا Oz + هوا) تشکیل می شود که در آن محتوای ازن از 2-5٪ حجمی تجاوز نمی کند. به دست آوردن ازن خالص از نظر فنی یک کار دشوار است و تا به امروز هنوز حل نشده است. روشی برای جداسازی اکسیژن از مخلوط ها با تقطیر در دمای پایین مخلوط های گازی وجود دارد. با این حال، هنوز امکان حذف خطر انفجار ازن در طول اصلاح وجود ندارد. در عمل تحقیقاتی، اغلب از تکنیک ازن دو انجماد با نیتروژن مایع استفاده می شود که به دست آوردن ازن غلیظ را ممکن می سازد. یک روش ایمن تر، بدست آوردن ازن غلیظ از طریق جذب - دفع است، زمانی که جریان مخلوط گاز از طریق یک لایه سیلیکاژل سرد (80- درجه سانتیگراد) دمیده می شود و سپس جاذب با گاز بی اثر (نیتروژن یا هلیوم) دمیده می شود. با استفاده از این روش، می توانید نسبت ازن: اکسیژن \u003d 9: 1، یعنی ازن بسیار غلیظ را بدست آورید.
استفاده از ازن غلیظ به عنوان یک جزء اکسید کننده برای اهداف صنعتی ناچیز است.

خواص شیمیایی ازن

ویژگی های شیمیایی مشخصه ازن در وهله اول باید ناپایداری، توانایی تجزیه سریع و فعالیت اکسیداتیو بالا را در نظر گرفت.
برای ازن، عدد اکسیداسیون I تعیین شد، که مشخص کننده تعداد اتم های اکسیژن است که توسط ازن به ماده اکسید شده منتشر می شود. همانطور که آزمایشات نشان داده است، می تواند برابر با 0.1، 3 باشد. در حالت اول، ازن با افزایش حجم تجزیه می شود: 2Oz ---> 3O2، در حالت دوم یک اتم اکسیژن به ماده اکسید شده می دهد: O3 -> O2 + O (در همان زمان، حجم افزایش نمی یابد)، و در مورد سوم، ازن به ماده اکسید شده اضافه می شود: O3 -\u003e 3O (در این حالت، حجم آن کاهش می یابد).
خواص اکسید کننده واکنش های شیمیایی ازن با مواد معدنی را مشخص می کند.
ازن تمام فلزات به استثنای طلا و گروه پلاتین را اکسید می کند. ترکیبات گوگرد توسط آن به سولفات، نیتریت - به نیترات اکسید می شود. در واکنش با ترکیبات ید و برم، ازن خواص کاهشی از خود نشان می دهد و تعدادی از روش ها برای تعیین کمی آن بر این اساس است. نیتروژن، کربن و اکسیدهای آنها با ازن واکنش می دهند. در واکنش ازن با هیدروژن، رادیکال های هیدروکسیل تشکیل می شوند: H + O3 -> HO + O2. اکسیدهای نیتروژن به سرعت با ازن واکنش می دهند و اکسیدهای بالاتری را تشکیل می دهند:
NO+Oz->NO2+O2;
NO2+O3----->NO3+O2;
NO2+O3->N2O5.
آمونیاک توسط ازن به نیترات آمونیوم اکسید می شود.
ازن هالیدهای هیدروژن را تجزیه می کند و اکسیدهای پایین تر را به اکسیدهای بالاتر تبدیل می کند. هالوژن های درگیر به عنوان فعال کننده فرآیند نیز اکسیدهای بالاتری را تشکیل می دهند.
پتانسیل کاهش ازن - اکسیژن بسیار زیاد است و در محیط اسیدی با مقدار 2.07 ولت و در محلول قلیایی - 1.24 ولت تعیین می شود. میل ترکیبی ازن با یک الکترون با مقدار 2 eV تعیین می شود. فقط فلوئور، اکسیدها و رادیکال های آزاد آن میل الکترونی قوی تری دارند.
از اثر اکسیداتیو بالای ازن برای انتقال تعدادی از عناصر ترانس اورانیوم به حالت هفت ظرفیتی استفاده شد، اگرچه بالاترین حالت ظرفیت آنها 6 است. واکنش ازن با فلزات با ظرفیت متغیر (Cr، Co و غیره) کاربرد عملی پیدا می کند. در تهیه مواد اولیه در تولید رنگ و ویتامین PP.
فلزات قلیایی و قلیایی خاکی تحت تأثیر ازن اکسید می شوند و هیدروکسیدهای آنها تشکیل اوزونید (تری اکسید) می شود. اوزونیدها برای مدت طولانی شناخته شده بوده اند؛ آنها در اوایل سال 1886 توسط شیمیدان آلی فرانسوی چارلز آدولف ورتز ذکر شدند. آنها یک ماده کریستالی قرمز-قهوه ای هستند که شبکه مولکول های آن شامل یون های منفی منفرد ازن (O3-) است که خواص پارامغناطیس آنها را تعیین می کند. حد پایداری حرارتی ازنیدها 2±60- درجه سانتیگراد است، محتوای اکسیژن فعال 46 درصد وزنی است. مانند بسیاری از ترکیبات پراکسید، ازونیدهای فلزات قلیایی کاربرد وسیعی در فرآیندهای بازسازی پیدا کرده اند.
اوزونیدها در واکنش های ازن با سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم تشکیل می شوند که از یک کمپلکس ناپایدار میانی از نوع M + O- H + O3 - با واکنش بیشتر با ازن عبور می کنند و در نتیجه مخلوطی از ازونید و آبی ایجاد می شود. هیدرات اکسید فلز قلیایی.
ازن به طور فعال با بسیاری از ترکیبات آلی وارد برهمکنش شیمیایی می شود. بنابراین محصول اولیه برهمکنش ازن با پیوند دوگانه ترکیبات غیراشباع یک مالوزوئید است که ناپایدار است و به یون دوقطبی و ترکیبات کربونیل (آلدهید یا کتون) تجزیه می شود. محصولات میانی که در این واکنش به وجود می آیند در یک توالی متفاوت دوباره ترکیب می شوند و یک اوزونید تشکیل می دهند. در حضور موادی که قادر به واکنش با یک یون دوقطبی (الکل ها، اسیدها) هستند، به جای اوزونیدها، ترکیبات پراکسید مختلفی تشکیل می شود.
ازن به طور فعال با ترکیبات معطر واکنش می دهد و واکنش هم با تخریب هسته معطر و هم بدون تخریب آن ادامه می یابد.
در واکنش با هیدروکربن های اشباع، ازن ابتدا با تشکیل اکسیژن اتمی تجزیه می شود که اکسیداسیون زنجیره ای را آغاز می کند، در حالی که بازده محصولات اکسیداسیون با مصرف ازن مطابقت دارد. برهمکنش ازن با هیدروکربن های اشباع هم در فاز گاز و هم در محلول ها اتفاق می افتد.
فنل ها به راحتی با ازن واکنش می دهند، در حالی که دومی به ترکیباتی با هسته معطر مختل (مانند کینوئین)، و همچنین مشتقات کم سمی آلدئیدها و اسیدهای غیر اشباع از بین می رود.
برهمکنش ازن با ترکیبات آلی به طور گسترده در صنایع شیمیایی و صنایع وابسته استفاده می شود. استفاده از واکنش ازن با ترکیبات غیر اشباع، به دست آوردن مصنوعی اسیدهای چرب مختلف، اسیدهای آمینه، هورمون ها، ویتامین ها و مواد پلیمری را ممکن می سازد. واکنش های ازن با هیدروکربن های معطر - دی فنیل اسید، فتالیک دی آلدئید و اسید فتالیک، اسید گلیوکسالیک و غیره.
واکنش های ازن با هیدروکربن های معطر پایه ای برای توسعه روش هایی برای بو زدایی محیط های مختلف، محل ها، فاضلاب، گازهای خارج شده و با ترکیبات حاوی گوگرد - مبنای توسعه روش هایی برای تصفیه فاضلاب و گازهای خروجی مختلف است. صنایع، از جمله کشاورزی، از ترکیبات مضر حاوی گوگرد (سولفید هیدروژن، مرکاپتان ها، دی اکسید گوگرد).