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ⓘ 臭氧




臭氧
                                     

ⓘ 臭氧

English version: Ozone

臭氧 (分子式为O 3 )是氧气(O 2 )的同素异形体,在常温下,它是一种有特殊臭味的無色气体。英文臭氧(Ozone)一词源自希腊语 ozon ,意为" 嗅”。

臭氧主要存在于距地球表面20公里的平流层下部的臭氧层中,含量約50ppm。它吸收对人体有害的短波紫外线,防止其到达地球。O 2 經紫外光照射而得。在大氣層中,氧分子因高能量的輻射而分解為氧原子(O),而氧原子與另一氧分子結合,即生成臭氧。臭氧又會與氧原子、氯或其他游離性物質反應而分解消失,由於這種反覆不斷的生成和消失,乃能使臭氧含量維持在一定的均衡狀態,而大氣中約有90%的臭氧存在於離地面15到50公里之間的區域,也就是平流層,在平流層的較低層,即離地面20到30公里處,為臭氧濃度最高之區域,是為臭氧層,臭氧層具有吸收太陽光中大部分的紫外線,以屏蔽地球表面生物,不受紫外線侵害之功能,可解自由基,令生物RNA和DNA斷裂。

                                     

1. 發現

1785年,德国人在使用电机时,发现在电机放电时产生一种异味。1840年德國科学家克里斯蒂安 弗雷德日将它确定为臭氧。

                                     

2. 物理性質

臭氧是一種淡藍色氣體,微溶於水,易溶於四氯化碳或碳氟化合物而顯藍色。在-112℃凝結成深藍色的液體因為氣態和液態的臭氧容易發生爆炸。溫度低於-193℃,臭氧會形成紫黑色固體。

大多數人都可以嗅到有點類似氯刺鼻的氣味。暴露在0.1-1 ppm的臭氧會產生頭痛,眼睛灼熱,刺激呼吸道。即使空氣中有低濃度的臭氧,也會破壞有機材料,如橡膠、塑料,及動物的肺部組織。

臭氧是抗磁性的,這意味著它的電子都是成對的。

                                     

3. 性狀

臭氧具有等腰三角形結構,含有一个3中心4电子离域π键,三個氧原子分別位於三角形的三個頂點,頂角為116.79度,密度约為氧氣的1.5倍,其沸點和凝固點均高於氧。臭氧液態呈藍色,固態呈紫色。它與氧氣不同,帶明顯令人噁心的氣味,但低浓度的臭氧闻起来就像下过雨后出门闻到的" 新鲜空气”的那种气味,十分怡人。臭氧反應活性強,極易分解,很不穩定,在常溫下會逐漸分解為氧氣,其性質比氧活潑,比重為一般空氣的1.7倍。臭氧會因光、熱、水份、金屬、金屬氧化物以及其他的觸媒而加速分解為氧。

它不溶於液態氧等。有很強的氧化性,在常溫下可將銀氧化成氧化銀,將硫化鉛氧化成硫酸鉛。臭氧可使許多有機色素褪色,對橡膠和纖維破壞性很大,很容易氧化有機不飽和化合物。臭氧在冰中極為穩定,其半衰期為2000年。

臭氧可利用碘化鉀來檢驗。

O 3 + 2 I − + H 2 O ⟶ I 2 + O 2 + 2 OH − {\displaystyle {\ce {O3 +2I^- +H2O-> I2 + O2 + 2OH-}}}

臭氧能迅速且定量地氧化 I - 成 I 2 ,此反应也可以用来测定 O 3 的含量。

臭氧能氧化 CN - 故常被用来处理电镀工业中的含氰废水:

O 3 + CN − ⟶ OCN − + O 2 {\displaystyle {\ce {O3 +CN^- -> OCN- +O2}}}

2 OCN − + 2 O 3 ⟶ 2 CO 2 + N 2 + 2 O 2 {\displaystyle {\ce {2OCN- + 2O3 -> 2CO2 +N2 +2O2}}}

由于它的强氧化性,亦可用于消毒杀菌剂。

                                     

4. 結構

臭氧分子的共振式

臭氧分子呈弯曲形对称结构。中心原子采取sp²杂化混成,两个杂化轨道与其他两个氧原子形成两根σ键,另一杂化轨道容纳孤对电子,除此之外,互相平行的2p z 轨道重叠形成三中心四电子的大π键。

臭氧分子可以结合一个电子形成臭氧根离子O 3 -,所形成的化合物为离子型臭氧化合物。臭氧分子也可以形成臭氧链-O-O-O-,构成共价型臭氧化物,如O 3 F 2 。

                                     

5. 用途與制備

工业上,用干燥的空气或氧气,采用5-25kv的交流电压进行无声放电制取,用空气做氧源时会衍生出大量氮氧化合气体。目前最先进的臭氧制备方法为高能量紫外线光解空气而对应生成纯净的臭氧。另外,在低温下电解稀硫酸,或将液体氧气加热都可制得臭氧。大自然很容易產生臭氧,在打雷閃電時會產生幾十萬伏的高壓電,電離空氣及有機物形成臭氧。臭氧能於短時間內將空氣中的浮游細菌消滅,並能中和、分解毒氣,去除惡臭。臭氧作为一种常温下的气态强氧化剂,能迅速弥漫到整个灭菌空间,灭菌不留死角,杀菌更彻底。因此臭氧可用于净化空气及饮用水、杀菌、处理工业废物和作为漂白剂。在一些游泳池以臭氧取代氯气做為消毒用途。

三聚體的三過氧化三丙酮分解也可以產生臭氧,但反應較為劇烈,不宜使用:

C 9 H 18 O 6 ⟶ O 3 + 3 C 3 H 6 O {\displaystyle {\ce {C9H18O6-> O3 +3C3H6O}}}

臭氧的灭菌原理:灭菌过程属生物化学氧化反应。臭氧能对细菌的细胞体直接氧化,即破坏其DNA而达到抑制的效果,对病毒的RNA亦有破坏作用;对各种毒素具有一定的氧化作用,降低其毒性。

  • 臭氧能氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶,使细菌灭活死亡。
  • 直接与细菌、病毒作用,破坏它们的细胞器和DNA、RNA,使细菌的新陈代谢受到破坏,导致细菌死亡。
  • 透过细胞膜组织,侵入细胞内,作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖,使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。
                                     

6. 臭氧對人體的影響

臭氧具有強烈的刺激性,吸入過量對人體健康有一定危害。它主要是刺激和損害深部呼吸道,並可損害中樞神經系統,對眼睛有輕度的刺激作用。

當大氣中臭氧濃度為0.1mg/m 3 時,可引起鼻和喉頭粘膜的刺激;臭氧濃度在0.1-0.2mg/m 3 時,引起哮喘發作,導致上呼吸道疾病惡化,同時刺激眼睛,使視覺敏感度和視力降低。臭氧濃度在2mg/m 3 以上可引起頭痛、胸痛、思維能力下降,嚴重時可導致肺氣腫和肺水腫。

此外,臭氧還會阻礙血液輸氧功能,造成組織缺氧;使甲狀腺功能受損、骨骼鈣化,還可引起潛在性的全身影響,如誘發淋巴細胞染色體畸變,損害某些酶的活性和產生溶血反應。臭氧超過一定濃度,除對人體有一定毒害外,對某些植物生長也有一定危害。臭氧還可以使橡膠製品變脆和產生裂紋。臭氧對人體也有致畸性,母亲孕期接触臭氧可导致新生儿睑裂狭小发生率增多。

                                     
  • 多布森單位 DU 是用於衡量大氣中 臭氧 柱狀密度的單位 大氣中 臭氧 主要是來自臭氧層 1個多布森單位是指在標準溫度與標準壓力下0.01毫米厚的臭氧層 多布森單位是紀念英國物理學家和氣象家戈登 多布森 Gordon M. B. Dobson 而命名 多布森建造了第一台量度 臭氧 柱狀的儀器 英文 國際純粹與應用化學聯合會 Dobson
  • 二氟甲烷是一種擁有零 臭氧 損耗潛勢的制冷剂 二氟甲烷與五氟乙烷可生成一種恒沸混合物 稱為R - 410A 用作新冷卻劑系統中氯氟碳化合物 亦稱為Freon 的代替物 雖然二氟甲烷 R32冷媒 它是零 臭氧 損耗潛勢 但它的全球变暖潛能 以每100年時間為基礎 其潛能是二氧化碳的550倍
  • 影响当地对流层 臭氧 的平衡 和 臭氧 一样 PAN的产生受揮發性有機化合物 VOC 和NOx化学的控制 对于不同的VOC 会产生不同的硝酸酯产物 这些不同的产物的相对分布 为研究对流层 臭氧 的产生机制 提供了线索 一氧化氮 二氧化氮 臭氧 揮發性有機化合物 Gaffney J.
  • 氙酸 化学式 H2XeO4 由三氧化氙溶于水得到 是很强的氧化剂 用在有机合成中 易爆炸性分解为氙 氧气和 臭氧 鲍林在1933年预测了氙酸的存在 氙酸盐 氙酸的潜在应用 已失效 Linus Pauling. The Formulas of Antimonic Acid and the Antimonates
  • 二溴氟甲烷是一种鹵代甲烷 其化学分子式是CHBr2F 它溶于酒精 丙酮 苯 或三氯甲烷 它的 臭氧 破壞潛勢 ODP 是1.0 并列为第一類臭氧層破壞物質
  • 生成吖丙啶环 N - 氨基邻苯二甲酰亚胺与二苯乙烯在四乙酸铅存在下反应可得到吖丙啶的衍生物 替代 臭氧 化反应 使1, 2 - 二醇氧化断裂为醛或酮 如酒石酸二丁酯反应得到乙醛酸丁酯 与烯烃反应生成γ - 内酯 氧化醇时 发生δ - 质子转移生成环醚 与 臭氧 连用 使特定的烯丙基醇氧化断裂生成酮 转化苯乙酮为苯乙酸衍生物 Source:
  • 焚化爐 即一種火爐 是以高溫燃燒作用火化分解焚化垃圾等物體 成為炭 碳 水蒸氣 二氧化碳 二氧化氮 二氧化硫 臭氧 一氧化碳 二噁英及其他無法燃燒分解的固體等 以減少垃圾所佔空間 避免滋生細菌及發出異味 火葬就是用焚化爐高溫分解人類或其他動物屍體 焚化爐運作時產生的熱能可供發電 供暖 有些焚化爐會附設游泳池 冬天時以熱能加溫池水
  • 部分极地平流层云在阳光的照射之下会呈现珍珠般的光泽 故而这种云也称作 珠母云 或 贝母云 由于极地平流层云表面可以吸附并分解氯贮存物质 它在南极 臭氧 洞的形成中扮演了重要的角色 由于平流层内的大气异常干燥 在平流层内很难形成云 但在气温低于 78 C 108

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