书城教材教辅新课改·高一化学备课素材
16780900000044

第44章 氧族元素环境保护(6)

臭氧的“神力”

人们知道,大气层里的臭氧可以阻挡紫外线,以避免太阳直射人体,造成伤害,但可惜它距人类太远了,无法有效地利用它为人类造福。当今科技飞速发展,人类已能大量生产臭氧,并研究发现了它的诸多“神力”。

科学家们发现,当臭氧(O3)产生时,它的分子结构中的第三个氧原子性质异常活泼,它会游离出来快速氧化其他物质或自动复原成氧气。根据臭氧的这一特性,人们利用它在水、和空气中与各种有机物发生化学反应,并在反应中产生杀菌、解毒、防臭、漂白等氧化作用,借以为人类生活服务。

臭氧有清除空气和水中细菌的“神力”。依据科学实验,水中臭氧浓度达到5×10-8%时,只需一两分钟处理,就可以杀死99%以上的细菌。还有空气和水中所含的有毒物质诸如一氧化碳、农药、重金属、肥料、有机物等,只要请“神力”非凡的臭氧加以处理后,都会分解成对人体无害的物质。目前,国外根据臭氧的这个特点,把臭氧产生机安装在太空舱、潜水舱内,以增加舱内氧气并净化舱内污浊的空气。此外,臭氧已成为世界公认的处理饮水的“卫生员”,仅欧洲就有上千家的水厂“恭请”臭氧对水质进行净化。

科研人员还发现,臭氧有抑制癌细胞增长的神奇功效,故它给癌症患者带来了福音;只要空气中含0.5%的臭氧,在8日之内就可抑制40%的癌细胞生长,而作为对照组的正常细胞仍旧可以正常生长,故得了癌症的人不必过分恐慌,臭氧这个忠实的“卫士”会竭力相帮。

臭氧在食品保鲜和衣物漂白上也身手不凡,“神力大显”。若将臭氧溶于水中,形成臭氧水,用臭氧水清洗瓜果蔬菜,可以清除掉上面残存的化学农药和腥味,还可延长保鲜期。更令人惊叹的是,用臭氧水刷牙,可以有效地预防各种牙病;用臭氧水洗澡,对皮肤病、消化道疾病、身体肿痛以及许多慢性病均有显著疗效。

臭氧杀菌的机理

臭氧杀菌机理以氧化作用破坏微生物膜的结构实现杀菌作用。臭氧首先作用于细胞膜,使膜构成成分受损伤而导致新陈代谢障碍,臭氧继续渗透穿透膜而破坏膜内脂蛋白和脂多糖,改变细胞的通透性,导致细胞溶解、死亡。而臭氧灭活病毒则认为氧化作用直接破坏其核糖核酸RNA或脱氧核糖核酸DNA物质而完成的。臭氧水杀灭情况有些不同,其氧化反应有两种,微生物菌体既与溶解水中的臭氧直接反应,又与臭氧分解生成之羟基OH的间接反应,由于羟基OH为极具氧化性的氧化剂,因此臭氧水的杀菌速度极快。

臭氧的产生和臭氧层的防护

地球上的人类和生物亿万年来能够正常地生长发育,世代繁衍,仰仗了一种特殊物质的保护。这种物质分布在地面上空15公里到50公里的大气平流层中,并形成一个环绕地球的天然屏障。尽管这种屏障只是薄薄的一层,但却能有效地“阻挡”住太阳光线中对人体和生物造成伤害的那部分紫外线的照射。如果这种物质消失了,我们赖以生存的地球就会成为一个不设防的城市,能杀伤生物的紫外线便无遮无拦地长驱直入,结果只能是地球上的生灵灭绝。

据科学分析,这种构成地球屏障的物质每减少10%,得皮肤癌的人就会增加5%;每减少5%,患白内障而失明的人就会增加50%。

上述这种重要的物质就是臭氧,由臭氧形成的地球屏障就是臭氧层。臭氧是怎样形成的呢?

空气中的氧气在吸收到一定能量的情况下就会转变成臭氧。放电、受热、在紫外线照射下以及有机物在氧化时都能使空气中的氧气转变成臭氧。

在地面附近,臭氧主要是在天空闪电以及某些有机物氧化时形成的。当人们走进茂密的森林中或漫步在广阔的海滩上时,会呼吸到既感觉新鲜又带鱼腥味的特殊臭味的气体,这就表明有臭氧生成了。臭氧的名称就因它具有特殊臭味而得名。针叶树的森林中树脂在氧化,海滩边海浪冲来留下的海草在腐烂被氧化,因而空气中的氧气部分形成臭氧。空气中含有少量臭氧,对于人的身体、特别是对呼吸道疾病具有有益的作用。但是浓的臭氧不但很臭,而且对人有害。人们长时间生活在臭氧的体积分数达百万分之一的空气中,就会引起疲劳和头痛。臭氧浓度再高些,会使人恶心、鼻子出血和眼睛发炎等。

在实验室里,把新切开的白磷块放在玻璃瓶的瓶底,上面用水覆盖,再塞上塞子,在室温下放置,不久白磷慢慢氧化,瓶内空气中的部分氧气就转变成臭氧了。

在实验室里还可以利用一种臭氧发生器,使空气中的氧气转变成臭氧。这种臭氧发生器由两个玻璃管组成,一个玻璃管套在另一个玻璃管中间,外管的外壁和内管的内壁都包着锡箔,各接一电极。使用时利用高电压进行无声放电,氧气在两玻璃管之间缓慢通过,从出气管出来的气体中臭气的体积分数大约可达5%。

工业上制取臭氧也是利用臭氧发生器,但它在结构上比实验室里用的仪器复杂,也更有效。在工业生产中,臭氧被用来作杀菌剂和漂白剂。在仓库、矿井、船舱中通人少量臭氧,可以消毒空气。用臭氧代替氯气进行饮水消毒,杀菌效力较大,速度较快。臭氧是油脂、蜡、纺织品等的漂白剂。

高层空气中的臭氧层是高层空气中的氧气受紫外线照射而形成的。

紫外线又称紫外光,是太阳光中波长较短的、肉眼看不见的光。它的波长在40纳米~390纳米之间。高层空气中的氧气吸收了波长小于185um紫外线后便形成臭氧。不过,当用波长250um左右的紫外线照射臭氧时,臭氧又转变成氧气。因此,在高层空气中存在氧气和臭氧互相转化的状态并形成臭氧层,同时消耗了太阳辐射到地球上的能量的5%,使地球上的生物免遭伤害。

可是,近年来科学家们探测到这个臭氧层遭到不同程度的破坏,有些地方变薄了,1985年在南极上空发现臭氧层出现了空洞,引起人们一片恐慌。

有人说,这是超音速飞机放出的废气造成的,这些废气可能同高层大气中的臭氧发生化学反应,使臭氧减少了。也有人认为,某些烟雾喷射器使用的燃料中所含的氯氟烃,在高空经化学反应所生成的氯原子与臭氧发生反应,从而造成臭氧层的空洞。

氯氟烃是氯和氟取代烃(碳氢化合物)中的氢形成的有机化合物。家庭冰箱和冷冻柜中使用的制冷剂——氟利昂就是一类氯氟烃。为了防止臭氧层被破坏,20世纪已研制出新的制冷剂代替氟利昂,于是它们被逐渐停止使用了。但是,随即又发现消灭地里和谷仓里昆虫的农药溴甲烷气体对臭氧层的破坏力比氯氟烃更大。国际生态环境保护委员会于1997年9月在加拿大召开会议,与会各国已同意到2005年工业化国家不再使用溴甲烷。

人工生成臭氧的主要方法

1.电晕放电法

目前,该法被广泛应用于臭氧发生器中。即在常压下,含氧气体经交变高压电场的作用产生电晕放电生成臭氧。电晕放电法臭氧发生器是相对能耗较低、单机臭氧产量最大、市场占有率最高、应用最广的臭氧发生装置。电晕法又分为平行板式、玻璃管式、滑轮式3种,其中以平行板式臭氧发生器的体积更小、结构简单、性能良好且可维护,因而,一般家用臭氧发生器均采用此种形式。

2.电化学法

即利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧。该法具有臭氧浓度高、成分纯净、水中溶解度高的优点,在医疗、食品贮存与加工、养殖业及家庭应用等方面具有广泛前景。如能降低成本与电耗,将会与电晕放电法臭氧发生器进行激烈竞争。

3.光化学法

即用人工产生的紫外线促使氧分子分解并聚合成臭氧的方法,其实质是仿效大气层上空紫外线促使氧分子分解并聚合成臭氧。该方法的优点是产生臭氧不易受温度、湿度的影响,具有很好的重复性,还可通过灯功率线性控制臭氧浓度、产量。

氟氯代烷如何破坏臭氧层

氟氯代烷(商品名为氟利昂)的化学性质很稳定,它进入大气后,在低层大气中基本不分解,最终上升到平流层,在紫外线的照射下生成一种对臭氧有破坏作用的氯原子,这种氯原子使臭氧分解为氧气。

氯原子破坏臭氧层的反应为:

O3光O2+O

Cl+O3ClO+O2

ClO+O=Cl+O2

总反应为:

O+O3=2O2

反应的结果是臭氧分子变成了氧气分子。Cl原子在其中起了催化剂的作用,每个Cl原子能参与大量的破坏臭氧分子的反应。

拿破仑死因之谜

法国著名的军事家拿破仑生前曾在战场上指挥千军万马,立下了赫赫战功,可谓风云一时,但是关于他的死因,在历史上却一直是个谜。

近一个世纪以来,世界各国舆论对拿破仑之死众说纷纭,各抒己见。当时法国官方的死亡报告书鉴定为死于胃溃疡,而有人却认为他死于政治谋杀,更有人论证他是在桃色事件中被情敌所谋害。

近年来,英国的科学家、历史学家运用了现代科技手段,采集了拿破仑的头发,并对其成分及含量进行了分析。同时,他们又实地调查了当时滑铁卢战役失败后放逐拿破仑的圣赫勒拿岛,并获得了当年囚禁拿破仑房间中的墙纸。经过研究,英国科学家发表了一个分析报告,宣布杀死拿破仑的“凶手”是砒霜。

砒霜的学名叫三氧化二砷,是一种可以经过空气、水、食物等途径进入人体的剧毒物。拿破仑死前并没有吃过砒霜,也没有人用砒霜谋害过他(因为食用砒霜立即会死亡,而拿破仑是在囚禁过程中生病死的),因此,当英国科学家在宣布这个结论时,人们都感到十分意外。

那么砒霜是如何使拿破仑中毒并死亡的呢?

原来,当年囚禁拿破仑的房间里,四周墙壁上贴着含有砒霜成分的墙纸。在阴暗潮湿的环境下,墙纸会产生一种含有高浓度砷化物的气体,以致使这间屋子里的空气受到污染,日积月累,年复一年,终于使拿破仑患慢性砷中毒而死亡。

英国法医研究所在化验拿破仑的头发时,发现在他的头发中,砷的含量已超过正常人的13倍。另据当年的监狱看守人记录有“拿破仑在生命的最后阶段,头发脱落,牙齿都露出了齿龈,脸色灰白,双脚浮肿,心脏剧烈跳动而死去”。这种症状完全类似于砷中毒的症状。因此,对拿破仑是死于砷中毒的结论就容易理解了。

二氧化硫——“食品化妆品”

由于食品的长期贮存、长途运输及密封包装的需要,食品防腐已成为食品工业发展中的重要问题。防腐剂的使用,不仅可以延长食品的贮存期和货架期,而且还可以防止食品产生有毒微生物,因而对食品工业的发展发挥了巨大作用。防腐剂按来源和性质可分为两类:有机化学防腐剂和无机化学防腐剂。其中,二氧化硫是无机化学防腐剂中很重要的一位成员。

二氧化硫被用作食品添加剂已有几个世纪的历史,最早的记载是在罗马时代用作酒器的消毒。后来,它被广泛地应用于食品中,如制造果干、果脯时的熏硫;制成二氧化硫缓释剂,用于葡萄等水果的保鲜贮藏等。

二氧化硫在食品中可显示多种技术效果,一般称它为漂白剂,因为二氧化硫可与有色物质作用对食品进行漂白。另一方面二氧化硫具有还原作用,可以抑制氧化酶的活性,从而抑制酶性褐变。总之,由于二氧化硫的应用可使果干、果脯等具有美好的外观,所以有人称它为化妆品性的添加剂。二氧化硫在发挥“化妆性”作用的同时,还具有许多非化妆作用,如防腐、抗氧化等,这对保持食品的营养价值和质量都是很必要的。