Ozono - Ozone
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| Nombres | |||
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Nombre IUPAC
Ozono
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Nombre IUPAC sistemático
Trioxígeno |
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| Otros nombres
2λ 4 -trioxidiene; catena -trioxígeno
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| Identificadores | |||
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Modelo 3D ( JSmol )
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| CHEBI | |||
| ChemSpider | |||
| Tarjeta de información ECHA |
100.030.051 
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| Número CE | |||
| 1101 | |||
| Malla | Ozono | ||
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PubChem CID
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| Número RTECS | |||
| UNII | |||
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Tablero CompTox ( EPA )
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| Propiedades | |||
| O 3 | |||
| Masa molar | 47,997 g · mol −1 | ||
| Apariencia | Gas incoloro a azul pálido | ||
| Olor | Acre | ||
| Densidad | 2,144 mg cm −3 (a 0 ° C) | ||
| Punto de fusion | -192,2 ° C; -313,9 ° F; 81,0 K | ||
| Punto de ebullición | −112 ° C; −170 ° F; 161 K | ||
| 1.05 g L −1 (a 0 ° C) | |||
| Solubilidad en otros disolventes. | Muy soluble en CCl 4 , ácido sulfúrico | ||
| Presión de vapor | 55,7 atmósferas (−12,15 ° C o 10,13 ° F o 261,00 K) | ||
| + 6,7 · 10 −6 cm 3 / mol | |||
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Índice de refracción ( n D )
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1.2226 (líquido), 1.00052 (gas, STP, 546 nm — tenga en cuenta la alta dispersión) | ||
| Estructura | |||
| C 2v | |||
| Digonal | |||
| Diedro | |||
| Hibridación | sp 2 para O1 | ||
| 0,53 D | |||
| Termoquímica | |||
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Entropía molar estándar ( S |
238,92 JK −1 mol −1 | ||
| 142,67 kJ mol −1 | |||
| Riesgos | |||
| Pictogramas GHS |
    
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| Palabra de señal GHS | Peligro | ||
| H270 , H314 , H318 | |||
| NFPA 704 (diamante de fuego) | |||
| Dosis o concentración letal (LD, LC): | |||
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LC Lo ( menor publicado )
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12,6 ppm (ratón, 3 h) 50 ppm (humano, 30 min) 36 ppm (conejo, 3 h) 21 ppm (ratón, 3 h) 21,8 ppm (rata, 3 h) 24,8 ppm (cobaya, 3 h) 4,8 ppm (rata, 4 h) |
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| NIOSH (límites de exposición a la salud de EE. UU.): | |||
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PEL (permitido)
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TWA 0,1 ppm (0,2 mg / m 3 ) | ||
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REL (recomendado)
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C 0,1 ppm (0,2 mg / m 3 ) | ||
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IDLH (peligro inmediato)
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5 ppm | ||
| Compuestos relacionados | |||
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Compuestos relacionados
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Dióxido de azufre Trisulfuro Monóxido de disulfuro Ozono cíclico |
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Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
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 verificar ( ¿qué es ?)
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| Referencias de Infobox | |||
Ozono ( / oʊ z oʊ n / ), o trioxygen , es una inorgánico molécula con la fórmula química O
3. Es un gas azul pálido con un olor acre distintivo . Es un alótropo de oxígeno que es mucho menos estable que el alótropo diatómico O
2, descomponiéndose en la atmósfera inferior a O
2( dioxígeno ). El ozono se forma a partir de dioxígeno por la acción de la luz ultravioleta (UV) y las descargas eléctricas dentro de la atmósfera terrestre . Está presente en concentraciones muy bajas a lo largo de este último, con su alta concentración más alta de la capa de ozono de la estratosfera , que absorbe la mayor parte de la Sun radiación ultravioleta 's (UV).
El olor del ozono recuerda al cloro y es detectable por muchas personas en concentraciones tan pequeñas como0,1 ppm en aire. La estructura del O 3 del ozono se determinó en 1865. Más tarde se demostró que la molécula tenía una estructura doblada y era débilmente paramagnética . En condiciones estándar , el ozono es un gas azul pálido que se condensa a temperaturas criogénicas a un líquido azul oscuro y finalmente a un sólido violeta-negro . La inestabilidad del ozono con respecto al dioxígeno más común es tal que tanto el gas concentrado como el ozono líquido pueden descomponerse explosivamente a temperaturas elevadas, golpes físicos o calentamiento rápido hasta el punto de ebullición. Por lo tanto, se usa comercialmente solo en bajas concentraciones.
El ozono es un oxidante poderoso (mucho más que el dioxígeno ) y tiene muchas aplicaciones industriales y de consumo relacionadas con la oxidación. Sin embargo, este mismo alto potencial oxidante hace que el ozono dañe las mucosas y los tejidos respiratorios de los animales, y también los tejidos de las plantas, en concentraciones superiores a aproximadamente0,1 ppm . Si bien esto hace que el ozono sea un potente peligro respiratorio y contaminante cerca del nivel del suelo, una concentración más alta en la capa de ozono (de dos a ocho ppm) es beneficiosa, ya que evita que la luz ultravioleta dañina llegue a la superficie de la Tierra.
Nomenclatura
El nombre trivial ozono es el nombre IUPAC más utilizado y preferido . Los nombres sistemáticos 2? 4 -trioxidiene y catena-trioxygen , válidos IUPAC nombres, se construyen de acuerdo con el sustitutivo y nomenclaturas aditivos, respectivamente. El nombre ozono deriva de ozein (ὄζειν), el verbo griego para olfato, que se refiere al olor distintivo del ozono.
En contextos apropiados, el ozono puede verse como un trioxidano con dos átomos de hidrógeno eliminados y, como tal, el trioxidanilideno puede usarse como un nombre sistemático, de acuerdo con la nomenclatura sustitutiva. Por defecto, estos nombres no tienen en cuenta la radicalidad de la molécula de ozono. En un contexto aún más específico, esto también puede nombrar el estado fundamental singlete no radical, mientras que el estado dirradical se denomina trioxidanediil .
Trioxidanediyl (u ozonide ) se usa, no sistemáticamente, para referirse al grupo sustituyente (-OOO-). Se debe tener cuidado para evitar confundir el nombre del grupo con el nombre específico del contexto para el ozono dado anteriormente.
Historia
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En 1785, el químico holandés Martinus van Marum estaba realizando experimentos con chispas eléctricas por encima del agua cuando notó un olor inusual, que atribuyó a las reacciones eléctricas, sin darse cuenta de que de hecho había creado ozono.
Medio siglo después, Christian Friedrich Schönbein notó el mismo olor acre y lo reconoció como el olor que a menudo sigue a un rayo . En 1839, logró aislar el químico gaseoso y lo llamó "ozono", de la palabra griega ozein ( ὄζειν ) que significa "oler". Por esta razón, a Schönbein generalmente se le atribuye el descubrimiento del ozono. La fórmula del ozono, O 3 , no fue determinada hasta 1865 por Jacques-Louis Soret y confirmada por Schönbein en 1867.
Durante gran parte de la segunda mitad del siglo XIX y hasta bien entrado el XX, los naturalistas y buscadores de salud consideraban el ozono como un componente saludable del medio ambiente. Beaumont , California , tenía como lema oficial "Beaumont: Zona de ozono", como se evidencia en las postales y el membrete de la Cámara de Comercio. Los naturalistas que trabajan al aire libre a menudo consideran que las elevaciones más altas son beneficiosas debido a su contenido de ozono. "Hay una atmósfera bastante diferente [a mayor altitud] con suficiente ozono para mantener la energía necesaria [para trabajar]", escribió el naturalista Henry Henshaw , que trabaja en Hawai. Se consideró que el aire de la playa era saludable debido a su contenido de ozono que se cree; pero el olor que da lugar a esta creencia es de hecho el de los metabolitos halogenados de las algas.
Gran parte del atractivo del ozono parece haber resultado de su olor "fresco", que evocaba asociaciones con propiedades purificantes. Los científicos, sin embargo, notaron sus efectos nocivos. En 1873, James Dewar y John Gray McKendrick documentaron que las ranas se volvían lentas, los pájaros jadeaban por respirar y la sangre de los conejos mostraba niveles reducidos de oxígeno después de la exposición al "aire ozonizado", que "ejercía una acción destructiva". El propio Schönbein informó que se produjeron dolores en el pecho, irritación de las membranas mucosas y dificultad para respirar como resultado de la inhalación de ozono, y que murieron pequeños mamíferos. En 1911, Leonard Hill y Martin Flack declararon en Proceedings of the Royal Society B que los efectos saludables del ozono "se han convertido, por mera iteración, en parte integrante de la creencia común; y sin embargo, hasta ahora se han obtenido pruebas fisiológicas exactas a favor de sus buenos efectos". casi por completo ... El único conocimiento bien comprobado sobre el efecto fisiológico del ozono, obtenido hasta ahora, es que causa irritación y edema de los pulmones y la muerte si se inhala en una concentración relativamente fuerte durante cualquier tiempo.
Durante la Primera Guerra Mundial , el ozono se probó en el Hospital Militar Queen Alexandra de Londres como posible desinfectante de heridas. El gas se aplicó directamente a las heridas durante 15 minutos. Esto resultó en daños tanto a las células bacterianas como al tejido humano. Se consideró que eran preferibles otras técnicas de desinfección, como la irrigación con antisépticos .
Hasta la década de 1920, todavía no se sabía con certeza si pequeñas cantidades de oxozona , O
4, también estuvieron presentes en las muestras de ozono debido a la dificultad de aplicar técnicas de química analítica al químico explosivo concentrado. En 1923, Georg-Maria Schwab (trabajando para su tesis doctoral con Ernst Hermann Riesenfeld ) fue el primero en solidificar con éxito el ozono y realizar un análisis preciso que refutó de manera concluyente la hipótesis de la oxozona. Otras propiedades físicas hasta ahora no medidas del ozono concentrado puro fueron determinadas por el grupo Riesenfeld en la década de 1920.
Propiedades físicas
El ozono es un gas incoloro o azul pálido, ligeramente soluble en agua y mucho más soluble en disolventes no polares inertes como el tetracloruro de carbono o los fluorocarbonos, en los que forma una solución azul. A 161 K (−112 ° C; −170 ° F), se condensa para formar un líquido azul oscuro . Es peligroso permitir que este líquido se caliente hasta su punto de ebullición, porque tanto el ozono gaseoso concentrado como el ozono líquido pueden detonar. A temperaturas por debajo de 80 K (-193,2 ° C; -315,7 ° F), forma un sólido violeta-negro .
La mayoría de las personas pueden detectar alrededor de 0.01 μmol / mol de ozono en el aire donde tiene un olor fuerte muy específico que se parece un poco al blanqueador de cloro . La exposición de 0,1 a 1 μmol / mol produce dolores de cabeza, ardor en los ojos e irritación de las vías respiratorias. Incluso las concentraciones bajas de ozono en el aire son muy destructivas para los materiales orgánicos como el látex, los plásticos y el tejido pulmonar de los animales.
El ozono es débilmente paramagnético .
Estructura
Según la evidencia experimental de la espectroscopia de microondas , el ozono es una molécula doblada, con simetría C 2v (similar a la molécula de agua ). Las distancias O - O son 127.2 pm (1.272 Å ). El ángulo O - O - O es de 116,78 °. El átomo central es sp ² hibridada con un par solitario. El ozono es una molécula polar con un momento dipolar de 0,53 D . La molécula se puede representar como un híbrido de resonancia con dos estructuras contribuyentes, cada una con un enlace simple en un lado y un enlace doble en el otro. La disposición posee un orden de enlace general de 1,5 para ambos lados. Es isoelectrónico con el anión nitrito . El ozono puede estar compuesto por isótopos sustituidos ( 16 O, 17 O, 18 O).
Reacciones
El ozono es uno de los agentes oxidantes más poderosos que se conocen, mucho más fuerte que el O 2 . También es inestable a altas concentraciones y se descompone en oxígeno ordinario. Su vida media varía con las condiciones atmosféricas, como la temperatura, la humedad y el movimiento del aire. En condiciones de laboratorio, la vida media de tiempo (HLT) tendrá un promedio de ~ 1500 minutos (25 horas) en todavía aire a temperatura ambiente (24 ° C), cero humedad con cero cambios de aire por hora (ACH). Como tal, en un entorno doméstico o de oficina típico, donde los cambios de aire por hora varían entre 5 y 8 ACH, el ozono tiene una vida media de tan solo treinta minutos.
- 2 O
3→ 3 O
2
Esta reacción avanza más rápidamente al aumentar la temperatura. La deflagración del ozono puede ser provocada por una chispa y puede ocurrir en concentraciones de ozono del 10 % en peso o más.
El ozono también se puede producir a partir del oxígeno en el ánodo de una celda electroquímica. Esta reacción puede crear cantidades más pequeñas de ozono con fines de investigación.
-
O
3(g) + 2H + + 2e - ⇌ O
2(g) + H
2O E ° = 2.075V
Esto se puede observar como una reacción no deseada en un aparato de gas Hoffman durante la electrólisis del agua cuando el voltaje se establece por encima del voltaje necesario.
Con metales
El ozono oxida la mayoría de los metales (excepto el oro , el platino y el iridio ) a óxidos de los metales en su estado de oxidación más alto . Por ejemplo:
-
Cu + O
3→ CuO + O
2
-
Ag + O
3→ AgO + O
2
Con compuestos de nitrógeno y carbono
El ozono también oxida el óxido nítrico a dióxido de nitrógeno :
- NO + O
3→ NO
2+ O
2
Esta reacción va acompañada de quimioluminiscencia . El NO
2se puede oxidar más a radical nitrato :
-
NO
2+ O
3→ NO
3+ O
2
El NO
3formado puede reaccionar con NO
2para formar N
2O
5.
El perclorato de nitronio sólido se puede fabricar a partir de NO 2 , ClO 2 y O
3 gases:
-
NO
2+ ClO
2+ 2 O
3→ NO
2ClO
4+ 2 O
2
El ozono no reacciona con las sales de amonio , pero oxida el amoníaco a nitrato de amonio :
- 2 NH
3+ 4 O
3→ NH
4NO
3+ 4 O
2+ H
2O
El ozono reacciona con el carbono para formar dióxido de carbono , incluso a temperatura ambiente:
- C + 2 O
3→ CO
2+ 2 O
2
Con compuestos de azufre
El ozono oxida los sulfuros a sulfatos . Por ejemplo, el sulfuro de plomo (II) se oxida a sulfato de plomo (II) :
- PbS + 4 O 3 → PbSO 4 + 4 O 2
El ácido sulfúrico se puede producir a partir de ozono, agua y azufre elemental o dióxido de azufre :
- S + H 2 O + O 3 → H 2 SO 4
- 3 SO 2 + 3 H 2 O + O 3 → 3 H 2 SO 4
En la fase gaseosa , el ozono reacciona con el sulfuro de hidrógeno para formar dióxido de azufre:
- H 2 S + O 3 → SO 2 + H 2 O
En una solución acuosa, sin embargo, ocurren dos reacciones simultáneas en competencia, una para producir azufre elemental y otra para producir ácido sulfúrico :
- H 2 S + O 3 → S + O 2 + H 2 O
- 3 H 2 S + 4 O 3 → 3 H 2 SO 4
Con alquenos y alquinos
Los alquenos pueden ser escindidos oxidativamente por el ozono, en un proceso llamado ozonólisis , dando alcoholes, aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos, dependiendo del segundo paso del tratamiento.
El ozono también puede escindir los alquinos para formar un anhídrido de ácido o un producto de dicetona . Si la reacción se realiza en presencia de agua, el anhídrido se hidroliza para dar dos ácidos carboxílicos .
Por lo general, la ozonólisis se lleva a cabo en una solución de diclorometano , a una temperatura de -78 ° C. Después de una secuencia de escisión y reordenamiento, se forma un ozonido orgánico. Con tratamiento reductor (por ejemplo, zinc en ácido acético o sulfuro de dimetilo ), se formarán cetonas y aldehídos, con tratamiento oxidativo (por ejemplo, peróxido de hidrógeno acuoso o alcohólico ), se formarán ácidos carboxílicos.
Otros sustratos
Los tres átomos de ozono también pueden reaccionar, como en la reacción del cloruro de estaño (II) con ácido clorhídrico y ozono:
El perclorato de yodo se puede preparar tratando el yodo disuelto en ácido perclórico anhidro frío con ozono:
El ozono también podría reaccionar con el yoduro de potasio para dar oxígeno y gas de yodo:
Combustión
El ozono puede ser utilizado para combustión reacciones y gases combustibles; el ozono proporciona temperaturas más altas que la combustión en dioxígeno (O 2 ). La siguiente es una reacción para la combustión del subnitruro de carbono que también puede causar temperaturas más altas:
- 3 C
4norte
2+ 4 O
3→ 12 CO + 3 N
2
El ozono puede reaccionar a temperaturas criogénicas. A 77 K (-196,2 ° C; -321,1 ° F), el hidrógeno atómico reacciona con el ozono líquido para formar un radical superóxido de hidrógeno , que se dimeriza :
- H + O
3→ HO 2 + O - 2 HO 2 → H
2O
4
Descomposición de ozono
Tipos de descomposición del ozono
El ozono es una sustancia tóxica que se encuentra o genera habitualmente en el medio humano (cabinas de aviones, oficinas con fotocopiadoras, impresoras láser, esterilizadores…) y su descomposición catalítica es muy importante para reducir la contaminación. Este tipo de descomposición es el más utilizado, especialmente con catalizadores sólidos, y tiene muchas ventajas como una mayor conversión con una temperatura más baja. Además, el producto y el catalizador se pueden separar instantáneamente, y de esta manera el catalizador se puede recuperar fácilmente sin utilizar ninguna operación de separación. Además, los materiales más utilizados en la descomposición catalítica del ozono en fase gaseosa son metales nobles como Pt, Rh o Pd y metales de transición como Mn, Co, Cu, Fe, Ni o Ag.
Hay otras dos posibilidades para la descomposición del ozono en fase gaseosa:
El primero es una descomposición térmica donde el ozono se puede descomponer usando solo la acción del calor. El problema es que este tipo de descomposición es muy lenta con temperaturas inferiores a 250 ° C. Sin embargo, la velocidad de descomposición se puede incrementar trabajando con temperaturas más altas, pero esto implicaría un alto costo de energía.
El segundo es una descomposición fotoquímica, que consiste en irradiar ozono con radiación ultravioleta (UV) y da lugar a oxígeno y peróxido de radicales.
Cinética de la descomposición del ozono en oxígeno molecular.
El proceso de descomposición del ozono es una reacción compleja que involucra dos reacciones elementales que finalmente conducen al oxígeno molecular, y esto significa que el orden de reacción y la ley de velocidad no se pueden determinar mediante la estequiometría de la ecuación ajustada.
Reacción general: 2 O 3 → 3 O 2
Ley de tasa (observada): V = K · [O 3 ] 2 · [O 2 ] −1
Se ha determinado que la descomposición del ozono sigue una cinética de primer orden, y a partir de la ley de velocidad anterior se puede determinar que el orden parcial con respecto al oxígeno molecular es -1 y con respecto al ozono es 2, por lo tanto el orden de reacción global es 1.
La descomposición del ozono consta de dos pasos elementales: El primero corresponde a una reacción unimolecular porque una única molécula de ozono se descompone en dos productos (oxígeno molecular y oxígeno). Entonces, el oxígeno del primer paso es un intermedio porque participa como reactivo en el segundo paso, que es una reacción bimolecular porque hay dos reactivos diferentes (ozono y oxígeno) que dan lugar a un producto, que corresponde al oxígeno molecular. en la fase gaseosa.
Paso 1: Reacción unimolecular O 3 → O 2 + O
Paso 2: Reacción bimolecular O 3 + O → 2 O 2
Estos dos pasos tienen diferentes velocidades de reacción, el primero es reversible y más rápido que la segunda reacción, que es más lenta, por lo que esto significa que el paso determinante es la segunda reacción y esta se utiliza para determinar la velocidad de reacción observada. Las leyes de la velocidad de reacción para cada paso son las siguientes:
V 1 = K 1 · [O 3 ] V 2 = K 2 · [O] · [O 3 ]
El siguiente mecanismo permite explicar la ley de la velocidad de descomposición del ozono observada experimentalmente, y también permite determinar los órdenes de reacción con respecto al ozono y al oxígeno, con lo cual se determinará el orden de reacción global. El paso más lento, la reacción bimolecular, es el que determina la velocidad de formación del producto, y considerando que este paso da lugar a dos moléculas de oxígeno, la ley de velocidad tiene esta forma:
V = 2 K 2 · [O] · [O 3 ]
Sin embargo, esta ecuación depende de la concentración de oxígeno (intermedio), que se puede determinar considerando el primer paso. Dado que el primer paso es más rápido y reversible y el segundo paso es más lento, los reactivos y productos del primer paso están en equilibrio, por lo que la concentración del intermedio se puede determinar de la siguiente manera:
![{\ Displaystyle K_ {1} = {K_ {1} \ over K _ {- 1}} = {[O_ {2}] \ cdot [O] \ over [O_ {3}]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/790e2ee894cf7ce231dd072be28e6e51e8340ac6)
![{\ Displaystyle [O] = {K_ {1} \ cdot [O_ {3}] \ over K _ {- 1} \ cdot [O_ {2}]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e2379ad127a03a4bf3ca94183a20b5fa3fc00e11)
Luego, usando estas ecuaciones, la tasa de formación de oxígeno molecular es la que se muestra a continuación:
![{\ Displaystyle V = {2K_ {2} \ cdot K_ {1} \ cdot [O_ {3}] ^ {2} \ over K _ {- 1} \ cdot [O_ {2}]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d1395af6c802f7969c8c5d37d0a2a5cc4b9cd371)
Finalmente, el mecanismo presentado permite establecer la tasa observada experimentalmente, con una constante de tasa (K obs ) y correspondiente a una cinética de primer orden, de la siguiente manera:
![{\ Displaystyle V = {K_ {obs} \ cdot [O_ {3}] ^ {2} \ over [O_ {2}]} = K_ {obs} \ cdot [O_ {3}] ^ {2} \ cdot [O_ {2}] ^ {- 1}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/66b7f62c5f8599754ba525ce4adf754150878cf8)
dónde
Reducción a ozonidos
La reducción del ozono da el anión ozonido , O-
3. Los derivados de este anión son explosivos y deben almacenarse a temperaturas criogénicas. Se conocen ozonidos para todos los metales alcalinos . KO 3 , RbO 3 y CsO 3 se pueden preparar a partir de sus respectivos superóxidos:
- KO 2 + O 3 → KO 3 + O 2
Aunque el KO 3 se puede formar como antes, también se puede formar a partir de hidróxido de potasio y ozono:
- 2 KOH + 5 O 3 → 2 KO 3 + 5 O 2 + H 2 O
El NaO 3 y el LiO 3 deben prepararse mediante la acción del CsO 3 en el NH 3 líquido sobre una resina de intercambio iónico que contenga iones Na + o Li + :
- CsO 3 + Na + → Cs + + NaO 3
Una solución de calcio en amoníaco reacciona con el ozono para dar ozonuro de amonio y no ozonuro de calcio:
- 3 Ca + 10 NH 3 + 6 O
3→ Ca · 6NH 3 + Ca (OH) 2 + Ca (NO 3 ) 2 + 2 NH 4 O 3 + 2 O 2 + H 2
Aplicaciones
El ozono se puede utilizar para eliminar el hierro y el manganeso del agua , formando un precipitado que se puede filtrar:
- 2 Fe 2+ + O 3 + 5 H 2 O → 2 Fe (OH) 3 (s) + O 2 + 4 H +
- 2 Mn 2+ + 2 O 3 + 4 H 2 O → 2 MnO (OH) 2 (s) + 2 O 2 + 4 H +
El ozono también oxidará el sulfuro de hidrógeno disuelto en agua a ácido sulfuroso :
- 3 O
3+ H 2 S → H 2 SO 3 + 3 O 2
Estas tres reacciones son fundamentales en el uso del tratamiento de agua de pozo a base de ozono.
El ozono también desintoxicará los cianuros convirtiéndolos en cianatos .
- CN - + O 3 → CNO-
+ O 2
El ozono también descompondrá completamente la urea :
- (NH 2 ) 2 CO + O 3 → N 2 + CO 2 + 2 H 2 O
Propiedades espectroscópicas
El ozono es una molécula triatómica doblada con tres modos vibratorios: el estiramiento simétrico (1103.157 cm -1 ), el doblado (701.42 cm -1 ) y el estiramiento antisimétrico (1042.096 cm -1 ). El estiramiento y la curvatura simétricos son absorbentes débiles, pero el estiramiento antisimétrico es fuerte y es responsable de que el ozono sea un gas de efecto invernadero menor importante . Esta banda de infrarrojos también se utiliza para detectar el ozono ambiental y atmosférico, aunque las mediciones basadas en rayos ultravioleta son más comunes.
El espectro electromagnético del ozono es bastante complejo. Se puede ver una descripción general en el Atlas espectral de moléculas gaseosas de interés atmosférico de MPI Mainz UV / VIS.
Todas las bandas son disociativas, lo que significa que la molécula se deshace en O + O 2 después de absorber un fotón. La absorción más importante es la banda de Hartley, que se extiende desde ligeramente por encima de 300 nm hasta ligeramente por encima de 200 nm. Es esta banda la responsable de absorber los rayos UV C en la estratosfera.
En el lado de la longitud de onda alta, la banda de Hartley pasa a la denominada banda de Huggins, que cae rápidamente hasta desaparecer en ~ 360 nm. Por encima de 400 nm, extendiéndose bien hacia el interior del NIR, se encuentran las bandas de Chappius y Wulf. Allí, las bandas de absorción no estructuradas son útiles para detectar altas concentraciones ambientales de ozono, pero son tan débiles que no tienen mucho efecto práctico.
Hay bandas de absorción adicionales en el UV lejano, que aumentan lentamente desde 200 nm hasta alcanzar un máximo a ~ 120 nm.
Ozono en la atmósfera terrestre
La forma estándar de expresar los niveles totales de ozono (la cantidad de ozono en una columna vertical determinada) en la atmósfera es mediante el uso de unidades Dobson . Las mediciones puntuales se informan como fracciones molares en nmol / mol (partes por mil millones, ppb) o como concentraciones en μg / m 3 . El estudio de la concentración de ozono en la atmósfera se inició en la década de 1920.
Capa de ozono
Ubicación y producción
Los niveles más altos de ozono en la atmósfera se encuentran en la estratosfera , en una región también conocida como capa de ozono entre aproximadamente 10 km y 50 km sobre la superficie (o entre aproximadamente 6 y 31 millas). Sin embargo, incluso en esta "capa", las concentraciones de ozono son sólo de dos a ocho partes por millón, por lo que la mayor parte del oxígeno que hay es dioxígeno, O 2 , a unas 210.000 partes por millón en volumen.
El ozono en la estratosfera se produce principalmente a partir de rayos ultravioleta de onda corta entre 240 y 160 nm. El oxígeno comienza a absorberse débilmente a 240 nm en las bandas de Herzberg, pero la mayor parte del oxígeno se disocia por absorción en las bandas fuertes de Schumann-Runge entre 200 y 160 nm donde el ozono no absorbe. Si bien la luz de longitud de onda más corta, que se extiende incluso hasta el límite de los rayos X, es lo suficientemente enérgica como para disociar el oxígeno molecular, hay relativamente poco y la fuerte emisión solar en Lyman-alfa, 121 nm, cae en un punto donde el oxígeno molecular la absorción es mínima.
El proceso de creación y destrucción del ozono se llama ciclo de Chapman y comienza con la fotólisis del oxígeno molecular.
![{\ displaystyle {\ ce {O2 -> [{\ ce {fotón}}] [({\ ce {radiación}} \ \ lambda \ <\ 240 \ {\ ce {nm}})] 2O}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/22c15c0d1b053ba02c27ceed129794d2cb91dd2a)
seguido de la reacción del átomo de oxígeno con otra molécula de oxígeno para formar ozono.
- O + O
2+ M → O
3 + M
donde "M" denota el tercer cuerpo que se lleva el exceso de energía de la reacción. La molécula de ozono puede absorber un fotón UV-C y disociarse
-
O
3→ O + O
2 + energía cinética
El exceso de energía cinética calienta la estratosfera cuando los átomos de O y el oxígeno molecular se separan y chocan con otras moléculas. Esta conversión de luz ultravioleta en energía cinética calienta la estratosfera. Los átomos de oxígeno producidos en la fotólisis del ozono luego reaccionan con otra molécula de oxígeno como en el paso anterior para formar más ozono. En la atmósfera clara, con solo nitrógeno y oxígeno, el ozono puede reaccionar con el oxígeno atómico para formar dos moléculas de O 2.
-
O
3+ O → 2 O
2
Se puede encontrar una estimación de la velocidad de este paso de terminación al ciclo del oxígeno atómico de regreso al ozono simplemente tomando las proporciones de la concentración de O 2 a O 3 . La reacción de terminación es catalizada por la presencia de ciertos radicales libres, de los cuales los más importantes son el hidroxilo (OH), el óxido nítrico (NO) y el cloro atómico (Cl) y bromo (Br). En la segunda mitad del siglo XX, se descubrió que la cantidad de ozono en la estratosfera estaba disminuyendo, principalmente debido al aumento de las concentraciones de clorofluorocarbonos (CFC) y moléculas orgánicas cloradas y bromadas similares . La preocupación por los efectos en la salud de la disminución llevó al Protocolo de Montreal de 1987 , la prohibición de la producción de muchas sustancias químicas que agotan la capa de ozono y, en la primera y segunda década del siglo XXI, el comienzo de la recuperación de las concentraciones de ozono estratosférico.
Importancia para la vida que habita en la superficie de la Tierra
El ozono en la capa de ozono filtra las longitudes de onda de la luz solar desde aproximadamente 200 nm de rayos UV hasta 315 nm, con un pico de absorción de ozono de aproximadamente 250 nm. Esta absorción de UV de ozono es importante para la vida, ya que extiende la absorción de UV por el oxígeno y el nitrógeno ordinarios en el aire (que absorben todas las longitudes de onda <200 nm) a través del UV-C inferior (200-280 nm) y todo el UV-B. banda (280-315 nm). La pequeña parte no absorbida que queda de UV-B después del paso a través del ozono causa quemaduras solares en humanos y daño directo al ADN en tejidos vivos tanto en plantas como en animales. El efecto del ozono sobre los rayos UV-B de rango medio se ilustra por su efecto sobre los rayos UV-B a 290 nm, que tiene una intensidad de radiación 350 millones de veces más potente en la parte superior de la atmósfera que en la superficie. Sin embargo, una cantidad suficiente de radiación UV-B a una frecuencia similar llega al suelo como para causar algunas quemaduras solares, y estas mismas longitudes de onda también se encuentran entre las responsables de la producción de vitamina D en los seres humanos.
La capa de ozono tiene poco efecto sobre las longitudes de onda UV más largas llamadas UV-A (315–400 nm), pero esta radiación no causa quemaduras solares ni daño directo al ADN, y aunque probablemente cause daño a la piel a largo plazo en ciertos seres humanos, sí no es tan peligroso para las plantas y para la salud de los organismos que viven en la superficie de la Tierra en general (consulte ultravioleta para obtener más información sobre el ultravioleta cercano).
Ozono de bajo nivel
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El ozono de bajo nivel (u ozono troposférico) es un contaminante atmosférico. No es emitido directamente por los motores de los automóviles ni por las operaciones industriales, sino que se forma por la reacción de la luz solar en el aire que contiene hidrocarburos y óxidos de nitrógeno que reaccionan para formar ozono directamente en la fuente de contaminación o muchos kilómetros a favor del viento.
El ozono reacciona directamente con algunos hidrocarburos, como los aldehídos, y así comienza su eliminación del aire, pero los productos son en sí mismos componentes clave del smog . La fotólisis del ozono por luz ultravioleta conduce a la producción del radical hidroxilo HO • y éste juega un papel en la remoción de hidrocarburos del aire, pero también es el primer paso en la creación de componentes del smog como los nitratos de peroxiacilo , que pueden ser poderosos. irritantes para los ojos. La vida atmosférica del ozono troposférico es de unos 22 días; sus principales mecanismos de eliminación están siendo depositados al suelo, dando la reacción antes mencionada HO •, y por reacciones con OH y el radical peroxi HO 2 •.
Existe evidencia de una reducción significativa en los rendimientos agrícolas debido al aumento del ozono a nivel del suelo y la contaminación que interfiere con la fotosíntesis y detiene el crecimiento general de algunas especies de plantas. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos propone una regulación secundaria para reducir el daño a los cultivos, además de la regulación primaria diseñada para la protección de la salud humana.
Ozono de bajo nivel en áreas urbanas
Algunos ejemplos de ciudades con lecturas de ozono elevadas son Denver, Colorado ; Houston, Texas ; y Ciudad de México , México . Houston tiene una lectura de alrededor de 41 nmol / mol, mientras que la Ciudad de México es mucho más peligrosa, con una lectura de alrededor de 125 nmol / mol.
El ozono de bajo nivel, u ozono troposférico, es el tipo de contaminación por ozono más preocupante en las áreas urbanas y está aumentando en general. La contaminación por ozono en las áreas urbanas afecta a poblaciones más densas y se ve agravada por una gran cantidad de vehículos, que emiten contaminantes NO 2 y COV , los principales contribuyentes a los niveles problemáticos de ozono. La contaminación por ozono en las áreas urbanas es especialmente preocupante con el aumento de las temperaturas, lo que aumenta la mortalidad relacionada con el calor durante las olas de calor. Durante las olas de calor en las áreas urbanas, la contaminación por ozono a nivel del suelo puede ser un 20% más alta de lo habitual. La contaminación por ozono en las áreas urbanas alcanza niveles más altos de excedencia en verano y otoño, lo que puede explicarse por patrones climáticos y patrones de tráfico. Es necesario realizar más investigaciones específicamente sobre qué poblaciones de las zonas urbanas se ven más afectadas por el ozono, ya que las personas de color y las personas que viven en la pobreza se ven más afectadas por la contaminación en general, aunque es menos probable que estas poblaciones contribuyan a los niveles de contaminación.
Como se mencionó anteriormente, Denver, Colorado, es una de las muchas ciudades de los Estados Unidos que tienen altas cantidades de ozono. Según la Asociación Estadounidense del Pulmón, el área de Denver-Aurora es la decimocuarta área más contaminada con ozono en los Estados Unidos. El problema de los niveles altos de ozono no es nuevo en esta área. En 2004, "la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Designó a Denver Metro / North Front Range (Adams, Arapahoe, Boulder, Broomfield, Denver, Douglas, Jefferson y partes de los condados de Larimer y Weld) como incumplimiento de la norma de ozono de 8 horas de 1997 ", pero luego pospuso este estado de incumplimiento hasta 2007. El estándar de incumplimiento indica que un área no cumple con los estándares de calidad del aire de la EPA. El Plan de Acción del Ozono de Colorado se creó en respuesta, y se implementaron numerosos cambios a partir de este plan. El primer cambio importante fue que las pruebas de emisiones de automóviles se expandieron en todo el estado a más condados que anteriormente no exigían pruebas de emisiones, como áreas de los condados de Larimer y Weld. También se han realizado cambios para disminuir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y compuestos orgánicos volátiles (COV), que deberían ayudar a reducir los niveles de ozono.
Un gran contribuyente a los altos niveles de ozono en el área es la industria del petróleo y el gas natural ubicada en la Cuenca Denver-Julesburg (DJB) que se superpone con la mayoría de las áreas metropolitanas de Colorado. El ozono se crea naturalmente en la estratosfera de la Tierra, pero también se crea en la troposfera a partir de los esfuerzos humanos. Mencionado brevemente anteriormente, los NOx y los COV reaccionan con la luz solar para crear ozono a través de un proceso llamado fotoquímica. Los eventos de ozono elevado de una hora (<75 ppb) "ocurren durante junio-agosto, lo que indica que los niveles elevados de ozono son impulsados por la fotoquímica regional". Según un artículo de la Universidad de Colorado-Boulder, "Las emisiones de COV de petróleo y gas natural tienen un papel importante en la producción de ozono y tienen el potencial de contribuir a los niveles elevados de O 3 en el Northern Colorado Front Range (NCFR)". Utilizando análisis complejos para investigar patrones de viento y emisiones de grandes operaciones de petróleo y gas natural, los autores concluyeron que "los niveles elevados de O 3 en el NCFR están predominantemente correlacionados con el transporte aéreo desde N– ESE, que son los sectores en contra del viento donde las operaciones de O&NG en el área Wattenberg Field de la DJB se encuentran ".
Contenidos en el Plan de Acción de Ozono de Colorado, creado en 2008, existen planes para evaluar "controles de emisión para grandes fuentes industriales de NOx" y "requisitos de control a nivel estatal para nuevos tanques de condensado de petróleo y gas y válvulas neumáticas". En 2011, se publicó el Plan Regional de Haze que incluía un plan más específico para ayudar a reducir las emisiones de NOx. Estos esfuerzos son cada vez más difíciles de implementar y tardarán muchos años en realizarse. Por supuesto, también hay otras razones por las que los niveles de ozono siguen siendo altos. Estos incluyen: una población en crecimiento que significa más emisiones de automóviles y las montañas a lo largo del NCFR que pueden atrapar las emisiones. Si está interesado, puede encontrar lecturas diarias de la calidad del aire en el sitio web del Departamento de Salud Pública y Medio Ambiente de Colorado. Como se señaló anteriormente, Denver continúa experimentando altos niveles de ozono hasta el día de hoy. Se necesitarán muchos años y un enfoque de pensamiento sistémico para combatir este problema de altos niveles de ozono en el Front Range de Colorado.
Agrietamiento de ozono
El gas ozono ataca a cualquier polímero que posea enlaces olefínicos o dobles dentro de su estructura de cadena, como caucho natural , caucho de nitrilo y caucho de estireno-butadieno . Los productos fabricados con estos polímeros son especialmente susceptibles al ataque, lo que hace que las grietas crezcan más y más profundas con el tiempo; la tasa de crecimiento de las grietas depende de la carga transportada por el componente de caucho y la concentración de ozono en la atmósfera. Dichos materiales se pueden proteger agregando antiozonantes , como ceras, que se adhieren a la superficie para crear una película protectora o se mezclan con el material y brindan protección a largo plazo. El agrietamiento por ozono solía ser un problema grave en los neumáticos de los automóviles, por ejemplo, pero no es un problema con los neumáticos modernos. Por otro lado, muchos productos críticos, como juntas y juntas tóricas , pueden ser atacados por el ozono producido dentro de los sistemas de aire comprimido. Las líneas de combustible hechas de caucho reforzado también son susceptibles de ser atacadas, especialmente dentro del compartimiento del motor, donde los componentes eléctricos producen algo de ozono. El almacenamiento de productos de caucho cerca de un motor eléctrico de CC puede acelerar el agrietamiento por ozono. El conmutador del motor genera chispas que a su vez producen ozono.
El ozono como gas de efecto invernadero
Aunque el ozono estaba presente a nivel del suelo antes de la Revolución Industrial , las concentraciones máximas son ahora mucho más altas que los niveles preindustriales, e incluso las concentraciones de fondo lejos de las fuentes de contaminación son sustancialmente más altas. El ozono actúa como un gas de efecto invernadero , absorbiendo parte de la energía infrarroja emitida por la tierra. Cuantificar la potencia del ozono como gas de efecto invernadero es difícil porque no está presente en concentraciones uniformes en todo el mundo. Sin embargo, las evaluaciones científicas más ampliamente aceptadas relacionadas con el cambio climático (por ejemplo, el tercer informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático ) sugieren que el forzamiento radiativo del ozono troposférico es aproximadamente un 25% del del dióxido de carbono .
El potencial de calentamiento global anual del ozono troposférico es de entre 918 y 1022 toneladas equivalentes de dióxido de carbono / toneladas de ozono troposférico. Esto significa que, por molécula, el ozono en la troposfera tiene un efecto de forzamiento radiativo aproximadamente 1.000 veces más fuerte que el dióxido de carbono . Sin embargo, el ozono troposférico es un gas de efecto invernadero de corta duración , que se desintegra en la atmósfera mucho más rápidamente que el dióxido de carbono . Esto significa que en un lapso de 20 años, el potencial de calentamiento global del ozono troposférico es mucho menor, aproximadamente 62 a 69 toneladas de dióxido de carbono equivalente / tonelada de ozono troposférico.
Debido a su naturaleza de corta duración, el ozono troposférico no tiene efectos globales fuertes, pero tiene efectos de forzamiento radiativo muy fuertes a escalas regionales. De hecho, hay regiones del mundo donde el ozono troposférico tiene un forzamiento radiativo de hasta el 150% del dióxido de carbono .
Efectos en la salud
Durante las últimas décadas, los científicos estudiaron los efectos de la exposición aguda y crónica al ozono en la salud humana. Cientos de estudios sugieren que el ozono es dañino para las personas en los niveles que se encuentran actualmente en las áreas urbanas. Se ha demostrado que el ozono afecta el sistema nervioso central, cardiovascular y respiratorio. También se ha demostrado que la muerte prematura y los problemas en la salud reproductiva y el desarrollo están asociados con la exposición al ozono.
Poblaciones vulnerables
La American Lung Association ha identificado cinco poblaciones que son especialmente vulnerables a los efectos de respirar ozono:
- Niños y adolescentes
- Personas de 65 años o más
- Personas que trabajan o hacen ejercicio al aire libre.
- Personas con enfermedades pulmonares existentes, como asma y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (también conocida como EPOC, que incluye enfisema y bronquitis crónica)
- Personas con enfermedad cardiovascular
Evidencia adicional sugiere que las mujeres, las personas con obesidad y las poblaciones de bajos ingresos también pueden enfrentar un mayor riesgo de ozono, aunque se necesita más investigación.
Exposición aguda al ozono
La exposición aguda al ozono varía desde horas hasta algunos días. Debido a que el ozono es un gas, afecta directamente a los pulmones y a todo el sistema respiratorio. El ozono inhalado causa inflamación y cambios agudos, pero reversibles, en la función pulmonar, así como hiperreactividad de las vías respiratorias. Estos cambios provocan dificultad para respirar, sibilancias y tos que pueden exacerbar las enfermedades pulmonares, como el asma o la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), lo que hace que sea necesario recibir tratamiento médico. Se ha demostrado que la exposición aguda y crónica al ozono aumenta el riesgo de infecciones respiratorias debido al siguiente mecanismo.
Se han realizado múltiples estudios para determinar el mecanismo detrás de los efectos dañinos del ozono, particularmente en los pulmones. Estos estudios han demostrado que la exposición al ozono provoca cambios en la respuesta inmune dentro del tejido pulmonar, lo que resulta en la interrupción de la respuesta inmune innata y adaptativa, además de alterar la función protectora de las células epiteliales pulmonares. Se cree que estos cambios en la respuesta inmunitaria y la respuesta inflamatoria relacionada son factores que probablemente contribuyan al aumento del riesgo de infecciones pulmonares y al empeoramiento o desencadenamiento del asma y las vías respiratorias reactivas después de la exposición a la contaminación por ozono a nivel del suelo.
El sistema inmunológico innato (celular) consta de varias señales químicas y tipos de células que actúan ampliamente y contra múltiples tipos de patógenos, generalmente bacterias o cuerpos / sustancias extraños en el huésped. Las células del sistema innato incluyen fagocitos, neutrófilos, y se cree que ambos contribuyen al mecanismo de la patología del ozono en los pulmones, ya que se ha demostrado que el funcionamiento de estos tipos de células cambia después de la exposición al ozono. Se ha demostrado que los macrófagos, células que sirven para eliminar patógenos o material extraño a través del proceso de "fagocitosis", cambian el nivel de señales inflamatorias que liberan en respuesta al ozono, ya sea regulando al alza y dando como resultado una respuesta inflamatoria en el pulmón, o regulando a la baja y reduciendo la protección inmunológica. Los neutrófilos, otro tipo de célula importante del sistema inmunológico innato que ataca principalmente a los patógenos bacterianos, se encuentran presentes en las vías respiratorias dentro de las 6 horas posteriores a la exposición a niveles altos de ozono. Sin embargo, a pesar de los altos niveles en los tejidos pulmonares, su capacidad para eliminar las bacterias parece afectada por la exposición al ozono.
El sistema inmunológico adaptativo es la rama de la inmunidad que proporciona protección a largo plazo a través del desarrollo de anticuerpos dirigidos a patógenos específicos y también se ve afectado por una alta exposición al ozono. Los linfocitos, un componente celular de la respuesta inmune adaptativa, producen una mayor cantidad de sustancias químicas inflamatorias llamadas "citocinas" después de la exposición al ozono, que pueden contribuir a la hiperreactividad de las vías respiratorias y al empeoramiento de los síntomas del asma.
Las células epiteliales de las vías respiratorias también juegan un papel importante en la protección de los individuos de los patógenos. En el tejido normal, la capa epitelial forma una barrera protectora y también contiene estructuras ciliares especializadas que funcionan para eliminar cuerpos extraños, moco y patógenos de los pulmones. Cuando se expone al ozono, los cilios se dañan y se reduce el aclaramiento mucociliar de patógenos. Además, la barrera epitelial se debilita, lo que permite que los patógenos crucen la barrera, proliferen y se extiendan a tejidos más profundos. Juntos, estos cambios en la barrera epitelial ayudan a que las personas sean más susceptibles a las infecciones pulmonares.
La inhalación de ozono no solo afecta el sistema inmunológico y los pulmones, sino que también puede afectar el corazón. El ozono provoca un desequilibrio autonómico a corto plazo que conduce a cambios en la frecuencia cardíaca y una reducción de la variabilidad de la frecuencia cardíaca; y los niveles altos de exposición durante tan solo una hora dan como resultado una arritmia supraventricular en los ancianos, ambos aumentan el riesgo de muerte prematura y accidente cerebrovascular. El ozono también puede producir vasoconstricción que da como resultado un aumento de la presión arterial sistémica que contribuye a un mayor riesgo de morbilidad y mortalidad cardíacas en pacientes con enfermedades cardíacas preexistentes.
Exposición crónica al ozono
Respirar ozono durante períodos de más de ocho horas seguidas durante semanas, meses o años define la exposición crónica. Numerosos estudios sugieren un impacto grave en la salud de varias poblaciones debido a esta exposición.
Un estudio encuentra asociaciones positivas significativas entre el ozono crónico y la mortalidad por todas las causas, circulatoria y respiratoria con aumentos del riesgo del 2%, 3% y 12% por cada 10 ppb e informa una asociación (IC del 95%) de ozono anual y todos causa mortalidad con una razón de riesgo de 1.02 (1.01–1.04) y con una mortalidad cardiovascular de 1.03 (1.01–1.05). Un estudio similar encuentra asociaciones similares con la mortalidad por todas las causas y efectos aún mayores para la mortalidad cardiovascular. Un mayor riesgo de mortalidad por causas respiratorias está asociado con la exposición crónica a largo plazo al ozono.
El ozono crónico tiene efectos perjudiciales en los niños, especialmente en los que padecen asma. El riesgo de hospitalización en niños con asma aumenta con la exposición crónica al ozono; los niños más pequeños y los que tienen bajos ingresos corren un riesgo aún mayor.
Los adultos que padecen enfermedades respiratorias (asma, EPOC, cáncer de pulmón) tienen un mayor riesgo de mortalidad y morbilidad y los pacientes en estado crítico tienen un mayor riesgo de desarrollar el síndrome de dificultad respiratoria aguda con la exposición crónica al ozono.
Ozono producido por purificadores de aire.
La Junta de Recursos del Aire de California tiene una página que enumera los filtros de aire (muchos con ionizadores ) que cumplen con su límite de ozono interior de 0.050 partes por millón. De ese artículo:
| Todos los dispositivos portátiles de limpieza de aire en interiores vendidos en California deben estar certificados por la Junta de Recursos del Aire de California (CARB). Para obtener la certificación, los limpiadores de aire deben someterse a pruebas de seguridad eléctrica y emisiones de ozono, y deben cumplir con un límite de concentración de emisiones de ozono de 0,050 partes por millón. Para obtener más información sobre la regulación, visite la regulación del filtro de aire . |
Contaminación del aire por ozono
Los precursores del ozono son un grupo de contaminantes, predominantemente los emitidos durante la combustión de combustibles fósiles . La contaminación por ozono a nivel del suelo ( ozono troposférico ) se crea cerca de la superficie de la Tierra por la acción de los rayos ultravioleta de la luz del día sobre estos precursores. El ozono a nivel del suelo proviene principalmente de precursores de combustibles fósiles, pero el metano es un precursor natural, y el nivel de fondo natural muy bajo de ozono a nivel del suelo se considera seguro. Esta sección examina los impactos en la salud de la quema de combustibles fósiles, que eleva el ozono a nivel del suelo muy por encima de los niveles de fondo.
Existe una gran cantidad de evidencia que demuestra que el ozono a nivel del suelo puede dañar la función pulmonar e irritar el sistema respiratorio . La exposición al ozono (y a los contaminantes que lo producen) está relacionada con la muerte prematura , asma , bronquitis , ataque cardíaco y otros problemas cardiopulmonares.
Se ha demostrado que la exposición prolongada al ozono aumenta el riesgo de muerte por enfermedad respiratoria . Un estudio de 450.000 personas que viven en ciudades de Estados Unidos observó una correlación significativa entre los niveles de ozono y las enfermedades respiratorias durante el período de seguimiento de 18 años. El estudio reveló que las personas que viven en ciudades con altos niveles de ozono, como Houston o Los Ángeles, tenían un riesgo 30% mayor de morir de enfermedad pulmonar.
Las pautas de calidad del aire, como las de la Organización Mundial de la Salud , la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y la Unión Europea, se basan en estudios detallados diseñados para identificar los niveles que pueden causar efectos medibles en la salud .
Según los científicos de la EPA de EE. UU., Las personas susceptibles pueden verse afectadas negativamente por niveles de ozono tan bajos como 40 nmol / mol. En la UE, el valor objetivo actual para las concentraciones de ozono es de 120 µg / m 3, que es aproximadamente 60 nmol / mol. Este objetivo se aplica a todos los estados miembros de acuerdo con la Directiva 2008/50 / CE. La concentración de ozono se mide como una media diaria máxima de promedios de 8 horas y el objetivo no debe superarse en más de 25 días naturales por año, a partir de enero de 2010. Mientras que la directiva requiere en el futuro un estricto cumplimiento de 120 µg / m 3 límite (es decir, la concentración media de ozono que no debe superarse en ningún día del año), no hay una fecha fijada para este requisito y se trata como un objetivo a largo plazo.
En los EE. UU., La Ley de Aire Limpio ordena a la EPA que establezca Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental para varios contaminantes, incluido el ozono a nivel del suelo, y los condados que no cumplen con estos estándares deben tomar medidas para reducir sus niveles. En mayo de 2008, bajo una orden judicial, la EPA redujo su estándar de ozono de 80 nmol / mol a 75 nmol / mol. La medida resultó controvertida, ya que los propios científicos y el consejo asesor de la Agencia habían recomendado reducir el estándar a 60 nmol / mol. Muchos grupos ambientales y de salud pública también apoyaron el estándar de 60 nmol / mol, y la Organización Mundial de la Salud recomienda 100 µg / m 3 (51 nmol / mol).
El 7 de enero de 2010, la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) anunció las revisiones propuestas al Estándar Nacional de Calidad del Aire Ambiental (NAAQS) para el ozono contaminante, el principal componente del smog:
... La EPA propone que el nivel del estándar primario de 8 horas, que se fijó en 0.075 μmol / mol en la regla final de 2008, debería fijarse en su lugar a un nivel más bajo dentro del rango de 0.060 a 0.070 μmol / mol, para proporcionar una mayor protección a los niños y otras poblaciones en riesgo contra una serie de O
3 - los efectos adversos para la salud relacionados que van desde la disminución de la función pulmonar y el aumento de los síntomas respiratorios hasta los indicadores graves de morbilidad respiratoria, incluidas las visitas al servicio de urgencias y los ingresos hospitalarios por causas respiratorias, y posiblemente la morbilidad relacionada con las enfermedades cardiovasculares, así como la mortalidad total no accidental y cardiopulmonar. .
El 26 de octubre de 2015, la EPA publicó una regla final con fecha de vigencia del 28 de diciembre de 2015 que revisó el NAAQS primario de 8 horas de 0.075 ppm a 0.070 ppm.
La EPA ha desarrollado un índice de calidad del aire (AQI) para ayudar a explicar los niveles de contaminación del aire al público en general. Según los estándares actuales, las fracciones molares de ozono promedio de ocho horas de 85 a 104 nmol / mol se describen como "insalubres para los grupos sensibles", de 105 nmol / mol a 124 nmol / mol como "insalubres" y de 125 nmol / mol a 404. nmol / mol como "muy insalubre".
El ozono también puede estar presente en la contaminación del aire en interiores , en parte como resultado de equipos electrónicos como fotocopiadoras. También se ha sabido que existe una conexión entre el aumento de polen, las esporas de hongos y el ozono causado por las tormentas eléctricas y las admisiones hospitalarias de los enfermos de asma .
En la era victoriana , un mito popular británico sostenía que el olor del mar era causado por el ozono. De hecho, el característico "olor a mar" es causado por el sulfuro de dimetilo , una sustancia química generada por el fitoplancton . Los británicos victorianos consideraron que el olor resultante era "vigorizante".
Olas de calor
Una investigación para evaluar los efectos sobre la mortalidad conjunta del ozono y el calor durante las olas de calor europeas en 2003, concluyó que estos parecen ser aditivos.
Fisiología
El ozono, junto con formas reactivas de oxígeno como superóxido , oxígeno singlete , peróxido de hidrógeno e iones de hipoclorito , es producido por los glóbulos blancos y otros sistemas biológicos (como las raíces de las caléndulas ) como un medio para destruir cuerpos extraños. El ozono reacciona directamente con los dobles enlaces orgánicos. Además, cuando el ozono se descompone en dioxígeno, da lugar a radicales libres de oxígeno , que son altamente reactivos y capaces de dañar muchas moléculas orgánicas . Además, se cree que las poderosas propiedades oxidantes del ozono pueden ser un factor que contribuya a la inflamación . La relación de causa y efecto de cómo se crea el ozono en el cuerpo y qué hace todavía está bajo consideración y todavía está sujeta a varias interpretaciones, ya que otros procesos químicos corporales pueden desencadenar algunas de las mismas reacciones. Existe evidencia que vincula la vía de oxidación del agua catalizada por anticuerpos de la respuesta inmune humana con la producción de ozono. En este sistema, el ozono se produce mediante la producción catalizada por anticuerpos de trioxidano a partir de agua y oxígeno singlete producido por neutrófilos.
Cuando se inhala, el ozono reacciona con los compuestos que recubren los pulmones para formar metabolitos específicos derivados del colesterol que se cree que facilitan la acumulación y patogénesis de placas ateroscleróticas (una forma de enfermedad cardíaca ). Se ha confirmado que estos metabolitos ocurren naturalmente en las arterias ateroscleróticas humanas y se clasifican en una clase de secosteroles denominados ateronales , generados por ozonólisis del doble enlace del colesterol para formar un secosterol 5,6 así como un producto de condensación secundario mediante aldolización.
Se ha implicado que el ozono tiene un efecto adverso sobre el crecimiento de las plantas: "... el ozono redujo la concentración total de clorofilas, carotenoides y carbohidratos, y aumentó el contenido de ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC) y la producción de etileno. En las plantas tratadas, el La reserva de hojas de ascorbato disminuyó, mientras que la peroxidación de lípidos y la fuga de solutos fueron significativamente más altas que en los controles sin ozono. Los datos indicaron que el ozono desencadenó mecanismos de protección contra el estrés oxidativo en los cítricos ". Los estudios que han utilizado plantas de pimiento como modelo han demostrado que el ozono disminuyó el rendimiento de la fruta y cambió la calidad de la fruta. Además, también se observó una disminución en los niveles de clorofilas y defensas antioxidantes en las hojas, así como un aumento en los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) y daños en lípidos y proteínas.
Regulaciones de seguridad
Debido a las propiedades fuertemente oxidantes del ozono, el ozono es un irritante primario que afecta especialmente a los ojos y al sistema respiratorio y puede ser peligroso incluso en concentraciones bajas. El Centro Canadiense de Seguridad y Salud Ocupacional informa que:
Incluso concentraciones muy bajas de ozono pueden ser perjudiciales para el tracto respiratorio superior y los pulmones. La gravedad de la lesión depende tanto de la concentración de ozono como de la duración de la exposición. Las lesiones pulmonares graves y permanentes o la muerte podrían resultar incluso de una exposición a muy corto plazo a concentraciones relativamente bajas ".
Para proteger a los trabajadores potencialmente expuestos al ozono, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE . UU. Ha establecido un límite de exposición permisible (PEL) de 0.1 μmol / mol (29 CFR 1910.1000 tabla Z-1), calculado como un promedio ponderado de tiempo de 8 horas. Las concentraciones más altas son especialmente peligrosas y NIOSH ha establecido un Límite de peligro inmediato para la vida y la salud (IDLH) de 5 μmol / mol. Los entornos de trabajo donde se usa ozono o donde es probable que se produzca deben tener una ventilación adecuada y es prudente tener un monitor de ozono que active la alarma si la concentración excede el PEL de OSHA. Varios proveedores ofrecen monitores continuos de ozono.
La exposición elevada al ozono puede ocurrir en aviones de pasajeros , con niveles que dependen de la altitud y la turbulencia atmosférica. Las regulaciones de la Autoridad Federal de Aviación de los Estados Unidos establecen un límite de 250 nmol / mol con un promedio máximo de cuatro horas de 100 nmol / mol. Algunos aviones están equipados con convertidores de ozono en el sistema de ventilación para reducir la exposición de los pasajeros.
Producción
Los generadores de ozono , u ozonizadores , se utilizan para producir ozono para limpiar el aire o eliminar los olores del humo en habitaciones desocupadas. Estos generadores de ozono pueden producir más de 3 g de ozono por hora. El ozono se forma a menudo en la naturaleza en condiciones en las que el O 2 no reacciona. El ozono utilizado en la industria se mide en μmol / mol (ppm, partes por millón), nmol / mol (ppb, partes por mil millones), μg / m 3 , mg / h (miligramos por hora) o porcentaje en peso. El régimen de concentraciones aplicadas varía del 1% al 5% (en aire) y del 6% al 14% (en oxígeno) para los métodos de generaciones anteriores. Los nuevos métodos electrolíticos pueden alcanzar concentraciones de ozono disuelto del 20% al 30% en el agua de salida.
La temperatura y la humedad juegan un papel importante en la cantidad de ozono que se produce utilizando métodos de generación tradicionales (como la descarga de corona y la luz ultravioleta). Los métodos de generación anterior producirán menos del 50% de la capacidad nominal si se operan con aire ambiente húmedo, en lugar de aire muy seco. Los nuevos generadores, que utilizan métodos electrolíticos, pueden lograr una mayor pureza y disolución mediante el uso de moléculas de agua como fuente de producción de ozono.
Método de descarga de corona
Este es el tipo más común de generador de ozono para la mayoría de usos industriales y personales. Si bien existen variaciones del método de descarga coronal de "chispa caliente" para la producción de ozono, incluidos los generadores de ozono de grado médico e industrial, estas unidades generalmente funcionan por medio de un tubo de descarga de corona o una placa de ozono. Por lo general, son rentables y no requieren una fuente de oxígeno que no sea el aire ambiente para producir concentraciones de ozono del 3 al 6%. Las fluctuaciones en el aire ambiental, debido al clima u otras condiciones ambientales, provocan variabilidad en la producción de ozono. Sin embargo, también producen óxidos de nitrógeno como subproducto. El uso de un secador de aire puede reducir o eliminar la formación de ácido nítrico al eliminar el vapor de agua y aumentar la producción de ozono. A temperatura ambiente, el ácido nítrico se convertirá en un vapor que es peligroso si se inhala. Los síntomas pueden incluir dolor en el pecho, dificultad para respirar, dolores de cabeza y nariz y garganta secas que causan una sensación de ardor. El uso de un concentrador de oxígeno puede aumentar aún más la producción de ozono y reducir aún más el riesgo de formación de ácido nítrico al eliminar no solo el vapor de agua, sino también la mayor parte del nitrógeno.
Luz ultravioleta
Los generadores de ozono UV, o generadores de ozono de vacío ultravioleta (VUV), emplean una fuente de luz que genera una luz ultravioleta de banda estrecha, un subconjunto de la producida por el sol. Los rayos ultravioleta del sol sustentan la capa de ozono en la estratosfera de la Tierra.
Los generadores de ozono UV utilizan aire ambiental para la producción de ozono, no se utilizan sistemas de preparación de aire (secador de aire o concentrador de oxígeno), por lo que estos generadores tienden a ser menos costosos. Sin embargo, los generadores de ozono ultravioleta suelen producir ozono con una concentración de aproximadamente 0,5% o menos, lo que limita la tasa potencial de producción de ozono. Otra desventaja de este método es que requiere que el aire ambiente (oxígeno) esté expuesto a la fuente de UV durante un período de tiempo más prolongado, y no se tratará ningún gas que no esté expuesto a la fuente de UV. Esto hace que los generadores de UV no sean prácticos para su uso en situaciones que se ocupan de corrientes de aire o agua que se mueven rápidamente ( esterilización de aire en el conducto , por ejemplo). La producción de ozono es uno de los peligros potenciales de la irradiación germicida ultravioleta . Los generadores de ozono VUV se utilizan en piscinas y aplicaciones de spa que van hasta millones de galones de agua. Los generadores de ozono VUV, a diferencia de los generadores de descarga de corona, no producen subproductos de nitrógeno dañinos y también, a diferencia de los sistemas de descarga de corona, los generadores de ozono VUV funcionan muy bien en ambientes de aire húmedo. Tampoco hay normalmente una necesidad de costosos mecanismos de descarga de gases, y no hay necesidad de secadores de aire o concentradores de oxígeno que requieran costos y mantenimiento adicionales.
Plasma frío
En el método del plasma frío, el oxígeno puro se expone a un plasma creado por la descarga de la barrera dieléctrica . El oxígeno diatómico se divide en átomos individuales, que luego se recombinan en tripletes para formar ozono.
Las máquinas de plasma frío utilizan oxígeno puro como fuente de entrada y producen una concentración máxima de aproximadamente un 5% de ozono. Producen cantidades mucho mayores de ozono en un espacio de tiempo dado en comparación con la producción ultravioleta. Sin embargo, debido a que los generadores de ozono de plasma frío son muy costosos, se encuentran con menos frecuencia que los dos tipos anteriores.
Las descargas se manifiestan como una transferencia filamentaria de electrones (microdescargas) en un espacio entre dos electrodos. Para distribuir uniformemente las microdescargas, se debe utilizar un aislante dieléctrico para separar los electrodos metálicos y evitar la formación de arcos.
Algunas unidades de plasma frío también tienen la capacidad de producir alótropos de oxígeno de vida corta que incluyen O 4 , O 5 , O 6 , O 7 , etc. Estas especies son incluso más reactivas que el O ordinario
3.
Electrolítico
La generación de ozono electrolítico (EOG) divide las moléculas de agua en H 2 , O 2 y O 3 . En la mayoría de los métodos EOG, el gas hidrógeno se eliminará para dejar oxígeno y ozono como únicos productos de reacción. Por lo tanto, EOG puede lograr una mayor disolución en agua sin otros gases competidores que se encuentran en el método de descarga de corona, como los gases de nitrógeno presentes en el aire ambiente. Este método de generación puede alcanzar concentraciones del 20 al 30% y es independiente de la calidad del aire porque se utiliza agua como material de origen. La producción de ozono electrolíticamente es típicamente desfavorable debido al alto sobrepotencial requerido para producir ozono en comparación con el oxígeno. Esta es la razón por la que no se produce ozono durante la electrólisis típica del agua. Sin embargo, es posible aumentar el sobrepotencial de oxígeno mediante la selección cuidadosa del catalizador, de modo que el ozono se produzca preferentemente bajo electrólisis. Los catalizadores que se eligen típicamente para este enfoque son el dióxido de plomo o el diamante dopado con boro.
La relación de ozono a oxígeno se mejora aumentando la densidad de corriente en el ánodo, enfriando el electrolito alrededor del ánodo cerca de 0 ° C, usando un electrolito ácido (como ácido sulfúrico diluido) en lugar de una solución básica, y aplicando corriente pulsada en su lugar. de DC.
Consideraciones Especiales
El ozono no puede almacenarse ni transportarse como otros gases industriales (porque se descompone rápidamente en oxígeno diatómico) y, por lo tanto, debe producirse en el lugar. Los generadores de ozono disponibles varían en la disposición y diseño de los electrodos de alto voltaje. A capacidades de producción superiores a 20 kg por hora, se puede utilizar un intercambiador de calor de tubo de gas / agua como electrodo de tierra y ensamblar con electrodos tubulares de alto voltaje en el lado del gas. El régimen de presiones de gas típicas es de alrededor de 2 bares (200 kPa ) absolutos en oxígeno y 3 bares (300 kPa) absolutos en aire. Se pueden instalar varios megavatios de energía eléctrica en grandes instalaciones, aplicados como corriente CA monofásica de 50 a 8000 Hz y voltajes máximos de entre 3000 y 20 000 voltios. La tensión aplicada suele estar inversamente relacionada con la frecuencia aplicada.
El parámetro dominante que influye en la eficiencia de la generación de ozono es la temperatura del gas, que se controla mediante la temperatura del agua de refrigeración y / o la velocidad del gas. Cuanto más fría esté el agua, mejor será la síntesis de ozono. Cuanto menor es la velocidad del gas, mayor es la concentración (pero menor es el ozono neto producido). En condiciones industriales típicas, casi el 90% de la potencia efectiva se disipa en forma de calor y debe eliminarse mediante un flujo de agua de refrigeración suficiente.
Debido a la alta reactividad del ozono, solo se pueden usar unos pocos materiales como acero inoxidable (calidad 316L), titanio , aluminio (siempre que no haya humedad), vidrio , politetrafluoretileno o fluoruro de polivinilideno . Viton puede usarse con la restricción de fuerzas mecánicas constantes y ausencia de humedad (se aplican limitaciones de humedad según la formulación). Hypalon puede usarse con la restricción de que el agua no entre en contacto con él, excepto en los niveles atmosféricos normales. La fragilidad o la contracción es el modo común de falla de los elastómeros con exposición al ozono. El agrietamiento por ozono es el modo común de falla de los sellos de elastómero como las juntas tóricas .
Los cauchos de silicona suelen ser adecuados para su uso como juntas en concentraciones de ozono por debajo del 1% en peso, como en equipos para el envejecimiento acelerado de muestras de caucho.
Producción incidental
El ozono puede formarse a partir de O
2por descargas eléctricas y por acción de radiación electromagnética de alta energía . Los arcos no suprimidos en los contactos eléctricos, las escobillas del motor o los interruptores mecánicos rompen los enlaces químicos del oxígeno atmosférico que rodea los contactos [ O
2→ 2O]. Los radicales libres de oxígeno dentro y alrededor del arco se recombinan para crear ozono [ O
3]. Ciertos equipos eléctricos generan niveles significativos de ozono. Esto es especialmente cierto en el caso de dispositivos que utilizan altos voltajes , como purificadores de aire iónicos , impresoras láser , fotocopiadoras , pistolas Taser y soldadores de arco . Los motores eléctricos que utilizan escobillas pueden generar ozono a partir de chispas repetidas dentro de la unidad. Los motores grandes que usan escobillas, como los que usan los ascensores o las bombas hidráulicas, generarán más ozono que los motores más pequeños.
El ozono se forma de manera similar en el fenómeno de las tormentas eléctricas del Catatumbo en el río Catatumbo en Venezuela , aunque la inestabilidad del ozono hace que sea dudoso que tenga algún efecto en la ozonosfera. Es el generador natural de ozono más grande del mundo, y los préstamos exigen que sea designado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO .
Producción de laboratorio
En el laboratorio, el ozono se puede producir por electrólisis usando una batería de 9 voltios , un cátodo de varilla de grafito tipo lápiz , un ánodo de alambre de platino y un electrolito de ácido sulfúrico 3 molar . Las reacciones de media celda que tienen lugar son:
- 3 H 2 O → O 3 + 6 H + + 6 e - ( Δ E ° = −1.53 V )
- 6 H + + 6 e - → 3 H 2 (Δ E ° = 0 V)
- 2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4 e - (Δ E ° = 1.23 V)
En la reacción neta, tres equivalentes de agua se convierten en un equivalente de ozono y tres equivalentes de hidrógeno . La formación de oxígeno es una reacción competitiva.
También puede ser generado por un arco de alto voltaje . En su forma más simple, la CA de alto voltaje, como la salida de un transformador de letrero de neón, está conectada a dos varillas de metal con los extremos colocados lo suficientemente cerca uno del otro para permitir un arco. El arco resultante convertirá el oxígeno atmosférico en ozono.
A menudo es deseable contener el ozono. Esto se puede hacer con un aparato que consta de dos tubos de vidrio concéntricos sellados juntos en la parte superior con puertos de gas en la parte superior e inferior del tubo exterior. El núcleo interior debe tener un trozo de lámina metálica insertada en él conectado a un lado de la fuente de alimentación. El otro lado de la fuente de alimentación debe conectarse a otro trozo de papel de aluminio envuelto alrededor del tubo exterior. Una fuente de O seco
2se aplica al puerto inferior. Cuando se aplica alto voltaje a los cables de la lámina, la electricidad se descargará entre el dioxígeno seco en el medio y formará O
3y O
2que saldrá por el puerto superior. Esto se llama ozonizador de Siemen. La reacción se puede resumir de la siguiente manera:
![{\ displaystyle {\ ce {3O2 -> [electricidad] 2O3}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/88e4bedbb91fdf257d5adad5b2fc99825be1cbb1)
Aplicaciones
Industria
El uso más grande del ozono es en la preparación de productos farmacéuticos , lubricantes sintéticos y muchos otros compuestos orgánicos comercialmente útiles , donde se usa para cortar enlaces carbono-carbono . También se puede utilizar para blanquear sustancias y para matar microorganismos en fuentes de aire y agua. Muchos sistemas municipales de agua potable matan las bacterias con ozono en lugar del cloro más común . El ozono tiene un potencial de oxidación muy alto . El ozono no forma compuestos organoclorados ni permanece en el agua después del tratamiento. El ozono puede formar el bromato carcinógeno sospechoso en el agua de origen con altas concentraciones de bromuro . La Ley de Agua Potable Segura de EE. UU . Exige que estos sistemas introduzcan una cantidad de cloro para mantener un mínimo de 0,2 μmol / mol de cloro libre residual en las tuberías, según los resultados de las pruebas periódicas. Donde la energía eléctrica es abundante, el ozono es un método rentable para tratar el agua, ya que se produce bajo demanda y no requiere transporte ni almacenamiento de productos químicos peligrosos. Una vez que se ha descompuesto, no deja sabor ni olor en el agua potable.
A pesar de los bajos niveles de ozono se han anunciado para ser de alguna utilidad desinfectante en residencias de ancianos, la concentración de ozono en el aire seco se requiere para tener un efecto rápido y sustancial de patógenos en el aire supera los niveles de seguridad recomendadas por los EE.UU. Administración de Seguridad y Salud Ocupacional y Ambiental Agencia de Protección . El control de la humedad puede mejorar enormemente tanto el poder destructor del ozono como la velocidad a la que se descompone en oxígeno (más humedad permite una mayor eficacia). Las formas de esporas de la mayoría de los patógenos son muy tolerantes al ozono atmosférico en concentraciones en las que los pacientes con asma comienzan a tener problemas.
En 1908 se introdujo la ozonización artificial de la Línea Central del Metro de Londres como desinfectante aéreo. Se consideró que el proceso valía la pena, pero se eliminó gradualmente en 1956. Sin embargo, el efecto beneficioso fue mantenido por el ozono creado incidentalmente por las descargas eléctricas de los motores del tren (ver arriba: Producción incidental ).
Los generadores de ozono se pusieron a disposición de las escuelas y universidades de Gales para el período de otoño de 2021, para desinfectar las aulas después de los brotes de Covid .
Industrialmente, el ozono se utiliza para:
- Desinfectar la ropa en hospitales, fábricas de alimentos, residencias, etc .;
- Desinfectar el agua en lugar de cloro.
- Desodoriza el aire y los objetos, como después de un incendio. Este proceso se utiliza ampliamente en la restauración de tejidos.
- Mata las bacterias en los alimentos o en las superficies de contacto;
- Las industrias con uso intensivo de agua, como las cervecerías y las plantas lácteas , pueden hacer un uso eficaz del ozono disuelto como reemplazo de los desinfectantes químicos como el ácido peracético , el hipoclorito o el calor.
- Desinfecte las torres de enfriamiento y controle la legionela con un consumo de químicos reducido, purga de agua y mayor rendimiento.
- Desinfectar piscinas y spas
- Mata insectos en el grano almacenado
- Elimine las esporas de levadura y moho del aire en plantas de procesamiento de alimentos;
- Lave las frutas y verduras frescas para matar la levadura, el moho y las bacterias;
- Atacar químicamente los contaminantes en el agua ( hierro , arsénico , sulfuro de hidrógeno , nitritos y compuestos orgánicos complejos agrupados como "color");
- Proporcionar una ayuda a la floculación (aglomeración de moléculas, que ayuda en la filtración, donde se eliminan el hierro y el arsénico);
- Fabricar compuestos químicos mediante síntesis química.
- Telas limpias y blanqueadoras (el primer uso se utiliza en la restauración de telas; el último uso está patentado);
- Actuar como anticloro en blanqueadores a base de cloro;
- Ayudar en el procesamiento de plásticos para permitir la adhesión de tintas;
- Envejecer las muestras de caucho para determinar la vida útil de un lote de caucho;
- Erradicar los parásitos transmitidos por el agua como Giardia lamblia y Cryptosporidium en plantas de tratamiento de aguas superficiales.
El ozono es un reactivo en muchas reacciones orgánicas en el laboratorio y en la industria. La ozonólisis es la escisión de un alqueno en compuestos carbonílicos .
Muchos hospitales de todo el mundo utilizan grandes generadores de ozono para descontaminar quirófanos entre cirugías. Las habitaciones se limpian y luego se sellan herméticamente antes de llenarse con ozono que efectivamente mata o neutraliza todas las bacterias restantes.
El ozono se utiliza como alternativa al cloro o al dióxido de cloro en el blanqueo de pulpa de madera . A menudo se usa junto con oxígeno y peróxido de hidrógeno para eliminar la necesidad de compuestos que contienen cloro en la fabricación de papel blanco de alta calidad .
El ozono se puede utilizar para desintoxicar los desechos de cianuro (por ejemplo, de la minería de oro y plata ) oxidando el cianuro a cianato y, finalmente, a dióxido de carbono .
Desinfección de agua
Desde la invención de los reactores de plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD), se ha utilizado para el tratamiento de agua con ozono. Sin embargo, con desinfectantes alternativos más baratos como el cloro, tales aplicaciones de descontaminación de agua con ozono DBD se han visto limitadas por el alto consumo de energía y los equipos voluminosos. A pesar de esto, con la investigación que revela los impactos negativos de los desinfectantes comunes como el cloro con respecto a los residuos tóxicos y la ineficacia para matar ciertos microorganismos, la descontaminación de ozono basada en plasma DBD es de interés en las tecnologías disponibles actualmente. Aunque la ozonización de agua con una alta concentración de bromuro conduce a la formación de subproductos de desinfección bromados indeseables, a menos que el agua potable se produzca por desalinización, la ozonización generalmente se puede aplicar sin preocuparse por estos subproductos. Las ventajas del ozono incluyen un alto potencial de oxidación termodinámica, menos sensibilidad a la materia orgánica y una mejor tolerancia a las variaciones de pH, al tiempo que conserva la capacidad de matar bacterias, hongos, virus, así como esporas y quistes. Aunque el ozono ha sido ampliamente aceptado en Europa durante décadas, se usa con moderación para la descontaminación en los EE. UU. Debido a las limitaciones del alto consumo de energía, la instalación voluminosa y el estigma asociado con la toxicidad del ozono. Teniendo esto en cuenta, los esfuerzos de investigación recientes se han dirigido al estudio de sistemas efectivos de tratamiento de agua con ozono. Los investigadores han estudiado reactores DBD de superficie de baja potencia livianos y compactos, reactores DBD de volumen eficiente en energía y reactores DBD de microescala de baja potencia. Dichos estudios pueden ayudar a allanar el camino hacia la reaceptación de la descontaminación del agua con ozono basada en plasma DBD, especialmente en los EE. UU.
Consumidores
Los dispositivos que generan altos niveles de ozono, algunos de los cuales usan ionización, se utilizan para desinfectar y desodorizar edificios deshabitados, habitaciones, conductos, cobertizos de leña, botes y otros vehículos.
En los EE. UU . Se han vendido purificadores de aire que emiten niveles bajos de ozono. A veces se afirma que este tipo de purificador de aire imita la forma en que la naturaleza purifica el aire sin filtros y desinfecta tanto el aire como las superficies del hogar. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha declarado que existe "evidencia que demuestra que en concentraciones que no exceden los estándares de salud pública, el ozono no es eficaz para eliminar muchas sustancias químicas que causan olores" o "virus, bacterias, moho o otros contaminantes biológicos ". Además, su informe afirma que "los resultados de algunos estudios controlados muestran que son posibles concentraciones de ozono considerablemente más altas que estas normas [de seguridad humana] incluso cuando el usuario sigue las instrucciones de funcionamiento del fabricante".
El agua ozonizada se utiliza para lavar la ropa y desinfectar los alimentos, el agua potable y las superficies del hogar. Según la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA), está "enmendando las regulaciones sobre aditivos alimentarios para proporcionar el uso seguro del ozono en fases gaseosas y acuosas como agente antimicrobiano en alimentos, incluidas carnes y aves". Los estudios de la Universidad Politécnica de California demostraron que los niveles de ozono disuelto en agua del grifo filtrada de 0,3 μmol / mol pueden producir una reducción de más del 99,99% en microorganismos transmitidos por los alimentos como la salmonela, E. coli 0157: H7 y Campylobacter . Esta cantidad es 20.000 veces los límites recomendados por la OMS indicados anteriormente. El ozono se puede utilizar para eliminar los residuos de plaguicidas de frutas y verduras .
El ozono se usa en hogares y jacuzzis para matar las bacterias en el agua y reducir la cantidad de cloro o bromo requerida reactivándolas a su estado libre. Dado que el ozono no permanece en el agua el tiempo suficiente, el ozono por sí solo es ineficaz para prevenir la contaminación cruzada entre los bañistas y debe usarse junto con halógenos . El ozono gaseoso creado por la luz ultravioleta o por la descarga de corona se inyecta en el agua.
El ozono también se usa ampliamente en el tratamiento del agua en acuarios y estanques de peces. Su uso puede minimizar el crecimiento bacteriano, controlar parásitos, eliminar la transmisión de algunas enfermedades y reducir o eliminar el "amarilleo" del agua. El ozono no debe entrar en contacto con las estructuras branquiales de los peces. El agua salada natural (con formas de vida) proporciona suficiente "demanda instantánea" para que cantidades controladas de ozono activen los iones de bromuro a ácido hipobromoso , y el ozono se desintegra por completo en unos pocos segundos o minutos. Si se usa ozono alimentado con oxígeno, el agua tendrá más oxígeno disuelto y las estructuras branquiales de los peces se atrofiarán, haciéndolos dependientes del agua enriquecida con oxígeno.
Acuicultura
La ozonización, un proceso de infusión de agua con ozono, se puede utilizar en la acuicultura para facilitar la degradación orgánica. También se agrega ozono a los sistemas de recirculación para reducir los niveles de nitrito mediante la conversión en nitrato . Si los niveles de nitritos en el agua son altos, los nitritos también se acumularán en la sangre y los tejidos de los peces, donde interfieren con el transporte de oxígeno (causa la oxidación del grupo hemo de hemoglobina de ferroso ( Fe2+
) a férrico ( Fe3+
), lo que hace que la hemoglobina no pueda unirse a O
2). A pesar de estos aparentes efectos positivos, el uso de ozono en los sistemas de recirculación se ha relacionado con la reducción del nivel de yodo biodisponible en los sistemas de agua salada, lo que da como resultado síntomas de deficiencia de yodo como el bocio y una disminución del crecimiento en las larvas de lenguado senegalés ( Solea senegalensis ).
El agua de mar con ozono se utiliza para la desinfección de la superficie de los huevos de eglefino y de fletán del Atlántico contra el nodavirus. El nodavirus es un virus letal y de transmisión vertical que causa una grave mortalidad en los peces. Los huevos de eglefino no deben tratarse con niveles altos de ozono, ya que los huevos así tratados no eclosionaron y murieron después de 3 a 4 días.
Agricultura
La aplicación de ozono en piña y plátano recién cortados muestra un aumento en el contenido de flavonoides y fenol total cuando la exposición es de hasta 20 minutos. Se observa una disminución en el contenido de ácido ascórbico (una forma de vitamina C ), pero el efecto positivo sobre el contenido total de fenol y flavonoides puede superar el efecto negativo. Los tomates tratados con ozono muestran un aumento de β-caroteno, luteína y licopeno. Sin embargo, la aplicación de ozono a las fresas en el período previo a la cosecha muestra una disminución en el contenido de ácido ascórbico.
El ozono facilita la extracción de algunos metales pesados del suelo utilizando EDTA . El EDTA forma compuestos de coordinación fuertes y solubles en agua con algunos metales pesados ( Pb , Zn ), lo que hace posible disolverlos del suelo contaminado. Si el suelo contaminado se trata previamente con ozono, la eficacia de extracción de Pb , Am y Pu aumenta en un 11,0-28,9%, 43,5% y 50,7%, respectivamente.
Medicina alternativa
El uso de ozono para el tratamiento de afecciones médicas no está respaldado por pruebas de alta calidad y, en general, se considera una medicina alternativa .
Ver también
- Ozono cíclico
- Monitoreo global del ozono por ocultación de estrellas (GOMOS)
- Calentamiento global
- Gases de efecto invernadero
- Absorción de Chappuis
- Día Internacional para la Preservación de la Capa de Ozono (16 de septiembre)
- Oxido de nitrógeno
- Día de Acción del Ozono
- Agotamiento de la capa de ozono , incluido el fenómeno conocido como agujero de ozono .
- Terapia de ozono
- Ozoneweb
- Ozonólisis
- Degradación de polímeros
- Esterilización (microbiología)
Notas
Referencias
Otras lecturas
- Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
- Becker, KH, U. Kogelschatz, KH Schoenbach, RJ Barker (ed.). Plasmas de aire en no equilibrio a presión atmosférica . Serie en Física del Plasma. Bristol y Filadelfia: Institute of Physics Publishing Ltd; ISBN 0-7503-0962-8 ; 2005
- Agencia de Proteccion Ambiental de los Estados Unidos. Grupo de Riesgos y Beneficios. (Agosto de 2014). Evaluación de riesgos para la salud y exposición al ozono: Informe final .
enlaces externos
- Asociación Internacional del Ozono
- Mapa de ozono casi en tiempo real de la Agencia Europea de Medio Ambiente (ozoneweb)
- Página de recursos de ozono de la NASA
- Información de OSHA sobre el ozono
- Entrevista a Paul Crutzen: video del premio Nobel Paul Crutzen hablando con el premio Nobel Harry Kroto por Vega Science Trust
- Artículo del Observatorio de la Tierra de la NASA sobre el ozono
- Tarjeta internacional de seguridad química 0068
- Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos
- Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental, Información sobre el ozono
- Contaminación del aire por ozono a nivel del suelo
- Estudio de la NASA vincula el "smog" con el calentamiento del Ártico - El estudio del Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) de la NASA muestra el efecto de calentamiento del ozono en el Ártico durante el invierno y la primavera.
- Informe de la EPA de EE. UU. Que cuestiona la eficacia o seguridad de los generadores de ozono vendidos como purificadores de aire
- Información sobre el ozono a nivel del suelo de la Asociación Estadounidense del Pulmón de Nueva Inglaterra