臭氧

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（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 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。

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。

臭氧的分子式

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。

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。

• 臭氧与碳反应形成二氧化碳，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。

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，

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。

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。

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。

电解法制备臭氧装置简图

（副反应）

阴极发生下列反应。

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。

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。

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。

利用其强氧化性，臭氧能用于食品的保鲜、除臭、消毒等。

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”。

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。

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。

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。

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。

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。

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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