• Ozon-Apparatur mit UV-Lampe, z.B. von der Fa. Hedinger, Stuttgart
• Aluminiumfolie
• Glasrohr
• Glasstab
• 2 Stopfen
• Waschflasche
• Federwaage
• Quetsche
• Mikroskop
• Tesafilm
• Teppichmesser

• verschiedene Gummiproben (Fahrradschlauch, Gummischlauch, Naturlatex)
• verschiedene Silicongummiproben aus dem WACKER-Schulversuchskoffer, z.B. HTV
• Sauerstoff, O
• konz. Schwefelsäure, C

Für den Aufbau der Versuchsapparatur sollte eine Zeitdauer von ca. 10 Minuten eingeplant werden. Die Versuchszeit für die einzelnen Proben mit mikroskopischer Untersuchung beträgt ungefähr 20 Minuten.

 Da mit Ozon gearbeitet wird, ist der Versuch unter dem Abzug durchzuführen.
Der Ozon-Reaktor wird mit Aluminiumfolie abgedeckt (Schutz vor UV-Strahlung; vgl. Foto weiter unten).
Verschiedene Gummiproben werden in Form eines länglichen Rechtecks mit möglichst einheitlicher Dicke und einer Breite von ca. 0,5 cm zurecht geschnitten.
Die zu untersuchende Gummiprobe wird in Längsrichtung mit hinreichender Einspannlänge in die Klemmvorrichtung (siehe Foto) gespannt und die Dehnung bei einer Kraft von 10 N gemessen.
Danach befestigt man den Prüfkörper mit Hilfe von Tesa-Streifen bei derselben Dehnung, also einer Kraft von 10 N, an den Glasstab und legt diesen mit dem Prüfkörper nach oben in das Glasrohr (vgl. Abb. oben).
Das Ozon wird erzeugt, indem man zunächst die ganze Apparatur mit getrockneten Sauerstoff (vgl. Abb. oben) ca. 2 Minuten lang spült, dann die UV-Lampe einschaltet und mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit (ca. 1 Blase pro Sekunde) das im UV-Reaktor erzeugte Gemisch aus Sauerstoff und Ozon über die Gummiprobe im Glasrohr leitet. Die Ozonbehandlung der Gummiprobe dauert 15 Minuten. Anschließend untersucht man die Probe auf makroskopische, mikroskopische und mechanische Veränderungen.
Es ist wichtig, bei allen Proben die gleichen Bedingungen bei der Behandlung mit Ozon einzuhalten, um ihre Ozonbeständigkeit vergleichen zu können.

 Fahrradschlauch: (Kraft = 10 N, Breite = ca. 0,5 cm)
Bereits während des Überleitens von Ozon bilden sich zuerst senkrecht zur Richtung der wirkenden Kraft kleine Risse in der Oberfläche der Gummiprobe, die sich allmählich vergrößern, bis der Gummi nach ca. 10 Minuten ganz reißt.
Bei der Überprüfung der mechanischen Eigenschaften stellt man fest, dass die Reißfestigkeit und Elastizität der Probe sehr stark abgenommen hat.
Unter dem Mikroskop sind nach der Behandlung mit Ozon kleine schwarze Adern zu erkennen (vgl. Fotos 1 und 2).

 Silicon HTV(s): (Kraft = 10 N, Breite = 0,5 cm)
Auch hier können keine makroskopischen, mikroskopischen (vgl. Fotos 9 und 10) oder mechanischen Veränderungen beobachtet werden.

 Silicon HTV(w): (Kraft = 10 N, Breite = 0,5 cm)
Makroskopisch und mechanisch können keine Unterschiede vor und nach der Ozonisierung festgestellt werden.
Die geringen Unterschiede in den Mikroskopaufnahmen (vgl. Fotos 11 und 12) können wie beim Silicon HTV(s) durch Unterschiede in der Lichtintensität bei den Aufnahmen und mit den durch das Schneiden entstandenen unterschiedlichen Strukturen erklärt werden. Sie sind jedoch nicht auf die Behandlung mit Ozon zurückzuführen.

Aufgrund der oben dargestellten Beobachtungen lässt sich feststellen, dass "Silicongummi" (genauer: die untersuchten Silicongummiarten aus dem WACKER-Schulversuchskoffer) unter den Versuchsbedingungen nicht von Ozon angegriffen werden.
Dagegen wird "normaler Gummi", wie er im Gummischlauch (Laborschlauch), Fahrradschlauch oder Latex vorkommt, stark von Ozon angegriffen und zerstört.
Es ergibt sich also für die untersuchten Gummiproben folgende Ozonbeständigkeit:

Dass die "normalen Gummiarten" wesentlich stärker angegriffen werden als die Silicone ist darauf zurückzuführen, dass sie aus Polymeren aufgebaut sind, die Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen (C=C Bindungen) enthalten. Diese reagieren mit Ozon (vgl. weiter unten).
Die Polymermoleküle der Silicone verfügen im allgemeinen über keine Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindungen und können daher von Ozon nicht angegriffen werden. Ein Gehalt von 2 % Ozon in der Atmosphäre verursacht beispielsweise bei 40 °C auch nach 70 Stunden bei Silicongummi noch keinerlei Änderungen der Eigenschaften. Silicongummi ist bei natürlicher Alterung praktisch völlig beständig gegenüber Sauerstoff- und Ozoneinwirkung.

  In der Versuchsapparatur wurden die Proben viel höheren Ozonkonzentrationen ausgesetzt als es unter natürlichen Bedingungen der Fall ist (vgl. zum Ozongehalt der Luft 5 Ergänzende Sachinformationen).
Trotz seiner geringen Konzentration an der Erdoberfläche spielt das Ozon bei der atmosphärischen Alterung von Kunststoffen und Elastomeren dennoch eine wichtig Rolle. Bei der Alterung kann zwischen zwei wichtigen Reaktionen des Ozon unterschieden werden.

Bei den gesättigten Polymeren wirkt Ozon als Oxidationsinitiator. Die bei der Startreaktion

entstehenden Radikale reagieren dann in Folgereaktionen ab.

 Bei mechanischer Beanspruchung (z.B. Dehnung) entstehen auf dem Gummi hingegen die typischen Ozonrisse, wobei die Risse immer senkrecht zur Richtung der wirkenden Kraft orientiert sind.
Eine mögliche Erklärung für die beschleunigende Wirkung mechanischer Belastungen auf den Abbau von Elastomeren durch Ozon ist, dass durch die Verformung die Kontinuität der ozonisierten Oberflächenschicht mechanisch zerstört wird. Die dadurch frei werdende neue Oberfläche ermöglicht weitere Reaktionen zwischen Ozon und Elastomer.
Die Rissbildung ist eine ernsthafte Schädigung, denn wenn diese Risse während der Abbauvorgänge wachsen, kann das betreffende Erzeugnis vollständig zerstört werden. Die Ozonrissbildung ist einerseits abhängig von der Zusammensetzung des Kautschuks oder Gummis, andererseits von der mechanischen Belastung, der Ozonkonzentration und der Temperatur.

Die durch die Ozonisierung hervorgerufenen Veränderungen der Polymerkette des Elastomers äußern sich in einer Abnahme der Zugfestigkeit, Dehnbarkeit und Strukturfestigkeit. Weiterhin verringern die bei der Oxidation entstehenden sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen die Beweglichkeit der Polymerketten und verschlechtern so die dynamischen Eigenschaften des Materials.

• Da die auf den Probenkörper wirkende Zugspannung von der Breite und Dicke des Probenkörpers abhängt, ist kein quantitativer Vergleich möglich. Die Proben können mit einfachen Werkzeugen (Teppichmesser) nicht einheitlich geschnitten werden.
• Die Dauer bis zum Zerreißen der Probe ist schwankend, da sie von der Zugspannung, der Ozonkonzentration, der Temperatur und der Vernetzung des Gummis abhängig ist.
• Bis auf die Temperatur und die etwaige Zugspannung konnten diese Messgrößen nicht konstant gehalten werden. Jedoch hat dies, wie die Beobachtungen zeigen, keinen Einfluss auf das qualitative Ergebnis. Bei zu geringer Zugspannung verhalten sich die Proben inert.
• Da bei den Siliconproben bei 10 N keine Veränderungen beobachtbar waren, wurde für diese Proben der Versuch mit größtmöglicher Handdehnung wiederholt. Es ergaben sich hierbei jedoch auch keine beobachtbaren Veränderungen. Zusätzlich wurden die Silicone für mehr als einen Tag in eine Ozonatmosphäre (Verschließen des Rohres mit Tesafilm) eingebracht, wobei sich ebenfalls keine Veränderungen ergaben.
• Der Versuch besitzt einen relativ hohen Alltagsbezug, da die Ozonbeständigkeit Auswirkungen auf die realen Einsatzmöglichkeiten der verwendeten Elastomere hat und daher auch in der Industrie regelmäßig untersucht wird.
• Durch den Versuch kann den Schülern eine wichtige Eigenschaft, die sehr unterschiedliche Ozonbeständigkeit, von Silicongummi und anderen (natürlichen und synthetischen) Elastomeren näher gebracht werden.
• Dieser Unterschied in der Stoffebene lässt sich auf der Teilchenebene sehr einleuchtend mit dem strukturellen Merkmal "C=C Doppelbindung" begründen, auch wenn der Mechanismus der Ozonolyse nicht thematisiert wird. Es ist ausreichend, wenn im Schulunterricht auf die Bruttoreaktion der Ozonolyse eingegangen wird.
  

Ozon O₃ entsteht in der Ozonsphäre etwa 20 bis 60 km über der Erdoberfläche durch die folgende photochemisch angetriebene Reaktion des Sauerstoffs bei Wellenlängen von l < 242 nm.

Dabei ist M ein zur Aufnahme frei werdender Energie notwendige Stoßpartner, der z.B. ein Stickstoff- oder Sauerstoffmolekül sein kann.
Der Ozonbildung wirkt insbesondere die photolytische Spaltung gemäß

bei größeren Wellenlängen entgegen, so dass ein photostationäres Gleichgewicht zwischen Sauerstoff und Ozon in der Ozonsphäre entsteht.
Durch die ständig vorhandenen turbulenten Strömungen wird etwas Ozon mit den Luftströmen auch bis zur Erdoberfläche transportiert. Ein Teil des Ozons in den tieferen Schichten der Atmosphäre entsteht auch durch elektrische Entladungen (Gewitter) und bodennahes Ozon bildet sich im Photosmog, wenn starke Lichteinwirkung der Sonne auf atmosphärische Verunreinigungen (Autoabgase) herrscht.
Dennoch ist die durchschnittliche Konzentration des Ozons an der Erdoberfläche sehr gering. Sie liegt zwischen 0,02 ppm und 0,05 ppm je nach Jahreszeit, geographischer Lage des Messortes und meteorologischen Bedingungen.
Weitere Informationen zum Thema Ozon sind unter "http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/" > Unterrichtsmaterial > Ozon zu finden.