Ozon

Die Idee von einem Kommentar Hans, erdnahes Ozon in die Stratosphäre zu schaffen, bringt mich wieder mal zu einem Chemieblog und zwar zu Ozon. Zuerst einmal was ist Ozon? Ozon ist das Molekül O3, also ein Molekül aus drei Sauerstoffatomen. Das normale Sauerstoffatom O2 hat nur zwei. Was also ist am O3 so besonderes und warum gibt es kein O4, O5 usw… ?

Nun Ozon ist eine energiereiche Bindung. Das normale O2 Molekül besteht aus zwei Sauerstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden ist. Diese Doppelbindung ist erheblich stabiler als eine Einfachbindung. Beim Ozon sind drei Sauerstoffatome durch Einzelbindungen verbunden, wobei sie ein Dreieck bilden. Neben der schwächeren Bindung (Einzel- gegenüber Doppelbindung) steht dies Molekül unter innerer Spannung, weil bei Einzelbindungen der Winkel zwischen zwei Bindungen normalerweise 109,5 Grad beträgt, in einem Dreieck er aber auf 60 Grad verkleinert ist.

Ozon zerfällt daher unter Energieabgabe:

2 O3 → 3 O2 + 285,6 kJ

Vor allem ist es sehr reaktiv. Es oxidiert auch Stoffe, die von normalem Sauerstoff nicht angegriffen werden, so Quecksilber Silber oder Schwefel und Phosphor bei Zimmertemperatur. Natürlich auch alle organischen Stoffe, weshalb es auch zur Desinfektion und Sterilisierung genutzt wird. Dabei ist nur einer der drei Sauerstoffatome aktiv, denn die anderen können, wenn sie denn unerwünschten Dritten aus ihrem Molekül geschmissen haben, ein O2 Molekül bilden. Er ist gewissermaßen eine Zwischenform zwischen dem äußerst reaktiven, aber instabilen, atomaren Sauerstoff und dem zwar chemisch reaktiven, aber doch eben verglichen damit „zahmen“ normalen Sauerstoff.

Doch wie entsteht es. Nun es gibt mehrere Möglichkeiten. In der Hochatmosphäre geschieht durch UV-Strahlung. UV-Strahlen mit einer Wellenlänge von 242 nm haben eine ausreichende Energie damit ein Photon die Energie für die Spaltung eines O2 Moleküls aufbringt:

O2 + 499 kJ → 2 O*

O2 + O → O3 + 106,5 kJ (Wärmeabgabe)

Allerdings ist auch das Ozon nicht stabil. Es absorbiert selbst Strahlung von weniger als 310 nm und wird so gespalten:

O3 + 106,5 kJ → O2 + O

Schließlich kann noch Ozon mit atomaren Sauerstoff reagieren:

O3 + O → 2 O2

So absorbiert die Ozonschicht einen Großteil der UV-Strahlung unter 310 nm. Das Maximum der Ozonkonzentration liegt bei 20 bis 25 km. Zum einen nimmt natürlich die Konzentration nach unten hinzu, auf der anderen Seite wird ja UV-Strahlung absorbiert und immer weniger kommt in tiefere Luftschichten.

Doch wie entsteht in Bodennähe Ozon? Nun wenn wir von dem Ozon im Hochgebirge absehen, das der kümmerliche Rest des Ozons aus der Stratosphäre ist, braucht man dafür einen Katalysator. Dazu dient in der unteren Atmosphäre (Troposphäre), in der kaum noch kurzwellige UV-Strahlung ankommt, das Stickstoffdioxid:

NO2 + hν → NO  + O* (hν = Lichtquant)

O* + O2 → O3

Dafür reicht nun Strahlung unter 420 nm aus. Und das ist der energiereiche blaue Anteil des Lichts sowie der daran anschließende UV-Bereich, der ja auch den Erdboden erreicht (sonst gäbe es weder Bräune noch Sonnenbrand). Das NO2 wird von uns in die Luft geblasen, entsteht aber auch bei Blitzen oder durch die Ausgasung von Böden. Das lustige ist ja ,das die gleichen Gase dann auch noch zur Zerstörung der Ozonsicht beitragen, dazu unten noch mehr.

Nun mag man denken, das Ozon ist ja bei so viel organischer Substanz in der unteren Atmosphäre nicht besonders stabil, doch auch hier hilft das Stickoxidradikal bei der Regeneration:

NO + HO2 → OH + NO2

NO2 + hν → NO + O*

O2 + O* → O3

Das OH2 Radikal entsteht ebenfalls durch Strahlung durch Reaktion von OH mit CO und Aldehyden. Ozon hat so in Bodennähe eine Halbwertslebensdauer von 5-10 Tagen, wobei es tagsüber durch Strahlung erzeugt wird und nachts abgebaut. So wundert es nicht, das es Ozonalarm besonders im Sommer bei viel Sonne gibt.

Nun gibt es in der Stratosphäre auch Reaktionen, die das Ozon abbauen: Im Prinzip läuft es ab nach:

X + O3 → XO + O2

O3 + hν → O2 + O

O + XO → O2 + X

X geht also aus der Reaktion unverändert heraus. Es ist also ein Katalysator. X kann stehen für Br, Cl, OH, NOx. Das Problem sind NOx und Cl. Chlor ist so reaktiv, dass es normalerweise nicht in nennenswerter Menge in die Stratosphäre gelangt. Nun ja, bis man polychlorierte Kohlenwasserstoffe erfunden hat, Stoffe die es in der Natur nicht gibt und die wirklich stabil sind. Ja toll, so stabil, dass sie bis in die Stratosphäre gelangen wo dann durch UV Strahlung Chlor aus den Molekülen freigespaltet wird.

Die zweite Quelle ist NOx. Zum einen gelangt natürlich auch ein Teil des NO und NO2 aus der Troposphäre in die Stratosphäre und mit den erhöhten Mengen ist da natürlich auch einiges mehr in der Stratosphäre. NO2 wird auch von Düsenflugzeugen direkt in die Stratosphäre raus gepustet. Vor allem gelangt das Lachgas N2O in die Stratosphäre. Es kann nicht durch sichtbares Licht gespalten werden und wird erst in der Stratosphäre durch UV-Strahlen  zu NO und N ausgestaltet. Dann setzt das NO Radikal sein Zerstörungswerk fort.

Tja und woher stammt das NO2? Aus Autos, Industrieanlagen…. N2O wird von rülpsenden Kühen und Sumpfgebieten freigesetzt (es ist Abbauprodukt von Gärungen durch Bakterien). Nun gibt es nicht so viele Sümpfe – bei uns, aber in Asien wird Reis unter Wasser angebaut. Dafür emittiert eine Kuh genauso viel klimaschädliches Lachgas wie ein Auto. (Ein Auto zwar mehr Stickoxide, aber das Lachgas der Kuh gelangt eben viel besser bis in die Stratosphäre).

Da wie oben beschrieben Ozon durch UV-Strahlung neu gebildet wird wird, nimmt seine Konzentration durch den katalytisch induzierten Zerfall vor allem im Winter ab, wenn oberhalb de 66 Breitengrads kaum noch Licht an die Pole kommt. Dieser im Winter auftretende Ozonabbau wird daher auch als Ozonloch bezeichnet, weil ja nicht die ganze Ozonschicht betroffen ist, sondern vor allem die Polgebiete. Die Folge ist eine geringere Absorption von UV-Strahlung, die dann in höherem Maße zum Erdboden gelangt und dort natürlich schädlich ist.

Wer sich weiter informieren will, dem sei dieses Buch ans Herz gelegt: Die Luft, in der wir leben. Physik der Atmosphäre.

6 thoughts on “Ozon

  1. Sehr interessanter Beitrag, der aber noch um folgenden Sachverhalt erweitert werden sollte: Warum gab es Mitte 90er regelmäßig Ozonalarm (mit den berühmten G-Kat-Plaketten an den Autos, die dann nur noch fahren durften) und warum war bodennahes Ozon so gefährlich? Du schreibst, Ozon ist desinfizierend, das ist doch eigentlich eine positive Eigenschaft?
    Und warum gibt es heute kein Ozonalarm mehr, sondern nur noch Umweltzonen (die erst mit Feinstaub, dann aber mit NOx gerechtfertigt wurden)?

  2. Weil heute die Autos dank geregeltem Kat wesentlich weniger NOx auspusten und auch die Industrieanlagen nachgerüstet wurden.

    Na ja desinfizierend ist ja nicht gerade gut oder? Ich meine WC Reiniger ist auch desinfizierend trotzdem sollte man den nicht auf die Haut bekommen. Wenn Du weist, das Ozon lange Zeit als Chlorersatz bei Hallenbädern genommen wurden, weist Du das es nicht so besonders angenehm ist, vor allem wenn man schon Erkrankungen der Atemwege hat.

  3. Nee das mit den Hallenbädern ist mir neu. Ich weiß nur, daß Hochspannungsquellen mit Koronaentladung Ozon (und NOx)quellen sind, wie z.B. Laserdrucker oder auch Blitze.
    Früher als Jugendlicher hatte ich mal aus ausgeschlachteten Kopierern 2 Hochspannungsgeneratoren. Da hatte ich bei einem mit einer Nähnadel am Ausgang eine prima Büschenentladung (bläuliches Licht und leises Zischeln) und es roch brutal nach Ozon. Habe ich sogar nächtelang laufen lassen. Geschadet hat es offensichtlich nicht so arg viel (außer daß ich den Betreiber der Webseite etwas ärgere)
    Verrückt ist ja, daß bei Versandhäusern wie Pearl solche Hochspannungs-Dinger als „Luftwäscher“ verkauft worden sind. Spätestens da dreht der Laie völlig durch. Ja was denn nu? Das Auto muß stehenbleiben, aber im Schlafzimmer erzeuge ich die extra Portion Ozon für die Gesundheit?

  4. Unser Hallenbad hatte eine Ozonerzeugungsanlage bis die Strompreise soweit kletterten, das es zu teuer wurde. Es galt wegen der geringeren Gefahr an Allergien und der Tatsache, dass keine chlorierten Verbindungen entstehen (http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2006/12/04/chemie-im-schwimmbad/) als bessere Alternative.

    Wie immer bei Stoffen ist es eine Frage der Empfindlichkeit und Konzentration. Manche Orte im Gebirge mit höherer Ozonkonzentration werben ja mit dem „Reizklima“. Trotzdem ist da die Konzentration noch deutlich geringer als die MAK Werte für Arbeitsplätze und die Werte bei denen es Ozonalarm gibt. Schlussendlich richten sich deise immer nach den empfindlicheren Personen. Das sind neben Alten und Kranken (Asthma) auch für Ozon empfindliche. Die gibt es wie Allerfiker in größerer Zahl in der Bevölkerung.

  5. Cl plus O3 -> ClO O2

    In ClO ist Chlor zweiwerig, das können alle Halogene ab dem Chlor, weshalb es auch Verbindungen mit einer höheren Wetigkeit als 1 gibt. Fluor ist immer einwertig und kann daher keine stabile Bindung mit dem zweiwertigen Sauerstoff eingehen, bzw. sie würde gleich nach der Enrstehung wieder zerfallen.

    P.S. ich warte immer noch auf deinen Bücherwunshcund deine postalische Adresse für das gewonnene Gewinnspiel.

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