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Ozon

Im Jahre 1839 beschrieb Christian Friedrich Schönbein erstmals die einzigartige Erscheinung, dass ein chemisches Element in Gasform in zwei verschiedenen molekularen Formen nebeneinander beständig ist – Ozon und Disauerstoff. Zunächst erschien diese Tatsache aber zu eigenartig, als dass die einfache Deutung Schönbeins, eine Allotropie im Gaszustand, allgemeine Anerkennung gefunden hätte.

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

Die Menge an Ozon in der Atmosphäre wird in Dobson-Einheiten (also pro Erdoberfläche) oder in ppm (also pro Stoffmenge Luft) angegeben. Die höchste Konzentration mit einigen ppm weist Ozon in der Stratosphäre auf. Es entsteht dort im Ozon-Sauerstoff-Zyklus. Ozon ist in der Stratosphäre unschädlich und absorbiert teilweise die Ultraviolettstrahlung der Sonne. In der Atemluft ist es jedoch bereits in weit geringeren Konzentrationen gesundheitsschädlich, insbesondere verursacht die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege.

Diese sehr unterschiedliche Gefahreneinschätzung in den verschiedenen atmosphärischen Schichtungen führt sehr häufig zu Verwechslungen und zur Unterschätzung der Gefahren. Das gesundheitliche Risiko des Ozons in den bodennahen Luftschichten ist durch seine Reaktivität begründet; Ozon ist eines der stärksten Oxidationsmittel.

In Reinluftgebieten ist die Ozon-Konzentration im Sommer oft höher als in Städten. Dies liegt daran, dass Stickoxid (NO) der Ozonbildung entgegenwirkt. In Städten ist die NO-Konzentration durch Emissionen von Fahrzeugen (Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge) relativ hoch. Im Einzelnen laufen folgende Reaktionen ab:

Ozon entsteht wie folgt:

1 ) N O 2 U V S t r a h l u n g N O + O {\displaystyle \mathrm {1)\ NO_{2}\ {\xrightarrow {UV{-}Strahlung}}\ NO+O} }
2 ) O + O 2 O 3 {\displaystyle \mathrm {2)\ O+O_{2}\longrightarrow O_{3}} }

Gleichzeitig wird Ozon durch NO wieder abgebaut:

3 ) O 3 + N O N O 2 + O 2 {\displaystyle \mathrm {3)\ O_{3}+NO\longrightarrow NO_{2}+O_{2}} }

Wären also nicht noch weitere Stoffe, sogenannte flüchtige Kohlenwasserstoffe oder auch CO, in der unteren Luftschicht vorhanden, würde sich kein weiteres Ozon bilden, sondern abhängig von der Sonneneinstrahlung stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen O3, NO und NO2 ein. Je stärker die Sonne scheint, desto mehr Ozon und weniger NO2 ist vorhanden, da letzteres durch die UV-Strahlung gespalten wird (Reaktion 1).

In der (verschmutzten) planetaren Grenzschicht der Atmosphäre finden sich auch Kohlenwasserstoffe, die sowohl vom Menschen (anthropogen) als auch von der Vegetation (biogen) emittiert werden. Sie werden von OH-Radikalen oxidiert, wobei Peroxid-Radikale R-O-O· entstehen. Diese wiederum sorgen dafür, dass NO zu NO2 oxidiert wird, ohne dass dabei ein O3 verbraucht wird, wie in Reaktion 3, also:

4 ) R O O + N O R O + N O 2 {\displaystyle \mathrm {4)\ R{-}O{-}O{\cdot }+NO\longrightarrow R{-}O{\cdot }+NO_{2}} }

Wenn danach wieder Reaktion 1 und 2 stattfinden, wird netto neues Ozon gebildet.

Da NO durch Autos und Industrie ausgestoßen wird, wird Ozon in der Stadt schneller wieder abgebaut (nach Reaktion 3) als in ländlichen Gegenden. Außerdem finden sich in ländlichen Gebieten häufig Kohlenwasserstoffe, die leichter von OH-Radikalen angegriffen werden können, wodurch Reaktion 4 schneller abläuft. Ein bekanntes Beispiel für so einen leicht abbaubaren biogenen Kohlenwasserstoff ist Isopren. Die genaue Reaktionskette ist im Artikel Sommersmog beschrieben.

Die im Zusammenhang mit der Ozonschicht häufig erwähnten FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) werden durch UV-Strahlung gespalten, wodurch freie Chlorradikale entstehen, die wiederum viele Ozon-Moleküle „zerstören“ können.

Ozon entsteht aus gewöhnlichem Sauerstoff gemäß der Reaktion

3 O 2 2 O 3 ; Δ H = + 286 k J / m o l {\displaystyle \mathrm {3\;O_{2}\longrightarrow 2\;O_{3}} ;\ \Delta H=+286\;\mathrm {kJ/mol} }
wobei ΔH die molare Reaktionsenthalpie bezeichnet.

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. Dieser Vorgang der Spaltung von Sauerstoff-Molekülen durch energiereiche UV-C-Strahlung mit einer Wellenlänge von < 242 nm wird als Photodissoziation bezeichnet.
  • In Erdnähe bildet sich Ozon bei der Reaktion von Stickoxiden (z. B. NO2) mit Sauerstoff O2 unter dem Einfluss von UV-Strahlung. Trotz Einführung des Motoren-Katalysators ist der Straßenverkehr über den Ausstoß von Schadstoffen indirekt für diese Form der Ozonbildung in erdnahen Luftschichten (vornehmlich Städten) mitverantwortlich.
  • Bei Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden entsteht bei der Blitzentladung Ozon (neben Salpetersäure und weiteren Stoffen).

Raumluftreinigungsgeräte

Raumluftozonisator (1960er-Jahre)

Beim Betrieb von Raumluftreinigungsgeräten kann es gezielt oder ungewollt zur Bildung von Ozon kommen. So bilden einige Ionisatoren Ozon, um geruchlich wahrgenommene Moleküle der Umgebungsluft zu spalten und zu eliminieren. Allerdings bergen die Abbauprodukte von Nikotin und Zigarettenrauch, neben dem Ozon selbst, hohe gesundheitliche Risiken, so dass z. B. die Deutsche Lungenstiftung davor warnt, den schlechten Geruch verrauchter Räume mit Ozon generierenden Luftreinigern zu beseitigen. Die Richtlinie VDI 6022 Blatt 5 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität - Vermeidung allergener Belastungen - Anforderung an die Prüfung und Bewertung von technischen Geräten und Komponenten mit Einfluss auf die Atemluft“ empfiehlt daher, beim Einsatz von Ionisatoren gegebenenfalls die Ozon-Emissionsrate zu bestimmen.

Ozon kann auch beim Betrieb von elektrostatischen Abscheidern (Elektrofiltern), die zur Raumluftreinigung eingesetzt werden, entstehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn durch die negative Polung der Sprühelektrode eine negative Koronaentladung erzielt wird. Deshalb wird in der Regel bei raumlufttechnischen Anlagen von dieser Konstellation abgesehen.

Ozon kann ebenfalls beim Betrieb von Raumluftreinigungsgeräten entstehen, die gezielt nichtthermisches Plasma erzeugen. Die Menge des erzeugten Ozons hängt dabei von der Bauart und der Leistungsaufnahme des eingesetzten Geräts ab.

Fotokopierer

Bei älteren Fotokopierern sowie Laserdruckern kann man einen typischen „Ozongeruch“ wahrnehmen. Dieser Geruch rührt nur indirekt vom durch die Ionisation der Luft im Gerät gebildeten Ozon her; er kommt vielmehr durch Spuren nitroser Gase (NOx) zustande, die durch Reaktion des Ozons mit dem Luftstickstoff gebildet werden. Das Funktionsprinzip der Geräte erfordert eine Ionisierung der Luft bei Spannungen von 5–15 kV. Meist besitzen die 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 Coronadrahttechnik weitestgehend ersetzt hat.

Darstellung im Labor

Ozon kann aus der Reaktion von Kaliumpermanganat mit konzentrierter Schwefelsäure gewonnen werden. Das als Zwischenprodukt entstehende instabile Dimanganheptoxid Mn2O7 zerfällt bei Raumtemperatur zu Mangandioxid und Sauerstoff, der reich an Ozon ist.

Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure (ca. 20 %) entwickelt sich an einer Gold- oder Platinanode besonders bei hohen Stromdichten Ozon. Bei guter Kühlung lassen sich so 4–5 % 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 aus Luftsauerstoff unter Einwirkung von Ultraviolettstrahlung oder stillen elektrischen Entladungen herstellen. Entsprechende, als Ozonisatoren bezeichnete Geräte gibt es im Handel.

Technische Erzeugung

Erzeugung durch Ionisierung von Luft oder Sauerstoff

Elektrophorese-Ozonerzeuger

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 (Ozongenerator) werden die Sauerstoffmoleküle durch stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziiert, wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet. In Luft bewegen sich typische Endkonzentrationen zwischen einem und fünf Prozent Massenanteil, in Sauerstoff zwischen sechs und dreizehn Prozent Massenanteil.

Aus reinem, trockenem Sauerstoff können bis zu 90 g·m−3, aus Luft (bei Kühlung) bis zu 40 g·m−3 Ozon gewonnen werden. Für 1 kg Ozon aus Sauerstoff (im Bereich von 1–6 Gew-%) werden 7–14 kWh Strom und 1,8 m3/h Kühlwasser verbraucht.

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

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

Bei Anlagen mit mehr als 20 kg 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

Auch durch Überlagerung eines inhomogenen elektrischen Feldes während des Energieeintrags (Dielektrophorese) kann das chemische Gleichgewicht, welches sich aus Synthese und Zersetzung bei wenigen Gewichtsprozenten einstellt, zugunsten des Ozons verschoben werden.

Obwohl die Ozonbildung aus Sauerstoff unter Wärmeabsorption erfolgt, sind Ozonerzeugerkessel in industriellen Anwendungen wassergekühlt, da fast 90 Prozent der eingetragenen Energie infolge der hohen Zersetzungsrate wieder abgeführt werden müssen. Für den Wirkungsgrad der Ozonsynthese ist die Gastemperatur ein weiterer dominierender Faktor.

Wegen der hohen Reaktivität von Ozon sind nur wenige Materialien gegen Ozon beständig. Dazu gehören Edelstahl (z. B. 316L), Glas, Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Perfluorkautschuk. Bedingt beständig ist Viton, das unter Ozon keiner mechanischen Wechselbelastung ausgesetzt werden darf.

Erzeugung durch Elektrolyse von Wasser

Neben der Darstellung durch Ionisierung von Luftsauerstoff oder reinem Sauerstoff besteht die Möglichkeit, Ozon durch Elektrolyse von Wasser herzustellen. Hierbei werden meist Blei(IV)-Oxid Anoden verwendet, welche durch eine Polyelektrolytmembran von der Kathodenseite getrennt sind. An der Anode wird Wasser zu molekularem Sauerstoff oder bei Überspannung zu Ozon oxidiert. Die an der Anode entstehenden Protonen wandern durch die Membran an die Kathode und werden dort zu molekularem Wasserstoff reduziert. Das eigentliche Reaktionssystem ist jedoch komplexer. Die Ozonausbeute liegt bei der Darstellung durch Wasserelektrolyse bei etwa 20 %. Zudem entsteht das Ozon direkt in der Lösung und muss bei der Nutzung in flüssigen Medien nicht erst gelöst werden.

Lagerung

Flüssiges Ozon lässt sich in Form einer 30 bis 75 %igen Lösung in flüssigem Sauerstoff bei −183 °C in Gegenwart von Stabilisatoren wie CClF3, OF2, SF6 oder andere ohne Explosionsgefahr lagern. Gasförmiges Ozon lässt sich im reinen Zustand (keine Verunreinigungen durch organische Verbindungen, Schwefel oder bestimmte Metalle) bei −112 bis −50 °C bei leichtem Überdruck recht gut lagern.

Ozon ist bei Standardbedingungen gasförmig. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung reizt es bei Menschen und Tieren die Atemwege. Es vermag sogar Silber bei Raumtemperatur zu oxidieren. Ozonaufnahme kann beim Menschen häufig zu heftigen Schläfenkopfschmerzen führen. In hohen Konzentrationen riecht das Gas aufgrund der oxidierenden Wirkung auf die Nasenschleimhaut charakteristisch stechend-scharf bis chlorähnlich, während es in geringen Konzentrationen geruchlos ist. Die Geruchsschwelle liegt bei 40 µg/m3, allerdings gewöhnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr. Reines O3 ist eine allotrope Form von Disauerstoff O2. Bei Zimmertemperatur liegt es als instabiles, farbloses bis bläuliches, in hoher Konzentration tiefblaues diamagnetisches Gas vor, das bei −110,5 °C zu einer tiefblauen Flüssigkeit kondensiert und bei −192,5 °C (80 K) zu einem schwarzvioletten Feststoff erstarrt.

Das gewinkelte polare Molekül mit einem Dipolmoment von 0,5337 D (entspricht 1,780 · 10−30 C · m) bleibt im Festkörper erhalten. Der O-O-Abstand beträgt 128 pm, der Winkel zwischen den drei Sauerstoffatomen beträgt 117°.

Ozon unterhält die Verbrennung sehr viel stärker als Disauerstoff: Etliche Materialien flammen schon bei Raumtemperatur bei Kontakt mit reinem Ozon auf. Gemische aus reinem Sauerstoff und Ozon ab einem Volumenanteil von 11,5 % können sich unter Atmosphärendruck bei entsprechend hoher Zündenergie explosionsartig zersetzen. Durch Beimischung von 1 % Methan oder NO2 wird die Zündgrenze auf ca. 5 % Ozon herabgesetzt.

Ozon ist ein stärkeres Oxidationsmittel als Disauerstoff und in saurer Lösung ein sehr starkes Oxidationsmittel. Das Standard-Elektrodenpotential Eº für die Halbreaktion

O 3 + 2 H + + 2 e O 2 + H 2 O {\displaystyle {\ce {O3 + 2H^+ + 2e^- -> O2 + H2O}}}

beträgt + 2,07 V. Bei normalen Temperaturen oxidiert Ozon Metalle wie Silber und Quecksilber zu ihren Oxiden. Es oxidiert Halogenide zu Halogenen, Stickoxide zu höheren Stickoxiden, Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, Eisen(II)- zu Eisen(III)-salzen und Sulfide zu Sulfaten. Mit trockenem Kaliumhydroxid reagiert es zu Kaliumozonid. Es reagiert mit organischen Stoffen und greift die meisten Arten von Doppelbindungen in ungesättigten Verbindungen wie Olefinen, Cycloolefinen, Pinenen, Aromaten und Polybutadienen an. Mit Ethin reagiert es zu Ethinozonid, einer cyclischen Verbindung mit drei Sauerstoffatomen.

Ag + O 3 AgO + O 2 {\displaystyle {\ce {Ag + O3 -> AgO + O2}}}
Hg + O 3 HgO + O 2 {\displaystyle {\ce {Hg + O3 -> HgO + O2}}}
PbS + 4 O 3 PbSO 4 + 4 O 2 {\displaystyle {\ce {PbS + 4 O3 -> PbSO4 + 4 O2}}}
NO + O 3 NO 2 + O 2 {\displaystyle {\ce {NO + O3 -> NO2 + O2}}}

Ozon zerfällt leicht zu Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators, wie Mangandioxid oder anderen Metalloxiden. Es zersetzt sich auch in Gegenwart von Chlor oder Brom. Diese Zersetzung erfolgt auch langsam nichtkatalytisch bei normalen Temperaturen sowie in wässriger Lösung.

Ozon in der Wasseraufbereitung

Bei der Wasseraufbereitung dient Ozon unter anderem zur umweltfreundlichen Oxidation von Eisen, Mangan, organischer Substanz und zur Entkeimung. Der erste Ozongenerator zur Trinkwasseraufbereitung wurde 1893 in Oudshoorn (Niederlande) installiert, es folgten Paris (Frankreich, 1898), das Wasserwerk Schierstein in Wiesbaden (1901) sowie Paderborn (1902). In diesen beiden deutschen Städten endete dadurch „schlagartig“ eine Typhus-Epidemie. Eine Ozonierung gehört in vielen Trinkwasserwerken zu den zentralen Aufbereitungsstufen.

Oberflächenwasser kann in den wärmeren Jahreszeiten höhere Gehalte an Algen enthalten. Wird ein derartiges Wasser zu Brauchwasser für die Verwendung in der Industrie aufbereitet, so kann durch eine Hochozonisierung die Reinigungswirkung der Filteranlagen deutlich verbessert werden. Ozon tötet durch sein hohes Oxidationspotential sowohl Keime wie auch Algen weitgehend ab und verbessert die Abfiltrierbarkeit dieser feindispersen Verunreinigungen und damit die Reinigungswirkung.

Auch in der Behandlung von kommunalen und industriellen Abwässern kommt Ozon zum Einsatz (Kläranlage). Die Ozonierung wird dabei der üblichen Abwasserreinigung durch Mikroorganismen zusätzlich nachgeschaltet. Allerdings handelt es sich bei Kläranlagen mit Ozonanlagen meist um Pilotprojekte (wie zum Beispiel in Regensdorf-Watt in der Schweiz), denn die Produktion von Ozon in solch großen Maßstäben ist teuer, energieaufwändig und die Schutzmaßnahmen gegen den giftigen und ätzenden Stoff sind erheblich. Zurzeit wird diskutiert, ob die Abwasserreinigung durch die ungiftige Aktivkohle nicht ungefährlicher, billiger und umweltfreundlicher ist.

Ziele einer weitergehenden Ozonbehandlung des konventionell gereinigten Abwassers sind: (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).

Ein Nachteil der Ozonierung ist die Entstehung von unbekannten und möglicherweise giftigen Produkten, wenn Ozon mit Schadstoffen im Wasser reagiert. So wird die Bildung von krebserregenden Nitrosaminen vermutet. Des Weiteren werden einige Schadstoffe, zum Beispiel iodhaltige Röntgenkontrastmittel, von Ozon praktisch nicht abgebaut. Sie gelangen deshalb weiterhin in die Umwelt.

Ozon kann 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.

Ozon in der Abgasbehandlung

Bei der oxidierenden Gaswäsche wird Ozon als Oxidationsmittel in Gaswäschern eingesetzt, um in der Waschflüssigkeit gelöste Substanzen chemisch umzusetzen und so das treibende Konzentrationsgefälle zwischen zu reinigendem Gas und Waschflüssigkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren findet bei reaktionsträgen organischen Stoffen und bei heterogenen Gasgemischen mit häufig geruchsintensiven Stoffen Anwendung. Alternativ besteht die Möglichkeit, schwer wasserlösliche Verunreinigungen mittels Ozon, das in den Abgasstrom geleitet wird, in höhere Oxidationsstufen überzuführen, die dann mit einem Gaswäscher entfernt werden können.

Zur Beseitigung von Gerüchen

Die Behandlung mit Ozon kann der Desodorierung, also der Entfernung von unangenehmen Gerüchen, dienen. Diese Ozonbehandlung wird in der professionellen Fahrzeugaufbereitung vorgenommen, insbesondere bei Gebrauchtwagen mit Geruchsbelastung im Innenraum (z. B. ehemalige Raucherfahrzeuge). Durch die oxidierende Wirkung des Ozons werden Geruchsstoffe in geruchsneutrale Stoffe umgewandelt. Ebenso werden Keime und geruchverursachende Bakterien dabei – auch an sonst unzugänglichen Stellen – abgetötet. Als Ergebnis ist das Fahrzeug nach dieser Behandlung desinfiziert und in der Regel geruchsfrei.

Waschen und Behandeln von Textilien

Einige moderne Waschmaschinen haben ein Ozonprogramm, welches Umgebungsluft nutzt und mittels eines Ozongenerators die Wäsche desinfiziert und Gerüche eliminiert. Auch Wäschereien nutzen diese Technik. Das Behandeln von Textilien mit Ozon kann dazu genutzt werden, ihre Färbung verblassen zu lassen, um beispielsweise neue Jeanshosen wie schon getragene und verwaschene aussehen zu lassen (vintage).

Ozon als Bleichmittel

Ozon wird in modernen Industrien auch als starkes Bleichmittel eingesetzt, es muss jedoch aufgrund seiner chemischen Flüchtigkeit und Instabilität am besten am Ort der Verwendung hergestellt werden.

Weitere Verwendungen

Ozon wurde z. B. zur Beschleunigung des Aushärtens von Lacken benutzt. Früher – und in der Alternativmedizin teilweise noch heute – wurde die Ozontherapie in Behandlungsversuchen verschiedener Leiden eingesetzt, beispielsweise gegen Diabetes und Krebs. Solche Behandlungen zählen oft zur Quacksalberei und die intravenöse Anwendung von Ozon wurde in Deutschland 1984 wegen der möglichen schweren Nebenwirkungen verboten.

Ozon ist auch ein wichtiges Reagens in der synthetischen Chemie. Beispielsweise kann Vanillin aus Eugenol erhalten werden, indem man dieses mit Ozon oxidiert. Die Ozonolyse, die Umsetzung von ungesättigten Verbindungen mit Ozon, war jahrzehntelang ein wichtiges Verfahren zur Strukturaufklärung solcher Stoffe.

Ozon in der Atemluft

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.

In der Schweiz liegt die Grenze des Ein-Stunden-Mittelwertes bei 120 µg/m3 (ca. 60 ppb). Dieser Wert wird jedoch sehr oft überschritten. Im Hitzesommer 2018 ist z. B. in Winterthur der Grenzwert für Ozon bereits vor Ende Juli mehr als 50-mal überschritten worden, im Vergleich zum Vorjahr mit 39-mal.

Eine langanhaltende Erhöhung der Ozonkonzentration in der Atemluft führt zu einem erhöhten Risiko, an Atemwegserkrankungen zu sterben. Eine 2018 veröffentlichte Studie zeigt einen Zusammenhang zwischen der Exposition mit Ozon sowie Feinstaub und der Alzheimer-Krankheit.

2021 hat die Weltgesundheitsorganisation ihre Luftgüte-Richtlinie nach unten hin angepasst. Die neue Empfehlung bei Ozon liegt bei einem Maximum von 60 – 100 µg/m3

Erhöhte Immissionswerte treten vor allem im Einflussbereich von Industriegroßräumen und Autobahnen auf. Dabei wirken sich meteorologische Effekte stark auf die lokale Bildung und den Transport des Ozons aus, so dass räumliche Abhängigkeiten über mehrere Hundert Kilometer entstehen können.

Bei Hitzewellen nimmt die Konzentration zu, da Pflanzen weniger Ozon absorbieren können. Es wird geschätzt, dass dieser Effekt beispielsweise in Großbritannien während des Hitzesommers 2006 für 450 zusätzliche Tote verantwortlich war.

Effekte auf Pflanzen

Verfärbungen bei einem Blatt

Ozon hat nachteilige Effekte auf Pflanzen und deren Wachstum. So sinken die Konzentrationen von Chlorophyll, Carotinoiden und Kohlenhydraten, während bei der Aminocyclopropancarbonsäure eine Erhöhung eintritt und vermehrt Ethen gebildet wird. Es konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Exposition von Zitruspflanzen gegenüber Ozon Schutzreaktionen gegen oxidativen Stress auslöste. Über längere Zeit anhaltende hohe Ozonbelastungen können besonders Laubbäume, Sträucher und Kulturpflanzen schädigen und deren Wachstum vermindern, so dass es zu Ertragseinbußen kommen kann.

Effekte auf Materialien

Hauptartikel: Ozonrissbildung

Ozon kann Materialien, insbesondere verschiedene Elastomere und Kautschuke schädigen: es kann zur Ozonrissbildung kommen. Früher war das Problem vor allem bei Reifen sehr verbreitet. Seit etwa den 1950er Jahren werden den Elastomeren Ozonschutzmittel zugesetzt. Aufgrund der Präventionsmaßnahmen tritt das Problem daher kaum noch auf.

Ozonometer, entworfen von John Smyth, 1865.

Analyse, Einheiten

Ozon-Konzentrationen wurden früher und werden in den USA weiterhin überwiegend in ppb (also Milliardstel Volums-, Teilchen- oder Partialdruck-Anteilen) und werden SI-konform in µg/m3 angegeben. 1 ppb Ozon entspricht 2,15 µg/m3 (unter Normalbedingungen).

Immissionsmessung

Ozon in der Außenluft kann photometrisch erfasst werden. Dazu wird die kontinuierlich angesaugte Probenluft durch eine Messküvette geleitet, die mit monochromatischer Strahlung einer bestimmten Wellenlänge beaufschlagt wird. Die durchtretende und somit nicht absorbierte Strahlung wird mittels Photodiode oder Photomultiplier gemessen und gibt damit Auskunft über die Ozonkonzentration in der Luft. Dieses Messverfahren beruht auf dem lambert-beerschen Gesetz.

Ein anderes Verfahren zur messtechnischen Erfassung von Ozon in der Außenluft ist das Kaliumiodid-Verfahren: In wässriger Lösung reagiert Ozon mit Kaliumiodid unter Freisetzung von Iod und Sauerstoff. Die Extinktion der Iodlösung ist ein Maß für die Ozonkonzentration der Probenluft, die durch die Kaliumiodidlösung geleitet wurde. Das Verfahren ist nicht selektiv bezüglich Ozon. Als Absorptionsgefäße sind Muenke-Waschflaschen zu verwenden.

Auch die differenzielle optische Absorptionsspektroskopie DOAS wird zur Ozonmessung eingesetzt. Untersuchungen zur Qualitätssicherung unterschiedlicher Messmethoden liegen ebenfalls vor.

Problematisch bei der Immissionsmessung von Ozon ist, dass keine haltbaren Prüfgase hergestellt werden können. Zudem ist darauf zu achten, dass die eingesetzten Werkstoffe nicht mit dem Ozon reagieren können.

Bioindikation

Wirkungen von Ozon können mit Tabakpflanzen systematisch untersucht werden. Zur Bioindikation werden die makroskopisch erkennbaren Blattschäden an der Pflanze als Wirkungsmessgröße herangezogen.

Wiktionary: Ozon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Als Luftschadstoff:

Messung und Vorhersage:

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Normdaten (Sachbegriff): GND:(, )

Ozon
ozon, gasförmige, chemische, verbindung, drei, sauerstoffatomen, sprache, beobachten, bearbeiten, titel, dieses, artikels, mehrdeutig, weitere, bedeutungen, sind, unter, begriffsklärung, aufgeführt, altgriechisch, ὄζειν, ozein, riechen, ὄζον, ozon, wörtlich, r. Ozon gasformige chemische Verbindung aus drei Sauerstoffatomen Sprache Beobachten Bearbeiten Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig Weitere Bedeutungen sind unter Ozon Begriffsklarung aufgefuhrt Ozon von altgriechisch ὄzein ozein riechen ὄzon ozon wortlich das Riechende ist ein aus drei Sauerstoffatomen O aufgebautes Molekul O3 und das daraus bestehende farblose bis blauliche in hoher Konzentration tiefblaue 8 Gas von charakteristischem Geruch Ozonmolekule in der Luft zerfallen unter Normalbedingungen innerhalb einiger Tage zu biatomarem das heisst aus zwei Sauerstoffatomen bestehendem Sauerstoff O2 StrukturformelMesomere Grenzstrukturen des OzonmolekulsAllgemeinesName OzonAndere Namen aktiver Sauerstoff Trisauerstoff Sauerstoffdioxid 1 Trioxygen OZONE INCI 2 Summenformel O3Kurzbeschreibung farbloses 3 bis blauliches 4 in hoher Konzentration tiefblaues Gas mit unangenehm stechendem chlorahnlichem Hohensonnengeruch 3 Externe Identifikatoren DatenbankenCAS Nummer 10028 15 6EG Nummer 233 069 2ECHA InfoCard 100 030 051PubChem 24823DrugBank DB12510Wikidata Q36933EigenschaftenMolare Masse 48 00 g mol 1Aggregatzustand gasformigDichte 2 154 kg m 3 0 C 3 Schmelzpunkt 192 5 C 3 Siedepunkt 111 9 C 3 Loslichkeit sehr schwer in Wasser 494 ml l 1 bei 0 C 5 570 mg l 1 bei 20 C 3 Dipolmoment 0 53373 D 6 1 7803 10 30 C m SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnung 3 GefahrH und P Satze H 270 314 330 372 410EUH 071P MAK nicht festgelegt da krebserzeugend 3 Schweiz 0 1 ml m 3 bzw 0 2 mg m 3 7 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Ozon ist ein starkes und giftiges Oxidationsmittel das bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege und der Augen sowie Begunstigung von Atemwegserkrankungen fuhren kann In der Troposphare ist Ozon der drittwirksamste Treiber der globalen Erwarmung nach Kohlendioxid und Methan 9 Die Ozonschicht in der Stratosphare schutzt die Lebewesen auf der Erde vor Schadigungen durch energiereiche mutagene ultraviolette Strahlung der Sonne Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 3 Bildung 3 1 Raumluftreinigungsgerate 3 2 Fotokopierer 4 Gewinnung und Darstellung 4 1 Darstellung im Labor 4 2 Technische Erzeugung 4 2 1 Erzeugung durch Ionisierung von Luft oder Sauerstoff 4 2 2 Erzeugung durch Elektrolyse von Wasser 4 3 Lagerung 5 Eigenschaften 6 Verwendung 6 1 Ozon in der Wasseraufbereitung 6 2 Ozon in der Abgasbehandlung 6 3 Zur Beseitigung von Geruchen 6 4 Waschen und Behandeln von Textilien 6 5 Ozon als Bleichmittel 6 6 Weitere Verwendungen 7 Schadwirkungen 7 1 Ozon in der Atemluft 7 2 Effekte auf Pflanzen 7 3 Effekte auf Materialien 8 Messung von Ozon 8 1 Analyse Einheiten 8 2 Immissionsmessung 8 3 Bioindikation 9 Literatur 10 Weblinks 11 EinzelnachweiseGeschichte BearbeitenIm Jahre 1839 beschrieb Christian Friedrich Schonbein erstmals die einzigartige Erscheinung dass ein chemisches Element in Gasform in zwei verschiedenen molekularen Formen nebeneinander bestandig ist Ozon und Disauerstoff Zunachst erschien diese Tatsache aber zu eigenartig als dass die einfache Deutung Schonbeins eine Allotropie im Gaszustand allgemeine Anerkennung gefunden hatte 10 Die Abbaureaktionen von Ozon durch Stickoxide beschrieb 1970 erstmals Paul Josef Crutzen Nobelpreis fur Chemie 1995 Vorkommen BearbeitenDie Menge an Ozon in der Atmosphare wird in Dobson Einheiten also pro Erdoberflache oder in ppm also pro Stoffmenge Luft angegeben Die hochste Konzentration mit einigen ppm weist Ozon in der Stratosphare auf Es entsteht dort im Ozon Sauerstoff Zyklus Ozon ist in der Stratosphare unschadlich und absorbiert teilweise die Ultraviolettstrahlung der Sonne In der Atemluft ist es jedoch bereits in weit geringeren Konzentrationen gesundheitsschadlich insbesondere verursacht die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege Diese sehr unterschiedliche Gefahreneinschatzung in den verschiedenen atmospharischen Schichtungen fuhrt sehr haufig zu Verwechslungen und zur Unterschatzung der Gefahren Das gesundheitliche Risiko des Ozons in den bodennahen Luftschichten ist durch seine Reaktivitat begrundet Ozon ist eines der starksten Oxidationsmittel 11 In Reinluftgebieten ist die Ozon Konzentration im Sommer oft hoher als in Stadten Dies liegt daran dass Stickoxid NO der Ozonbildung entgegenwirkt In Stadten ist die NO Konzentration durch Emissionen von Fahrzeugen Land Wasser und Luftfahrzeuge relativ hoch Im Einzelnen laufen folgende Reaktionen ab Ozon entsteht wie folgt 1 N O 2 U V S t r a h l u n g N O O displaystyle mathrm 1 NO 2 xrightarrow UV Strahlung NO O 2 O O 2 O 3 displaystyle mathrm 2 O O 2 longrightarrow O 3 Gleichzeitig wird Ozon durch NO wieder abgebaut 3 O 3 N O N O 2 O 2 displaystyle mathrm 3 O 3 NO longrightarrow NO 2 O 2 Waren also nicht noch weitere Stoffe sogenannte fluchtige Kohlenwasserstoffe oder auch CO in der unteren Luftschicht vorhanden wurde sich kein weiteres Ozon bilden sondern abhangig von der Sonneneinstrahlung stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen O3 NO und NO2 ein Je starker die Sonne scheint desto mehr Ozon und weniger NO2 ist vorhanden da letzteres durch die UV Strahlung gespalten wird Reaktion 1 In der verschmutzten planetaren Grenzschicht der Atmosphare finden sich auch Kohlenwasserstoffe die sowohl vom Menschen anthropogen als auch von der Vegetation biogen emittiert werden Sie werden von OH Radikalen oxidiert wobei Peroxid Radikale R O O entstehen Diese wiederum sorgen dafur dass NO zu NO2 oxidiert wird ohne dass dabei ein O3 verbraucht wird wie in Reaktion 3 also 4 R O O N O R O N O 2 displaystyle mathrm 4 R O O cdot NO longrightarrow R O cdot NO 2 Wenn danach wieder Reaktion 1 und 2 stattfinden wird netto neues Ozon gebildet Da NO durch Autos und Industrie ausgestossen wird wird Ozon in der Stadt schneller wieder abgebaut nach Reaktion 3 als in landlichen Gegenden Ausserdem finden sich in landlichen Gebieten haufig Kohlenwasserstoffe die leichter von OH Radikalen angegriffen werden konnen wodurch Reaktion 4 schneller ablauft Ein bekanntes Beispiel fur so einen leicht abbaubaren biogenen Kohlenwasserstoff ist Isopren Die genaue Reaktionskette ist im Artikel Sommersmog beschrieben Die im Zusammenhang mit der Ozonschicht haufig erwahnten FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe werden durch UV Strahlung gespalten wodurch freie Chlorradikale entstehen die wiederum viele Ozon Molekule zerstoren konnen Bildung BearbeitenOzon entsteht aus gewohnlichem Sauerstoff gemass der Reaktion 12 3 O 2 2 O 3 D H 286 k J m o l displaystyle mathrm 3 O 2 longrightarrow 2 O 3 Delta H 286 mathrm kJ mol wobei DH die molare Reaktionsenthalpie bezeichnet Ozon bildet sich in der Atmosphare vor allem auf drei Arten Energiereiche Sonnenstrahlung spaltet Sauerstoff Molekule in der Stratosphare in zwei einzelne Atome die sich jeweils mit einem weiteren Sauerstoff Molekul zu Ozon vereinigen Dieser Vorgang der Spaltung von Sauerstoff Molekulen durch energiereiche UV C Strahlung mit einer Wellenlange von lt 242 nm wird als Photodissoziation bezeichnet In Erdnahe bildet sich Ozon bei der Reaktion von Stickoxiden z B NO2 mit Sauerstoff O2 unter dem Einfluss von UV Strahlung Trotz Einfuhrung des Motoren Katalysators ist der Strassenverkehr uber den Ausstoss von Schadstoffen indirekt fur diese Form der Ozonbildung in erdnahen Luftschichten vornehmlich Stadten mitverantwortlich 13 14 Bei Gewitter Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden entsteht bei der Blitzentladung Ozon neben Salpetersaure und weiteren Stoffen Raumluftreinigungsgerate Bearbeiten Raumluftozonisator 1960er Jahre Beim Betrieb von Raumluftreinigungsgeraten kann es gezielt oder ungewollt zur Bildung von Ozon kommen So bilden einige Ionisatoren Ozon um geruchlich wahrgenommene Molekule der Umgebungsluft zu spalten und zu eliminieren Allerdings bergen die Abbauprodukte von Nikotin und Zigarettenrauch neben dem Ozon selbst hohe gesundheitliche Risiken so dass z B die Deutsche Lungenstiftung davor warnt den schlechten Geruch verrauchter Raume mit Ozon generierenden Luftreinigern zu beseitigen 15 Die Richtlinie VDI 6022 Blatt 5 Raumlufttechnik Raumluftqualitat Vermeidung allergener Belastungen Anforderung an die Prufung und Bewertung von technischen Geraten und Komponenten mit Einfluss auf die Atemluft empfiehlt daher beim Einsatz von Ionisatoren gegebenenfalls die Ozon Emissionsrate zu bestimmen 16 Ozon kann auch beim Betrieb von elektrostatischen Abscheidern Elektrofiltern die zur Raumluftreinigung eingesetzt werden entstehen 17 Dies ist insbesondere dann der Fall wenn durch die negative Polung der Spruhelektrode eine negative Koronaentladung erzielt wird Deshalb wird in der Regel bei raumlufttechnischen Anlagen von dieser Konstellation abgesehen 18 Ozon kann ebenfalls beim Betrieb von Raumluftreinigungsgeraten entstehen die gezielt nichtthermisches Plasma erzeugen Die Menge des erzeugten Ozons hangt dabei von der Bauart und der Leistungsaufnahme des eingesetzten Gerats ab 19 Fotokopierer Bearbeiten Bei alteren Fotokopierern sowie Laserdruckern kann man einen typischen Ozongeruch wahrnehmen Dieser Geruch ruhrt nur indirekt vom durch die Ionisation der Luft im Gerat gebildeten Ozon her er kommt vielmehr durch Spuren nitroser Gase NOx zustande die durch Reaktion des Ozons mit dem Luftstickstoff gebildet werden Das Funktionsprinzip der Gerate erfordert eine Ionisierung der Luft bei Spannungen von 5 15 kV Meist besitzen die Gerate Ozonfilter die das produzierte Ozon in Kohlendioxid umwandeln Dennoch sollten diese Gerate moglichst nicht in unbelufteten Raumen verwendet werden Moderne Drucker und Fotokopierer arbeiten mit einer Transferrollentechnik welche die Ozonbildung verhindert und die altere Coronadrahttechnik weitestgehend ersetzt hat Gewinnung und Darstellung BearbeitenDarstellung im Labor Bearbeiten Ozon kann aus der Reaktion von Kaliumpermanganat mit konzentrierter Schwefelsaure gewonnen werden Das als Zwischenprodukt entstehende instabile Dimanganheptoxid Mn2O7 zerfallt bei Raumtemperatur zu Mangandioxid und Sauerstoff der reich an Ozon ist Bei der Elektrolyse verdunnter Schwefelsaure ca 20 entwickelt sich an einer Gold oder Platinanode besonders bei hohen Stromdichten Ozon Bei guter Kuhlung lassen sich so 4 5 Ozongehalt im entstehenden Sauerstoff erreichen eine Konzentration die ausreicht um alle Reaktionen des Ozons im praparativen Massstab ausfuhren zu konnen Uber ausgefeilte Apparaturen z B feine Platindrahtwendeln und Kuhlung auf 14 C lassen sich noch erheblich hohere Ozonkonzentrationen erreichen Ozon lasst sich weiterhin aus Luftsauerstoff unter Einwirkung von Ultraviolettstrahlung oder stillen elektrischen Entladungen herstellen Entsprechende als Ozonisatoren bezeichnete Gerate gibt es im Handel 20 Technische Erzeugung Bearbeiten Erzeugung durch Ionisierung von Luft oder Sauerstoff Bearbeiten Elektrophorese Ozonerzeuger Aufgrund seiner Instabilitat kann Ozon nicht uber langere 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 Tragergas eingesetzt In selteneren Fallen wird Sauerstoff mit Argon Kohlenstoffdioxid u a gemischt Im Ozonerzeuger Ozongenerator werden die Sauerstoffmolekule durch stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziiert wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet In Luft bewegen sich typische Endkonzentrationen zwischen einem und funf Prozent Massenanteil in Sauerstoff zwischen sechs und dreizehn Prozent Massenanteil Aus reinem trockenem Sauerstoff konnen bis zu 90 g m 3 aus Luft bei Kuhlung bis zu 40 g m 3 Ozon gewonnen werden Fur 1 kg Ozon aus Sauerstoff im Bereich von 1 6 Gew werden 7 14 kWh Strom und 1 8 m3 h Kuhlwasser verbraucht 21 Die in der Praxis eingesetzten technischen Vorrichtungen konnen auf folgenden Elektrodenkonfigurationen basieren ineinander geschobene Rohren z B metallisch innenbeschichtetes Glasrohr im Stahlrohr parallele Platten drahtumwickelte Elektroden fur Oberflachenentladungen Spitze zu Platte Bei Anlagen mit mehr als 20 kg Ozon pro Stunde werden ublicherweise nur Rohrenozonisatoren eingesetzt In erster Naherung ist die Ozonanreicherung eine Funktion des elektrischen Energieeintrags pro Gasvolumen Zur Optimierung des Wirkungsgrades konnen folgende Parameter variiert werden Elektrodenabstand Elektrodenausrichtung Dielektrikumsmaterial Spitzenspannung und Frequenz Auch durch Uberlagerung eines inhomogenen elektrischen Feldes wahrend des Energieeintrags Dielektrophorese kann das chemische Gleichgewicht welches sich aus Synthese und Zersetzung bei wenigen Gewichtsprozenten einstellt zugunsten des Ozons verschoben werden Obwohl die Ozonbildung aus Sauerstoff unter Warmeabsorption erfolgt sind Ozonerzeugerkessel in industriellen Anwendungen wassergekuhlt da fast 90 Prozent der eingetragenen Energie infolge der hohen Zersetzungsrate wieder abgefuhrt werden mussen Fur den Wirkungsgrad der Ozonsynthese ist die Gastemperatur ein weiterer dominierender Faktor Wegen der hohen Reaktivitat von Ozon sind nur wenige Materialien gegen Ozon bestandig Dazu gehoren Edelstahl z B 316L Glas Polytetrafluorethylen PTFE Perfluoralkoxy Polymere PFA Polyvinylidenfluorid PVDF und Perfluorkautschuk Bedingt bestandig ist Viton das unter Ozon keiner mechanischen Wechselbelastung ausgesetzt werden darf Erzeugung durch Elektrolyse von Wasser Bearbeiten Neben der Darstellung durch Ionisierung von Luftsauerstoff oder reinem Sauerstoff besteht die Moglichkeit Ozon durch Elektrolyse von Wasser herzustellen Hierbei werden meist Blei IV Oxid Anoden verwendet welche durch eine Polyelektrolytmembran von der Kathodenseite getrennt sind An der Anode wird Wasser zu molekularem Sauerstoff oder bei Uberspannung zu Ozon oxidiert Die an der Anode entstehenden Protonen wandern durch die Membran an die Kathode und werden dort zu molekularem Wasserstoff reduziert Das eigentliche Reaktionssystem ist jedoch komplexer Die Ozonausbeute liegt bei der Darstellung durch Wasserelektrolyse bei etwa 20 Zudem entsteht das Ozon direkt in der Losung und muss bei der Nutzung in flussigen Medien nicht erst gelost werden 22 Lagerung Bearbeiten Flussiges Ozon lasst sich in Form einer 30 bis 75 igen Losung in flussigem Sauerstoff bei 183 C in Gegenwart von Stabilisatoren wie CClF3 OF2 SF6 oder andere ohne Explosionsgefahr lagern 23 24 Gasformiges Ozon lasst sich im reinen Zustand keine Verunreinigungen durch organische Verbindungen Schwefel oder bestimmte Metalle bei 112 bis 50 C bei leichtem Uberdruck recht gut lagern 25 26 27 28 Eigenschaften BearbeitenOzon ist bei Standardbedingungen gasformig Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung reizt es bei Menschen und Tieren die Atemwege Es vermag sogar Silber bei Raumtemperatur zu oxidieren Ozonaufnahme kann beim Menschen haufig zu heftigen Schlafenkopfschmerzen fuhren In hohen Konzentrationen riecht das Gas aufgrund der oxidierenden Wirkung auf die Nasenschleimhaut charakteristisch stechend scharf bis chlorahnlich wahrend es in geringen Konzentrationen geruchlos ist Die Geruchsschwelle liegt bei 40 µg m3 allerdings gewohnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr Reines O3 ist eine allotrope Form von Disauerstoff O2 Bei Zimmertemperatur liegt es als instabiles farbloses bis blauliches in hoher Konzentration tiefblaues diamagnetisches Gas vor das bei 110 5 C zu einer tiefblauen Flussigkeit 29 kondensiert und bei 192 5 C 80 K zu einem schwarzvioletten Feststoff 29 erstarrt Das gewinkelte polare Molekul mit einem Dipolmoment von 0 5337 D entspricht 1 780 10 30 C m bleibt im Festkorper erhalten Der O O Abstand betragt 128 pm der Winkel zwischen den drei Sauerstoffatomen betragt 117 Ozon unterhalt die Verbrennung sehr viel starker als Disauerstoff Etliche Materialien flammen schon bei Raumtemperatur bei Kontakt mit reinem Ozon auf Gemische aus reinem Sauerstoff und Ozon ab einem Volumenanteil von 11 5 konnen sich unter Atmospharendruck bei entsprechend hoher Zundenergie explosionsartig zersetzen 30 Durch Beimischung von 1 Methan oder NO2 wird die Zundgrenze auf ca 5 Ozon herabgesetzt 31 Ozon ist ein starkeres Oxidationsmittel als Disauerstoff und in saurer Losung ein sehr starkes Oxidationsmittel Das Standard Elektrodenpotential Eº fur die Halbreaktion O 3 2 H 2 e O 2 H 2 O displaystyle ce O3 2H 2e gt O2 H2O betragt 2 07 V Bei normalen Temperaturen oxidiert Ozon Metalle wie Silber und Quecksilber zu ihren Oxiden Es oxidiert Halogenide zu Halogenen Stickoxide zu hoheren Stickoxiden Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid Eisen II zu Eisen III salzen und Sulfide zu Sulfaten Mit trockenem Kaliumhydroxid reagiert es zu Kaliumozonid Es reagiert mit organischen Stoffen und greift die meisten Arten von Doppelbindungen in ungesattigten Verbindungen wie Olefinen Cycloolefinen Pinenen Aromaten und Polybutadienen an Mit Ethin reagiert es zu Ethinozonid einer cyclischen Verbindung mit drei Sauerstoffatomen 32 Ag O 3 AgO O 2 displaystyle ce Ag O3 gt AgO O2 Hg O 3 HgO O 2 displaystyle ce Hg O3 gt HgO O2 PbS 4 O 3 PbSO 4 4 O 2 displaystyle ce PbS 4 O3 gt PbSO4 4 O2 NO O 3 NO 2 O 2 displaystyle ce NO O3 gt NO2 O2 Ozon zerfallt leicht zu Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators wie Mangandioxid oder anderen Metalloxiden Es zersetzt sich auch in Gegenwart von Chlor oder Brom Diese Zersetzung erfolgt auch langsam nichtkatalytisch bei normalen Temperaturen sowie in wassriger Losung 32 Verwendung BearbeitenOzon in der Wasseraufbereitung Bearbeiten Bei der Wasseraufbereitung dient Ozon unter anderem zur umweltfreundlichen Oxidation von Eisen Mangan organischer Substanz und zur Entkeimung Der erste Ozongenerator zur Trinkwasseraufbereitung wurde 1893 in Oudshoorn Niederlande installiert es folgten Paris Frankreich 1898 das Wasserwerk Schierstein in Wiesbaden 1901 sowie Paderborn 1902 33 34 In diesen beiden deutschen Stadten endete dadurch schlagartig eine Typhus Epidemie 35 Eine Ozonierung gehort in vielen Trinkwasserwerken zu den zentralen Aufbereitungsstufen Oberflachenwasser kann in den warmeren Jahreszeiten hohere Gehalte an Algen enthalten Wird ein derartiges Wasser zu Brauchwasser fur die Verwendung in der Industrie aufbereitet so kann durch eine Hochozonisierung die Reinigungswirkung der Filteranlagen deutlich verbessert werden Ozon totet durch sein hohes Oxidationspotential sowohl Keime wie auch Algen weitgehend ab und verbessert die Abfiltrierbarkeit 36 dieser feindispersen Verunreinigungen und damit die Reinigungswirkung Siehe auch Wasseraufbereitung im Schwimmbad Auch in der Behandlung von kommunalen und industriellen Abwassern kommt Ozon zum Einsatz Klaranlage Die Ozonierung wird dabei der ublichen Abwasserreinigung durch Mikroorganismen zusatzlich nachgeschaltet Allerdings handelt es sich bei Klaranlagen mit Ozonanlagen meist um Pilotprojekte wie zum Beispiel in Regensdorf Watt in der Schweiz denn die Produktion von Ozon in solch grossen Massstaben ist teuer energieaufwandig und die Schutzmassnahmen gegen den giftigen und atzenden Stoff sind erheblich Zurzeit wird diskutiert ob die Abwasserreinigung durch die ungiftige Aktivkohle nicht ungefahrlicher billiger und umweltfreundlicher ist Ziele einer weitergehenden Ozonbehandlung des konventionell gereinigten Abwassers sind a Abtotung pathogener Keime Desinfektion zur Sicherung des Vorfluters z B in Hinsicht auf die Badegewasserrichtlinie b oxidative Elimination Transformation von nicht oder nur schlecht abbaubaren organischen Spurenstoffen insbesondere Medikamentenruckstande Ein Nachteil der Ozonierung ist die Entstehung von unbekannten und moglicherweise giftigen Produkten wenn Ozon mit Schadstoffen im Wasser reagiert So wird die Bildung von krebserregenden Nitrosaminen vermutet Des Weiteren werden einige Schadstoffe zum Beispiel iodhaltige Rontgenkontrastmittel von Ozon praktisch nicht abgebaut Sie gelangen deshalb weiterhin in die Umwelt Ozon kann 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 Fischkreislaufen 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 Ozon in der Abgasbehandlung Bearbeiten Bei der oxidierenden Gaswasche wird Ozon als Oxidationsmittel in Gaswaschern eingesetzt um in der Waschflussigkeit geloste Substanzen chemisch umzusetzen und so das treibende Konzentrationsgefalle zwischen zu reinigendem Gas und Waschflussigkeit zu erhohen 37 Dieses Verfahren findet bei reaktionstragen organischen Stoffen 38 und bei heterogenen Gasgemischen mit haufig geruchsintensiven Stoffen 39 Anwendung Alternativ besteht die Moglichkeit schwer wasserlosliche Verunreinigungen mittels Ozon das in den Abgasstrom geleitet wird in hohere Oxidationsstufen uberzufuhren die dann mit einem Gaswascher entfernt werden konnen 40 Zur Beseitigung von Geruchen Bearbeiten Die Behandlung mit Ozon kann der Desodorierung also der Entfernung von unangenehmen Geruchen dienen Diese Ozonbehandlung wird in der professionellen Fahrzeugaufbereitung vorgenommen insbesondere bei Gebrauchtwagen mit Geruchsbelastung im Innenraum z B ehemalige Raucherfahrzeuge Durch die oxidierende Wirkung des Ozons werden Geruchsstoffe in geruchsneutrale Stoffe umgewandelt Ebenso werden Keime und geruchverursachende Bakterien dabei auch an sonst unzuganglichen Stellen abgetotet Als Ergebnis ist das Fahrzeug nach dieser Behandlung desinfiziert und in der Regel geruchsfrei Waschen und Behandeln von Textilien Bearbeiten Einige moderne Waschmaschinen haben ein Ozonprogramm welches Umgebungsluft nutzt und mittels eines Ozongenerators die Wasche desinfiziert und Geruche eliminiert Auch Waschereien nutzen diese Technik Das Behandeln von Textilien mit Ozon kann dazu genutzt werden ihre Farbung verblassen zu lassen um beispielsweise neue Jeanshosen wie schon getragene und verwaschene aussehen zu lassen vintage 41 42 Ozon als Bleichmittel Bearbeiten Ozon wird in modernen Industrien auch als starkes Bleichmittel eingesetzt es muss jedoch aufgrund seiner chemischen Fluchtigkeit und Instabilitat am besten am Ort der Verwendung hergestellt werden 43 44 Weitere Verwendungen Bearbeiten Ozon wurde z B zur Beschleunigung des Aushartens von Lacken benutzt 10 Fruher und in der Alternativmedizin teilweise noch heute wurde die Ozontherapie in Behandlungsversuchen verschiedener Leiden eingesetzt beispielsweise gegen Diabetes und Krebs Solche Behandlungen zahlen oft zur Quacksalberei und die intravenose Anwendung von Ozon wurde in Deutschland 1984 wegen der moglichen schweren Nebenwirkungen verboten 45 Ozon ist auch ein wichtiges Reagens in der synthetischen Chemie Beispielsweise kann Vanillin aus Eugenol erhalten werden indem man dieses mit Ozon oxidiert Die Ozonolyse die Umsetzung von ungesattigten Verbindungen mit Ozon war jahrzehntelang ein wichtiges Verfahren zur Strukturaufklarung solcher Stoffe Schadwirkungen BearbeitenOzon in der Atemluft Bearbeiten Die EU hat schon seit langerer Zeit Richtwerte fur die Ozonkonzentration festgelegt Keine Gefahr fur 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 Bevolkerung da bei dieser Konzentration die Leistungsfahigkeit empfindlicher Menschen bereits beeintrachtigt werden kann Ab ungefahr 200 µg m3 Ozon konnen Symptome wie Tranenreiz Schleimhautreizungen in Rachen Hals und Bronchien Kopfschmerzen verstarkter Hustenreiz Verschlechterung der Lungenfunktion auftreten Ab einem Ein Stunden Mittelwert von 360 µg m3 werden Warnungen ausgesprochen da ab dieser Konzentration Gefahr fur die menschliche Gesundheit bestehen kann In der Schweiz liegt die Grenze des Ein Stunden Mittelwertes bei 120 µg m3 ca 60 ppb Dieser Wert wird jedoch sehr oft uberschritten 46 47 48 Im Hitzesommer 2018 ist z B in Winterthur der Grenzwert fur Ozon bereits vor Ende Juli mehr als 50 mal uberschritten worden im Vergleich zum Vorjahr mit 39 mal 49 Eine langanhaltende Erhohung der Ozonkonzentration in der Atemluft fuhrt zu einem erhohten Risiko an Atemwegserkrankungen zu sterben 50 Eine 2018 veroffentlichte Studie zeigt einen Zusammenhang zwischen der Exposition mit Ozon sowie Feinstaub und der Alzheimer Krankheit 51 2021 hat die Weltgesundheitsorganisation ihre Luftgute Richtlinie nach unten hin angepasst Die neue Empfehlung bei Ozon liegt bei einem Maximum von 60 100 µg m3 52 Erhohte Immissionswerte treten vor allem im Einflussbereich von Industriegrossraumen und Autobahnen auf Dabei wirken sich meteorologische Effekte stark auf die lokale Bildung und den Transport des Ozons aus so dass raumliche Abhangigkeiten uber mehrere Hundert Kilometer entstehen konnen 11 Bei Hitzewellen nimmt die Konzentration zu da Pflanzen weniger Ozon absorbieren konnen Es wird geschatzt dass dieser Effekt beispielsweise in Grossbritannien wahrend des Hitzesommers 2006 fur 450 zusatzliche Tote verantwortlich war 53 Effekte auf Pflanzen Bearbeiten Verfarbungen bei einem Blatt Ozon hat nachteilige Effekte auf Pflanzen und deren Wachstum So sinken die Konzentrationen von Chlorophyll Carotinoiden und Kohlenhydraten wahrend bei der Aminocyclopropancarbonsaure eine Erhohung eintritt und vermehrt Ethen gebildet wird Es konnte gezeigt werden dass eine erhohte Exposition von Zitruspflanzen gegenuber Ozon Schutzreaktionen gegen oxidativen Stress ausloste 54 Uber langere Zeit anhaltende hohe Ozonbelastungen konnen besonders Laubbaume Straucher und Kulturpflanzen schadigen und deren Wachstum vermindern so dass es zu Ertragseinbussen kommen kann 55 56 57 58 Effekte auf Materialien Bearbeiten Hauptartikel Ozonrissbildung Ozon kann Materialien insbesondere verschiedene Elastomere und Kautschuke schadigen es kann zur Ozonrissbildung kommen Fruher war das Problem vor allem bei Reifen sehr verbreitet Seit etwa den 1950er Jahren werden den Elastomeren Ozonschutzmittel zugesetzt Aufgrund der Praventionsmassnahmen tritt das Problem daher kaum noch auf 59 Messung von Ozon Bearbeiten Ozonometer entworfen von John Smyth 1865 Analyse Einheiten Bearbeiten Ozon Konzentrationen wurden fruher und werden in den USA weiterhin uberwiegend in ppb also Milliardstel Volums Teilchen oder Partialdruck Anteilen und werden SI konform in µg m3 angegeben 1 ppb Ozon entspricht 2 15 µg m3 unter Normalbedingungen 60 Immissionsmessung Bearbeiten Ozon in der Aussenluft kann photometrisch erfasst werden Dazu wird die kontinuierlich angesaugte Probenluft durch eine Messkuvette geleitet die mit monochromatischer Strahlung einer bestimmten Wellenlange beaufschlagt wird Die durchtretende und somit nicht absorbierte Strahlung wird mittels Photodiode oder Photomultiplier gemessen und gibt damit Auskunft uber die Ozonkonzentration in der Luft 61 Dieses Messverfahren beruht auf dem lambert beerschen Gesetz 62 Ein anderes Verfahren zur messtechnischen Erfassung von Ozon in der Aussenluft ist das Kaliumiodid Verfahren In wassriger Losung reagiert Ozon mit Kaliumiodid unter Freisetzung von Iod und Sauerstoff 63 Die Extinktion der Iodlosung ist ein Mass fur die Ozonkonzentration der Probenluft die durch die Kaliumiodidlosung geleitet wurde 64 Das Verfahren ist nicht selektiv bezuglich Ozon Als Absorptionsgefasse sind Muenke Waschflaschen zu verwenden Auch die differenzielle optische Absorptionsspektroskopie DOAS wird zur Ozonmessung eingesetzt 65 66 Untersuchungen zur Qualitatssicherung unterschiedlicher Messmethoden liegen ebenfalls vor 67 Problematisch bei der Immissionsmessung von Ozon ist dass keine haltbaren Prufgase hergestellt werden konnen 68 Zudem ist darauf zu achten dass die eingesetzten Werkstoffe nicht mit dem Ozon reagieren konnen Bioindikation Bearbeiten Wirkungen von Ozon konnen mit Tabakpflanzen systematisch untersucht werden 69 Zur Bioindikation werden die makroskopisch erkennbaren Blattschaden an der Pflanze als Wirkungsmessgrosse herangezogen 70 Literatur BearbeitenDas Ozon In Die Gartenlaube Heft 6 1891 S 99 Volltext Wikisource Dietmar Kunath Ozon In Claus Schaefer Torsten Schroer Hrsg Das grosse Lexikon der Aquaristik Eugen Ulmer Stuttgart 2004 ISBN 3 8001 7497 9 S 734 f Weblinks Bearbeiten Wiktionary Ozon Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Als Luftschadstoff Ozon schadet ozon info ch Ozon Eine Fallstudie Uni Bielefeld chemieunterricht de International Chemical Safety Card ICSC fur Ozone beim National Institute for Occupational Safety and Health NIOSH Messung und Vorhersage Ozon 3 Tage Vorhersage Europa WRF Chem auf der Website des osterreichischen Wetterdienstes ZAMG Umwelt Luftqualitat Aktuelle Informationen uber Ozon Ozonwerte etc Umweltbundesamt Einzelnachweise Bearbeiten A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 91 100 verbesserte und stark erweiterte Auflage Walter de Gruyter Berlin 1985 ISBN 3 11 007511 3 S 535 Eintrag zu OZONE in der CosIng Datenbank der EU Kommission abgerufen am 19 September 2021 a b c d e f g h Eintrag zu Ozon in der GESTIS Stoffdatenbank des IFA abgerufen am 8 Januar 2021 JavaScript erforderlich W Schroter K H Lautenschlager H Bibrack Chemie Fakten und Gesetze 16 Auflage Verlag Buch und Zeit Koln 1992 ISBN 3 8166 0190 1 S 226 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 91 100 verbesserte und stark erweiterte Auflage Walter de Gruyter Berlin 1985 ISBN 3 11 007511 3 S 460 David R Lide Hrsg CRC Handbook of Chemistry and Physics 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differential optical absorption spectroscopy DOAS and UV photometry instruments in Sohar Oman I Environ Monit Assess 187 8 Aug 2015 S 485 PMID 26138853 J A Adame A Notario F Villanueva J Albaladejo Application of cluster analysis to surface ozone NO2 and SO2 daily patterns in an industrial area in Central Southern Spain measured with a DOAS system In Sci Total Environ 429 1 Jul 2012 S 281 291 PMID 22591990 E J Williams F C Fehsenfeld B T Jobson W C Kuster P D Goldan J Stutz W A McClenny Comparison of ultraviolet absorbance chemiluminescence and DOAS instruments for ambient ozone monitoring In Environ Sci Technol 40 Nr 18 15 Sep 2006 S 5755 5762 PMID 17007137 Franz Joseph Dreyhaupt Hrsg VDI Lexikon Umwelttechnik VDI Verlag Dusseldorf 1994 ISBN 3 18 400891 6 S 892 Jutta Kohler Joachim Nittka Michael Aussendorf Ludwig Peichl Langzeitbeobachtung von Immissionswirkungen 30 Jahre Bioindikation in Bayern In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 68 Nr 6 2008 ISSN 0949 8036 S 227 234 VDI 3957 Blatt 6 2003 04 Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen auf Pflanzen Bioindikation Ermittlung und Beurteilung der phytotoxischen Wirkung von Ozon und anderen Photooxidantien Verfahren der standardisierten Tabak Exposition Biological measuring techniques for the determination und evaluation of the effects of air pollutants on plants bioindication Determination and evaluation of the phytotoxic effect of photooxidants Method of the standardised tobacco exposure Beuth Verlag Berlin S 6 Normdaten Sachbegriff GND 4173038 0 OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Ozon amp oldid 216780817, wikipedia, wiki, deutsches

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