Ozone

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Ozone
Général
Nom systématique Trioxygène
Formule moléculaire O3
Masse molaire 47,998 g/mol
Apparence Gaz bleu pâle
N° CAS [10028-15-6]
Propriétés physiques
Masse volumique et phase 2,144 g/l (0 °C), gaz
Solubilité dans l’eau 0,105 g/100 ml (0 °C)
Point de fusion −197,2 °C
Point d’ébullition −111,9 °C
Propriétés thermodynamiques
Enthalpie standard
de formation ΔfH°solide		 +142,3 kJ/mol
Entropie molaire standard
S°solide		 237,7 J∙K−1∙mol−1
Dangers
Classification CE
Sauf exception, ces valeurs sont données aux
Conditions normales de température et de pression
Représentation de la molécule d’ozone
Représentation (dipôle) de la molécule d’ozone

L’ozone est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance entre trois états. Métastable aux conditions ambiantes, l’ozone a tendance à se décomposer naturellement en dioxygène. À température ambiante, c’est un gaz bleu pâle. Il se liquéfie à -111,9 °C sous forme d’un liquide bleu foncé particulièrement instable et se solidifie à -192,5 °C.

On produit l’ozone par décharge électrique dans du dioxygène. L’ozone réagit avec les métaux alcalins et métaux alcalino-terreux pour former des ozonides (M + O_3 \rightarrow MO_3), instables et réagissant avec l’eau pour former du dioxygène. Cette succession de réactions chimiques explique pour la plus grande part le caractère de polluant qui est attribué à l’ozone quand celui ci est présent dans l’atmosphère près du sol.

Contrairement au dioxygène inodore, l’ozone est perçu par l’odorat humain ; son odeur est très caractéristique, légèrement piquante. Respiré en grande quantité, il est toxique.

Sommaire

Découverte

L'ozone a été découverte pour la première fois en 1781 par Martin von Marum puis la molécule fut isolée en 1839 par le chimiste suisse Christian Friedrich Schönbein .Il le dénomma ainsi en se référant à la racine grecque ozein (exhaler une odeur, sentir). La relation entre l’ozone et les oxydes d’azote a été mise en évidence dans les années 1970 par Paul Josef Crutzen, prix Nobel de Chimie 1995.

L'ozone dans l'atmosphère

Le trou dans la couche d’ozone le 22 septembre 2004
Répartition de l’ozone selon l’altitude dans l’atmosphère
Icône de détail Article détaillé : Couche d'ozone.

Dans la haute atmosphère de la Terre, la couche d’ozone est une concentration d’ozone qui filtre une partie des rayons ultraviolets émis par le Soleil, ultraviolets notamment responsables de cancers de la peau. Cette couche protectrice est menacée par la pollution, en particulier par les émissions de gaz CFC (Chlorofluorocarbone), qui montent dans la haute atmosphère et y catalysent la destruction de l’ozone, étant ainsi à l’origine du trou dans la couche d’ozone. Comme instrument de mesure, on peut noter l’instrument GOMOS du satellite ENVISAT.

Icône de détail Article détaillé : Ozone troposphérique.

L’ozone est aussi très présent autour des grandes agglomérations qui en fournissent les précurseurs, notamment le dioxyde d’azote NO2, par leur pollution atmosphérique. Lors des canicules, on trouve l’ozone en grande quantité dans les basses couches de l’atmosphère, surtout autour des centres urbains. Il y est principalement produit par la réaction des hydrocarbures imbrûlés et des oxydes d’azote des gaz d’échappement des véhicules avec l’oxygène de l’air sous l’influence de la lumière solaire. De même, les incendies de forêt en sont aussi une source importante, à partir des hydrocarbures et des oxydes d’azote qu'ils libèrent. Sous le vent de ces feux, sur de longues distances, les taux d'ozone peuvent tripler et dépasser les seuils recommandés.[1]. Lors de fortes températures, la dispersion de l'ozone vers les couches supérieures de l’atmosphère est freinée, induisant éventuellement des problèmes de santé chez les personnes fragiles.

Production industrielle

À l’échelle industrielle, l’ozone est produit en utilisant des radiations ultraviolettes de courtes longueurs d’ondes émises par une lampe à vapeurs de mercure ou par le procédé de décharge à froid (décharge corona) qui utilise un champ électrique élevé. L’appareil de décharge est constitué de deux plaques de métal séparées par une couche d’air et un isolant électrique de constante diélectrique élevée, comme le mica ou un verre borosilicaté. Une différence de potentiel élevée est appliquée entre les deux plaques, ce qui entraîne la dissociation des molécules d’oxygène de la couche d’air et leur recombinaison en ozone. Une couronne peut être présente mais le champ électrique est maintenu à une valeur inférieure à celle qui entraînerait l’apparition d’un arc électrique et d’un plasma.

En laboratoire, l’ozone peut être produite par électrolyse en utilisant une batterie de 9 V, une cathode de graphite, une anode de platine et l’acide sulfurique comme électrolyte. Les demi-réactions qui ont lieu sont :

3H2O → O3 + 6H+ + 6e- ΔEo = -1,53 V
6H+ + 6e- → 3H2 ΔEo = 0 V
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- ΔEo = -1,23 V

Trois équivalents d’eau sont utilisés pour produire un équivalent d’ozone. Cette réaction est en compétition avec celle de formation d’oxygène.

Utilisation dans le traitement de l'eau

Purification de l'eau potable

L’ozone présente une série d’avantages par rapport au chlore mais ne permet pas de détruire tout les micro-organismes présents dans l'eau (comme les parasites cryptosporidium, giardia, toxoplasmose... responsables d'épidémies meurtrières ces dernières années). Il est cependant employé, et ce, malgré le coût souvent significatif d’une installation d’ozonisation de l’eau. Ces avantages sont les suivants :

  • il ne reste pas présent dans l’eau ;
  • il ne provoque pas l’apparition de produits organochlorés, qui peuvent être cancérigènes ;
  • il ne laisse pas de mauvais goût peu apprécié des consommateurs d’eau potable.

Mais il laisse une infime trace bleue dans l’eau et en cas de dérèglement, il devient dangereux.

L’ozone est employé dans le traitement de l’eau pour plusieurs fonctions :

  • oxydation du fer ;
  • amélioration de la performance de filtres à sable ;
  • amélioration de la floculation (appelée "ozofloculation") ;
  • désinfection de l’eau (attention toutefois au risque de contamination par les parasites cryptosporidium);
  • élimination de composés organiques nocifs, en particuliers pesticides et herbicides. Pour cette application l’ozone est en général injecté en amont d’un filtre à charbon actif.

Le traitement de l'eau par ozone est de plus en plus délaissé pour faire place au traitement de l'eau par ultraviolet. Un concept souvent sans produit, constant et plus radical (même sur la légionelle, cryptosporidium, etc).

Eaux usées

L’ozone est utilisé dans des procédés de traitement des eaux usées, en particulier pour rendre digestible par des bactéries la DCO dite "dure", et pour la désinfection de l’eau en sortie de stations d’épuration (traitement dit tertiaire). Ces applications nécessitent la maîtrise de plusieurs technologies : ozonisation, mais aussi bio-réacteurs. Parfois la performance de l’ozone peut être améliorée en combinant l’ozonisation par un traitement UV à haute dose d’irradiation. On parle alors de procédés d’oxydation avancés. Le traitement UV étant plus efficace au niveau de la désinfection (notamment en éliminant les parasites giardia, cryptosporidium, etc...)

Utilisations industrielles de l'ozone

Importance des applications industrielles de l'ozone

L’utilisation de l’ozone dans le traitement de l’eau reste actuellement l’application industrielle prévalente. Toutefois une série d’autres applications ont été développées au cours des 2 dernières décennies, essentiellement en substitution du chlore.

Motivations de l'utilisation de l'ozone

L’ozone est un oxydant et un désinfectant puissant. Il présente certains avantages par rapports à d’autres oxydants habituellement utilisés dans l’industrie, en particulier le chlore. Le principal avantage est l’absence de rémanence : l’ozone étant chimiquement instable, il ne reste pas de traces d’oxydant ou de produits dérivés sur les produits traités.

Blanchisserie

Cette application est très répandue dans les pays anglo-saxons et peu en Europe continentale. L’ozone est utilisé essentiellement pour le lavage de linge blanc dans les installations commerciales.

Industrie agro-alimentaire

L’ozone est employé dans l’agroalimentaire pour deux applications bien distinctes :

  • l’ozonisation de chambres froides ;
  • le lavage de produits alimentaires à l’eau ozonée.

Micro-électronique

Les wafers destinés à la fabrication de circuits intégrés sont lavés avec de l’eau ozonée avec pour objectif l’élimination de traces éventuelles de matière organique.

Papeterie

L’ozone est employé comme blanchissant alternatif au chlore, et pour le traitement des eaux usées de papeterie.

Nettoyage des conduites

L’eau ozonée est un moyen simple à mettre en œuvre pour la destruction de biofilms dans des conduites.

Notes et références

  1. ↑ Impacts of the fall 2007 California wildfires on surface ozone: integrating local observations with global model simulations, Gabriele Pfister et al., Geophysical research letters (constulté 2008 10 23)


Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Voir « ozone » sur le Wiktionnaire.
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