臭氧 臭氧(英文:Ozone),是氧氣的一種同素異形體,化學(xué)式是O 3 , 摩爾質(zhì)量 為47.998g/mol,相對密度為1.658,濃度較低時(shí)為無色氣體,濃度較高時(shí)呈現(xiàn)淡藍(lán)色,液態(tài)為深藍(lán)色,固態(tài)為紫黑色。 臭氧具有極強(qiáng)的氧化性,具有良好的殺菌消毒效果,廣泛應(yīng)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(hù)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(yán)格遵守安全法規(guī)。
發(fā)現(xiàn)歷史 人類對于臭氧最早的認(rèn)識(shí)來源于1785年,當(dāng)時(shí)荷蘭科學(xué)家馬丁努斯 ·馬倫(Martinus van Marum)注意到一個(gè)現(xiàn)象,每當(dāng)在進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí),就會(huì)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(shí)產(chǎn)生的氣味類似,他將其同樣歸因于放電反應(yīng),沒有意識(shí)到他實(shí)際上已經(jīng)創(chuàng)造了臭氧。
1840年,德國化學(xué)家克里斯蒂安·弗里德里?!ど岫靼菀颍–hristian Friedrich Sch?nbein)證實(shí)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(gè)詞來自希臘語的OZEIN(?ζειν),原意是 "臭味"。
1858年,科學(xué)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(shí)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(yīng)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。 1866年, 瑞士 科學(xué)家雅克-路易·索雷(Jac ques-Louis Soret)通過臭氧和氮氧化合物發(fā)生反應(yīng)后生成物的體積變化,測定出臭氧和氧氣的密度比為1.5:1。
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(dá)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(fēng)險(xiǎn)。 臭氧也廣泛存在于人類的生產(chǎn)實(shí)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)中。
O 3 分子結(jié)構(gòu) O 3 由三個(gè) 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(gè)氧原子分別位于三角形的頂點(diǎn),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(gè)電子,其中,有兩個(gè)單電子與兩端的氧原子形成兩個(gè) 鍵,另外還有一對電子與兩端各一個(gè)電子(一共四個(gè)電子)形成三中心四電子的離域大π鍵,如右圖下半圖所示。 臭氧是一種極性分子,偶極矩為0.53D。臭氧分子中氧原子之間作用力主要來源于一個(gè) 鍵,因此臭氧分子非常容易分解為一個(gè)氧分子和一個(gè)自由的氧原子。這使得臭氧分子的氧化性非常強(qiáng),化學(xué)性質(zhì)非?;钴S。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 常溫常壓下,臭氧為淺藍(lán)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(shí)),沸點(diǎn)為?112℃,熔點(diǎn)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(lán)色,固體為紫黑色。臭氧具有弱順磁性。
名稱及狀態(tài)
標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性質(zhì)
無機(jī)反應(yīng) 臭氧是已知最強(qiáng)大的氧化劑之一,如上表所示,臭氧的氧化性僅次于氟,遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于O 2 。它在高濃度下也是不穩(wěn)定的,會(huì)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(dòng)而變化。在實(shí)驗(yàn)室條件下,半衰期(HLT)在室溫(24℃)、零濕度、每小時(shí)換氣次數(shù)為零的靜止空氣中平均為1500分鐘(25小時(shí))。
臭氧結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,非常容易分解為一個(gè)氧分子和一個(gè)自由的氧原子
臭氧分解為氧氣的反應(yīng)可在任何溫度下進(jìn)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。 臭氧還將一氧化氮氧化成 二氧化氮 ,這個(gè)反應(yīng)伴隨著化學(xué)發(fā)光。 臭氧不與 銨鹽 反應(yīng),但在堿性溶液中它將氨氧化成 硝酸銨 。 臭氧還能與 氯氣 、 氫氣 等氣體單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
有機(jī)反應(yīng) 臭氧分解烯類可以被臭氧氧化裂解,這個(gè)過程稱為臭氧分解,根據(jù)不同的反應(yīng)條件得到醇類、醛類、 酮類 或者羧酸。 例如,
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(dāng)使用紫外線(波長為185 nm)照射氧氣時(shí),部分氧氣會(huì)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(yīng):
同時(shí)存在臭氧轉(zhuǎn)化為氧氣的以下副反應(yīng)。
該方法的優(yōu)點(diǎn)在于臭氧的生成無需考慮溫度條件,缺點(diǎn)在于存在副反應(yīng),即生成的臭氧分子同樣會(huì)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(jìn)行干燥處理,而后輸入放電室。放電室由兩個(gè)電極組成,在電極下方一般會(huì)連接電介質(zhì)以提升放電效果。通過對兩個(gè)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(diǎn),在工業(yè)上使用比較普遍。缺點(diǎn)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(fèi)用昂貴,此外,如果以空氣作為原料,不僅會(huì)降低臭氧的濃度,而且會(huì)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(yīng)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(yīng)。
陰極發(fā)生下列反應(yīng)。
用途 臭氧作為一種無污染強(qiáng)氧化劑,已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)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(huì)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 臭氧有較強(qiáng)的殺菌能力,在醫(yī)學(xué)上可作為消毒殺菌劑。臭氧對人體血液健康具有促進(jìn)作用,能用于腦和心臟等器官的缺血性疾病的治療,如 心腦血管疾病 缺血等。此外,臭氧還能用于骨骼、皮膚燒傷等。
食品行業(yè) 利用其強(qiáng)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(jī)毒物有很強(qiáng)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(dá)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(jìn)行消毒,并且可以帶畜禽消毒,實(shí)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(yīng),從而將其氧化破壞的特點(diǎn),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(jī)物的結(jié)構(gòu)。
安全事項(xiàng) 盡管地球上空的臭氧層起著保護(hù)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(yīng)不大于0.06ppm,在從事臭氧相關(guān)的活動(dòng)中,需要嚴(yán)格遵守安全規(guī)則。 安全標(biāo)識(shí)
危險(xiǎn)公示標(biāo)簽(GHS)
H270 (100%): 可能引起或加劇火災(zāi),氧化劑 [危險(xiǎn) 氧化氣體]
H319 (100%): 引起嚴(yán)重的眼睛刺激 [警告 嚴(yán)重眼睛損傷/眼睛刺激]
H330 (100%): 吸入致命 [危險(xiǎn) 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(gè)由太陽紫外線強(qiáng)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(hù)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(shí)是處于平衡狀態(tài)的,當(dāng)大氣受到了 污染,臭氧的平衡狀態(tài)就會(huì)受到破壞,導(dǎo)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(huì)減小,減小到一定程度,就會(huì)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(jī)物反應(yīng)生成的二次污染物。近地面臭氧濃度過高,長期暴露會(huì)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(dòng),進(jìn)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(xì)菌和病毒感染 的易感性和嚴(yán)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(zāi)危險(xiǎn) 當(dāng)受到?jīng)_擊、暴露于熱或火焰中,或與有機(jī)物,特別是還原劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí),有嚴(yán)重的爆炸危險(xiǎn)。臭氧是一種強(qiáng)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(huì)促進(jìn)其他物質(zhì)的燃燒。許多反應(yīng)可能引起火災(zāi)或爆炸。與可燃物質(zhì)接觸時(shí)有火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)。
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(dǎo)致頭 暈、嗜睡等
1.將受害者轉(zhuǎn)移到空氣新鮮處,施救者應(yīng)避免自我暴露在臭氧中
2.評估傷者生命體征,必要時(shí)進(jìn)行心肺復(fù)蘇
3.及時(shí)獲得醫(yī)療機(jī)構(gòu)的幫助
上述資料來源于:
貯存與運(yùn)輸 由臭氧分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和光譜吸收特性,在光照條件下,它會(huì)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(dá)15小時(shí),這也是臭氧的儲(chǔ)存或運(yùn)輸條件。使用冰水混合物儲(chǔ)存臭氧是目前常用的方法,這是因?yàn)槌粞踉诒旌衔镏懈臃€(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。