Ozone

Ozone
Général
Nom IUPAC
Synonymes	ozone
N CAS	10028-15-6
N EINECS	233-069-2
SMILES
InChI
Apparence	gaz incolore ou bleuatre, d'odeur caracteristique.
Propriétés chimiques
Formule brute	O3
Masse molaire	47,9982 ± 0,0009 g·mol
Moment dipolaire	0,53373 D
Propriétés physiques
T° fusion	-192,5 °C
T° ébullition	-111,9 °C
Solubilité	dans l'eau à 0 °C : 1 g·l
Masse volumique	2,144 g·l (0 °C)
Point critique	55,7 bar, -12,05 °C
Thermochimie
ΔH	142,67 kJ·mol
Propriétés électroniques
1 énergie d'ionisation	12,43 eV (gaz)
Précautions
Directive 67/548/EEC

T+

C

O

SIMDUT
A, C, D1A, D2A, D2B, F,
Écotoxicologie
Seuil de l’odorat	bas : 0,0076 ppm haut : 0,03 ppm
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O). 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 et se solidifie à -192,5 °C en un solide pourpre. Lorsqu'il est présent en densité élevée (par rapport au gaz), dans ses phases condensées, son instabilité se manifeste par une tendance à l'explosivité de ces phases.

L'ozone est produit par décharge électrique dans du dioxygène. Il réagit avec les métaux alcalins et métaux alcalino-terreux pour former des ozonides ($M+O_3\to M{O}_3$), 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 caractéristique qui rappelle l'eau de Javel est perceptible dans les endroits confinés où règne un champ électrique important (transformateur haute tension, échelle de Jacob, tubes UV, allume gaz). Respiré en grande quantité, il est toxique et provoque la toux.

L'ozone a été découvert 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.

Dans la haute atmosphère terrestre, 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 en le transformant en dioxygène, 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.

L’ozone est aussi très présent autour des grandes agglomérations où sont produits des polluants qui sont ses précurseurs, notamment le dioxyde d’azote NO₂, par leur pollution atmosphérique. Lors des canicules, on trouve l’ozone en grandes quantités 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. 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.

L'ozone est en outre produit avec les éclairs de l'orage ainsi que, plus généralement, à partir de toute étincelle ou arc électrique. Photocopieuses et imprimantes laser ou moteurs électriques dégagent de l'ozone, pouvant conduire à des concentrations significatives dans un local mal ventilé.

Dans la nature, en cas de canicule ou forte insolation, les arbres émettent de l'Isoprène qui interagit avec l'ozone, et contribue à produire des aérosols, brumes et nuages protégeant les arbres d'un stress climatique excessif.

Une production industrielle d'ozone est permise par plusieurs techniques :

• exposition d'air à des radiations ultraviolettes de courtes longueurs d’ondes émises par une lampe à vapeurs de mercure
• décharge à froid dite décharge corona ou décharge à effet corona, dans 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.

Un appareil de laboratoire couramment utilisé pour la démonstration de production d'ozone était la machine électrostatique de Whimshurst : elle utilisait la mise en rotation par une manivelle de deux plateaux isolés identiques, mais tournant en sens inverse. Des balais collectent l'électricité statique produite par le frottement, ils déchargent les plaques en produisant un arc électrique autour duquel apparait de l'ozone (alors diffusé dans l'air).

De 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 :

3HO → O + 6H + 6e ΔE = -1,53 V

6H + 6e → 3H ΔE = 0 V

2HO → O + 4H + 4e ΔE = -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.

Purification de l'eau potable

L’ozone présente une série d’avantages par rapport au chlore mais ne permet pas de détruire tous 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.

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 *référence souhaitée) ;
• élimination de composés organiques nocifs, en particulier pesticides et herbicides. Pour cette application l’ozone est en général injecté en amont d’un filtre à charbon.

L'ozone est utilisé par la ville de Nice depuis maintenant 1907 (première usine au monde purifiant l'eau par l'ozone à Bon-Voyage et après à Rimiez). Il est possible de visiter le site ayant un patrimoine historique des plus intéressants.

L'ozone a permis à la ville de Marseille et de son agglomération d'être classée, à partir des normes de l'Organisation Mondiale de la Santé(O.M.S), par le magazine:ça m'intéresse: Première ville de France pour la qualité de son eau.

L'ozone est devenue une référence de qualité pour l'eau potable dans beaucoup de communes et de villes à travers le monde.

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 », pour le traitement de la couleur, et pour la désinfection de l’eau en sortie de stations d’épuration (traitement dit tertiaire).
Ces applications nécessitent la maîtrise de plusieurs techniques : 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.

L'ozone est l'un des polluants de l'air dangereux pour la santé au-delà de certains seuils.
Il fait l'objet de modélisations et prévisions accessibles. Chaque été, en France, c'est la région Provence Alpes Côte d’Azur, et plus particulièrement les Bouches-du-Rhône, qui est la plus touchée par les pics de pollution à l’ozone. Résultant de l'action du rayonnement solaire sur certains polluants automobiles et industriels, l'ozone touche tout particulièrement les zones industrialisées ayant un fort ensoleillement. Cette pollution a un impact très important sur la santé. En effet, l'ozone provoque des irritations des bronches, pouvant être très importantes chez les populations les plus sensibles. En avril dernier, une étude américaine a montré que l’ozone, même à faible dose, était directement associé à la survenue des crises d’asthme chez les enfants. Lors des pics de pollutions, on observe d'ailleurs une augmentation de leur nombre et de leur gravité et donc une recrudescence des hospitalisations. Mais, l'ozone est aussi coupable de l'augmentation du taux de mortalité des personnes ayant des problèmes respiratoires. C'est pour cette raison que l' Association Santé Environnement France, qui réunit près de 2500 médecins en France, a réclamé une prise en charge politique du problème.

Importance

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

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.