Cos'è l'ozono e quali sono le sue proprietà chimiche

Ozono (O3) è il nome dato ad una molecola formata da 3 atomi di ossigeno. Questa molecola, si presenta in forma gassosa a temperatura ambiente e a pressione atmosferica, ha un odore molto pungente ed è incolore (leggermente tendente ad un blu pallido).

La struttura dell'O3 è rappresentata da questa formula semplificata "O-O-O", dove il simbolo "O" rappresenta un atomo di ossigeno e "-" rappresenta un legame covalente. Questa struttura conferisce all'ozono delle interessanti proprietà chimico-fisiche, come il suo potenziale ossidante e la sua velocità di decomposizione.

Questo gas è presente maggiormente nella stratosfera, dove svolge il compito di assorbire i raggi ultravioletti (UV) del Sole per proteggere la Terra. Inoltre, si trova anche nella troposfera, dove aiuta a tenere basse le cariche microbiche, anche se può diventare nocivo per persone e piante se presente in quantità troppo elevate.

L'ozono si forma spontaneamente in natura quando i raggi del Sole o i fulmi colpiscono le molecole di ossigeno (O2), una parte delle quali si scompongono e ricompongono in ozono (O3). In alternativa, l'ozono viene prodotto anche artificialmente da appositi dispositivi, chiamati "ozonizzatori", e viene usato principalmente in ambito medico (ozonoterapia) e in ambito industriale (sanificazione ad ozono). In questo articolo vedremo nel dettaglio cos'è l'ozono, dove si trova e a cosa serve.

Cos'è l'ozono?

L'ozono è una molecola inorganica composta da tre atomi di ossigeno (O) legati insieme mediante legami covalenti e la sua formula chimica è O3. "Ozono" è il termine preferito dall'Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC) ma altri nomi sistematici sono validi, come 1λ1,3λ1-triossidano (nomenclatura sostitutiva) e catena-triossigeno (nomenclatura additiva).

L'O3 è un elemento, non un composto. Un composto è una molecola formata da più elementi diversi, ma l'ozono è una forma allotropica dell'ossigeno, quindi è formato solo da atomi di ossigeno. Un composto, per esempio, potrebbe essere l'acqua, la quale ha formula H2O, overo è formata da 2 elementi diversi (idrogeno e ossigeno). Però, sebbene l'O3 sia un elemento, non è presente nella tavola periodica, in quanto è una molecola (non un atomo). Quindi non ha un numero atomico, nel senso che non è corretto parlare di numero atomico in relazione a molecole, ma solo ad atomi. Inoltre, essendo un allotropo dell'ossigeno, il suo numero di ossidazione è 0 (come accade per l'O2).

Da dove deriva il nome ozono?

La parola ozono deriva dal francese antico "ozone", che a sua volta deriva dal greco antico "ozein" (ὄζειν), che significa "emanare odore" o "odorare". Infatti, l'ozono prende questo nome proprio a causa del fatto che ha un forte odore.

La scoperta di questa moelcola è attribuita al chimico tedesco Christian Friedrich Schönbein che, durante degli esperimenti sull'elettrolisi dell'acqua nel 1839, nota un odore simile a quello che si sente dopo la comparsa di un fulmine. A quel punto, capisce che l'odoro proviene da un gas chimico e decide di chiamare questo gas "ozono".

Prima di Schönbein, nel 1785, il chimico olandese Martinus van Marum fa degli esperimenti simili con delle scarice elettriche sull'acqua e sente lo stesso odore. Purtroppo però, pensa che l'odore sia dovuto dalle reazioni elettriche stesse e non ad un gas. Per questo, la scoperta dell'ozono viene attribuita a Schönbein.

Infine, nel 1865, il chimico svizzero Jacques-Louis Soret detrermina la formula dell'ozono, ovvero O3. Questa formula viene successivamente confermata da Schönbein nel 1867.

Qual'è la struttura chimica dell'ozono?

La struttura chimica dell'ozono può essere rappresentata in diverse forme, ma la più comune e semplice è quella a linee singole, con formula "O-O-O". In questa formula, le "O" rappresentano gli atomi di ossigeno e le linee rappresentano i legami covalenti.

La formula di struttura è un'espressione chimica che rappresenta la configurazione atomica e la disposizione degli atomi nella molecola. Quindi, una formula più accurata per descrivere la struttura chimica dell'ozono è "O-O=O", in quanto la struttura molecolare dell'O3 è caratterizzata da un legame covalente doppio tra due atomi di ossigeno (O=O) e un legame covalente singolo con un terzo atomo di ossigeno (O-O).

Inoltre, in alcune occasioni, la formula della struttura dell'O3 viene anche scritta come "O=O=O", dove i simboli "=" rappresentano semplicemente i legami covalenti tra gli atomi, ma è preferibile evitarla perché può generare confusione ed essere forviante.

Per comprendere meglio la struttura chimica dell'ozono, analizziamola secondo il modello di Lewis, la teroria VSEPR, e ricaviamoci la geometria molecolare.

Qual'è la struttura di Lewis dell'ozono?

La struttura di Lewis dell'ozono è rappresentata dalla formula "O-O=O" (o "O=O-O"), dove il simbolo "-" rappresenta un legame singolo (1 coppia di elettroni), il simbolo "=" rappresenta un legame doppio (2 coppie di elettroni), e il simbolo "O" rappresenta gli atomi di ossigeno, ognuno dei quali possiede ripettivamente 6, 2 e 4 doppietti elettronici solitari.

La struttura (modello) di Lewis dell'ozono ci aiuta a visualizzare la disposizione degli elettroni di legame e degli elettroni non di legame (elettroni solitari) intorno agli atomi di ossigeno, e si può ricavare in modo semplice usando la procedura descritta quì sotto.

1. Un atomo di ossigeno ha 6 elettroni di valenza (2s2, 2p4). Visto che la molecola di ozono ha 3 atomi di ossigeno, avrà in totale 6 * 3 = 18 elettroni.
2. Questi 18 eletroni devono essere distribuiti tra i vari atomi di ossigeno (O). Per farlo partiamo dalla struttura chimica descritta prima, ovvero O-O-O.
3. In questa struttura, abbiamo 2 legami covalenti tra gli atomi di ossigeno (-), ognuno dei quali assegna una coppia di elettroni ad ogni atomo (O) collegato. Quindi, il primo atomo di ossigeno ha 2 elettroni, il secondo ha 4 elettroni e il terzo ha 2 elettroni, per un totale di 8 elettroni.
4. Utilizzando la regola dell'otteto, andiamo a distribuire i restanti elettroni, ovvero la differenza di quelli calcolati nel punto 1 (18) e quelli calcolati nel punto 3 (8), che ammonta a 10. Assegnamo quindi 6 elettroni (3 doppietti) su entrambi i 2 atomi di ossigeno laterali per completare il loro otteto (8).
5. A questo punto, abbiamo sistemato 16 elettroni, ovvero i 12 elettroni singoli più i 4 elettroni dei 2 legami covalenti singoli (12 + 4 = 16). Quindi posizioniamo gli ultimi 2 elettroni (18 - 16) sull'atomo centrale.
6. Detto questo, osserviamo che l'atomo centrale non rispetta la regola dell'otteto, in quanto possiede solo 6 elettroni. Di conseguenza, utilizziamo un doppietto elettronico solitario di uno degli atomi di ossigeno per creare un doppio legame con l'atomo centrale. Otteniamo quindi la formula "O-O=O".
7. Per concludere, vari dati sperimentali suggeriscono che le lunghezze tra l'atomo centrale di ossigeno e quelli laterali sono uguali. Questo contraddice l'ipotesi che che la molecola di ozono possa avere un legame singolo e uno doppio, visto che questi hanno lunghezze diverse. Di conseguenza, si deduce che l'ozono abbia una struttura simmetrica dove "O-O=O" è equivalente a "O=O-O", ovvero che abbia una struttura ibrida. Queste strutture di Lewis equivalenti sono anche definite "strutture di risonanza".

Una volta stabilita la formula di Lewis dell'O3, vediamo come utilizzarla applicare al modello VSEPR per ottenere la struttura geometrica dell'ozono.

Come applicare il modello VSEPR all'ozono?

Il modello VSEPR (teoria della repulsione tra coppie di elettroni di valenza) può essere applicato alla molecola di O3 per comprenderne la geometria. Questo modello, o teoria, permette di prevedere la geometria molecolare basandosi sulla repulsione tra le coppie di elettroni presenti nella shell di valenza dell'atomo centrale.

Usando la struttura di Lewis dell'ozono (O-O=O) calcolata nella sezione precedente, sappiamo che l'atomo centrale di ossigeno (O) della molecola di ozono ha 2 elettroni solitari. Poiché le coppie di elettroni solitari occupano più spazio rispetto alle coppie di elettroni leganiti, influenzano la geometria molecolare. Infatti, le coppie solitarie respingono quelle leganti, causando una deformazione della struttura un modo da massimizzare le distanze tra le coppie di elettroni e minimizzare le repulsioni.

Nel caso dell'ozono, abbiamo una struttura VSEPR di tipo AX2E, dove "A" raprresenta l'atomo di ossigeno centrale, "X" rappresenta gli atomi legati all'atomo centrale e "E" rappresenta le coppie di elettroni solitari presenti sul'atomo centrale. In questo tipo di struttura, il doppietto elettronico solitaro dell'atomo centrale respinge i 2 atomi laterali fino a formare un angolo leggermente inferiore ai 120° e conferisce alla molecola di O3 una forma angolata. Detto questo, possiamo finalmente descrivere nel dettaglio la geometria dell'ozono.

Qual'è la geometria dell'ozono?

L'ozono ha una geometria angolata (a forma di "V" rovesciata) secondo la teoria VSEPR, dove 2 atomi di ossigeno laterali sono disposti in modo asimmetrico rispetto ad 1 atomo di ossigeno centrale. Questa geometria, causata dalla repulsione tra le coppie di elettroni non condivise sugli atomi di ossigeno, determina molte sue caratteristiche interessanti, come la sua reattività chimica e la sua polarità.

In questa molecola, gli atomi di ossigeno sono disposti in modo planare e angolare (geometria piegata), con simmetria C2v. La distanza tra gli atomi di ossigeno è di 127,2 picometri (pm), o 1,272 andstrom (Å), chè è la media della la distanza tra la coppia atomi di ossigeno a legame singolo (O-O) di 0,149 nanometri (nm) e la distanza tra la coppia di atomi di ossigeno a legame doppio (O=O) di 0,121 nanometri. Invece, l'angolo di legame tra i 3 atomi di ossigeno (O-O-O) è di 116,78 gradi (°).

Identificare la geometria molecolare dell'ozono è essenziale per comprendere le sue proprietà fisiche e chimiche. Per esempio, è prorio questa struttura che conferisce all'O3 la capacità di proteggere il nostro pianeta dagli effetti dannosi dei raggi UV del Sole e di purificare l'atmosfera grazie alla suo forte potere ossidante.

Quali sono le proprietà chimico-fisiche dell'ozono?

Le proprietà chimico-fisiche dell'ozono sono molte, ma le più interessanti per noi sono l'ossidazione, l'instabilità e la solubilità in acqua.

L'ozono è forte agente ossidante e reagisce facilmente con altre sostanze trasferendogli atomi di ossigeno per ossidarle. Il meccanismo base di reazione dell'O3 segue la formula "O3 → O2 + O", con un potenziale redox E° = 2,07 V (volt). Questa gas è più reattivo dell'diossigeno (O2), del cloro e del perossido di idrogeno, come mostrato nella seguente tabella dal "Parere CNSA ozono" del Ministero della Sanità del 27/10/2010.

L'O3 è un composto instabile che si decompone velocemente ad alte temperature, sia in aria che in acqua. La sua emivita (tempo in cui si dimezza) è di 1,5 secondi se la temperatura supera i 250 °C (482 °F o 523.15 K), mentre si distrugge instantaneamente a 300 °C (572 °F o 573.15 K). Invece, a temperatura ambiente (20 °C), la sua emivita è di 3 giorni in aria e 20 minuti in acqua. Inoltre, va puntualizzato che l'ozono si decompone ancora più velocemente se entra a contatto con sostanze riducenti (come catalizzatori) o altri composti organici e inorganici con cui può reagire.

Ecco una tabella con i tempi di decomposizione dell'ozono in base alla temperatura in aria.

Ecco una tabella con i tempi di decomposizione dell'ozono in base alla temperatura in acqua (pH 7).

La molecola di ozono è moderatamente solubile in acqua a temperatura ambiente. Infatti, la sua solubilità varia tra 0,1 e 0,3 grammi (g) per 1 litro di acqua a 25°C (77°F) e pressione atmosferica. Come regola generale, più fredda è l'acqua, maggiore sarà la sua solubilità. Da notare che l'ozono è un gas molto reattivo e può reagire rapidamente con altre sostanze presenti nell'acqua, riducendo ulteriormente la sua solubilità.

Quì sotto, una tabella dettagliata delle proprità chimico-fisiche dell'ozono.