臭氧(英文:Ozone),是
氧气的一种
同素异形体,
化学式是O3,
摩尔质量为47.998g/
摩尔,相对密度为1.658,浓度较低时为无色气体,浓度较高时呈现淡蓝色,液态为深蓝色,固态为紫黑色。
臭氧具有极强的氧化性,具有良好的杀菌消毒效果,广泛应用于
水处理、医疗卫生等行业。高空的
臭氧层,能够吸收对人类有害的紫外线
波段,保护地球上的生命。然而,近地面臭氧对人类健康具有极大的危害性,从事臭氧生产使用的相关行业人员需要严格遵守安全法规。
发现历史
人类对于臭氧最早的认识来源于1785年,当时
荷兰科学家马丁努斯 ·马伦(Martinus van Marum)注意到一个现象,每当在进行放电实验时,就会出现一种特殊的气味,由于这种气味与自然界电闪雷鸣时产生的气味类似,他将其同样归因于放电反应,没有意识到他实际上已经创造了臭氧。
1840年,
德国化学家克里斯蒂安·弗里德里希·舍恩拜因(Christian Friedrich Schönbein)证实了这种刺激性气味来自一种气体,这种气体是由
氧气通电产生的。他将这种带有异味的气体正式命名为臭氧 。这个词来自
希腊语的OZEIN(ὄζειν),原意是 "臭味"。
1858年,科学家们在
地球的大气层中发现了臭氧成分,这是臭氧首次被证实在自然界中同样存在。
1857年,德国发明家
维尔纳·冯·西门子(Ernst Werner von
西门子股份公司)发明了一种“超级感应管”,这种管能够产生臭氧,极大地方便了人们对臭氧性质的研究。
1866年,
瑞士科学家雅克-路易·索雷(Jacques-Louis Soret)通过臭氧和氮氧化合物发生反应后生成物的体积变化,测定出臭氧和
氧气的密度比为1.5:1。
第一次世界大战期间,
德国医生将臭氧用于士兵战伤的治疗,这是臭氧用于临床的源头。
分布情况
臭氧是地球上早已经存在的自然物质,普遍存在于
地球大气层中,但不同的高度的含量差异较大。臭氧主要分布在距地球表面10~50公里的平流层里,占大气中臭氧总量的90%。其中,在大约20—25公里处,臭氧的含量达到极值,该高度范围也被称为
臭氧层。臭氧在大气中的含量非常少,在平流层中也仅占大气总量的0.3%,即使在臭氧层,浓度也仅为0.2ppm。随着环境的恶化,臭氧含量逐渐下降,臭氧层也面临着被破坏的风险。
臭氧也广泛存在于人类的生产实践中,主要作用是杀菌消毒,用于自来水消毒、食品加工保鲜等领域,此外,臭氧也应用于工业生产,医疗卫生等行业中。
O3分子结构
O3由三个氧原子构成,
分子结构为折线型,呈
等腰三角形结构(类似于水分子)。如右图上半图所示,三个氧原子分别位于三角形的顶点,键角为116.8°,中键长127.8pm,中间的氧原子采取sp2杂化的形式与两端原子结合,氧原子的最外层有六个
电子,其中,有两个单电子与两端的氧原子形成两个键,另外还有一对电子与两端各一个电子(一共四个电子)形成三中心四电子的离域大π键,如右图下半图所示。 臭氧是一种
极性分子,偶极矩为0.53D。臭氧分子中氧原子之间作用力主要来源于一个键,因此臭氧分子非常容易分解为一个氧分子和一个自由的氧原子。这使得臭氧分子的氧化性非常强,
化学性质非常活跃。
理化性质
物理性质
常温常压下,臭氧为浅蓝色气体,具有刺激性气味,其
摩尔质量为47.977g/
摩尔,密度为2.144mg/cm3(在0°C时),
沸点为−112℃,
熔点为-192.2℃。臭氧略溶于水,其
溶解度是氧的13 倍,空气的25倍。 臭氧的液态呈深蓝色,固体为紫黑色。臭氧具有弱
顺磁性。
化学性质
无机反应
臭氧是已知最强大的氧化剂之一,如上表所示,臭氧的氧化性仅次于氟,远远强于O2。它在高浓度下也是不稳定的,会衰变成普通的
氧气。它的半衰期随大气条件如温度、湿度和空气流动而变化。在实验室条件下,半衰期(HLT)在室温(24℃)、零湿度、每小时换气次数为零的静止空气中平均为1500分钟(25小时)。
有机反应
臭氧分解
烯烃可以被臭氧氧化裂解,这个过程称为臭氧分解,根据不同的反应条件得到醇类、
醛类、类或者
羧酸。例如,
制备方法
紫外线照射法
该方法模拟的是大气层上空臭氧产生的原理,当使用紫外线(波长为185 nm)照射
氧气时,部分氧气会分解为氧原子,这些氧原子与未分解的氧分子结合形成臭氧,该方法主要涉及如下反应:
同时存在臭氧转化为氧气的以下副反应。
该方法的优点在于臭氧的生成无需考虑温度条件,缺点在于存在副反应,即生成的臭氧分子同样会与氧原子结合转化回氧原子。因此制备的臭氧浓度、纯度都比较低,一般用于小范围空间内的杀菌消毒。
电晕放电法
该方法首先将空气或
氧气进行干燥处理,而后输入放电室。放电室由两个
电极组成,在电极下方一般会连接
绝缘介质以提升放电效果。通过对两个极板施加高幅交流电压,使得电极间的气体被击穿发生放电,从而产出臭氧气体。
该方法具有效率高、能耗低等优点,在工业上使用比较普遍。缺点在于输入放电室的气体(纯氧或者空气)必须经过干燥处理,这使得设备的费用昂贵,此外,如果以空气作为原料,不仅会降低臭氧的浓度,而且会生成氮氧化物,污染环境。
电解法
由阴阳两极和
电解质溶液构成电解装置。在
阳极析出臭氧,
阴极析出
氢气,该方法能够产生高浓度的臭氧气体,反应装置如右图所示。该装置以铅钙锡合金
电极作为阳极,以铂电极作为阴极。
阳极发生下列反应。
(副反应)
用途
臭氧作为一种无污染
强氧化剂,已被广泛应用到各个领域,包括
水处理(自来水、生活用水、城市生活污水、工厂
废水等),工业生产,医疗卫生,食品卫生等。
水处理
臭氧可用于
饮用水的消毒,利用其氧化性,氧化水中有害的化合物,并且不会有异味;臭氧可用于工业废水的处理,将有害成分如含酚化物等氧化为无害成分。
医疗卫生
臭氧有较强的杀菌能力,在医学上可作为消毒
杀菌剂。臭氧对人体血液健康具有促进作用,能用于脑和心脏等器官的缺血性疾病的治疗,如
心血管疾病缺血等。此外,臭氧还能用于骨骼、皮肤烧伤等。
食品行业
利用其强氧化性,臭氧能用于食品的保鲜、除臭、消毒等。
农业
臭氧对农药和有机毒物有很强的降解作用,能够杀灭害虫及病菌。从而使温室、大棚蔬菜在不用或少用农药的情况下达到防治病虫害的目的。臭氧可以分解氨气、
硫化氢等气体,对畜禽舍进行消毒,并且可以带畜禽消毒,实现“无虫无味无毒”。
化工行业
除了工业废水的处理外,在化工行业中,利用臭氧能与色素分子反应,从而将其氧化破坏的特点,可用作漂白剂,用于油脂、蜡、淀粉、纸浆及纺织品的制造。臭氧还能用于测定
有机化合物的结构。
安全事项
尽管
地球上空的
臭氧层起着保护人类健康的功能,但近地表面的高浓度臭氧却是一种有害污染源,
世界卫生组织规定空气中的臭氧浓度应不大于0.06ppm,在从事臭氧相关的活动中,需要严格遵守安全规则。
环境影响
臭氧层
大气中的臭氧主要存在于大气层的最上层。地球上的生物之所以能安然无恙地生存,就是由于高空处有一个由
太阳紫外线强辐射而形成的臭氧层。臭氧层存在于距离地面20—25公里处的大气层中,它能吸收 90%以上的对生物有害的太阳紫外线波段,而对生物无害的太阳紫外线却可全部通过。正是由于
臭氧层这道天保护地面生物免遭紫外线辐射的伤害。研究表明,大气层里臭氧减小10%,有害紫外线的辐射量就将增加19~22%。
正常情况下,大气中的臭氧的合成速度和分解速度平时是处于平衡状态的,当大气受到了污染,臭氧的平衡状态就会受到破坏,导致臭氧的分解速度大于合成速度,局部大气层的臭氧浓度就会减小,减小到一定程度,就会形成空洞现象,这就是“臭氧层空洞”。人类在生产生活中排放的卤代烃(
氟利昂为代表的)以及含氮化合物是破坏
臭氧层的重要原因。
近地面
近地面臭氧是在光照条件下,由氮氧化物和
挥发性有机物反应生成的二次污染物。近地面臭氧浓度过高,长期暴露会对人类健康造成影响,增加
慢性阻塞性肺病的患病率和死亡率等。高浓度臭氧环境还影响植物的生命活动,进而对生态系统造成破坏。
健康危害
臭氧通过吸入或通过液体接触皮肤、眼睛或粘膜而具有高度毒性。它能够引起急性至慢性肺损伤、烧伤、死亡或永久性损伤。臭氧在100ppm的浓度下,1分钟就能产生毒性。臭氧能够导致
肺水肿而死亡。它增加了肺部对
支气管收缩剂和过敏原的敏感性,增加了对肺部细菌和病毒感染的易感性和严重性。在急性吸入接触的情况下,臭氧对肺部有致
纤维化作用,并伴随着闭塞性
支气管炎。
火灾危险
当受到冲击、暴露于热或火焰中,或与
有机化合物,特别是
还原剂发生化学反应时,有严重的爆炸危险。臭氧是一种强大的
氧化剂。与
烯烃、
芳香族化合物、苯、橡胶、溴、双胺、
乙醚、
四氧化二氮、溴化氢、4-
羟基4-
甲基1,6-庚
二烯、
三氯化氮、
苯乙烯、
四氟肼不相容。不可燃,但会促进其他物质的燃烧。许多反应可能引起火灾或爆炸。与可燃物质接触时有火灾和爆炸的危险。
急救措施
贮存与运输
由臭氧分子的结构特点和光谱吸收特性,在光照条件下,它会迅速分解成
氧气。白天臭氧的寿命不超过3分钟,若环境为高温、潮湿条件,其分解则更快。但在黑暗、干燥和低温条件下,臭氧的寿命可长达15小时,这也是臭氧的储存或运输条件。使用冰水
混合物储存臭氧是目前常用的方法,这是因为臭氧在冰水混合物中更加稳定,成本低廉。由于臭氧的极不稳定,一般来说,臭氧的生产往往遵循现用现制的原则。
参考资料
Ozone.NIST Chemistry WebBook, SRD 69.2023-03-05