Ozon (O3) je alotrop kisika čija se molekula sastoji od 3 atoma kisika. Premda je količina ozona u atmosferi relativno mala (maksimalne koncentracije ne prelaze 0,001%), njegova važnost za život na Zemlji je ogromna.
Ozon je plin jakog mirisa (osjeti se u zraku već pri volumom udjelu od 0,0001%), blijedo plave boje.
U Zemljinoj je atmosferi smješten u stratosferi na visini od 20 do 50 km iznad površine Zemlje. Odgovoran je za upijanje nekih valnih duljina ultraljubičastog zračenja (UVC i UVB) koje dolazi od Sunca, a upravo zbog tog zračenja i nastaje od molekula kisika. Bez stratosferskog ozona život na Zemlji ne bi bio moguć."Ozone - Good Up High Bad Nearby" "Ground-level Ozone"
Za razliku od ozona u ozonskom omotaču, koji je neophodan za život na Zemlji, ozon pri tlu je nepoželjan. U manjim količinama iritira očnu sluznicu, grlo, nos i dišne puteve, dok je u većim koncentracijama akutno opasan po život. Ozon koji nastaje u nižim slojevima atmosfere ili troposferski ozon sastavni je dio gradskoga smoga. Troposferski je ozon u neposrednom dodiru sa živim organizmima. Lako reagira s drugim molekulama. Oštećuje gumu, plastične mase, površinsko tkivo biljaka i životinja, pa štetno djeluje na ljudsko zdravlje (dišne organe), biljne usjeve i šume. Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge: "Chemistry: The Central Science", 2003.,publisher = Pearson Education Zbog sve većeg prometa, količina ozona u troposferi u stalnom je porastu.
Ozon je najjače oksidacijsko sredstvo poslije fluora i vrlo je otrovan. Služi za sterilizaciju vode, operacijskih, kino i sportskih dvorana te kazališta, zatim u farmaceutskoj, kozmetičkoj, tiskarskoj industriji te industriji papira, tekstila i umjetnih materijala.
Povijest Ozon kao kemijsku tvar prvi je prepoznao Christian Friedrich Schönbein 1840., koji ga je nazvao prema grčkoj riječi ozein, što bi značilo miris, prema svojstvenom mirisu, posebno nakon grmljavinskih oluja i munja. Kemijsku formulu za ozon O3 je odredio Jacques-Louis Soret 1867. Rubin Mordecai B.: "The History of Ozone. The Schönbein Period, 1839–1868", journal=Bull. Hist. Chem., , 2001. "Today in Science History", 2006.
Svojstva Ozon je blijedo plavi plin, slabo topljiv u vodi, dok je u nepolarnim otapalima dobro topljiv, kao što su ugljikov tetraklorid (CCl4) ili florougljici, gdje stvara plavu otopinu. Pri temperaturi od -112°C tvori eksplozivno nestabilnu, tamno-plavu tekućinu, a pri temperaturama nižim od -193° tvori eksplozivno nestabilnu ljubičasto-crnu čvrstu tvar."Oxygen" 2006.
Ozon je dijamagnetična tvar, za razliku od kisika koji je paramagnetičan.
Struktura Zahvaljujući rezultatima rotacijske spektroskopije, znamo da ozon nije ravna molekula, već sliči molekuli vode. Razmak O – O veze je 127,2 pm. Kut O – O – O je 116,78°. Ozon je polarna molekula, s dipolnim momentum od 0,53 D (debye). To je molekula koja ima jednu jednostruku i jednu dvostruku vezu. Tanaka Takehiko, Morino Yonezo: "Coriolis interaction and anharmonic potential function of ozone from the microwave spectra in the excited vibrational states", journal = Journal of Molecular Spectroscopy, 1970. Mack Kenneth M., Muenter J. S.: "Stark and Zeeman properties of ozone from molecular beam spectroscopy", journal = Journal of Chemical Physics, 1977.
Kemijske reakcije Ozon je vrlo snažan oksidans, puno jači od kisika. Nestabilan je kod većih koncentracija, raspadajući se na kisik (s vremenom poluraspada od oko pola sata kod atmosferskih uvjeta): "Earth Science FAQ: Where can I find information about the ozone hole and ozone depletion?" Goddard Space Flight Center, National Aeronautics and Space Administration, 2008.
2 O3 → 3 O2
Taj se process ubrzava s povećanjem temperature i tlaka. Brzi raspad ozona može pobuditi iskra kod koncentracije od 10 % ili više.[url=http://www.iitk.ac.in/che/jpg/papersb/full%20papers/K-106.pdf|doi=10.1016/j.jlp.2005.07.020] "Explosion properties of highly concentrated ozone gas", 2005., Koike K., Nifuku M., Izumi K., Nakamura S., Fujiwara S., Horiguchi S., journal=Journal of Loss Prevention in the Process Industries
Kemijske reakcije s metalima Ozon će oksidirati većinu metala (osim zlata, platine i iridija), primjerice bakar:
2 Cu+ + 2 H3O+ + O3 → 2 Cu2+ + 3 H2O + O2
Kemijske reakcije s dušikom i ugljikovim spojevima Ozon će oksidirati dušikov oksid prvo u dušikov dioksid, što je reakcija koju prati kemoluminiscencija:
NO + O3 → NO2 + O2
Dušikov dioksid dalje oksidira u dušikov trioksid:
NO2 + O3 → NO3 + O2
Dušikov trioksid će dalje reagirati s ostatkom dušikovog dioksida u dušikov pentoksid:
Kruti dušikov dioksid perklorat se može dobiti iz dušikovog dioksida, klorovog dioksida i ozona:
2 NO2 + 2 ClO2 + 2 O3 → 2 NO2ClO4 + O2
Ozon ne reagira sa solima amonijaka, ali oksidira amonijak u amonijev nitrat:
2 NH3 + 4 O3 → NH4NO3 + 4 O2 + H2O
Ozon oksidira ugljik u ugljikov dioksid čak i na sobnoj temperaturi:
C + 2 O3 → CO2 + 2 O2
Kemijske reakcije sa spojevima sumpora Ozon oksidira sulfide u sulfate.
Olovov(II) sulfid oksidira u olovov(II) sulfat:
PbS + 4 O3 → PbSO4 + 4 O2
Sumporna kiselina se može dobiti od ozona, vode i elemenata kao što je sumpor ili sumporov dioksid:
S + H2O + O3 → H2SO4 3 SO2 + 3 H2O + O3 → 3 H2SO4
Plinoviti sumporovodik se oksidira u sumporov dioksid, a odmah zatim u sumporov trioksid:
H2S + O3 → SO2 + H2O SO2 + O3 → SO3 + O2
S tekućim sumporovodikom, reagira u dvije istovremene reakcije:
H2S + O3 → S + O2 + H2O 3 H2S + 4 O3 → 3 H2SO4
Kemijske reakcije s ostalim tvarima Kositrov(II) klorid u klorovodičnoj kiselini reagira s ozonom i daje kositrov(IV) klorid i vodu:
3 SnCl2 + 6 HCl + O3 → 3 SnCl4 + 3 H2O
Jodov perklorat se može dobiti otapanjem joda u hladnoj perkloratnoj kiselini i s ozonom:
I2 + 6 HClO4 + O3 → 2 I(ClO4)3 + 3 H2O
Izgaranje Ozon se može koristiti za izgaranje, jer stvara više temperature od kisika. Ugljikovog subnitrid gori u ozonu i daje ugljikov monoksid i dušik:
3 C4N2 + 4 O3 → 12 CO + 3 N2
Ozon može reagirati kod vrlo niskih temperatura. Kod −196 °C atomski vodik reagira s tekućim ozonom, stvarajući radikalnu molekulu vodikov superoksid: "Ozone" Horvath M., Bilitzky L., Huttner J., 1985.
H + O3 → HO2 + O 2 HO2 → H2O4
Stvaranje ozonida Redukcijom ozona stvara se anion ozonid O3–. Derivati tih aniona su eksplozivni i moraju se čuvati na vrlo niskim temperaturama. Svi superoksidi alkalijskih metala oksidiraju u ozonide općom jednadžbom kemijske reakcije:
MO2 + O3 → MO3 + O2
Iako kalijev ozonid se može dobiti na gornji način, moguće ga je dobiti iz kalijevog hidroksida i ozona:
2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O
Natrijev i litijev ozonid se pripremaju djelovanjem cezijevog ozonida u tekućem amonijaku na ionskom izmjenjivaču koj sadrži ione Na+ ili Li+:
CsO3 + Na+ → Cs+ + NaO3
Otopina kalcija u amonijaku reagira s ozonom stvarajući amonijev ozonid, a ne kalcij ozonid:
3 Ca + 10 NH3 + 6 O3 → Ca·6NH3 + Ca(OH)2 + Ca(NO3)2 + 2 NH4O3 + 2 O2 + H2
Primjena Ozon se može koristiti za uklanjanje mangana iz vode, stvarajući talog koji se može ukloniti filtriranjem:
2 Mn2+ + 2 O3 + 4 H2O → 2 MnO(OH)2 (s) + 2 O2 + 4 H+
Slično, ozon se može iskoristiti za uklanjanje cijanida, pretvarajući ih u cijanate, koji su puno manje otrovni:
CN- + O3 → CNO- + O2
Ozon može potpuno rastaviti ureu:
(NH2)2CO + O3 → N2 + CO2 + 2 H2O
Ozon rastavlja alkene i daje ketone.
350px|center|A generalized scheme of ozonolysis
Ozon u Zemljinoj atmosferi mini|desno|250px|TRaspodjela atmosferskog ozona u ovisnosti od nadmorske visine, mjereno sa satelita Nimbus-7 mini|desno|250px|Absorpcija UV zračenja u ozonskim sloju mini|desno|250px|Ozonska rupa iznad Antarktike 6. rujna 2000. Dobsonova jedinica je jedinica u kojoj se najčešće izražava količina ozona u atmosferi. Količina ozona u atmosferi izražena u DU jednaka je ukupnoj količini ozona koja se nalazi u vertikalnom stupcu zraka koji se proteže od tla do vrha atmosfere. Kada bi sav ozon iz vertikalnog stupca doveli na standardne uvjete ne mijenjajući pri tom veličinu baze stupca, stupac ozona visok 0,01 mm bio bi jednak jednoj DU. Uobičajena količina ozona u atmosferi je 300 DU.
Ozonski omotač
Najveća koncentracija ozona u atmosferi je u stratosferi i ona se naziva ozonski omotač, a to je između 10 do 50 km iznad Zemljine površine (stratosferski ozon). Premda je količina ozona u atmosferi relativno mala (maksimalne koncentracije ne prelaze 0,001 %), njegova važnost za život na Zemlji je ogromna. To je filter za Sunčevo ultraljubičasto zračenje valne duljine manje od 320 nm (UVB i UVC). Osim ozona ni jedan od preostalih sastojaka atmosfere ne apsorbira UV zračenje u rasponu od 240 do 290 nm. Kad bi to zračenje došlo do Zemljine površine, oštetilo bi genetički materijal (DNA), a fotosinteza, koja je neophodna za biljni svijet, bila bi onemogućena.
Ozon u stratosferi nastaje uglavnom djelovanjem ultraljubičastog zračenja sa Sunca, koje reagira s dvoatomnim kisikom O2:
O2 + foton (UV zračenje < 240 nm) → 2 O
O + O2 + M → O3 + M
Ozon se u istom ciklusu raspada reakcijom s jednoatomnim kisikom O:
O3 + O → 2 O2
Zadnja reakcija se odvija uz prisustvo katalizatora, a to su prisutni slobodni radikali u atmosferi, od kojih su najvažniji hidroksil (OH), dušikov oksid (NO), atomski klor (Cl) i brom (Br). Sredinom sedamdesetih godina 20. stoljeća nad Antarktikom je u ozonskom omotaču uočeno veliko smanjenje koncentracije ozona (ozonske rupe) s obzirom na ranija razdoblja koje je uzrokovano ljudskim djelovanjem, odnosno ljudskom emisijom klorofluorougljika (CFC, koji su poznati i pod nazivom freoni). Najveće smanjenje (ponegdje čak do 99%) uočeno je na visinama od 14-19 km nad tlom. Kako bi spriječila pogubno djelovanje ozonske rupe na život na Zemlji, međunarodna zajednica ulaže velike napore da se emisija CFC svede na minimum.
Troposferski ozon U urbaniziranim sredinama ozon nastaje pri tlu fotokemijskim reakcijama bogatoj dušikovim oksidima NO i NO2 (koji se najčešće kraće označavaju s NOx), a koji su u atmosferu dospijevaju u većim količinama kao posljedica ljudskih aktivnosti (naročito prometa). Stoga se u velikim gradovima s gustim prometom, koji obiluju Sunčevim zračenjem, a nalaze se u toplim i suhim klimama (poput npr. Rima, Tokija, Atene i Los Angelesa), javlja onečišćenje zraka poznato pod nazivom fotokemijski smog. U tako onečišćenoj atmosferi uz O3 i NOx nalaze se i organski nitrati, poput PAN-a (peroksiacetil nitrat CH3C(O)OONO2), oksidirani ugljikovodici i tzv. fotokemijski aerosol, a nad gradom se zbog velike količine aerosola može vidjeti žućkasto-smeđi oblak, koji je zbog svog čestog pojavljivanja nad Atenom dobio ime nefos (od grčke riječi νεφοσ, što znači oblak).WHO-Europe reports: "Health Aspects of Air Pollution", 2003.
Trajanje troposferskog ozona je otprilike 22 dana. Uglavnom se na kraju taloži na tlo, u obliku hidroksilnih (OH) spojeva ili peroksilnih radikala (HO2). Postoje snažni dokazi da povećana koncentracija ozona na tlu dovodi do smanjenih prinosa u poljoprivredi, jer ozon utječe na procese fotosinteze i usporava cjelokupan rast biljaka.Stevenson: "Multimodel ensemble simulations of present-day and near-future tropospheric ozone", publisher=American Geophysical Union, 2006. "Rising Ozone Levels Pose Challenge to U.S. Soybean Production, Scientists Say", publisher=NASA Earth Observatory, 2006.Mutters Randall "Statewide Potential Crop Yield Losses From Ozone Exposure", publisher=California Air Resources Board, 2006.
Ozonske pukotine