Osvita.ua Вища освіта Реферати Екологія Озон та його фізико-хімічні властивості. Реферат
Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції. З питань розміщення інформації звертайтесь за телефоном (044) 200-28-38.

Озон та його фізико-хімічні властивості. Реферат

Фізико-хімічні властивості озону, загальні властивості озону, оптичні властивості молекул озону

Це слово в перекладі з грецької мови означає "пахучий", "запашний", "той, що пахне". Кожен із нас відчував характерний різкий запах цього синюватого газу після грози з частими блискавкам чи при перебуванні біля пристроїв або машин (в момент утворення іскор у відкритому повітрі). Втім, що речовини перебувають у газовому стані лише при температурах, сприятливих для життя людини. Озон можна перетворити у рідину при охолодженні до -111,9 "С, а при вищих температурах він перебуває вже в газоподібному стані. Максимальна температура рідкого кисню (О2) при атмосферному тиску (температура його кипіння) становить-183 "С.

Хімічний елемент кисень існує в атмосфері в вигляді трьох алотропічних видозмін: О2 - молекулярному, О - атомарному и О3 - трьохатомному, що власне і називається озоном та утворюється при хімічному з'єднанні перших двох. Тому більшість властивостей молекули озону можна зрозуміти краще, виходячи з властивостей молекулярного й атомарного кисню.

На основі вивчення спектральних властивостей озону були отримані дані про будову його молекули. Молекула О3 стала класичним прикладом використання спектральних даних для розрахунків довжин зв'язків та розмірів центрального кута. Відповідно до загальноприйнятої моделі молекули О..,, атоми в ній розташовуються у вершинах рівнобедреного тупокутного трикутника, причому відстані між атомами дорівнюють (1,278 ±0,003) -10"" см, а значення центрального кута складає 116°50' ±30'. Маса молекули 0^3' складає 7,97. '1023 г.

В молекулу озону можуть входити атоми більш важких ізотопів кисню О17 и О18. За наближеними оцінками в атмосферному озоні знаходиться біля 0,21"" молекул О^О^О'" та 0,41 "о молекул О^О^О".

Газоподібний озон при стандартних температурі та тиску має щільність рдц = 2,144- 10"3 г-см"3. Теплоємність газу Ср зменшується із зниженням температури: при 473 К с = = 904 Дж- кг-1. К-1, при 273 К с "- 795 "Дж. кг-1- К-1, при 100 К Ср =-- 690 Дж. кг-^К-1.

Озон перетворюється на рідину при температурі 161,3 К (температура кипіння) в темно-синю рідину з щільністю 1,46 г-см~3. Питома теплота випаровування рідини 316 000 Дж-кг"1. При температурі 90 К рідкий озон має щільність 1,57 г см~3, а безпосередньо перед затвердінням його щільність складає 1,614 г-см~3. Температура затвердіння, за даними різних авторів, відрізняється на 2-3 К та складає приблизно 78 К. Тверда кристалічна структура має темно-фіолетовий колір.

Характерний запах озону відчувається при концентрації \0~^ °о. Деякі вважають присутність запаху озону показником чистоти повітря. Як показують біологічні й медичні досліди - озон - сильнодіюча отрута, що крім загально токсичної дії, ще має такі властивості як мутагенність, канцерогенність, радіосиметричний ефект). За токсичністю озон перевищує, наприклад, синільну кислоту.

Озоно-кисневі суміші вибухонебезпечні при концентраціях озону від 20 до 100%. Саме вибухонебезпечність концентрованих сумішей озону довгий час була основною перешкодою вивченню його фізичних та хімічних властивостей. Не дивлячись на те, що промислове виробництво озону існувало ще з початку XX ст., найбільш фундаментальні властивості його молекули були вивчені тільки в 50-х рр., коли в багатьох країнах були зроблені спроби використання концентрованого озону як окиснювача в ракетних системах.

Потенціал іонізації озону 2,8 эВ, сродство до електрону за різними даними 1,9... 2,7 эВ, тобто достатньо сильно (більш сильне мають тільки фтор та його оксиди, а також нестабільні частки - атоми та вільні радикали).

Озон досить нестійкий у великих концентраціях може розкладатися з вибухом, тому цілком безпечне його зберігання вимагає низьких температур. відомо, що людина не може існувати в атмосфері з чистого кисню. Певний час, щоб зменшити масу своїх пілотованих космічних апаратів, американці використовували r них чисто кисню атмосферу, але відмовилися від цього через надто велику небезпеку пожеж. До речі, людині корисна невелика концентрація озону в повітрі, але велика кількість його стає смертельно небезпечною.

Дослідженнями виявлено велику роль природних концентрацій озону (одна молекула озону на кілька десятків мільйонів інших молекул повітря) в окислювальних процесах, що відбуваються у клітинах людського організму. Коли ж почали широко застосовувати очищене та кондиціоноване повітря у робочих приміщеннях, то помітили незрозуміле підвищення кількості захворювань людей у порівнянні з минулим періодом, коли вони дихали "неочищеним повітрям". Не відразу, але знайшли причину-повна відсутність озону в кондиціонованому повітрі зумовила розлади в організмі.

Підвищена окислювальна здатність озону все ширше використовується для обеззараження від шкідливих мікроорганізмів повітря та питної води. Не обійшлось і без курйозів. кілька років тому в наших газетах тривалий час писалося про спроби використання озону при зберіганні картоплі та інших овочів. Критика з боку вчених, які вказували, що такий активний окислювач, як озон, лише прискорює процеси розкладу речовин, що входять до складу картоплі нічого не дали. Було втрачено чимало грошей, доки зрозуміли, що розв'язати проблему зберігання овочів при заміні повітря у сховищах на озон не можна.

Найчастіше озон одержують у великих кількостях при пропусканні електричного струму через сухий кисень. Електричний розряд розщеплює молекули кисню на дві частини - атоми кисню:

О2 = О+О.

Атоми рухаються швидко і часто стикаються з двохатомними молекулами кисню, що при сприятливих умовах веде до утворення комплексна і3 трьох атомів кисню молекул озону:

О+ О2 = О3.

Оптичні властивості озону

Енергію молекули можна представити як суму трьох частин - електронної, коливальної та обертальної енергій. Енергетичні стани, змінюються дискретним чином. Набори енергетичних станів індивідуальні для кожної молекули. Переходи молекули з одного енергетичного стану в інший супроводжуються поглинанням або випромінюванням кванта електромагнітної енергії. Спектри, що виникають при таких переходах, залежать від молекулярних сталих, молекули, що поглинає або випромінює та є своєрідною візитною карткою даної молекули.

Для озону переходи між різноманітними електронними станами відбуваються при випромінюванні або поглинанні світла в видимій, ультрафіолетовій та так званій вакуумній ультрафіолетовій (нижче 2000 А) області спектра. Кожний електронний перехід супроводжується порівняно невеликими за енергіями змінами коливальних та повертальних станів молекули, через що електронно-коливально-обертальний спектр молекули представляє собою систему близько розташованих одна до одної смуг. Якщо при поглинанні світла молекула досягне збудженого стану, що має достатню енергію для того, щоб розірвати слабкий зв'язок в молекулі, то остання дисоціює. Для молекули озону енергія зв'язку (О-О2), розрив якої приводить до розпаду озону на молекулярний та атомарний кисень, складає 1,05 эВ.

Найбільш важливі смуги поглинання озону лежать в діапазоні довжин хвиль 2000-3000 А (рис.). Здатність газу поглинати випромінювання кількісно характеризується коефіцієнтом поглинання k в законі, який називають законом Беєра-Ламберта:

І (v, х) =І (v, 0) 10-k (v) x,

де І (v, 0) - інтенсивність пучка монохроматичного світла частотою v, що приходить на вхідне вікно пристрою довжиною х, заповненого газом при даному тиску; І (v, х) - інтенсивність світла, що пройшов крізь пристрій..) Виміряна в см"' величина коефіцієнту поглинання k (v) в смугах поглинання Хартлі молекули озону розрахована за формулою та представлена в вигляді залежності від довжини хвилі випромінювання, що надходить. Як і більшість інших смуг поглинання в молекулярній спектроскопії, ці смуги носять ім'я науковця, що відкрив їх. В максимумі поглинання k =135 см""', при товщині шару озону 0,3 см з формули (1) виходить, що відношення І (v, 0): І (v, х) буде рівно 1040! Це значить, що земний шар озону послабить сонячне випромінювання цієї довжини хвилі в 1040 разів, тобто практично поглине його повністю.

При довжинах хвиль більше 3000 А біля смуг Хартлі з'являються більш слабкі смуги Хаггінса та Шалона- Лефевра. Коефіцієнт поглинання в цих смугах на декілька порядків менше, ніж у смуг Хартлі. Окремі близько розташовані в цих системах смуги мають добре видимі різкі максимуми та мінімуми. В видимій частині спектру розташована на широка смуга Шаппюї, з якою пов'язаний синій колір озону. Сильне поглинання озону спостерігається в області вакуумного ультрафіолету (1000-2000 А).

Разом з поглинанням в смугах Хартлі це поглинання приводить до обриву сонячного спектру на поверхні Землі при довжинах хвиль менше 2900 А, що дуже важливо для захисту життя на нашій планеті від короткохвильових випромінювань. Треб відмітити, що величини коефіцієнтів поглинання суттєво змінюються з температурою.

Смуги, що відповідають коливально - обертальним переходам в молекулі озону, розташовані в інфрачервоній області спектру (3-15 мкм). Коефіцієнти поглинання в цих смугах змінюються в широких рамках.

Первісним процесом фотохімічної реакції є дисоціація молекули. При цьому в залежності від того в яких смугах поглинання відбулася фотодисоціація, кінцеві продукти фотореакції можуть відрізнятися між собою. При розкладенні світлом озону на молекулярний та атомарний кисень в залежності від енергії кванта, який було поглинуто (довжини хвилі поглинутого світла) атом та молекула кисню можуть бути як в основних, так і в збуджених станах.

Реакційна здатність електронно-збуджених атомів та молекул сильно відрізняється від їх реакційної здатності в основному стані Для прикладу можна розглянути як проходить фотодисоціація при збудженні в смугах Шаппюї. При поглинанні червоного світла (~6000 А) первісний процес завершується розкладанням озону на атом та молекулу кисню в основних станах:

Оз hv = O (3P) + O2 (3E),

за яким іде другорядний процес взаємодії атомарного кисню з озоном:

O (3P) + O3 = 2O2.

Таким чином, в результаті поглинання одного кванта світла було зруйновано дві молекули озону. Одним з продуктів фоторозкладення при збудженні в смугах Хаггінса є збуджена молекула кисню:

O3 hv = O (3P) + O2 (1E),

за яким йдуть процеси:

O (3P) + O3 = 2O2

O2 (1E) + O3 = 2O2 + O (3P)

O (3P) + O3 = 2O2.

В результаті сумарний квантовий вихід розкладу Оз дорівнює 4м молекулам. Аналогічно можна показати, щ квантовий вихід фотодисоціації озону при збуджені в смугах Хартлі може дорівнювати 6.

З розглянутих закономірностей взаємодії світла з озоном можна зробити два важливих висновки: 1) молекули озону поглинають світло в широкому спектральному діапазоні від вакуумного ультрафіолетового до мікрохвильового частин спектра, причому найбільш інтенсивне поглинання спостерігається для довжин хвиль менше 3000 А; 2) при поглинанні світла озоном як в ультрафіолетовій, так і у видимій частинах спектра відбувається фотохімічне зруйнування озону з утворенням молекули кисню. Інші цікаві відомості про фізикo-хімічні показники можна знайти в працях С. Д. Разумовського та Г. Е. Заікова.

Джерела

  1. Корсак К. В., Коцаренко М.. Я.
  2. Озонова діра - сигнал небезпеки. - К: Т-во "Знання" УРСР, 1990- 48 с.
  3. Пертов С. П., Хргиан А. Х.
  4. Атмосферный озон. - Л: "Гидрометеоиздат", 1980- 287 с.
  5. Данилов А. Д., Кароль И. Л.
  6. Атмосферный озон - сенсации и реальность. - Л.: "Гидрометеоиздат", 1991. - 120 с.
  7. ІSBN 5-286-006-49-3.
  8. Ортенберг Ф. С., Трифонов Ю. М.
  9. Озон: взгляд из космоса. - М: "Знание", 1990. - 64 с. - (Новое в жизни науке и технике. Сер. "Космонавтика, астрономия").
  10. ІSBN 5-07-00182-x.
  11. В мире науки (Scіentіfіc Amerіcan, издание на русском языке) № 8. - М: Мир, 1991. -с. 34 – 41.
  12. В мире науки (Scіentіfіc Amerіcan, издание на русском языке) № 3. - М: Мир, 1991. -с 6 – 13.
  13. The new GROLІER multіmedіa encyclopedіa for MPC ІBM PC's & Compatіbles, release 6. - The Software Toolworks Іnc., 1993.
  14. Лунин В. В., Попвич М. П., Ткаченко С. Н.
  15. Физическая химия озона. - М:Изд-во МГУ. -480с.
  16. ІSBN 5-211-03719-7.


29.06.2011

Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції.

Щоб отримувати всі публікації
від сайту «Osvita.ua»
у Facebook — натисніть «Подобається»

Osvita.ua

Дякую,
не показуйте мені це!