氧气

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氧气英语:Oxygen, Dioxygen分子式O2)是氧元素最常见的单质形态,在空气中大约占21%,在标准状况下是无色无味无臭的气体,不易溶于水,密度比空气大,不可,可助燃。

分布[编辑]

相對地冷的海洋有比較多的O2

地球空气中大约含有体积为20.947%的以单质形式存在的氧气。拉瓦锡曾利用与曲颈甑测出空气中氧气的含量。实验室里也可以通过红磷白磷大致测出空气中的氧气含量。

八大行星中,地球是含氧气最多的,其他的星体(例如金星火星)几乎没有氧气。而很久以前地球上的原始大气也没有氧气。

在森林等植被丰富的地区,氧气含量相对更加丰富。一般,在一天之内,早晨是含氧气中最少的时候。

发现[编辑]

氧气最先是由卡尔·威廉·舍勒发现的,约瑟夫·普利斯特里也于之后成功发现,但由于约瑟夫首先发表论文,所以很多人仍然认为氧气是约瑟夫首先发现的。氧气的英文名是“Dioxygen”,由拉瓦锡定名于1777年,他利用氧气所进行的试验在燃烧腐蚀的方面打败了当时流行的燃素说

结构[编辑]

氧气由氧气分子(O2)构成。每一个氧气分子由2个原子构成。

氧氣是双原子分子,兩個氧原子形成共价键,一個2p轨道形成σ键,另两個2p轨道形成π键。其分子軌域式为(σ1s)21s*)22s)22s*)22p)22p)42p*)2,因此氧氣是奇电子分子,具有顺磁性

名稱由來[编辑]

“氧氣”这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」。

氧氣旧称“酸素”,来自日语,英语“oxygen”(希腊语Οξυγόνο)也是来自希腊词根“Οξυ”(oxy),表示“酸”,因为曾认为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。

大气层氧气的历史[编辑]

大气层氧气的出现源于两种作用,一个是非生物参与的水的光解,一个是例如藍綠菌等生物参与的光合作用

生物的光合作用对大气层的影响巨大。它造成了大气层由还原氛围向氧化氛围的转变。使得水光解产生的气能重新被氧化为水回到地球而不至于扩散到外层空间去,从而防止了地球上的水的流失。同时光合作用也加速了大气层氧气的积累,深刻地改变了地球上物种的代谢方式和形态。大气层含氧量在石炭纪的时候一度上升到了35%。 氧气含量的增加造成了依赖于渗透方式输氧的昆虫在形态上的巨型化,在石炭纪曾出现过翼展达一米的巨脈蜻蜓

制取[编辑]

化学方法[编辑]

发生[编辑]

加热氯酸钾
实验室小规模制氧一般会加热氯酸钾和催化剂二氧化锰的混合物,生成气和氯化钾。其中,二氧化锰是催化剂。其装置是固固加热型,需要使用试管。
用此方法制得的氧气通常混有少量刺激性气味的气体氯气
加热高锰酸钾
加热高锰酸钾生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。加热时试管口需要塞棉花,避免高锰酸钾进入导管而堵塞导管。导管被堵塞时,试管有可能炸裂。
分解过氧化氢
过氧化氢溶液(双氧水)加二氧化锰催化剂的方法也可以制得氧气,同时产生。发生装置固液不加热装置,通常使用锥形瓶,有时需要分液漏斗
这种方法简单易操作,节约能源,且生成物没有污染,是实验室制取氧气的常用方法之一。
电解
电解也能制得氧气。电解水时,正极产生氧气,负极产生氢气。氢气的体积比氧气体积的2倍多一点点(氧气不易溶于水,氢气难溶于水)。
需要注意的是,化学方程式中的“通电”不能写成“电解”。

收集[编辑]

氧气不易溶于水,密度比空气大,所以可以用排水法收集比较纯的氧气,或者使用向上排空气法收集较干燥的氧气。

物理方法[编辑]

物理制取氧气的方法通常用于工业上。

低温制取
氧气的熔点、沸点与其他气体不同,所以可以利用这一特性将空气冷却至-200℃以下,然后滤出氧气。
分子筛
高分子透氧膜可以快速将氧气过滤出来。

中国国家标准规定,氧气气瓶为淡蓝色[1],而美国则用橙色。

单线态氧和三线态氧[编辑]

普通氧气含有两个未配对的电子,等同于一个双游离基。两个未配对电子的自旋状态相同,自旋量子数之和S = 1,2S + 1 = 3,因而基态的氧分子自旋多重性为3,称为三线态氧。

在受激发下,氧气分子的两个未配对电子发生配对,自旋量子数的代数和 S = 0,2S + 1 = 1,称为单线态氧

空气中的氧气绝大多数为三线态氧。紫外线的照射及一些有机分子对氧气的能量传递是形成单线态氧的主要原因。单线态氧的氧化能力高于三线态氧。

单线态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[编辑]

虽然呼吸需要氧气,但是人和动物长期待在高压氧舱中,或者呼吸纯氧会发生氧气中毒,造成神经中毒的现象。其毒理过程为肺部毛细管屏障被破坏,导致肺水肿、肺淤血和出血,严重影响呼吸功能,进而使各脏器缺氧而发生损害。[2]

用途[编辑]

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。

供给呼吸[编辑]

厌氧菌外,几乎所有的生物都需要氧气来呼吸。生物细胞内的线粒体会将氧气转化为二氧化碳,同时释放能量。同时,绿色植物叶绿体光合作用迅速产生氧气。当生物圈内消费者(或二氧化碳排放)过多而绿色植物(生产者)过少,氧气就会减少,即破坏碳—氧平衡、温室效应。

在太空船等封闭空间,人呼吸会消耗氧气,此时可以通过催化剂使二氧化碳转化为氧气。在室内等封闭空间摆放绿色植物也可以增加氧气,但是绿色植物在晚上或者阴雨天不适宜摆在室内。

助燃[编辑]

几乎所有的可燃物燃烧都需要氧气。可燃物燃烧所需的最低含氧量叫作氧指数

可燃物燃烧是剧烈氧化反应,常见的燃烧有:

    • 氧气充足时:
    • 氧气不充足时:
  • :只能在纯氧中燃烧:
  • 一氧化碳
  • ……

是一个例外。镁在氧气、二氧化碳、氮气中都能够燃烧。

参考来源[编辑]

  1. ^ GB 7144-1999,《气瓶颜色标志》
  2. ^ 氧气危害表现

参见[编辑]