科学网—你闻到过臭氧的臭味吗？
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2024-11-4 07:31
| 个人分类: 科学与生活 | 系统分类: 科普集锦
你闻到过臭氧的臭味吗？
对于很多人来说，熟悉臭氧这个词，与前些年宣传得很多的位于地球南北两极上空的臭氧层空洞问题有关。
俗话说，万物生长靠太阳。我们地球上所有生物能够生活下来，所需要的能量都来自于太阳的辐射。没有太阳给我们带来的光明（可见光）和温暖（主要是红外线），植物不可能生长，动物也没有吃的，地球上不会有任何高等生物。
太阳是一个正在发生热核反应的天体，它的核心温度约为1500万摄氏度，表面温度也达到了约5500摄氏度。所以，太阳的辐射不光有可见光和红外线，更有伽马射线、X射线和紫外线。如果这些高能量的辐射直接照射到地球表面，就可以把地球上有机物分子中间的碳-碳化学键打断，换句话说，在这些高能射线的照射之下，地球上不可能有这么多生命尤其是高级生物存在。
幸亏地球外层包裹着大气层。那些能量最高的太阳辐射如伽马射线、X射线和极高能量的紫外线，它们作用在氮气和氧气分子上，能够把这些分子一下子打碎成为原子，而且使原子电离。这些电离了的原子和亚原子粒子，在大气最高层形成了电离层。
一些紫外线则能够越过单个原子，进入地球的平流层。在地面上空15～25公里的平流层区域中（那里的大气密度仍然非常低），存在浓度为百万分之几的臭氧分子。臭氧是由三个氧原子组成的分子（O 3 ）。人们把这20公里厚的臭氧称为臭氧层。假定可以把这20公里厚的臭氧压缩到地面附近的空气密度，其厚度也只有大约0.3厘米。但就是这个臭氧层，吸收掉了几乎全部能量最高的短波紫外线和绝大部分中波紫外线，从而保护了地球上的生物。
我们都知道，地球表面有大气层，大气中近4/5是氮气，1/5多一点是氧气。氧气分子由两个氧原子组成。当大气中的氧分子受到与它的键能相匹配的紫外线照射时，就可能被解离为两个氧原子。而单个氧原子在与一个氧分子碰撞时，有可能生成一个臭氧分子了。这是高空中臭氧分子的来历。当然这里的过程比较复杂，涉及到分子的多个电子态，也会放出一定的热能。
如果一个臭氧分子受到一定频率的紫外线照射，它就会吸收紫外线，分解为一个氧分子和一个氧原子。
这是臭氧层吸收高、中能量紫外线的大致原理。
从20世纪中叶开始，人们发现臭氧层越来越稀薄了，甚至在1985年发现南极上空出现了臭氧层空洞。如果我们失去了臭氧层的保护，地球上全部生物都将面临灾难。
进一步的研究表明，氯氟烃类分子是使得臭氧层变薄的主要“罪魁祸首”之一。一些氯氟烃分子的结构与甲烷（CH4）相似，是甲烷中间的氢原子被氯原子或氟原子所取代的产物。过去冰箱、空调等制冷设备中所用的氟利昂就是一种重要的氯氟烃分子。那时候这些氯氟烃产品还被用作各种喷雾剂、起泡剂和消防用品而散布在空气中。
进入高空的这些氯氟烃分子在光照下，解离出氯原子，成为分解臭氧分子的催化剂。催化剂在化学反应中损失很小，一个氯原子能够催化分解掉成千上万的臭氧分子。大量氯氟烃分子散落在大气中，就引起臭氧层的迅速变薄。
为此，世界各国开会决定采取联合行动，在1985年订立了《保护臭氧层维也纳公约》，紧接着在1987年，制定了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，以后又对该《议定书》进行了多次调整和修正。《议定书》规定，必须对于多个氯氟烃产品的生产和使用进行管制，订立了对它们进行淘汰和取代的时间表。
许多对臭氧层危害很大的氟利昂产品已经被禁止生产和使用。经过世界各国多年的努力，据说，近年来臭氧层空洞的问题已经得到了相当程度上的缓解，高空的臭氧浓度正在修复之中。可以预料，如果坚持目前这样的对氯氟烃类物质的控制，臭氧层将会得到进一步的修复。这大概是世界各国共同努力，应付人类面对的各种问题的一个成功案例。
臭氧分子（O 3 ）呈V形，但是这个V字的“开口”角度比较大，夹角为116.8°。它可以由氧分子（O 2 ）与氧原子反应而得到，有一定的臭味，所以称为臭氧。
它的臭味是一种怎样的臭法？大家好像很陌生，其实很多人都闻到过，只是不注意罢了。如果我们到生意很好的复印店里，可以在长时间工作的复印机旁，闻到一点臭味，那就是很稀薄的臭氧所产生的气味。复印机在工作时需要放电，放电的过程中，会使得空气中的少量氧气解离生成氧原子，并与氧分子作用生成极少量的臭氧分子。
臭氧是一种不稳定的化合物，容易分解为氧气分子与氧原子。它能够与很多物质起化学反应，把它们氧化。它是一个极强的氧化剂。
我们周围的很多微生物，如细菌、病毒等，都是由有机化合物组成的。臭氧与它们反应，把它们氧化了，这些微生物也就失去了生物活性，换句话说，就是“死亡”了。这个过程往往称消毒。
又由于一些有机化合物的颜色是因其分子结构中含有双键，当这些有机化合物与臭氧反应的时候，这些性质活泼的双键首先会与氧原子起反应，致使原有的颜色消除，也就是说，臭氧起到了漂白的作用。臭氧的这种强氧化剂性质，带来了许多用途。
比如，我们在水处理的时候，水在经过沉淀、过滤等过程以后，往往还可以用臭氧来消毒和去色。许多用含氯的“漂白剂”所做的工作，一般都可以用臭氧代替。实际上，含氯漂白剂比如84消毒剂的杀菌和漂白原理也是氧原子的氧化作用。
毫无疑问，氧气本身就是一种氧化剂。人们在污水处理的时候，往往让污水接触大量的空气，在这个过程中，让污水中的有机化合物与空气中的氧气反应，从而起到分解这些有机化合物的作用。这是一种最省钱的办法，实际上自然界水体的自我去污作用也是由于这个原理。但是，这样的氧化作用比较慢，用通入臭氧的办法效率就非常高了。因为臭氧的氧化作用比氧气要强很多。
氧气和臭氧都是由氧原子组成的，为什么臭氧的氧化作用比氧气强许多呢？
所谓氧化是氧原子与其他分子的作用。氧气分子中，两个氧原子结合得很牢固，不容易把它们分开。要使得它们分开，需要很大的能量。而臭氧非常活泼，不需要多少能量就容易放出氧原子，所以它与其他物质的氧化反应也就容易发生。虽然具体的反应过程会很复杂，但是反应中总的能量变化就是依照这里所说的这个道理。
臭氧容易使得有机化合物氧化，人们把它用来杀菌消毒。但是，它接触到我们的身体时，同样可以杀死我们人体的细胞，对我们的身体产生伤害。
比如，我们在使用石油能源的内燃机发动机时，由于内燃机燃烧汽油（柴油）时产生高温，会产生很多氮氧化物，如二氧化氮、一氧化氮等，还会有未完全燃烧的一些烃类化合物，这些化合物都在内燃机车的尾气中。
在阳光的照射之下，二氧化氮会光解成一氧化氮和氧原子，氧原子与氧气分子相遇，就有可能产生臭氧。臭氧或氧原子也有可能与尾气中的烃类化合物反应，产生醛类、酮类分子，同时也会产生烟雾。这些分子刺激人们的呼吸系统、眼睛等，引起人们的不适或疾病。这就是所谓光化学污染。
所以，人们在检查大气污染时，空气中的臭氧浓度也是一个重要的污染指标。在城市中使用电动汽车，就能够减少在城市中的光化学污染，从而在一定程度上改善城市空气质量。
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