オゾン

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オゾン (ozone) は、3つの酸素原子からなる酸素の同素体である。分子式は O₃ で、折れ線型の構造を持つ。腐食性が高く、生臭く特徴的な刺激臭を持つ有毒物質である。大気中にもごく低い濃度で存在している。

性質

常温常圧では薄青色の気体である。−111.9 ℃ (161.25 K) で紺色の液体となり（沸点）、−197.2 ℃ (75.95 K) で濃紫色の固体となる（凝固点）。中心の酸素原子と両端の酸素原子の結合は2本とも等価であり、オゾン分子は O=O⁺−O⁻ と O⁻−O⁺=O の2つの極限構造から成る共鳴混成体であると考えられる。

オゾンはフッ素に次ぐ強い酸化力を持つため、高濃度では猛毒である。吸い込むと内臓が酸化され糜爛（びらん）状になる。

発見

オゾンは、ドイツ・スイスの化学者であるクリスチアン・シェーンバインによって1840年に発見された。彼は雷雨の中でオゾンが現れることに注目し、そしてその奇妙なにおいからギリシア語で臭いを意味する Ozo, Ozein から Ozon と名付けた。

発生

一般に空気に紫外線を照射したり、酸素中で無声放電を行うなど、高いエネルギーを持つ電子と酸素分子の衝突によって発生する。オゾンの発生は主に以下の化学式で表せる。

$\rm \, 3O_2 \longrightarrow 2O_3$

またオゾンは不安定な分子であるため、放置しておくと以下の化学式で酸素に変化する。

$\rm \, 2O_3 \longrightarrow 3O_2$

この反応は温度や圧力が上昇するほど速くなる。

いくつかの電気機器は人間が臭いを感じる程度のオゾンを発生させる。特にブラウン管テレビやコピー機など高電圧を用いる装置で起こる。ブラシによって整流する電気モーターは機器内で繰り返される火花によってオゾンを発生させる。エレベーターやポンプなどに使われる大型モータは小さいモータよりもオゾン発生量が多い。なお、これは整流子電動機特有の現象で、整流子のない誘導電動機・同期電動機ではオゾンは発生しない。

オゾンの生産

工業的にオゾンを用いる場合、一般に水銀灯による短い波長の紫外線照射や高電圧による低温放電によって生産される。低温放電装置は二枚の電極板によって構成され、電極表面に高い誘電率をもつホウケイ酸ガラス（パイレックスガラス）や雲母のような絶縁体で覆う。交流高電圧を電極にかけると無声放電が起こり、平板間に流した酸素分子が解離し、他の酸素分子と再結合することによってオゾンが発生する。また、陰極に黒鉛電極、陽極に白金電極を用い、希硫酸を電気分解することによって陽極からオゾンが酸素との混合気体として生成される。同様に、固体高分子電解質膜を白金を用いた陰極と、二酸化鉛を用いた陽極で挟み、水を電気分解することでも陽極からオゾンが酸素との混合気体として生成される。

オゾンによる酸化反応

オゾンが水に対して酸化剤として働くときの半反応式は次のように表される。

$\rm \, O_3 + H_2O + 2 \mathrm{e}^- \longrightarrow O_2 + 2 \mathrm{OH}^-$

酸性溶液中では溶液内の水素イオンが直接反応し、生成した水酸化物イオンが溶液内の水素イオンと反応して水ができる。半反応式は次のようになる。

$\rm \, O_3 + 2 \mathrm{H}^+ + 2 \mathrm{e}^- \longrightarrow O_2 + H_2O$

オゾン酸化

詳細は「オゾン酸化」を参照

オゾンを用いた有機合成反応の例としてオゾン酸化が挙げられる。アルケンをオゾンで酸化すると -C-O-O-C-O- という並びの5員環構造を持つオゾニドが生じ、還元的な後処理をすることによりケトンまたはアルデヒドが得られる。一方、酸化的な後処理をするとケトンまたはカルボン酸が得られる。

オゾン酸化

有機高分子をオゾンにさらすと劣化が起こり、ときに亀裂が生じる。この現象をオゾンクラッキングと呼ぶ。

オゾン層

詳細は「オゾン層」を参照

大気の中で成層圏に存在するものはオゾン層と呼ばれ、生命にとって有害な紫外線が地上に降り注ぐ量を和らげている。しかし、地上付近に存在するオゾンは、光化学スモッグの際に生成し大気汚染物質でもある。成層圏中のオゾン量はドブソン単位で表される。工業で用いられる場合、ppmや容量パーセント濃度または重量パーセント濃度で表される。

利用法

オゾンはフッ素に次ぐ強力な酸化作用があり、殺菌・ウイルスの不活化・脱臭・脱色・有機物の除去などに用いられる。

アメリカ合衆国では、食品添加物として認可されている。

海外では水道水の殺菌に塩素の代わりにオゾンが用いられる事も多い。オゾンは有機塩素化合物を生成しないため、処理後の水にも残留せず、塩素と比較して味や匂いの変化が少ない。従って、いくつかのシステムでは配管での細菌増殖を防ぐために少量のオゾンを添加することがある。日本では近年、東京都水道局や大阪市水道局で水道水の殺菌の一環として用いられており、追随する自治体も増えてきている。

気体としてのオゾンは、その毒性により高度な濃度管理が求められるため、オゾンガスをミキシング又はバブリングと呼ばれる手法で水に溶け込ませたり、電気分解により水に含まれる酸素を利用して作る「オゾン水」として活用される例が増えている。オゾンの不安定な性質により数十分で水に戻るので残留性のない殺菌水として使えるほか、塩素系殺菌剤やエタノール系殺菌剤を使えないところにも使用できる。

ヨーロッパでは医療への有効活用が多数試され、その効果が発表されている。近年は日本でも医療、介護、食品、酪農を主とする農業などの分野で殺菌、消臭、廃棄物処理目的で使われることが多くなった。

医療

日本では、1923年に小川正彦により医療用オゾンガス発生器が発明され、ヨーロッパではドイツで1957年に発明されている。

ヒトでは、難治性の疾患では、感染症、皮膚病、免疫不全、がんの補助療法、老人病、慢性リウマチ、アレルギー疾患などに有効性が示されている。獣医学分野では、犬や猫に対し腫瘍やがんに対するオゾン療法に十分な効果がありクオリティ・オブ・ライフの改善が見られるとされる。

歯科医療においては、虫歯の治療においてオゾンガスを患部に当てるヒールオゾンという治療法がある。

薬事法に基づく医療用具として、オゾン水手洗い機が認可されている。

食品

日本では食品添加物として認められており、主流の殺菌料である次亜塩素酸ナトリウムと比較して食品に対しての殺菌剤としては、そのままオゾンガスを溶かすのではなく水道水を電解し陽極にできたオゾン水によってオゾンの濃度を高めることができるために殺菌力が高くでき、使用後の洗浄が不必要で安全性が高く食品の味を損ねにくくクロロホルムを生成しないという点が特徴的である。アメリカでは、1997年6月に食品の殺菌剤として安全性に問題がないGRAS（一般安全認定）に分類され、FDAが2001年6月に食品添加物として安全であると発表している。

農業

噴霧することで農薬のかわりに多くの病害菌を殺菌できるため、農作物に残留しない病害防除として利用することができ、収穫時にも収穫した農産物の殺菌に利用できる。キュウリのうどんこ病などの病害対策ができるため、減農薬の期待がもてる。 大麦、人参の発芽率の向上、カイワレ大根、ハツカダイコン、トマトの生育促進効果も確認されている。

畜産

畜産分野では、従来は畜舎にオゾンガスを噴霧することで硫黄系の臭気を分解することができたが強い殺菌力はなかったが、しかし、平均5000ナノメートルである気泡を5ナノメートルにすることで殺菌力が得られサルモネラ菌や鳥インフルエンザウイルスなどにも殺菌効果を示し、残留農薬等に関するポジティブリスト制度にも有効的になった。

洗浄

工業分野では、半導体の洗浄はRCA洗浄が主流でアンモニアや塩酸フッ化物が用いられるが、その代替としてオゾンガスを溶媒させたオゾン水は排水処理の面で環境負荷が低く、半導体の基板表面の有機物や金属の除去・洗浄に用いられている。

また、水を使わずにオゾンを利用した空流によって除菌や洗濯を行う洗濯機の例がある。また、その後継機種ではオゾン水そのものを洗濯のすすぎに利用するものもある。

毒性

オゾンには急性・慢性双方の中毒性がある。

急性中毒では目や呼吸器への刺激から始まり、高濃度になるに連れて咳やめまいを引き起こし、さらに高濃度になると呼吸困難や麻痺、それによる昏睡状態になり、放置しておけば死亡する。 慢性中毒では倦怠感や神経過敏など神経の異常や、呼吸器の異常を引き起こす。

オゾンを発生させる可能性のある場ではたとえ低濃度であろうと活性炭入りのマスクをつけることが望まれるが、目の粘膜も保護できる全面マスクの使用がより好ましい。より高濃度（10ppm以上）の場合はガスマスクの使用が必須になる。

その他

オゾンは活性の高い酸素を含む化学種であり、広義の活性酸素の一つとされる。身体に害があるとして話題になった「活性酸素」は、狭義ではスーパーオキシドアニオンラジカルやヒドロキシルラジカルを指し、オゾンは含まれないが、水中での分解過程では、オゾンの一部が狭義の活性酸素の一つであるヒドロキシラジカルを経て分解することも知られている。

自動車等のタイヤを保管する際は電気設備の近くを避けるようにという説明がタイヤメーカーからなされているが、その理由は性質の節で述べられているとおり、モーターなどから発生するオゾンがタイヤの主成分である合成ゴムを侵すからである（オゾンクラッキング）。

関連項目

• 1,3-双極子
• ヒールオゾン – 歯科用オゾン発生装置の商品名。う歯の歯根管殺菌にオゾンの殺菌機能が使用される。

外部リンク

• 特定非営利活動法人 日本オゾン協会
• 日本医療・環境オゾン研究会

• 「Ozone」 - Encyclopedia of Earthにある「オゾン」についての項目（英語）。

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