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臭氧的氣體明顯地呈藍色，液態呈暗藍色，固態呈藍黑色。它的分子結構呈三角形 。在常溫、常態、常壓下，較低濃度的臭氧是無色氣體，當濃度達到 15%時水中臭氧，呈現出淡藍色。

臭氧不溶于液態氧，四氯化碳等，可溶于水水中臭氧，且在水中的溶解度較氧大，0℃,一標準大氣壓時，一體積水可溶解0.494體積臭氧。在常溫常態常壓下臭氧在水中的溶解度比氧約高13倍，比空氣高25倍。但臭氧水溶液的穩定性受水中所含雜質的影響較大，特別是有金屬離子存在時水中臭氧，臭氧可迅速分解為氧，在純水中分解較慢。

臭氧的密度是2.14g/L(0°C，0.1MP)，沸點是-111°C，熔點是-192°C。臭氧分子結構是不穩定的，它在水中比在空氣中更容易自行分解。臭氧雖然在水中的溶解度比氧大10倍，但是在實用上它的溶解度甚小，因為它遵守亨利定律，其溶解度與體系中的分壓和總壓成比例。臭氧在空氣中的含量極低甲醇報警器，故分壓也極低，那就會迫使水中臭氧從水和空氣的界面上逸出臭氧檢測儀，使水中臭氧濃度總是處于不斷降低狀態。

臭氧很不穩定，在常溫下慢慢分解 ，200℃時迅速分解 ，它比氧的氧化性更強，能將金屬銀氧化為過氧化銀，將硫化鉛氧化為硫酸鉛，它還能氧化有機化合物，使許多有機色素脫色，如靛藍。能侵蝕橡膠，很容易氧化有機不飽和化合物。

臭氧、氯和過氧化氫的氧化勢（還原電位）分別是2.07．1.36．1.28伏特，可見臭氧在處理水中是氧化力量最強的一種。臭氧的氧化作用導致不飽和的有機分子的破裂。使臭氧分子結合在有機分子的雙鍵上，生成臭氧化物。

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