Ozono: struttura, sintesi e CFC

L’ozono è una molecola triatomica con formula O₃ ed è uno stato allotropico dell’ossigeno distinto dalla forma più comune costituita dalla molecola biatomica O₂. Si tratta di un gas instabile, caratterizzato da un odore pungente e da un intenso potere ossidante. Nell’atmosfera terrestre l’ozono si concentra soprattutto nella stratosfera, formando lo strato comunemente noto come ozonosfera, che svolge un ruolo fondamentale nella protezione della vita sulla Terra assorbendo gran parte delle radiazioni ultraviolette (UV) provenienti dal Sole, potenzialmente dannose per organismi viventi ed ecosistemi.

La scoperta dell’ozono risale al 1839, quando il chimico tedesco Christian Friedrich Schönbein, durante esperimenti di elettrolisi dell’acqua, ne riconobbe l’odore particolare e lo identificò come una nuova sostanza, coniando il termine “ozono” dal greco ὄζω (“odorare”). Successivamente, nel corso del XIX e XX secolo, furono chiarite le proprietà chimiche e fisiche di questa molecola e il suo duplice ruolo: benefico quando presente nella stratosfera, ma potenzialmente dannoso se accumulato in concentrazioni elevate nei bassi strati atmosferici (troposfera), dove contribuisce all’inquinamento fotochimico.

Struttura dell’ozono

La molecola presenta un atomo di ossigeno centrale legato tramite legame semplice a un ossigeno e tramite legame doppio all’altro. La struttura è quindi stabilizzata per risonanza:

e si presenta a separazione di carica. L’ossigeno centrale è caricato positivamente e quello legato tramite legame semplice è caricato negativamente. Pertanto la molecola non ha una carica netta.

Proprietà

È un gas da incolore a blu chiaro scarsamente solubile in acqua. È  solubile in solventi apolari come il tetracloruro di carbonio e fluorocarburi, in cui forma una soluzione blu. A valori di temperatura inferiori a -193.2 °C forma un solido viola scuro

Sintesi dell’ozono

Si forma naturalmente nella stratosfera quando la componente U.V. della luce solare colpisce le molecole di ossigeno presenti.

Nel primo stadio si verifica una scissione dell’ossigeno con formazione di due atomi:

O₂ → 2 O

Nel secondo stadio gli atomi di ossigeno, altamente reattivi si combinano con una molecola di ossigeno per dare ozono:

O₂ + O → O₃

La reazione complessiva è:

3 O₂ → 2 O₃

Nella stratosfera reagisce con sostanze sia di origine naturale che antropiche.

Quando  è colpito da una radiazione solare un ossigeno radicale si può combinare con una molecola di ozono per dare ossigeno molecolare:

O₃ + O∙ → 2 O₂

In condizioni normali queste reazioni fotochimiche sono in equilibrio tra loro e lo strato di ozono rimane inalterato.

Vi sono tuttavia gas quali i fluoroclorocarburi (CFC)  che penetrano nella stratosfera dove incontrano fotoni ad alta energia liberando i singoli componenti.

Il cloro liberato agisce da catalizzatore in due reazioni di ossidoriduzione:

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O∙ → Cl + O₂

Pertanto la reazione complessiva è:

O₃ + O∙ → 2 O₂

Ciò comporta l’assottigliamento dello strato protettivo presente naturalmente e tale fenomeno è noto come buco dell’ozono.

Buco dell’ozono e trattato di Montreal

Il trattato di Montreal risalente al 1987 aveva l’intento di ridurre la produzione di quelle sostanze che costituiscono una minaccia per lo strato di ozono e l’Unione Europea lo ha reso operativo nel 1994.

I HCFC,  di cui il più importante è HCClF2, hanno sostituito i CFC per il loro minore impatto sullo strato, ma stante il loro contributo all’effetto serra sono stati anch’essi messi al bando dal 31 dicembre 2009.

Il mercato ha cominciato così a muoversi seguendo due strade diverse: la ricerca di un refrigerante sintetico con minor impatto ambientale e la riscoperta dei refrigeranti “naturali”.

Grazie all’osservanza del protocollo di Montreal di recente gli scienziati hanno comunicato che se le attuali politiche rimarranno in vigore, lo strato di ozono dovrebbe tornare ai valori del 1980 entro il 2040.

Usi

Grazie al suo forte potere ossidante e disinfettante, trova applicazione in numerosi settori industriali, ambientali e sanitari. Uno degli impieghi principali è nella purificazione e potabilizzazione delle acque: l’ozonizzazione permette di eliminare batteri, virus, funghi e sostanze organiche indesiderate, senza lasciare residui chimici come avviene invece con il cloro. Per lo stesso motivo viene utilizzato anche nel trattamento delle acque reflue e nelle piscine.

In campo medico, è impiegato in alcune pratiche di ozonoterapia, dove miscele di ossigeno e ozono vengono utilizzate come supporto in trattamenti antinfiammatori, analgesici e cicatrizzanti, sebbene l’efficacia clinica sia oggetto di dibattito e ricerca.

A livello industriale,  è impiegato nella sterilizzazione di ambienti e superfici, nella sbianca di tessuti e carta e nei processi di ossidazione di composti chimici. Inoltre trova applicazione nella conservazione alimentare, poiché contribuisce a rallentare la crescita microbica senza alterare la qualità dei prodotti.

Negli ultimi anni si è diffuso anche in ambito domestico, con piccoli apparecchi a ozono utilizzati per la sanificazione di ambienti, elettrodomestici e superfici, soprattutto in contesti dove si richiede un’elevata igiene.

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