臭氧

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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/mol,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。 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(MartinusvanMarum)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...

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/mol,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。

发现历史

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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"。

臭氧

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 Siemens)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

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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

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O3由三个氧原子构成,分子形状为折线型,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sp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。

臭氧

臭氧的分子式

理化性质

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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/mol,密度为2.144mg/cm(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。

名称及状态标准电极电位 (mv)
氟(气态)2.87
臭氧(气态)2.07
过氧化氢1.78
高锰酸钾1.67
二氧化氯1.50
氯(气态)1.36
氧(气态)1.23
资料来源于:

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)。

臭氧

臭氧结构很不稳定,非常容易分解为一个氧分子和一个自由的氧原子

  • 臭氧分解为氧气的反应可在任何温度下进行,并随着温度的升高而更加剧烈,微弱的火花足以让臭氧爆燃。
  • 臭氧会将大多数金属(除了金、铂和铱)氧化成最高氧化态的金属氧化物,在常温下即可进行,例如:
  • 臭氧还将一氧化氮氧化成二氧化氮,这个反应伴随着化学发光。
  • 臭氧不与铵盐反应,但在碱性溶液中它将氨氧化成硝酸铵。
  • 臭氧与反应形成二氧化碳,在室温下即可进行。
  • 在光照条件下,臭氧能将一氧化碳氧化为二氧化碳。
  • 臭氧的氧化性强于溴、碘、硫等等氧化物,在室温下即可进行(288K,15℃),例如:
  • 臭氧还能与氯气、氢气等气体单质发生反应。
  • 臭氧在常温能将氯化铅和氯化铅氧化。

有机反应

臭氧分解烯类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、酮类或者羧酸。例如,

臭氧

臭氧

制备方法

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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电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。该装置以铅钙锡铈合金电极作为阳极,以铂电极作为阴极。

阳极发生下列反应。

臭氧

电解法制备臭氧装置简图

(副反应)

阴极发生下列反应。

用途

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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,如心脑血管疾病缺血等。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物的结构。

安全事项

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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。

安全标识臭氧

氧化 剧毒 刺激

危险公示标签(GHS)H270 (100%): 可能引起或加剧火灾,氧化剂 [危险 氧化气体]

H319 (100%): 引起严重的眼睛刺激 [警告 严重眼睛损伤/眼睛刺激]

H330 (100%): 吸入致命 [危险 剧毒,吸入]

上述资料来源于:

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烷烃(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。与烯类、芳香族化合物、苯、橡胶、溴、双氰胺、二乙醚、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

类型症状措施
眼睛或皮肤与臭氧接触刺激和灼伤皮肤、眼睛和粘膜1.将受害者转移到空气新鲜处;

2.尽快脱去被污染的衣服

3.如果眼睛暴露,必须用温水冲洗眼睛至少15分钟

4.用肥皂和水彻底清洗暴露的皮肤部位

误吸入臭氧呼吸出现异常、对肺部造成损坏、攻击神经系统导致头 晕、嗜睡等1.将受害者转移到空气新鲜处,施救者应避免自我暴露在臭氧中

2.评估伤者生命体征,必要时进行心肺复苏

3.及时获得医疗机构的帮助

上述资料来源于:

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。

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词条目录
  1. 发现历史
  2. 分布情况
  3. O3分子结构
  4. 理化性质
  5. 物理性质
  6. 化学性质
  7. 无机反应
  8. 有机反应
  9. 制备方法
  10. 紫外线照射法
  11. 电晕放电法
  12. 电解法
  13. 用途
  14. 水处理
  15. 医疗卫生
  16. 食品行业
  17. 农业
  18. 化工行业
  19. 安全事项
  20. 环境影响
  21. 臭氧层
  22. 近地面
  23. 健康危害
  24. 火灾危险
  25. 急救措施
  26. 贮存与运输

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