Ozono

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El ozono o trioxígeno, es una molécula inorgánica con la fórmula química O3. Es un gas azul pálido con un distintivo olor acre. Es un alótropo del oxígeno que es mucho menos estable que el alótropo diatómico O2, descomponiéndose en la atmósfera inferior a oxigeno diatómico. El ozono se forma a partir del oxígeno por la acción de la luz ultravioleta (UV) y las descargas eléctricas dentro de la atmósfera de la Tierra. Está presente en concentraciones muy bajas en toda esta última, siendo su mayor concentración alta en la capa de ozono de la estratosfera, que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta (UV) del Sol.

El olor del ozono recuerda al del cloro, y es detectable por muchas personas en concentraciones de tan sólo 0,1 ppm en el aire. La estructura del O3 del ozono se determinó en 1865. Más tarde se demostró que la molécula tenía una estructura doblada y era débilmente paramagnética.


En condiciones normales, el ozono es un gas azul pálido que se condensa a temperaturas criogénicas en un líquido azul oscuro y, finalmente, en un sólido violeta-negro. La inestabilidad del ozono con respecto al oxígeno más común es tal que tanto el ozono concentrado en forma de gas como en forma líquida puede descomponerse explosivamente a temperaturas elevadas o a un rápido calentamiento hasta el punto de ebullición. Por lo tanto, se utiliza comercialmente sólo en bajas concentraciones.

Fórmula esquelética del ozono con cargas parciales
Fórmula esquelética del ozono con cargas parciales

El ozono es un potente oxidante (mucho más que el dioxido de carbono) y tiene muchas aplicaciones industriales y de consumo relacionadas con la oxidación. Sin embargo, este mismo alto potencial oxidante hace que esta molécula dañe los tejidos mucosos y respiratorios de los animales, y también los tejidos de las plantas, por encima de concentraciones de aproximadamente 0,1 ppm. Si bien esto hace que el ozono sea un potente peligro para las vías respiratorias y un contaminante cercano al nivel del suelo, una mayor concentración en la capa de ozono (de dos a ocho ppm) es beneficiosa, ya que impide que la dañina luz ultravioleta llegue a la superficie de la Tierra.

Historia del ozono

En 1785, el químico holandés Martinus van Marum estaba realizando experimentos con chispas eléctricas sobre el agua cuando notó un olor inusual, que atribuyó a las reacciones eléctricas, sin darse cuenta de que en realidad había sintetizado ozono.


Medio siglo más tarde, Christian Friedrich Schönbein notó el mismo olor y lo reconoció como el olor que a menudo sigue a un rayo. En 1839, logró aislar el producto químico gaseoso y lo denominó «ozono», a partir de la palabra griega ozein (ὄζειν) que significa «oler». Por esta razón, a Schönbein se le atribuye en general el descubrimiento del ozono. La fórmula del ozono, O3, no fue determinada hasta 1865 por Jacques-Louis Soret y confirmada por Schönbein en 1867.

Christian Friedrich Schönbein (18 de octubre de 1799 - 29 de agosto de 1868)
Christian Friedrich Schönbein (18 de octubre de 1799 – 29 de agosto de 1868)

Ozono y la desinfección

Durante gran parte de la segunda mitad del siglo XIX y hasta bien entrado el siglo XX, el ozono fue considerado un componente saludable del medio ambiente por los naturalistas y los buscadores de salud. Beaumont, California tenía como lema oficial «Beaumont: Zona de Ozono». Los naturalistas que trabajaban al aire libre a menudo consideraban que las mayores elevaciones eran beneficiosas por su contenido de este compuesto. «Hay una atmósfera bastante diferente [a mayor altitud] con suficiente ozono para sostener la energía necesaria [para trabajar]«, escribió el naturalista Henry Henshaw, que trabajaba en Hawai. El aire de las costas se consideraba saludable debido a su supuesto contenido de ozono; pero el olor que da lugar a esta creencia es, de hecho, el de los metabolitos halogenados de las algas marinas.

Después de 1840, siguieron muchos estudios sobre el mecanismo de desinfección del ozono. El primer generador de ozono fue fabricado en Berlín por Von Siemens. Este fabricante también escribió un libro sobre la aplicación del ozono en el agua. Esto provocó que se llevaran a cabo varios proyectos piloto, durante los cuales se investigó el mecanismo de desinfección del ozono.

El químico francés Marius Paul Otto recibió un doctorado por su ensayo sobre el ozono. Fue la primera persona en iniciar una empresa especializada en la fabricación de instalaciones de ozono: «Compagnie des Eaux et de l’Ozone

Marius Paul Otto con un generador de ozono
Marius Paul Otto

La primera aplicación a escala técnica del ozono tuvo lugar en Oudshoorn, Países Bajos, en 1893. Esta instalación fue estudiada a fondo por científicos franceses, y otra unidad fue instalada en Niza después de eso (en 1906). Desde entonces, el ozono se aplicó en Niza de forma continua, haciendo que Niza se llamara «el lugar de nacimiento del ozono para el tratamiento del agua potable».


Expansión de su uso

En los años anteriores a la Primera Guerra Mundial, hubo un aumento en el uso de instalaciones de ozono en varios países. Alrededor de 1916, 49 instalaciones de ozono estaban en uso en toda Europa (26 de las cuales estaban ubicadas en Francia). Sin embargo, este aumento se frenó poco después. Esto fue consecuencia de la investigación de otros gases con el mismo potencial, que evidentemente condujo al desarrollo de la aplicación de cloro.

Este desinfectante parecía ser una alternativa adecuada, ya que no presentaba las desventajas de este, como la baja garantía de aplicación y el bajo rendimiento de la generación de ozono. La producción de ozono no alcanzó su nivel anterior hasta después de la Segunda Guerra Mundial. En 1940, el número de instalaciones que se utilizaban en todo el mundo sólo había aumentado a 119. En 1977 este número había aumentado a 1043 instalaciones de ozono. Más de la mitad de las instalaciones estaban ubicadas en Francia. Alrededor de 1985, el número de instalaciones de ozono aplicadas se estimaba >2000.

Hoy en día, todavía se prefiere el cloro al ozono para la desinfección del agua. Sin embargo, en los últimos decenios el uso de aplicaciones de esta molécula comenzó a aumentar de nuevo. Esto fue causado por el descubrimiento de los trihalometanos (THM) como subproducto dañino de la desinfección con cloro, en 1973. Consecuentemente, los científicos comenzaron a buscar desinfectantes alternativos.

Otro problema fue el aumento de los perturbadores y difícilmente removibles microcontaminantes orgánicos en las aguas superficiales. Estos compuestos parecían ser oxidados por el ozono más rápidamente que por el cloro y los compuestos de cloro. Además, el ozono resultó desactivar incluso aquellos microorganismos que desarrollan resistencia a los desinfectantes, como el Cryptosporidium.


Nomenclatura

El nombre trivial de ozono es el más comúnmente usado y preferido por la IUPAC. El nombre ozono deriva de ozeína (ὄζειν), el verbo griego para el olor, que hace referencia al olor distintivo del ozono.

En contextos apropiados, el ozono puede considerarse como trioxidano con dos átomos de hidrógeno eliminados, y como tal, el trioxidilideno puede utilizarse como nombre sistemático, según la nomenclatura sustitutiva. Por defecto, estos nombres no tienen en cuenta la radicalidad de la molécula de ozono. En un contexto aún más específico, también puede denominarse el estado basal singlete no radical, mientras que el estado dirradical es llamado trioxidanediil.

El trioxidendicil (u ozonido) se utiliza, de forma no sistemática, para referirse al grupo sustituto (-OOO-). Se debe tener cuidado de no confundir el nombre del grupo con el nombre específico del contexto para el ozono que se ha dado anteriormente.

Propiedades del ozono

El ozono es un gas incoloro o de color azul pálido, ligeramente soluble en el agua y mucho más soluble en disolventes inertes no polares 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 inferiores a 80 K (-193,2 °C; -315,7 °F), forma un sólido violeta-negro.

La mayoría de la gente puede detectar alrededor de 0,01 μmol/mol de ozono en el aire donde tiene un olor agudo muy específico parecido al del 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 bajas concentraciones de ozono en el aire son muy destructivas para los materiales orgánicos como el látex, los plásticos y el tejido pulmonar de los animales. Este compuesto es débilmente paramagnético.


Formación natural y artificial de ozono

El ozono se forma a partir del oxígeno ordinario según la reacción

 Se forma en la atmósfera de tres maneras principales:

  • La radiación solar de alta energía divide las moléculas de oxígeno de la estratosfera en dos átomos individuales, cada uno de los cuales se combina con otra molécula de oxígeno para formar el ozono. Este proceso de división de las moléculas de oxígeno por medio de radiación UV-C de alta energía con una longitud de onda de < 242 nm se llama fotodisociación.
  • Cerca de la tierra, el ozono se forma por la reacción de los óxidos de nitrógeno (por ejemplo, NO2) con el oxígeno O2 bajo la influencia de la radiación UV. A pesar de la introducción de los convertidores catalíticos para motores, el tráfico rodado es indirectamente responsable de esta forma de formación de ozono en las capas de aire cercanas a la superficie terrestre (principalmente en las ciudades) a través de la emisión de contaminantes.
  • Durante las tormentas eléctricas: Debido al flujo de corriente eléctrica entre la nube y la tierra, se produce ozono durante la descarga del rayo (además de ácido nítrico y otras sustancias).

Dispositivos de purificación del aire

Durante el funcionamiento de los dispositivos de limpieza del aire, el ozono puede formarse intencionadamente o no. Por ejemplo, algunos ionizadores forman ozono para dividir y eliminar las moléculas de olor percibido en el aire ambiente. Sin embargo, los productos de descomposición de la nicotina y el humo de los cigarrillos, además del propio ozono, plantean grandes riesgos para la salud, por lo que la Fundación Alemana del Pulmón, por ejemplo, advierte que no se debe eliminar el mal olor de las habitaciones con humo con los purificadores de aire que generan esta molécula.

El ozono también puede generarse durante el funcionamiento de los precipitadores electrostáticos (filtros electrostáticos) utilizados para la purificación del aire de las habitaciones, especialmente cuando se logra una descarga negativa por la polaridad negativa del electrodo de pulverización. Por esta razón, esta configuración se suele evitar en los sistemas de ventilación y aire acondicionado.

El ozono también puede generarse durante el funcionamiento de los dispositivos de limpieza del aire de las habitaciones que generan específicamente plasma no térmico. La cantidad de ozono generada depende del diseño y el consumo de energía del dispositivo utilizado.


Fotocopiadoras

Con las fotocopiadoras antiguas, así como con las impresoras láser, se puede notar un típico «olor a ozono». Este olor es causado sólo indirectamente por el ozono formado por la ionización del aire en el dispositivo; es más bien causado por los rastros de gases nitrosos (NOx), que se forman por la reacción del ozono con el nitrógeno del aire. El principio de funcionamiento de los dispositivos requiere la ionización del aire a tensiones de 5-15 kV. En la mayoría de los casos, los dispositivos tienen filtros adecuados que convierten el ozono producido en dióxido de carbono. No obstante, estos dispositivos no deben utilizarse en habitaciones sin ventilación, si es posible. Las impresoras y fotocopiadoras modernas trabajan con la tecnología de rodillos de transferencia, que previene su formación y ha reemplazado en gran medida la antigua tecnología de alambre capilar.

Producción y síntesis

Síntesis en el laboratorio

El ozono puede obtenerse de la reacción del permanganato de potasio con ácido sulfúrico concentrado. El inestable heptóxido de dimanganeso Mn2O7, que se forma como producto intermedio, se descompone a temperatura ambiente en dióxido de manganeso y oxígeno, que es rico en ozono.

Durante la electrólisis del ácido sulfúrico diluido (aprox. 20 %), el ozono se desarrolla en un ánodo de oro o platino, especialmente a altas densidades de corriente. Con un buen enfriamiento, se puede lograr un contenido aproximadamente del 4-5 % en el oxígeno resultante, una concentración suficiente para llevar a cabo todas las reacciones del ozono a escala de banco. Utilizando aparatos sofisticados (por ejemplo, espirales finas de alambre de platino) y enfriando a -14 °C, se pueden lograr concentraciones de esta molécula considerablemente más altas.

El ozono también puede producirse a partir del oxígeno atmosférico bajo la influencia de la radiación ultravioleta o de descargas eléctricas. En el mercado existen dispositivos correspondientes conocidos como ozonizadores.

Tecnología de producción

Debido a su inestabilidad, el ozono no puede almacenarse durante largos períodos de tiempo ni comprarse en cilindros presurizados como otros gases utilizados en la industria. Antes de que pueda utilizarse (síntesis química, tratamiento de agua, como agente blanqueador, etc.), debe producirse in situ.


Para su producción, se suele utilizar aire seco u oxígeno (punto de rocío de al menos -65 °C) como gas portador. En casos más raros, el oxígeno se mezcla con argón, dióxido de carbono o similares. En el generador de ozono, las moléculas de oxígeno se disocian en átomos de oxígeno mediante una descarga eléctrica, tras lo cual se produce la síntesis y el enriquecimiento del ozono en el plasma de los filamentos de descarga. En el aire, las concentraciones finales típicas oscilan entre el uno y el cinco por ciento en masa, en el oxígeno entre el seis y el trece por ciento en masa.

Se puede obtener hasta 90 g-m-3 de ozono a partir de oxígeno puro y seco, y hasta 40 g-m-3 del aire (con refrigeración). Por 1 kg de ozono de oxígeno (en el rango de 1-6 %) se consumen 7-14 kWh de electricidad y 1,8 m3/h de agua de refrigeración.

Los dispositivos técnicos utilizados en la práctica pueden basarse en las siguientes configuraciones de electrodos:

  • tubos concéntricos
  • placas paralelas
  • electrodos envueltos en alambre para las descargas de superficie
  • de punta a plato

Para las plantas con más de 20 kg de ozono por hora, normalmente sólo se utilizan ozonizadores tubulares.

Como primera aproximación, el enriquecimiento del ozono es una función de la entrada de energía eléctrica por volumen de gas. Para optimizar la eficiencia, se pueden variar los siguientes parámetros:


  • El espacio entre los electrodos
  • Alineación de electrodos
  • El material dieléctrico
  • Pico de voltaje y frecuencia

También mediante la superposición de un campo eléctrico no homogéneo durante la entrada de energía (dielectroforesis), el equilibrio químico, que surge de la síntesis y la descomposición en un pequeño porcentaje en peso, puede desplazarse a favor del ozono.

Aunque la formación de ozono a partir del oxígeno tiene lugar bajo absorción de calor, las calderas generadoras de ozono en aplicaciones industriales se refrigeran con agua, ya que casi el 90 por ciento del aporte energético debe disiparse de nuevo como resultado de la alta tasa de descomposición. Para la eficiencia de la síntesis de ozono, la temperatura del gas es otro factor dominante.

Debido a la alta reactividad del ozono, sólo unos pocos materiales son resistentes a dicho compuesto. Entre ellos figuran el acero inoxidable (por ejemplo, 316L), el vidrio, el politetrafluoroetileno (PTFE), los polímeros de perfluoroalcoxia (PFA), el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el caucho de perfluoro. Condicionalmente resistente es el Viton, que no debe ser expuesto a la tensión mecánica alterna cuando esta en contacto con esta molécula.

Almacenamiento

El ozono líquido puede almacenarse como una solución de 30 a 75% en oxígeno líquido a -183 °C en presencia de estabilizadores como el CClF3, OF2, SF6, u otros sin riesgo de explosión. En fase gaseosa puede almacenarse bastante bien en estado puro (sin impurezas de compuestos orgánicos, azufre o ciertos metales) a -112 a -50 °C a una ligera presión positiva.

Para más información Ozone | O3 – PubChem



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