Книга: Жизнь замечательных веществ

1.7. Озон

1.7. Озон

Для большинства людей озон ассоциируется ни с чем иным, кроме как с дырами в атмосфере в полярных районах и концепцией: «Аааа, мы все умрем!» Кто-то наоборот, считает запах озона ароматом свежести и обновления. Однако о свойствах озона, обуславливающих появление этой дыры, а также о том, что озон в верхних слоях атмосферы защищает жизнь на Земле, а озон в нижних слоях атмосферы опасен для здоровья, известно меньше.

Озон является аллотропной модификацией кислорода. Молекулярный кислород, образующий с азотом и другими газами смесь, которую мы называем воздухом, состоит из двух атомов кислорода и с точки зрения номенклатуры должен называться «дикислород».

Озон – ближайший родственник дикислорода, но состоящий из трёх атомов кислорода. Тем не менее такая относительно простая молекула, столь близкая по строению к дикислороду, долгое время была загадкой для химиков XIX столетия.

Озон – бледно-голубой газ с характерным, несколько резковатым запахом (этот запах можно почувствовать, понюхав воздух у работавшего продолжительное время без перерыва ксерокса или лазерного принтера).

Название «озон» происходит от греческого слово «озеин» – запах. Это имя газ получил в 1840 году, его крестным отцом стал успевший поработать и в Германии, и в Швейцарии химик Кристиан-Фридрих Шенбейн, которому часто приписывают и пальму первенства в открытии озона. Тем не менее впервые озон обнаружил не Шенбейн, а голландский физик Мартин ван Марум (в 1785 г.) – именно он описал характерный запах и окислительные свойства, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр.

Однако ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя», на открытие нового вещества он не претендовал, и до Шенбейна общепринятым было мнение о том, что запах озона – это «запах электричества». Итак, Шенбейн первым заявил об озоне как о новом химическом веществе, но молекулярная формула озона – O₃ – была установлена позже: это было связано с трудностями при выделении и очистке озона от других газов, а эти трудности, в свою очередь, являлись результатом высокой реакционной способности озона.

При конденсации озон превращается в тёмно-синюю жидкость и фиолетово-чёрное твёрдое вещество, и то и другое – взрывчатые вещества. Цвет озона объясняется тем, что он интенсивно поглощает свет в красной области спектра. Помимо этого, озон поглощает ультрафиолетовое излучение, и именно это его свойство объясняет роль озона в окружающей среде, причем озон в верхних слоях атмосферы (стратосферный озон) и озон в нижних слоях атмосферы (тропосферный озон) играют разную роль в химии атмосферы и в экологических системах.

В нижних слоях атмосферы тропосферный озон образуется в результате комбинации таких факторов, как солнечный свет, органические кислородсодержащие вещества и оксиды азота. Этот озон часто встречается в атмосфере крупных городов и является обычным компонентом смога.

Озон токсичен для человека, в особенности – для легких и дыхательной системы (предельно допустимая концентрация озона для человека сравнима с таковой для циановодорода – в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м³; в атмосферном воздухе населённых мест – 0,03 мг/м³, хотя человек распознает озон по запаху в концентрациях меньших, чем опасная). Повышенная концентрация озона может вызывать у некоторых людей поражения глаз, кашель, головную боль и боли в груди, респираторные нарушения, а также являться причиной обострения астмы и общего ослабления функции легких. Из-за этой потенциальной опасности рекомендуется хорошо проветривать помещения, в которых в течение длительного времени работает печатная или копировальная техника, а в некоторых штатах США даже объявляют «дни озоновой угрозы» – в такие дни прогнозируется увеличение содержания озона, и гражданам рекомендуют не использовать устройства, способные повысить концентрацию озона в воздухе, в первую очередь – автомобили (кстати, биоэтанол, использующийся в качестве топлива в ряде машин в США, является гораздо более опасным источником озона для смога, чем традиционный бензин, при горении которого, однако, могут образовываться канцерогены).

Если тропосферный озон опасен для здоровья, то озон стратосферный является нашим защитным «солнечным зонтиком». На высоте примерно 20 км от уровня моря озон образуется в результате воздействия ультрафиолетового излучения солнца на молекулы дикислорода, таким образом, озоновый слой является экраном, предохраняющим Землю от губительного воздействия солнечного ультрафиолета. Ультрафиолетовое излучение Солнца опасно для всего живого на Земле – ультрафиолет может повреждать ДНК, вызывая мутации, для «переоблучившихся» ультрафиолетом людей, например, повышается шанс развития рака кожи.

В конце 1970-х и начале 1980-х наблюдение за состоянием атмосферы Земли показало, что содержание озона в атмосфере падает, что приводит к истончению озонового слоя, и в 1985 году в Антарктическом регионе над Южным полюсом впервые наблюдалась дыра в озоновом слое. При этом отмечалось не только постепенное понижение содержания озона в атмосфере, но и сезонные колебания концентрации озона – с 1985 года и по наши дни каждую весну в атмосфере над Антарктикой наблюдается практически полное отсутствие озона в атмосфере – это и есть «озоновая дыра».

Было предположено, что истончение озонового слоя было обусловлено использованием хлорфторуглеводородов (фреонов), которые в то время использовались в качестве газов-пропеллентов для аэрозольных баллончиков и в системах охлаждения бытовых приборов. До детального изучения процессов, протекающих в атмосфере, фреоны казались химикам и экологам идеальными благодаря своей химической устойчивости.

В 1974 году Марио Молина (Mario Molina) и Френк Шервуд Роулэнд (Frank Sherwood Rowland) опубликовали статью в Nature, в которой описывалась возможность разложения фреонов под воздействием ультрафиолета в верхних слоях атмосферы, а также то, как атомы хлора, образующиеся при таком разложении, могут катализировать разрушение озона до дикислорода, способствуя понижению концентрации стратосферного озона (один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона).

Выводы Молины и Роулэнда оспаривались в то время и оспариваются сейчас; одним из моментов критики является то, что фреоны существенно тяжелее воздуха и им сложно подниматься на уровень стратосферы. Ещё одним из источников атомов хлора, разрушающих озоновый слой, считались системы ускорения американских «шаттлов», окислителями топлива в которых были хлораты и перхлораты калия (наша космонавтика в отношении опасности для озонового слоя всегда была вне подозрения).

Тем не менее в 1987 году был подписан Монреальский протокол – международное соглашение, существенно ограничивающее производство и применение фреонов (использовать фреоны для распыления содержимого аэрозольных баллончиков Монреальский протокол запретил, правда, полеты шаттлов не запретил). Возможно эти ограничения по применению фреонов (ну и, кстати, почившая в бозе американская программа космических кораблей многразового использования) привели к тому, что концентрация стратосферного озона снова стала увеличиваться, и, по оценкам, толщина озонового слоя вернется к уровню ранних 1970-х к 2060–2070 году (но это в том случае, если истощение озона обусловлено антропогенным воздействием, а не какими-то другими, возможно неизвестными пока для нас естественными природными процессами – активностью Солнца, например). Молина же и Роулэнд совместно с голландским химиком Паулем Крутценом (Paul Crutzen) в 1995 году разделили Нобелевскую премию по химии – за изучение реакций, протекающих в атмосфере Земли.

Озон имеет очень высокое сродство к электрону (1,9 эВ), что и обусловливает его свойства сильного окислителя, превосходимого в этом отношении только фтором. Причиной его химической активности является полярное строение молекулы озона, или точнее – положительно поляризованный атом кислорода, который придает всей молекуле электрофильный характер. Поэтому молекулы с высокой плотностью электронов являются наиболее предпочтительными реакционноспособными элементами. Озон является сильным окислителем и используется для разрушения органических соединений, чаще всего – с двойными связями, такое разрушение носит название «озонолиз».

Способность озона реагировать с органикой с одной стороны опасна – контакт озона с полимерами приводит к их разрушению и/или изменению их физико-механических свойств (например, увеличивается хрупкость), с другой стороны – способность озона окислять органику приводит к тому, что он применяется в отбелке целлюлозных материалов и обеззараживании питьевой воды.

Если ещё в 1990-е годы основным способом отбелки материалов было использование хлора и его соединений, то в настоящее время эволюция процесса отбелки тканей, бумаги и другого целлюлозосодержащего сырья направлена в сторону полного исключения молекулярного хлора и производных хлора с целью максимального снижения содержания хлорорганических соединений в отходах производства и в готовой продукции. В современной идеологии бесхлорной отбелки различают два направления:

1. Отбелка без молекулярного хлора (Elemental Chlorine Free – ECF), в которой не применяют элементарный хлор или гипохлориты, а отбеливающим реагентом является диоксид хлора.

2. Отбелка полностью без применения соединений хлора (Total Chlorine Free – TCF), здесь отбеливающими реагентами могут быть кислород, перекись водорода, пероксокислоты и озон (если внимательно посмотреть на упаковку офисной бумаги, на ней можно увидеть трехбуквенные обозначения – я вот на имеющейся у меня под рукой пачке «Снегурочки» вижу маркировку ECF).

Впервые в мире промышленное использование озона для отбелки древесной массы было осуществлено в 1975 году в г. Хекслунде (Норвегия) на фабрике для производства газетной бумаги производительностью 200 тыс. т в год. В настоящее время в Италии, Австрии, США, Швеции, Финляндии десятки предприятий имеют промышленные установки для отбелки озоном. Самая крупная из них (производительностью 1450 т/сут) смонтирована на заводе Мется-Ботния в г. Каскинен (Финляндия). В России опытная установка для обработки целлюлозы озоном была создана на Сясьском целлюлозно-бумажном комбинате в конце 1970-х годов, однако до промышленного внедрения разработка не была доведена, и информации о том, есть ли сейчас целлюлозно-бумажные производства, где используется отбелка озоном, я не нашёл.

Опять же – в Европе в настоящее время 95 % питьевой воды проходит озонную подготовку, в США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России на сегодняшний день существует всего несколько станций озонирования воды – в Москве и Нижнем Новгороде. Несмотря на уже упоминавшуюся токсичность озона, для конечного потребителя озонирование воды менее опасно, чем хлорирование, – озон достаточно быстро разрушается до дикислорода, не оставляя токсичных или нежелательных «следов» в обрабатываемой воде.

История озона началась ещё в XVIII веке, когда его считали «запахом электричества», сегодня мы знаем, что стратосферный озон можно считать «зонтиком-хранителем» жизни на Земле, но из-за его токсичности я бы предпочел, чтобы озон содержался в стратосфере, а к нам в тропосферу – ни-ни (помню я смог лета-2010 от горения лесов и не хочу освежать эти воспоминания в памяти).