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臭氧基本性质简介
2018-10-11

简介

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臭氧是地球大气中一种微量气体,它是由于大气中氧分子受太阳辐射分解成氧原子后,氧原子又与周围的氧分子结合而形成的,含有3个氧原子。大气中90%以上的臭氧存在于大气层的上部或平流层,离地面有1050千米,这才是需要人类保护的大气臭氧层。还有少部分的臭氧分子徘徊在近地面,仍能对阻挡紫外线有一定作用。但是,一些专家发现地面附近大气中的臭氧浓度有快速增高的趋势,就令人感到不妙了。虽然臭氧在平流层起到了保护人类与环境的重要作用,但若其在对流层浓度增加,则会对人体健康产生有害影响。臭氧对眼睛和呼吸道有刺激作用,对肺功能也有影响,较高浓度的臭氧对植物也是有害的。

从臭氧的性质来看,它既可助人又会害人,它既是上天赐与人类的一把保护伞,有时又像是一剂猛烈的毒药。对于臭氧的正面作用以及人类应该采取哪些措施保护臭氧层,人们已达成共识并做了许多工作。但是,对于臭氧层的负面作用,人们虽然已有认识,但除了进行大气监测和空气污染预报外,还没有真正切实可行的方法加以解决。

理化性质

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臭氧是氧气同素异形体,在常温下,它是一种有特殊臭味的

电子结构式

淡蓝色气体。英文臭氧(Ozone)一词源自希腊语ozon,意为

臭氧主要存在于距地球表面20千米的同温层下部的臭氧层中,含量约50ppm。它吸收对人体有害的短波紫外线,防止其到达地球,以屏蔽地球表面生物,不受紫外线侵害。

在大气层中,氧分子因高能量的辐射而分解为氧原子(O),而氧原子与另一氧分子结合,即生成臭氧。臭氧又会与氧原子或其他游离性物质反应而分解消失,由于这种反复不断的生成和消失,臭氧含量可维持在一定的均衡状态。

物理性质

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臭氧的气体明显地呈蓝色,液态呈暗蓝色,固态呈蓝黑色。它的分子结构呈三角形 。在常温、常态、常压下,较低浓度的臭氧是无色气体,当浓度达到 15%时,呈现出淡蓝色。臭氧不溶于液态氧四氯化碳等,可溶于水,且在水中的溶解度较氧大,0,标准大气压时,一体积水可溶解0.494体积臭氧。在常温常态常压下臭氧在水中的溶解度比氧约高13倍,比空气高25倍。但臭氧水溶液的稳定性受水中所含杂质的影响较大,特别是有金属离子存在时,臭氧可迅速分解为氧,在纯水中分解较慢。臭氧的密度是2.14g/L(0°C0.1MP),沸点是-111°C,熔点是-192°C。臭氧分子结构是不稳定的,它在水中比在空气中更容易自行分解。臭氧虽然在水中的溶解度比氧大10倍,但是在实用上它的溶解度甚小,因为它遵守亨利定律,其溶解度与体系中的分压和总压成比例。臭氧在空气中的含量极低,故分压也极低,那就会迫使水中臭氧从水和空气的界面上逸出,使水中臭氧浓度总是处于不断降低状态。

化学性质

1. 臭氧很不稳定,在常温下慢慢分解 200时迅速分解 ,它比氧的氧化性更强,能将金属银氧化为过氧化银,将硫化铅氧化为硫酸铅,它还能氧化有机化合物,使许多有机色素脱色,如靛蓝。能侵蚀橡胶,很容易氧化有机不饱和化合物。臭氧、氯和过氧化氢的氧化势(还原电位)分别是2.071.361.28伏特,可见臭氧在处理水中是氧化力量最强的一种。臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子的破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上,生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子,后者是不稳定的,可分解成酸和醛。其反应式为:

2O3→3O2+ 285kJ 1-2

由于分解时放出大量热量,故当其含量在 25 %以上时,很容易爆炸。但一般臭氧在空气中,臭氧的含量很难超过 10 %以上,在臭氧用于饮用水处理的较长过程中,还没有一例氧爆炸的事例。

含量为 1 %以下的臭氧,在常温常态常压的空气中分解半衰期为20~30分钟左右。随着温度的升高,分解速度加快,温度超过 100 时,分解非常剧烈,达到 270高温时,可立即转化为氧气。臭氧在水中的分解速度比空气中快。在含有杂质的水溶液中臭氧迅速恢复到形成它的氧气。如水中臭氧浓度为 6.25×10-5mol/L(3mg/l) 时,其半衰期为 5 30min ,但在纯水中分解速度较慢,如在蒸馏水或自来水中的半衰期大约是 20min 20 ),然而在二次蒸馏水中,经过 85min后臭氧分解只有 10 %,若水温接近 0 时,臭氧会变得更加稳定。臭氧在冰中极为稳定,其半衰期2000年。

2. 臭氧的氧化能力

臭氧的氧化能力强,其氧化还原电位仅次于,在其应用中主要用这一特性。

臭氧支持燃烧,可燃物放入臭氧中可发生自燃现象且燃烧较氧气中更加剧烈。

3. 臭氧的还原反应

a 、与无机物的还原反应

臭氧与亚铁、Mn2+ 、硫化物、硫氰化物、氰化物、等均发生反应

如:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b 、臭氧与有机物的反应

臭氧在水溶液中与有机物的反应极其复杂,

 臭氧与烯烃类化合物的反应 臭氧容易与具有双键的烯烃化合物发生反应,反应的最终产物可能是单体的、聚合的、或交错的臭氧化物的混合体。臭氧化物分解成醛和酸。

 臭氧和芳香族化合物的反应 臭氧和芳香族化合物的反应较慢,在系列苯<<<嵌二萘<蒽中,其反应速度常数逐渐增大。

 对核蛋白(氨基酸)系、有机氨也都发生反应

臭氧在下列混合物的氧化顺序为

链烯烃>>>多环芳香烃>>>烷烃

毒性和腐蚀性

臭氧属于有害气体,浓度为 6.25×10-6mol/L(0.3mg/L) 时,对眼、鼻、喉有刺激的感觉;浓度 (6.25-62.5)×10-5mol/L(3 30mg/L) 时,出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症 ; 臭氧浓度为 3.125×10-4 1.25×10-3mol/L(15 60mg/L)时 , 则对人体有危害。其毒性还和接触时间有关,例如长期接触 1.748×10-7mol/L (4ppm) 以下的臭氧会引起永久性心脏障碍,但接触 20ppm 以下的臭氧不超过 2h ,对人体无永久性危害。因此,臭氧浓度的允许值定为 4.46×10-9mol/L (0.1ppm)8h. 由于臭氧的臭味很浓,浓度为 4.46×10-9mol/L (0.1ppm) 时,人们就感觉到,因此,世界上使用臭氧已有一百多年的历史,也没有发现一例因臭氧中毒而导致死亡的报道。

臭氧具有很强的氧化性,除了金和铂外,臭氧化空气几乎对所有的金属都有腐蚀作用。铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化,但含铬铁合金基本上不受臭氧腐蚀。基于这一点,生产上常使用含 25% Cr的铬铁合金(不锈钢)来制造臭氧发生设备和加注设备中与臭氧直接接触的部件。

臭氧对非金属材料也有了强烈的腐蚀作用,即使在别处使用得相当稳定得聚氯乙烯塑料滤板等,在臭氧加注设备中使用不久便见疏松、开裂和穿孔。在臭氧发生设备和计量设备中,不能用普通橡胶作密封材料,必须采用耐腐蚀能力强的硅橡胶或耐酸橡胶等。

近地面高浓度的臭氧会刺激和损害眼睛、呼吸系统等黏膜组织,对人体健康产生负面作用。专家表示,从长期观测来看,尽管臭氧超标集中在日照充足的4月至9月,但结合国外治理经验,随着全国对PM2.5治理力度加大,空气能见度提高,臭氧超标发生的概率会不断增加,而且臭氧污染治理会比PM2.5治理的难度更大。

北京大学公共卫生学院教授潘小川说,臭氧的毒性主要体现于它的强氧化性上,可以破坏细胞壁,引发的危害都是急性的。对人体的危害主要是影响呼吸系统,容易对肺部产生急性危害,比如肺气肿。还有近年来不断增加的哮喘病,有些可能与臭氧污染有关。 [1] 

 


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