臭氧（英文：Ozone），是氧氣的一種同素異形體，化學(xué)式是O3，摩爾質(zhì)量為47.998g/摩爾，相對(duì)密度為1.658，濃度較低時(shí)為無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)于臭氧最早的認(rèn)識(shí)來(lái)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(méi)有意識(shí)到他實(shí)際上已經(jīng)創(chuàng)造了臭氧。
1840年，德國(guó)化學(xué)家克里斯蒂安·弗里德里希·舍恩拜因（Christian Friedrich Sch?nbein）證實(shí)了這種刺激性氣味來(lái)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(lái)自希臘語(yǔ)的OZEIN（?ζειν），原意是 "臭味"。
1858年，科學(xué)家們?cè)?a href="/hebeideji/7196471799734190132.html">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(guó)發(fā)明家維爾納·馮·西門子（Ernst Werner von Siemens）發(fā)明了一種“超級(jí)感應(yīng)管”，這種管能夠產(chǎn)生臭氧，極大地方便了人們對(duì)臭氧性質(zhì)的研究。
1866年，瑞士科學(xué)家雅克-路易·索雷（Jacques-Louis Soret）通過(guò)臭氧和氮氧化合物發(fā)生反應(yīng)后生成物的體積變化，測(cè)定出臭氧和氧氣的密度比為1.5:1。
第一次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)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(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(lái)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。
O3分子結(jié)構(gòu)
O3由三個(gè)氧原子構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)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(zhǎng)127.8pm，中間的氧原子采取sp2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(duì)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(lái)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)非常活躍。
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/摩爾，密度為2.144mg/cm3（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。
化學(xué)性質(zhì)
無(wú)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O2。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)）。
有機(jī)反應(yīng)
臭氧分解烯烴可以被臭氧氧化裂解，這個(gè)過(guò)程稱為臭氧分解，根據(jù)不同的反應(yīng)條件得到醇類、醛類、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(zhǎng)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(wú)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(guò)對(duì)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(guò)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(yáng)兩極和電解質(zhì)溶液構(gòu)成電解裝置。在陽(yáng)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。該裝置以鉛鈣錫合金電極作為陽(yáng)極，以鉑電極作為陰極。
陽(yáng)極發(fā)生下列反應(yīng)。
（副反應(yīng)）
陰極發(fā)生下列反應(yīng)。
用途
臭氧作為一種無(wú)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(lái)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)畜禽舍進(jìn)行消毒，并且可以帶畜禽消毒，實(shí)現(xiàn)“無(wú)蟲無(wú)味無(wú)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)，可用作過(guò)氧化鈉，用于油脂、蠟、淀粉、紙漿及紡織品的制造。臭氧還能用于測(cè)定有機(jī)化合物的結(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。
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(wú)恙地生存，就是由于高空處有一個(gè)由太陽(yáng)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(duì)生物有害的太陽(yáng)紫外線波段，而對(duì)生物無(wú)害的太陽(yáng)紫外線卻可全部通過(guò)。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)生活中排放的鹵代烴（氟氯化碳為代表的）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(guò)高，長(zhǎng)期暴露會(huì)對(duì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。
健康危害
臭氧通過(guò)吸入或通過(guò)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?a href="/hebeideji/7297224063024758784.html">肺水腫而死亡。它增加了肺部對(duì)支氣管收縮劑和過(guò)敏原的敏感性，增加了對(duì)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(duì)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)化合物，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。與烯烴、芳香族化合物、苯、橡膠、溴、雙胺、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
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(guò)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，臭氧的生產(chǎn)往往遵循現(xiàn)用現(xiàn)制的原則。
參考資料 >
Ozone | O3.PubChem.2023-03-05
Melting-Point.pubchem.2023-03-18
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