Ozon: Unterschied zwischen den Versionen

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Ozon (O3) (von griechisch ozein „riechen“) ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes, instabiles Molekül, das innerhalb kurzer Zeit zu dimerem Sauerstoff zerfällt. Es ist ein starkes Oxidationsmittel.
'''Ozon''' O<sub>3</sub> (griechisch "das Riechende") ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes, instabiles Molekül, das innerhalb kurzer Zeit zu dimerem Sauerstoff O<sub>2</sub> zerfällt. Es ist ein starkes Oxidationsmittel.


== Eigenschaften ==
== Eigenschaften ==
Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem [[Luftdruck]] gasförmig. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung ist es für den Menschen giftig. Bei Ozonaufnahme treten beim Betroffenen häufig heftige Schläfenkopfschmerzen auf. 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&nbsp;µg/m<sup>3</sup>, allerdings gewöhnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr.
Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem [[Luftdruck]] gasförmig. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung ist es für den Menschen giftig. Bei Ozonaufnahme treten beim Betroffenen häufig heftige Kopfschmerzen auf. 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&nbsp;µg/m<sup>3</sup>, allerdings gewöhnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr.
 
Reines O<sub>3</sub> ist eine allotrope Form von Disauerstoff O<sub>2</sub>. Bei Zimmertemperatur liegt es als instabiles, farbloses bis bläuliches, diamagnetisches Gas vor, das bei −110,5&nbsp;°C zu einer tiefblauen Flüssigkeit<ref name="Christen Meyer">Christen, Meyer: ''Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie''. Diesterweg, 1997, ISBN 978-3793554936</ref> kondensiert und bei −192,5&nbsp;°C (80&nbsp;K) zu einem schwarzvioletten Feststoff<ref name="Christen Meyer"/> erstarrt, der zu explosionsartiger Zersetzung zu O<sub>2</sub> neigt. Das gewinkelte Molekül bleibt im Festkörper erhalten, der O-O-Abstand beträgt 128 Picometer, der Winkel zwischen den drei Sauerstoffatomen 117°. Ozon unterhält die Verbrennung sehr viel stärker als Disauerstoff, etliche Materialien flammen schon bei Raumtemperatur bei Kontakt auf.


== Bildung ==
== Bildung ==
Ozon entsteht aus gewöhnlichem Sauerstoff gemäß der Grundgleichung
[[Bild:Ozon1.png|270px|center]]
wobei ΔH die molare Reaktionsenthalpie bezeichnet.


Ozon bildet sich in der Atmosphäre vor allem auf drei Arten:
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 <&nbsp;0,242&nbsp;µm wird als Photodissoziation bezeichnet.
* 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 <&nbsp;0,242&nbsp;µm wird als Photodissoziation bezeichnet:
* In Erdnähe bildet sich Ozon aus einer Reaktion zwischen Stickstoffdioxid NO<sub>2</sub> und Sauerstoff O<sub>2</sub> unter dem Einfluss von UV-Strahlung.
:'''O<sub>2</sub> + ''hv'' -> O + O'''
:'''O + O<sub>2</sub> -> O<sub>3</sub>''' (2x)
* In Erdnähe bildet sich Ozon aus einer Reaktion zwischen Stickstoffdioxid NO<sub>2</sub> und Sauerstoff O<sub>2</sub> unter dem Einfluss von UV-Strahlung:
:'''NO<sub>2</sub> + ''hv'' -> NO + O'''
:'''O + O<sub>2</sub> -> O<sub>3</sub>'''
* Durch ein Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden bei der Blitzentladung entsteht Ozon (aber auch Salpetersäure und andere Stoffe).
* Durch ein Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden bei der Blitzentladung entsteht Ozon (aber auch Salpetersäure und andere Stoffe).


== Vorkommen ==
== Vorkommen und Entstehung von Ozon ==
Die Menge an Ozon in der Atmosphäre wird in Dobson-Einheiten (also pro Erdoberfläche) oder in Parts per million (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.
 
In Reinluftgebieten ist die Ozon-Konzentrationen 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:
 
:<math>\mathrm{1) \ NO_2 \ \xrightarrow {UV{-}Strahlung} \ NO + O{\cdot}}</math>
 
:<math>\mathrm{2) \ O{\cdot} + O_2 \longrightarrow O_3}</math>
 
Gleichzeitig wird Ozon durch NO wieder abgebaut:
 
:<math>\mathrm{3) \ O_3 + NO \longrightarrow NO_2 + O_2}</math>
 
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 [[Chemisches Gleichgewicht|Gleichgewicht]] zwischen O<sub>3</sub>, NO und NO<sub>2</sub> ein. Je stärker die Sonne scheint, desto mehr Ozon und weniger NO<sub>2</sub> ist vorhanden, da letzteres ja durch die UV-Strahlung gespalten wird (Reaktion 1).
 
In der (verschmutzten) planetaren Grenzschicht der Atmosphäre finden sich aber, wie schon angedeutet, auch Kohlenwasserstoffe, die sowohl vom Menschen (anthropogen) also auch von der Vegetation (biogen) emittiert werden. Sie werden von OH-Radikalen, dem „Waschmittel der Atmosphäre“, oxidiert, wobei Peroxid-Radikale R-O-O<sup>•</sup> entstehen. Diese wiederum sorgen dafür, dass NO zu NO<sub>2</sub> oxidiert wird, ohne dass dabei ein O<sub>3</sub> „verbraucht“ wird wie in Reaktion 3, also:
 
:<math>\mathrm{4) \ R{-}O{-}O{\cdot} + NO \longrightarrow R{-}O{\cdot} + NO_2}</math>


Wenn danach wieder Reaktion 1 und 2 stattfinden, wird netto neues Ozon gebildet.
=== Troposphärisches Ozon ===
* Hauptartikel: [[Troposphärisches Ozon]]
In der Atemluft ist Ozon jedoch bereits in weit geringeren Konzentrationen gesundheitsschädlich, insbesondere bewirkt die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege.
=== Stratosphärisches Ozon ===
* Hauptartikel: [[Stratosphärisches Ozon]]
Die Menge an Ozon in der Atmosphäre wird in Dobson-Einheiten (also pro Erdoberfläche) oder in Parts per million (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 [[Absorption|absorbiert]] teilweise die Ultraviolettstrahlung der Sonne.


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 prominentes Beispiel für so einen leicht abbaubaren biogenen Kohlenwasserstoff ist Isopren.
== Ozonabbau ==
Die genaue Reaktionskette ist im Artikel [[Sommersmog]] beschrieben.
=== Abbau von stratosphärischem Ozon ===
* ''Hauptartikel: [[Prozess::Ozonabbau in der Stratosphäre]]''


Die im Zusammenhang mit der Ozonschicht häufig erwähnten [[Fluorchlorkohlenwasserstoffe|FCKW]] (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) werden durch UV-Strahlung gespalten, wodurch freie Chlorradikale entstehen, die wiederum viele Ozon-Moleküle ''„zerstören“'' können (siehe [[Ozonschicht]]).
Seit Ende der 1970er Jahre wird das Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und Ozonabbau zunehmend durch menschliche Einflüsse gestört. Ursache ist die anthropogene Emission von halogenierten Kohlenwasserstoffen (FCKW), die Chlor und Brom enthalten. FCKW-Moleküle gelangen erst nach mehreren Jahren bis in die Stratosphäre. Sie werden dort durch die starke UV-Strahlung der Sonne zerstört, wobei Chlor (bzw. Brom) frei wird, das dann die Ozonmoleküle angreift. Die Ozonabnahme ist in der gesamten Stratosphäre nachweisbar.  


== Gesundheitsgefährdung ==
=== Abbau von Ozon über den Polen ===
Die [[Europäische Union|EU]] hat schon seit längerer Zeit [[Richtwert]]e für die Ozonkonzentration festgelegt. Keine Gefahr für die Gesundheit besteht laut EU-Richtlinie durch Ozon unter einem Gehalt von 110&nbsp;µg/m<sup>3</sup>. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 180 µg/m<sup>3</sup> erfolgt die Unterrichtung der Bevölkerung, da bei dieser Konzentration die Leistungsfähigkeit empfindlicher Menschen bereits beeinträchtigt werden kann. Ab ungefähr 200&nbsp;µg/m<sup>3</sup> Ozon können Symptome wie Tränenreiz, [[Schleimhaut]]reizungen in [[Rachen]], Hals und [[Bronchialsystem|Bronchien]], [[Kopfschmerzen]], verstärkter [[Husten]]reiz, Verschlechterung der [[Lunge]]nfunktion auftreten. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 360&nbsp;µg/m<sup>3</sup> werden Warnungen ausgesprochen, da ab dieser Konzentration Gefahr für die menschliche Gesundheit bestehen kann.
* Hauptartikel: [[Regionales Beispiel::Ozonloch über der Antarktis]]
In der Schweiz liegt der Ein-Stunden-Mittelwert bei 120&nbsp;µg/m<sup>3</sup> (60&nbsp;[[ppb]]). Dieser Wert wird jedoch sehr oft überschritten.<ref>Amt für Lebensmittelkontrolle und Umweltschutz des Kantons Schaffhausen:
* Hauptartikel: [[Regionales Beispiel::Ozonabbau über der Arktis]]
[http://www.umweltschutz-sh.ch/NEU_06NOV02/Umweltschutz/luft/Merkbl%C3%A4tter/Merk%20Ozon%20070801.pdf ''Die gesundheitliche Bedeutung der Ozongehalte in der Luft''], Merkblatt Juni 2001 (pdf)</ref><ref>Bundesverwaltung admin.ch Statistik Schweiz: [http://www.bfs.admin.ch/bfs/portal/de/index/themen/02/04/blank/dos/01.parsys.0011.downloadList.00111.DownloadFile.tmp/ub07dep68p73.pdf ''Luftqualität''], in: ''Umwelt Schweiz 2007'', Kap. 7 (pdf, 385&nbsp;kB)</ref>


== Einzelnachweise ==
Über den Polen ist die Ozonabnahme am ausgeprägtesten. Die besonders starke Abnahme der Ozonkonzentration im Süd-Frühjahr über dem Südpol wird als [[Ozonloch über der Antarktis|Ozonloch]] bezeichnet.
<references />
{{#set:
umfasst=Stratosphärisches Ozon
|umfasst=Troposphärisches Ozon
|Prozess=Ozonveränderungen und Klimawandel
|Prozess=Wirkung von Kohlendioxid und Ozon
}}


== Literatur ==
== Literatur ==
* Katrin Palitzsch, Sabine Göllner, Kristina Lupa, Jörg Matschullat, Corinna Messal, Kirsten Pleßow, Mandy Schipek, Ivonne Schnabel, Christian Weller, Frank Zimmermann: ''Ozon in Waldökosystemen aus atmosphärenchemischer und pflanzenphysiologischer Sicht''. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(4), S. 231 - 241 (2005), ISSN 0934-3504
* Katrin Palitzsch, Sabine Göllner, Kristina Lupa, Jörg Matschullat, Corinna Messal, Kirsten Pleßow, Mandy Schipek, Ivonne Schnabel, Christian Weller, Frank Zimmermann: ''Ozon in Waldökosystemen aus atmosphärenchemischer und pflanzenphysiologischer Sicht''. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(4), S. 231 - 241 (2005), ISSN 0934-3504
* Georg Erlwein: ''Über Trinkwasserreinigung durch Ozon und Ozonwasserwerke''. Leineweber, Leipzig 1904 ([https://dlib.stanford.edu:6521/text1/dd-ill/trinkwass.pdf Digitalisat als PDF])


== Siehe auch ==
== Weblinks ==
*[[Troposphärisches Ozon]]
* [http://www.umweltbundesamt.de/luft/schadstoffe/ozon.htm Ozon (O<sub>3</sub>)] Grundinformationen zum troposphärischen Ozon vom Umweltbundesamt (UBA)
*[[Stratosphärisches Ozon]]




== Weblinks ==
==Lizenzhinweise==
==Lizenzhinweise==
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[[Kategorie:Ozon]]
[[Kategorie:Ozon]]
[[Kategorie:Meteorologie]]

Aktuelle Version vom 9. November 2011, 15:39 Uhr

Ozon O3 (griechisch "das Riechende") ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes, instabiles Molekül, das innerhalb kurzer Zeit zu dimerem Sauerstoff O2 zerfällt. Es ist ein starkes Oxidationsmittel.

Eigenschaften

Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck gasförmig. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung ist es für den Menschen giftig. Bei Ozonaufnahme treten beim Betroffenen häufig heftige Kopfschmerzen auf. 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.

Bildung

Ozon entsteht aus gewöhnlichem Sauerstoff gemäß der Grundgleichung

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 < 0,242 µm wird als Photodissoziation bezeichnet:
O2 + hv -> O + O
O + O2 -> O3 (2x)
  • In Erdnähe bildet sich Ozon aus einer Reaktion zwischen Stickstoffdioxid NO2 und Sauerstoff O2 unter dem Einfluss von UV-Strahlung:
NO2 + hv -> NO + O
O + O2 -> O3
  • Durch ein Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden bei der Blitzentladung entsteht Ozon (aber auch Salpetersäure und andere Stoffe).

Vorkommen und Entstehung von Ozon

Troposphärisches Ozon

In der Atemluft ist Ozon jedoch bereits in weit geringeren Konzentrationen gesundheitsschädlich, insbesondere bewirkt die lokal sehr unterschiedliche Ozonbelastung Reizungen der Atemwege.

Stratosphärisches Ozon

Die Menge an Ozon in der Atmosphäre wird in Dobson-Einheiten (also pro Erdoberfläche) oder in Parts per million (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.

Ozonabbau

Abbau von stratosphärischem Ozon

Seit Ende der 1970er Jahre wird das Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und Ozonabbau zunehmend durch menschliche Einflüsse gestört. Ursache ist die anthropogene Emission von halogenierten Kohlenwasserstoffen (FCKW), die Chlor und Brom enthalten. FCKW-Moleküle gelangen erst nach mehreren Jahren bis in die Stratosphäre. Sie werden dort durch die starke UV-Strahlung der Sonne zerstört, wobei Chlor (bzw. Brom) frei wird, das dann die Ozonmoleküle angreift. Die Ozonabnahme ist in der gesamten Stratosphäre nachweisbar.

Abbau von Ozon über den Polen

Über den Polen ist die Ozonabnahme am ausgeprägtesten. Die besonders starke Abnahme der Ozonkonzentration im Süd-Frühjahr über dem Südpol wird als Ozonloch bezeichnet.


Literatur

  • Katrin Palitzsch, Sabine Göllner, Kristina Lupa, Jörg Matschullat, Corinna Messal, Kirsten Pleßow, Mandy Schipek, Ivonne Schnabel, Christian Weller, Frank Zimmermann: Ozon in Waldökosystemen aus atmosphärenchemischer und pflanzenphysiologischer Sicht. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(4), S. 231 - 241 (2005), ISSN 0934-3504

Weblinks

  • Ozon (O3) Grundinformationen zum troposphärischen Ozon vom Umweltbundesamt (UBA)


Lizenzhinweise

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