اوزون (ازن) چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
اوزون (ازن) چیست: اوزون یا اُزُن (ozone) مولکولی متشکل از سه اتم اکسیژن (O۳) است، یعنی به مولکول سه‌اتمی اکسیژن، اوزون می‌گوییم. اوزون در حالت عادی گازی بی‌رنگ و بسیار واکنش‌پذیر است که بوی تندی دارد اما اگر غلظت اوزون در محیطی مثل آب از حد معینی فراتر رود، رنگ واقعی خود را که آبی است، بروز می‌دهد. مهم‌ترین منطقه تجمع اوزون در سیاره ما، بخشی از جو زمین است که به آن لایه اوزون می‌گوییم و در واقع، بخشی از لایه پوشن‌سپهر (استراتوسفر) است و به‌طور طبیعی و در اثر تابش پرتو فرابنفش خورشید تولید می‌شود و در حفظ سلامتی انسان و سایر موجودات نقش مهمی ایفا می‌کند. اما اوزون موجود در لایه پایینی جو زمین یعنی وردسپهر (تروپوسفر) به‌شکل مصنوعی و تحت تاثیر فعالیت‌های صنعتی انسان تولید می‌شود و استنشاق آن مضر است. در ادامه با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهیم که گاز اوزون یا به‌طور کلی، اوزون (ازن) چیست و چگونه تولید می‌شود و چه ویژگی‌هایی دارد.
نکته: اوزون (ozone) را در فارسی گاهی اُزُن و گاهی اُزون نیز می‌نویسند. اما ظاهرا املای «اوزون» رایج‌تر است و در فضای مجازی نیز بیشتر جستجو می‌شود. لذا ما نیز در متنِ پیش‌ِ رو همین املا را به‌کار می‌بریم.
اوزون (ازن) چیست؟
اوزون، مولکولی متشکل از ۳ اتم اکسیژن است و معمولا حالت گاز دارد. بخشی از اوزون موجود در جو زمین به‌طور طبیعی تولید می‌شود و وجودش برای حفظ سلامت انسان و سایر موجودات لازم است زیرا جلوی پرتوهای خطرناک فرابنفش خورشید را می‌گیرد. اما انسان‌ها نیز در اثر فعالیت‌های صنعتی خود، مقداری گاز اوزون تولید می‌کنند که به پایین‌ترین لایه جو زمین یعنی تروپوسفر منتقل می‌شود. تروپوسفر همین هوایی است که ما روزانه تنفس می‌کنیم. تنفس گاز اوزون برای سلامتی انسان مضر است. به همین سبب، اوزون موجود در لایه تروپوسفر که عمدتاً به‌صورت مصنوعی تولید می‌شود اگر از حد معینی فراتر رود، خطرناک است.
ویژگی‌های اوزون (ازن) چیست؟
اوزون گازی است که بطور طبیعی در جو زمین وجود دارد. فرمول شیمیایی اوزون O3 است زیرا هر مولکول اوزون از ۳ اتم اکسیژن تشکیل می‌شود. اوزون اواسط دهه ۱۸۰۰ میلادی طی آزمایش‌هایی در آزمایشگاه کشف شد. وجود اوزون در جو زمین بعدها با استفاده از روش‌های اندازه‌گیری شیمیایی و نوری کشف شد. واژه «اوزون» ریشه یونانی دارد که در یونانی به‌شکل óζειν نوشته و ozein تلفظ می‌شود و معنایش «بو دادن» است. بعضی از ویژگی‌های چنین است:
بوی اوزون
اوزون بوی اصطلاحا شیرینی دارد لذا حتی مقدار کمی از آن‌را نیز می‌توان به‌راحتی در محیط شناسایی کرد. اگر غلظت اوزون کم باشد، رایحه‌اش شبیه بویی است که کنار دستگاه فتوکپی به مشام می‌رسد یا بویی که پس از رگبارهای تابستانی در هوا می‌پیچد، اما هرچه غلظت یا چگالی اوزون افزایش یابد، بوی آن تندتر و آزار‌دهنده می‌شود. مدتی که بگذرد، اصطلاحا خستگی بویایی رخ می‌دهد، یعنی شخص به بوی اوزون عادت می‌کند و کمتر متوجه‌اش می‌شود. پس اگر شغل‌تان طوری است که با اوزون سروکار دارید، به حس بویایی خود تکیه نکنید و ملاحظات ایمنی را جدی بگیرید.
واکنش‌پذیری
اوزون با بسیاری از ترکیبات شیمیایی به سرعت وارد واکنش می‌شود و اگر فشرده شود، قابل انفجار است. اوزون کاربردهای صنعتی هم دارد و برای مثال گاهی در حوزه تهویه هوا، تصفیه آب و سفید کردن پارچه‌ها به‌کار می‌رود.
خاصیت گندزدایی
اوزون نوعی ضدعفونی‌کننده قویِ طبیعی است. گاهی به اوزون گندزدای طبیعت نیز می‌گویند، زیرا طبیعت به کمک آن، جلوی رشد بی‌رویه باکتری‌ها در محیط را می‌گیرد.
- اوزون ضدویروس است: اوزون به پروتئین‌ِ ویروس حمله می‌کند و جلوی فعالیتش را می‌گیرد. ویروس ماهیتاً شیمیایی است و ارگانیسم زنده نیست، اما دی‌ان‌ای (DNA) دارد و دی‌ان‌ای‌هایش سریع تکثیر می‌شوند. اوزون به این DNA حمله می‌برد و هر نوع ویروسی را غیرفعال می‌کند و جلوی تکثیرش را می‌گیرد. وقتی اوزون پروتئین DNA را اکسید می‌کند، ویروس فوراً غیرفعال می‌شود. اما واکنش نشان دادن اوزون با هر ویروس فعال و بروز نتایج مثبت آن، وقت‌گیر است. گاهی نیز عوامل دیگری در محیط‌های واقعی اجازه نمی‌دهند تا اوزون پروتئین دی‌ان‌ای ویروس را اکسید کند و بسوزاند.
- اوزون ضدباکتری است: اوزون طی فرآیندی موسوم به Lysis یا اختلال سلولی (cellular disruption) باکتری‌ها را می‌کشد. منظور از Lysis عملی است که دیواره‌های سلول را می‌شکافد یا نابود می‌کند تا مواد درون سلول آزاد شوند. اکسیداسیون اوزونی چنین می‌کند، یعنی غشاء سلولیِ باکتری را پاره می‌کند و نتیجتاً مواد داخل سلول از آن نشت می‌کند. اگر اوزون دیواره سلول باکتری را بدرد، باکتری را فورا می‌میرد اما ممکن است شکافتن دیواره سلول طول بکشد یا عوامل دیگری در محیط‌های واقعی جلوی اکسیداسیون اوزونی را بگیرد.
رنگ اوزون
آیا اوزون رنگ دارد؟ اوزون در شرایط عادی بی‌رنگ و نامرئی است، اما اگر یک‌جا متراکم شود آنگاه خواهیم دید که رنگ اوزون در اصل آبی است. متخصصان در یکی از آزمایش‌های‌شان غلظت اوزون را در آب به بیش از ۱۰۰ واحد در میلیون افزایش دادند و آنگاه اوزون رنگ واقعی خود را نشان داد.
منظور از لایه اوزون چیست؟
منظور از لایه اوزون، بخشی از لایه پوشن‌سپهر (استراتوسفر) است (تصویر ۳) که تراکم مولکول‌های اوزون آن‌جا بیش از سایر مناطق است. لایه اوزون مثل سپری نامرئی است که پروردگارمان آن را برفراز سیاره ما کشیده است تا جلوی پرتوهای خطرناک فرابنفش خورشید را بگیرد و ما را از خطرات آن دور نگاه دارد. لایه اوزون پرتوهای پرانرژیِ فرابفنش را جذب می‌کند و به همین سبب، هرچه در پوشن‌سپهر بالاتر روید، دما از منفی ۵۱ درجه سانتیگراد به منفی ۱۵ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد. کمی بعدتر در همین مقاله درباره نحوه تولید اوزون در پوشن‌سپهر بیشتر توضیح خواهیم داد.
مولکول اوزون
اوزون (ازن) در شرایط عادی به حالت گاز است. هر مولکول اوزون سه اتم اکسیژن دارد، یعنی:
O + O + O = O۳
اما اکسیژنی که ما تنفس می‌کنیم، حاوی ۲ اتم اکسیژن است، یعنی:
O + O = O۲
اتم‌های مولکول اکسیژن (O۲) پایدار هستند یعنی هر اتم به اتم دیگر متصل است. اما در مولکول اوزون (O۳)، دو اتم پایدار (O۲) و اتم سوم ناپایدار است و قدرت و قابلیت‌های خاص اوزون نیز از همین تک‌اتمِ ناپایدار ناشی می‌شود. وقتی به مولکول اکسیژن انرژی اعمال شود، پیوند بین جفت‌اتم‌های آن از بین می‌رود و مولکول به دو اتم جداگانه و تنها تجزیه می‌شود. اتم‌های تنها چون میل شدیدی به پیوند دارند، به محض یافتن مولکول اکسیژن دیگری در نزدیک خود، سریعا با آن پیوند می‌خورند و بدین‌سان مولکول اوزون پدید می‌آید.
اوزون چگونه تشکیل می‌شود؟
دو لایه خاص از جو زمین حاوی گاز اوزون است. بخشی از اوزون در اثر واکنش‌های طبیعی در لایه دوم جو زمین یعنی پوشن‌سپهر (استراتوسفر) تشکیل می‌شود که برای سلامت انسان و دیگر جانداران مفید و ضروری است، زیرا بخشی از پرتوهای خطرناک فرابنفش خورشید را جذب و از رسیدن آن به زمین جلوگیری می‌کند. منظور از لایه اوزون نیز همین بخش از جو زمین است. به اوزون استراتوسفری، اوزون خوب هم می‌گوییم.
اما بخش دیگری از اوزون در اثر فعالیت‌های صنعتی انسان و انتشار گازهای آلاینده در پایین‌ترین لایه جو زمین یعنی وردسپهر (تروپوسفر) تشکیل می‌شود. وردسپهر همان هوایی است که ما روزانه تنفس می‌کنیم، لذا افزایش اوزون در وردسپهر برای ریه‌ها و دستگاه تنفس انسان و سایر موجودات مضر است.
اما ذکر نکته‌ای در این‌جا ضروری است: اوزون یکی از مواد قوی ضدمیکروب، ضدباکتری و ضدویروس است و لذا در صنایع مختلف از جمله در صنعت غذا، تصفیه آب، داروسازی، نساجی و حتی در پزشکی کاربردهایی دارد. اوزون مورد نیاز صنایع در کارخانه‌های مخصوص تولید می‌شود و استفاده از آن برای گندزدایی خطری ندارد، اما همانطور که گفتیم تنفس آن مضر است. استنشاق اوزون حتی اگر نسبتا کم باشد، ممکن است عوارضی مثل درد قفسه سینه، سرفه، تنگی نفس و سوزش گلو به همراه داشته باشد. همچنین ممکن است بیماری‌های مزمن تنفسی مثل آسم را بدتر کند و توانایی بدن برای مبارزه با عفونت‌های تنفسی را کاهش دهد.
خلاصه: نحوه تشکیل اوزون
- اوزون پوشن‌سپهری یا طبیعی یا همان لایه اوزون برای سلامت انسان و سایر موجودات مفید و ضروری است.
- اوزون وردسپهری یا مصنوعی که در اثر فعالیت‌های انسانی در لایه وردسپهر تولید می‌شود، برای حیات انسان و سایر موجودات مضر و حتی خطرناک است.
علت و نحوه تشکیل اوزون در پوشن‌سپهر (استراتوسفر)
بیشترین اوزون موجود در جو زمین (حدود ۹۰ درصد آن) طی فرآیندی طبیعی در لایه پوشن‌سپهر (استراتوسفر) تولید می‌شود که دومین لایه جویِ نزدیک به سطح زمین است. پوشن‌سپهر (استراتوسفر) از ارتفاع تقریبا ۱۰ کیلومتری سطح زمین آغاز می‌شود و تا ارتفاع حدوداً ۵۰ کیلومتری امتداد می‌یابد. در ارتفاع ۱۵ تا ۳۵ کیلومتری از زمین، اوزون غلظت بیشتری دارد و لذا ناحیه مذکور را اصطلاحا لایه اوزون می‌نامند. پس، لایه اوزون در واقع بخشی از پوشن‌سپهر است که دورتادور زمین را دربرمی‌گیرد، اما ضخامت و ارتفاعش در همه مناطق زمین یکسان نیست.
تولید اوزون در پوشن‌سپهر فرآیند دومرحله‌ای است: در مرحله نخست، وقتی نور خورشید به مولکول اکسیژن (O۲) می‌تابد، پیوند بین دو اتم را از بین می‌برد و آنها را به دو اتم تنها و جداگانه (یعنی ۲O) تجزیه می‌کند. اتم‌های تنها و جداافتاده‌ی اکسیژن به ترکیب شدن با مولکول‌های اکسیژن میل شدیدی دارند؛ لذا با آنها ترکیب می‌شوند و مولکول سه‌اتمی اکسیژن (O۳) تشکیل می‌دهند که در واقع همان اوزون است. تا زمانی که پرتو فرابنفش خورشید به مولکول‌های اکسیژن موجود در پوشن‌سپهر بتابد، واکنش فوق ادامه می‌یابد و چون زمین پیوسته می‌چرخد و متناوبا در معرض تابش آفتاب قرار می‌گیرد، فرآیند تولید اوزون در پوشن‌سپهر نیز همواره ادامه دارد.
علت و نحوه تشکیل اوزون در وردسپهر (تروپوسفر)
حدود ۱۰ درصد اوزون موجود در جو زمین نیز در پایین‌ترین لایه یعنی وردسپهر (تروپوسفر) تشکیل می‌شود. اما تولید اوزون در وردسپهر، طبیعی نیست. علت تشکیل اوزون در وردسپهر، فعالیت‌های صنعتی بشر است.
اوزون وردسپهری (تروپوسفری) یا اوزون سطحی عمدتاً در اثر واکنش‌های فتوشیمیایی بین دو گروه اصلی از آلاینده‌های جوی تشکیل می‌شود که یکی ترکیبات ارگانیک فرار (اصطلاحا VOC)۱ و دیگری اکسیدهای نیتروژن(NOx)۲ است. شدت واکنش‌ها به میزان گرما و نور خورشید بستگی دارد؛ تابستان‌ها که دما بیشتر است و خورشید بیشتر می‌تابد، غلظت اوزون در هوای سطح زمین (لایه وردسپهر) بیشتر می‌شود. اما در مناطقی که میزان انتشار گازهای VOC و NOx در محیط زیاد است، حتی در ماه‌های سرد سال نیز غلظت اوزون افزایش می‌یابد.
باید توجه کرد که گاهی مقدار کمی از اوزون موجود در لایه پوشن‌سپهر نیز پایین می‌آید و وارد لایه پایینی یعنی وردسپهر می‌شود. اما بیشترین اوزون موجود در وردسپهر همانطور که گفتیم، مصنوعی است و انسان‌ها مسبب آن هستند. کارخانه‌های شیمیایی، پمپ‌های بنزین، رنگ‌های حاوی مشتقات نفتی، کارخانه‌های خودروسازی و چاپخانه‌ها از مهم‌ترین عوامل تولید و انتشار VOC در هوا هستند. عامل عمده تولید اکسیدهای نیتروژن (NOx) نیز احتراق در دمای زیاد است. لذا نیروگاه‌ها، کوره‌های صنعتی، دیگ‌های بخار و وسایل نقلیه موتوری از مهم‌ترین عوامل تولید و انتشار اکسیدهای نیتروژن هستند که هر دو مورد فوق نهایتا به تشکیل اوزون در لایه پایینی جو زمین منجر می‌شود.
فواید اوزون (ازن) چیست؟
لایه اوزون یا در واقع، اوزونی که به‌طور طبیعی در لایه پوشن‌سپهر (استراتوسفر) جو زمین تشکیل می‌شود در حفظ سلامتی انسان و سایر موجودات نقش حیاتی دارد زیرا مثل سپر بزرگی دورتادور زمین را می‌پوشاند و پرتوهای خطرناک فرابنفش خورشید را جذب می‌کند و بدین‌وسیله احتمال بروز بیماریهایی مثل سرطان پوست و آب‌مروارید را کاهش می‌دهد. اگر لایه اوزون نبود، پرتوهای فرابنفش نوع ب (UVB) پوست انسان و دیگر موجودات را می‌سوزاند و آنها را بیمار می‌کرد و زندگی طبیعی گیاهان و موجودات خشکی و دریا کاملا به خطر می‌افتاد.
خطرات اوزون (ازن) چیست؟
استنشاق اوزون برای انسان مضر است زیرا اوزون با بسیاری از مولکول‌های زیستی موجود در ریه و دستگاه تنفس واکنش شیمیایی نشان می‌دهد و نتیجتاً اثرات نامطلوبی برجا می‌گذارد. بعضی از عوارض و ناراحتی‌های ناشی از استنشاق اوزون چنین است:
- اختلال در تنفس
- افت عملکرد ریه
- التهاب مجاری یا راه‌های تنفسی
- سوزش چشم (شبیه وقتی که دود و آلودگی هوا چشم را می‌سوزاند)
مشلاکت تنفسی ممکن است شامل چنین مواردی باشد:
- سرفه
- تحریک گلو
- درد، سوزش یا ناراحتی در قفسه سینه هنگام تنفس
- سفتی سینه، خس‌خس سینه یا تنگی تنفس
ضمنا برخی مطالعات موثق نشان می‌دهند که مواجهه روزانه با اوزون غلیظ با افزایش حملات آسم، افزایش پذیرش بیمار در بیمارستان‌ها، افزایش مرگ‌ومیرهای روزانه و سایر علائم مشابه رابطه مستقیم دارد. مطالعات مذکور همچنین نشان می‌دهند که اوزون می‌تواند علائم آسم را بدتر کند و حساسیت به محرک‌های آسم را افزایش دهد.
کاربردهای صنعتی اوزون (ازن) چیست؟
اوزون تمیزکنندگی و گندزدایی دارد و لذا بعضی از صنایع برای ضدعفونی کردن محصولات‌شان از آن بهره می‌برند. ضمنا چون اوزون اکسیژن خالص است، با محیط زیست سازگار است و از خود، مواد مضر جانبی به‌جا نمی‌گذارد. اما باز یادآوری می‌کنیم که استنشاق آن برای سلامتی مضر است. در ادامه به بعضی از کاربردهای صنعتی اوزون اشاره می‌کنیم.
بعضی از کاربردهای صنعتی اوزون
- تمیز کردن تاسیسات صنعتی: اوزون تمیزکننده و گندزدای قدرتمندی است و لذا برای تمیز کردن بعضی از قطعات یا بخش‌های صنعتی به‌کار می‌رود و چون اکسیژن خالص است، با محیط زیست سازگار است و نگهداری یا جابه‌جایی آن به مواد شیمیایی نیازی ندارد.
- شکست هیدرولیک: هنگام استفاده از اوزون در تصفیه آب‌های زیرزمینی، اوزون به درون آب‌های زیرزمینی تزریق می‌شود تا اکثر هیدروکربن‌های موجود در آن (مثل بنزن، تولوئن، زیلن و انیل‌بنزن) را اکسید و آنها را به دی‌اکسید کربن، آب و اکسیژن تبدیل کند.
- استخر و آب‌گرم: اوزون ضدعفونی‌کننده موثری است که باکتری‌ها، ویروس‌ها، کپک‌ها و جلبک‌ها را از بین می‌برد. لذا اوزون هم به‌تنهایی و هم در ترکیب با برومید سدیم می‌تواند استخرها و اماکن مشابهی را که آب‌شان مدام در گردش نیست، ضدعفونی کند.
- کارخانه‌های خمیر و کاغذ: اوزون از حیث اکولوژیک، یکی از بهترین گزینه‌ها برای سفید کردن خمیر چوب سخت و نرم است.
- تولید نیمه‌رساناها: مدت‌هاست که پژوهشگران صنعت تراشه‌سازی و نیمه‌رسانا استفاده از اوزون برای تمیز کردن ویفرهای سیلیسیمی را در دست بررسی دارند. استفاده از اوزون می‌تواند مصرف مواد شیمیایی و هزینه‌های دفع آنها را کاهش دهد. اوزون جایگزین ترکیبات تمیزکننده قدیمی‌تر مثل پراکسید هیدروژن پایه (SC-1) و اسیدی (SC-2) نیز هست.
- تمیز کردن سطوح: اوزون فقط برای تمیز کردن تاسیسات و تجهیزات صنعتی به‌کار نمی‌رود، بلکه برای ضدعفونی کردن سطوح مختلف نیز کاربرد دارد. برای این منظور یا از گاز اوزون و یا از اوزون مایع استفاده می‌شود.
چند پرسش و پاسخ درباره گاز اوزون
اینک در اواخر مقاله، آنچه درباره اوزون و گاز اوزون گفتیم را خلاصه‌وار در قالب پرسش و پاسخ مرور می‌کنیم:
- گاز اوزون (ازن) چیست؟ اوزون (یا ازون)، مولکولی متشکل از سه اتم اکسیژن است و چون اغلب حالت گاز دارد به آن گاز اوزون (ازون) می‌گوییم.
- فواید و مضرات گاز اوزون (ازون) چیست؟ گاز اوزون فواید و مضراتی دارد که به چند نمونه اشاره می‌کنیم:
- فواید گاز اوزون (ازن) چیست: وجود اوزون طبیعی در دومین لایه جو زمین (پوشن‌سپهر) برای حفظ حیات و سلامت انسان و دیگر موجودات زمین ضروری است. اوزون طبیعی موجود در پوشن‌سپهر (استراتوسفر) پرتوهای خطرناک فرابنفش خورشید را جذب می‌کند و اجازه نمی‌دهد به زمین برسند. ضمنا اوزون خاصیت گندزدایی هم دارد و ضدویروس و ضدباکتری است. لذا در کارخانه‌های مخصوص، اوزون صنعتی هم تولید می‌شود و برای ضدعفونی کردن بعضی از سطوح خاص به‌کار می‌رود. اما گاز اوزون را نباید تنفس کرد.
- مضرات گاز اوزون (ازن) چیست: استشمام گاز اوزون برای انسان مضر است. اوزون طبیعی در پوشن‌سپهر با سطح زمین فاصله زیادی دارد و به ما ضرری نمی‌رساند. اما متاسفانه بعضی از گازهای ناشی از فعالیت‌های صنعتی انسان سبب می‌شود تا در پایین‌ترین لایه جو زمین یعنی وردسپهر (تروپوسفر) نیز گاز اوزون تولید شود. وردسپهر همان هوایی است که ما استشمام می‌کنیم. لذا گاهی اوزون مصنوعی در وردسپهر وارد ریه‌های انسان می‌شود و مشکلاتی مثل تنگی نفس، سردرد، گیجی و تشدید آسم را به همراه می‌آورد.
جمع‌بندی
توضیح دادیم که اوزون (ازن یا ازون) چیست و چه ویژگی‌هایی دارد. گفتیم، اوزون که گاهی در فارسی آن‌را اُزُن یا اُزون نیز می‌نویسند، مولکولی متشکل از سه اتم اکسیژن با فرمول شیمیایی (O۳) است. دومین لایه جوی نزدیک به زمین یعنی پوشن‌سپهر (استراتوسفر) طی فرآیندی طبیعی، پیوسته اوزون تولید می‌کند. به بخشی از پوشن‌سپهر که اوزون بیشتری دارد، لایه اوزون می‌گویند. لایه اوزون تمام پرتوهای خطرناک فرابفنش نوع C خورشید (UVC) و نیز بخش قابل‌توجهی از پرتوهای فرابنفش نوع B (UVB) را جذب می‌کند و مانع رسیدن‌شان به زمین می‌شود. پرتوهای مذکور برای سلامتی انسان و سایر موجودات خطرناک هستند.
گازهای آلاینده‌ای که تاسیسات صنعتی و وسایل نقلیه موتوری در نزدیک‌ترین لایه جو زمین یعنی وردسپهر منتشر می‌کنند نیز سبب تولید اوزون می‌شود، اما این اوزون چون همراه هوای تنفسی وارد ریه‌ها و دستگاه تنفسی انسان می‌شود، مضر است.
تولید اوزون به روش دیگری هم تولید می‌شود و آن، روش صنعتی است. اوزون چون خاصیت گندزدایی دارد در حوزه‌های مختلفی از جمله برای تصفیه آب، تهویه هوا و تمیز کردن سطوح مختلف و بعضی از قطعات و تجهیزات صنعتی به‌کار می‌رود.
پانویس‌ها
- Volatile Organic Compounds
- Nitrogen Oxides
