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臭氧
有特殊臭味的淡藍色氣體
臭氧（英文：Ozone），是氧氣的一種同素異形體，化學式是O3，摩爾質(zhì)量為47.998g/mol，相對密度為1.658，濃度較低時為無色氣體，濃度較高時呈現(xiàn)淡藍色，液態(tài)為深藍色，固態(tài)為紫黑色。
基本信息
中文名
臭氧
英文名
Ozone
CAS號
10028-15-6
性質(zhì)
化學式
O3
摩爾質(zhì)量
47.998g/mol
外觀
淡藍色
氣味
獨特的刺激性氣味
密度
2.144 mg/cm
熔點
-192℃
沸點
-111℃
溶解性
微溶于水
危險性
警示術(shù)語
安全術(shù)語
H270, H314, H318
臭氧具有極強的氧化性，具有良好的殺菌消毒效果，廣泛應用于水處理、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)。高空的臭氧層，能夠吸收對人類有害的紫外線波段，保護地球上的生命。然而，近地面臭氧對人類健康具有極大的危害性，從事臭氧生產(chǎn)使用的相關(guān)行業(yè)人員需要嚴格遵守安全法規(guī)。
發(fā)現(xiàn)歷史
人類對于臭氧最早的認識來源于1785年，當時荷蘭科學家馬丁努斯 ·馬倫（Martinus van Marum）注意到一個現(xiàn)象，每當在進行放電實驗時，就會出現(xiàn)一種特殊的氣味，由于這種氣味與自然界電閃雷鳴時產(chǎn)生的氣味類似，他將其同樣歸因于放電反應，沒有意識到他實際上已經(jīng)創(chuàng)造了臭氧。
1840年，德國化學家克里斯蒂安·弗里德里?！ど岫靼菀颍–hristian Friedrich Sch?nbein）證實了這種刺激性氣味來自一種氣體，這種氣體是由氧氣通電產(chǎn)生的。他將這種帶有異味的氣體正式命名為臭氧 。這個詞來自希臘語的OZEIN（?ζειν），原意是 "臭味"。
1858年，科學家們在地球的大氣層中發(fā)現(xiàn)了臭氧成分，這是臭氧首次被證實在自然界中同樣存在。
1857年，德國發(fā)明家維爾納·馮·西門子（Ernst Werner von Siemens）發(fā)明了一種“超級感應管”，這種管能夠產(chǎn)生臭氧，極大地方便了人們對臭氧性質(zhì)的研究。
第一次世界大戰(zhàn)期間，德國醫(yī)生將臭氧用于士兵戰(zhàn)傷的治療，這是臭氧用于臨床的源頭。
分布情況
臭氧是地球上早已經(jīng)存在的自然物質(zhì)，普遍存在于地球大氣層中，但不同的高度的含量差異較大。臭氧主要分布在距地球表面10~50公里的平流層里，占大氣中臭氧總量的90%。其中，在大約20—25公里處，臭氧的含量達到極值，該高度范圍也被稱為臭氧層。臭氧在大氣中的含量非常少，在平流層中也僅占大氣總量的0.3%，即使在臭氧層，濃度也僅為0.2ppm。隨著環(huán)境的惡化，臭氧含量逐漸下降，臭氧層也面臨著被破壞的風險。
臭氧也廣泛存在于人類的生產(chǎn)實踐中，主要作用是殺菌消毒，用于自來水消毒、食品加工保鮮等領(lǐng)域，此外，臭氧也應用于工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)中。
O3分子結(jié)構(gòu)
O3由三個氧原子構(gòu)成，分子形狀為折線型，呈等腰三角形結(jié)構(gòu)（類似于水分子）。如右圖上半圖所示，三個氧原子分別位于三角形的頂點，鍵角為116.8°，中鍵長127.8pm，中間的氧原子采取sp雜化的形式與兩端原子結(jié)合，氧原子的最外層有六個電子，其中，有兩個單電子與兩端的氧原子形成兩個
臭氧的分子式
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
常溫常壓下，臭氧為淺藍色氣體，具有刺激性氣味，其摩爾質(zhì)量為47.977g/mol，密度為2.144mg/cm（在0°C時），沸點為?112℃，熔點為-192.2℃。臭氧略溶于水，其溶解度是氧的13 倍，空氣的25倍。 臭氧的液態(tài)呈深藍色，固體為紫黑色。臭氧具有弱順磁性。
名稱及狀態(tài) | 標準電極電位 (mv) |
氟(氣態(tài)) | 2.87 |
臭氧(氣態(tài)) | 2.07 |
過氧化氫 | 1.78 |
高錳酸鉀 | 1.67 |
二氧化氯 | 1.50 |
氯(氣態(tài)) | 1.36 |
氧(氣態(tài)) | 1.23 |
資料來源于： | |
化學性質(zhì)
無機反應
臭氧是已知最強大的氧化劑之一，如上表所示，臭氧的氧化性僅次于氟，遠遠強于O2。它在高濃度下也是不穩(wěn)定的，會衰變成普通的氧氣。它的半衰期隨大氣條件如溫度、濕度和空氣流動而變化。在實驗室條件下，半衰期（HLT）在室溫（24℃）、零濕度、每小時換氣次數(shù)為零的靜止空氣中平均為1500分鐘（25小時）。
臭氧結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，非常容易分解為一個氧分子和一個自由的氧原子
- 臭氧分解為氧氣的反應可在任何溫度下進行，并隨著溫度的升高而更加劇烈，微弱的火花足以讓臭氧爆燃。
- 臭氧會將大多數(shù)金屬（除了金、鉑和銥）氧化成最高氧化態(tài)的金屬氧化物，在常溫下即可進行，例如：
- 臭氧與碳反應形成二氧化碳，在室溫下即可進行。
- 臭氧的氧化性強于溴、碘、硫等等氧化物，在室溫下即可進行（288K，15℃），例如：
有機反應
制備方法
紫外線照射法
該方法模擬的是大氣層上空臭氧產(chǎn)生的原理，當使用紫外線（波長為185 nm）照射氧氣時，部分氧氣會分解為氧原子，這些氧原子與未分解的氧分子結(jié)合形成臭氧，該方法主要涉及如下反應：
同時存在臭氧轉(zhuǎn)化為氧氣的以下副反應。
該方法的優(yōu)點在于臭氧的生成無需考慮溫度條件，缺點在于存在副反應，即生成的臭氧分子同樣會與氧原子結(jié)合轉(zhuǎn)化回氧原子。因此制備的臭氧濃度、純度都比較低，一般用于小范圍空間內(nèi)的殺菌消毒。
電暈放電法
該方法首先將空氣或氧氣進行干燥處理，而后輸入放電室。放電室由兩個電極組成，在電極下方一般會連接電介質(zhì)以提升放電效果。通過對兩個極板施加高幅交流電壓，使得電極間的氣體被擊穿發(fā)生放電，從而產(chǎn)出臭氧氣體。
該方法具有效率高、能耗低等優(yōu)點，在工業(yè)上使用比較普遍。缺點在于輸入放電室的氣體（純氧或者空氣）必須經(jīng)過干燥處理，這使得設(shè)備的費用昂貴，此外，如果以空氣作為原料，不僅會降低臭氧的濃度，而且會生成氮氧化物，污染環(huán)境。
電解法
由陰陽兩極和電解質(zhì)溶液構(gòu)成電解裝置。在陽極析出臭氧，陰極析出氫氣，該方法能夠產(chǎn)生高濃度的臭氧氣體，反應裝置如右圖所示。該裝置以鉛鈣錫鈰合金電極作為陽極，以鉑電極作為陰極。
陽極發(fā)生下列反應。
電解法制備臭氧裝置簡圖
陰極發(fā)生下列反應。
用途
臭氧作為一種無污染強氧化劑，已被廣泛應用到各個領(lǐng)域，包括水處理(自來水、生活用水、城市生活污水、工廠廢水等)，工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療衛(wèi)生，食品衛(wèi)生等。
水處理
臭氧可用于飲用水的消毒，利用其氧化性，氧化水中有害的化合物，并且不會有異味；臭氧可用于工業(yè)廢水的處理，將有害成分如含酚化物等氧化為無害成分。
醫(yī)療衛(wèi)生
食品行業(yè)
利用其強氧化性，臭氧能用于食品的保鮮、除臭、消毒等。
農(nóng)業(yè)
臭氧對農(nóng)藥和有機毒物有很強的降解作用，能夠殺滅害蟲及病菌。從而使溫室、大棚蔬菜在不用或少用農(nóng)藥的情況下達到防治病蟲害的目的。臭氧可以分解氨氣、硫化氫等氣體，對畜禽舍進行消毒，并且可以帶畜禽消毒，實現(xiàn)“無蟲無味無毒”。
化工行業(yè)
除了工業(yè)廢水的處理外，在化工行業(yè)中，利用臭氧能與色素分子反應，從而將其氧化破壞的特點，可用作漂白劑，用于油脂、蠟、淀粉、紙漿及紡織品的制造。臭氧還能用于測定有機物的結(jié)構(gòu)。
安全事項
盡管地球上空的臭氧層起著保護人類健康的功能，但近地表面的高濃度臭氧卻是一種有害污染源，世界衛(wèi)生組織規(guī)定空氣中的臭氧濃度應不大于0.06ppm，在從事臭氧相關(guān)的活動中，需要嚴格遵守安全規(guī)則。
安全標識 | 氧化 劇毒 刺激 |
危險公示標簽（GHS） | H270 （100%）： 可能引起或加劇火災，氧化劑 [危險 氧化氣體] H319 （100%）： 引起嚴重的眼睛刺激 [警告 嚴重眼睛損傷/眼睛刺激] H330 （100%）： 吸入致命 [危險 劇毒，吸入] |
上述資料來源于： | |
環(huán)境影響
臭氧層
大氣中的臭氧主要存在于大氣層的最上層。地球上的生物之所以能安然無恙地生存，就是由于高空處有一個由太陽紫外線強輻射而形成的臭氧層。臭氧層存在于距離地面20—25公里處的大氣層中，它能吸收 90%以上的對生物有害的太陽紫外線波段，而對生物無害的太陽紫外線卻可全部通過。正是由于臭氧層這道天保護地面生物免遭紫外線輻射的傷害。研究表明，大氣層里臭氧減小10%，有害紫外線的輻射量就將增加19~22%。
正常情況下，大氣中的臭氧的合成速度和分解速度平時是處于平衡狀態(tài)的，當大氣受到了污染，臭氧的平衡狀態(tài)就會受到破壞，導致臭氧的分解速度大于合成速度，局部大氣層的臭氧濃度就會減小，減小到一定程度，就會形成空洞現(xiàn)象，這就是“臭氧層空洞”。人類在生產(chǎn)生活中排放的鹵代烷烴（氟利昂為代表的）以及含氮化合物是破壞臭氧層的重要原因。
近地面
近地面臭氧是在光照條件下，由氮氧化物和揮發(fā)性有機物反應生成的二次污染物。近地面臭氧濃度過高，長期暴露會對人類健康造成影響，增加慢性阻塞性肺病的患病率和死亡率等。高濃度臭氧環(huán)境還影響植物的生命活動，進而對生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。
健康危害
臭氧通過吸入或通過液體接觸皮膚、眼睛或粘膜而具有高度毒性。它能夠引起急性至慢性肺損傷、燒傷、死亡或永久性損傷。臭氧在100ppm的濃度下，1分鐘就能產(chǎn)生毒性。臭氧能夠?qū)е路嗡[而死亡。它增加了肺部對支氣管收縮劑和過敏原的敏感性，增加了對肺部細菌和病毒感染的易感性和嚴重性。在急性吸入接觸的情況下，臭氧對肺部有致纖維化作用，并伴隨著閉塞性支氣管炎。
火災危險
當受到?jīng)_擊、暴露于熱或火焰中，或與有機物，特別是還原劑發(fā)生化學反應時，有嚴重的爆炸危險。臭氧是一種強大的氧化劑。與烯類、芳香族化合物、苯、橡膠、溴、雙氰胺、二乙醚、四氧化二氮、溴化氫、4-羥基-4-甲基-1,6-庚二烯、三氯化氮、苯乙烯、四氟肼不相容。不可燃，但會促進其他物質(zhì)的燃燒。許多反應可能引起火災或爆炸。與可燃物質(zhì)接觸時有火災和爆炸的危險。
急救措施
類型 | 癥狀 | 措施 |
眼睛或皮膚與臭氧接觸 | 刺激和灼傷皮膚、眼睛和粘膜 | 1.將受害者轉(zhuǎn)移到空氣新鮮處； 2.盡快脫去被污染的衣服 3.如果眼睛暴露，必須用溫水沖洗眼睛至少15分鐘 4.用肥皂和水徹底清洗暴露的皮膚部位 |
誤吸入臭氧 | 呼吸出現(xiàn)異常、對肺部造成損壞、攻擊神經(jīng)系統(tǒng)導致頭 暈、嗜睡等 | 1.將受害者轉(zhuǎn)移到空氣新鮮處，施救者應避免自我暴露在臭氧中 2.評估傷者生命體征，必要時進行心肺復蘇 3.及時獲得醫(yī)療機構(gòu)的幫助 |
上述資料來源于： | ||
貯存與運輸
由臭氧分子的結(jié)構(gòu)特點和光譜吸收特性，在光照條件下，它會迅速分解成氧氣。白天臭氧的壽命不超過3分鐘，若環(huán)境為高溫、潮濕條件，其分解則更快。但在黑暗、干燥和低溫條件下，臭氧的壽命可長達15小時，這也是臭氧的儲存或運輸條件。使用冰水混合物儲存臭氧是目前常用的方法，這是因為臭氧在冰水混合物中更加穩(wěn)定，成本低廉。由于臭氧的極不穩(wěn)定，一般來說，臭氧的生產(chǎn)往往遵循現(xiàn)用現(xiàn)制的原則。
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作者
