Ozono

Ozono ( / ˈ oʊ z oʊ n /^ⓘ ), también llamadotrioxígeno, es unamolécula inorgánica con lafórmula químicaO _3. Es un gas de color azul pálido con unpenetrante. Es unalótropodeloxígenoque es mucho menos estable que elalótropodiatómicoO₂.₂ , descomponiéndose en la atmósfera inferior enO₂ (dioxígeno). El ozono se forma a partir del dioxígeno por la acción deultravioleta(UV) y las descargas eléctricas dentro de laatmósfera terrestre. Está presente en concentraciones muy bajas en toda la atmósfera, con su mayor concentración en lacapa de ozonode laestratosfera, que absorbe la mayor parte de laradiaciónultravioleta (UV)delSol

El olor del ozono recuerda al del cloro y es detectable por muchas personas en concentraciones de tan solo0,1 ppm en el aire. La estructura del ozono (O₃ ₎ se determinó en 1865. Posteriormente se demostró que la molécula tiene una estructura curvada y es débilmente diamagnética . A temperatura y presión estándar , 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 dioxígeno, más común, es tal que tanto el ozono gaseoso concentrado como el líquido pueden descomponerse explosivamente a temperaturas elevadas, choques físicos o calentamientos rápidos hasta el punto de ebullición. ^[⁵^]^[⁶^] Por lo tanto, se utiliza comercialmente solo en bajas concentraciones.

El ozono es un potente agente oxidante (mucho más que el dioxígeno) y tiene muchas aplicaciones industriales y de consumo relacionadas con la oxidación. Sin embargo, este mismo alto potencial oxidante hace que el ozono dañe los tejidos mucosos y respiratorios en los animales, y también los tejidos en las plantas, por encima de concentraciones de aproximadamente0,1 ppm . Si bien esto convierte al ozono en un potente peligro respiratorio y contaminante cerca del nivel del suelo , una concentración más alta en la capa de ozono (de dos a ocho ppm) es beneficiosa, ya que impide que la luz ultravioleta dañina llegue a la superficie de la Tierra.

Nomenclatura

El nombre común ozono es el nombre IUPAC más utilizado y preferido . Los nombres sistemáticos 2λ ⁴ -trioxidieno y catena-trioxígeno , nombres IUPAC válidos , se construyen según las nomenclaturas sustitutiva y aditiva , respectivamente. El nombre ozono deriva de ozon (ὄζον), participio presente neutro griego de ozein (ὄζειν) "oler", ^[⁷^] en referencia al olor característico del ozono.

En contextos apropiados, el ozono puede considerarse como un trioxidano al que se le han eliminado dos átomos de hidrógeno, y, como tal, se puede usar trioxidanilideno 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 se puede nombrar el estado fundamental singlete no radical, mientras que el estado dirradical se denomina trioxidanodiilo .

El término trioxidanodiilo (u ozónido ) se utiliza, de forma no sistemática, para referirse al grupo sustituyente (-OOO-). Se debe tener cuidado de no confundir el nombre del grupo con el nombre específico del ozono mencionado anteriormente.

Historia

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

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 producido ozono. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Medio siglo después, Christian Friedrich Schönbein notó el mismo olor penetrante y lo reconoció como el olor que suele seguir a un rayo . En 1839, logró aislar el gas y lo denominó "ozono", del griego ozein ( ὄζειν ) que significa "oler". ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Por esta razón, a Schönbein se le atribuye generalmente el descubrimiento del ozono. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 8 ]} También notó la similitud del olor del ozono con el del fósforo, y en 1844 demostró que el producto de la reacción del fósforo blanco con el aire es idéntico. ^{[ 10 ]} Un intento posterior de llamar al ozono "oxígeno electrificado" lo ridiculizó proponiendo llamar al ozono del fósforo blanco "oxígeno fosforizado". ^{[ 10 ]} La fórmula química del ozono, O ₃ , no fue determinada hasta 1865 por Jacques-Louis Soret ^{[ 15 ]} y confirmada por Schönbein en 1867. ^{[ 10 ]}^{[ 16 ]}

Durante gran parte de la segunda mitad del siglo XIX y hasta bien entrado el XX, el ozono fue considerado un componente saludable del medio ambiente por naturalistas y personas preocupadas por su salud. Beaumont, California , tenía como eslogan oficial "Beaumont: Zona de Ozono", como se evidencia en postales y membretes de la Cámara de Comercio. ^{[ 17 ]} Los naturalistas que trabajaban al aire libre a menudo consideraban beneficiosas las elevaciones más altas debido a su contenido de ozono, que se monitoreaba fácilmente. ^{[ 18 ]} "Hay una atmósfera bastante diferente [a mayor altitud] con suficiente ozono para mantener la energía necesaria [para trabajar]", escribió el naturalista Henry Henshaw , quien trabajaba en Hawái. ^{[ 19 ]} El aire costero se consideraba saludable debido a su supuesto contenido de ozono. El olor que da origen a esta creencia es, de hecho, el de los metabolitos halogenados de las algas marinas ^{[ 20 ]} y el sulfuro de dimetilo . ^{[ 21 ]}

Gran parte del atractivo del ozono parece haber sido resultado de su olor "fresco", que evocaba asociaciones con propiedades purificadoras. Los científicos notaron sus efectos nocivos. En 1873, James Dewar y John Gray McKendrick documentaron que las ranas se volvían lentas, las aves jadeaban en busca de aire y la sangre de los conejos mostraba niveles reducidos de oxígeno después de la exposición al "aire ozonizado", que "ejercía una acción destructiva". ^{[ 22 ]}^{[ 12 ]} El propio Schönbein informó que dolores en el pecho, irritación de las membranas mucosas y dificultad para respirar ocurrían como resultado de la inhalación de ozono, y pequeños mamíferos morían. ^{[ 23 ]} En 1911, Leonard Hill y Martin Flack afirmaron en las Actas de la Royal Society B que los efectos saludables del ozono "se han convertido, por mera repetición, en parte de la creencia común; y, sin embargo, hasta ahora casi no ha habido evidencia fisiológica exacta a favor de sus buenos efectos... El único conocimiento completamente bien establecido sobre el efecto fisiológico del ozono, alcanzado hasta ahora, es que causa irritación y edema de los pulmones, y la muerte si se inhala en una concentración relativamente alta durante algún tiempo". ^{[ 12 ]}^{[ 24 ]}

Durante la Primera Guerra Mundial , se probó el ozono en el Hospital Militar Queen Alexandra de Londres como posible desinfectante para heridas. El gas se aplicó directamente sobre las heridas durante 15 minutos. Esto provocó daños tanto en las células bacterianas como en el tejido humano. Se determinó que otras técnicas de desinfección, como la irrigación con antisépticos , eran preferibles. ^{[ 12 ]}^{[ 25 ]}

Hasta la década de 1920, no se sabía con certeza si pequeñas cantidades de oxozono , O₄ , también estaban presentes en muestras de ozono debido a la dificultad de aplicar técnicas de química analítica al compuesto químico concentrado explosivo.^{[ 26 ]}^{[ 27 ]} En 1923,Georg-Maria Schwab(trabajando para su tesis doctoral bajo laErnst Hermann Riesenfeld) fue el primero en solidificar con éxito el ozono y realizar un análisis preciso que refutó de manera concluyente la hipótesis del oxozono.^{[ 26 ]}^{[ 27 ]} Otras propiedades físicas del ozono concentrado puro, hasta entonces no medidas, fueron determinadas por el grupo de Riesenfeld en la década de 1920.^{[ 26 ]}

Propiedades físicas

El ozono es un gas incoloro o azul pálido, ligeramente soluble en 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 dejar que este líquido alcance su punto de ebullición, ya que 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 oscuro . ^[²⁸^]

El ozono tiene un olor penetrante muy característico, similar al de la lejía . La mayoría de las personas pueden detectarlo a una concentración de 0,01 μmol/mol en el aire. La exposición a concentraciones de 0,1 a 1 μmol/mol produce dolores de cabeza, ardor en los ojos e irritación de las vías respiratorias. ^{[ 29 ]} Incluso bajas concentraciones de ozono en el aire son muy dañinas para materiales orgánicos como el látex, los plásticos y el tejido pulmonar animal.

La molécula de ozono es débilmente diamagnética . ^{[ 30 ]}

Estructura

Según la evidencia experimental de la espectroscopia de microondas , el ozono es una molécula curvada, con simetría C _2v (similar a la molécula de agua ). ^[³¹^] Las distancias O–O son 127,2 pm (1,272 Å ) . El ángulo O–O–O es 116,78°. ^[³²^] El átomo central está hibridado sp ² con un par de electrones no enlazantes. El ozono es una molécula polar con un momento dipolar de 0,53 D . ^[³³^] La molécula puede representarse como un híbrido de resonancia con dos estructuras contribuyentes, cada una con un enlace simple en un lado y un enlace doble en el otro. La disposición posee un orden de enlace global de 1,5 para ambos lados. Es isoelectrónico con el anión nitrito . El ozono que se encuentra en la naturaleza puede estar compuesto de isótopos sustituidos ( ¹⁶ O, ¹⁷ O, ¹⁸ O). Se ha predicho una forma cíclica pero no se ha observado.

Reacciones

El ozono es uno de los agentes oxidantes más potentes que se conocen, mucho más fuerte que _el O₂ . También es inestable a altas concentraciones, descomponiéndose en oxígeno diatómico ordinario. Su vida media varía con las condiciones atmosféricas, como la temperatura, la humedad y el movimiento del aire. En condiciones de laboratorio, la vida media promedio es de aproximadamente 1500 minutos (25 horas) en aire en reposo a temperatura ambiente (24 °C), con humedad cero y sin renovaciones de aire por hora. ^{[ 34 ]}

2 O ₃ → 3 O ₂

Esta reacción se acelera al aumentar la temperatura. La deflagración del ozono puede desencadenarse por una chispa y puede ocurrir en concentraciones de ozono del 10 % en peso o superiores. ^{[ 35 ]}

El ozono también puede producirse a partir de oxígeno en el ánodo de una celda electroquímica. Esta reacción puede generar cantidades menores de ozono para fines de investigación. ^{[ 36 ]}

O ₃ (g) + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ ⇌ O ₂ (g) + H ₂ O ( E ° = 2,075 V) ^{[ 37 ]}

Esto puede observarse como una reacción no deseada en un aparato de Hoffman durante la electrólisis del agua cuando el voltaje se ajusta por encima del voltaje necesario.

Con metales

El ozono oxida la mayoría de los metales (excepto el oro , el platino y el iridio ) convirtiéndolos en óxidos de los metales en su estado de oxidación más alto . Por ejemplo:

Cu + O ₃ → CuO + O ₂

2 Ag + O ₃ → Ag ₂ O + O ₂

Con compuestos de nitrógeno y carbono

El ozono oxida el óxido nítrico a dióxido de nitrógeno :

NO + O ₃ → NO ₂ + O ₂

Esta reacción va acompañada de quimioluminiscencia .

El NO ₂ puede oxidarse aún más a radical nitrato :

NO ₂ + O ₃ → NO ₃ + O ₂

El NO ₃ formado puede reaccionar con NO ₂ para formar pentóxido de dinitrógeno ( N ₂ O ₅ ).

El perclorato de nitronio sólido se puede obtener a partir de los gases NO ₂ , ClO ₂ y O ₃ :

NO ₂ + ClO ₂ + 2 O ₃ → [ NO ₂ ]ClO ₄ + 2 O ₂

El ozono no reacciona con las sales de amonio , pero oxida el amoníaco a nitrato de amonio :

2 NH ₃ + 4 O ₃ → [ NH ₄ ]NO ₃ + 4 O ₂ + H ₂ O

El ozono reacciona con el carbono para formar dióxido de carbono , incluso a temperatura ambiente:

C + 2 O ₃ → CO ₂ + 2 O ₂

Con compuestos de azufre

El ozono oxida los sulfuros a sulfatos . Por ejemplo, el sulfuro de plomo(II) se oxida a sulfato de plomo(II) :

PbS + 4 O ₃ → PbSO ₄ + 4 O ₂

El ácido sulfúrico se puede producir a partir de ozono, agua y azufre elemental o dióxido de azufre :

_S + _H₂O + _O₃ → _H₂SO₄

3 SO ₂ + 3 H ₂ O + O ₃ → 3 H ₂ SO ₄

En fase gaseosa , el ozono reacciona con el sulfuro de hidrógeno para formar dióxido de azufre:

H₂S + _O₃ → _SO₂ + _H₂O

En una solución acuosa , sin embargo, se producen dos reacciones simultáneas que compiten entre sí: una para producir azufre elemental y otra para producir ácido sulfúrico:

H₂S + _O₃_→ S + _O₂₊ H₂O

3 _H₂S + ₄_O₃ → 3 _H₂SO₄

Con alquenos y alquinos

Los alquenos pueden romperse oxidativamente mediante ozono, en un proceso llamado ozonólisis , dando lugar a alcoholes , aldehídos , cetonas y ácidos carboxílicos , dependiendo de la segunda etapa del procesamiento.

El ozono también puede escindir alquinos para formar un anhídrido ácido o un producto dicetona . ^{[ 38 ]} Si la reacción se realiza en presencia de agua, el anhídrido se hidroliza para dar dos ácidos carboxílicos .

Generalmente, la ozonólisis se lleva a cabo en una solución de diclorometano a una temperatura de −78 °C. Tras una secuencia de ruptura y reordenamiento, se forma un ozónido orgánico. Mediante un tratamiento reductor (p. ej. , zinc en ácido acético o sulfuro de dimetilo ), se forman cetonas y aldehídos; mediante un tratamiento oxidativo (p. ej., peróxido de hidrógeno acuoso o alcohólico ), se forman ácidos carboxílicos. ^{[ 39 ]}

Otros sustratos

Los tres átomos de ozono también pueden reaccionar, como en la reacción del cloruro de estaño(II) con ácido clorhídrico y ozono:

3 SnCl ₂ + 6 HCl + O ₃ → 3 SnCl ₄ + 3 H ₂ O

El perclorato de yodo(III) se puede obtener tratando yodo disuelto en ácido perclórico anhidro frío con ozono:

I₂ ₊₆ HClO₄ + O₃ _→ 2 I (ClO₄ ₎ ₃ ₊ 3 _H₂O

El ozono también puede reaccionar con el yoduro de potasio para producir oxígeno y gas yodo que pueden titularse para su determinación cuantitativa: ^{[ 40 ]}

2 KI + O ₃ + H ₂ O → 2 KOH + O ₂ + Yo ₂

Combustión

El ozono puede utilizarse en reacciones de combustión y gases combustibles; el ozono proporciona temperaturas más elevadas que la combustión en dioxígeno ( O₂ ). A continuación se muestra una reacción para la combustión del subnitruro de carbono _, que también puede generar temperaturas más altas:

3 C ₄ N ₂ + 4 O ₃ → 12 CO + 3 N ₂

El ozono puede reaccionar a temperaturas criogénicas. A 77 K (−196,2 °C; −321,1 °F) , el hidrógeno atómico reacciona con el ozono líquido para formar un radical superóxido de hidrógeno , que se dimeriza : ^[⁴¹^]

H + O ₃ → HO ₂ + O

2 HO ₂ → H ₂ O ₄

Descomposición del ozono

Tipos de descomposición del ozono

El ozono es una sustancia tóxica, ^{[ 42 ]}^{[ 43 ]} que se encuentra o se genera comúnmente en entornos humanos (cabinas de aviones, oficinas con fotocopiadoras, impresoras láser, esterilizadores, etc.).

La descomposición catalítica del ozono es fundamental para reducir la contaminación. Este tipo de descomposición es el más utilizado, especialmente con catalizadores sólidos, y presenta numerosas ventajas, como una mayor conversión a menor temperatura. Además, el producto y el catalizador se pueden separar instantáneamente, lo que permite recuperar fácilmente el catalizador sin necesidad de procesos de separación. Los materiales más empleados en la descomposición catalítica del ozono en fase gaseosa son el dióxido de manganeso , metales de transición como Mn, Co, Cu, Fe, Ni o Ag, y metales nobles como Pt, Rh o Pd.

Se sabe que los radicales libres de cloro (Cl ^· ), formados por la acción de la radiación ultravioleta sobre los clorofluorocarbonos (CFC) y la sal marina, catalizan la descomposición del ozono en la atmósfera.

Existen otras dos posibilidades para la descomposición del ozono en fase gaseosa:

La descomposición térmica , en la que el ozono se descompone únicamente mediante la acción del calor, presenta el inconveniente de que este tipo de descomposición es muy lenta a temperaturas inferiores a 250 °C. Sin embargo, la velocidad de descomposición puede incrementarse trabajando a temperaturas más elevadas, aunque esto implicaría un alto consumo energético.
La descomposición fotoquímica , que consiste en irradiar ozono con radiación ultravioleta (UV) y da lugar a oxígeno y peróxido radical. ^{[ 44 ]}

Cinética de la descomposición del ozono en oxígeno molecular

El proceso no catalizado de descomposición del ozono en la fase gaseosa es una reacción compleja que involucra dos reacciones elementales que finalmente conducen al oxígeno molecular, ^{[ 45 ]} y esto significa que el orden de reacción y la ley de velocidad no pueden determinarse por la estequiometría de la reacción global.

Reacción general: ${\ce {2 O3 -> 3 O2}}$

Ley de velocidad (observada): $V={\frac {K_{obs}\cdot [{\ce {O3}}]^{2}}{[{\ce {O2}}]}}$

dónde $K_{obs}$ es la constante de velocidad observada y $V$ es la velocidad de reacción. De la ley de velocidad anterior se puede determinar que el orden parcial con respecto al oxígeno molecular es −1 y con respecto al ozono es 2; por lo tanto, el orden de reacción global es 1.

El primer paso es una reacción unimolecular en la que una molécula de ozono se descompone en dos productos (oxígeno molecular y oxígeno). El átomo de oxígeno del primer paso es un intermediario reactivo porque participa como reactivo en el segundo paso, que es una reacción bimolecular, ya que hay dos reactivos diferentes (ozono y oxígeno) que dan lugar al oxígeno molecular.

Paso 1: Reacción unimolecular ${\ce {O3 -> O2 + O}}$

Paso 2: Reacción bimolecular ${\ce {O3 + O -> 2 O2}}$

Estos dos pasos tienen diferentes velocidades de reacción y constantes de velocidad. Las leyes de velocidad de reacción para cada uno de estos pasos se muestran a continuación:

V_{1}=K_{1}\cdot [{\ce {O3}}]\qquad V_{2}=K_{2}\cdot [{\ce {O}}]\cdot [{\ce {O3}}]

El siguiente mecanismo permite explicar la ley de velocidad de la descomposición del ozono observada experimentalmente, y también permite determinar los órdenes de reacción con respecto al ozono y al oxígeno, con lo que se determinará el orden de reacción global.

Se supone que el primer paso es reversible y más rápido que la segunda reacción, lo que significa que el paso determinante de la velocidad, más lento , es la segunda reacción. Este paso determina la velocidad de formación del producto, y por lo tanto $V=V_{2}$ Sin embargo, esta ecuación depende de la concentración de oxígeno (intermediario), que no aparece en la ley de velocidad observada. Dado que el primer paso es un equilibrio rápido, la concentración del intermedio se puede determinar de la siguiente manera:

K_{eq}={\frac {K_{1}}{K_{-1}}}={\frac {[{\ce {O2}}]\cdot [{\ce {O}}]}{[{\ce {O3}}]}}

[{\ce {O}}]={\frac {K_{1}\cdot [{\ce {O3}}]}{K_{-1}\cdot [{\ce {O2}}]}}

Luego, utilizando estas ecuaciones, la velocidad de formación de oxígeno molecular es la que se muestra a continuación:

V={K_{2}\cdot K_{1}\cdot [{\ce {O_3}}]^{2} \over K_{-1}\cdot [{\ce {O_2}}]}

El mecanismo es consistente con la ley de velocidad observada experimentalmente si la constante de velocidad ( $K obs$ ) se da en términos de las constantes de velocidad de los pasos mecanísticos individuales de la siguiente manera: ^{[ 6 ]}

V={K_{\text{obs}}\cdot [{\ce {O_3}}]^{2} \over [{\ce {O_2}}]}

dónde $K_{\text{obs}}={K_{2}\cdot K_{1} \over K_{-1}}$

Reducción a ozónidos

La reducción del ozono produce el anión ozónido , O₃⁻ . Los derivados de este anión son explosivos y deben almacenarse a temperaturas criogénicas. Se conocen los ozónidos de todos los metales alcalinos. _El KO₃ , el RbO₃ _y el CsO₃ _pueden prepararse a partir de sus respectivos superóxidos.

KO ₂ + O ₃ → KO ₃ + O ₂

Aunque el KO ₃ se puede formar como se indicó anteriormente, también se puede formar a partir de hidróxido de potasio y ozono: ^[⁴⁶^]

2 KOH + 5 O ₃ → 2 KO ₃ + 5 O ₂ + H ₂ O

El NaO ₃ y el LiO ₃ deben prepararse mediante la acción del CsO ₃ en NH ₃ líquido sobre una resina de intercambio iónico que contengaiones Na ⁺ o Li ^{+ :}^[⁴⁷^]

CsO ₃ + Na ⁺ → Cs ⁺ + NaO ₃

Una solución de calcio en amoníaco reacciona con ozono para dar ozónido de amonio y no ozónido de calcio: ^{[ 41 ]}

3 Ca + 10 NH ₃ + 6 O ₃ → Ca · 6NH ₃ + Ca(OH) ₂ + Ca(NO ₃ ) ₂ + 2 [ NH ₄ ] ⁺[ O ₃ ] ⁻ + 2 O ₂ + H ₂

Aplicaciones

El ozono puede utilizarse para eliminar el hierro y el manganeso del agua , formando un precipitado que puede filtrarse:

2 Fe ²⁺ + O ₃ + 5 H ₂ O → 2 Fe(OH) ₃ (s) + O ₂ + 4 H ⁺

2 Mn ²⁺ + 2 O ₃ + 4 H ₂ O → 2 MnO(OH) ₂ (s) + 2 O ₂ + 4 H ⁺

El ozono oxida el sulfuro de hidrógeno disuelto en el agua, transformándolo en ácido sulfuroso :

3 O ₃ + H ₂ S → H ₂ SO ₃ + 3 O ₂

Estas tres reacciones son fundamentales en el uso del tratamiento de agua de pozo basado en ozono.

El ozono desintoxica los cianuros convirtiéndolos en cianatos .

CN ⁻ + O ₃ → CNO ⁻ + O ₂

El ozono descompone completamente la urea : ^{[ 48 ]}

(NH ₂ ) ₂ CO + O ₃ → N ₂ + CO ₂ + 2 H ₂ O

Propiedades espectroscópicas

El ozono es una molécula triatómica curvada con tres modos vibracionales: estiramiento simétrico (1103,157 cm⁻¹ ⁾ , flexión (701,42 cm⁻¹ ) y estiramiento antisimétrico (1042,096 cm⁻¹ ⁾ . ^[⁴⁹^] El estiramiento simétrico y la flexión son absorbentes débiles, pero el estiramiento antisimétrico es fuerte y responsable de que el ozono sea un importante gas de efecto invernadero ^menor . Esta banda IR también se utiliza para detectar ozono ambiental y atmosférico, aunque las mediciones basadas en UV son más comunes. ^[⁵⁰^]

El espectro electromagnético del ozono es bastante complejo. Puede consultarse una descripción general en el Atlas Espectral UV/VIS de Moléculas Gaseosas de Interés Atmosférico del MPI Mainz. ^{[ 51 ]}

Todas las bandas son disociativas, lo que significa que la molécula se descompone en O + O₂ _tras absorber un fotón. La absorción más importante es la banda de Hartley, que se extiende desde un poco por encima de los 300 nm hasta un poco por encima de los 200 nm. Esta banda es la responsable de la absorción de la radiación UV- C en la estratosfera.

En el extremo de longitudes de onda más largas, la banda de Hartley transiciona a la denominada banda de Huggins, que disminuye rápidamente hasta desaparecer alrededor de los 360 nm. Por encima de los 400 nm, extendiéndose hasta el infrarrojo cercano, se encuentran las bandas de Chappius y Wulf. En esta región, las bandas de absorción no estructuradas son útiles para detectar altas concentraciones ambientales de ozono, pero son tan débiles que no tienen mucha utilidad práctica.

En el ultravioleta lejano existen bandas de absorción adicionales que aumentan lentamente desde los 200 nm hasta alcanzar un máximo en torno a los 120 nm.

Ozono en la atmósfera terrestre

La forma estándar de expresar los niveles totales de ozono (la cantidad de ozono en una columna vertical determinada) en la atmósfera es mediante unidades Dobson . Las mediciones puntuales se reportan como fracciones molares en nmol/mol (partes por mil millones, ppb) o como concentraciones en μg/m³ ^. El estudio de la concentración de ozono en la atmósfera comenzó en la década de 1920. ^{[ 52 ]}

Capa de ozono

Ubicación y producción

Los niveles más altos de ozono en la atmósfera se encuentran en la estratosfera , en una región también conocida como capa de ozono, entre aproximadamente 10 y 50 km sobre la superficie (o entre aproximadamente 6 y 31 millas). Sin embargo, incluso en esta "capa", las concentraciones de ozono son de solo dos a ocho partes por millón, por lo que la mayor parte del oxígeno presente es dioxígeno, O₂ _, a unas 210 000 partes por millón en volumen. ^{[ 53 ]}

El ozono en la estratosfera se produce principalmente a partir de rayos ultravioleta de onda corta entre 240 y 160 nm. El oxígeno comienza a absorber débilmente a 240 nm en las bandas de Herzberg, pero la mayor parte del oxígeno se disocia por absorción en las fuertes bandas de Schumann-Runge entre 200 y 160 nm, donde el ozono no absorbe. Si bien la luz de longitud de onda más corta, que se extiende incluso hasta el límite de los rayos X, tiene la energía suficiente para disociar el oxígeno molecular, hay relativamente poca cantidad de ella, y la fuerte emisión solar en Lyman-alfa, 121 nm, cae en un punto donde la absorción de oxígeno molecular es mínima. ^{[ 54 ]}

El proceso de creación y destrucción del ozono se denomina ciclo de Chapman y comienza con la fotólisis del oxígeno molecular.

{\ce {O2->[{\ce {fotón}}][({\ce {radiación}}\ \lambda \ <\ 240\ {\ce {nm}})]2O}}

seguido de la reacción del átomo de oxígeno con otra molécula de oxígeno para formar ozono.

{\ce {O + O2 + M -> O3 + M}}

donde "M" denota el tercer cuerpo que se lleva el exceso de energía de la reacción. La molécula de ozono puede entonces absorber un fotón UV-C y disociarse.

{\ce {O3 -> O + O2}}+{\text{energía cinética}}

El exceso de energía cinética calienta la estratosfera cuando los átomos de O y el oxígeno molecular se separan y colisionan con otras moléculas. Esta conversión de luz ultravioleta en energía cinética calienta la estratosfera. Los átomos de oxígeno producidos en la fotólisis del ozono reaccionan con otras moléculas de oxígeno, como en el paso anterior, para formar más ozono. En una atmósfera clara, con solo nitrógeno y oxígeno, el ozono puede reaccionar con el oxígeno atómico para formar dos moléculas de O₂ _.

{\ce {O3 + O -> 2 O2}}

Una estimación de la velocidad de esta etapa de terminación en el ciclo del oxígeno atómico de vuelta al ozono se puede obtener simplemente tomando las proporciones de la concentración de O₂ _a O₃ _. La reacción de terminación es catalizada por la presencia de ciertos radicales libres, de los cuales los más importantes son el hidroxilo (OH), el óxido nítrico (NO) y el cloro (Cl) y bromo (Br) atómicos. En la segunda mitad del siglo XX, se descubrió que la cantidad de ozono en la estratosfera estaba disminuyendo , principalmente debido al aumento de las concentraciones de clorofluorocarbonos (CFC) y moléculas orgánicas cloradas y bromadas similares . La preocupación por los efectos en la salud de esta disminución condujo al Protocolo de Montreal de 1987 , la prohibición de la producción de muchos productos químicos que agotan la capa de ozono y, en la primera y segunda década del siglo XXI, al inicio de la recuperación de las concentraciones de ozono estratosférico.

Importancia para la vida que habita en la superficie de la Tierra.

El ozono en la capa de ozono filtra las longitudes de onda de la luz solar desde aproximadamente 200 nm rayos UV hasta 315 nm, con una absorción máxima del ozono alrededor de 250 nm. ^{[ 55 ]} Esta absorción UV del ozono es importante para la vida, ya que extiende la absorción de UV por el oxígeno y el nitrógeno comunes en el aire (que absorben todas las longitudes de onda < 200 nm) a través de la banda UV-C inferior (200–280 nm) y toda la banda UV-B (280–315 nm). La pequeña parte no absorbida que queda de UV-B después de pasar por el ozono causa quemaduras solares en los humanos y daño directo al ADN en los tejidos vivos tanto en plantas como en animales. El efecto del ozono sobre los rayos UV-B de rango medio se ilustra con su efecto sobre el UV-B a 290 nm, que tiene una intensidad de radiación 350 millones de veces más potente en la parte superior de la atmósfera que en la superficie. Sin embargo, la cantidad suficiente de radiación UV-B con una frecuencia similar que llega al suelo es suficiente para causar quemaduras solares, y estas mismas longitudes de onda también se encuentran entre las responsables de la producción de vitamina D en los seres humanos.

La capa de ozono tiene poco efecto sobre las longitudes de onda ultravioleta más largas, denominadas UV-A (315-400 nm), pero esta radiación no causa quemaduras solares ni daños directos en el ADN. Si bien es probable que la radiación UV-A cause daños cutáneos a largo plazo en algunos seres humanos, no es tan peligrosa para las plantas ni para la salud de los organismos que habitan la superficie terrestre en general (consulte la sección sobre radiación ultravioleta para obtener más información sobre la radiación ultravioleta cercana).

Ozono a nivel del suelo

El ozono troposférico (o ozono a nivel del suelo) es un contaminante atmosférico. ^{[ 56 ]} No es emitido directamente por los motores de los automóviles ni por las operaciones industriales, sino que se forma por la reacción de la luz solar sobre el aire que contiene hidrocarburos y óxidos de nitrógeno que reaccionan para formar ozono directamente en la fuente de la contaminación o a muchos kilómetros a sotavento.

El ozono reacciona directamente con algunos hidrocarburos, como los aldehídos , y así comienza su eliminación del aire, pero los productos son componentes clave del esmog . La fotólisis del ozono por la luz UV produce el radical hidroxilo HO•, que participa en la eliminación de hidrocarburos del aire, pero también es el primer paso en la creación de componentes del esmog, como los nitratos de peroxiacilo , que pueden ser irritantes oculares potentes. La vida útil atmosférica del ozono troposférico es de aproximadamente 22 días; sus principales mecanismos de eliminación son su deposición en el suelo, la reacción mencionada anteriormente que produce HO• y las reacciones con OH y el radical peroxi HO₂ _• . ^{[ 57 ]}

Hay evidencia de una reducción significativa en los rendimientos agrícolas debido al aumento del ozono a nivel del suelo y la contaminación que interfiere con la fotosíntesis , retrasa el crecimiento general y el metabolismo de algunas especies de plantas. ^{[ 58 ]}^{[ 59 ]}^{[ 60 ]} La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha propuesto una regulación secundaria para reducir los daños a los cultivos, además de la regulación primaria diseñada para la protección de la salud humana.

Ozono a nivel del suelo en zonas urbanas

Algunos ejemplos de ciudades con niveles elevados de ozono son Denver, Colorado ; Houston, Texas ; y Ciudad de México , México . Houston tiene un nivel de alrededor de 41 nmol/mol, mientras que Ciudad de México es mucho más peligrosa, con un nivel de aproximadamente 125 nmol/mol. ^{[ 59 ]}

El ozono troposférico, o ozono a nivel del suelo, es el tipo de contaminación por ozono más preocupante en las zonas urbanas y está aumentando en general. ^{[ 61 ]} La contaminación por ozono en las zonas urbanas afecta a las poblaciones más densas y se agrava por la gran cantidad de vehículos, que emiten NO ₂ y compuestos orgánicos volátiles (COV), los principales contaminantes que contribuyen a los niveles problemáticos de ozono. ^{[ 62 ]} La contaminación por ozono en las zonas urbanas es especialmente preocupante con el aumento de las temperaturas, ya que incrementa la mortalidad relacionada con el calor durante las olas de calor . ^{[ 63 ]} Durante las olas de calor en las zonas urbanas, la contaminación por ozono a nivel del suelo puede ser un 20 % superior a lo habitual. ^{[ 64 ]} La contaminación por ozono en las zonas urbanas alcanza niveles de superación más altos en verano y otoño, lo que puede explicarse por los patrones meteorológicos y del tráfico. ^{[ 62 ]}

Como se mencionó anteriormente, Denver, Colorado, es una de las muchas ciudades de EE. UU. que tienen altas cantidades de ozono. Según la Asociación Estadounidense del Pulmón , el área de Denver-Aurora es la 14.ª área más contaminada por ozono en EE. UU. ^{[ 65 ]} El problema de los altos niveles de ozono no es nuevo en esta área. En 2004, la EPA asignó al área metropolitana de Denver /North Front Range ^{[ b ]} como áreas de incumplimiento según el estándar de ozono de 8 horas de 1997, ^{[ 66 ]} pero luego aplazó este estado hasta 2007. El estándar de incumplimiento indica que un área no cumple con los estándares de calidad del aire de la EPA. El Plan de Acción contra el Ozono de Colorado se creó en respuesta, y se implementaron numerosos cambios a partir de este plan. El primer cambio importante fue que las pruebas de emisiones de automóviles se ampliaron en todo el estado a más condados que anteriormente no exigían pruebas de emisiones, como áreas de los condados de Larimer y Weld. También se han introducido cambios para disminuir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y COV, lo que debería contribuir a reducir los niveles de ozono.

Una de las principales causas de los altos niveles de ozono en la zona es la industria del petróleo y el gas natural, ubicada en la cuenca de Denver-Julesburg (DJB), que se superpone con la mayoría de las áreas metropolitanas de Colorado. El ozono se produce de forma natural en la estratosfera terrestre, pero también en la troposfera debido a la actividad humana. Como se mencionó brevemente, los NOx y los COV reaccionan con la luz solar para crear ozono mediante un proceso llamado fotoquímica. Los episodios de ozono elevado de una hora (<75 ppb) "ocurren entre junio y agosto, lo que indica que los niveles elevados de ozono se deben a la fotoquímica regional". ^{[ 67 ]} Según un artículo de la Universidad de Colorado-Boulder, "las emisiones de COV del petróleo y el gas natural desempeñan un papel importante en la producción de ozono y tienen el potencial de contribuir a los niveles elevados de O₃ _en la Cordillera Frontal del Norte de Colorado (NCFR)". ^{[ 67 ]} Utilizando análisis complejos para investigar los patrones de viento y las emisiones de las grandes operaciones de petróleo y gas natural, los autores concluyeron que "los niveles elevados de O ₃ en el NCFR están predominantemente correlacionados con el transporte de aire desde N– ESE, que son los sectores a barlovento donde se ubican las operaciones de O&NG en el área del Campo Wattenberg de DJB". ^{[ 67 ]}

El Plan de Acción contra el Ozono de Colorado, creado en 2008, incluye planes para evaluar los "controles de emisiones para grandes fuentes industriales de NOx" y los "requisitos de control a nivel estatal para nuevos tanques de condensado de petróleo y gas y válvulas neumáticas". ^{[ 68 ]} En 2011, se publicó el Plan Regional contra la Niebla, que incluía un plan más específico para ayudar a disminuir las emisiones de NOx. Estos esfuerzos son cada vez más difíciles de implementar y tardan muchos años en concretarse. Por supuesto, también hay otras razones por las que los niveles de ozono siguen siendo altos. Estas incluyen: una población en crecimiento que implica más emisiones de automóviles y las montañas a lo largo de la NCFR que pueden atrapar emisiones. Si le interesa, puede encontrar lecturas diarias de la calidad del aire en el sitio web del Departamento de Salud Pública y Medio Ambiente de Colorado. ^{[ 69 ]} Como se mencionó anteriormente, Denver continúa experimentando altos niveles de ozono hasta el día de hoy. Se necesitarán muchos años y un enfoque de pensamiento sistémico para combatir este problema de altos niveles de ozono en la Cordillera Frontal de Colorado.

craqueo de ozono

El ozono ataca cualquier polímero que posea enlaces dobles olefínicos en su estructura de cadena, como el caucho natural , el caucho de nitrilo y el caucho de estireno-butadieno . Los productos fabricados con estos polímeros son especialmente susceptibles al ataque, lo que provoca que las grietas se hagan más largas y profundas con el tiempo. La velocidad de crecimiento de las grietas depende de la carga que soporta el componente de caucho y de la concentración de ozono en la atmósfera. Estos materiales pueden protegerse añadiendo agentes antiozonantes , como ceras, que se adhieren a la superficie para crear una película protectora o se mezclan con el material y proporcionan protección a largo plazo. El agrietamiento por ozono solía ser un problema grave en los neumáticos de automóviles, ^{[ 70 ]} por ejemplo, pero no lo es en los neumáticos modernos. Por otro lado, muchos productos críticos, como juntas y juntas tóricas , pueden verse afectados por el ozono producido en los sistemas de aire comprimido. Las tuberías de combustible de caucho reforzado también son susceptibles al ataque, especialmente en el compartimento del motor, donde se produce ozono por los componentes eléctricos. Almacenar productos de caucho cerca de un motor eléctrico de CC puede acelerar el agrietamiento por ozono. El conmutador del motor genera chispas que, a su vez, producen ozono.

El ozono como gas de efecto invernadero

Aunque el ozono estaba presente a nivel del suelo antes de la Revolución Industrial , las concentraciones máximas son ahora mucho más altas que los niveles preindustriales, e incluso las concentraciones de fondo lejos de las fuentes de contaminación son sustancialmente más altas. ^{[ 72 ]}^{[ 73 ]} El ozono actúa como un gas de efecto invernadero , absorbiendo parte de la energía infrarroja emitida por la tierra. Cuantificar la potencia de gas de efecto invernadero del ozono es difícil porque no está presente en concentraciones uniformes en todo el mundo. Sin embargo, las evaluaciones científicas más ampliamente aceptadas relacionadas con el cambio climático (por ejemplo, el Tercer Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático ) ^[⁷⁴^] sugieren que el forzamiento radiativo del ozono troposférico es aproximadamente el 25% del del dióxido de carbono .

El potencial de calentamiento global anual del ozono troposférico se sitúa entre 918 y 1022 toneladas de dióxido de carbono equivalente por tonelada de ozono troposférico. Esto significa que, por molécula, el ozono en la troposfera tiene un efecto de forzamiento radiativo aproximadamente 1000 veces mayor que el del dióxido de carbono . Sin embargo, el ozono troposférico es un gas de efecto invernadero de corta duración que se desintegra en la atmósfera mucho más rápidamente que el dióxido de carbono . Esto implica que, en un periodo de 20 años, el potencial de calentamiento global del ozono troposférico es mucho menor, aproximadamente entre 62 y 69 toneladas de dióxido de carbono equivalente por tonelada de ozono troposférico. ^{[ 75 ]}

Debido a su corta duración, el ozono troposférico no tiene fuertes efectos globales, pero sí efectos de forzamiento radiativo muy intensos a escala regional. De hecho, existen regiones del mundo donde el ozono troposférico tiene un forzamiento radiativo de hasta el 150 % del dióxido de carbono . ^{[ 76 ]} Por ejemplo, se ha demostrado que el aumento del ozono en la troposfera es responsable de aproximadamente el 30 % del calentamiento del interior del océano Austral superior entre 1955 y 2000. ^[⁷⁷^]

Filtrado de carbono

Los filtros que contienen un adsorbente o catalizador como el carbón vegetal (carbono) pueden utilizarse para eliminar olores y contaminantes gaseosos como compuestos orgánicos volátiles u ozono. ^{[ 78 ]}

Efectos sobre la salud

El ozono es un gas altamente tóxico. ^{[ 79 ]}^{[ 80 ]}

Durante las últimas décadas, los científicos han estudiado los efectos de la exposición aguda y crónica al ozono en la salud humana. Cientos de estudios sugieren que el ozono es perjudicial para las personas en los niveles que se encuentran actualmente en las zonas urbanas. ^{[ 81 ]}^{[ 82 ]} Se ha demostrado que el ozono afecta a los sistemas respiratorio, cardiovascular y nervioso central. También se ha demostrado que la exposición al ozono está asociada con la muerte prematura y problemas en la salud y el desarrollo reproductivos. ^{[ 83 ]}

Poblaciones vulnerables

La Asociación Estadounidense del Pulmón ha identificado cinco poblaciones que son especialmente vulnerables a los efectos de la respiración de ozono: ^{[ 84 ]}

Niños y adolescentes
Personas de 65 años o más
Personas que trabajan o hacen ejercicio al aire libre
Personas con enfermedades pulmonares preexistentes, como asma y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (también conocida como EPOC, que incluye enfisema y bronquitis crónica).
Personas con enfermedad cardiovascular

Evidencia adicional sugiere que las mujeres, las personas con obesidad y las poblaciones de bajos ingresos también pueden enfrentar un mayor riesgo debido al ozono, aunque se necesita más investigación. ^{[ 84 ]}

Exposición aguda al ozono

La exposición aguda al ozono varía desde horas hasta unos pocos días. Debido a que el ozono es un gas, afecta directamente a los pulmones y a todo el sistema respiratorio. El ozono inhalado causa inflamación y cambios agudos —pero reversibles— en la función pulmonar, así como hiperreactividad de las vías respiratorias. ^{[ 85 ]} Estos cambios conducen a dificultad para respirar, sibilancias y tos que pueden exacerbar enfermedades pulmonares, como el asma o la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), lo que resulta en la necesidad de recibir tratamiento médico. ^{[ 86 ]}^{[ 87 ]} Se ha demostrado que la exposición aguda y crónica al ozono causa un mayor riesgo de infecciones respiratorias, debido al siguiente mecanismo. ^{[ 88 ]}

Se han realizado múltiples estudios para determinar el mecanismo detrás de los efectos nocivos del ozono, particularmente en los pulmones. Estos estudios han demostrado que la exposición al ozono provoca cambios en la respuesta inmunitaria dentro del tejido pulmonar, lo que resulta en la alteración de la respuesta inmunitaria tanto innata como adaptativa, así como en la modificación de la función protectora de las células epiteliales pulmonares. ^{[ 89 ]} Se cree que estos cambios en la respuesta inmunitaria y la respuesta inflamatoria relacionada son factores que probablemente contribuyen al mayor riesgo de infecciones pulmonares y al empeoramiento o desencadenamiento del asma y las vías respiratorias reactivas después de la exposición a la contaminación por ozono a nivel del suelo. ^{[ 89 ]}^{[ 90 ]}

El sistema inmunitario innato (celular) consta de varias señales químicas y tipos de células que actúan de forma amplia y contra múltiples tipos de patógenos, típicamente bacterias o cuerpos/sustancias extrañas en el huésped. ^{[ 90 ]}^{[ 91 ]} Las células del sistema innato incluyen fagocitos, neutrófilos, ^{[ 91 ]} ambos considerados contribuyen al mecanismo de la patología del ozono en los pulmones, ya que se ha demostrado que el funcionamiento de estos tipos de células cambia después de la exposición al ozono. ^{[ 90 ]} Se ha demostrado que los macrófagos, células que tienen el propósito de eliminar patógenos o material extraño a través del proceso de "fagocitosis", ^{[ 91 ]} cambian el nivel de señales inflamatorias que liberan en respuesta al ozono, ya sea regulándolas al alza y dando como resultado una respuesta inflamatoria en el pulmón, o regulándolas a la baja y reduciendo la protección inmunitaria. ^{[ 89 ]} Se ha descubierto que los neutrófilos, otro tipo celular importante del sistema inmunitario innato que ataca principalmente a los patógenos bacterianos, ^{[ 91 ]} están presentes en las vías respiratorias dentro de las 6 horas posteriores a la exposición a altos niveles de ozono. Sin embargo, a pesar de los altos niveles en los tejidos pulmonares, su capacidad para eliminar bacterias parece verse afectada por la exposición al ozono. ^{[ 89 ]}

El sistema inmunitario adaptativo es la rama de la inmunidad que proporciona protección a largo plazo mediante el desarrollo de anticuerpos dirigidos contra patógenos específicos y también se ve afectado por la alta exposición al ozono. ^{[ 90 ]}^{[ 91 ]} Los linfocitos, un componente celular de la respuesta inmunitaria adaptativa, producen una mayor cantidad de sustancias químicas inflamatorias llamadas "citoquinas" después de la exposición al ozono, lo que puede contribuir a la hiperreactividad de las vías respiratorias y al empeoramiento de los síntomas del asma. ^{[ 89 ]}

Las células epiteliales de las vías respiratorias también desempeñan un papel importante en la protección de los individuos contra los patógenos. En el tejido normal, la capa epitelial forma una barrera protectora y contiene estructuras ciliares especializadas que eliminan cuerpos extraños, moco y patógenos de los pulmones. Al exponerse al ozono, los cilios se dañan y la depuración mucociliar de patógenos se reduce. Además, la barrera epitelial se debilita, lo que permite que los patógenos la atraviesen, proliferen y se propaguen a tejidos más profundos. En conjunto, estos cambios en la barrera epitelial hacen que los individuos sean más susceptibles a las infecciones pulmonares. ^{[ 89 ]}

La inhalación de ozono no solo afecta al sistema inmunitario y a los pulmones, sino que también puede afectar al corazón. El ozono provoca un desequilibrio autonómico transitorio que conlleva cambios en la frecuencia cardíaca y una reducción de la variabilidad de la frecuencia cardíaca; ^{[ 92 ]} y una exposición a altos niveles durante tan solo una hora produce una arritmia supraventricular en personas mayores, ^{[ 93 ]} ambas aumentan el riesgo de muerte prematura y accidente cerebrovascular. El ozono también puede provocar vasoconstricción, lo que resulta en un aumento de la presión arterial sistémica y contribuye a un mayor riesgo de morbilidad y mortalidad cardíaca en pacientes con enfermedades cardíacas preexistentes. ^{[ 94 ]}^{[ 95 ]}

Exposición crónica al ozono

Inhalar ozono durante periodos superiores a ocho horas seguidas, durante semanas, meses o años, se considera exposición crónica. Numerosos estudios sugieren que esta exposición tiene un impacto grave en la salud de diversas poblaciones.

Un estudio encuentra asociaciones positivas significativas entre el ozono crónico y la mortalidad por todas las causas, circulatoria y respiratoria con aumentos del riesgo del 2%, 3% y 12% por cada 10 ppb ^{[ 96 ]} e informa una asociación (IC del 95%) del ozono anual y la mortalidad por todas las causas con una razón de riesgo de 1,02 (1,01–1,04), y con la mortalidad cardiovascular de 1,03 (1,01–1,05). Un estudio similar encuentra asociaciones similares con la mortalidad por todas las causas e incluso efectos mayores para la mortalidad cardiovascular. ^{[ 97 ]} Un mayor riesgo de mortalidad por causas respiratorias está asociado con la exposición crónica a largo plazo al ozono. ^{[ 98 ]}

La exposición crónica al ozono tiene efectos perjudiciales en los niños, especialmente en aquellos con asma. El riesgo de hospitalización en niños con asma aumenta con la exposición crónica al ozono; los niños más pequeños y aquellos de bajos recursos corren un riesgo aún mayor. ^{[ 99 ]}

Los adultos que padecen enfermedades respiratorias (asma, ^{[ 100 ]} EPOC, ^{[ 101 ]} cáncer de pulmón ^{[ 102 ]} ) tienen un mayor riesgo de mortalidad y morbilidad, y los pacientes en estado crítico también tienen un mayor riesgo de desarrollar síndrome de dificultad respiratoria aguda con exposición crónica al ozono. ^{[ 103 ]}

Ozono producido por los purificadores de aire

Los generadores de ozono que se venden como purificadores de aire producen intencionalmente el gas ozono. ^{[ 43 ]} Estos se comercializan a menudo para controlar la contaminación del aire interior y utilizan términos engañosos para describir el ozono. Algunos ejemplos lo describen como "oxígeno energizado" o "aire puro", sugiriendo que el ozono es un tipo de oxígeno saludable o "mejor". ^{[ 43 ]} Sin embargo, según la EPA , "Hay evidencia que demuestra que en concentraciones que no superan los estándares de salud pública, el ozono no es eficaz para eliminar muchos químicos que causan olores", y "Si se utiliza en concentraciones que no superan los estándares de salud pública, el ozono aplicado al aire interior no elimina eficazmente virus, bacterias, moho u otros contaminantes biológicos". ^{[ 43 ]} Además, otro informe afirma que "los resultados de algunos estudios controlados muestran que son posibles concentraciones de ozono considerablemente más altas que estos estándares [de seguridad humana] incluso cuando un usuario sigue las instrucciones de funcionamiento del fabricante". ^{[ 104 ]}

La Junta de Recursos del Aire de California tiene una página que enumera los purificadores de aire (muchos con ionizadores ) que cumplen con su límite de ozono en interiores de 0,050 partes por millón. ^{[ 105 ]} De ese artículo:

Todos los purificadores de aire portátiles para interiores que se vendan en California deben estar certificados por la Junta de Recursos del Aire de California (CARB). Para obtener la certificación, los purificadores de aire deben someterse a pruebas de seguridad eléctrica y emisiones de ozono, y cumplir con un límite de concentración de emisiones de ozono de 0,050 partes por millón. Para obtener más información sobre la normativa, visite el sitio web de la normativa sobre purificadores de aire .

contaminación atmosférica por ozono

Letrero en Gulfton , Houston, que indica una alerta por ozono.

Los precursores del ozono son un grupo de contaminantes, principalmente aquellos emitidos durante la combustión de combustibles fósiles . La contaminación por ozono a nivel del suelo (ozono troposférico) se produce cerca de la superficie terrestre por la acción de los rayos UV de la luz solar sobre estos precursores. El ozono a nivel del suelo proviene principalmente de precursores de combustibles fósiles, pero el metano es un precursor natural, y el nivel natural de fondo de ozono a nivel del suelo, que es muy bajo, se considera seguro. Esta sección examina los efectos en la salud de la quema de combustibles fósiles, que eleva el ozono a nivel del suelo muy por encima de los niveles de fondo.

Existe abundante evidencia que demuestra que el ozono a nivel del suelo puede dañar la función pulmonar e irritar el sistema respiratorio . ^{[ 56 ]}^{[ 107 ]} La exposición al ozono (y a los contaminantes que lo producen) está relacionada con la muerte prematura , el asma , la bronquitis , el infarto de miocardio y otros problemas cardiopulmonares. ^{[ 108 ]}^{[ 109 ]}

Se ha demostrado que la exposición prolongada al ozono aumenta el riesgo de muerte por enfermedades respiratorias . ^{[ 43 ]} Un estudio realizado con 450 000 personas que vivían en ciudades de EE. UU. encontró una correlación significativa entre los niveles de ozono y las enfermedades respiratorias durante un período de seguimiento de 18 años. El estudio reveló que las personas que vivían en ciudades con altos niveles de ozono, como Houston o Los Ángeles, tenían un riesgo de morir por enfermedades pulmonares superior al 30 %. ^{[ 110 ]}^{[ 111 ]}

Las directrices sobre la calidad del aire, como las de la Organización Mundial de la Salud , la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y la Unión Europea , se basan en estudios detallados diseñados para identificar los niveles que pueden causar efectos perjudiciales para la salud que sean medibles .

Según científicos de la EPA, las personas susceptibles pueden verse afectadas negativamente por niveles de ozono tan bajos como 40 nmol/mol. ^{[ 109 ]}^{[ 112 ]}^{[ 113 ]} En la UE, el valor objetivo actual para las concentraciones de ozono es de 120 μg/m³ ^, que es aproximadamente 60 nmol/mol. Este objetivo se aplica a todos los Estados miembros de conformidad con la Directiva 2008/50/CE. ^{[ 114 ]} La concentración de ozono se mide como una media diaria máxima de promedios de 8 horas y el objetivo no debe superarse en más de 25 días naturales al año, a partir de enero de 2010. Si bien la directiva exige en el futuro un cumplimiento estricto del límite de 120 μg/m³ ⁽ es decir, que la concentración media de ozono no se supere en ningún día del año), no hay una fecha fijada para este requisito y se trata como un objetivo a largo plazo. ^{[ 115 ]}

En Estados Unidos, la Ley de Aire Limpio ordena a la EPA establecer estándares nacionales de calidad del aire ambiente para varios contaminantes, incluido el ozono troposférico, y los condados que no cumplen con estos estándares deben tomar medidas para reducir sus niveles. En mayo de 2008, por orden judicial, la EPA redujo su estándar de ozono de 80 nmol/mol a 75 nmol/mol. Esta medida resultó controvertida, ya que los propios científicos y el consejo asesor de la Agencia habían recomendado reducir el estándar a 60 nmol/mol. ^{[ 109 ]} Muchos grupos de salud pública y ambientalistas también apoyaron el estándar de 60 nmol/mol, ^{[ 116 ]} y la Organización Mundial de la Salud recomienda 100 μg/m³ ⁽ 51 nmol/mol). ^{[ 117 ]}

El 7 de enero de 2010, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) anunció propuestas de revisión del Estándar Nacional de Calidad del Aire Ambiente (NAAQS, por sus siglas en inglés) para el contaminante ozono, el componente principal del esmog:

... La EPA propone que el nivel del estándar primario de 8 horas, que se estableció en 0,075 μmol/mol en la norma final de 2008, se establezca en un nivel más bajo dentro del rango de 0,060 a 0,070 μmol/mol, para brindar mayor protección a los niños y otras poblaciones en riesgo contra una variedad de O₃ – efectos adversos relacionados con la salud que van desde la disminución de la función pulmonar y el aumento de los síntomas respiratorios hasta indicadores graves de morbilidad respiratoria, incluidas visitas al departamento de emergencias e ingresos hospitalarios por causas respiratorias, y posiblemente morbilidad relacionada con el sistema cardiovascular, así como mortalidad total no accidental y cardiopulmonar ...^{[ 118 ]}

El 26 de octubre de 2015, la EPA publicó una norma final con fecha de entrada en vigor el 28 de diciembre de 2015, que revisó el NAAQS primario de 8 horas de 0,075 ppm a 0,070 ppm. ^{[ 119 ]}

La EPA ha desarrollado un índice de calidad del aire (ICA) para ayudar a explicar los niveles de contaminación atmosférica al público en general. Según las normas actuales, las fracciones molares de ozono promedio de ocho horas de 85 a 104 nmol/mol se describen como "perjudiciales para grupos sensibles", de 105 nmol/mol a 124 nmol/mol como "perjudiciales" y de 125 nmol/mol a 404 nmol/mol como "muy perjudiciales". ^{[ 120 ]}

El ozono también puede estar presente en la contaminación del aire interior , en parte como resultado de equipos electrónicos como las fotocopiadoras. Asimismo, se ha observado una relación entre el aumento de polen, esporas de hongos y ozono causado por tormentas eléctricas y los ingresos hospitalarios de personas con asma . ^{[ 121 ]}

En la época victoriana , un mito popular británico sostenía que el olor del mar era causado por el ozono. En realidad, el característico «olor a mar» se debe al dimetilsulfuro , una sustancia química generada por el fitoplancton . Los británicos victorianos consideraban que el olor resultante era «vigorizante». ^{[ 122 ]}

olas de calor

Una investigación para evaluar los efectos combinados de la mortalidad causados por el ozono y el calor durante las olas de calor europeas de 2003 concluyó que estos parecen ser aditivos. ^{[ 123 ]}

Fisiología

El ozono, junto con formas reactivas de oxígeno como el superóxido , el oxígeno singlete , el peróxido de hidrógeno y los iones hipoclorito , es producido por los glóbulos blancos y otros sistemas biológicos (como las raíces de las caléndulas ) como un medio para destruir cuerpos extraños. El ozono reacciona directamente con los enlaces dobles orgánicos. Además, cuando el ozono se descompone en dioxígeno, da lugar a radicales libres de oxígeno , que son altamente reactivos y capaces de dañar muchas moléculas orgánicas . Asimismo, se cree que las potentes propiedades oxidantes del ozono pueden ser un factor que contribuye a la inflamación . La relación causa-efecto de cómo se crea el ozono en el cuerpo y qué hace aún está en estudio y sujeta a diversas interpretaciones, ya que otros procesos químicos del cuerpo pueden desencadenar algunas de las mismas reacciones. Existe evidencia que vincula la vía de oxidación del agua catalizada por anticuerpos de la respuesta inmune humana con la producción de ozono. En este sistema, el ozono se produce mediante la producción de trioxidano a partir de agua , catalizada por anticuerpos, y oxígeno singlete producido por neutrófilos. ^{[ 124 ]}

Cuando se inhala, el ozono reacciona con compuestos que recubren los pulmones para formar metabolitos específicos derivados del colesterol que se cree que facilitan la acumulación y la patogénesis de las placas ateroscleróticas (una forma de enfermedad cardíaca ). Se ha confirmado que estos metabolitos se producen de forma natural en las arterias ateroscleróticas humanas y se clasifican en una clase de secoesteroles denominados ateronals , generados por la ozonólisis del doble enlace del colesterol para formar un 5,6-secosterol ^{[ 125 ]} , así como un producto de condensación secundario mediante aldolización ^{[ 126 ] .}

Impacto en el crecimiento de las plantas y en el rendimiento de los cultivos.

Se ha implicado al ozono en el efecto adverso sobre el crecimiento de las plantas: "... el ozono redujo la concentración total de clorofilas, carotenoides y carbohidratos, e incrementó el contenido de ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC) y la producción de etileno. En las plantas tratadas, la reserva foliar de ascorbato disminuyó, mientras que la peroxidación lipídica y la fuga de solutos fueron significativamente mayores que en los controles sin ozono. Los datos indicaron que el ozono activó mecanismos de protección contra el estrés oxidativo en los cítricos." ^{[ 127 ]} Estudios que han utilizado plantas de pimiento como modelo han demostrado que el ozono disminuyó el rendimiento de la fruta y cambió la calidad de la misma. ^{[ 128 ]}^{[ 129 ]} Además, también se observó una disminución en los niveles de clorofilas y defensas antioxidantes en las hojas, así como un aumento en los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) y daños en lípidos y proteínas. ^{[ 128 ]}^{[ 129 ]}

Un estudio de 2022 concluye que Asia Oriental pierde 63 mil millones de dólares en cosechas al año debido a la contaminación por ozono, un subproducto de la combustión de combustibles fósiles. China pierde aproximadamente un tercio de su producción potencial de trigo y una cuarta parte de su producción de arroz. ^{[ 130 ]}^{[ 131 ]}

Normas de seguridad

Debido a sus fuertes propiedades oxidantes, el ozono es un irritante primario que afecta especialmente a los ojos y al sistema respiratorio, y puede ser peligroso incluso en bajas concentraciones. El Centro Canadiense para la Seguridad y la Salud en el Trabajo informa que:

Incluso concentraciones muy bajas de ozono pueden ser perjudiciales para las vías respiratorias superiores y los pulmones. La gravedad de la lesión depende tanto de la concentración de ozono como de la duración de la exposición. Una exposición muy breve a concentraciones relativamente bajas puede provocar lesiones pulmonares graves y permanentes, o incluso la muerte. ^{[ 132 ]}

Para proteger a los trabajadores potencialmente expuestos al ozono, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. ha establecido un límite de exposición permisible (PEL) de 0,1 μmol/mol ( 29 CFR 1910.1000 tabla Z-1), calculado como un promedio ponderado en el tiempo de 8 horas. Las concentraciones más altas son especialmente peligrosas y el NIOSH ha establecido un límite inmediatamente peligroso para la vida o la salud (IDLH) de 5 μmol/mol. ^{[ 133 ]} Los entornos de trabajo donde se utiliza ozono o donde es probable que se produzca deben tener ventilación adecuada y es prudente tener un monitor de ozono que emita una alarma si la concentración supera el PEL de OSHA. Hay monitores continuos de ozono disponibles de varios proveedores.

La exposición elevada al ozono puede ocurrir en aeronaves de pasajeros , con niveles que dependen de la altitud y la turbulencia atmosférica. ^{[ 134 ]} Las regulaciones de la Administración Federal de Aviación de EE. UU. establecen un límite de 250 nmol/mol con un promedio máximo de cuatro horas de 100 nmol/mol. ^{[ 135 ]} Algunos aviones están equipados con convertidores de ozono en el sistema de ventilación para reducir la exposición de los pasajeros. ^{[ 134 ]}

Producción

Los generadores de ozono , u ozonizadores , ^{[ 136 ]} se utilizan para producir ozono para limpiar el aire o eliminar olores a humo en habitaciones desocupadas. Estos generadores de ozono pueden producir más de 3 g de ozono por hora. El ozono a menudo se forma en la naturaleza en condiciones donde el O₂ _no reacciona. ^{[ 29 ]} El ozono utilizado en la industria se mide en μmol/mol (ppm, partes por millón), nmol/mol (ppb, partes por mil millones), μg/m³ ^, mg/h (miligramos por hora) o porcentaje en peso. El régimen de concentraciones aplicadas varía del 1% al 5% (en el aire) y del 6% al 14% (en el oxígeno) para los métodos de generaciones anteriores. Los nuevos métodos electrolíticos pueden lograr concentraciones de ozono disuelto de hasta el 20% al 30% en el agua de salida.

La temperatura y la humedad influyen considerablemente en la cantidad de ozono que se produce con los métodos de generación tradicionales (como la descarga de corona y la luz ultravioleta). Estos métodos producen menos del 50 % de su capacidad nominal si se utilizan con aire húmedo, en comparación con aire muy seco. Los nuevos generadores, que emplean métodos electrolíticos, logran una mayor pureza y disolución al utilizar moléculas de agua como fuente de producción de ozono.

método de descarga de corona

Este es el tipo más común de generador de ozono para la mayoría de usos industriales y personales. Si bien existen variaciones del método de descarga de corona de "chispa caliente" para la producción de ozono, incluidos generadores de ozono de grado médico e industrial, estas unidades generalmente funcionan mediante un tubo de descarga de corona o una placa de ozono. ^{[ 137 ]}^{[ 138 ]} Suelen ser rentables y no requieren una fuente de oxígeno aparte del aire ambiente para producir concentraciones de ozono del 3 al 6 %. Las fluctuaciones en el aire ambiente, debido al clima u otras condiciones ambientales, causan variabilidad en la producción de ozono. Sin embargo, también producen óxidos de nitrógeno como subproducto. El uso de un secador de aire puede reducir o eliminar la formación de ácido nítrico al eliminar el vapor de agua y aumentar la producción de ozono. A temperatura ambiente, el ácido nítrico se convertirá en un vapor peligroso si se inhala. Los síntomas pueden incluir dolor en el pecho, dificultad para respirar, dolores de cabeza y sequedad de nariz y garganta que causa una sensación de ardor. El uso de un concentrador de oxígeno puede aumentar aún más la producción de ozono y reducir aún más el riesgo de formación de ácido nítrico al eliminar no solo el vapor de agua, sino también la mayor parte del nitrógeno.

luz ultravioleta

Los generadores de ozono UV, o generadores de ozono ultravioleta de vacío (VUV), emplean una fuente de luz que genera luz ultravioleta de banda estrecha, un subconjunto de la producida por el Sol. La radiación UV del Sol mantiene la capa de ozono en la estratosfera terrestre. ^{[ 139 ]}

Los generadores de ozono UV utilizan aire ambiente para la producción de ozono, sin sistemas de preparación de aire (secador de aire o concentrador de oxígeno), por lo que suelen ser menos costosos. Sin embargo, generalmente producen ozono con una concentración de aproximadamente 0,5 % o inferior, lo que limita la tasa de producción potencial. Otra desventaja de este método es que requiere que el aire ambiente (oxígeno) esté expuesto a la fuente UV durante un tiempo prolongado, y cualquier gas que no esté expuesto a la fuente UV no será tratado. Esto hace que los generadores UV no sean prácticos para su uso en situaciones que implican corrientes de aire o agua en movimiento rápido ( esterilización de aire en conductos , por ejemplo). La producción de ozono es uno de los peligros potenciales de la irradiación germicida ultravioleta . Los generadores de ozono VUV se utilizan en piscinas y spas con capacidad para millones de galones de agua. A diferencia de los generadores de descarga de corona, los generadores de ozono VUV no producen subproductos de nitrógeno dañinos y funcionan extremadamente bien en ambientes con aire húmedo. Además, normalmente no se necesitan costosos mecanismos de eliminación de gases, ni secadores de aire o concentradores de oxígeno, que requieren costes y mantenimiento adicionales.

Plasma frío

En el método de plasma frío, el oxígeno puro gaseoso se expone a un plasma creado por una descarga de barrera dieléctrica . El oxígeno diatómico se divide en átomos individuales, que luego se recombinan en tripletes para formar ozono.

En la industria, es común etiquetar erróneamente algunos generadores de ozono DBD como generadores de descarga de corona CD. Por lo general, todos los generadores de ozono con electrodos metálicos planos sólidos producen ozono mediante el método de descarga de barrera dieléctrica. Las máquinas de plasma frío utilizan oxígeno puro como fuente de entrada y producen una concentración máxima de aproximadamente el 24 % de ozono. Producen cantidades mucho mayores de ozono en un tiempo determinado en comparación con la producción ultravioleta, que tiene una eficiencia de alrededor del 2 %. Las descargas se manifiestan como una transferencia filamentosa de electrones (microdescargas) en el espacio entre dos electrodos. Para distribuir uniformemente las microdescargas, se debe utilizar un aislante dieléctrico para separar los electrodos metálicos y evitar la formación de arcos eléctricos.

Electrolítico

La generación electrolítica de ozono (EOG) divide las moléculas de agua en H ₂ , O ₂ , y O ₃ .

En la mayoría de los métodos EOG, el hidrógeno gaseoso se elimina para dejar oxígeno y ozono como únicos productos de reacción. Por lo tanto, el EOG puede lograr una mayor disolución en agua sin otros gases competidores presentes en el método de descarga de corona, como el nitrógeno gaseoso presente en el aire ambiente. Este método de generación puede alcanzar concentraciones del 20 al 30 % y es independiente de la calidad del aire, ya que se utiliza agua como material de partida. La producción electrolítica de ozono suele ser desfavorable debido al alto sobrepotencial requerido para producirlo en comparación con el oxígeno. Por esta razón, el ozono no se produce durante la electrólisis típica del agua. Sin embargo, es posible aumentar el sobrepotencial del oxígeno mediante una cuidadosa selección del catalizador, de modo que el ozono se produzca preferentemente durante la electrólisis. Los catalizadores que se suelen elegir para este enfoque son el dióxido de plomo ^{[ 140 ]} o el diamante dopado con boro ^{[ 141 ] .}

La relación ozono-oxígeno mejora al aumentar la densidad de corriente en el ánodo, enfriar el electrolito alrededor del ánodo cerca de 0 °C, usar un electrolito ácido (como ácido sulfúrico diluido) en lugar de una solución básica y aplicar corriente pulsada en lugar de corriente continua. ^{[ 142 ]}

Consideraciones especiales

El ozono no se puede almacenar ni transportar como otros gases industriales (debido a su rápida descomposición en oxígeno diatómico) y, por lo tanto, debe producirse in situ. Los generadores de ozono disponibles varían en la disposición y el diseño de los electrodos de alta tensión. Para capacidades de producción superiores a 20 kg por hora, se puede utilizar un intercambiador de calor de tubos de gas/agua como electrodo de tierra, ensamblado con electrodos tubulares de alta tensión en el lado del gas. El régimen de presiones de gas típicas es de alrededor de 2 bares (200 kPa ) absolutos en oxígeno y 3 bares (300 kPa) absolutos en aire. En grandes instalaciones se pueden instalar varios megavatios de potencia eléctrica , aplicada como corriente alterna monofásica de 50 a 8000 Hz y tensiones pico de entre 3000 y 20 000 voltios. La tensión aplicada suele ser inversamente proporcional a la frecuencia aplicada.

El parámetro que más influye en la eficiencia de la generación de ozono es la temperatura del gas, la cual se controla mediante la temperatura del agua de refrigeración y/o la velocidad del gas. Cuanto más fría esté el agua, mejor será la síntesis de ozono. A menor velocidad del gas, mayor será la concentración (pero menor la cantidad neta de ozono producida). En condiciones industriales típicas, casi el 90 % de la potencia efectiva se disipa en forma de calor y debe eliminarse mediante un flujo de agua de refrigeración suficiente.

Debido a la alta reactividad del ozono, solo se pueden usar algunos materiales como acero inoxidable (calidad 316L), titanio , aluminio (siempre que no haya humedad), vidrio , politetrafluoroetileno o fluoruro de polivinilideno . Viton se puede usar con la restricción de fuerzas mecánicas constantes y ausencia de humedad (se aplican limitaciones de humedad según la formulación). Hypalon se puede usar con la restricción de que no entre en contacto con agua, excepto los niveles atmosféricos normales. La fragilización o contracción es el modo común de falla de los elastómeros con exposición al ozono. El agrietamiento por ozono es el modo común de falla de los sellos de elastómero como las juntas tóricas .

Los cauchos de silicona suelen ser adecuados para su uso como juntas en concentraciones de ozono inferiores al 1 % en peso, como por ejemplo en equipos para el envejecimiento acelerado de muestras de caucho.

Producción incidental

El ozono puede formarse a partir de O₂ por descargas eléctricas y por la acción deradiación electromagnética.El arco eléctrico no suprimidoen contactos eléctricos, escobillas de motor o interruptores mecánicos rompe los enlaces químicos del oxígeno atmosférico que rodea los contactos [O₂ -> 2O]. Los radicales libres de oxígeno dentro y alrededor del arco se recombinan para crear ozono [O₃ ].^{[ 143 ]} Ciertosequipos eléctricosgeneran niveles significativos de ozono. Esto es especialmente cierto en el caso de dispositivos que utilizanaltos voltajes, comopurificadores de aire iónicos,impresoras láser,fotocopiadoras,pistolas Taserysoldadoras de arco.Los motores eléctricosque utilizanescobillas las chispasrepetidasdentro de la unidad. Los motores grandes que utilizan escobillas, como los que se usan en ascensores o bombas hidráulicas, generarán más ozono que los motores más pequeños.

El ozono se forma de manera similar en el fenómeno de las tormentas eléctricas del Catatumbo en el río Catatumbo en Venezuela , aunque la inestabilidad del ozono hace dudoso que tenga algún efecto sobre la ozonosfera. ^{[ 144 ]} Es el mayor generador natural de ozono del mundo, lo que ha motivado peticiones para que sea declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO . ^{[ 145 ]}

Producción de laboratorio

En el laboratorio, el ozono se puede producir mediante electrólisis utilizando una batería de 9 voltios , un cátodo de varilla de grafito de lápiz , un ánodo de alambre de platino y un electrolito de ácido sulfúrico 3 molar . ^[¹⁴⁶^] Las semirreacciones que tienen lugar son:

{\begin{aligned}&{\ce {3 H2O -> O3 + 6 H+ + 6 e-}}&&(\Delta E^{\circ }=-{\text{1.53 V}})\\&{\ce {6 H+ + 6 e- -> 3 H2}}&&(\Delta E^{\circ }={\text{0 V}})\\&{\ce {2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}}&&(\Delta E^{\circ }={\text{1.23 V}})\end{aligned}}

donde $E°$ representa el potencial estándar del electrodo .

En la reacción neta, tres equivalentes de agua se convierten en un equivalente de ozono y tres equivalentes de hidrógeno . La formación de oxígeno es una reacción competitiva.

También puede generarse mediante un arco de alto voltaje . En su forma más simple, se conecta corriente alterna de alto voltaje, como la que sale de un transformador de neón, a dos varillas metálicas cuyos extremos se colocan lo suficientemente cerca como para permitir la formación de un arco. El arco resultante convertirá el oxígeno atmosférico en ozono.

A menudo es deseable contener el ozono. Esto se puede lograr con un aparato que consta de dos tubos de vidrio concéntricos sellados en la parte superior, con orificios para el gas en la parte superior e inferior del tubo exterior. El núcleo interno debe tener un trozo de papel de aluminio insertado y conectado a un lado de la fuente de alimentación. El otro lado de la fuente de alimentación debe conectarse a otro trozo de papel de aluminio enrollado alrededor del tubo exterior. Una fuente de O₃ seco_{Se aplica 2} al puerto inferior. Cuando se aplica alto voltaje a los cables de la lámina,la electricidadse descargará entre el dioxígeno seco en el medio y formaráO₃ yO₂ que saldrá por el puerto superior. Esto se llama ozonizador de Siemens. La reacción se puede resumir de la siguiente manera:^{[ 29 ]}

{\ce {3O2->[{\text{electricity}}]2O3}}

Aplicaciones

Industria

El principal uso del ozono es en la preparación de productos farmacéuticos , lubricantes sintéticos y muchos otros compuestos orgánicos de utilidad comercial , donde se utiliza para romper enlaces carbono -carbono. ^{[ 29 ]} También se puede utilizar para blanquear sustancias y para eliminar microorganismos en fuentes de aire y agua. ^{[ 147 ]} Muchos sistemas municipales de agua potable eliminan bacterias con ozono en lugar del cloro, que es más común . ^{[ 148 ]} El ozono tiene un potencial de oxidación muy alto . ^{[ 149 ]} El ozono no forma compuestos organoclorados ni permanece en el agua después del tratamiento. El ozono puede formar bromato, un posible carcinógeno , en aguas de origen con altas concentraciones de bromuro . La Ley de Agua Potable Segura de EE. UU. exige que estos sistemas introduzcan una cantidad de cloro para mantener un mínimo de 0,2 μmol/mol de cloro libre residual en las tuberías, según los resultados de pruebas periódicas. Donde la energía eléctrica es abundante, el ozono es un método rentable para el tratamiento del agua, ya que se produce bajo demanda y no requiere el transporte ni el almacenamiento de productos químicos peligrosos. Una vez descompuesto, no deja sabor ni olor en el agua potable.

Aunque se ha anunciado que el ozono a bajas concentraciones tiene cierta utilidad desinfectante en hogares, la concentración de ozono en aire seco necesaria para lograr un efecto rápido y significativo sobre los patógenos presentes en el aire supera los niveles de seguridad recomendados por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE. UU . El control de la humedad puede mejorar considerablemente tanto la eficacia del ozono como su velocidad de descomposición (mayor humedad permite una mayor efectividad). Las esporas de la mayoría de los patógenos toleran muy bien el ozono atmosférico en concentraciones que pueden causar problemas a los pacientes con asma.

En 1908 se introdujo la ozonización artificial de la línea Central del metro de Londres para la desinfección del aire. El proceso resultó beneficioso, pero se eliminó gradualmente en 1956. Sin embargo, el efecto positivo se mantuvo gracias al ozono generado incidentalmente por las descargas eléctricas de los motores de los trenes (véase más arriba: Producción incidental ). ^{[ 150 ]}

Se pusieron a disposición de las escuelas y universidades de Gales generadores de ozono para el trimestre de otoño de 2021, para desinfectar las aulas después de los brotes de COVID-19 . ^{[ 151 ]}

A nivel industrial, el ozono se utiliza para:

Desinfectar la ropa en hospitales, fábricas de alimentos, residencias de ancianos, etc. ^{[ 152 ]}
Desinfectar el agua en lugar de cloro ^{[ 29 ]}
Desodorizar el aire y los objetos, por ejemplo, después de un incendio.
Eliminar bacterias en alimentos o en superficies de contacto ^{[ 153 ]}
Sustituir los desinfectantes químicos como el ácido peracético , el hipoclorito o el calor en industrias con alto consumo de agua, como las cervecerías y las plantas lácteas .
Desinfecte las torres de refrigeración y controle la Legionella con un menor consumo de productos químicos y purga de agua, y un mayor rendimiento.
Desinfectar piscinas y spas
Eliminar insectos en granos almacenados ^{[ 154 ]}
Eliminar las esporas de levadura y moho del aire en las plantas procesadoras de alimentos.
Lave las frutas y verduras frescas para eliminar levaduras, moho y bacterias ^{[ 153 ].}
Ataque químico a los contaminantes del agua: ( hierro , arsénico , sulfuro de hidrógeno , nitritos y compuestos orgánicos complejos agrupados como "color")
Proporcionar ayuda a la floculación (aglomeración de moléculas, que ayuda en la filtración, donde se eliminan el hierro y el arsénico).
Fabricación de compuestos químicos mediante síntesis química ^{[ 155 ]}
Limpiar y blanquear telas (el primer uso se utiliza en la restauración de telas ; el segundo uso está patentado) ^{[ 156 ]}
Actúa como anticloro en el blanqueo a base de cloro.
Ayudar en el procesamiento de plásticos para permitir la adhesión de las tintas.
Envejecer muestras de caucho para determinar la vida útil de un lote de caucho.
Erradicar parásitos transmitidos por el agua, como Giardia lamblia y Cryptosporidium , en las plantas de tratamiento de aguas superficiales.

El ozono es un reactivo en muchas reacciones orgánicas, tanto en el laboratorio como en la industria. La ozonólisis es la ruptura de un enlace alqueno para formar compuestos carbonílicos .

Muchos hospitales de todo el mundo utilizan grandes generadores de ozono para descontaminar los quirófanos entre cirugías. Las salas se limpian y luego se sellan herméticamente antes de llenarlas con ozono, que elimina o neutraliza eficazmente todas las bacterias restantes. ^{[ 157 ]}

El ozono se utiliza como alternativa al cloro o al dióxido de cloro en el blanqueo de la pulpa de madera . ^{[ 158 ]} A menudo se utiliza junto con oxígeno y peróxido de hidrógeno para eliminar la necesidad de compuestos que contienen cloro en la fabricación de papel blanco de alta calidad . ^{[ 159 ]}

El ozono puede utilizarse para desintoxicar los residuos de cianuro (por ejemplo, procedentes de la minería de oro y plata ) mediante la oxidación del cianuro a cianato y, finalmente, a dióxido de carbono . ^[¹⁶⁰^]

Desinfección del agua

Desde la invención de los reactores de plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD), se ha empleado para el tratamiento de agua con ozono. ^{[ 161 ]} Sin embargo, con desinfectantes alternativos más baratos como el cloro, tales aplicaciones de descontaminación de agua con ozono DBD se han visto limitadas por el alto consumo de energía y el equipo voluminoso. ^{[ 162 ]}^{[ 163 ]} A pesar de esto, con investigaciones que revelan los impactos negativos de desinfectantes comunes como el cloro con respecto a residuos tóxicos e ineficacia para matar ciertos microorganismos, ^{[ 164 ]} la descontaminación de ozono basada en plasma DBD es de interés en las tecnologías disponibles actualmente. Aunque la ozonización de agua con una alta concentración de bromuro conduce a la formación de subproductos de desinfección bromados indeseables, a menos que el agua potable se produzca por desalinización, la ozonización generalmente se puede aplicar sin preocupación por estos subproductos. ^{[ 163 ]}^{[ 165 ]}^{[ 166 ]}^{[ 167 ]} Las ventajas del ozono incluyen un alto potencial de oxidación termodinámica, menor sensibilidad a la materia orgánica y mejor tolerancia a las variaciones de pH mientras conserva la capacidad de matar bacterias, hongos, virus, así como esporas y quistes. ^{[ 168 ]}^{[ 169 ]}^{[ 170 ]} Aunque el ozono ha sido ampliamente aceptado en Europa durante décadas, se utiliza escasamente para la descontaminación en los EE. UU. debido a las limitaciones de alto consumo de energía, instalación voluminosa y el estigma asociado con la toxicidad del ozono. ^{[ 162 ]}^{[ 171 ]} Considerando esto, los esfuerzos de investigación recientes se han dirigido al estudio de sistemas efectivos de tratamiento de agua con ozono. ^{[ 172 ]} Los investigadores han estudiado reactores DBD de superficie ligeros y compactos de baja potencia, ^{[ 173 ]}^{[ 174 ]} reactores DBD de volumen energéticamente eficientes ^{[ 175 ]} y reactores DBD de microescala de baja potencia. ^{[ 176 ]}^{[ 177 ]} Estos estudios pueden ayudar a allanar el camino para la reaceptación de la descontaminación de agua con ozono basada en plasma DBD, especialmente en los EE. UU.

consumidores

Los niveles de ozono que son seguros para las personas son ineficaces para matar hongos y bacterias. ^{[ 178 ]} Algunos productos de desinfección y cosméticos de consumo emiten ozono en niveles perjudiciales para la salud humana. ^{[ 178 ]}

Los dispositivos que generan altos niveles de ozono, algunos de los cuales utilizan ionización, se emplean para desinfectar y desodorizar edificios deshabitados, habitaciones, conductos de ventilación, leñeras, barcos y otros vehículos.

El agua ozonizada se utiliza para lavar ropa y desinfectar alimentos, agua potable y superficies en el hogar. Según la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), está "modificando las regulaciones sobre aditivos alimentarios para permitir el uso seguro del ozono en fases gaseosa y acuosa como agente antimicrobiano en alimentos, incluyendo carne y aves de corral". Estudios realizados en la Universidad Politécnica de California demostraron que niveles de 0,3 μmol/mol de ozono disuelto en agua del grifo filtrada pueden producir una reducción de más del 99,99 % en microorganismos transmitidos por los alimentos como la salmonela, la E. coli O157:H7 y el Campylobacter . Esta cantidad es 20 000 veces superior a los límites recomendados por la OMS mencionados anteriormente. ^{[ 153 ]}^{[ 179 ]}

El ozono se puede utilizar para eliminar los residuos de pesticidas de frutas y verduras . ^{[ 180 ]}^{[ 181 ]}

El ozono se utiliza en hogares y jacuzzis para eliminar las bacterias del agua y reducir la cantidad de cloro o bromo necesaria, reactivándolos a su estado libre. Dado que el ozono no permanece en el agua el tiempo suficiente, por sí solo es ineficaz para prevenir la contaminación cruzada entre los bañistas y debe utilizarse junto con halógenos . El ozono gaseoso, generado mediante luz ultravioleta o descarga de corona, se inyecta en el agua. ^{[ 182 ]}

El ozono también se utiliza ampliamente en el tratamiento del agua de acuarios y estanques. Su uso puede minimizar el crecimiento bacteriano, controlar los parásitos, eliminar la transmisión de algunas enfermedades y reducir o eliminar el amarilleamiento del agua. El ozono no debe entrar en contacto con las branquias de los peces. El agua salada natural (con organismos vivos) proporciona suficiente oxígeno disuelto para que cantidades controladas de ozono activen los iones bromuro y los conviertan en ácido hipobromoso , y el ozono se descomponga por completo en cuestión de segundos o minutos. Si se utiliza ozono oxigenado, el agua tendrá un mayor contenido de oxígeno disuelto y las branquias de los peces se atrofiarán, lo que los hará dependientes del agua enriquecida con oxígeno.

Acuicultura

La ozonización, un proceso de infusión de agua con ozono , puede utilizarse en acuicultura para facilitar la descomposición orgánica. El ozono también se añade a los sistemas de recirculación para reducir los niveles de nitrito ^{[ 183 ]} mediante su conversión en nitrato . Si los niveles de nitrito en el agua son altos, los nitritos también se acumularán en la sangre y los tejidos de los peces, donde interfieren con el transporte de oxígeno (provocan la oxidación del grupo hemo de la hemoglobina a partir de hierro ferroso ( Fe2 ^{+)) .}) al férrico ( Fe ³⁺), lo que hace que la hemoglobina sea incapaz de unirse al oxígeno₂ ).^{[ 184 ]} A pesar de estos aparentes efectos positivos, el uso de ozono en sistemas de recirculación se ha relacionado con la reducción del nivel de yodo biodisponible en sistemas de agua salada, lo que resulta en síntomas de deficiencia de yodo como bocio y disminución del crecimiento en larvas de lenguado senegalés (Solea senegalensis).^{[ 185 ]}

El agua de mar ozonizada se utiliza para la desinfección superficial de huevos de eglefino y fletán del Atlántico contra el nodavirus. El nodavirus es un virus letal de transmisión vertical que causa una alta mortalidad en los peces. Los huevos de eglefino no deben tratarse con altos niveles de ozono, ya que los huevos tratados de esta manera no eclosionaron y murieron después de 3 a 4 días. ^{[ 186 ]}

Agricultura

La aplicación de ozono en piña y plátano recién cortados muestra un aumento en el contenido de flavonoides y fenoles totales cuando la exposición es de hasta 20 minutos. Se observa una disminución en el contenido de ácido ascórbico (una forma de vitamina C ), pero el efecto positivo en el contenido de fenoles totales y flavonoides puede superar el efecto negativo. ^{[ 187 ]} Los tomates tratados con ozono muestran un aumento en β-caroteno, luteína y licopeno. ^{[ 188 ]} Sin embargo, la aplicación de ozono en fresas en el período previo a la cosecha muestra una disminución en el contenido de ácido ascórbico. ^{[ 189 ]}

El ozono facilita la extracción de algunos metales pesados del suelo mediante EDTA . El EDTA forma compuestos de coordinación fuertes y solubles en agua con algunos metales pesados ( Pb y Zn ), lo que permite disolverlos del suelo contaminado. Si el suelo contaminado se trata previamente con ozono, la eficacia de extracción de Pb , Am y Pu aumenta entre un 11,0 y un 28,9 %, ^{[ 190 ]} un 43,5 % ^{[ 191 ]} y un 50,7 % ^{[ 191 ]} respectivamente.

Efecto sobre los polinizadores

La polinización de cultivos es una parte esencial de un ecosistema. El ozono puede tener efectos perjudiciales en las interacciones planta-polinizador. ^{[ 192 ]} Los polinizadores transportan polen de una planta a otra. Este es un ciclo esencial dentro de un ecosistema. Provocar cambios en ciertas condiciones atmosféricas alrededor de los sitios de polinización o con xenobióticos podría causar cambios desconocidos en los ciclos naturales de los polinizadores y las plantas con flores. En un estudio realizado en el noroeste de Europa, los polinizadores de cultivos se vieron más afectados negativamente cuando los niveles de ozono eran más altos. ^{[ 193 ]}

Medicina alternativa

El uso de ozono para el tratamiento de afecciones médicas no está respaldado por evidencia de alta calidad y generalmente se considera medicina alternativa . ^{[ 194 ]}

Véase también

Absorción de Chappuis
Ozono cíclico
Sistema Global de Monitoreo del Ozono mediante Ocultación de Estrellas (GOMOS)
Día Internacional de la Preservación de la Capa de Ozono (16 de septiembre)
Iluminación
Óxidos de nitrógeno
Agotamiento de la capa de ozono , incluido el fenómeno conocido como el agujero de la capa de ozono .
monitor de ozono
Instrumento de monitoreo de ozono
Terapia de ozono
Ozoneweb
Ozónido (ión)
Ozonólisis
Degradación del polímero
Esterilización (microbiología)

Referencias

Notas a pie de página

↑ Esta presión de vapor es para la temperatura crítica , que está por debajo de la temperatura ambiente .
↑ Esto incluye los condados de Adams, Arapahoe, Boulder, Broomfield, Denver, Douglas, Jefferson y partes de los condados de Larimer y Weld.

Citas

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Ficha Internacional de Seguridad Química 0068
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Nomenclatura

Historia

Propiedades físicas

Estructura

Reacciones

Con metales

Con compuestos de nitrógeno y carbono

Con compuestos de azufre

Con alquenos y alquinos

Otros sustratos

Combustión

Descomposición del ozono

Tipos de descomposición del ozono

Cinética de la descomposición del ozono en oxígeno molecular

Reducción a ozónidos

Aplicaciones

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Ozono en la atmósfera terrestre

Capa de ozono

Ubicación y producción

Importancia para la vida que habita en la superficie de la Tierra.

Ozono a nivel del suelo

Ozono a nivel del suelo en zonas urbanas

craqueo de ozono

El ozono como gas de efecto invernadero

Filtrado de carbono

Efectos sobre la salud

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Exposición aguda al ozono

Exposición crónica al ozono

Ozono producido por los purificadores de aire

contaminación atmosférica por ozono

olas de calor

Fisiología

Impacto en el crecimiento de las plantas y en el rendimiento de los cultivos.

Normas de seguridad

Producción

método de descarga de corona

luz ultravioleta

Plasma frío

Electrolítico

Consideraciones especiales

Producción incidental

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Aplicaciones

Industria

Desinfección del agua

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Acuicultura

Agricultura

Efecto sobre los polinizadores

Medicina alternativa

Véase también

Referencias

Lecturas adicionales

Enlaces externos

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