我们可用测绘臭氧总量分光计(Total Ozone Mapping Spectrometer)来测量比较在1970年代早期与更早之前,在南极地区的春季与初夏时节臭氧柱的减少量。由1985年的观测报告指出在南半球的春季南极地区上空的臭氧柱已经减少了70﹪而且持续恶化中。虽然到了1990年代在九月与十月份总臭氧柱仍较之前臭氧破洞值低了40~50﹪。但我们发现每年南极地区与北极地区的减少量有显着的差异性,且在冬季与春季时当平流层温度降低时其最大减少量可达30﹪。
?在极地平流云层(polar stratospheric clouds)(PSCs)内所发生的反应,是使臭氧层破洞更加恶化的重要因素。南极地区的平流层因酷寒的天候更使PSCs易形成,这也说明了为什么在南极上空的臭氧破洞最早发生且最为严重。早期预测臭氧破洞的模型并没有考虑到PSCs的影响因素,以致于在南极区实际测得的破洞数值令许多科学家为之震惊。
? ?在中纬度地区我们通常称臭氧减少(depletion)而不说破洞(holes)。与1980年代以前相比,在北纬35~60度的区域臭氧减少了约3﹪而在南纬35~60度的区域臭氧减少了约6﹪。而在对流层内没有发现明显的趋势。臭氧的减少也能解释目前观测到的平流层与对流层上层温度逐渐降低的现象,而原本平流层的温度增高因素是由于臭氧吸收紫外线所致,因此臭氧减少将使温度降低。
? 大气中的化学物质氟氯碳化物?
? 氟氯碳化物是1920年代由Thomas Midgley所发明,在1980年代以前它广泛作为空调系统的冷却剂、喷雾剂及精密电子设备的清洁用途上。在某些化学过程中的副产物也发现有氟氯碳化物的产生。这些化合物在自然界中本来几乎不存在,完全是经人为製造而产生。我们可由之前所介绍的臭氧循环的全貌(Ozone cycle overview)中发现,当这些物质到达平流层时它们会因受到紫外线的照射而释放出氯的自由基。它们扮演催化剂的角色,每个自由基可破坏数以万计的臭氧分子。因为氟氯碳化物的存在时间很长,所以这些长寿的物质会缓缓上升至平流层,至少可持续破坏臭氧层达一个世纪之久。
臭氧是一种英文为OZONE的物质,它的原意是“新鲜空气”或“使人兴奋的力量”。臭氧具有特殊的气味,低浓度下吸入可以使人感到神清气爽,但稍高浓度则会有草腥臭味。在地面附近的大气层中,臭氧的含量非常少,仅为0.001ppm,而海滨地区的臭氧浓度为0.01-0.08ppm。雷击会使空气中的氧转化为臭氧,这就是为什么雨后空气特别清新的原因。
臭氧也被俗称为三氧,它是氧的同素异形体,化学式为O3,分子量为48。臭氧是地球大气中的微量气体,稳定性极差,在常温常压下会自行分解为氧气,分解周期约为25分钟。臭氧呈天蓝色,具有腥臭味,液态为暗黑色,固态为蓝黑色。自从德国化学家舍恩拜因于1840年发现臭氧以来,它就被广泛应用于公共卫生和医疗卫生领域。近年来的研究和实践证明,臭氧在灭菌、消炎、抗病毒等方面具有显著的疗效和突出的性能。
活氧具有极强的氧化能力,对几乎所有的病菌、病毒、霉菌、真菌和原虫都具有明显的灭活效果。相比氯,活氧的灭菌时间迅速无比,是其300-600倍;相比紫外线,活氧的灭菌效果更强,是其3000倍。
研究表明,活氧可以增强白细胞的吞噬活性,提高免疫球蛋白水平,并诱导细胞因子的产生。它还可以作为内源性免疫原,激发活化细胞免疫的因子。
活氧能够提高红细胞的代谢,增加红细胞内ATP含量,增加血液携带氧量,并促进血红蛋白的分裂。它还可以降低氧和血红蛋白的结合力,从而提高氧从血液到细胞的扩散。
活氧作用于全血,可以诱导产生多种细胞因子,包括干扰素(IFN-α、β、γ)、白细胞介素(IL-1b、2、4、6、8、10)、肿瘤坏死因子(TNF-α)、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GMCSP)和生长因子(TGF-β1)。
活氧通过增加自由基的数量,诱导并激活机体抗氧化酶系统,如SOD等自由基清除剂,从而清除机体过多的自由基,调节机体的抗氧化能力。
臭氧作为一种新兴的治疗手段,在欧美已经越来越受到医生们的重视。在德国和西班牙,医生们采用臭氧自血回输疗法治疗急性期中风患者,取得了降低致残率的显著效果。在意大利,许多医院和医生们将臭氧用于急性椎间盘突出的治疗,并取得了意想不到的效果。在古巴和俄罗斯,医生们使用臭氧水和臭氧油治疗烧伤、烫伤和糖尿病足,都取得了巨大的成功。
经过十几年的发展,臭氧医学已经从单一治疗椎间盘突出症发展到治疗骨科、肝病科、心脑血管科、烫伤科、糖尿病内分泌科、肿瘤科等临床科室的应用。臭氧治疗的方式也从微创介入发展到自体血回输治疗、臭氧熏蒸、臭氧水冲洗、臭氧油涂抹等多种治疗方式的全面发展。
臭氧是三原子分子,与氧气互为同素异形体,但其较不安定。地表上的臭氧是空气的污染物质之一,它会危害动物的呼吸系统。大气层中较上层的臭氧具有降低紫外线直接照射地表所造成伤害的功能。大气层中臭氧的浓度很低。它有许多工业上及民生消费的用途。臭氧疗法是一种具争议性的替代性医疗方法。主流科学医学已发现它对人体有害,因此在美国此种医疗方式是被禁用的。
臭氧是在1840年由基督徒Friedrich Sch?nbein所发现的第一个化学同位素。在雷电交加的暴风雨中臭氧有其独特臭味。这个气味是因臭氧分子被闪电击中所形成的离子产生快速的化学变化所致而非臭氧本身的气味。
物理性质
臭氧是淡蓝色具刺激性臭味的有毒气体,空气中含量约0.01ppm即可被人觉察到。暴露在0.1至1ppm的浓度时会使人头痛、眼睛有灼热感,并刺激呼吸道。其在-112℃为暗蓝色液体,温度低于-193℃为紫黑色固体。
结构
依微波光谱的实验结果显示臭氧的形状为弯曲形,C2v 的对称性(与水分子相似), O – O间距离为127.2 pm ,键角 116.78°。中心原子混成轨域为 sp2具有一孤对电子。臭氧为极性分子其偶极矩为0.5337 D。就其结构而言,一边O – O键为单键形式另一边则为双键如此可产生共振结构,键级为1.5 。
化学
臭氧是强的氧化剂,在高浓度时不安定可转变成一般的氧分子(在大气中大约需半小时的时间):
2 O3 → 3 O2
在升高温度降低压力下,此反应速率很快。
臭氧能将金属氧化成其最高的氧化态(金、铂与铱金属等例外):
2 Cu2+(aq) + 2 H3O+(aq)+ O3(g) → 2 Cu 3+(aq)+ 3 H2O (l)+ O 2(g)
臭氧也可使氧化物中的氧化数增加:
NO + O3 → NO2 + O2
上述反应在进行时会伴随有化学发光的现象。
二氧化氮还能进一步氧化成三氧化氮:
NO2 + O3 → NO3 + O2
而产生的三氧化氮又可与二氧化氮进一步反应成五氧化二氮:
NO2 + NO3 → N2O5
在室温下,臭氧可与碳反应生成二氧化碳:
C + 2 O3 → CO2 + 2 O2
臭氧与铵盐不反应,但可与氨反应形成硝酸铵:
2 NH3 + 4 O3 → NH4NO3 + 4 O2 + H2O
与硫化物反应产生硫酸盐类:
PbS + 4 O3 → PbSO4 + 4 O2
元素硫或二氧化硫与臭氧反应可生成硫酸:
S + H2O + O3 → H2SO4
3 SO2 + 3 H2O + O3 → 3 H2SO4
与氯化亚锡及盐酸作用可产生氯化锡
3 SnCl2 + 6 HCl + O3 → 3 SnCl4 + 3 H2O
在气相状态下,臭氧与硫化氢作用产生二氧化硫:
H2S + O3 → SO2 + H2O
在水溶液中,两个互为竞争的反应同时发生,一个产生元素硫,另一反应则生成硫酸:
H2S + O3 → S + O2 + H2O
3 H2S + 4 O3 → 3 H2SO4
过氯酸碘可由碘溶于冰冷的无水过氯酸中再与臭氧反应而得:
I2 + 6 HClO4 + O3 → 2 I(ClO4)3 + 3 H2O
二氧化氮、二氧化氯及臭氧等三种气体反应可得硝基过氯酸盐固体:
2 NO2 + 2 ClO2 + 2 O3 → 2 NO2ClO4 + O2
以臭氧为燃烧气体可比在一般氧气中燃烧得到较高的温度,以下是二氮化四碳或命名为二氰乙炔(Carbon subnitride or dicyanoacetylene)的燃烧反应:
3 C4N2 + 4 O3 → 12 CO + 3 N2
臭氧在低温下也能进行反应,在77 K (-196 °C),氢原子与液态臭氧反应生成超氧化氢的自由基,彼此可互相偶合:
H + O3 → HO2 + O
2 HO2 → H2O4
臭氧化物是存在的,但这些化合物容易爆炸,因此必须低温储存。硷金属的臭氧化物是常见的,如:KO3, RbO3 及CsO3 ,其反应如下所示:
KO2 + O3 → KO3 + O2
臭氧化钾还有另一种形成方式,是以氢氧化钾与臭氧来进行反应:
2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O
NaO3 与 LiO3 的製备,是利用CsO3在液态的氨溶液下进行离子交换而得:
CsO3 + Na+ → Cs++ NaO3
臭氧与金属钙在氨中反应可产生铵的臭氧化物而非钙的臭氧化物:
3 Ca + 10 NH3 + 6 O3 → Ca?6NH3 + Ca(OH)2 + Ca(NO3)2 + 2 NH4O3 + 2 O2 + H2
臭氧可除去水中的锰离子,它们会产生沉澱可用过滤的方式去除:
2 Mn 2+ + 2 O3 + 4 H2O → 2 MnO(OH)2 (s) + 2 O2 + 4 H+
臭氧可将氰化物转成毒性只有千分之一的氰酸盐类:
CN- + O3 → CNO- + O2
最后臭氧也能分解尿素:
(NH2)2CO + O3 → N2 + CO2 + 2 H2O
请参阅臭氧(ozone-2)阅读