O3, joka tunnetaan myös nimellä otsoni, on hyvin tunnettu kemiallinen yhdiste kemian oppikirjoissa. Otsoni eli trioksiini on maapallon ilmakehässä esiintyvä epäorgaaninen yhdiste, joka pelastaa meidät auringosta tulevilta haitallisilta ultraviolettisäteiltä. On hyvin kuuluisa kysymys siitä, onko O3 polaarinen vai ei-polaarinen.
Tässä artikkelissa selitän vastauksen tähän kysymykseen yksityiskohtaisesti ja yritämme tutustua O3-molekyylin kemialliseen rakenteeseen.
Onko O3 siis polaarinen vai ei-polaarinen? O3 on poolinen molekyyli ja se johtuu sen taivutetusta molekyyligeometriasta. O3:ssa sidosten sähköiset dipolimomentit eivät tasapainota toisiaan, mikä johtaa nettodipolimomenttiin. Tästä johtuen O3 (otsoni) on luonteeltaan polaarinen.
Tarkastellaan tätä yksityiskohtaisesti.
O3:n molekyylirakenne
Katsotaan ensin O3:n Lewis-rakennetta. Hapen (O) järjestysluku on 8 ja sen valenssikuoressa on 6 elektronia.
Keskimmäinen happiatomi jakaa 4 elektronia muodostaakseen 1 kaksoissidoksen ja 1 yksinkertaisen sidoksen kahden muun happiatomin kanssa.
Joskus ihmiset hämmentyvät siitä, että jos keskimmäinen happiatomi muodostaa 1 kaksoissidoksen ja 1 yksinkertaisen sidoksen kahden muun happiatomin kanssa, niin silloin sille pitäisi jäädä jäljelle 3 sitoutumatonta elektronia. Mutta todellisuudessa keskimmäiseen happiatomiin jää vain 2 sitoutumatonta elektronia.
Se johtuu siitä, että O3:lla on 2 resonanssirakennetta, jotka resonoivat jatkuvasti ja kaksoissidos ja yksisidos muodostuu vuorotellen molemmille puolille. Molemmat rakenteet näkyvät yllä olevassa kuvassa.
Keskimmäiselle happiatomille jää siis 1 yksinäinen elektronipari. Lisäksi yksinäinen pari antaa suuremman vastuksen sidospareille molemmilla puolilla, O3-molekyyligeometria muodostuu taivutetuksi. Sen sidosparien välinen kulma on 116 astetta.
Johtuen yksinäisen parin ja sidosparin välisestä hylkimisestä O3-molekyyli on muodoltaan taipunut, mikä johtaa nettodipoliin, joka antaa molekyylille napaisuuden.
Miksi O2 on pooliton mutta O3 poolinen?
O2-molekyylissä 2 happiatomia on yhdistetty toisiinsa kaksoissidoksella niiden välillä. Kummallakin näistä atomeista on 2 yksinäistä paria toisiinsa nähden, mutta koska tässä molekyylissä on vain 2 atomia, O2 on muodoltaan lineaarinen.
Mukana on myös se, että atomit ovat samoja eli happiatomi, joten molekyylissä ei ole nettodipolimomenttia. Siksi O2-molekyyli on pooliton.
Mutta O3-molekyyli on erilainen, koska siinä on 3 atomia, minkä vuoksi se on kaareva. Tämä taivutettu muoto johtaa sähköiseen nettodipoliin, joka antaa O3-molekyylille polaarisen luonteen.
Otsonimolekyyli ei ole symmetrinen, vaan se on muodoltaan taivutettu johtuen siitä, että kaikilla happiatomeilla on epätasa-arvoiset yksinäiset parit.
On hyvin tiedossa, että yksinäisen parin ja yksinäisen parin välinen vastustus on suurempi kuin sidosparin ja sidosparin välinen ja yksinäisen parin ja sidosparin välinen vastustus. Siksi otsonin happiatomeihin kohdistuu yksinäisen parin ja yksinäisen parin välinen repulsio, joka johtaa taivutettuun muotoon.
Keskusatomiin liittyvällä uloimmalla happiatomilla on osittain negatiivinen varaus, koska se sisältää enemmän yksinäisiä pareja kuin muut happiatomit. Kun taas keskimmäisellä happiatomilla on osittain positiivinen varaus.
Tekijät, jotka määräävät molekyylin poolisuuden
Dipolimomentti
Polaarisella molekyylillä on aina nettodipolimomentin arvo. Esimerkiksi otsonin dipolimomentti on 0,53 D. Debye on dipolimomentin SI-yksikkö, jota merkitään D:llä.
Puolattoman molekyylin nettodipolimomentiksi tulee 0 D. Mitä suurempi nettodipolimomentin arvo on, sitä enemmän molekyyli on poolinen.
Elektronegatiivisuus
Molekyylissä, jos molempien atomien elektronegatiivisuudet eroavat toisistaan, molempien yhteinen sidos on poolinen. Mitä suurempi ero atomien elektronegatiivisuuksissa on, sitä suurempi on yleinen poolisuus.
Jos tarkastelemme happimolekyylin rakennetta, molemmilla happiatomeilla on sama elektronegatiivisuus. Näin ollen O2 on pooliton.
Symmetria
Molekyylin poolisuus ja poolittomuus voidaan määrittää myös pelkästään molekyylin rakenteellista geometriaa tarkastelemalla. Jos molekyylillä ei ole symmetriaa, se osoittautuu pooliseksi molekyyliksi ja jos muoto on symmetrinen, se on pooliton.
Jos tarkastelemme hiilidioksidikaasumolekyyliä, C-O-sidos on polaarinen elektronegatiivisuuseron vuoksi. Koska CO2-molekyyli on symmetrinen, molemmat C-O-sidokset ovat 180 asteen kulmassa, mikä kumoaa poolisuuden. Näin ollen CO2 on pooliton.
Tarkastelemalla näitä tekijöitä voimme tarkistaa, onko molekyyli poolinen vai pooliton.
Ozonin ominaisuudet
Ozon suojaa maapalloa auringosta tulevilta ultraviolettisäteiltä. Ilmakehän spektrin ympärille muodostuu kerros, joka absorboi voimakkaasti UV-säteilyä noin 220-290 nm:n alueella.
Ei tätä kerrosta ole, nämä UV-säteet voivat vahingoittaa vesieliöitä ja kasveja maan pinnalla ja myös ihmisiä. Otsonikerros on kuitenkin ehtymässä päivä päivältä lisääntyvän ilmaston lämpenemisen vuoksi.
Otsoni on tiheämpää kuin ympäristön ilma. Sen höyryntiheys on noin 24.
Jäädytettäessä otsonia se muuttuu syvänsiniseksi nesteeksi.
Puhdas otsoni esiintyy kaasumaisessa muodossa, joka on sinistä väriä ja jolla on voimakas ärsyttävä haju. Jähmettyessään se esiintyy violetinmustina kiteinä.
Otsonin kiehumispiste on noin -112 celsiusastetta.
Otsoni liukenee veteen ilmakehän paineessa. Otsoni on siis hyvä hapetin, jonka hapettumispotentiaali on 2,07 V. Koska se on vahva hapetin, sitä käytetään myös vedenkäsittelyssä.
Otsoni on elektrofiilinen ja reagoi hyvin selektiivisesti muiden alkuaineiden kanssa.
Otsoni on vähemmän stabiili vedessä kuin ilmassa. Vedessä otsonin puoliintumisaika on noin 20 minuuttia, kun taas ilmassa sen puoliintumisaika on 12 tuntia.
Vedenkäsittelyssä sitä käytetään juomaveden sterilointiin sen hapettavan ominaisuuden vuoksi.
Sitä käytetään myös tekstiiliteollisuudessa valkaisuun.
Toivottavasti ymmärsitte, miksi otsoni on polaarinen luonnossa ja mitkä ovat sen ominaisuudet.
Toivottavasti ymmärsitte miksi otsoni on polaarinen luonnossa ja mitä sen ominaisuudet ovat.