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摘要：利用文献调查法和实验研究法。运用高一化学中氧化还原反应、I2的性质等知识自制了臭氧测量工具并对北京二中及其附近地区的近地臭氧污染进行了测量。
关键词：近地臭氧污染；监测方法；氧化还原反应；I2的性质
文章编号：1005－6629(2007)05－0039－04中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1课题的背景[1,2]
臭氧(O3)是天然大气的重要微量组分，大部分集中在离地面10-30公里的平流层中，在最靠近地面的对流层中的氧仅占约10%左右。平流层中氧的存在对于地球生命物质至关重要，因为它阻挡了高能量的紫外辐射到达地面，已成为地球生命系统的保护层。但当氧过多地聚集在地面附近时，臭氧更像是一剂猛烈的毒药。臭氧的强氧化性对人体健康有危害作用，过多吸入会引起严重的肺部疾病。一般认为臭氧吸入体内后，能造成细胞损伤，引起上呼吸道的炎症病变。由于氧能引起上呼吸道炎症，损伤终末细支气管上皮纤毛，从而削弱了上呼吸道的防御功能，因此长期接触一定浓度的臭氧还易于引发上呼吸道感染。臭氧浓度在2ppm时，短时间接触即可出现呼吸道刺激症状、咳嗽、头疼。近地臭氧污染受到欧美发达国家的高度重视，但过去我国对近地臭氧污染的认识不够。本课题研究的内容为自制工具测量近地臭氧污染。
2课题的意义
2.1 重要性
目前我国计入空气污染指数的项目暂定为二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物。说明过去我国对近地臭氧污染的认识不够。[3]
志愿者研究表明接触0.09ppm臭氧2小时后，肺活量、用力肺活量和第一秒用力肺活量显著下降；浓度达0.15ppm时，80%以上的人感到眼和鼻粘膜刺激，100%出现头疼和胸部不适。臭氧浓度在2ppm时，短时间接触即可出现呼吸道刺激症状、咳嗽、头疼。[4]
北京市副市长吉林日前表示，为确保2008年奥运会期间空气质量达到要求，北京将制定出台《奥运空气质量保障方案》，可吸入颗粒物和近地臭氧污染成大气污染控制重点。[5]
2.2 知识实践性
高一学习了氧化还原反应的相关知识，可利用臭氧的强氧化性设计实验检测之。
培养学生的科学意识、科学方法、环保意识。
2.3 实用性和创新性
可以用测量的结果为依据提出倡议保护环境。
目前近地臭氧污染在中学作为研究性学习的课题几乎未见研究成果报道。
3研究过程
3.1 初步方案设想
流程图
数据表明O3的氧化还原电位很高，即氧化性很强。可以利用来测量O3浓度。
3.2.2 已有的近地臭氧测量方法[7]
碘量法是最常用的臭氧测定方法，我国和许多国家均把此法作为测定气体臭氧的标准方法，我国建设部发布的《臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量》标准CJ/T3028.2-94中即规定使用碘量法。其原理为强氧化剂臭氧(O3)与碘化钾(KI)水溶液反应生成游离碘(I2)，臭氧还原为氧气。
物理方法分析臭氧在国际上最流行的是紫外线吸收法。它是利用臭氧对254nm波长的紫外线特征吸收的特性，依据比尔—郎伯(Beer-Lambert)定律制造出的分析仪器，只要选择合适长度的吸收池，就可以检测0.002mg/m3—5%(vol)浓度的臭氧。其线形在4—5个数量级内都很好。该法已被我国作为环境空气中测定臭氧的标准方法(GB1/T1154348)。
靛蓝二磺酸钠(简称IDS)分光光度法原理是含臭氧的气体在有多孔玻板的吸收管中通过蓝色的IDS溶液，生成的溶液用分光光度计在610nm处测量，通过计算得出臭氧浓度。这种方法操作比较复杂，用于检测环境中臭氧浓度或作为基准用来标定物理方法仪器(低浓度)。IDS法也被定为国家标准用来测定环境中的臭氧浓度(GB/T15437)。
化学发光法是利用过量的乙烯(或一氧化氮)与臭氧发生化学发光，用光电倍增管接受发光光强来计算出臭氧的浓度。此法在上世纪七、八十年代很盛行，曾经被美国ERP列为环境检测标准方法之一。现已被紫外法所取代。
德国、日本和我国都生产臭氧检测管，浓度范围分为高(1000ppm)、中(10ppm)、低(3ppm)三类，用于检测空气臭氧浓度，适于现场应用，使用简便，但精度低(为±15%)。
3.3 实验过程
3.3.1 自制测量装置——臭氧试纸
原理：强氧化剂臭氧(O3)与碘化钾(KI)反应生成游离磺(I2)。
O3 2KI H2O→O2＋I2＋2KOHI2遇淀粉变蓝
依据：氧化还原反应的知识，I2的化学性质，定捷伦科技资助“清洁空气的挑战”教程提供的试纸比色卡。
制作方法：100ml蒸馏水煮沸，加5g淀粉加热搅拌至液体透明。停止加热，向混合物中加1g KI，搅拌一段时间。将滤纸放入混合液中，彻底浸润后，拿出微波炉加热40s烘干。用保鲜膜包好封存起来(注意隔绝空气)。
操作方法：使用时将试纸拿出，暴露在空气中1h(除特殊指明外，一般避光测试)，而后将试纸与比色卡做对比。
实验效果：基本符合要求。
优点：操作方便、携带方便、尤其适合室外随时测量。
缺点：定量效果不太理想。
3.3.2 测量结果与讨论
3.3.2.1 臭氧浓度的日变化
测量时间：2006年10月25、26、29日
测量地点：北京二中化学办公室内
测量手段：自制臭氧试纸
测量结果：
结果说明：表2、3的结果表明，10月29日办公室内和交通枢纽的臭氧浓度相差较大，初步认为是由于交通枢纽汽车尾气引起臭氧浓度增大。
3.3.2.2 臭氧浓度与光照的关系
测量时间：2006年10月26日11:00～12:00
测量地点：北京二中化学办公室内、外
测量手段：自制臭氧试纸
测量结果：
结果说明：10月份前期近地臭氧污染比后期严重。可能原因是天气转凉，气温降低使得光化学作用逐渐转弱。
3.3.4结论
臭氧试纸能够粗略地检测大气臭氧浓度。
近地臭氧浓度受温度、光照和汽车尾气的影响。温度升高，臭氧浓度加大。
光照也会加大臭氧浓度。交通枢纽汽车流量大，臭氧浓度较大。臭氧日最高浓度一般出现在下午1点。
3.3.5倡议
臭氧是经过光化学反应生成的新的污染物(又称二次污染物)，其危害比一次污染物更为严重。我们的测量结果表明汽车排放的氮氧化物、碳氢化合物严重影响近地臭氧污染的发生。而且温度和光照对近地臭氧污染有正影响。科研工作者发现，汽车尾气排放物产生的光化学反应造成了近地臭氧水平过高。高温和光照天气会加快这种光化学反应，增大了有害气体的浓度，致使呼吸道疾病人数明显增多。随着经济的发展我国机动车数据持续增加，使得臭氧污染成为一个不可忽视的污染源。我们倡议：
学习国外，在空气质量日报中增加对臭氧的监控。
控制机动车尾气排放，减少对空气的污染。推广使用清洁能源的汽车：电动汽车、氢能源汽车等。
在臭氧含量超标时，号召大家减少户外活动。对在臭氧超标时必须户外工作的高危人群如交警等，建议使用一些抗氧化物质。
4后续工作
前期工作已经建立了粗略测量臭氧的方法，并测量了10月份北京二中的近地臭氧污染。但是测量数据均为北京二中附近的臭氧污染不具备代表性。所以，我们小组下一步的工作计划为：
针对臭氧试纸定量效果差的缺点，设计基于传感器的测量方法，增强定量效果。
监测北京市各区近地臭氧污染的情况。
查文献了解影响臭氧含量的因素(机动车尾气，挥发性有机物等)。实地调查北京市这些影响因素的存在情况。
结合调查报告和研究报告，针对北京市的近地臭氧污染现状提出倡议。
5致谢
感谢安捷伦科技赞助“清洁空气的挑战”教程提供的臭氧比色卡。
感谢北京市对北京二中环境监测实验室的资助。
参考文献：
[1]http://www.bjepb.gov.cn/bjhb/tabid/68/InfoID/3461/Default.aspx高空臭氧层与近地臭氧污染[OL].下载时间：2006-09-25.
[2]http://www.chinaenvironment.com/urgl/2005-06/12/9487.html臭氧也会污染空气[OL].下载时间：2006-09-25.
[3]http://green.gscas.ac.cn/type/view.asp?id=311空气污染指数[OL].下载时间：2006-09-25.
[4]http://www.dchjjc.com/cn/news_show.asp?id=138室内环保知识手册[OL].下载时间：2006-09-25.
[5]http://www.envir.gov.cn/info/2006/8/84642.htm北京净化空气迎奥运重点控制可吸入颗粒物和臭氧污染[OL].下载时间：2006-09-25.
[6]http://www.emn.com.cn/Article/A489454ED6355CCE6.html臭氧介绍[OL].下载时间：2006-09-25.
[7]http://www.ozoneinfo.net/free/Article/Show Article/asp? ArticleID=786臭氧的检测方法[OL].下载时间：2006-09-25.
[8]曹丽娟.美国“清洁空气的挑战”培训案例介绍[J].化学教学.2006(11):36-37.
关键词：近地臭氧污染；监测方法；氧化还原反应；I2的性质
文章编号：1005－6629(2007)05－0039－04中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1课题的背景[1,2]
臭氧(O3)是天然大气的重要微量组分，大部分集中在离地面10-30公里的平流层中，在最靠近地面的对流层中的氧仅占约10%左右。平流层中氧的存在对于地球生命物质至关重要，因为它阻挡了高能量的紫外辐射到达地面，已成为地球生命系统的保护层。但当氧过多地聚集在地面附近时，臭氧更像是一剂猛烈的毒药。臭氧的强氧化性对人体健康有危害作用，过多吸入会引起严重的肺部疾病。一般认为臭氧吸入体内后，能造成细胞损伤，引起上呼吸道的炎症病变。由于氧能引起上呼吸道炎症，损伤终末细支气管上皮纤毛，从而削弱了上呼吸道的防御功能，因此长期接触一定浓度的臭氧还易于引发上呼吸道感染。臭氧浓度在2ppm时，短时间接触即可出现呼吸道刺激症状、咳嗽、头疼。近地臭氧污染受到欧美发达国家的高度重视，但过去我国对近地臭氧污染的认识不够。本课题研究的内容为自制工具测量近地臭氧污染。
2课题的意义
2.1 重要性
目前我国计入空气污染指数的项目暂定为二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物。说明过去我国对近地臭氧污染的认识不够。[3]
志愿者研究表明接触0.09ppm臭氧2小时后，肺活量、用力肺活量和第一秒用力肺活量显著下降；浓度达0.15ppm时，80%以上的人感到眼和鼻粘膜刺激，100%出现头疼和胸部不适。臭氧浓度在2ppm时，短时间接触即可出现呼吸道刺激症状、咳嗽、头疼。[4]
北京市副市长吉林日前表示，为确保2008年奥运会期间空气质量达到要求，北京将制定出台《奥运空气质量保障方案》，可吸入颗粒物和近地臭氧污染成大气污染控制重点。[5]
2.2 知识实践性
高一学习了氧化还原反应的相关知识，可利用臭氧的强氧化性设计实验检测之。
培养学生的科学意识、科学方法、环保意识。
2.3 实用性和创新性
可以用测量的结果为依据提出倡议保护环境。
目前近地臭氧污染在中学作为研究性学习的课题几乎未见研究成果报道。
3研究过程
3.1 初步方案设想
流程图
数据表明O3的氧化还原电位很高，即氧化性很强。可以利用来测量O3浓度。
3.2.2 已有的近地臭氧测量方法[7]
碘量法是最常用的臭氧测定方法，我国和许多国家均把此法作为测定气体臭氧的标准方法，我国建设部发布的《臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量》标准CJ/T3028.2-94中即规定使用碘量法。其原理为强氧化剂臭氧(O3)与碘化钾(KI)水溶液反应生成游离碘(I2)，臭氧还原为氧气。
物理方法分析臭氧在国际上最流行的是紫外线吸收法。它是利用臭氧对254nm波长的紫外线特征吸收的特性，依据比尔—郎伯(Beer-Lambert)定律制造出的分析仪器，只要选择合适长度的吸收池，就可以检测0.002mg/m3—5%(vol)浓度的臭氧。其线形在4—5个数量级内都很好。该法已被我国作为环境空气中测定臭氧的标准方法(GB1/T1154348)。
靛蓝二磺酸钠(简称IDS)分光光度法原理是含臭氧的气体在有多孔玻板的吸收管中通过蓝色的IDS溶液，生成的溶液用分光光度计在610nm处测量，通过计算得出臭氧浓度。这种方法操作比较复杂，用于检测环境中臭氧浓度或作为基准用来标定物理方法仪器(低浓度)。IDS法也被定为国家标准用来测定环境中的臭氧浓度(GB/T15437)。
化学发光法是利用过量的乙烯(或一氧化氮)与臭氧发生化学发光，用光电倍增管接受发光光强来计算出臭氧的浓度。此法在上世纪七、八十年代很盛行，曾经被美国ERP列为环境检测标准方法之一。现已被紫外法所取代。
德国、日本和我国都生产臭氧检测管，浓度范围分为高(1000ppm)、中(10ppm)、低(3ppm)三类，用于检测空气臭氧浓度，适于现场应用，使用简便，但精度低(为±15%)。
3.3 实验过程
3.3.1 自制测量装置——臭氧试纸
原理：强氧化剂臭氧(O3)与碘化钾(KI)反应生成游离磺(I2)。
O3 2KI H2O→O2＋I2＋2KOHI2遇淀粉变蓝
依据：氧化还原反应的知识，I2的化学性质，定捷伦科技资助“清洁空气的挑战”教程提供的试纸比色卡。
制作方法：100ml蒸馏水煮沸，加5g淀粉加热搅拌至液体透明。停止加热，向混合物中加1g KI，搅拌一段时间。将滤纸放入混合液中，彻底浸润后，拿出微波炉加热40s烘干。用保鲜膜包好封存起来(注意隔绝空气)。
操作方法：使用时将试纸拿出，暴露在空气中1h(除特殊指明外，一般避光测试)，而后将试纸与比色卡做对比。
实验效果：基本符合要求。
优点：操作方便、携带方便、尤其适合室外随时测量。
缺点：定量效果不太理想。
3.3.2 测量结果与讨论
3.3.2.1 臭氧浓度的日变化
测量时间：2006年10月25、26、29日
测量地点：北京二中化学办公室内
测量手段：自制臭氧试纸
测量结果：
结果说明：表2、3的结果表明，10月29日办公室内和交通枢纽的臭氧浓度相差较大，初步认为是由于交通枢纽汽车尾气引起臭氧浓度增大。
3.3.2.2 臭氧浓度与光照的关系
测量时间：2006年10月26日11:00～12:00
测量地点：北京二中化学办公室内、外
测量手段：自制臭氧试纸
测量结果：
结果说明：10月份前期近地臭氧污染比后期严重。可能原因是天气转凉，气温降低使得光化学作用逐渐转弱。
3.3.4结论
臭氧试纸能够粗略地检测大气臭氧浓度。
近地臭氧浓度受温度、光照和汽车尾气的影响。温度升高，臭氧浓度加大。
光照也会加大臭氧浓度。交通枢纽汽车流量大，臭氧浓度较大。臭氧日最高浓度一般出现在下午1点。
3.3.5倡议
臭氧是经过光化学反应生成的新的污染物(又称二次污染物)，其危害比一次污染物更为严重。我们的测量结果表明汽车排放的氮氧化物、碳氢化合物严重影响近地臭氧污染的发生。而且温度和光照对近地臭氧污染有正影响。科研工作者发现，汽车尾气排放物产生的光化学反应造成了近地臭氧水平过高。高温和光照天气会加快这种光化学反应，增大了有害气体的浓度，致使呼吸道疾病人数明显增多。随着经济的发展我国机动车数据持续增加，使得臭氧污染成为一个不可忽视的污染源。我们倡议：
学习国外，在空气质量日报中增加对臭氧的监控。
控制机动车尾气排放，减少对空气的污染。推广使用清洁能源的汽车：电动汽车、氢能源汽车等。
在臭氧含量超标时，号召大家减少户外活动。对在臭氧超标时必须户外工作的高危人群如交警等，建议使用一些抗氧化物质。
4后续工作
前期工作已经建立了粗略测量臭氧的方法，并测量了10月份北京二中的近地臭氧污染。但是测量数据均为北京二中附近的臭氧污染不具备代表性。所以，我们小组下一步的工作计划为：
针对臭氧试纸定量效果差的缺点，设计基于传感器的测量方法，增强定量效果。
监测北京市各区近地臭氧污染的情况。
查文献了解影响臭氧含量的因素(机动车尾气，挥发性有机物等)。实地调查北京市这些影响因素的存在情况。
结合调查报告和研究报告，针对北京市的近地臭氧污染现状提出倡议。
5致谢
感谢安捷伦科技赞助“清洁空气的挑战”教程提供的臭氧比色卡。
感谢北京市对北京二中环境监测实验室的资助。
参考文献：
[1]http://www.bjepb.gov.cn/bjhb/tabid/68/InfoID/3461/Default.aspx高空臭氧层与近地臭氧污染[OL].下载时间：2006-09-25.
[2]http://www.chinaenvironment.com/urgl/2005-06/12/9487.html臭氧也会污染空气[OL].下载时间：2006-09-25.
[3]http://green.gscas.ac.cn/type/view.asp?id=311空气污染指数[OL].下载时间：2006-09-25.
[4]http://www.dchjjc.com/cn/news_show.asp?id=138室内环保知识手册[OL].下载时间：2006-09-25.
[5]http://www.envir.gov.cn/info/2006/8/84642.htm北京净化空气迎奥运重点控制可吸入颗粒物和臭氧污染[OL].下载时间：2006-09-25.
[6]http://www.emn.com.cn/Article/A489454ED6355CCE6.html臭氧介绍[OL].下载时间：2006-09-25.
[7]http://www.ozoneinfo.net/free/Article/Show Article/asp? ArticleID=786臭氧的检测方法[OL].下载时间：2006-09-25.
[8]曹丽娟.美国“清洁空气的挑战”培训案例介绍[J].化学教学.2006(11):36-37.