Ozon

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.

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 µg/m³, allerdings gewöhnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr.

Reines O₃ ist eine allotrope Form von Disauerstoff O₂. Bei Zimmertemperatur liegt es als instabiles, farbloses bis bläuliches, diamagnetisches Gas vor, das bei −110,5 °C zu einer tiefblauen Flüssigkeit kondensiert und bei −192,5 °C (80 K) zu einem schwarzvioletten Feststoff erstarrt, der zu explosionsartiger Zersetzung zu O₂ 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

Ozon entsteht aus gewöhnlichem Sauerstoff gemäß der Grundgleichung

$\ 3\mathrm {O} _{2}\longrightarrow 2\mathrm {O} _{3};\ \Delta H=+286\,\mathrm {kJ} \,,$

wobei $\Delta H$ 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.
• In Erdnähe bildet sich Ozon aus einer Reaktion zwischen Stickstoffdioxid NO₂ und Sauerstoff O₂ unter dem Einfluss von UV-Strahlung.
• Durch ein Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden bei der Blitzentladung entsteht Ozon (aber auch Salpetersäure und andere Stoffe).

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. 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:

$\mathrm {1)\ NO_{2}\ {\xrightarrow {UV{-}Strahlung}}\ NO+O{\cdot }}$

$\mathrm {2)\ O{\cdot }+O_{2}\longrightarrow O_{3}}$

Gleichzeitig wird Ozon durch NO wieder abgebaut:

$\mathrm {3)\ O_{3}+NO\longrightarrow NO_{2}+O_{2}}$

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 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^• entstehen. Diese wiederum sorgen dafür, dass NO zu NO₂ oxidiert wird, ohne dass dabei ein O₃ „verbraucht“ wird wie in Reaktion 3, also:

$\mathrm {4)\ R{-}O{-}O{\cdot }+NO\longrightarrow R{-}O{\cdot }+NO_{2}}$

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 prominentes 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 (siehe Ozonschicht).

Gesundheitsgefährdung

Die EU hat schon seit längerer Zeit Richtwerte für die Ozonkonzentration festgelegt. Keine Gefahr für die Gesundheit besteht laut EU-Richtlinie durch Ozon unter einem Gehalt von 110 µg/m³. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 180 µg/m³ erfolgt die Unterrichtung der Bevölkerung, da bei dieser Konzentration die Leistungsfähigkeit empfindlicher Menschen bereits beeinträchtigt werden kann. Ab ungefähr 200 µg/m³ Ozon können Symptome wie Tränenreiz, Schleimhautreizungen in Rachen, Hals und Bronchien, Kopfschmerzen, verstärkter Hustenreiz, Verschlechterung der Lungenfunktion auftreten. Ab einem Ein-Stunden-Mittelwert von 360 µg/m³ werden Warnungen ausgesprochen, da ab dieser Konzentration Gefahr für die menschliche Gesundheit bestehen kann. In der Schweiz liegt der Ein-Stunden-Mittelwert bei 120 µg/m³ (60 ppb). Dieser Wert wird jedoch sehr oft überschritten.

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
• Georg Erlwein: Über Trinkwasserreinigung durch Ozon und Ozonwasserwerke. Leineweber, Leipzig 1904 (Digitalisat als PDF)

Siehe auch

• Troposphärisches Ozon
• Stratosphärisches Ozon

Lizenzhinweise

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Ozon aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.