אוזון

אוזון
שם סיסטמטי	trioxygen
מסה מולרית	47.998 גרם/מול
מראה	גז כחול
מספר CAS	10028-15-6
צפיפות	2.144g/l גרם לליטר (גז ב-C° ‏0) גרם/סמ"ק
מצב צבירה	גז
מסיסות	0.105 גרם ב-100 מ"ל מים ב-C° ‏0
טמפרטורת היתוך	-192.5 °C ; 80.65 K
טמפרטורת רתיחה	-111.9 °C ; 161.25 K
אנתלפיית התהוות סטנדרטית	142.67 קילוג'ול למול
NFPA 704	0 OX 4 4

ערך זה עוסק במולקולה O₃. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו אוזון (פירושונים).

אוֹזוֹן הוא מולקולה המורכבת משלושה אטומים של חמצן (במקום שניים במבנה הנפוץ). סימנו הכימי הוא O₃.

האוזון הוא גז רעיל בעל ריח חריף הגורם לקשיי נשימה ולגירויים שונים. בסטרטוספירה של כדור הארץ, שם הוא יוצר שכבה (שכבת האוזון), יש לאוזון תפקיד חשוב בקיום תקין של מהלך החיים על-פני כדור הארץ בסננו את הקרינה האולטרה סגולה המזיקה של השמש. האוזון מהווה גז חממה^[1]

תכונות החומר

בטמפרטורת החדר האוזון הוא גז חסר צבע. טמפרטורת הרתיחה שלו היא 161 קלווין (בטמפרטורה נמוכה מזו האוזון הופך לנוזל כחול כהה), וטמפרטורת ההיתוך שלו היא 80 קלווין (בטמפרטורה נמוכה מזו האוזון הופך למוצק כחול כהה). בניגוד ל-O₂, האוזון דיאמגנטי. סף הריכוז להרחה של אוזון באוויר הוא בין 0.0076 ל-0.036 חלקים למיליון (ppm).

אנתלפיית התהוות סטנדרטית של אוזון: 142.67 קילוג'אול למול והאנטרופיה המולרית 238.92 ג'אול למול למעלה

מבנה

לפי ספקטרום המיקרוגל של הגז (בליעות של רמות רוטציה של המולקולה), מולקולת האוזון מכופפת –חבורת הסימטריה C2_v (בדומה למולקולת המים). אורך הקשר חמצן-חמצן 127.2pm וזווית הקשר 116.78°. שני הקשרים ברזוננס: קשר כפול בצד אחד וקשר בודד בצידה השני של המולקולה יוצרים אל-איתור וסדר הקשר של שני קשרי החמצן-חמצן 1.5 כ"א.

כימיה

אוזון מגיב כימית עם אלקנים ומפרק אותם לאלדהידים וקטונים. תגובה זו נקראת אוזונוליזה ("ליזה" ביוונית פירושו "פירוק"). תחילה ניתק הקשר הכפול שבמולקולת האלקן ולאחר מכן נוצר קשר כפול בין כל אחד משני אטומי הפחמן שנותרו לא-קשורים ובין אטום חמצן מהאוזון.

בריכוזים גבוהים אוזון יתפרק ויתקבל חמצן

$2 O_{3} \Rightarrow 3 O_{2}$

אוזון יגיב עם מתכות (פרט לזהב, פלטינה ואירידיום) ויחמצן אותן למצב החמצון המרבי שלהן, לדוגמה:

$2 C u_{(a q)}^{+} + 2 H_{3} O_{(a q)}^{+} + O_{3 (g)} \Rightarrow 2 C u_{(a q)}^{2 +} + 3 H_{2} O_{(l)} + O_{2 (g)}$

אוזון מחמצן גם תחמוצות חנקן למשל בתגובה הבאה המלווה פליטת אור (כמי-לומינסנסיה):

$N O + O_{3} \Rightarrow N O_{2} + O_{2}$

ה-NO₂ שנוצר בתגובה יכול להתחמצן עוד :

$N O_{2} + O_{3} \Rightarrow N O_{3} + O_{2}$

אוזון מגיב עם פחמן לתת פחמן דו-חמצני אפילו בטמפרטורת החדר

$C + 2 O_{3} \Rightarrow C O_{2} + 2 O_{2}$

אוזון לא יגיב עם מלחי אמוניום אך יגיב עם אמוניה גזית לתת אמוניום ניטראט

$2 N H_{3} + 4 O_{3} \Rightarrow N H_{4} N O_{3} + 4 O_{2} + H_{2} O$

אוזון יחמצן גפרית בסולפידים לסולפט למשל:

$P b S + 4 O_{3} \Rightarrow P b S O_{4} + 4 O_{2}$

ניתן לייצר חומצה גפרתית מאוזון – חומר הגלם יכול להיות גפרית או גפרית דו-חמצנית

$S + H_{2} O + O_{3} \Rightarrow H_{2} S O_{4}$
$3 S O_{2} + 3 H_{2} O + O_{3} \Rightarrow 3 H_{2} S O_{4}$

במצב גזי אוזון מגיב עם מימן גפרתי ומתקבלת גפרית דו-חמצנית

$H_{2} S + O_{3} \Rightarrow S O_{2} + H_{2} O$

בתמיסה מימית, לעומת זאת, מימן גפרתי מגיב עם אוזון בשתי ריאקציות מתחרות בו זמנית: אחת נותנת חומצה גפרתית והשנייה גפרית מוצקה.

$H_{2} S + O_{3} \Rightarrow S + O_{2} + H_{2} O$
$3 H_{2} S + 4 O_{3} \Rightarrow 3 H_{2} S O_{4}$

ניתן להשתמש באוזון להרחיק יוני מנגן ממים על ידי יצירת משקע שניתן לסלק בסינון

$2 M n^{2 +} + 2 O_{3} + 4 H_{2} O \Rightarrow 2 M n O (O H)_{2 (s)} + 2 O_{2} + 4 H^{+}$

אוזון יחמצן ציאניד ליון ציאנט הרעיל פי אלף פחות

$C N^{-} + O_{3} \Rightarrow C N O^{-} + O_{2}$

אוזון יפרק שתנן

$(N H_{2})_{2} C O + O_{3} \Rightarrow N_{2} + C O_{2} + 2 H_{2} O$

ייצור אוזון

התפרקות חשמלית

באמצעות יצירת פלזמה על ידי התפרקות חשמלית ניתן לקבל 10% אוזון. זוהי השיטה בה מייצרים אוזון לצרכים תעשייתיים ורפואיים. כאשר ההתפרקות החשמלית היא דרך אוויר נוצרות גם תחמוצות חנקן כתוצר לואי. הקפדה על אוויר יבש מונעת היווצרות של חומצה חנקתית (מהמגע בין אדי מים לתחמוצת חנקן). שיפור הניצולת מושג על ידי הזרמת חמצן במקום אוויר.

יצירת אוזון על ידי קרינת UV

בשיטה זו מחקים את מנגנון יצירת האוזון בסטרטוספירה ומקרינים חמצן ב-UV. שיטה זו זולה יותר אך ניתן להגיע לריכוזי אוזון של 2% בלבד. בנוסף נדרש זמן הקרנה ארוך של החמצן כך שהשיטה אינה ישימה למצבים בהם נדרשת אוזונציה של זרם מהיר של גז.

אוזון בריכוז גבוה

ניתן לקבל אוזון טהור על ידי ניזול של תערובת O₂ ו-O₃. מתקבלת מערכת נוזלית בה פאזה אחת יציבה ומכילה 25% אוזון ופאזה שנייה שצבעה סגול עמוק מכילה 70% אוזון והיא נפיצה.^[2]

היסטוריה

ההיתקלות הראשונה באוזון התרחשה ב-1785 כאשר המדען מרטינוס ון מארום, שהתעניין מאוד בחשמל, בנה בעזרתו של ג'ון קאתברטסון גנרטור חשמלי המופעל על ידי חיכוך (חשמל אלקטרו סטאטי) בדומה לגנרטור ון דה גראף, במהלך אותו ניסוי נוצר מתח חשמלי הקרוב ל-750 מיליון וולט. בנוסף למטען החשמלי אשר הפקתו הייתה מטרת הניסוי, תיארו הנוכחים תחושה מוזרה של מעין קורי עכביש העוטפים אותם. תחושה זו לוותה בריח חריף אשר היה ניתן להרגיש בו גם למרחק של כתשעה עד עשרה מטרים מהגנרטור. מארום ציין ברשימותיו כי זהו "ריחו של החשמל", ואף שיער כי זו השפעת החשמל על אוויר או חמצן, אך לא התעניין הרבה מעבר לכך בתופעה.

בשנת 1840, כ-55 שנים לאחר ההיתקלות הידועה הראשונה באוזון, הבחין גם הכימאי כריסטיאן שנביין (Christian Friedrich Schönbein), במהלך ניסויים בחמצון ובאלקטרוליזה של מים, באותו ריח חריף אותו תיאר מארום. בניגוד למארום אשר לא התעניין בכימיה, שונביין התעניין בתופעה, ואף כינה את הגז בעל הריח החריף שנוצר בשם אוזון, מהמילה היוונית אוזיין שמשמעותה: "להריח".

בשנת 1857, תכנן ארנסט ורנר פון סימנס את המכונה הראשונה המיועדת ליצירת אוזון. מאז ועד היום מתוכננים המכשירים על בסיס התכנון שלו.

האוזון באטמוספירה

אוזון סטרטוספירי

ערך מורחב – הידלדלות שכבת האוזון

שכבת האוזון נמצאת, כאמור, בסטרטוספירה, חלקה האמצעי של אטמוספירת כדור הארץ. שכבה זו בולעת חלק מהקרינה האולטרה סגולה המגיעה מהשמש והמזיקה ליצורים חיים. הקרינה האולטרה-סגולה גורמת להיווצרות האוזון, בכך שהיא מפרקת את מולקולת החמצן לאטומים בודדים, ואלה מתחברים למולקולות חמצן שלמות ליצירת אוזון
$O_{2} + h ν (λ \leq 242 n m) \Rightarrow \cdot O \cdot + \cdot O \cdot$

$\cdot O \cdot + O_{2} + M \Rightarrow O_{3} + M$

M הוא צורון נייטרלי שמקבל חלק מהאנרגיה הקינטית של אטומי החמצן ובכך מוריד את האנרגיה של המערכת ומאפשר את יצירת מולקולת האוזון. קרינה האולטרה-סגולה באורכי גל שבין 220 ל-320 ננומטר (UVC) מפרקת את מולקולת האוזון, כך שנוצר מחזור של אוזון-חמצן. בליעה זו של מולקולות האוזון מגינה על כדור הארץ מקרינה מזיקה. מחזור זה משתבש בנוכחות אטומים של כלור, פלואור או ברום. אטומים אלה, שמקורם טבעי או בפעילות האדם, גורמים להתפרקות האוזון באטמוספירה על ידי זרוז (קטליזה) של הריאקציה

O + O_{3} \Rightarrow 2 O_{2}

. מכיוון שהתפרקות האוזון מתמקדת בעיקר באזור הקוטב הדרומי והקוטב הצפוני, הם מופיעים בתמונות לוויין כשני חורים ענקיים באטמוספירה. החור בשכבת האוזון הפך לנושא בוער ומרכזי באיכות הסביבה העולמית.

הדמיה של החור בשכבת האוזון מעל אנטארקטיקה, ספטמבר 2006

האוזון כמזהם אוויר – אוזון טרופוספירי

בשכבה נמוכה של האטמוספירה – הטרופוספירה האוזון הוא מזהם אוויר. נזקיו כוללים:

גירוי בדרכי הנשימה, שיעול
ירידה ביעילות פעולת הריאות: קושי בשאיפה עמוקה – הנשימה הופכת רדודה יותר ומתפתח קושי בנשימה בעת פעילות מאומצת
החמרה של אסתמה על ידי הגברת הרגישות לאלרגנים
הגברת הפגיעות לזיהומי מערכת הנשימה

מחקר אפידמיולוגי במרכזים עירוניים בארצות הברית העלה מתאם גבוה בין ריכוז האוזון באוויר למוות מוקדם. המחקר העריך שירידה של שליש בריכוז האוזון תציל את חייהם של כ-4,000 אנשים בשנה. בהתאם, הוחמרו תקנות זיהום האוויר באזורים שונים בארצות הברית לשם הורדת רמת האוזון בטרופוספירה.

אוזון עשוי להיווצר כתוצאה מתגובות של מזהמי אוויר אורגנים (תרכובות אורגניות נדיפות VOC) או אי אורגנים עם קרינת שמש (ערפיח פוטוכימי). כך, למשל, עשוי להיווצר אוזון מהגז NO הנוצר בריאקציה 1 בצילינדר של מנוע בעירה פנימית – זיהום האופייני למצבי ערפיח (smog)^[3]

$N_{2} + O_{2} \Rightarrow 2 N O$
$2 N O + O_{2} \Rightarrow 2 N O_{2}$
$N O_{2} + h ν \Rightarrow N O + O$
$O + O_{2} \Rightarrow O_{3}$

תרכובות אורגניות נדיפות גורמות גם כן להיווצרות אוזון כמודגם עבור פחמן חד-חמצני CO. שרשרת התגובות מתחילה בתגובה עם רדיקל הידרוקסיד OH המביאה ליצירת אטום מימן ואחר כך רדיקל HO₂ המגיב עם NO ליצירת NO₂

$O H + C O \Rightarrow H + C O_{2}$
$H + O_{2} \Rightarrow H O_{2}$
$H O_{2} + N O \Rightarrow H O + N O_{2}$
$N O_{2} + h ν \Rightarrow N O + O$
$O + O_{2} \Rightarrow O_{3}$

הריאקציה נטו היא:

$C O + 2 O_{2} \Rightarrow C O_{2} + O_{3}$

התקן הישראלי לאוזון הוא 230 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לחצי שעה ו-160 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לשמונה שעות.

שימושים באוזון

שימושים תעשייתיים של אוזון כוללים:

חיטוי מים קודם לאריזתם בבקבוקים.
חיטוי בצורת מי אוזון.
תקיפה כימית של מזהמים ביולוגים המצויים במים ובפרט מי שתייה, בריכות שחיה ומי שופכין מטוהרים.
ניקוי והבהרה של אריגים.

ראו גם

הידלדלות שכבת האוזון (או החור באוזון כפי שנהוג לקרוא לתופעה בציבור)

קישורים חיצוניים

אתר אודות החור בשכבת האוזון (אורכב 23.06.2020 בארכיון Wayback Machine) (באנגלית)
יהודית הלבן, פרס נובל בכימיה – והפעם לאוזון, גליליאו, גיליון 13, נובמבר/דצמבר 1995
השפעות בריאותיות של חשיפה לאוזון – אתר הקרן לבריאות וסביבה (בעברית)
אוזון אתר המשרד להגנת הסביבה (עברית)
אוזון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
אוזון, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

^ ד"ר איתן אוקסנברג, מה זה גז חממה?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 22 בינואר 2018
^ Advanced Inorganic Chemistry, F. Cotton & G. Wilkinson, P.452
^ James E. Huheey, Inorganic Chemistry, Gaseous air pollution (in chepter 18)

[1] ד"ר איתן אוקסנברג, מה זה גז חממה?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 22 בינואר 2018

[2] Advanced Inorganic Chemistry, F. Cotton & G. Wilkinson, P.452

[3] James E. Huheey, Inorganic Chemistry, Gaseous air pollution (in chepter 18)

[1]

[2]

[3]