臭氧的性质

臭氧的性质

一、臭氧的物理性质

臭氧是一种具有刺激性特殊气味的不稳定气体，分子结构如图所示。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。

共振杂化分子的四种典型形

一种简化的分子轨道图

1.1 一般物理性质

在常温下，臭氧为蓝色气体，不过在常温下，蓝色并不明显，除非是相当厚的气体。臭氧的主要物理性质列于表 1-1, 液体密度和蒸汽压列于表 1-2 。

1-1 纯臭氧的物理性质

气体密度（0℃）/(g/L) 2.144

熔点（760mmHg）/℃-192.5±

0.4

蒸发热（-112℃）/(J/L) 316.8

沸点（760mmHg）/℃-111.9±

0.3

临界温度/℃-12.1 临界密度/(g/ml) 0.437

临界压力/atm 54.6 固态臭氧密度（77.4K）

/(g/cm 3 )

1.728

临界体积（cm 3 /mol）111 液态热容（90～105K）

/(cal/k) 0.425+0.0014×

（T-9）

液态臭氧的粘滞度

77.6K(Pa·s)

90.2K(Pa·s) 0.00417

0.00156

汽化热

-111.9℃

-183℃

14277

15282

表面张力（cyn/cm）①

77.2K

90.2K 43.8

38.4

生成热

气体（298.15k）

液体（90.15k）

理想气体（0k）

142.98

125.60

145.45

等张比容（90.2K）75.7 生成自由能（气体，

298.15k）

162.82 介电常数（液态90.2k） 4.79 偶极距/Debye(德拜) 0.55

磁化率（cm-g-s单位）气

体/液体0.002×10

-6 0.150

①1dyn=10 -3 N/m;1atm=101.325Pa;1cal=4.18J 。

表 1-2 臭氧的液体密度和蒸气压

温度/℃

液体密度

/(g/cm 3 ) 液体蒸气压

/mmHg

温度/℃液体密度/ （g/cm3 )

液体蒸气压

/mmHg

-183 1.574 0.11 -140 1.442 74.2

-180 1.566 0.21 -130 1.410 190

-170 1.535 1.41 -120 1.318 427

-160 1.504 6.75 -110 1.347 865

-150 1.473 24.3 -100 1.316 1605

1.2 臭氧的溶解度

臭氧略溶于水，标准压力和温度下（ STP ），其溶解度比氧大 13 倍（见表 1-3 ），比空气大 25 倍。

表 1-3 臭氧在水中的溶解度（气体分压为 10 5 Pa ） /(ml/L) 气体密度（g/L)

温度/℃

0 10 20 30

O 2 1.492 49.3 38.4 31.4 26.7

O 3 2.143 641 520 368 233

空气 1.2928 28.8 23.6 18.7 16.1

将臭氧通入蒸馏水中，可以测出不同温度、不同压力下臭氧在水中的溶解度。图2-2 是在压力为 1atm 时，纯臭氧在水中的溶解度和温度的关系曲线。从图2-2 知，当温度为 0℃时，纯臭氧在水中的溶解度可达 2.858×10 -2

mol/L(1372mg/L).

臭氧和其他气体一样，在水中的溶解度符合亨利定律，即在一定温度下，任何气体溶解于已知液体中的质量，将与该气体作用在液体上的分压成正比，而亨利常数的大小只是温度的函数，与浓度无关。

C=K H

P (1-1)

式中 C －臭氧在水中的溶解度， mg/L ；

P －臭氧化空气中臭氧的分压， kPa ；

K H －亨利常数， mg/ （ L·kPa ）。

从式（ 1-1 ）知，由于实际生产中采用的多是臭氧化空气，其臭氧的分压很小，故臭氧的溶解度远远小于表 1-3 中的数据。例如，用空气为原料的臭氧发生器生产的臭氧化空气，臭氧只占 0.6 ％～ 1.2 ％（体积）。根据气态方程及道尔顿分压定律知，臭氧的分压也只有臭氧化空气压力的 0.6 ％～ 1.2 ％。因此，当水温为 25℃时，将这种臭氧化空气加入水中，臭氧的溶解度只有（ 0.625 ～1.458 ）×10 -4 mol/L(3 ～ 7mg/L) 。

表 1-4 低浓度臭氧在水中的溶解度 /(mg/L)

温度/℃

气体质量百分比含量/%

0 5 10 15 20 25 30

1 8.31 7.39 6.5 5.6 4.29 3.53 2.7

1.5 1

2.47 11.09 9.75 8.4 6.43 5.09 4.04

2 16.64 17.79 1

3 11.19 8.57 7.05 5.39

3 24.92 22.18 19.5 16.79 12.86 10.58 8.09

在一般水处理中，臭氧浓度较低，所以在水中的溶解度并不大。在较低浓度下，臭氧在水中的溶解度基本满足亨利定律。低浓度臭氧在水中的溶解度见表 1-4 。

二、臭氧的化学性质

1. 臭氧的化学性质极不稳定，在空气和水中都会慢慢分解成氧气，其反应式为：

2O3 →3O2 ＋ 285kJ （ 1-2 ）

由于分解时放出大量热量，故当其含量在 25 ％以上时，很容易爆炸。但一般臭氧化空气中臭氧的含量很难超过 10 ％，在臭氧用于饮用水处理的较长历史过程中，还没有一例氧爆炸的事例。

含量为 1 ％以下的臭氧，在常温常压的空气中分解半衰期为 16h 左右。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。臭氧在水中的分解速度比空气中快的多。在含有杂质的水溶液中臭氧迅速回复到形成它的氧气。如水中臭氧浓度为 6.25×10

-5 mol/L(3mg/l) 时，其半衰期为 5 ～ 30min ，但在纯水中分解速度较慢，如在蒸馏水或自来水中的半衰期大约是 20min （ 20℃），然而在二次蒸馏水中，经过 85min 后臭氧分解只有 10 ％，若水温接近 0℃时，臭氧会变得更加稳定。

臭氧在水中的分解速度随水温和 PH 值的提高而加快，图 1-3 为 PH=7 时，水温和分解速度的关系，图 1-4 为 20℃， PH 和分解速度的关系。