Ozono

Ozono
Immagine illustrativa dell'articolo Ozone
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Identificazione
Nome IUPAC Trioxygen
Sinonimi

ozono

N o CAS 10028-15-6
N o ECHA 100.030.051
N o CE 233-069-2
SORRISI [O +] (= O) [O-]
PubChem , vista 3D
InChI InChI: vista 3D
InChI = 1 / O3 / c1-3-2
Aspetto gas incolore o bluastro con un odore caratteristico
Proprietà chimiche
Formula bruta O 3   [Isomeri]
Massa molare 47,9982 ± 0,0009  g / mol
O 100%,
Momento dipolare 0,533 73  D
Proprietà fisiche
T ° fusione −192,5  ° C
T ° bollitura −111,9  ° C
Solubilità in acqua a 0  ° C  : 1  g / l
Massa volumica 2.144  g / l ( 0  ° C )
Punto critico 55,7  bar, −12,05  ° C
Termochimica
Δ f H 0 gas 142,67  kJ / mol
Proprietà elettroniche
1 re energia di ionizzazione 12,43 eV (gas)
Precauzioni
WHMIS "  Ozone  " nel database dei prodotti chimici Reptox del CSST (organizzazione del Quebec responsabile per la sicurezza e la salute sul lavoro), accesso 25 aprile 2009
A: gas compressoC: materiale ossidanteD1A: Materiale molto tossico con gravi effetti immediatiF: materiale pericolosamente reattivo
A, C, D1A, D2A, D2B, F, A  :
Temperatura critica del gas compresso = −12,1  ° C
C  : Il materiale ossidante
provoca o promuove la combustione di un altro materiale che rilascia ossigeno
D1A  : Materiale molto tossico che causa effetti gravi immediati
Letalità acuta: LC50 inalazione / 4 ore (topo) = 5,9  ppm
D2A  : Materiale molto tossico con altri effetti tossici
Tossicità cronica: danno permanente ai polmoni
D2B  : Materiale tossico con altri effetti tossici
Mutagenicità negli animali
F  : Il materiale pericolosamente reattivo
diventa autoreattivo sotto l'effetto di uno shock; diventa autoreattivo sotto l'effetto di un aumento della pressione; diventa autoreattivo sotto l'effetto di un aumento della temperatura.

Divulgazione all'1,0% secondo l'elenco divulgativo degli ingredienti
Direttiva 67/548 / CEE
Segnaletica indicativa, non richiesta dalla normativa in quanto l'ozono viene sempre prodotto nel luogo di utilizzo:
Molto tossico
T + Corrosivo
VS Ossidante
O Simboli  :
T +  : Molto tossico
C  : Corrosivo
O  : Comburente
Ecotossicologia
CL 50 Da 8 a 12  mg / m 3
Soglia di odore basso: 0,007 6  ppm
alto: 0,03  ppm
Unità di SI e STP se non diversamente specificato.

L' ozono ( Ozon tedesco , derivato dal greco OZO "odore di espirazione"), o trioxygen , è una sostanza di formula chimica O 3 : le sue molecole sono triatomiche , composte da tre atomi di ossigeno . L'ozono è quindi una varietà allotropica di ossigeno, ma molto meno stabile dell'ossigeno O 2, in cui tende naturalmente a decomporsi. Si liquefa a 161,3  K ( −111,9  ° C ) come liquido blu scuro e solidifica a 80,7  K ( −192,5  ° C ) in un solido viola. A temperatura ambiente, è un gas blu pallido o addirittura incolore che si distingue per il suo odore. L'ozono raggiunge il suo punto critico a 5460  kPa e -12,05  ° C .

La sua instabilità si manifesta nello stato condensato con una tendenza all'esplosione quando la sua concentrazione è significativa. L'ozono si scompone in ossigeno O 2a temperatura ambiente: la velocità della reazione dipende dalla temperatura , dall'umidità dell'aria , dalla presenza di catalizzatori ( idrogeno , ferro , rame , cromo ,  ecc. ) o dal contatto con una superficie solida.

A differenza dell'ossigeno inodore, l'ozono è percepito dall'olfatto umano (rilevabile da una concentrazione di 0,01  ppm ); il suo caratteristico odore che ricorda la candeggina è percepibile in luoghi ristretti dove è presente un forte campo elettrico (trasformatore ad alta tensione, bilancia di Jacob, tubi UV, accendigas ). Respirato in grandi quantità, è velenoso e provoca tosse.

L'ozono si trova naturalmente nell'atmosfera terrestre , formando nella stratosfera lo strato di ozono tra i 13 ei 40  km di altitudine che cattura oltre il 97% dei raggi ultravioletti del Sole , ma è un inquinante negli strati inferiori dell'atmosfera (la troposfera ) dove attacca le vie respiratorie degli animali e può bruciare le piante più sensibili. Questo energico ossidante attacca le cellule viventi e può essere responsabile di fenomeni di corrosione accelerata dei polimeri (“  cracking degli elastomeri da parte dell'ozono  ”).

Storico

L'ozono fu scoperto nel 1789 dal chimico olandese Martin van Marum facendo passare una corrente elettrica attraverso l'ossigeno racchiuso in una provetta. Rileva un odore specifico paragonabile a quello dell'acido solforoso o del fosforo. La provetta immersa nel mercurio gli permette di osservare che il volume di ossigeno diminuisce quasi della metà e che il mercurio si ossida molto rapidamente. Senza sapere cosa rivelasse il suo lavoro, definì questo odore quello dell'elettricità e l'elemento creato come acido azotato.

Questo studio fu ripreso nel 1840 dal chimico tedesco Christian Friedrich Schönbein che, approfondendo le ricerche di Van Marum, riuscì ad isolare la molecola. Lo chiamò così, riferendosi alla radice greca ozein (espirare un odore, annusare). La formula per l'ozono, O 3, fu determinato solo nel 1865 da Jacques-Louis Soret e poi confermato nel 1867 da Christian Friedrich Schönbein. Successivamente, sono seguite molte ricerche sul meccanismo di disinfezione dell'ozono. Werner von Siemens ha prodotto il primo vero generatore di ozono. Questo produttore ha scritto un libro sull'applicazione dell'ozono nell'acqua, che ha portato a una moltitudine di progetti di ricerca sulla disinfezione dell'ozono.

Nel 1907, il chimico francese Marius-Paul Otto , che ha conseguito un dottorato per il suo lavoro sull'ozono, ha creato una compagnia chiamata Compagnie des Eaux et de l'Ozone.

La relazione tra ozono e ossidi di azoto è stata dimostrata negli anni '70 da Paul Josef Crutzen , Premio Nobel per la Chimica 1995 .

Fisico-chimica

Il potenziale redox di ozono è 2,07  V .

Entalpia di formazione: Δ f H 0 gas = 142,67  kJ mol −1

La prima energia di ionizzazione è pari a 12,43 eV (gas)

L'odore associato all'ozono deriva dalla ionizzazione dovuta alla distruzione dell'ozono. Il suo colore è dovuto allo scattering di Rayleigh che conferisce una tinta bluastra in presenza di alte concentrazioni della molecola.

Struttura della molecola

La molecola di ozono è una molecola C2v piegata in modo molecolare simmetrico (simile alla molecola d'acqua ). L'angolo tra gli atomi di ossigeno è di 116,78 °. L'ozono è un molecola polare con un momento di dipolo di 0.533 73  D .

Reazioni

L'ozono è un ossidante molto potente, più potente dell'ossigeno o del cloro. Essendo molto instabile, degrada a O 2 abbastanza veloce :

2 O 3 → 3 O 2

Reazioni con i metalli

In presenza di umidità, l'ozono ossida tutti i metalli tranne l' oro , il platino e l' iridio . Di seguito, l'ossidazione del rame ad esempio:

2 Cu + + 2 H 3 O + + O 3 → 2 Cu 2+ + 3 H 2 O + O 2

Reazioni con metalli alcalini

L'ozono reagisce con i metalli alcalini e i metalli alcalino terrosi per formare ozonidi (M + O 3→ MO 3) , instabile e che reagisce con l' acqua per formare ossigeno. Questa successione di reazioni chimiche spiega per lo più il carattere inquinante che viene attribuito all'ozono quando quest'ultimo è presente nell'atmosfera vicino al suolo.

Reazioni con composti azotati

L'ozono ossida il monossido di azoto (NO) in biossido di azoto (NO 2):

NO + O 3 → NO 2 + O 2

Biossido di azoto (NO 2) può a sua volta essere ossidato a nitrato (NO 3):

NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2

L'ozono può ossidare l' ammoniaca (NH 3) in nitrato di ammonio (NH 4 NO 3):

2 NH 3 + 4 O 3 → NH 4 NO 3 + 4 O 2 + H 2 O

Reazioni con composti di carbonio

L'ozono reagisce con il carbonio per formare anidride carbonica  :

C + 2 O 3 → CO 2 + 2 O 2

Reazioni con composti solforati

L'ozono ossida i solfuri (S 2- ) in solfati (SO 4 2- ). Esempio con solfuro di piombo (II)  :

PbS + 4 O 3 → PbSO 4 + 4 O 2

L' acido solforico (H 2 SO 4) può essere prodotto con ozono, acqua e zolfo o anidride solforosa  :

S + H 2 O + O 3 → H 2 SO 4 o 3 SO 2 + 3 H 2 O + O 3 → 3 H 2 SO 4

Nella fase gassosa, l'ozono reagisce con l' idrogeno solforato formando anidride solforosa  :

H 2 S + O 3 → SO 2 + H 2 O

In soluzione acquosa si verificano due reazioni simultanee. Il primo produce zolfo , il secondo produce acido solforico  :

H 2 S + O 3 → S + O 2 + H 2 O e 3 H 2 S + 4 O 3 → 3 H 2 SO 4

Materiali resistenti all'ozono

Materiali resistenti all'ozono in fase gassosa Bicchiere Teflon (PTFE, PVDF, PFA) Acciai inossidabili 316L Silicone Titanio Poliuretano Policarbonato Materiali resistenti all'ozono disciolti in acqua Bicchiere Teflon (PTFE, PVDF, PFA) Acciai inossidabili 316L PVC Plexiglass Calcestruzzo Silicone Alluminio Polisolfuro Materiali per guarnizioni Teflon (PTFE, PVDF, PFA) Kynar, Viton,  ecc.

Materiali non resistenti all'ozono (gassosi o disciolti in acqua)

Polipropilene Acciaio , Zinco , Ferro , Rame e altri metalli ossidabili Nylon Magnesio Gomma da cancellare Neoprene Poliammide

Decomposizione

L'ozono ha un'emivita piuttosto breve, anche più in acqua (dove si scompone in radicali -OH ) che nell'aria. Diversi fattori influenzano il tasso di decomposizione dell'ozono:

Quadro
Nell'aria In acqua (pH 7)
Temperatura (° C) Metà vita Temperatura (° C) Metà vita

–50

3 mesi

15

30 minuti

–35

18 giorni

20

20 minuti

–25

8 giorni

25

15 minuti

20

3 giorni

30

12 minuti

120

1 ora e 30 minuti

35

8 minuti

250

1,5 secondi

Tossicità

L'ozono è estremamente dannoso per i polmoni , i reni , il cervello e gli occhi . Ad esempio, una concentrazione di 9  ppm di ozono nell'aria causerà edema polmonare . Tra questo valore e la soglia media di percezione olfattiva (0,1  ppm in media) troviamo secchezza delle fauci, tosse , ipersecrezione bronchiale, dispnea , dolore retrosternale e anomalie dell'apparato respiratorio. Una semplice concentrazione di 0,2-0,5  ppm di ozono nell'aria può già causare disturbi visivi come diminuzione della visione notturna e scarsa adattabilità alla luce, aumento della visione periferica e disturbi della vista. Cambiamenti nelle capacità motorie oculari. Inoltre, ci sono disturbi renali ( nefrite acuta) e neurologici ( vertigini , astenia , alterazione del gusto, disturbi del linguaggio, scarsa coordinazione del movimento,  ecc. ).

Le normative francesi e le direttive europee stabiliscono un obiettivo di qualità massima giornaliera della media su 8 ore a 120 µg / m 3 (60  ppb o 0,06  ppm ) e la soglia di allarme a 240 µg / m 3 . Questo obiettivo di qualità corrisponde ai livelli 5 (indice francese) o 50 (indice europeo) di informazioni diffuse da organizzazioni come Airparif, Airpaca, Atmo,  ecc.

Ozono atmosferico

Ozono nell'atmosfera superiore - Lo "strato di ozono"

Nell'alta atmosfera terrestre , lo strato di ozono è una concentrazione di ozono che filtra alcuni dei raggi ultravioletti emessi dal Sole, che sono particolarmente responsabili del cancro della pelle . Questo strato protettivo è minacciato dall'inquinamento, in particolare dalle emissioni di gas CFC ( clorofluorocarburi ), che salgono nell'alta atmosfera e catalizzano la distruzione dell'ozono trasformandolo in diossigeno, essendo così all'origine del buco nello strato di ozono.

Come strumento di misura, possiamo notare lo strumento GOMOS del satellite ENVISAT .

Ozono nell'atmosfera inferiore - Inquinamento da ozono

Oltre una certa soglia nella bassa atmosfera, l'ozono è uno degli inquinanti atmosferici più pericolosi per la salute.

Cause naturali:

Cause umane:

Questo inquinamento nel suo insieme ha un impatto molto significativo in agricoltura (attacco delle cuticole fogliari ) con perdita di produttività e per la salute umana. L'ozono, infatti, irrita e attacca le mucose oculari e i bronchi e bronchioli , soprattutto nelle popolazioni più sensibili. Nel 2010, uno studio americano ha confermato che l'ozono, anche a basse dosi, era direttamente associato all'insorgenza di attacchi d' asma nei bambini. I picchi di inquinamento inducono un aumento del numero e della gravità degli attacchi di asma. Questi picchi sono anche associati ad un eccesso di mortalità delle persone con problemi respiratori (durante le ondate di caldo in particolare, ma anche in inverno con tempo soleggiato). La prevalenza dell'asma e la mortalità per asma sono aumentate dagli anni '80 al 2000, contemporaneamente all'aumento dei livelli di ozono vicino alle autostrade, nelle grandi aree industrializzate e urbanizzate e molto al di sotto di esse. Vento, campagna e oltre l'oceano: l'ozono e i precursori dell'ozono troposferico prodotti in Canada vengono esportati dal vento nell'Atlantico settentrionale centrale. Queste quantità superano di gran lunga quelle che provengono dalla stratosfera (la principale fonte naturale di ozono). I livelli di ozono possono anche aumentare bruscamente nelle emissioni ricche di pennacchio di ossidi di azoto dalle centrali elettriche . Almeno nell'emisfero settentrionale, l'inquinamento da ozono antropogenico ha un effetto che va oltre la scala dei continenti.

I bambini delle popolazioni urbane povere sono spesso più vulnerabili. Nel 1994, ad Atlanta , uno studio epidemiologico ha mostrato che nei giorni in cui i livelli di ozono raggiungevano o superavano 0,11  ppm nell'aria e fino al giorno successivo al picco di inquinamento, il numero medio di ricoveri per asma o difficoltà respiratorie reattive era del 37% superiore a negli altri giorni. Inoltre, questo studio ha anche dimostrato che i bambini neri provenienti da famiglie povere erano i più colpiti.

È per tutti questi motivi che l' Associazione francese per la salute ambientale (ASEF), che riunisce quasi 2.500 medici in Francia, ha chiesto una gestione politica del problema.

L'ozono è stato oggetto di modelli e previsioni disponibili sin dagli anni '90.

Produzione

In laboratorio

Un apparato di laboratorio comunemente usato per la dimostrazione della produzione di ozono era la Whimshurst Electrostatic Machine  : utilizzava l'avviamento di due piatti isolati identici, ma rotanti nella direzione opposta. Le spazzole raccolgono l' elettricità statica prodotta dall'attrito, scaricano le piastre producendo un arco elettrico attorno al quale compare l'ozono (diffuso poi nell'aria).

L'ozono può essere prodotto mediante elettrolisi utilizzando una batteria da 9  V , un catodo di grafite , un anodo di platino e acido solforico come elettrolita . Le mezze reazioni che avvengono sono:

3H 2 O→ O 3 + 6H + + 6e -     Δ E o = −1,53  V 6H + + 6 ° - → 3H 2     Δ E o = 0  V 2H 2 O→ O 2+ 4H + + 4e -     Δ E o = −1,23  V

Tre equivalenti di acqua vengono utilizzati per produrre un equivalente di ozono. Questa reazione compete con quella della formazione di ossigeno.

Produzione industriale

La produzione industriale di ozono è abilitata da diverse tecniche:

Distruzione

L'ozono si degrada molto rapidamente (vedi decomposizione dell'ozono) ma è comunque essenziale poter distruggere l'ozono residuo quando questa molecola viene utilizzata nell'industria con l'ovvio scopo di proteggere il personale. L'ozono può essere scomposto in ossigeno in diversi modi:

L'ozono residuo può anche essere rilasciato nell'atmosfera dopo diluizione in un grande volume d'aria, operazione eseguita da potenti ventilatori.

Iniezione di ozono gassoso nell'acqua

L'iniezione di ozono nell'acqua è piuttosto complicata perché l'ozono è scarsamente solubile in acqua.

Diffusore poroso

I diffusori denominati diffusori porosi il cui elemento poroso è realizzato in vetro di quarzo consentono un'efficienza massima del 20%. Il principio dei diffusori porosi è quello di diffondere nell'acqua da trattare bolle di ozono gassoso di dimensioni variabili tra 0,5 e 2  mm . Questi sistemi sono ideali per trattare piccole quantità di acqua.

Contattore a membrana

Gli interruttori a membrana consentono di ottenere un'elevata concentrazione di ozono disciolto in acqua. La membrana consente di trattare gli scambi tra l'ozono gassoso e l'acqua da trattare. Il principio del contattore segue la legge di Henry abbassando la pressione dell'ozono gassoso a contatto con l'acqua (che scorre trasversalmente) per creare una forza conduttiva che consente l'iniezione di ozono nell'acqua.

Iniettore Venturi

Il più delle volte si utilizza un iniettore venturi per ottenere una concentrazione massima di ozono disciolto in acqua, infatti un iniettore venturi permette un'efficienza di circa il 90%. Il principio del venturi è un'applicazione dell'equazione di Bernoulli che esprime l'equilibrio idraulico di un fluido in una tubazione in regime stazionario:

o è la pressione in un punto (in Pa o N / m²); è la densità in un punto (in kg / m³); è la velocità del fluido in un punto (in m / s); è l'accelerazione di gravità (in N / kg om / s²); è l'altitudine (in m).

Tuttavia, a flusso costante: q (flusso in m³ / s) = S 1 v 1 = S 2 v 2 = costante, con S: superficie in un punto (m²) ev  : velocità del fluido in un punto (m / s). Ciò mostra che se la superficie diminuisce come nel caso dell'iniettore Venturi, la velocità aumenta.

Riprendendo l'equazione semplificata di Bernoulli  : se la velocità aumenta, la pressione diminuisce. Si ha quindi una depressione nella zona contratta del venturi (dove è collegata la tubazione del gas ozono) che permette di ozonizzare l'aspirazione dell'ozono gassoso presente nell'acqua.

Utilizza

L'ozono è un forte ossidante e disinfettante. Presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri ossidanti comunemente usati nell'industria, in particolare il cloro .

In generale, gli svantaggi sono:

Disinfezione dell'acqua potabile

Per la disinfezione dell'acqua potabile l'ozono presenta dei vantaggi rispetto al cloro  : non rimane presente nell'acqua e quindi non ne altera il gusto, e non provoca la comparsa di composti organoclorurati , che possono essere cancerogeni .

L'ozono però non inattiva tutti i microrganismi presenti nell'acqua (come i parassiti Cryptosporidium , Giardia e Toxoplasma gondii ), anche se ha una certa efficacia contro Cryptosporidium e Giardia .

L'ozono viene utilizzato nel trattamento dell'acqua per diverse funzioni:

L'ozono è diventato un punto di riferimento di qualità per l'acqua potabile in molti paesi e città in tutto il mondo:

Acque reflue

L'ozono è utilizzato nei processi di trattamento delle acque reflue , in particolare per rendere digeribile la cosiddetta domanda chimica di ossigeno (COD) dai batteri , per il trattamento del colore e per la disinfezione dell'acqua all'uscita degli impianti di trattamento delle acque reflue (cosiddetto trattamento terziario ). Queste applicazioni richiedono la padronanza di diverse tecniche: ozonizzazione, ma anche bioreattori . A volte le prestazioni dell'ozono possono essere migliorate combinando l'ozonizzazione con un trattamento di irradiazione UV ad alte dosi. Questi sono quindi indicati come processi di ossidazione avanzati .

Usi medici

L'ozono è usato come antisettico e battericida nel trattamento delle ferite.

Altri usi

Le proprietà ossidanti e disinfettanti dell'ozono sono ancora utilizzate in varie situazioni.

Misura della concentrazione di ozono

In acqua

Questo è il metodo più semplice ed economico. Il campione di acqua da analizzare passa in una provetta contenente un reagente ozono ( reagente DPD o dipropil-p-fenilendiammina chiamato anche reagente indaco ), la concentrazione viene letta utilizzando un disco colorimetrico o uno spettrofotometro . Il problema con questa tecnica è la mancanza di precisione. Inoltre, questo metodo richiede personale con formazione di laboratorio.

Le sonde elettrochimiche contengono un elettrolita separato dall'acqua da una membrana selettiva. Viene quindi misurata una corrente elettrica tra questi due elettrodi posti su entrambi i lati della membrana. La concentrazione di ozono nell'acqua farà variare questa corrente elettrica.

Analizzatore di misura diretto in acqua

Questi analizzatori utilizzano la legge di Beer-Lambert . Una lunghezza d'acqua nota è attraversata da un raggio ultravioletto . Viene misurato l' assorbimento UV del campione e un semplice calcolo fornisce la concentrazione di ozono nell'acqua.

Analizzatore che utilizza la legge di Henry

Una colonna di degasaggio estrae l'ozono dall'acqua. La concentrazione di ozono viene quindi misurata nell'aria, successivamente la concentrazione di ozono nell'acqua viene dedotta utilizzando la legge di Henry . Il grande vantaggio di questi analizzatori è il possibile utilizzo su acqua non trattata.

È un metodo relativamente poco utilizzato perché si basa sul fatto che l'ozono, essendo un potente ossidante, varierà il potenziale redox dell'acqua. Questo è vero, ma poi la qualità dell'acqua dovrà rimanere perfettamente costante. In caso contrario, c'è il rischio che le misurazioni del potenziale redox non siano corrette. Inoltre, questo metodo richiede una pre-calibrazione utilizzando un altro metodo (colorimetrico ad esempio) per poter essere utilizzato nella pratica.

Nell'aria

Questo è il metodo più semplice ed economico. Il campione d'aria da analizzare passa in una provetta contenente un reagente ozono ( reagente DPD o dipropil-p-fenilendiammina), la concentrazione viene letta mediante scala colorimetrica. Il problema con questa tecnica è la mancanza di precisione.

Questi dispositivi utilizzano un materiale semiconduttore le cui caratteristiche elettriche variano a seconda della concentrazione di ozono nell'aria.

Gli analizzatori di ozono (o ozometro gassoso) calcolano la concentrazione di ozono nell'aria utilizzando la legge di Beer-Lambert che determina la concentrazione di ozono in base all'assorbimento della radiazione UV . Questi dispositivi, estremamente costosi rispetto ad altri sistemi, hanno molti vantaggi come alta precisione, nessuna interferenza con altri elementi, risposta molto rapida e nessun materiale di consumo da aspettarsi. Va inoltre notato che, data la tossicità dell'ozono gassoso, la maggior parte dei generatori di ozono è accoppiata ad un analizzatore di ozono gassoso che interrompe la produzione di ozono quando viene superato il valore di soglia dell'ozono nella temperatura ambiente dell'aria (tipicamente 0,3  ppm ).

I cambiamenti nella concentrazione dello strato di ozono stratosferico vengono misurati mediante spettroscopia .

Note e riferimenti

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(fr) Questo articolo è parzialmente o interamente tratto dall'articolo di Wikipedia in inglese intitolato "  Ozone  " ( vedere l'elenco degli autori ) .

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