臭氧的基本知识及其理化性质

一、前言

    人类发现臭氧已经有一百年的历史。在距离地球表面15~25km的高空，因受太阳紫外线照射的缘故，形成了包围地球外围空间的臭氧层，这厚厚的臭氧层正是人类赖以生存的保护伞，它挡住了来自于太阳的离子流对生物的侵害。这就是大多数人对臭氧的全部知识。

    1785年，德国物理学家冯?马鲁姆（Van Marum）在使用大功率电机进行试验时，发现在电机放电时产生一种异味。克鲁伊克仙克（Cruikshank）1801年观察到水电解过程中的阳极产生同样气味的气体。1840年德国科学家舒贝因（Schonbein）向慕尼黑科学院提交了一份备忘录中宣告了臭氧的发现，他在电解和火花放电试验过程中曾闻到有一种独特的气味，他还指出，在闪电过后亦可闻到同样的气味。他将此异味确定为O3，而命名为OZONE（臭氧），取自希腊字“Ozein”一词，意为“难闻”。自此以后，欧洲的科学家率先开始研究臭氧的特性和功用，发现它的广谱灭菌效果后，开始工业生产应用，其中瑞典一家牛肉公司用于臭氧对牛肉存储的保鲜，自1870年开始，一直沿用至今。臭氧被广泛应用于水的消毒、空气的消毒、物体表面的消毒、消毒水及环境的除臭除异味等领域、特别是在消毒方面臭氧不仅能快速地杀灭细菌和病毒，还能迅速氧化花粉和异体抗原、抗体（热源）使之丧失活性，这是其它消毒方法做不到的。随着臭氧技术应用的发展，臭氧技术的研究及应用在国际上已形成独立的产业，目前我国的电解式臭氧发生器技术已具世界领先水平，并在美国取得发明专利，为我们高效、廉价地应用臭氧及相关技术提供了更具广阔的发展前景。

二、臭氧的生成及特性

    臭氧，又名三原子氧，因其类似鱼腥味的臭味而得名。其分子式为O3，分子结构如图1所示。它可在地球同温层内光化学合成，但是在地平面上仅以极低浓度存在。

臭氧是氧气的同素异形体，具有它自身的独特性质：
（1）在自然条件下，它是淡蓝色的气体；
（2）它有一种类似雷电后的腥臭味；
（3）在标准压力和常温下，它在水中的溶解度是氧气的13倍；
（4）臭氧比空气重，是空气的1.658倍；
（5）臭氧有很强的氧化力，是已知最强的氧化剂之一；
（6）正常情况下，臭氧极不稳定，容易分解成氧气；
（7）臭氧分子是逆磁性的，易结合一个电子成为负离子分子；
（8）臭氧在空气中的半衰期一般为20-50min，随温度与湿度的增高而加快；
（9）臭氧在水中半衰期约为35min，随水质与水温的不同而异；
（10）臭氧在冰中极为稳定，其半衰期为2000年。
由表2-1不难看出，与臭氧相比，臭氧相对密度大、有味、有色、易溶于水、易分解。由于臭氧（O3）是由氧分子携带一个氧原子组成，决定了它只是一种暂存形态，携带的氧原子除氧化用掉外，剩余的有组合为氧气（O2）进入稳定状态。所以臭氧使用过程中没有二次污染产生，给人类的环保需求雪中送炭，这是臭氧技术应用的最大优越性。

物理性质

    在常温常压下，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。臭氧可溶于水，在常温常压下臭氧在水中的溶解度比氧高约13倍，比空气高25倍。溶解度主要取决于温度和气相分压，也受气相总压影响。在常压下，20℃时的臭氧在水中的浓度和在气相中的平衡浓度之比为0.285。
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℃，0.1Mpa）。沸点是-111℃，熔点是-192℃。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。液体密度和蒸气压列于表1，臭氧在不同温度下的水中溶解度列于表2。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，因为遵守亨利定律，其溶液度与体系中的分压和总压成比例。臭氧在空气中的含量较低，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． 臭氧的氧化能力
    臭氧很不稳定，在常温下即可分解为氧气。臭氧，氯和过氧化氢的氧化势（还原电位）分别是2.07、1.36、1.28V，可见臭氧在常用的水处理中是氧化力量最强的一种，其氧化还原电位仅次于F2，在其应用中主要应用这一特征。可从表3中看出。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羟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。同时臭氧氧化反应之后的生成物是氧气，所以抽样是高效的无二次污染的氧化剂。

2．臭氧的分解
    臭氧的化学性质极为活泼，其标准氧化电位为-2.07V，仅次于氟和原子态氧；常温下可使Ag、Hg、Fe、Mn等氧化；在常温下容易自行分解成为氧气并释放出热量。
2O3==2O2+△H  △H==284KJ/mol
MnO2、PbO2、Pt、C等催化剂的存在或经紫外线辐射都会促使臭氧分解。臭氧在空气中的分解速度与臭氧浓度和温度有关。当浓度在1.0%以下时，其分解速度如图2所示。由图可见，温度越高，分解越快，浓度越高，分解也越快。

     臭氧在水溶液中的分解速度比在气相中的分解速度快得多，而且强烈地受羟离子的催化，通过氧化氢形成氧：

    臭氧在水中分解的半衰期与温度及pH值有关。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。同时pH值越高，分解也越快。常温下的半衰期约为15~30min。臭氧在水中分解半衰期列于表4。臭氧和氧混合气体中臭氧无催化氧化热分解见表5。

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