Ozon (03)

5.4.2.2.1 Physikalisch-chemische Eigenschaften

Das Auftreten eines Elements in verschiedenen Zustandsformen (Modifikationen) im gleichen Aggregatzustand bezeichnet man als Allotropie. Diese Erscheinung ist bei einer Reihe von Elementen, wie zum Beispiel beim Kohlenstoff, beim Phosphor und beim Schwefel, anzutreffen. Auch Sauerstoff bildet neben seiner normalen Form als 02-Molekul noch eine allotrope Modifikation, die aus dem dreiatomigen Molekul 03 besteht und Ozon (griech. das Duftende) genannt wird.

3 ist ein gewinkeltes Molekul (Bindungswinkel 116,7°) mit zwei gleich langen O-O-Ab – standen. In der Valenzstrich-Schreibweise nach Lewis kann man – unter Beriicksichtigung der Oktettregel – zwei gleichwertige Formeln aufstellen:

Ozon (03)

e

 

0

о

 

eio

 

o, e

 

image58image59

Eine ahnliche Situation tritt auch bei den Stickoxiden NO und NO2 (Кар. 5.5.2) auf. Fur sich betrachtet gibt jede dieser beiden Formeln die experimentelle Realitat nur ungeniigend wieder. Die Bindungen zwischen den O-Atomen sollten laut Formel verschiedene Bin – dungslangen aufweisen, denn eine Doppelbindung zwischen zwei gleichen oder zwei ver – schiedenen Atomen ist immer klirzer, als die entsprechende Einfachbindung. Die experi – mentellen Befunde weisen jedoch, wie bereits betont, auf zwei gleich lange Bindungen im 03-Moleklil hin.

Um dieses scheinbar widerspruchliche Problem zu losen, gibt man beide Formeln an und schreibt, wie obenstehend, einen Doppelpfeil zwischen ihnen. Diese Art der Darstellung bezeichnet man als Mesomerie oder Resonanz, die einzelnen Formeln werden mesomere Grenzformeln oder Grenzstrukturen genannt. Die tatsachliche Elektronenstruktur eines Molekiils ergibt sich als ,,Uberlagerung“ beider Grenzformeln. Es liegt demnach weder eine Einfach – noch eine Doppelbindung, sondem ein mittlerer Bindungsgrad vor. Die jt – Elektronen sind liber beide O-O-Bindungen gleichmaBig delokalisiert. Die endstandigen O- Atome des 03-Moleklils tragen jeweils eine (gleich groBe!) negative und das mittlere O – Atom eine positive Partialladung. Die Partialladungen elektrisch neutraler Molekule miis – sen sich zu null erganzen.

In der Realitat existiert nur eine Sorte von Ozonmolekulen mit einer zugehorigen Elektro­nenstruktur. Es liegt an den begrenzten Ausdrucksmoglichkeiten der Lewis-Formeln, wenn zur Beschreibung der Bindungsverhaltnisse eines Molekiils zwei oder mehrere mesomere Grenzformeln notwendig sind, von denen jede einzelne fur sich ein falsches Bild vermit – telt. Dass sie trotzdem haufig benutzt werden, hat mehrere Griinde. Sie sind einfach und bequem aufzuschreiben. Sie gestatten uns qualitative Aussagen zur Molekulgeometrie und geben uns Auskunft liber die Position von Partialladungen sowie die radikalischen Eigen – schaften eines Molekiils.

Ozon bildet sich bei Einwirkung stiller elektrischer Entladungen auf Sauerstoff, z. B. im Siemensschen Ozonisator. Im ersten Schritt erfolgt die stark endotherme Aufspaltung der 02-Moleklile in atomaren Sauerstoff (Gl. 5-10).

V2O2 — О AH= +247 kJ/mol (5-10)

In einer nachfolgenden exothermen Reaktion lagert sich ein Sauerstoffatom an ein Sauer – stoffmoleklil 02 unter 03-Bildung an (Gl. 5-11).

О + 02 03 AH= -105 kJ/mol (5-11)

Wie die Addition von Gl. (5-10) und (5-11) zeigt, ist der Gesamtprozess der Ozonbildung endotherm (Gl. 5-12).

Als stark endotherme Verbindung neigt Ozon leicht zum Zerfall. Die Spaltung eines Sauer – stoffmolekiils in O-Atome kann auch durch kurzwelliges UV-Licht (k < 242 nm) erfolgen. Deshalb riecht es in der Umgebung von UV-Lampen (Hohensonnen) und Kopierem haufig nach Ozon.

Ozon ist bei Raumtemperatur ein blassblaues Gas mit einem charakteristischen stechenden Geruch, der noch bei einer Konzentration von 0,02 ppm wahmehmbar ist. Durch seine Aggressivitat gegenliber organischen Verbindungen ist es in hoheren Konzentrationen fur Lebewesen toxisch. Es vemichtet niedere Organismen wie Bakterien, Pilze und Viren und schadigt das Blattgrun (s. Кар. 5.5.3.1, Waldschaden). Beim Menschen fuhrt es zu Schadi – gungen der Atemwege und Schleimhaute und ruft Schwindelgeftihle hervor. Der MAK – Wert liegt bei 0,2 mg/m3 (~ 0,1 ppm). Der МАК-Wert (Maximale Arbeitsplatz-Konzen – tration) ist die hochstzulassige Konzentration eines Gases, Dampfes oder Schwebstoffes in der Luft am Arbeitsplatz, bei der die Gesundheit eines Erwachsenen bei einer achtstiindi- gen Exposition pro Tag uber sein gesamtes Arbeitsleben hinweg vermutlich nicht beein – trachtigt wird.

Ozon ist eines der starksten Oxidationsmittel. Sein Oxidationsvermogen iibertrifft das des Sauerstoffs (E°= +1,23 V) deutlich. Wie aus dem Standardpotential (Кар. 7.3.3) zu erse – hen ist, erreicht 03 fast das Oxidationsvermogen des atomaren Sauerstoffs (Gl. 5-13, 5-14).

3 + 2 H30+ + 2 e“ 3H20 + 02 E° =+2,075 V (5-13)

0+2 H30+ + 2 e" — 3H20 E° = +2,42 V (5-14)

(beide Werte in saurer Losung)

Ozon wird aufgrund seiner stark oxidierenden und damit keimtotenden Wirkung zur Luft – verbesserung und -desinfektion sowie zur Entkeimung von Trink – und Schwimmbadwasser eingesetzt.