Ozon in der Atmosphäre

Ozon in der Atmosphäre – Chemie

Sicher hast du in den Nachrichten bereits vom Ozonloch gehört. Aber was ist ein Ozonloch und welche Auswirkungen hat ein Loch in der Ozonschicht?

In diesem Lerntext erfährst du einfach erklärt, was Ozon ist und was man unter der Ozonschicht versteht. Du lernst, wozu Ozon gut ist, wie sich Ozon auf den Menschen auswirken kann und warum zu wenig Ozon auch gefährlich sein kann.

Was ist Ozon? – Definition

Einfach erklärt ist Ozon $(\ce{O3})$ ein gasförmiger Stoff, der aus drei Sauerstoffatomen aufgebaut ist. In höherer Konzentration ist Ozon in der Luft, genauer gesagt, in der Atmosphäre der Erde zu finden. Das Ozon bzw. die Ozonschicht befindet sich in der unteren Stratosphäre, also dem Bereich, der sich in einer Höhe von 20 bis 30 Kilometern über dem Erdboden befindet, dort bildet es die sogenannte Ozonschicht. Diese schützt die Erde vor der energiereichen Sonnenstrahlung.

Übrigens: Ozon findet auch Verwendung in der Industrie. Ozonwasser wird in der Wasseraufbereitung zur Oxidation von Eisen, Mangan, organischen Substanzen oder zur Entkeimung verwendet.

Die Entstehung von Ozon

Und wie entsteht Ozon? Du kennst das Sauerstoffmolekül, das aus zwei Sauerstoffatomen besteht. Wenn dieses Sauerstoffmolekül durch die sehr energiereiche UV-Strahlung der Sonne gespalten wird, entstehen Sauerstoffradikale. Aufgrund der erhöhten Reaktivität der Radikale verbinden sich diese mit den zweiatomigen Sauerstoffmolekülen. Dieser Vorgang kann auch in tieferen Schichten der Atmosphäre bei Gewittern entstehen, da dabei ebenso durch die hohe Energie Sauerstoffmoleküle gespalten werden können.

Die Reaktionsgleichung zur Bildung von Ozon lautet wie folgt:

$\ce{O2 -> 2O.}$

$\ce{2O. + 2O2 -> 2O3}$

Ozon – Eigenschaften

Welche Eigenschaft hat Ozon? Bei Ozon handelt es sich um ein farbloses bis bläuliches Gas, das eine Dichte von $\pu{2,15 kg//m3}$ hat und schwer in Wasser löslich ist. Alle Sauerstoffatome im Ozonmolekül haben dabei die Oxidationszahl Null. Das Molekül Ozon liegt in einer Mesomerie vor. Das bedeutet, dass Ozon nicht durch eine einzige Strukturformel, sondern durch zwei dargestellt werden kann. Die Strukturformel von Ozon siehst du hier:

Aus der Abbildung kann man entnehmen, dass das Ozonmolekül gewinkelt aufgebaut ist.
Die einzelnen Bindungen zwischen den Sauerstoffatomen kann man mithilfe von IR-spektroskopischen Untersuchungen ausmessen. Die Messergebnisse zeigen, dass die Bindungen gegenüber Einfachbindungen etwas verkürzt sind – sie haben also partiellen Doppelbindungscharakter. Aus diesem Grund kommt auch die Winkelung des Moleküls zustande.

Die Doppelbindungen liegen entweder links oder rechts vom zentralen O-Atom. Die Elektronen sind dabei nicht in Doppelbindungen fixiert, sondern liegen delokalisiert vor. Dieser mesomere Zustand ohne deutliche Ladungstrennung ist für das Ozonmolekül energetisch günstiger als die völlige Ladungstrennung.

Aber Achtung: Man könnte nun annehmen, dass das Ozonmolekül energiearm und deshalb stabil sei. Dem ist nicht so. Ozon ist ein hochreaktiver Stoff, der sehr leicht unter Abgabe eines Sauerstoffatoms zerfällt.

Ozonloch – Definition

Ozon hat also eine wichtige Wirkung in der Atmosphäre. Als Schutz vor energiereicher Strahlung, wie beispielsweise der UV-Strahlung der Sonne, bildet es die Ozonschicht, wenn es sich in der Stratosphäre befindet.

Es gibt viele Stoffe, wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), die die schützende Ozonschicht in der Stratosphäre schädigen können. Die FCKWs wurden früher in Kältemitteln als Treibgase und Lösemittel eingesetzt. Sie sind aber seit dem Jahr 1995 in der EU verboten. Obwohl diese FCKWs seit vielen Jahren verboten sind, befinden sich diese Verbindungen immer noch in der Atmosphäre und können weiterhin einen schädlichen Einfluss auf die Ozonschicht ausüben – man spricht hier auch von Luftverschmutzung. Außerdem werden in Asien immer noch FCKWs verwendet.

FCKW ist ein Sammelbegriff für organische Verbindungen, die aus Chlor- $(\ce{Cl})$ und Fluoratomen $(\ce{F})$ bestehen. Die energiereiche Strahlung spaltet diese Chlor- und Fluoratome, es entstehen reaktive Radikale. Diese wiederum können die Ozonmoleküle spalten und die Konzentration an Ozon verringert sich. Es kann zur Bildung sogenannter Ozonlöcher kommen. Durch diese Löcher in der Ozonschicht kann für den Menschen gefährliche UV-Strahlung der Sonne ungehindert durchdringen.

Ozon in der Troposphäre

Und warum ist Ozon gefährlich? Ozon ist ein starkes Atemgift und wirkt krebserregend. Es ist deswegen in Erdnähe nicht gewollt. Aber was ist bodennahes Ozon? Dieses Ozon befindet sich in der Troposphäre. Die Hauptursache für eine erhöhte Konzentration an Ozon in der Nähe der Erdoberfläche sind Autoabgase, die auch zur Ozonbildung beitragen.

Hohe Ozonkonzentrationen reizen die Schleimhäute und führen so zu Augenbrennen. Weitere Symptome wie Kopfschmerzen, Herzrasen und Atembeschwerden können auftreten.

Ab einem Ozonwert von 180 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft informieren die Behörden die Menschen über Verhaltensempfehlungen. In der folgenden Tabelle kannst du sehen, ab wann die Behörden informieren und ab wann eine Ozonwarnung herausgegeben wird.

Dieses Video

In diesem Video lernst du, was die Ozonschicht ist und für was die Ozonschicht gut ist. Du erfährst, was $\ce{O3}$ in der Chemie bedeutet und nach welcher Reaktionsgleichung Ozon gebildet wird.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!