臭氧

臭氧 (Ozone)
臺北縣立三重高級中學化學科潘鈺婷老師/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

一般人對臭氧的印象是有用的物質。例如可殺菌、可保護地球上的生物避免受到過多紫外線侵害。然而根據環保署統計，懸浮微粒不是台灣頭號污染物，最大的氣體污染源其實是臭氧(O₃)。全台空氣品質不良的日子，每四天之中有三天是受到臭氧污染，臭氧對國人身體的危害更甚於懸浮微粒。如此看來，臭氧真是令人又愛又恨且與我們生活息息相關，我們或許應該多了解它一些。

1785年，德國人發現在電機放電時產生一種異味。到了1840年，法國科學家克里斯蒂安‧弗雷德日確定臭氧的成分。臭氧液態呈藍色，固態呈紫色；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，臭氧比氧更活潑，會因光、熱、水份、金屬、金屬氧化物以及其他的觸媒反應加速分解為氧，並可使許多有機色素脫色，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，因此臭氧可用於淨化空氣、飲用水，殺菌，處理工業廢物和作為漂白劑。工業上，用乾燥的空氣或氧氣，採用5~25kv的交流電壓進行無聲放電製取。另外，在低溫下電解稀硫酸，或將液體氧氣加熱都可製得臭氧。

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，但產生在不同地方，對我們的影響也不同。

平流層中本來就有臭氧存在，它的生成是因為氧吸收陽光中的紫外線而發生下列光化學反應：

O₂ ＋ 紫外線 → O ＋ O （或O₂ ＋ 放電 → O ＋ O）
O₂ ＋ O ＋ M → O₃ ＋ M （M是其他分子）

平流層中的臭氧生成與分解處於巧妙的平衡狀態，使它的濃度變化不大，臭氧可吸收波長220-320奈米的紫外線(UVB)，使地球上的生物免於受到紫外線的侵害；而臭氧吸收紫外線的能量後將其轉為熱量，故平流層溫度隨高度逐漸上升。

生成的臭氧也會吸收紫外線（波長較前一個反應的紫外線長）而被分解：

O₃ ＋ 紫外線 → O₂ ＋ O
O₃ ＋ O → O₂ ＋ O₂

1970年代美國化學家克魯琛 (Paul Crutzen)、莫林納 (Mario Molina)及羅蘭 (F. Serwood Rowland)先後對臭氧層的濃度平衡機制有突破性的研究結果，其中克魯琛提出NO如何透過催化反應，進一步使臭氧損失的機制，莫林納及羅蘭則首先提出氟氯碳化合物(chlorofluorocarbons，CFCs)對於臭氧濃度平衡的破壞並呼籲人類重視此一危機，而共同獲得1995年諾貝爾化學獎。氟氯碳化合物是在1920年代合成的系列化合物，工業上大量用來當冷媒、發泡劑、清洗溶劑及自動噴霧罐推進氣體，氟氯碳化合物在地球表面是很安定的化合物，但上升至平流層後會吸收紫外線而分解產生氯原子，氯原子會與臭氧產生連鎖反應而破壞臭氧濃度平衡，反應如下：

O₃ ＋ Cl → O₂ ＋ ClO
O ＋ ClO → O₂ ＋ Cl

根據計算，平均一個氯自由基可以消耗十萬個臭氧分子，最後氯會形成氯化氫而被雨水帶下；由於氟氯碳化合物會破壞臭氧層，科學家們便積極尋找可能的替代品，其中一種是氫氟碳化合物 (hydrofluorocarbons，HFCs)，HFCs不含氯，不致於破壞臭氧層，且其含有較易斷裂的C–H鍵，在上升至臭氧層前會被化學反應破壞。

在對流層由於光化學作用會產生光化學煙霧，其主要成分就是臭氧，尤其是夏天，高溫及陽光正是臭氧產生的要件，臭氧已成為都會區最主要的汙染物。同樣都是臭氧，在平流層及對流層所扮演的角色不同，對我們造成的影響也不同，所以我們在面對事物時，也該就事論事以多元角度來看待。

參考資料：
1. 余岳川 著，《生活與化學2》，眾光文化事業有限公司，民國91年。
2. 科學月刊 著，《諾貝爾的榮耀－化學桂冠》，天下遠見出版股份有限公司，2005年4月22日。
3. 維基百科網–臭氧 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/臭氧