Озон

З озоном ви вже знайомилися у розділі 1, коли ми розповідали про склад атмосферного повітря, в якому озон присутній у вигляді незначної домішки. У чистому вигляді озон O3 – блакитний газ з різким запахом (грецьке озос – пахучий). Будова молекули озону можна зобразити різними способами. Наприклад, комбінацією двох крайніх (або резонансних) структур. Кожна з таких структур не існує в реальності (це як би “креслення” молекули), а справжня молекула являє собою щось середнє між двома резонансними структурами. Хоча молекулярний кисень і озон складені з атомів одного і того ж елемента кисню – це різні речовини. З таким же явищем на прикладі вуглецю ми вже стикалися в розділі 3 (алмаз і графіт). Воно називається аллотропией. Графіт і алмаз – різні речовини, хоча і той і інший складаються тільки з вуглецю. Тепер ми спостерігаємо таке ж явище у кисню.

Якщо який-небудь елемент утворює два або кілька простих речовин, то такі речовини називаються аллотропной модифікаціями. Саме це явище називається аллотропией.

Отже, озон і молекулярний кисень – дві різні аллотропние модифікації елемента кисню.

У лабораторії озон отримують при “тихому” (без іскор) електричному розряді в скляній трубці, через яку пропускається струм кисню. Такий прилад називається озонатором. Є й інші лабораторні способи отримання озону.

** Комусь із читачів (особливо учасникам хімічних олімпіад) напевно знайомий класичний спосіб отримання пероксиду водню H2О2 з пероксиду барію BaO2 при дії розбавленої сірчаної кислоти.

BaO2 + H2SO4 (разб.) = BaSO4 ? + H2О2 (розчин)

Пероксиди – це речовини, що містять зв’язок О-О. Цікаво, що якщо взяти не розбавлену, а концентровану сірчану кислоту, то реакція йде іншим шляхом і утворюється озон:

3 BaO2 + 3 H2SO4 = 3 BaSO4 ? + O3 ? + 3 H2O

Отримання озону і його обнаруженіеОзон володіє більш сильними окисними властивостями, ніж кисень. Наприклад, озон здатний змінити ступінь окислення йоду від -1 до 0, тобто окислити аніон йоду до вільного йоду. Вільний йод, у свою чергу, легко виявити додаванням крохмалю (виходить темно-синій іодкрахмальний комплекс). Цей спосіб можна використовувати для виявлення озону – подивіться досвід з “Єдиної колекції освітніх ресурсів”.

Гума швидко руйнується в атмосфері озону, а спирт при зіткненні з ним запалюється. У чому ж причина такої високої окислювальної здатності озону?

Молекула озону щодо стійка, однак під впливом каталізаторів (ними може служити цілий ряд речовин) вона легко розкладається з виділенням атомарного кисню – більш сильного окислювача, ніж молекулярний кисень:

O3 = O2 + O

Через свою високу окисної здатності озон досить токсичний для живих організмів. Якщо його вміст у приміщенні підвищується до 10-4% за обсягом (а це зовсім мало порівняно з 21% кисню в повітрі), то людина відчуває головний біль та інші ознаки хімічного отруєння. У Росії та СНД гранично допустима разова концентрація озону складає 0,08 ? 10-4%, в Європейському Союзі – 0,09 ? 10-4%, в США – 0,24 ? 10-4% за об’ємом.

З іншого боку, здатність озону розкладатися з утворенням атомарного кисню робить його майже ідеальним засобом для знезараження питної води. Озон вбиває хвороботворні бактерії окисленням, частково перетворюючись при цьому в молекулярний кисень. Тому озонована вода краще і смачніше хлорованої, яку до цих пір доводиться пити жителям багатьох міст.

** Чому б не припустити, що молекула озону має циклічний будова – у формі рівностороннього трикутника? У такій молекулі валентність всіх атомів кисню була б дорівнює двом, як і у всіх інших його з’єднаннях. Однак експериментальні факти не підтверджують цю гіпотезу. По-перше, структурні дослідження показали, що молекула являє собою не рівносторонній, а рівнобедрений трикутник, один з кутів якого набагато більше 60o. По-друге, довжина зв’язку кисень-кисень (1,28 А) скоріше відповідає кратної, а не простий зв’язку (нагадаємо, що довжина простий зв’язку О-О в H2O2 помітно більше – 1,48 А). По-третє, молекула озону полярна. Всі ці факти пояснюють наведені на початку параграфа формули. Так, поділ зарядів “+” і “-” в резонансних структурах дозволяє пояснити полярність молекули озону (через це озон набагато краще, ніж O2, розчиняється у воді). Крім того, такий поділ зарядів еквівалентно ще однієї хімічного зв’язку і можна говорити, що у центрального атома кисню валентність (IV). Аналогічна ситуація реалізується при утворенні молекули SO2, однак у атома сірки валентність (IV) з’являється завдяки переходу електрона з підрівня 3p на 3d (згадайте § 3.5, де наведені потрібні орбітальні діаграми). Але у кисню на 2-му рівні немає d-орбіталей! Як же в цьому випадку реалізується його четирехвалентное стан? Ймовірно, завдяки переходу електрона з рівня 2p на 3s в атомі кисню. Ці рівні вже значно відрізняються по енергії, тому такий перехід повинен вимагати великих енергетичних витрат. Експеримент говорить про те, що освіта озону дійсно вимагає поглинання великої кількості енергії.

Посилання на основну публікацію