Ozono

Ozono
nombre de la IUPAC
Ozono
Características generales
Fórmula molecular o crudaO₃
Masa molecular ( u )48
Aparienciagasolina azul
número CAS10028-15-6
Número EINECS233-069-2
PubChem24823
Banco de medicamentosDB12510
SONRISAS[O-][O+]=O
Propiedades fisicoquímicas
Densidad (kg m −3 , en cs )1.7
Solubilidad en agua0,57 g/L a 293 K.
Temperatura de fusión−193 °C (80 K)
Temperatura de ebullición−112 ° C (161 K)
Presión de vapor ( Pa ) a 261 K.5,5 × 10 6
Propiedades termoquímicas
Δ f H 0 (kJ mol −1 )142.7
Δ f GRAMO 0 (kJ mol −1 )163.2
S 0 m (JK −1 mol −1 )238.9
C 0 p, m (J K ​​​​−1 mol −1 )39.2
Información de seguridad
Símbolos de peligro químico
Frases H270 - 315 - 319 - 330 - 335 - 341 - 373 - 400 [1]
Consejo P201 - 202 - 220 - 244 - 260 - 261 - 264 - 271 - 273 - 280 - 281 - 284 - 302 + 352 - 304 + 340

El ozono , o trioxígeno , es una forma alotrópica de oxígeno con la fórmula química O 3 . Es un gas azul con un característico olor a ajo que le da su nombre: la palabra "ozono" deriva del francés antiguo "ozono", que a su vez deriva del griego antiguo "ὄζειν" (ózein), [2] es decir emanar olor . [3] Muchas personas detectan el olor del ozono en concentraciones atmosféricas superiores a 0,1 ppm. [4]

Historia

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 reacciones eléctricas, sin darse cuenta de que en realidad había creado ozono.

En 1839, Christian Friedrich Schönbein , mientras realizaba experimentos sobre la oxidación lenta del fósforo y sobre la electrólisis del agua , notó el mismo olor y lo asoció con lo que sigue a un rayo en el cielo. En 1840 aisló la molécula y la llamó ozono . [5]

La fórmula química O 3 fue determinada en 1865 por el químico suizo Jacques-Louis Soret y confirmada por Schönbein en 1867.

Aunque el ozono tiene efectos positivos cuando está libre en la atmósfera , en 1873 James Dewar y John Gray McKendrick documentaron algunos efectos negativos que esta molécula tiene en los organismos: las ranas se volvieron más lentas, las aves se quedaron sin aliento y la sangre de los conejos mostró niveles reducidos de oxígeno. después de la exposición al aire rico en ozono. [6] [7] El propio Schönbein informó que se produjeron dolores en el pecho, irritación de las mucosas y dificultades para respirar debido a la inhalación de ozono y que los pequeños mamíferos murieron durante sus experimentos. [5]

Hasta la fecha, el único conocimiento completamente establecido del efecto fisiológico del ozono es que causa irritación y edema de los pulmones y la muerte si se inhala en una concentración relativamente alta durante cualquier período de tiempo. [7]

Estructura y propiedades fisicoquímicas

Según la evidencia experimental de la espectroscopia de microondas , el ozono es una molécula plegada, con una simetría similar a la molécula de agua . Las distancias de enlace son de 127,2  pm , mientras que el ángulo O - O - O es de 116,78°, lo que la convierte en una molécula polar. [8] La molécula se puede representar como un híbrido de resonancia con dos estructuras límite, cada una con un enlace simple en un lado y un enlace doble en el otro.

El ozono puede estar compuesto por diferentes isótopos de oxígeno ( 16 O, 17 O, 18 O). A 20 °C es un gas inestable con una vida media de tres días, mientras que por debajo de -112 °C es un líquido explosivo que se desintegra en 20 minutos. Por lo tanto, no se puede conservar y debe producirse en el momento de su uso.

Tiene un olor acre característico, el mismo que a veces acompaña a las tormentas eléctricas , debido al ozono producido por las descargas eléctricas de los rayos . Es un oxidante energético y altamente venenoso para los seres vivos . Sin embargo, es un gas esencial para la vida en la Tierra debido a su capacidad para absorber la luz ultravioleta ; la capa de ozono presente en la estratosfera protege a la Tierra de la acción nociva de los rayos ultravioleta UV-C del sol . Debido a su capacidad para destruir la capa de ozono de la estratosfera, se ha prohibido la producción y el uso de freones . El uso de CFC también ha disminuido significativamente (que no se han abolido por completo). En China e India , por ejemplo, aún perseveran en su uso.

Los compuestos derivados del ozono se denominan ozónidos .

Ozono en la atmósfera terrestre

Ozonosfera

El ozono está presente en las capas superiores de la atmósfera, concentrándose sobre todo a una altura de 25 km, donde se encuentra la ozonosfera : [9] aquí el ozono absorbe y retiene parte de la energía proveniente directamente del Sol , contribuyendo al calentamiento de esta capa de atmósfera.

El ozono de la capa de ozono absorbe la energía de la luz solar en longitudes de onda que van desde alrededor de 200 nm a 315 nm, con un pico de absorción de alrededor de 250 nm. [10] Estas longitudes de onda corresponden a la radiación UV -C y UV-B (lejana) y su absorción es importante para la supervivencia de la vida en la superficie terrestre. Por lo tanto, el espectro de absorción de la atmósfera se extiende a los rayos UV-C y UV-B completos, ya que la absorción de los rayos UV por parte del oxígeno y el nitrógeno incluye longitudes de onda inferiores a 200 nm (vecinos UV-B). La pequeña porción no absorbida de UV-B que queda después de pasar a través del ozono causa quemaduras solares en humanos y daño directo al ADN en tejidos vivos tanto en plantas como en animales. Sin embargo, estas mismas longitudes de onda también se encuentran entre las responsables de la producción de vitamina D en humanos.

Ozono troposférico

El ozono también está presente en una pequeña parte en las capas inferiores de la atmósfera como contaminante secundario o fotoquímico derivado de la transformación química de los contaminantes primarios (es uno de los principales componentes del smog producido por el hombre en las grandes ciudades): a diferencia del ozono que se encuentra en la estratosfera , la troposférica es un contaminante muy venenoso para los ojos y las vías respiratorias.

Existe evidencia de una reducción significativa en los rendimientos agrícolas debido al aumento del ozono, ya que interfiere con la fotosíntesis y bloquea el crecimiento general de algunas especies de plantas. [11]

Resumen

Producción natural

El ozono se genera a partir de moléculas diatómicas de oxígeno (O 2 ) en la vecindad de descargas eléctricas, chispas y relámpagos, según la siguiente reacción: [12]

3 O 2 → 2 O 3

Dado que la reacción es endotérmica , esta requiere la absorción de una cierta cantidad de energía, igual a unas 69000 calorías / mol , para que se lleve a cabo. [12]

Producción industrial

El ozono no es estable a largo plazo y, por lo tanto, no se produce ni comercializa en cilindros como otros gases industriales. Generalmente se prepara en el momento de su uso mediante dispositivos llamados ozonizadores que convierten el oxígeno del aire en ozono mediante descargas eléctricas. Por lo tanto, la reacción de formación de ozono industrial sigue esta reacción: [13]

O 2 + H 2 O ⇌ O 3 + 2H + + 2e -

Generadores Corona

El proceso más importante para la producción de ozono es mediante generadores de efecto corona , que han demostrado ser especialmente eficientes, y de los que se han desarrollado diversas variantes. Entre sus ventajas, la posibilidad de construir generadores incluso de pequeñas dimensiones, la de poder producir ozono minimizando la producción de otros gases irritantes, la longevidad de las células de efecto corona, que puede superar los diez años, y la alta productividad.

Generadores de células Siemens

Son los principales generadores de efecto corona actualmente en el mercado y para la producción de ozono utilizan celdas que siguen la patente de Werner von Siemens de 1857 y de los generadores de ozono diseñados por Welsbach en 1950 . Estas celdas consisten en dos electrodos concéntricos separados por un espacio de algunas décimas de milímetro (0,8–1,5  mm ), en el que fluye aire u oxígeno. Entre los electrodos existe una diferencia de potencial de7 ± 30  kV , con una frecuencia de50  Hz y superior1kHz _  _ El electrodo más interno está hecho de metal, mientras que el electrodo externo está formado por un alambre conductor metálico que envuelve externamente un tubo de material dieléctrico, generalmente vidrio de borosilicato o cerámica (éste introducido entre 1984 y 1985). El electrodo interno está conectado al generador de media tensión, mientras que el electrodo externo está conectado a tierra (en algunos casos estas conexiones pueden invertirse). La presión de operación puede variar entre una y tres veces la presión atmosférica0,1-0,3  MPa . Hay que tener en cuenta que la formación de ozono a partir del oxígeno se produce con una disminución del número de moles, por lo que se ve favorecida por la presión.

Dado que una parte variable entre el 85% y el 95% de la energía que alimenta las células se transforma en calor, debe eliminarse mediante un sistema de refrigeración adecuado, ya sea por aire o por agua. Para la producción de un caudal másico deSe requieren 0.27  mg /s de ozono aproximadamente0,70  cm³ / s de agua de refrigeración a 15°C. Generadores de ozono hasta1.4–2.7 mg / s también se pueden enfriar con aire, pero por encima de estos poderes, el enfriamiento con agua es esencial.

Los grandes generadores de ozono son más eficientes que los más pequeños, requieren menor potencia eléctrica unitaria y, en consecuencia, también menos agua de refrigeración. El ozono se puede producir a partir del oxígeno o del aire: en el oxígeno la concentración de ozono que se puede alcanzar es aproximadamente el doble que a partir del aire, pero el proceso tiene mayores rendimientos para el aire, ya que la presencia de un gas inerte favorece la cinética de formación de ozono. Utilizando aire llegamos a concentraciones de ozono del 6% (p/p), 76,8 g/Nm 3 (la mayoría de generadores industriales dan una concentración de ozono de 25 g/Nm 3 ), con rendimientos de 0,028 g/kJ. Hay una menor producción de calor, con menor necesidad de refrigeración forzada de la celda y cierto ahorro en los costes de explotación, ya que se trabaja con aire atmosférico. Utilizando oxígeno, se puede enviar directamente a las células de ozono, ya que se suministra ya seco y muy puro. Las concentraciones de ozono alcanzables pueden superar el 20% (p/p), 286 g/Nm 3 , con rendimientos de 0,069 kg/MJ. La producción de calor, al estar ligada a la cantidad de ozono formado, es más intensa.

Es muy importante que el aire utilizado en el proceso de producción de ozono esté absolutamente seco: el punto de rocío no debe exceder−50  ° C. Hoy en día, este grado de secado se puede lograr con bastante facilidad con membranas o con secadores de adsorción. Cuando el aire está perfectamente seco (punto de rocío de -55 °C o menos), el NOx ni siquiera se forma. También debe estar completamente libre de neblina de aceite de los compresores, por lo que es recomendable utilizar compresores no lubricados. Los depósitos de aceite en la celda favorecen la generación de arcos que la dañan gravemente, incluso perforándola.

Otro punto esencial es la perfecta estabilidad y "limpieza" de la fuente de alimentación; los circuitos del generador de ozono deben ser capaces de suprimir los arcos que se produzcan en las celdas que, dadas las diferencias de potencial implicadas, provocarían la perforación inmediata del electrodo. Todo esto implica una tecnología sofisticada para la producción de generadores de ozono, tanto para la preparación del aire, como para la parte eléctrica y la electrónica de potencia. A pesar de todo esto, una planta de generación de ozono tiene una vida operativa bastante larga y requiere un mantenimiento bastante reducido.

Además de las celdas Siemens, en los últimos veinte años se han ensayado una serie de celdas, nuevamente basadas en el efecto corona, con una geometría innovadora: cavidad ancha, descarga en frío, tipo Siemens con cavidad muy pequeña, electrodo de malla metálica, fina electrodo de alambre, así como innumerables otros experimentos basados ​​en tecnologías o materiales especiales.

Lámpara ultravioleta

Otro proceso emplea lámparas ultravioleta con una banda de emisión concentrada en185  nm . Estos tienen innumerables desventajas en comparación con las células corona:

Electrólisis

Un tercer proceso obtiene ozono directamente por vía electrolítica , y fue probado hace unos años en la depuración de aguas residuales de la industria farmacéutica . Esta posibilidad despierta mucho interés en la actualidad, y en pocos años se han presentado varias decenas de patentes al respecto. Recientemente (2011), en una patente canadiense, entraron en producción celdas para la producción electrolítica de ozono directamente en el agua, que pueden ser utilizadas para la esterilización de agua de piscinas y aguas residuales. Requieren un cierto grado de conductividad del agua (alrededor de 1 000 microSiemens/cm), pero simplifican mucho los sistemas necesarios para la ozonización del agua.

Usos

Dado su poder oxidante, el ozono se utiliza para blanquear y desinfectar, de forma similar al cloro . [12] Los usos industriales del ozono incluyen los siguientes:

Reacciones

El ozono es uno de los agentes oxidantes más potentes que se conocen, por lo que casi todas las reacciones en las que interviene serán oxidaciones . Es bastante inestable a altas concentraciones y se descompone en oxígeno diatómico durante un período de tiempo variable dependiendo de las condiciones de temperatura y humedad del aire.

2 O 3 → 3 O 2

Esta reacción es más rápida cuanto mayor es 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. [17]

Con metales y compuestos de nitrógeno, carbono y azufre

La oxidación de metales, compuestos de nitrógeno, carbono y azufre por el ozono sigue las siguientes reacciones:

Cu + O3 → CuO + O2 NO + O 3 → NO 2 + O 2 NO2 + O3 → NO3 + O2 _ 2 NH 3 + 4 O 3 → NH 4 NO 3 + 4 O 2 + H 2 O C + 2 O 3 → CO 2 + 2 O 2 S + H 2 O + O 3 → H 2 SO 4

Y otros menos frecuentes.

Con alquenos y alquinos

El ozono reacciona con los alquenos para dar alcohol , aldehídos o cetonas dependiendo de la conformación del alqueno.

Al reaccionar con alquinos se pueden formar dicetonas .

Efectos sobre la salud

Cientos de estudios sugieren que el ozono es dañino para las personas en los niveles que se encuentran actualmente en las áreas urbanas. [18] [19] Se ha demostrado que el ozono actúa sobre los sistemas respiratorio , cardiovascular y nervioso central . La muerte prematura y los problemas de salud reproductiva y del desarrollo también están asociados con la exposición al ozono. [20]

Exposición aguda

Dado que el ozono es un gas, afecta directamente a los pulmones y a todo el sistema respiratorio. El ozono inhalado provoca inflamación y cambios agudos, pero reversibles, en la función pulmonar, así como hiperreactividad de las vías respiratorias. [21] Estos cambios provocan dificultad para respirar, sibilancias y tos que pueden exacerbar las enfermedades pulmonares, como el asma o la enfermedad pulmonar obstructiva crónica , lo que resulta en la necesidad de atención médica. [22]

Se han realizado numerosos estudios para determinar el mecanismo detrás de los efectos dañinos del ozono. Estos estudios han demostrado que la exposición al ozono provoca cambios en la respuesta inmunitaria dentro del tejido pulmonar, lo que provoca la interrupción de las respuestas inmunitarias tanto innatas como adaptativas, así como la alteración de la función protectora de las células epiteliales pulmonares. [23] Se cree que estos cambios en la respuesta inmunitaria y la respuesta inflamatoria relacionada son factores que contribuyen al aumento del riesgo de infecciones pulmonares y al empeoramiento o activación del asma. [23]

Se ha demostrado que el funcionamiento de las células inmunes innatas cambia después de la exposición al ozono. [24] Se ha demostrado que los macrófagos cambian el nivel de las señales inflamatorias que liberan en respuesta al ozono, aumentando la regulación y causando más inflamación en el pulmón. [23] Los neutrófilos , otro tipo de célula importante del sistema inmunitario innato, están presentes en las vías respiratorias dentro de las 6 horas posteriores a la exposición a niveles altos de ozono, pero su capacidad para matar bacterias parece verse afectada por la exposición al ozono. [23]

El sistema inmunitario adaptativo es la rama de la inmunidad que brinda protección a largo plazo a través del desarrollo de anticuerpos , y también se ve afectado por una alta exposición al ozono. [24] Los linfocitos producen más sustancias químicas inflamatorias ( citoquinas ) después de la exposición al ozono. [23]

Finalmente, el tejido epitelial representa una barrera protectora de las vías respiratorias superiores, ya que contiene estructuras ciliares especializadas que trabajan para eliminar cuerpos extraños, mocos y patógenos de los pulmones. Cuando se expone al ozono, los cilios se dañan y se reduce la limpieza mucociliar de patógenos. Además, la barrera epitelial se debilita, lo que permite que los patógenos atraviesen la barrera, proliferen y se extiendan a tejidos más profundos. Juntos, estos cambios en la barrera epitelial contribuyen a que las personas sean más susceptibles a las infecciones pulmonares. [23]

La inhalación de ozono no solo afecta el sistema inmunológico y los pulmones, también puede afectar el corazón . El ozono provoca un desequilibrio autonómico a corto plazo que provoca cambios en la frecuencia cardíaca y reduce la variabilidad de la frecuencia cardíaca; altos niveles de exposición por tan solo una hora causan arritmia en los ancianos. Ambos eventos aumentan el riesgo de muerte prematura y accidente cerebrovascular. El ozono también puede conducir a la vasoconstricción, lo que resulta en un aumento de la presión arterial sistémica, lo que contribuye a un mayor riesgo de mortalidad en pacientes con enfermedades cardíacas preexistentes. [25] [26]

Exposición crónica

Un estudio encuentra asociaciones significativas entre la exposición crónica al ozono y la mortalidad circulatoria y respiratoria por todas las causas con aumentos de riesgo del 2 %, 3 % y 12 % por cada 10 ppb de ozono. El ozono crónico tiene efectos nocivos en los niños, especialmente en aquellos con asma. El riesgo de hospitalización en niños con asma aumenta con la exposición crónica al ozono. Los adultos con enfermedades respiratorias tienen un mayor riesgo de mortalidad y los pacientes en estado crítico tienen un mayor riesgo de desarrollar síndrome de dificultad respiratoria aguda. [27] [28]

Usos en medicina alternativa y veterinaria

Aunque el ozono se usa en algunos casos con fines terapéuticos, su uso sigue siendo debatido y, a menudo, carece de literatura científica de apoyo adecuada. La Administración de Alimentos y Medicamentos declara que el ozono es "un gas tóxico del que no se conocen aplicaciones médicas útiles en terapia específica, adyuvante o preventiva". [29]

Sin embargo, el ozono es un poderoso oxidante y tiene actividad antibacteriana. Gracias a estas propiedades, se utiliza, por ejemplo, en el tratamiento de enfermedades de la piel [30] , especialmente si son causadas por patógenos que han desarrollado resistencia a los enfoques terapéuticos convencionales [31] , como antibióticos y agentes quimioterapéuticos para uso dermatológico. El ozono también puede inhibir el crecimiento y la proliferación de dermatofitos en el curso de la dermatitis fúngica. El ozono ahora también se usa como terapia para infecciones del oído de origen bacteriano y fúngico, donde tiene actividades analgésicas y antiinflamatorias [32] [33] . En ortopedia y cirugía se utiliza para inducir una rápida cicatrización en caso de heridas quirúrgicas, fístulas, suturas y fijadores externos.

En medicina veterinaria se utiliza en dermatología como terapia para la pioderma superficial y profunda; en lesiones de origen fúngico, traumático e inmunológico, y también en casos de heridas caracterizadas por picor e inflamación.

Notas

  1. ^ https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/24823#section=GHS-Clasificación
  2. ^ Etimología: ozono; , en etimo.it . Consultado el 9 de febrero de 2022 .
  3. ^ ożòno en Vocabulario - Treccani , en treccani.it . Consultado el 24 de julio de 2021 .
  4. ^ CDC - Concentraciones inmediatamente peligrosas para la vida o la salud (IDLH): Ozono - Publicaciones y productos de NIOSH , en cdc.gov , 2 de noviembre de 2018. Consultado el 24 de julio de 2021 .
  5. ^ a b La historia del ozono ( PDF ), en acshist.scs.illinois.edu .
  6. ^ The Practitioner , John Brigg, 1874. Consultado el 25 de julio de 2021 .
  7. ^ a b A Killer of a Cure , Science History Institute , 10 de abril de 2017. Consultado el 25 de julio de 2021 .
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  14. ^ El 26 de junio de 2001, la Administración de Drogas y Alimentos de EE . UU. aprobó el uso de ozono como agente antimicrobiano cf. ( EN ) Administración de Alimentos y Medicamentos, Aditivos alimentarios directos secundarios permitidos en alimentos para consumo humano , 26 de junio de 2001 (archivado desde el original el 15 de enero de 2017) .
  15. ^ El Ministerio de Salud expresó una opinión favorable en 2010, cf. Ministerio de Salud de Italia, Opinión de la CNSA sobre el tratamiento con ozono del aire en entornos de maduración de queso ( PDF ), 27 de octubre de 2010. Consultado el 23 de mayo de 2020 .
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Bibliografía

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