臭氧 -1

臭氧 (ozone-1)
永春高中蔡曉信老師編譯

臭氧是三原子分子，與氧氣互為同素異形體，但其較不安定。地表上的臭氧是空氣的污染物質之一，它會危害動物的呼吸系統。大氣層中較上層的臭氧具有降低紫外線直接照射地表所造成傷害的功能。大氣層中臭氧的濃度很低。它有許多工業上及民生消費的用途。臭氧療法是一種具爭議性的替代性醫療方法。主流科學醫學已發現它對人體有害，因此在美國此種醫療方式是被禁用的。

臭氧是在1840年由基督徒Friedrich Schönbein所發現的第一個化學同位素。在雷電交加的暴風雨中臭氧有其獨特臭味。這個氣味是因臭氧分子被閃電擊中所形成的離子產生快速的化學變化所致而非臭氧本身的氣味。

物理性質
臭氧是淡藍色具刺激性臭味的有毒氣體，空氣中含量約0.01ppm即可被人覺察到。暴露在0.1至1ppm的濃度時會使人頭痛、眼睛有灼熱感，並刺激呼吸道。其在－112℃為暗藍色液體，溫度低於－193℃為紫黑色固體。

結構
依微波光譜的實驗結果顯示臭氧的形狀為彎曲形，C_2v 的對稱性（與水分子相似）, O – O間距離為127.2 pm ，鍵角 116.78°。中心原子混成軌域為 sp²具有一孤對電子。臭氧為極性分子其偶極矩為0.5337 D。就其結構而言，一邊O – O鍵為單鍵形式另一邊則為雙鍵如此可產生共振結構，鍵級為1.5 。

化學
臭氧是強的氧化劑，在高濃度時不安定可轉變成一般的氧分子（在大氣中大約需半小時的時間）：
2 O₃ → 3 O₂
在升高溫度降低壓力下，此反應速率很快。

臭氧能將金屬氧化成其最高的氧化態（金、鉑與銥金屬等例外）：
2 Cu²⁺_(aq) + 2 H₃O⁺_(aq)+ O_3(g) → 2 Cu ³⁺_(aq)+ 3 H₂O _(l)+ O _2(g)

臭氧也可使氧化物中的氧化數增加：
NO + O₃ → NO₂ + O₂
上述反應在進行時會伴隨有化學發光的現象。

二氧化氮還能進一步氧化成三氧化氮：
NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂

而產生的三氧化氮又可與二氧化氮進一步反應成五氧化二氮：
NO₂ + NO₃ → N₂O₅

在室溫下，臭氧可與碳反應生成二氧化碳：
C + 2 O₃ → CO₂ + 2 O₂

臭氧與銨鹽不反應，但可與氨反應形成硝酸銨：
2 NH₃ + 4 O₃ → NH₄NO₃ + 4 O₂ + H₂O

與硫化物反應產生硫酸鹽類：
PbS + 4 O₃ → PbSO₄ + 4 O₂

元素硫或二氧化硫與臭氧反應可生成硫酸：
S + H₂O + O₃ → H₂SO₄
3 SO₂ + 3 H₂O + O₃ → 3 H₂SO₄
與氯化亞錫及鹽酸作用可產生氯化錫
3 SnCl₂ + 6 HCl + O₃ → 3 SnCl₄ + 3 H₂O

在氣相狀態下，臭氧與硫化氫作用產生二氧化硫：
H₂S + O₃ → SO₂ + H₂O

在水溶液中，兩個互為競爭的反應同時發生，一個產生元素硫，另一反應則生成硫酸：
H₂S + O₃ → S + O₂ + H₂O
3 H₂S + 4 O₃ → 3 H₂SO₄

過氯酸碘可由碘溶於冰冷的無水過氯酸中再與臭氧反應而得：
I₂ + 6 HClO₄ + O₃ → 2 I(ClO₄)₃ + 3 H₂O

二氧化氮、二氧化氯及臭氧等三種氣體反應可得硝基過氯酸鹽固體：
2 NO₂ + 2 ClO₂ + 2 O₃ → 2 NO₂ClO₄ + O₂

以臭氧為燃燒氣體可比在一般氧氣中燃燒得到較高的溫度，以下是二氮化四碳或命名為二氰乙炔（Carbon subnitride or dicyanoacetylene）的燃燒反應：
3 C₄N₂ + 4 O₃ → 12 CO + 3 N₂

臭氧在低溫下也能進行反應，在77 K (-196 °C)，氫原子與液態臭氧反應生成超氧化氫的自由基，彼此可互相偶合：
H + O₃ → HO₂ + O
2 HO₂ → H₂O₄

臭氧化物是存在的，但這些化合物容易爆炸，因此必須低溫儲存。鹼金屬的臭氧化物是常見的，如：KO₃, RbO₃ 及CsO₃ ，其反應如下所示：
KO₂ + O₃ → KO₃ + O₂

臭氧化鉀還有另一種形成方式，是以氫氧化鉀與臭氧來進行反應：
2 KOH + 5 O₃ → 2 KO₃ + 5 O₂ + H₂O

NaO₃ 與 LiO₃ 的製備，是利用CsO₃在液態的氨溶液下進行離子交換而得：
CsO₃ + Na⁺ → Cs⁺+ NaO₃

臭氧與金屬鈣在氨中反應可產生銨的臭氧化物而非鈣的臭氧化物：
3 Ca + 10 NH₃ + 6 O₃ → Ca•6NH₃ + Ca(OH)₂ + Ca(NO₃)₂ + 2 NH₄O₃ + 2 O₂ + H₂

臭氧可除去水中的錳離子，它們會產生沉澱可用過濾的方式去除：
2 Mn ²⁺ + 2 O₃ + 4 H₂O → 2 MnO(OH)_{2 (s)} + 2 O₂ + 4 H⁺

臭氧可將氰化物轉成毒性只有千分之一的氰酸鹽類：
CN^– + O₃ → CNO^– + O₂

最後臭氧也能分解尿素：
(NH₂)₂CO + O₃ → N₂ + CO₂ + 2 H₂O

請參閱臭氧（ozone-2）閱讀