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Ozon

chemische Verbindung
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Strukturformel
Datei:Ozon.png
Allgemeines
Name Ozon
Summenformel O3
Andere Namen „aktiver Sauerstoff“, Trisauerstoff
Kurzbeschreibung blaues Gas
CAS-Nummer 10028-15-6
Sicherheitshinweise
Vorlage:Gefahrensymbol 2
R- und S-Sätze R 8 - 26 - 34
S 17 - 26 - 38 - 50
Handhabung Kein Öl oder Fett benutzen. Geeignete Werkstoffe sind Rein-Aluminium, Edelstahl, PTFE, Perfluorkautschuk
Lagerung kann nicht gelagert werden, zerfällt innerhalb von 20 min zu dimerem Sauerstoff
MAK 0,2 mg/m3
Physikalische Eigenschaften
Aggregatzustand gasförmig
Farbe blau
Dichte 2,14 kg/m³
Molmasse 48 g/mol
Schmelzpunkt -193 °C
Siedepunkt -112 °C
Dampfdruck 5500 kPa (-12 °C)
Löslichkeit 570 mg/l (in Wasser) (bei 20 °C)
Analytik
Klassische Verfahren Titriermethode, UV-analyse, Entropiemethode

SI-Einheiten wurden, wo möglich, verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, wurden Normbedingungen benutzt.

Ozon (O3) (von griechisch ozein = riechen) ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes, instabiles Molekül. Es ist ein starkes Oxidationsmittel.

Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck gasförmig. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung ist es für den Menschen giftig (MAK-Wert = 0,2 mg/m³). Häufig bei Ozonaufnahme ist heftiger Schläfenkopfschmerz. Der Geruch ist bei sehr hohen Konzentrationen aufgrund der oxidierten Nasenschleimhaut charakteristisch stechend-scharf, in der Natur jedoch geruchlos. Die Geruchsschwelle liegt bei 40 µg/m³, allerdings gewöhnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr.

O3, die allotrope Form von Disauerstoff O2, ist bei Zimmertemperatur ein instabiles, blaues, diamagnetisches Gas, das unterhalb von -192,5 °C (80 K) zu einem schwarzvioletten Feststoff erstarrt, der zu explosionsartiger Zersetzung zu O2 neigt. Das gewinkelte Molekül bleibt im Festkörper erhalten, der O-O-Abstand beträgt 128 Picometer, der Winkel zwischen den drei Sauerstoffatomen 117°. Ozon unterhält die Verbrennung sehr viel stärker als Disauerstoff, etliche Materialien flammen schon bei Raumtemperatur bei Kontakt auf.

Bildung

Ozon bildet sich in der Atmosphäre vor allem auf drei Arten:

  • Energiereiche Sonnenstrahlung spaltet Sauerstoff-Moleküle in der Stratosphäre in zwei einzelne Atome, die sich jeweils mit einem weiteren Sauerstoff-Molekül zu Ozon vereinigen.
  • In Erdnähe bildet sich Ozon aus einer Reaktion zwischen Stickstoffdioxid NO2 und Sauerstoff O2 unter dem Einfluss von UV-Strahlung.
  • Durch ein Gewitter: Dieses lässt bei seiner Entladung (Wolke mit Erde) durch den elektrischen Strom Ozon (aber auch Salpetersäure und andere Stoffe) entstehen.

Vorkommen

Grundsätzlich ist Ozon in der Stratosphäre erwünscht, weil es dort das schädliche UV-Licht der Sonne absorbiert (siehe Ozonschicht). In Erdnähe ist es jedoch als Umweltgift unerwünscht, insbesondere bewirkt die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege, erhöhte Korrosion und Baumsterben.

In Reinluftgebieten ist die Ozon-Konzentrationen im Sommer oft höher als in Städten, da UV-Licht zur Ozon-Entstehung benötigt wird (sogenannter Photosmog) und sich in Städten gebildetes und durch Wind in Reinluftgebiete transportiertes Ozon langsamer abbaut. In Städten tragen hingegen Emissionen (Ruß etc.) zum Ozon-Abbau bei, da oxidierbare Stoffe in der Luft Ozonmoleküle zerstören. Pflanzen produzieren deshalb Terpene und Isoprene, damit die Blattoberfläche vor dem Ozon geschützt ist (dass Waldluft besonders ozonreich sei, ist ein Irrglaube). Die Verweilzeit ist abhängig von der Luftgüte. Je weniger oxidierbare Stoffe vorhanden sind, um so größer ist die Verweilzeit.

Das im Zusammenhang mit der Ozonschicht häufig erwähnte FCKW-Molekül wird durch UV-Strahlung aufgespalten, wodurch ein freies Chloratom entstehen kann, das wiederum viele Ozon-Moleküle „zerstören“ kann (siehe Ozonschicht).

Entdeckung

Ozon wurde 1839 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt.

Die Abbaureaktionen von Ozon durch Stickoxide wurden 1970 erstmals von Paul Josef Crutzen (Nobelpreis für Chemie 1995) beschrieben.

Die Maßeinheit zur Angabe der Ozonmenge in der Atmosphäre ist die Dobson-Einheit.

Labordarstellung

Ozon kann aus der Reaktion von Kaliumpermanganat und konzentrierter Schwefelsäure gewonnen werden. Dabei entsteht als Zwischenprodukt das instabile Manganheptoxid Mn2O7, das bei gewöhnlicher Temperatur in Mangandioxid und Sauerstoff zerfällt, der reich an Ozon ist.

Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure (ca. 20 %) entwickelt sich an einer Gold- oder Platinanode Ozon, ganz besonders, wenn diese so weit verkleinert wird, dass die Stromdichte hohe Werte erreicht. Bei guter Kühlung lassen sich so 4 bis 5 % Ozongehalt im entstehenden Sauerstoff erreichen, eine Konzentration, die ausreicht, um alle Reaktionen des Ozons im präparativen Maßstab ausführen zu können. Über ausgefeilte Apparaturen (z. B. feine Platindrahtwendeln) und Kühlung auf -14 °C lassen sich noch erheblich höhere Ozonkonzentrationen erreichen.

Ozon lässt sich weiterhin über ultraviolettes Licht oder über stille elektrische Entladung herstellen. Entsprechende Geräte, Ozonisatoren, gibt es im Handel.

Industrielle Herstellung

Aufgrund seiner Instabilität kann Ozon nicht über längere Zeit gelagert oder wie andere industriell verwendete Gase in Druckflaschen gekauft werden. Vor seiner Anwendung (chemische Synthese, Wasseraufbereitung, als Bleichmittel etc.) muss es an Ort und Stelle erzeugt werden.

Zur Herstellung wird meistens getrocknete Luft oder Sauerstoff (Taupunkt mind. -65 °C) als Trägergas eingesetzt. In selteneren Fällen wird Sauerstoff mit Argon, Kohlenstoffdioxid u.ä. gemischt. Im Ozonerzeuger werden die Sauerstoffmoleküle durch Stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziert, wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet. In Luft bewegen sich typische Endkonzentration zwischen 1 und 5 Gewichtsprozent, in Sauerstoff zwischen 6 und 13 Gewichtsprozent.

Die in der Praxis eingesetzten technischen Vorrichtungen können auf folgenden Elektrodenkonfigurationen basieren:

  • ineinander geschobene Rohre (z.B. metallisch innenbeschichtetes Glasrohr im Stahlrohr)
  • parallele Platten
  • drahtumwickelte Elektroden für Oberflächenentladungen
  • Spitze zu Platte

Bei Anlagen mit mehr als 20kg Ozon pro Stunde werden üblicherweise nur Röhrenozonisatoren eingesetzt.

In erster Näherung ist die Ozonanreicherung eine Funktion des elektrischen Energieeintrags pro Gasvolumen. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können folgende Parameter variiert werden:

  • Elektrodenabstand
  • Elektrodenausrichtung
  • Dielektrikumsmaterial
  • Spitzenspannung und Frequenz

In der industriellen Anwendungen sind Ozonerzeugerkessel wassergekühlt, zumal fast 90 Prozent der eingetragenen elektrischen Energie wieder abgeführt werden müssen. Für den Wirkungsgrad der Ozonsynthese ist die Gastemperatur der dominierende Faktor.

Wegen der hohen Reaktivität von Ozon sind nur wenige Materialien gegen Ozon beständig. Dazu gehören rostfreier Stahl (Qualität 316L), Glas, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Perfluorkautschuk. Bedingt beständig ist Viton, das unter Ozon keiner mechanischen Wechselbelastung ausgesetzt werden darf.

Ozon in der Wasseraufbereitung

Bei der Wasseraufbereitung dient Ozon unter anderem zur umweltfreundlichen Oxidation von Eisen, Mangan, organischer Substanz und zur Entkeimung. So gehört eine Ozonierung in vielen Trinkwasserwerken zu den zentralen Aufbereitungsstufen (siehe Weblinks).

Siehe auch: Wasseraufbereitung im Schwimmbad

Auch in der Behandlung von kommunalen und industriellen Abwässern kommt Ozon zum Einsatz (Kläranlage). Ziele einer weitergehenden Ozonbehandlung des konventionell gereinigten Abwassers sind hierbei: (a) Abtötung pathogener Keime (Desinfektion) zur Sicherung des Vorfluters (z.B. in Hinsicht auf die Badegewässerrichtlinie) (b) oxidative Elimination / Transformation von nicht oder nur schlecht abbaubaren organischen Spurenstoffen (insbesondere Medikamentenrückstände).

Ferner kann Ozon sehr gut in Verfahrenskombinationen mit nachfolgenden biologischen Systemen (Biofilter) eingesetzt werden, so beispielsweise bei der Oxidation des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) zum biologischen Sauerstoffbedarf (BSB), der dann im Biofilter weiterverarbeitet wird. Ebenso findet Ozon in Fischkreisläufen in der Aquakultur oder Aquariensystemen Anwendung.

Bei den meisten „chlorfrei“ benannten Produkten oder Verfahren wird Ozon eingesetzt, so zum Beispiel beim Bleichen von Papier. In diesem Zusammenhang ist oft von "aktivem Sauerstoff" die Rede.

Trivia

Bei älteren Fotokopierern sowie Laserdruckern kann man einen typischen Ozongeruch wahrnehmen. Das Funktionsprinzip der Geräte erfordert eine Ionisierung der Luft bei Spannungen von 5 – 15 kV. Dabei wird auch Ozon gebildet. Meist besitzen diese Geräte Ozonfilter, die das produzierte Ozon in Kohlendioxid umwandeln. Dennoch sollten diese Geräte möglichst nicht in unbelüfteten Räumen verwendet werden. Moderne Drucker und Fotokopierer arbeiten mit einer Transferrollentechnik, welche die Ozonbildung verhindert und die ältere Coronadrahttechnologie weitestgehend ersetzt hat.

Gelegentlich wurde behauptet, Waldluft sei besonders reich an Ozon und daher (sic!) gesund; beides ist falsch.

Gesundheitsgefährdung

Die EU hat schon seit längerer Zeit Richtwerte für die Ozonkonzentration festgelegt. Keine Gefahr für die Gesundheit besteht laut EU-Richtlinie durch Ozon unter einem Gehalt von 110 µg/m³. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 180 µg/m³ erfolgt die Unterrichtung der Bevölkerung, da bei dieser Konzentration die Leistungsfähigkeit empfindlicher Menschen bereits beeinträchtigt werden kann. Ab ungefähr 200 µg/m³ Ozon können Symptome wie Tränenreiz, Schleimhautreizungen in Rachen, Hals und Bronchien, Kopfschmerzen, verstärkter Hustenreiz, Verschlechterung der Lungenfunktion auftreten. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 360 µg/m³ werden Warnungen ausgesprochen, da ab dieser Konzentration Gefahr für die menschliche Gesundheit bestehen kann.

Literatur

  • Katrin Palitzsch, Sabine Göllner, Kristina Lupa, Jörg Matschullat, Corinna Messal, Kirsten Pleßow, Mandy Schipek, Ivonne Schnabel, Christian Weller, Frank Zimmermann: Ozon in Waldökosystemen aus atmosphärenchemischer und pflanzenphysiologischer Sicht. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(4), S. 231 - 241 (2005), ISSN 0934-3504

Siehe auch

Ozonschicht, Ozonloch, Ozontherapie, Ozonolyse, Ozonbelastung

Wiktionary: Ozon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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