Ozon

Strukturformel
Mesomere Grenzstrukturen des Ozonmoleküls
Allgemeines
Name	Ozon
Andere Namen	„aktiver Sauerstoff“ Trisauerstoff
Summenformel	O3
CAS-Nummer	10028-15-6
Kurzbeschreibung	farbloses bis bläuliches Gas mit unangenehm stechendem, chlorähnlichem „Höhensonnengeruch“
Eigenschaften
Molare Masse	48,00 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	2,14 kg·m−3 (0 °C)
Schmelzpunkt	−192,7 °C
Siedepunkt	−110,5 °C
Löslichkeit	in Wasser: 494 ml·l−1 (0 °C)
Dipolmoment	0,53373 D (1,7803 · 10−30 C · m)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 270​‐​330​‐​319​‐​370​‐​372 P: 284​‐​271​‐​310​‐​320​‐​304+340​‐​501Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze EU-Gefahrstoffkennzeichnung nach „TRB 610 – Druckbehälter; Aufstellung von Druckbehältern zum Lagern von Gasen“ Brand- fördernd Sehr giftig Ätzend (O) (T+) (C) R- und S-Sätze R: nicht festgelegt S: nicht festgelegt
MAK	nicht festgelegt, da krebserzeugend Schweiz: 0,1 ml·m−3 bzw. 0,2 mg·m−3
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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Ozon (griechisch ὄζειν ozein „riechen“) ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes Molekül (O₃). Ozonspuren in der Luft zerfallen unter Normalbedingungen innerhalb einiger Tage zu biatomarem Sauerstoff. Einerseits ist Ozon ein starkes Oxidationsmittel, das bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege führen kann. Andererseits schützt es in der Ozonschicht die Lebewesen vor einer Schädigung durch energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne.

Geschichte

Ozonometer, entworfen von John Smyth, 1865.

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

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

Vorkommen

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

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

In Reinluftgebieten ist die Ozon-Konzentration im Sommer oft höher als in Städten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch die vielen Autoabgase in den Städten die Konzentration des Stickoxides NO sehr hoch sein kann. NO wirkt jedoch der Ozonbildung entgegen. Im Einzelnen laufen folgende Reaktionen ab:

Ozon entsteht wie folgt:

$\mathrm {1)\ NO_{2}\ {\xrightarrow {UV{-}Strahlung}}\ NO+O}$

$\mathrm {2)\ O+O_{2}\longrightarrow O_{3}}$

Gleichzeitig wird Ozon durch NO wieder abgebaut:

$\mathrm {3)\ O_{3}+NO\longrightarrow NO_{2}+O_{2}}$

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

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

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

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

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

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

Bildung

Ozon entsteht aus gewöhnlichem Sauerstoff gemäß der Grundgleichung

$\mathrm {3\;O_{2}\longrightarrow 2\;O_{3}} ;\ \Delta H=+286\;\mathrm {kJ/mol}$

wobei ΔH die molare Reaktionsenthalpie bezeichnet.

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

• Energiereiche Sonnenstrahlung spaltet Sauerstoff-Moleküle in der Stratosphäre in zwei einzelne Atome, die sich jeweils mit einem weiteren Sauerstoff-Molekül zu Ozon vereinigen. Dieser Vorgang der Spaltung von Sauerstoff-Molekülen durch energiereiche UV-C-Strahlung mit einer Wellenlänge von < 242 nm wird als Photodissoziation bezeichnet.
• In Erdnähe bildet sich Ozon bei der Reaktion von Stickoxiden (z. B. NO₂) mit Sauerstoff O₂ unter dem Einfluss von UV-Strahlung. Vor Einführung des Motoren-Katalysators war der Straßenverkehr über den Ausstoß von Schadstoffen indirekt für diese Form der Ozonbildung in erdnahen Luftschichten (vornehmlich Städten) verantwortlich.
• Bei Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden entsteht bei der Blitzentladung Ozon (neben Salpetersäure und weiteren Stoffen).

Gewinnung und Darstellung

Darstellung im Labor

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

Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure (ca. 20 %) entwickelt sich an einer Gold- oder Platinanode besonders bei hohen Stromdichten Ozon. Bei guter Kühlung lassen sich so 4–5 % Ozongehalt im entstehenden Sauerstoff erreichen, eine Konzentration, die ausreicht, um alle Reaktionen des Ozons im präparativen Maßstab ausführen zu können. Über ausgefeilte Apparaturen (z. B. feine Platindrahtwendeln) und Kühlung auf −14 °C lassen sich noch erheblich höhere Ozonkonzentrationen erreichen.

Ozon lässt sich weiterhin aus Luftsauerstoff unter Einwirkung von Ultraviolettstrahlung oder stillen elektrischen Entladungen herstellen. Entsprechende, als Ozonisatoren bezeichnete Geräte gibt es im Handel.

Herstellung in der Technik

Elektrophorese-Ozonerzeuger

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

Zur Herstellung wird meistens getrocknete Luft oder Sauerstoff (Taupunkt mind. −65 °C) als Trägergas eingesetzt. In selteneren Fällen wird Sauerstoff mit Argon, Kohlenstoffdioxid u. ä. gemischt. Im Ozonerzeuger (Ozonisator) werden die Sauerstoffmoleküle durch stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziiert, wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet. In Luft bewegen sich typische Endkonzentrationen zwischen einem und fünf Prozent Massenanteil, in Sauerstoff zwischen sechs und dreizehn Prozent Massenanteil.

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

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

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

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

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

• Elektrodenabstand
• Elektrodenausrichtung
• Dielektrikumsmaterial
• Spitzenspannung und Frequenz

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

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

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

Lagerung

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

Eigenschaften

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

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

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

Verwendung

Ozon in der Wasseraufbereitung

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

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

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

Ziele einer weitergehenden Ozonbehandlung des konventionell gereinigten Abwassers sind: (a) Abtötung pathogener Keime (Desinfektion) zur Sicherung des Vorfluters (z. B. in Hinsicht auf die Badegewässerrichtlinie) (b) oxidative Elimination/Transformation von nicht oder nur schlecht abbaubaren organischen Spurenstoffen (insbesondere Medikamentenrückstände).

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

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

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

Ozonbehandlung von Fahrzeugen

Eine sogenannte Ozonbehandlung wird in der professionellen Fahrzeugaufbereitung vorgenommen. Insbesondere bei Gebrauchtwagen mit Geruchsbelastung im Innenraum (z. B. ehemalige Raucherfahrzeuge) kann diese so beseitigt werden. Durch die oxidierende Wirkung des Ozons werden Geruchsstoffe in geruchsneutrale Stoffe umgewandelt. Ebenso werden Keime und geruchverursachende Bakterien dabei – auch an sonst unzugänglichen Stellen – abgetötet. Als Ergebnis ist das Fahrzeug nach dieser Behandlung desinfiziert und in der Regel geruchsfrei.

Waschmaschinen

Einige moderne Waschmaschinen haben ein Ozonprogramm, welches Umgebungsluft nutzt und mittels eines Ozongenerators die Wäsche desinfiziert und Gerüche eliminiert. Auch Wäschereien nutzen diese Technik.

Analyse, Einheiten

• Titriermethode
• UV-Analyse
• Entropiemethode

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

Gesundheitsgefährdung

Ozon in der Atemluft

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

In der Schweiz liegt die Grenze des Ein-Stunden-Mittelwertes bei 120 µg/m³ (ca. 60 ppb). Dieser Wert wird jedoch sehr oft überschritten.

Eine langanhaltende Erhöhung der Ozonkonzentration in der Atemluft führt zu einem erhöhten Risiko, an Atemwegserkrankungen zu sterben.

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

Raumluftionisatoren

Raumluftozonisator (1960er Jahre)

Einige Ionisatoren bilden Ozon, um geruchlich wahrgenommene Moleküle der Umgebungsluft zu spalten und zu eliminieren. Allerdings bergen die Abbauprodukte von Nikotin und Zigarettenrauch, neben dem Ozon selbst, hohe gesundheitliche Risiken, so dass z. B. die Deutsche Lungenstiftung davor warnt, den schlechten Geruch verrauchter Räume mit Ozon generierenden Luftreinigern zu beseitigen.

Fotokopierer

Bei älteren Fotokopierern sowie Laserdruckern kann man einen typischen „Ozongeruch“ wahrnehmen. Dieser Geruch rührt nur indirekt vom durch die Ionisation der Luft im Gerät gebildeten Ozon her; er kommt vielmehr durch Spuren nitroser Gase (NO_x) zustande, die durch Reaktion des Ozons mit dem Luftstickstoff gebildet werden. Das Funktionsprinzip der Geräte erfordert eine Ionisierung der Luft bei Spannungen von 5–15 kV. Meist besitzen die Geräte Ozonfilter, die das produzierte Ozon in Kohlendioxid umwandeln. Dennoch sollten diese Geräte möglichst nicht in unbelüfteten Räumen verwendet werden. Moderne Drucker und Fotokopierer arbeiten mit einer Transferrollentechnik, welche die Ozonbildung verhindert und die ältere Coronadrahttechnologie weitestgehend ersetzt hat.

Siehe auch

• Ozonschicht, Ozonloch, Ozontherapie, Ozonolyse, Ozonbelastung
• EN 13779

Weblinks

Wiktionary: Ozon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikisource: Das Ozon – Quellen und Volltexte

Als Luftschadstoff:

• Umweltbundesamt Aktuelle Immissionsdaten aus den Messnetzen der Bundesländer und des UBA
• „Ozon schadet!“ (www.ozon-info.ch)
• Ozon (Uni-Bielefeld, chemieunterricht.de)
• Ozon als Gefahrstoff im ICSC (cdc.gov)

Messung und Vorhersage:

• Ozon. 3-Tage-Vorhersage Europa (WRF/Chem), auf der Webseite des österreichischen Wetterdienstes (ZAMG): Umwelt: Luftqualität
• Aktuelle Informationen über Ozon - Ozonwerte, etc. (Umweltbundesamt)
• Ozon-Wochenkarten nach WHO-Richtwerten (auf pollution-info.de)