Ozon

Racionální chemický název trikyslík je alotropní modifikace kyslíku. Jeho molekuly sestávají ze tří atomů kyslíku namísto dvou, které tvoří molekuly stabilního běžného dikyslíku. Molekula ozónu je lomená a úhel, který svírají vazby mezi atomy kyslíku, je 116,8 °C. Jak naznačují mesomerní strukturní vzorce , představující mezní elektronové konfigurace této molekuly, je na prostředním atomu kladný náboj, zatímco na obou krajních je záporný náboj poloviční velikosti. Díky tomu a svému lomenému tvaru má molekula značný dipólový moment. Přítomnost dipólového momentu přispívá k zesílení van der Waalsových mezimolekulových přitažlivých sil a spolu s vyšší hmotností molekuly ke snížení těkavosti ozónu ve srovnání s dikyslíkem.

Kromě obvyklých dvouatomových molekul O2 se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O3. Za normálních podmínek je to vysoce reaktivní plyn modré barvy a charakteristického zápachu s mimořádně silnými oxidačními účinky. Při teplotě -112 °C kondenzuje na kapalný tmavě modrý ozon a při -193 °C se tvoří červenofialový pevný ozon. Ozón vzniká působením elektrických výbojů nebo krátkovlnného ultrafialového záření (např. UV-C) na molekuly obyčejného kyslíku (dikyslíku), přičemž tato reakce probíhá ve dvou stupních. V prvním dodaná energie rozštěpí dvouatomovou molekulu dikyslíku na dva atomy, tedy na dva vysoce reaktivní jednoatomové radikály, které se okamžitě spojí s další molekulou dikyslíku za vzniku trikyslíku (ozónu):

O2 + hν → 2O

O2 + O → O3

Při normální teplotě a tlaku je ozón namodralý plyn s intenzivním pachem, který člověk registruje již při koncentraci 2 ppm. Při ochlazování se nejprve přeměňuje na tmavě modrou kapalinu, a posléze v tmavě modrou pevnou látku. Ozón je silné oxidační činidlo. Je nestabilní a reakcí

2O3 → 3O2

se rozkládá na obyčejný dikyslík. Průběh reakce se zrychluje se stoupající teplotou a klesajícím tlakem. Přeměnu ozónu na dikyslík urychlují také některé chemické sloučeniny a radikály, např. atomy chlóru. Ve vysokých koncentracích je jedovatý. Protože v těle člověka způsobuje tvorbu volných radikálů, je pro člověka a některé živočichy karcinogenní. U řady druhů bakterií byla pozorována při nízkých koncentracích i mutagenicita ozónu, ve vyšších koncentracích ozón mikroorganismy zabíjí.

Výskyt v přírodě

Je minoritní složkou nízké atmosféry, zejména fotochemického smogu. Vyšší koncentrace v rozsahu 2 až 8 ppm v atmosféře se nacházejí v stratosféře, ležící ve výškách mezi 10 až 50 km, která zachycuje většinu ultrafialového záření (UV-B) přicházejícího ze Slunce. Kdyby se veškerý ozón ve stratosféře stlačil při tlaku cca 1000 hPa (1 atmosféru), vytvořil by vrstvu tenkou 3,5 mm. Kromě toho je ozón v těle teplokrevných živočichů produkován v bílých krvinkách a uvolňován do krve a tkání, čímž pomáhá při likvidaci choroboplodných zárodků.

Použití a výroba

V chemických laboratořích slouží jako oxidační činidlo, zejména v organické syntéze a při přípravě některých peroxidických sloučenin. V průmyslu se používá především k bělení (např. textilních látek), při dezinfekci, zejména vody, kde ozonizace nahrazuje běžnější a lacinější, ale zdravotně méně výhodné chlorování pitné vody, v potravinářském průmyslu k dezinfekci provozoven a k povrchové konzervaci potravinářských výrobků a v zemědělství k povrchovému ošetření zeleniny a ovoce (zejména zabránění růstu plísní a kvasinek). Směs asi 10 % kapalného ozónu a 90 % kapalného kyslíku byla v průběhu 50. let 20. století testována jako okysličovadlo v raketových kapalinových motorech pro zvýšení specifického impulsu. Směs byla značně nebezpečná a proto nebyla nikdy prakticky použita. Poměrně snadno lze připravit ozón tichým elektrickým výbojem v atmosféře čistého kyslíku. Vzniká tak směs kyslíku s ozónem, kde podíl O3 dosahuje obvykle 10%. Čistý ozón lze pak připravit frakční destilací této plynné směsi. Praktické využití ozónu je dáno jeho silnými oxidačními účinky. V medicíně slouží ke sterilizaci nástrojů. Poněkud diskutabilní jsou účinky dnes poměrně populární ozónové terapie, která by podle svých zastánců měla vést k regeneraci buněk a tkání. Odpůrci této metody poukazují na možná rizika podobných omlazovacích kůr, daná především vysokou reaktivitou i toxicitou ozónu. Baktericidní účinky ozónu slouží k desinfekci pitné vody namísto dříve hojně využívané dezinfekce vody plynným chlorem nebo chlornanem. Silné oxidační účinky ozónu se velmi často využívají v papírenském průmyslu k bělení celulózy pro výrobu papíru.

Původ jména

Z řeckého οζω, ozó, voním, podle intenzivního zápachu v nepatrných koncentracích. Poprvé pozoroval zápach ozónu při pokusech s elektrickými jiskrami v roce 1785 nizozemský vědec Martinus van Marum. Jeho objev byl zapomenut, a ozón znovu objevil v roce 1839 německý chemik Christian Friedrich Schönbein. Pokládal jej za nový prvek a dal mu jméno ozón. Pravou podstatu ozónu odhalili v roce 1845 francouzští vědci Auguste de la Rive a Jean-Charles de Marignac, kteří správně předpokládali, že se jedná jen o novou formu běžného kyslíku. Jejich teorii dokázal Angličan Thomas Andrews v roce 1856.

Ozonová vrstva

Mimořádně významnou roli pro pozemský život hraje tzv. ozonová vrstva atmosféry, která chrání planetu před ultrafialovým slunečním zářením. Je to část stratosféry ve výšce 25 - 35 km nad zemským povrchem, v níž se nachází značně zvýšený poměr ozonu vůči běžnému dvouatomovému kyslíku.

Přízemní ozon

Opakem životu prospěšného ozonu ve stratosféře je přízemní ozon, vyskytující se těsně nad zemským povrchem. Tento plyn je lidskému zdraví nebezpečný, působí dráždění a nemoci dýchacích cest, zvyšuje riziko astmatických záchvatů, podráždění očí a bolesti hlavy. Zvýšený vznik přízemního ozonu pozorujeme především za horkých letních dnů v lokalitách s vysokou koncentrací výfukových plynů automobilových motorů, kde dochází k růstu obsahu oxidů dusíku a plynných uhlovodíků ve vzduchu. Tento jev se souhrnným názvem označuje jako suchý smog, podle místa svého častého výskytu také jako Los Angelský smog. V posledních letech jsou všechny osobní automobily vybaveny katalyzátory, které přeměňují oxidy dusíku na inertní plynný dusík a toxický oxid uhelnatý na relativně neškodný CO2. Zavedením těchto opatření se podařilo snížit koncentraci přízemního ozonu ve velkých průmyslových centrech o několik desítek procent.