اوزون – از صفر تا صد

در شرایط استاندارد، این گاز به رنگ آبی کمرنگ حضور دارد اما در شرایط بسیار سرد به مایعی تیره به رنگ آبی یا جامدی بنفش تبدیل می‌شود. ناپایدرای اوزون در مقایسه با گاز اکسیژن به گونه‌ای است که گاز یا مایع غلیظ ازون با گرم کردن یا افزایش سریع دما تا نقطه جوش، رفتاری انفجاری از خود نشان می‌دهد. بنابراین،‌ باید در غلظت‌های بسیار کم مورد استفاده قرار بگیرد.

ازون یک اکسنده قوی است و کاربردهای بسیاری در صنعت دارد. همچنین پتاسیل بالای اکسایش در اوزون می‌تواند به مخاط و بافت‌های تنفسی حیوانات و گیاهان آسیب برساند. با وجود اینکه غلظت‌های کم و در حدود $$0.1 ppm$$ نزدیک سطح زمین موجب آلودگی‌های زیست محیطی و تخریب بافت‌ها می‌شود، غلظت بالای آن $$(2-8\ ppm)$$ برای جلوگیری از تابش نور ماورا بنفش به سطح زمین بسیار سودمند است.

تاریخچه

در سال 1785 شیمیدانی هلندی به نام «مارتینوس فن ماروم» (Martinus van Marum) مشغول انجام آزمایشی بود که در حین آزمایش متوجه بویی نامشخص شد. این بو به دلیل جرقه‌های ایجاد شده در واکنش بود. او البته در آن زمان متوجه نشد که موجب تشکیل اوزون شده است.

نیم‌قرن بعد، دانشمندی آلمانی به نام «کریستین فردریک شونباین» (Christian Friedrich Schönbein) همین بو را بعد از وقوع رعد و برق متوجه شد. سرانجام او در سال 1839 موفق به جداسازی این گاز شد و نام آن را اوزون نهاد. این نام از ریشه یونانی (Ozein) به معنای «بو» گرفته شده‌ است. به همین دلیل او را به عنوان کاشف اوزون می‌شناسند. فرمول مولکولی اوزون در سال 1865 بوسیله «ژاک-لویی سوقه» (Jacques-Louis Soret) مشخص شد که در 1867 به تایید شونباین رسید.

خواص فیزیکی

ساختار اوزون

واکنش‌ها

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ در فرادرس

کلیک کنید

$$\mathrm { O } _ { 3 } ( \mathrm { g } ) + 2 \mathrm { H } ^ { + } + 2 \mathrm { e } ^ { - } \rightleftharpoons \mathrm { O } _ { 2 } ( \mathrm { g } ) + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \quad E ^ { \circ } = 2.075 \mathrm { V }$$

اوزون و فلزات

$$\mathrm { Cu } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { CuO } + \mathrm { O } _ { 2 }$$

واکنش با نیتروژن و ترکیبات کربن

اوزون موجب اکسید شدن مونو اکسید نیتروژن و تبدیل آن به دی‌اکسید نیتروژن می‌شود:

$$\mathrm { NO } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { NO } _ { 2 } + \mathrm { O } _ { 2 }$$

دی‌اکسید نیتروژن نیز مجددا طی واکنش‌ اکسید شدن شرکت می‌کند و موجب تشکیل $$N O _ 3$$ خواهد بود که این فرآورده نیز در واکنش با دی اکسید نیتروژن به $$N _ 2 O _ 5$$ تبدیل می‌شود. واکنش‌های مختلف ازن با نیتروژن و ترکیبات کربن در زیر آورده شده است:

$$\mathrm { NO } _ { 2 } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { NO } _ { 3 } + \mathrm { O } _ { 2 }$$

$$\mathrm { NO } _ { 2 } + \mathrm { ClO } _ { 2 } + 2 \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { NO } _ { 2 } \mathrm { ClO } _ { 4 } + 2 \mathrm { O } _ { 2 }$$

$$2 \mathrm { NH } _ { 3 } + 4 \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { NH } _ { 4 } \mathrm { NO } _ { 3 } + 4 \mathrm { O } _ { 2 } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$$

واکنش با ترکیبات گوکرد

• اوزون موجب اکسیدشدن سولفید‌ها و تبدیل آنها به سولفات‌ها می‌شود.

$$\mathrm { PbS } + 4 \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { PbSO } _ { 4 } + 4 \mathrm { O } _ { 2 }$$

• به کمک آب، گوگرد یا دی‌اکسید گوگرد و اوزون می‌توان به سولفوریک اسید دست‌ پیدا کرد:

$$\begin{array} { l } { \mathrm { S } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { SO } _ { 4 } } \\ { 3 \mathrm { SO } _ { 2 } + 3 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow 3 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { SO } _ { 4 } } \end{array}$$

• در فاز گاز، اوزون با هیدروژن سولفید برای تولید دی‌اکسید گوگرد وارد واکنش می‌شود:

$$\mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { S } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { SO } _ { 2 } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$$

• در یک محلول آبی، دو واکنش به طور همزمان اتفاق می‌افتد، یکی از واکنش‌ها به تولید گوگرد منجر و دیگری موجب تولید سولفوریک اسید می‌شود:

$$\begin{array} { l } { \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { S } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { S } + \mathrm { O } _ { 2 } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } } \\ { 3 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { S } + 4 \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow 3 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { SO } _ { 4 } } \end{array}$$

واکنش با آلکن‌ها و آلکین‌ها

به طور معمول، اوزون‌کافت در محلول «دی کلرومتان» $$C H _ 3 Cl _ 2$$ و در دمای $$- 78 C ^ \circ$$ انجام می‌شود. بعد از مجموعه‌ای از واکنش‌ها، «اوزونویید» $$(O _ 3 ^ -)$$ به تولید می‌رسد. تحت واکنش‌های کاهشی، آلدهید‌ها و کتون‌ها تشکیل می‌شوند و تحت واکنش های اکسایشی، کربوکسیلیک اسیدها شکل می‌گیرند.

احتراق

از اوزون می‌توان در واکنش‌های احتراق (سوختن) استفاده کرد چراکه موجب تولید دمای بیشتری نسبت به سوختن با اکسیژن می‌شود. در معادله زیر، واکنش «سابنیترید کربن» (Carbon Subnitride) نشان داده شده است که در حضور ازن،‌ دمای واکنش بیشتر خواهد بود:

$$3 \mathrm { C } _ { 4 } \mathrm { N } _ { 2 } + 4 \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow 12 \mathrm { CO } + 3 \mathrm { N } _ { 2 }$$

$$\begin{array} { l } { \mathrm { H } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { HO } _ { 2 } + \mathrm { O } } \\ { 2 \mathrm { HO } _ { 2 } \rightarrow \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } _ { 4 } } \end{array}$$

واکنش‌های کاربردی

از این ماده به منظور حذف آهن و منگنز از آب بهره می‌گیرند. در این واکنش‌ها، فرآورده به صورت رسوب است و به سادگی با عمل فیلتراسیون از آب خارج می‌شود. علاوه‌بر این، ازن در اکسید کردن هیدروژن سولفید موجود در آب و تبدیل آن به «سولفورو اسید» (Sulfurous Acid) نیز کاربرد دارد. سه واکنشی که در پایین آورده شده است، هسته اصلی سیستم‌های تصفیه آب مبتنی بر اوزون را تشکیل می‌دهند:

$$\begin{array} { l } { 2 \mathrm { Fe } ^ { 2 + } + \mathrm { O } _ { 3 } + 5 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \rightarrow 2 \mathrm { Fe } ( \mathrm { OH } ) _ { 3 } ( \mathrm { s } ) + \mathrm { O } _ { 2 } + 4 \mathrm { H } ^ { + } } \\ { 2 \mathrm { Mn } ^ { 2 + } + 2 \mathrm { O } _ { 3 } + 4 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \rightarrow 2 \mathrm { MnO } ( \mathrm { OH } ) _ { 2 } ( \mathrm { s } ) + 2 \mathrm { O } _ { 2 } + 4 \mathrm { H } ^ { + } } \end{array}$$

$$3 \mathrm { O } _ { 3 } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { S } \rightarrow \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { SO } _ { 3 } + 3 \mathrm { O } _ { 2 }$$

$$\mathrm { CN } ^ { - } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { CNO } ^ { - } + \mathrm { O } _ { 2 }$$

$$\left( \mathrm { NH } _ { 2 } \right) _ { 2 } \mathrm { CO } + \mathrm { O } _ { 3 } \rightarrow \mathrm { N } _ { 2 } + \mathrm { CO } _ { 2 } + 2 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$$

لایه اوزون

در فاصله ۱۰ تا ۵۰ کیلومتری از سطح زمین، جایی که آن را با نام استراتوسفر می‌شناسیم، بیشترین میزان از اوزون را خواهیم داشت که به لایه اوزون موسوم است.

حتی در لایه اوزون هم غلظت این ماده را بین $$2-8\ ppm$$ ذکر کرده‌اند و بیشتر اکسیژن موجود در این لایه به شکل $$O _ 2$$ دیده می‌شود.

اوزونی که در استراتوسفر به تولید می‌رسد بیشتر از طریق موج‌های کوتاه ماورابنفش بوجود می‌آید. فرآیند تولید و از بین رفتن ازون به نام «چرخه چاپمن» (Chapman Cycle) شناخته می‌شود. آغاز این چرخه با فوتولیز مولکول اکسیژن همراه است:

$$\mathrm { O } _ { 2 } + h \mathrm { v } \rightarrow 2 \mathrm { O \cdot }$$

اکسیژن تولیدی با مولکول اکسیژن واکنش می‌دهد و اوزون تولید می‌کند.

$$\mathrm { O } \cdot + \mathrm { O } _ { 2 } \rightarrow \mathrm { O } _ { 3 }$$

$$\mathrm { O } + \mathrm { O } _ { 2 } \rightarrow \mathrm { O } _ { 3 } + E _ { \mathrm { K } }$$

$$\mathrm { O } _ { 3 } + \mathrm { O } \rightarrow 2 \mathrm { O } _ { 2 }$$

اهمیت اوزون در زمین

لایه ازن تاثیر کمی در جذب طول موج‌های بلندتر اشعه ماورا بنفش موسوم به UV-A دارد. البته این اشعه موجب تخریب DNA یا آفتاب‌سوختگی نمی‌شود. برای بعضی از افراد این نور تخریب طولانی مدت پوست را به همراه دارد اما برای گیاهان و سلامت جانداران روی زمین خطرساز نیست.

اوزون تروپوسفری

این گاز به طور مستقیم با برخی از هیدروکربن‌ها مانند آلدهیدها وارد واکنش و موجب حذف خود از هوا می‌شوند اما فرآورده تولیدی عموما به صورت گرد و غبار و دوده شکل می‌گیرد. همچنین گرد و غبار تولیدی حاصل از فوتولیز ازون علت اصلی التهاب و قرمزی چشم‌ها است. این گاز در حدود ۲۲ روز طول می‌کشد تا به صورت رسوباتی در سطح زمین تشکیل و از تروپوسفر حذف شود.  علاوه بر این، شواهد نشان داده‌است که افزایش اوزون تروپوسفری موجب کاهش در تولید محصولات زراعی خواهد بود.

شهرهایی همچون دنور، کلرادو، هوستون، تگزاس و مکزیک از جمله آلوده‌ترین شهرهایی هستند که غلظت اوزون در آنها بالاست و در میان آنها مکزیک جایگاه نخست را دارد.

اثرات تخریبی

اوزون به عنوان گاز گلخانه‌ای

«پتانسیل گرمایش جهانی» (Global Warming Potential)، برای هر مولکول اُزن در تروپوسفر، در حدود 1000 برابر قوی‌تر از مولکول دی‌اکسید کربن است اما اُزن تروپوسفری، عمر کمی دارد و بسیار سریع‌تر از دی‌اکسید کربن تجزیه می‌شود. این بدان معنی است که پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) برای اوزون تروپوسفری بسیار پایین‌تر از مقدار ذکر شده در بالا است. به همین خاطر، اُزن تروپوسفری،‌ تاثیر شدیدی بر گرمایش زمین ندارد اما اثرات تابشی شدیدی در مقیاس‌های منطقه‌ای دارد. در مناطقی از دنیا، این اثرات تا 150 درصد بیشتر از اثرات گاز کربن دی‌اکسید ذکر شده است.

اثرات بر سلامتی انسان

در دهه‌های اخیر، دانشمندان مطالعاتی در خصوص اثرات بلندمدت و کوتاه‌مدت گاز اوزون بر سلامتی انسان انجام داده‌اند. بسیاری از مطالعات بر این مطلب تاکید دارند که میزان این گاز در مناطق شهری به گونه‌ای است که برای سلامتی افراد ساکن در آن خطرآفرین و اثرات مخرب ازون بر قلب و سیستم‌های تنفسی و عصبی اثبات شده است. مرگ زودرس و مشکلات باروری از جمله مسائلی است که رد پای این گاز در آن دیده می‌شود.

جمعیت در معرض خطر

انجمن ریه آمریکا، پنج گروه جمعیتی را که در معرض خطر تنفس اُزن قرار دارند مشخص کرده است:

• کودکان و نوجوانان
• افراد بالای 65 سال
• افرادی که در محیط‌های بیرون کار می‌کنند
• افرادی که دارای بیماری‌های ریوی همچون برونشیت مزمن هستند
• بیماران قلبی

مطالعات بیشتر حاکی از آن است که زنان بویژه آنهایی که با اضافه وزن روبرو هستند، از جمله گروه‌های در معرض خطر شمرده می‌شوند.

آلودگی هوا با اوزون

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

افرادی که به مدت طولانی در معرض این گاز قرار گرفته‌اند، با خطر مرگ بر اثر بیماری‌های ریوی مواجه خواهند بود. بررسی‌ها روی 450 هزار بیمار در طول یک دوره ۱۸ ساله، وجود ارتباط بین سطح ازن و بیماری‌های تنفسی را اثبات کرده است به گونه‌ای که در برخی افراد، خطر مرگ بر اثر بیماری‌های ریوی تا 30 درصد افزایش می‌یابد.

تولید آزمایشگاهی اوزون

$$\begin{array} { l } { 3 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \rightarrow \mathrm { O } _ { 3 } + 6 \mathrm { H } ^ { + } + 6 \mathrm { e } ^ { - } \left( \Delta E ^ { \circ } = - 1.53 \mathrm { V } \right) } \\ { 6 \mathrm { H } ^ { + } + 6 \mathrm { e } ^ { - } \rightarrow 3 \mathrm { H } _ { 2 } \left( \Delta E ^ { \circ } = 0 \mathrm { V } \right) } \\ { 2 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \rightarrow \mathrm { O } _ { 2 } + 4 \mathrm { H } ^ { + } + 4 \mathrm { e } ^ { - } \left( \Delta E ^ { \circ } = 1.23 \mathrm { V } \right) } \end{array}$$

کاربردهای اوزون

• ضدعفونی کردن البسه بیمارستانی، کارخانجات صنایع غذایی و ...
• ضدعفونی آب به جای استفاده از کلر
• از بین بردن باکتری‌های غذا یا باکتری‌های موجود در سطوح
• از بین بردن لارو حشرات در انبارهای غلات و حبوبات
• شستشوی سبزیجات و میوه‌های تازه برای از بین بردن قارچ، کپک و باکتری
• ضدعفونی کردن آب استخر

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش شیمی عمومی
• آبکاری — به زبان ساده
• خوردگی فلزات در شیمی — به زبان ساده

^^