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Ozon |
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Allgemeine Informationen zu Ozon
Während
Ozon früher ein Begriff war, mit dem nur Experten verschiedenster Fachgebiete
umgingen, so ist es heute in unseren Alltagssprachgebrauch
eingegangen.
Der
Begriff Ozon kommt in den unterschiedlichsten Themenbereichen vor; leider werden
häufig verschiedene Sachzusammenhänge miteinander verwechselt oder vermischt.
In dieser Information wird versucht, das Vorkommen von Ozon und die Bedeutung im
Alltag darzustellen.
Das griechische Wort Ozein
-was riechen bedeutet- stellt den Ursprung des Begriffes Ozon dar. Christian
Friedrich Schönbein aus Metzingen entdeckte 1839 das Ozon.
Eigenschaften von Ozon
Ozon (O3) besteht aus
drei Sauerstoffatomen und hat eine relative Molekülmasse von 47,998u. Ozon ist
somit etwa 1½ mal so schwer wie Luft und bei normaler Temperatur und normalem
Druck ein farbloses bis blaues Gas. Je nach Konzentration hat es einen nelken-,
heu- oder chlorähnlichen Geruch („UV-Höhensonnengeruch“). Möglicherweise
ist jedoch das Gas selbst geruchlos und nur die begleitenden Stickoxide
vermitteln den charakteristischen Geruch. Ozon ist sehr giftig.
Konstanten:
- Schmelzpunkt
(Fp) = -251,4 °C
- Dichte
(d)
= 2,144 g/l
Es wird durch seinen intensiven
Geruch schon in geringsten Konzentrationen wahrgenommen. Die Geruchsschwelle
liegt bei etwa 0,02 ml/m³ (0,02 ppm). Ozon ist neben Fluor und OH-Radikalen das
stärkste bekannte Oxidationsmittel; es oxidiert fast alle Metalle und greift
die meisten anderen Stoffe an (Ausnahmen sind z.B. Aluminium, Edelstahl, Glas,
Keramik, Beton).
Ozon hat eine stark schädigende
Wirkung auf niedere Organismen, wie z.B. Bakterien, Keime, Pilze. Zu
Desinfektionszwecken wird diese Eigenschaft in kontrollierter Form ausgenutzt.
Ozon selbst ist nicht brennbar, fördert
aber die Verbrennung und explosive Reaktionen sind möglich.
Es ist relativ kurzlebig und
verwandelt sich unter bisher noch nicht genau definierten Reaktionen mit
Stickoxiden zu Sauerstoff zurück. Es besteht nicht die Möglichkeit
Ozonpatronen zur technischen Anwendung herzustellen.
Ozon ist in Wasser ausreichend löslich,
allgemein besser als Sauerstoff. Die Zerfallsgeschwindigkeit von in Wasser gelöstem
Ozon wird außer von Temperatur, Konzentration und pH-Wert auch von den
Wasserinhaltsstoffen beeinflusst. Sie ist wesentlich größer als in der
Gasphase.
Vorkommen und Bildung
Ozon wird vorwiegend zur Entkeimung
von Trink- und Badewasser und auch zur Reinigung von Luft verwendet. Es bildet
sich aus Sauerstoff, z.B. durch Einwirkung von UV-Licht unterhalb von 204 nm,
bei sehr hohen Temperaturen und bei der stillen elektrischen Entladung unter
Hochspannung.
Technisch wird die stille
elektrische Entladung zur Ozonbildung in größeren Mengen eingesetzt. Ozon
entsteht hierbei mittels folgender simplifizierter Gleichungen:
½ O2
®
O
DH1= +247,44 kJ
O + O2
®
O3
H2= -103,00 kJ
3/2 O2 ® O3 DH12= +144,44 kJ
Hier handelt es sich um einen
endotermen Vorgang, der die Zufuhr von Energie erfordert. Es wird nur ein
geringer Teil der zugeführten Energie für die Ozonbildung genutzt; die überschüssige
Energie wird in Form von Licht und Wärme frei. Die Wärme muss hierbei abgeführt
werden.
Physiologische Wirkungen und Gesundheitsgefahren
Der MAK-Wert1 (maximale
Arbeitsplatzkonzentration) für Ozon beträgt 200 mg/m³ (0,2 mg/m³). Es
dürfen an einem Arbeitsplatz in einem Kubikmeter Atemluft höchstens 0,1
Kubikzentimeter oder 0,2 mg Ozon dauernd vorhanden sein, damit bei einer in der
Regel täglich 8-stündigen Exposition, jedoch bei der Einhaltung der
durchschnittlichen Wochenarbeitszeit von 40 Stunden (in Vierschichtbetrieben 42
Stunden je Woche im Durchschnitt von vier aufeinanderfolgenden Wochen) im
allgemeinen die Gesundheit der Beschäftigten nicht beeinträchtigt wird und
diese nicht unangemessen belästigt werden (zum Vergleich : MAK-Wert für
Chlorgas 0,5 ml/m³, Kohlendioxid 5000 ml/m³).
Bei Ozonkonzentrationen von etwa
0,5 ml/m³ tritt eine Betäubung des Geruchssinnes ein. Nach etwa fünf Minuten
Einwirkdauer wird das Gas nicht mehr wahrgenommen.
Ozonkonzentrationen etwas über 0,5
ml/m³ wirken bereits stark reizend auf die Augen; Husten- und Niesreiz, Tränenbildung
und Kopfschmerzen treten auf. Konzentrationen oberhalb von 1 ml/m³ bewirken
bereits nach wenigen Minuten Einwirkdauer starke Reizungen der Schleimhäute in
den Atemwegen, die zu Bronchialspasmen (starke Hustenreize) führen. Es treten
Atembeschwerden auf, die die Anzeichen eines toxischen Lungenödems besitzen.
Personen, die häufig oder lange Zeit der Einwirkung niedriger
Ozonkonzentrationen ausgesetzt sind, können an chronischem Bronchialleiden
erkranken.
Ozonkonzentrationen
über 10 ml/m³ führen nach längerer Einwirkdauer zu Bewusstlosigkeit,
Lungenbluten und dem Tod. Die Einatmung von Ozon in Konzentrationen über 5000
ml/m³ führt innerhalb weniger Minuten zum Tode. [2]
Ozon
kommt als natürliches Gas- in unterschiedlichen Konzentration vor. Eine
Konzentration von etwa 80 mg/m³
(0,08 mg/m³) kann kurzfristig auftreten und wird als normal angesehen.
Aus der Umweltdiskussion sind uns Schlagwörter wie Ozonloch oder Ozonschäden (an Pflanzen) und Ozonsmog bekannt. Was haben diese Begriffe im einzelnen zu bedeuten.
(Umrechnung: 1 ml/m³ @ 1 ppm @ 0,2 mg/m³ )
Ozonloch
Ca.
90% des globalen Ozonvorkommens befindet sich in der Stratosphäre, also in
einer Höhe zwischen 12 bis 50 km. Hier wird das Ozon durch die Einwirkung
kurzwelliger UV-Strahlung aus Sauerstoffmoleküle gebildet. Gleichzeitig wird
bei diesem Prozess ein Teil der schädlichen UV-Strahlung zurückgehalten. In
einer Höhe von ca. 30 km wird die maximale Ozonkonzentration mit etwa 20.000 mg/m³
(20 mg/m³) erreicht. Die Ozonkonzentration in der Stratosphäre ist stark abhängig
von der geographischen Breite, der Jahreszeit, meteorlogischen Bedingungen und
Schadstoffen aus Produktionsabläufen (z.B. FCKW). Letztere sind leider in der
Lage das Ozon nach komplizierten Reaktionsmechanismen abzubauen.
Hierbei
entsteht das sogenannte „Ozonloch", das man sich natürlich nicht
ozonfrei vorstellen darf, sondern als ein Gebiet mit verminderter Konzentration
an Ozon. Je niedriger die Ozonkonzentration in der Stratosphäre ist, um so mehr
UV-Licht kann auf den Erdboden gelangen und hier auf photochemischem Wege unter
anderem Schäden an der menschlichen Haut, aber auch an Pflanzen bewirken. Durch
diese erhöhte UV-Strahlung wird gleichzeitig die Bildung von Ozonsmog begünstigt.
Die deutlichste Verminderung der Ozonschicht mißt man derzeit (besonders im
Winter) über den Polen der Erde; aber auch über bewohnten Gebieten wurde
bereits eine verringerte Ozonkonzentration gemessen.
Vereinfacht kann man also
sagen, dass Ozon in der Stratosphäre vor der schädlichen UV-Strahlung schützt
[5].
Ozonsmog
Wenn wir uns in Gedanken aus
der Stratosphäre nach unten bewegen, kommen wir über die Grenzschicht der
Tropopause in die Troposphäre, also in die Luftschicht, die bis an den Boden
heranreicht. Die Troposphäre ist in erster Linie von Emissionen betroffen. Sie
schluckt sämtliche Abgase aus unseren Kraftfahrzeugen, häuslichen Heizungen,
Kraft- und Fernheizungen, der Industrie und vielen anderen z.T. diffusen
Quellen. Für unser Thema Ozon ist hier vor allem der Ausstoß an Stickoxiden
(NOx) von Interesse, die überall dort entstehen, wo
Verbrennungsprozesse ablaufen. Weiterhin können aber auch Kohlenwasserstoffe
und flüchtige organische Stoffe zur Ozonbildung beitragen.
Nach der folgenden Formel² wird aus Stickoxiden unter der Einwirkung von Tageslicht Ozon erzeugt.
2
Die angegebene Formel zeigt exemplarisch einen Reaktionsablauf. Tatsächlich
sind die Reaktionen zur Ozonbildung in der Atmosphäre so komplex, dass eine
vollständige Darstellung im Rahmen dieses Papiers nicht möglich ist.
Ozon, das
s.o. in der Atmosphäre gebildet wird, hat die Eigenschaft abzusinken. Weil die
Ozonkonzentration mit der Lichteinwirkung zunimmt, kommt es im Sommer zu stark
erhöhten Ozonkonzentrationen in Bodennähe. Insbesondere an Orten, wo starke
Emissionen an Stickoxiden vorliegen.
Ozon
reagiert daher bevorzugt im Bereich der Bodenvegetation, damit auch am Blattwerk
der Pflanzen. Teilweise zerfällt es zu Sauerstoff, teilweise kann es aber auch
zu Schäden führen.
Wichtig ist allerdings, dass
sich Ozon, anders als viele andere atmosphärische Schadstoffe, nicht über große
Zeiträume anreichern kann. Es zerfällt schnell wieder zu Sauerstoff, denn es
ist als Molekül sehr instabil. Aufgrund verschiedener Umweltschutzmaßnahmen
(z.B. Katalysatoren bei Kraftfahrzeugen und Reinigungsanlagen in Kraftwerken)
konnte der Schadstoffausstoß insbesondere an Stickoxiden, die zu den
wichtigsten Vorläufern des umweltbedingten Ozons gehören in den letzten Jahren
drastisch vermindert werden. Dessen jedoch ungeachtet wird in der Öffentlichkeit
dem Ozonsmog in immer größerem Ausmaße Aufmerksamkeit gewidmet.
