Ozon (, von „riechen“, : wörtlich „das Riechende“) ist ein aus drei Sauerstoffatomen (O) aufgebautes Molekül (O3) und das daraus bestehende farblose bis bläuliche, in hoher Konzentration tiefblaue Gas von charakteristischem Geruch. Ozonmoleküle in der Luft zerfallen unter Normalbedingungen innerhalb einiger Tage zu biatomarem, das heißt aus zwei Sauerstoffatomen bestehendem, Sauerstoff (O2).
Ozon ist ein starkes und giftiges Oxidationsmittel, das bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege und der Augen sowie Begünstigung von Atemwegserkrankungen führen kann. In der Troposphäre ist Ozon der drittwirksamste Treiber der globalen Erwärmung (nach Kohlendioxid und Methan).spiegel.de: Ozonwerte in der Atmosphäre steigen, 21. August 2020.
Die Ozonschicht in der Stratosphäre schützt die Lebewesen auf der Erde vor Schädigungen durch energiereiche mutagene ultraviolette Strahlung der Sonne.
Geschichte Im Jahre 1839 beschrieb Christian Friedrich Schönbein erstmals die einzigartige Erscheinung, dass ein chemisches Element in Gasform in zwei verschiedenen molekularen Formen nebeneinander beständig ist – Ozon und Disauerstoff. Zunächst erschien diese Tatsache aber zu eigenartig, als dass die einfache Deutung Schönbeins, eine Allotropie im Gaszustand, allgemeine Anerkennung gefunden hätte.
Die Abbaureaktionen von Ozon durch Stickoxide beschrieb 1970 erstmals Paul Josef Crutzen (Nobelpreis für Chemie 1995).
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. Es entsteht dort im Ozon-Sauerstoff-Zyklus. Ozon ist in der Stratosphäre unschädlich und absorbiert teilweise die Ultraviolettstrahlung der Sonne. In der Atemluft ist es jedoch bereits in weit geringeren Konzentrationen gesundheitsschädlich, insbesondere verursacht die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege.
Diese sehr unterschiedliche Gefahreneinschätzung in den verschiedenen atmosphärischen Schichtungen führt sehr häufig zu Verwechslungen und zur Unterschätzung der Gefahren. Das gesundheitliche Risiko des Ozons in den bodennahen Luftschichten ist durch seine Reaktivität begründet; Ozon ist eines der stärksten Oxidationsmittel.Renate Eberts: TU Berlin, 1998.
In Reinluftgebieten ist die Ozon-Konzentration im Sommer oft höher als in Städten. Dies liegt daran, dass Stickoxide (NOx) der Ozonbildung entgegenwirken. In Städten ist die NOx-Konzentration durch Emissionen von Fahrzeugen (Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge) relativ hoch. Im Einzelnen laufen folgende Reaktionen ab:
Ozon entsteht wie folgt:
Gleichzeitig wird Ozon durch NO wieder abgebaut:
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:
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 Reaktion, abgerufen am 17. Mai 2008. 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 kleiner 242 nm wird als Photodissoziation bezeichnet. In Erdnähe bildet sich Ozon bei der Reaktion von Stickoxiden (z. B. NO2) mit Sauerstoff O2 unter dem Einfluss von UV-Strahlung. Trotz Einführung des Motoren-Katalysators ist der Straßenverkehr über den Ausstoß von Schadstoffen indirekt für diese Form der Ozonbildung in erdnahen Luftschichten (vornehmlich Städten) mitverantwortlich.Bundesamt für Umwelt (Schweiz): Schriftenreihe Umwelt, Nr. 179. Bei Gewitter: Da die Bindung der O2-Moleküle durch die hohen elektrischen Feldgradienten und die hohen Temperaturen in der Nähe des Blitzes aufgebrochen werden, bildet sich bei der Blitzentladung Ozon (neben Salpetersäure und weiteren Stoffen).
Raumluftreinigungsgeräte mini|Raumluftozonisator (1960er-Jahre) Beim Betrieb von Raumluftreinigungsgeräten kann es gezielt oder ungewollt zur Bildung von Ozon kommen. So bilden einige Ionisatoren Ozon, um geruchlich wahrgenommene Moleküle der Umgebungsluft zu spalten und zu eliminieren. Allerdings bergen die Abbauprodukte von Nikotin und Zigarettenrauch, neben dem Ozon selbst, hohe gesundheitliche Risiken, so dass z. B. die Deutsche Lungenstiftung davor warnt, den schlechten Geruch verrauchter Räume mit Ozon generierenden Luftreinigern zu beseitigen. Die Richtlinie VDI 6022 Blatt 5 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität - Vermeidung allergener Belastungen - Anforderung an die Prüfung und Bewertung von technischen Geräten und Komponenten mit Einfluss auf die Atemluft“ empfiehlt daher, beim Einsatz von Ionisatoren gegebenenfalls die Ozon-Emissionsrate zu bestimmen.VDI 6022 Blatt 5:2016 11 Raumlufttechnik, Raumluftqualität; Vermeidung allergener Belastungen; Anforderung an die Prüfung und Bewertung von technischen Geräten und Komponenten mit Einfluss auf die Atemluft (Ventilation and indoor-air quality; Avoidance of allergenic exposure; Requirements regarding the testing and evaluation of technical products and components affecting the indoor air). Beuth Verlag, Berlin, S. 21.
Ozon kann auch beim Betrieb von elektrostatischen Abscheidern (Elektrofiltern), die zur Raumluftreinigung eingesetzt werden, entstehen.Hartmut Finger, Ute Schneiderwind, Christof Asbach: Bewertung mobiler Raumluftreinigungsgeräte. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 75, Nr. 11/12, 2015, S. 497–502. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn durch die negative Polung der Sprühelektrode eine negative Koronaentladung erzielt wird. Deshalb wird in der Regel bei raumlufttechnischen Anlagen von dieser Konstellation abgesehen.VDI 3678 Blatt 2:2010-12 Elektrofilter; Prozessluft- und Raumluftreinigung (Electrostatic precipitators; Process air and indoor air cleaning). Beuth Verlag, Berlin, S. 11.
Ozon kann ebenfalls beim Betrieb von Raumluftreinigungsgeräten entstehen, die gezielt nichtthermisches Plasma erzeugen. Die Menge des erzeugten Ozons hängt dabei von der Bauart und der Leistungsaufnahme des eingesetzten Geräts ab.Henning Heberer, Eberhard Nies, Markus Dietschi, Angela Möller, Wolfgang Pflaumbaum, Marco Steinhausen: Überlegungen zur Wirkung und toxikologischen Relevanz von NTP-Luftreinigungsgeräten. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 65, Nr. 10, 2005, S. 419–424.
Fotokopierer Bei älteren Fotokopierern sowie Laserdruckern kann man einen typischen „Ozongeruch“ wahrnehmen. Dieser Geruch rührt nur indirekt vom durch die Ionisation der Luft im Gerät gebildeten Ozon her; er kommt vielmehr durch Spuren nitroser Gase (NOx) zustande, die durch Reaktion des Ozons mit dem Luftstickstoff gebildet werden. Das Funktionsprinzip der Geräte erfordert eine Ionisierung der Luft bei Spannungen von 5–15 kV. Meist besitzen die Geräte Ozonfilter, die das produzierte Ozon in Kohlenstoffdioxid umwandeln. Dennoch sollten diese Geräte möglichst nicht in unbelüfteten Räumen verwendet werden. Moderne Drucker und Fotokopierer arbeiten mit einer Transferrollentechnik, welche die Ozonbildung verhindert und die ältere Coronadrahttechnik weitestgehend ersetzt hat.
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.G. Brauer (Hrsg.): Handbook of Preparative Inorganic Chemistry. 2. Auflage. vol. 1, Academic Press, 1963, S. 337–340.
Technische Erzeugung
Erzeugung durch Ionisierung von Luft oder Sauerstoff mini|Elektrophorese-Ozonerzeuger Aufgrund seiner Instabilität kann Ozon nicht über längere Zeit bei Raumtemperatur gelagert oder wie andere industriell verwendete Gase in Druckflaschen gekauft werden (näheres siehe Abschnitt „Lagerung“). Vor seiner Anwendung (chemische Synthese, Wasseraufbereitung, als Bleichmittel etc.) muss es an Ort und Stelle erzeugt werden.
Zur Herstellung wird meistens getrocknete Luft oder Sauerstoff (Taupunkt mind. −65 °C) als Trägergas eingesetzt. In selteneren Fällen wird Sauerstoff mit Argon, Kohlenstoffdioxid u. ä. gemischt. Im Ozonerzeuger (Ozongenerator) werden die Sauerstoffmoleküle durch stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziiert, wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet. In Luft bewegen sich typische Endkonzentrationen zwischen einem und fünf Prozent Massenanteil, in Sauerstoff zwischen sechs und dreizehn Prozent Massenanteil.
Aus reinem, trockenem Sauerstoff können bis zu 90 g·m−3, aus Luft (bei Kühlung) bis zu 40 g·m−3 Ozon gewonnen werden. Für 1 kg Ozon aus Sauerstoff (im Bereich von 1–6 Gew-%) werden 7–14 kWh Strom und 1,8 m3/h Kühlwasser verbraucht.
Die in der Praxis eingesetzten technischen Vorrichtungen können auf folgenden Elektrodenkonfigurationen basieren: ineinander geschobene Röhren (z. B. metallisch innenbeschichtetes Glasrohr im Stahlrohr) parallele Platten drahtumwickelte Elektroden für Oberflächenentladungen Spitze zu Platte Bei Anlagen mit mehr als 20 kg Ozon pro Stunde werden üblicherweise nur Röhrenozonisatoren eingesetzt.
In erster Näherung ist die Ozonanreicherung eine Funktion des elektrischen Energieeintrags pro Gasvolumen. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können folgende Parameter variiert werden: Elektrodenabstand Elektrodenausrichtung Dielektrikumsmaterial Spitzenspannung und Frequenz