氧氣

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氧氣英語Oxygen 〔gas〕, Dioxygen分子式O2)是氧元素最常見的單質形態,在標準狀況下是無色無味無臭的氣體

分布[編輯]

相對地冷的海洋有比較多的O2

地球空氣中大約含有體積為20.947%的以單質形式存在的氧氣。

發現[編輯]

氧氣最先是由卡爾·威廉·舍勒發現的,約瑟夫·普利斯特里也於之後成功發現,但由於約瑟夫首先發表論文,所以很多人仍然認為氧氣是約瑟夫首先發現的。氧氣的英文名是「Dioxygen」,由拉瓦錫定名於1777年,他利用氧氣所進行的試驗在燃燒腐蝕的方面打敗了當時流行的燃素說

結構[編輯]

氧氣是雙原子分子,兩個氧原子進行sp2軌道雜化,一個單電子填充進sp2雜化軌道,成σ鍵,另一個單電子填充進p軌道,成π鍵。氧氣是奇電子分子,具有順磁性
分子軌道式:(σ1s)21s*)22s)22s*)22p)22p)42p*)2

名稱由來[編輯]

「氧氣」這一中文名稱是清朝徐壽命名的。他認為人的生存離不開氧氣,所以就命名為「養氣」即「養氣之質」,後來就用「氧」代替了「養」字,便叫「氧氣」。

氧氣舊稱「酸素」,來自日語,英語「oxygen」(希臘語Οξυγόνο)也是來自希臘詞根「Οξυ」(oxy),表示「酸」,因為曾認為所有的酸都含有這種氣體。現在日文裡氧氣的名稱仍然是「酸素」。而台語受到台灣日治時期的影響,也以「酸素」之日語發音稱呼氧氣。

大氣層氧氣的歷史[編輯]

大氣層氧氣的出現源於兩種作用,一個是非生物參與的水的光解,一個是例如藍綠菌等生物參與的光合作用

生物的光合作用對大氣層的影響巨大。它造成了大氣層由還原氛圍向氧化氛圍的轉變。使得水光解產生的氣能重新被氧化為水回到地球而不至於擴散到外太空去,從而防止了地球上的水的流失。同時光合作用也加速了大氣層氧氣的積累,深刻地改變了地球上物種的代謝方式和形態。大氣層含氧量在石炭紀的時候一度上升到了35%。 氧氣含量的增加造成了依賴於滲透方式輸氧的昆蟲在形態上的巨型化,在石炭紀曾出現過翼展達一米的巨脈蜻蜓

製備[編輯]

實驗室小規模製氧一般會加熱氯酸鉀和催化劑二氧化錳的混合物,生成氣和氯化鉀

\text{2KCl}{{\text{O}}_{\text{3}}}\xrightarrow[\Delta ]{\text{Mn}{{\text{O}}_{2}}}\text{2KCl+3}{{\text{O}}_{\text{2}}}\uparrow (用此方法製得的氧氣通常混有少量刺激性氣味的氣體:氯氣。)

或者直接加熱高錳酸鉀來製備:

\rm2KMnO_4\xrightarrow{\Delta} K_2MnO_4+MnO_2+O_2 \uparrow

也可以用過氧化氫溶液加二氧化錳催化劑的方法,製得氧氣,同時產生

\rm 2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow

這種方法簡單易操作,節約能源,且生成物沒有污染,是實驗室製取氧氣的常用方法之一。


還可以通過電解水製備氧氣:

\rm 2H_2O \xrightarrow{galvanize} O_2\uparrow + 2H_2\uparrow

(電解水,"+"極產生\rm O_2,"-"極產生\rm H_2。)


工業上普遍利用低溫分餾(或電解水)的方法大量製備氧氣,使用分子篩除去二氧化碳氮氣。中國國家標準規定:氧氣氣瓶為淡藍色,黑字;[1]而美國則用橙色。


單線態氧和三線態氧[編輯]

普通氧氣含有兩個未配對的電子,等同於一個雙游離基。兩個未配對電子的自旋狀態相同,自旋量子數之和S = 1,2S + 1 = 3,因而基態的氧分子自旋多重性為3,稱為三線態氧。

在受激發下,氧氣分子的兩個未配對電子發生配對,自旋量子數的代數和 S = 0,2S + 1 = 1,稱為單線態氧

空氣中的氧氣絕大多數為三線態氧。紫外線的照射及一些有機分子對氧氣的能量傳遞是形成單線態氧的主要原因。單線態氧的氧化能力高於三線態氧。

單線態氧的分子類似烯烴分子,因而可以和雙烯發生狄爾斯-阿爾德反應

毒性[編輯]

雖然呼吸需要氧氣,但是人和動物長期待在高壓氧艙中,或者呼吸純氧會發生氧氣中毒,造成神經中毒的現象。其毒理過程為肺部毛細管屏障被破壞,導致肺水腫、肺淤血和出血,嚴重影響呼吸功能,進而使各臟器缺氧而發生損害。[2]

用途[編輯]

氧氣的運用包括鋼鐵的冶煉、塑料紡織品的製造以及作為火箭推進劑與進行氧氣療法,也用來在飛機潛艇太空船潛水中維持生命。

參見[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ GB 7144-1999,《氣瓶顏色標誌》
  2. ^ 氧氣危害表現