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氧   8O
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S
外观
无色气体
淡蓝色液体

盛于烧杯之中的液氧在室温下沸腾

氧的光谱线
概况
名称·符号·序数 氧(Oxygen)·O·8
元素类别 非金属
·周期· 16 ·2·p
标准原子质量 15.999
电子排布

[He] 2s2 2p4
2, 6

氧的电子层(2, 6)
历史
发现 卡尔·威廉·舍勒(1771年)
命名 安东万-罗伦·德·拉瓦节(1777年)
物理性质
物态 气体
密度 (0 °C, 101.325 kPa
1.429 g/L
沸点时液体密度 1.141 g·cm−3
熔点 54.36 K,−218.79 °C,−361.82 °F
沸点 90.188 K,−182.962 °C,−297.332 °F
三相点 54.361 K(−219 °C),0.1463 kPa
临界点 154.581 K,5.043 MPa
熔化热 (O2)0.444 kJ·mol−1
汽化热 (O2)6.82 kJ·mol−1
比热容 (O2)29.378 J·mol−1·K−1

蒸汽压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K       61 73 90
原子性质
氧化态 2, 1, −1, −2
电负性 3.44(鲍林标度)
电离能

第一:1313.9 kJ·mol−1
第二:3388.3 kJ·mol−1
第三:5300.5 kJ·mol−1

更多
共价半径 66±2 pm
范德华半径 152 pm
杂项
晶体结构 立方
磁序 顺磁性
热导率 26.58×10−3  W·m−1·K−1
声速 330 m·s−1
CAS号7782-44-7
最稳定同位素

主条目:氧的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
16O 99.76% 稳定,带8个中子
17O 0.039% 稳定,带9个中子
18O 0.201% 稳定,带10个中子

IUPAC名:Oxygen)是一种化学元素,符号为O原子序为8,在元素周期表中属于氧族。氧属于非金属,是具有高反应性氧化剂,能够与大部分元素以及其他化合物形成氧化物[1]氧在宇宙中的总质量在所有元素中位列第三,仅居之下。[2]标准温度和压力下,两个氧原子会自然键合,形成无色无味的氧气,即双原子氧()。氧气是地球大气层的主要成分之一,在体积上占20.8%。[3]地球地壳中近一半的质量都是由氧和氧化物所组成。[4]

氧是细胞呼吸作用中重要的元素。在生物体中,主要有机分子,如蛋白质核酸碳水化合物脂肪等,还有组成动物外壳、牙齿和骨骼的无机化合物,都含有氧原子。生物体绝大部分的质量都由含氧原子的水组成。光合作用利用阳光的能量把水和二氧化碳转化为氧气。氧气的化学反应性强,容易与其他元素结合,所以大气层中的氧气成分只能通过生物的光合作用持续补充。臭氧)是氧元素的另一种同素异构体,能够较好地吸收中紫外线辐射。位于高海拔的臭氧层有助阻挡紫外线,从而保护生物圈。不过,在地表上的臭氧属于污染物,为雾霾的副产品之一。在低地球轨道高度的单原子氧足以对航天器造成腐蚀[5]

卡尔·威廉·舍勒于1773年或之前在乌普萨拉最早发现氧元素。约瑟夫·普利斯特里亦于1774年在威尔特郡独立发现氧,因为其成果的发表日期较舍勒早,所以一般被誉为氧的发现者。1777年,安东万-罗伦·德·拉瓦节进行了一系列有关氧的实验,推翻了当时用于解释燃烧腐蚀燃素说。他也提出了氧的现用IUPAC名称“oxygen”,[6]源自希腊语中的“ὀξύς”(oxys,尖锐,指)和“-γενής”(-genes,产生者)。这是因为命名之时,人们曾以为所有酸都必须含有氧。许多化学词汇都在清末由徐寿等人的翻译书籍传入中国,其中原法文元素名“oxygène”被译为“养”[7],后译为“氱”[8],最终演变为今天的中文名“氧”。

氧的应用包括暖气内燃机钢铁塑料布料的生产、金属气焊和气割火箭推进剂氧疗英语Oxygen therapy航空器潜艇载人航天器潜水所用的生命保障系统

历史[编辑]

早期实验[编辑]

费隆所做的实验启发了后世对燃烧与空气间关系的研究。

人类最早研究燃烧和空气之间的关系,可追溯至前2世纪古希腊学者拜占庭的费隆所做的实验。费隆在著作《气动学》(希腊语πνευματικά)中写道,如果将点燃的蜡烛置于水中,再用瓶子盖住蜡烛至水面,水面就会在瓶颈内上升。[9]费隆错误地推论,有一部分空气经燃烧转换成火元素,因此可以经玻璃中的小孔逃逸出去。过千年以后,李安纳度·达文西在费隆的基础上又观察到,燃烧和呼吸都会消耗部分空气。[10]

17世纪,罗拔·波义耳证明空气是燃烧过程必需的物质。约翰·梅奥英语John REG5EXow进一步证明,燃烧只需要空气中的一种成分,他称之为“铜硝石之灵”(拉丁语spiritus nitroaereus)。[11]在其中一个实验中,他发现把点燃的蜡烛或老鼠放在盖著水面的密封容器内,水面都会上升,而且在蜡烛熄灭或老鼠死亡时,容器内空气的四分之一容量会被水取代。[12]他得出的结论是,燃烧和呼吸都会消耗“铜硝石之灵”。

梅奥发现在燃烧之后重量有所提升,由此论证“铜硝石之灵”一定是在燃烧过程中和锑结合了。他也认为,肺脏能将“铜硝石之灵”从空气中分离出来,运送到血液之中,而动物的热量和肌肉运动都是“铜硝石之灵”与体内某些其他物质反应的结果。[11]梅奥在1668年《两篇论文》(拉丁语Tractatus duo)中的〈论呼吸〉(拉丁语De respiratione)一文中发表了这一系列实验和发现。[12]

燃素说[编辑]

格奥尔格·恩斯特·斯塔尔推动了燃素说的发展和普及

罗伯特·虎克奥勒·博克英语Ole Borch米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫皮埃尔·巴扬英语Pierre Bayen在17、18世纪都在实验中产生了氧气,但无一发现氧是一种化学元素[13]由于有当时盛行的燃素说来解释燃烧和腐蚀过程,因此他们都没有发现氧气在这些过程中重要的作用。

炼金术士约翰·约阿希姆·贝歇尔在1667年建立燃素说,化学家格奥尔格·恩斯特·斯塔尔又于1731年对燃素说作进一步修改。[14]根据燃素说,所有可燃物质都由两部分组成。一部分为“燃素”,会在物质燃烧过程中释放出来。不含燃素的部分则是物质的“纯态”。[10]人们认为,木材、煤等可燃性高、燃烧残留物少的物质主要都由燃素所组成,铁等不可燃、会受腐蚀的物质则含有很少的燃素。空气在燃素说中并无任何作用,此学说最初也未经量化实验的验证。大部分常见物质在燃烧过程中都会变轻,所以似乎失去了某种成分,这成为了燃素说的主要观察基础。[10]

发现[编辑]

舍勒比普利斯特里更早发现氧气,但研究结果发表得比他迟

瑞典药剂师卡尔·威廉·舍勒在1771至1772年间最早发现氧。他对氧化汞和不同硝酸盐一同加热,产生出氧气。[15][3][10]舍勒把这种气体产物称为“火之气”,因为它能支持燃烧过程。手稿《论空气与火的化学》(德语:Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer)记录了这项发现,1775年寄往出版商,1777年出版。[16]

约瑟夫·普利斯特里一般被誉为氧的发现者

1774年8月1日,英国教士约瑟夫·普利斯特里把阳光聚焦到装有氧化汞的玻璃管中,从而释放出一种气体,他将其称为“无燃素气”(英语:dephlogisticated air)。[3]他注意到,蜡烛在这一气体中燃烧得更加旺盛,老鼠在呼吸此气时显得更加活跃,存活的时间也更长。在自己吸入“无燃素气”后,普利斯特里写道:“它在肺中的感觉和普通空气无异,但一段时间内我感到胸腔格外轻盈舒适,颇感良好。”[13]这些发现在1775年发表的论文《对空气的进一步发现》(英语:An Account of Further Discoveries in Air)中有所记载。[10][17]由于普利斯特里比舍勒更早发表论文,因此常被称为氧气的最早发现者。

法国化学家安东万-罗伦·德·拉瓦节之后也声称独立发现了氧气。普利斯特里在1774年10月拜访拉瓦节时向他讲解过这项实验如何释放出某种新的气体,又于1774年9月30日致信拉瓦节,讲述他所发现的新物质。拉瓦节并未提及收到过此信。舍勒去世之后,人们在他的遗物之中发现了这封信的副本。[16]

拉瓦节的成果[编辑]

虽然拉瓦节并没有独自发现氧气,但他却是对氧化过程进行量化实验并正确解释燃烧过程的第一人。[3]自1774起,他利用一系列实验推翻了燃素说,又证明普利斯特里和舍勒所生成的物质是一种化学元素

拉瓦节观察到,在密封容器中对和空气加热后,总重量并没有增加。在打开容器时,空气会迅速涌入。以此可推论,加热过程消耗了容器中的部分空气。他也注意到,锡的重量有所提升,且重量之差和涌入的空气之重量相同。与此类似的实验都记录在拉瓦节1777年出版的著作《燃烧总论》(法语:Sur la combustion en général)中。他证明空气是两种气体的混合物:燃烧和呼吸过程所必需的“活气”(法语:l'air vital),以及无助燃烧和呼吸的“死气”(法语:azote,取自希腊语ἄζωτον,意为“无生命”),也就是氮气。法语等某些欧洲语言至今仍称氮气为“azote”。[3]

1777年,拉瓦节将“活气”改名为“oxygène”,结合希腊语词根“ὀξύς”(尖锐,指酸味)和“-γενής”(产生者)。之所以词源提到酸味,是因为他误以为所有酸都必须含有氧。[6]尽管如此,“oxygen”已成为氧的IUPAC元素名,在国际上通用。

英国的普利斯特里比拉瓦节更早研究氧气,“oxygen”一词也受到了英国科学家的反对。不过在1791年,伊拉斯谟斯·达尔文查理斯·达尔文的祖父)的科普诗集《植物园》(英语:The Botanic Garden)出版,其中一首名为Oxygen的诗以歌颂氧气为主题,使“oxygen”进入英语词汇之中。[16]

后期历史[编辑]

罗伯特·戈达德,身旁为液氧汽油火箭

约翰·道耳顿原子理论主张,所有元素都是单原子物质,而在化合物中,不同元素的原子数都呈最简单的整数比。例如,道耳顿假定水的公式为HO(1个氢原子对1个氧原子),从而推论氧的原子量为氢的8倍。今天所知的实际数值约为16。[18]1805年,约瑟夫·路易·盖-吕萨克亚历山大·冯·洪保德证明水是由两份氢、一份氧所组成。事实上,氢气和氧气都是双原子分子。1811年,阿莫迪欧·阿佛加德罗利用这一点,通过阿佛加德罗定律推导出水的正确成分。[19]

19世纪末,科学家发现可以通过压缩和冷却使空气变为液体,再分离其中的各种成分。瑞士化学家、物理学家拉乌尔·皮克泰利用串级法,通过蒸发液态二氧化硫使二氧化碳液化,再通过蒸发液态二氧化碳使氧气液化。1877年12月22日,他向法国科学院发送电报,宣布发现液氧[20]两天后,法国物理学家路易·保罗·卡耶泰宣布用自己的方法,同样成功制成液氧。[20]两人都只产生了几滴液氧,无法进行进一步的分析。1883年3月29日,波兰科学家齐格蒙特·弗罗布莱夫斯基英语Zygmunt Wróblewski卡罗尔·奥尔谢夫斯基英语Karol Olszewski终于制成稳定状态下的液氧。[21]1891年,苏格兰化学家詹姆斯·杜瓦产生了足够的液氧做进一步研究。[22]1895年,德国工程师卡尔·冯·林德英语Carl von Linde和英国工程师威廉·汉普森英语William Hampson分别研发出商业可行的氧气液化过程。两者都先降低空气温度,使其液化,再用蒸馏法将不同成分逐一气化,分开捕获。[23]

1901年,科学家使乙炔和压缩氧气的混合物燃烧,首次进行了氧炔焊接。氧炔焊接之后成为了焊接、切割金属的常用方法。[23]1923年,美国科学家罗伯特·戈达德研发出首支消耗液态推进剂的火箭推进器。该火箭分别以汽油和液氧作为燃料和氧化剂。1926年3月16日,戈达德在美国麻萨诸塞州奥本成功发射一支小型液态推进火箭。火箭达到每小时97公里的速度,并飞至56米的高度。[23][24]

地球大气中的氧气含量在全球范围内有稍稍下滑的趋势,这可能和燃烧化石燃料有关。[25]

性质[编辑]

分子结构[编辑]

氧气分子的轨域图。[26]左右两旁为各氧原子的原子轨域,中间为原子轨域重叠后所形成的分子轨域。共12个2p电子根据构造原理从低至高顺序填入分子轨域,其中最高两个电子不成对,是氧气诸多性质的根源。

氧气分子由两个氧原子键合组成,又称双原子氧。分子轨域理论能够很好地解释氧气分子的键合和性质(见图)。两个氧原子各自的s轨域p轨域结合后,形成一系列成键反键分子轨域原子轨域分别结合,形成成键分子轨域和反键分子轨域。原子轨域结合后,成为6个能级不同的分子轨域──成键轨域,以及对应的反键轨域,其中两个轨域及两个π*的能量分别相同。[26]

电子按照构造原理,从低能量至高能量顺序填入分子轨域。电子共有8个,其中两个填入,四个分别成对填入两个π轨域,馀下两个不成对地分别填入两个轨域。从成键轨域电子数和反键轨域电子数可得出,氧气分子的键级[26]这两个不成对电子是氧气分子的价电子,它们决定了氧气的性质。

根据洪德规则,在基态下两个价电子的自旋互相平行,因此氧气分子的最低能态为三重态,即有三个能量相同而自旋不同的量子态。由于两个价电子不成对,所以两个轨域均处于半满的状态。这使得氧气有双自由基的性质,还可以解释氧气的顺磁性。(氧气分子之间的负交换能也导致一部分的顺磁性。)[22][27]由于含不成对电子,所以氧气与多数有机分子的反应较慢,有机物因而不会自发燃烧。[28]

氧气分子除了有能量最低的三重态()以外,还有两种能量高得多的单态。在这两个激发态下,两个价电子的自旋互相反平行,违反洪德规则。这两种单态的差别在于,两个价电子是位于同一个轨域中(),还是分开占据两个轨域()。在能量上不稳定,会迅速变为更稳定的状态下的氧气有抗磁性,而状态下的氧气则因为既有的轨道磁矩而具有顺磁性,其磁强度与三重态氧相约。[29][30]

单态氧对于有机物的反应性比普通氧气分子强得多。短波长光在分解对流层中的臭氧时会产生单态氧。[31]免疫系统中,单态氧是活性氧的来源之一。[32]光合作用会利用阳光的能量,从水产生出单态氧。[33]在进行光合作用的生物中,类胡萝卜素有助吸收单态氧的能量,并将它转换成基态氧,从而避免单态氧对组织造成损坏。[34]

同素异形体[编辑]

臭氧是地球上一种较为稀有的气体,主要分布在平流层。图为臭氧的分子结构示意图
双原子氧(O2)分子的空间填充模型

双原子氧(),亦即氧气,是氧元素在地球上最常见的同素异形体,地球大气氧的主要部分(见存在形式一节)。双原子氧的键长为121pm,键能为498kJ·mol−1[35]与生物圈内其它分子的双键或两个单键相比,双原子氧的键能更低,所以它与任何有机分子的反应都会释放热能[28][36]这一性质是生物体呼吸作用的主要原理(见生物学上的作用一节)。

三氧(),常用名为臭氧,是一种高反应性的氧同素异形体。[37]在上层大气中,紫外线分解成独立的氧原子。这些氧原子再与结合后,形成臭氧。[6]由于臭氧能较强地吸收紫外线范围内的辐射,所以臭氧层能阻挡一部分辐射抵达地球表面,有屏障的作用。[6]在地球表面出现的臭氧是汽车废气所产生的一种空气污染物[37]

四聚氧)分子为亚稳态,2001年发现。[38][39]科学家曾认为,将加压至20GPa所形成的固态氧,是由四聚氧所组成。但2006年的一项研究证明,此固体相态实际上是由原子簇所组成,结构为三方晶系[40]这种同素异形体很有可能是比更强得多的氧化剂,可做火箭燃料[38][39]

1990年,科学家将固态氧加压至96GPa以上,发现了氧的金属相态;[41]1998年,又证明该相态在极低温下具超导性[42]

物理性质[编辑]

氧放电管所释放的绿光与极光中的绿色相似

氧气在水中的溶解性比在氮中高,在淡水中的溶解性又比在海水中高。在大气中氧气和氮气的分子比例为1:4,而在水和空气达致平衡的状态下,该比例为1:2。氧气在水中的溶解度会随温度改变:在0°C下的溶解度(14.6mg·L−1)约为在20°C下的双倍(7.6mg·L−1)。[13][43]当空气处于25°C及1标准大气压(101.3千帕斯卡)时,每公升淡水含6.04毫升氧气,而每公升海水则含4.95毫升氧气。[44]

海平面上水的溶氧量
5 °C 25 °C
淡水 9.0 mL 6.04 mL
海水 7.2 mL 4.95 mL

氧气在90.20K(−182.95°C)凝结,在54.36K(−218.79°C)凝固。[45]液氧固氧)都是呈淡天蓝色的透明物质,这是由于氧分子会吸收红光。(天空呈蓝色是由于蓝光的瑞利散射,而非因氧气的吸收光谱所致。)高纯度液氧一般是通过液化空气分馏法萃取的;[46]亦可利用液氮的低温使空气中的氧气凝结。[47]

极光气辉(夜辉)的部分颜色来自于氧气分子的光谱[48]氧气分子会吸收赫茨贝格连续区舒曼–龙格带内的紫外辐射,形成原子氧。这一过程对大气中层的化学有重要的作用。[49]在激发态下的单态氧在溶液中会化学发光,呈红色。[50]

氧气具有顺磁性。图为悬浮在磁极之间的液氧

氧气具有顺磁性。在实验室中,用强力磁铁可以使液氧悬浮在两个磁极之间。[51]通过分析某个氧气样本的顺磁性,可得出样本中氧气的纯度。[52]

同位素与来源[编辑]

到了大质量恒星的生命晚期,16O聚集在氧壳层,17O聚集在氢壳层,18O则聚集在氦壳层。

自然界中的氧元素由三种稳定同位素组成,其中丰度最高(99.762%)。[53]

大部分是在大质量恒星氦聚变过程晚期合成,也有一部分源于氖燃烧过程[54]主要是在碳氮氧循环中从氢至氦的聚变过程中产生,因此分布在恒星内部的氢聚变区域。[54]14N在捕获一个4He原子核后变为,因此分布在大质量恒星的氦区域。[54]

在稳定同位素以外,氧还有14种放射性同位素。最稳定的为半衰期分别为122.24秒和70.606秒。[53]其馀的放射性同位素半衰期都在27秒以内,大部分甚至低于83毫秒。[53]质量低于的同位素的最常见衰变模式为β+[55][56][57]产物为;质量高于的同位素则主要进行衰变,产物为[53]

存在形式[编辑]

通过光谱学估算的银河系元素丰度表[58]
Z 元素 质量比例(百万分率)
1 739,000 71 × 氧气质量(红条)
2 240,000 23 × 氧气质量(红条)
8 10,400 10400
 
6 4,600 4600
 
10 1,340 1340
 
26 1,090 1090
 
7 960 960
 
14 650 650
 
12 580 580
 
16 440 440
 

在全宇宙中,氧的丰度排在第三位,仅在之后。[2]太阳总质量的0.9%为氧元素。[3]按质量算,氧是地球海洋中和陆地上最常见的化学元素:在地球地壳中占49.2%,[4]在海洋中占88.8%。[3]氧气是地球大气层中含量第二高的成分,占总体积的20.8%,总质量的23.1%(共1015吨)。[3][59][a]太阳系中,地球大气的氧含量是独一无二的:氧气只占火星大气体积的0.1%,金星的大气氧含量则更低。这些行星的氧气是含氧分子(如二氧化碳)在紫外线辐射下所释放出来的。

地球之所以有异常高的氧气,是因为氧循环。地球上的氧主要在大气、生物圈岩石圈之间流动,是为生物地球化学循环光合作用是氧循环的主要推动力,它决定了目前的地球大气成分。氧气通过光合作用释放到大气之中,再经呼吸作用分解作用和燃烧离开大气。今天的大气氧含量处于平衡,氧气的生成率和消耗率相同,约为每年大气氧气总量的二千分之一。

冷水可溶解更多的O2。图为海洋表面含氧量的分布情况

氧气也出现在海洋中。在低温海水中的溶解量更高(见物理性质一节),所以两极附近海洋的生物密度比其他海洋高许多。[60]硝酸盐磷酸盐等植物养分所污染的水可促使藻类生长(称为富营养化过程)。这些藻类以及其他生物物质在分解后,会降低水的氧含量。水体的生化需氧量,即把含氧量复原至正常水平所需的氧气量,是水质的一项量化指标。[61]

分析[编辑]

18O含量随过去5亿年间的气候变化的趋势图

古气候学家可通过测量海洋动物外壳骨骼同位素之比,推算百万年前的地球气候。同位素的质量比高出12%,因此海水中含的水分子会比含的水分子蒸发得更快。海水温度越低,蒸发率的差异更大。[62]当气候寒冷的时期,蒸发的水形成的雨雪会有较高的,剩馀的海水则含较高的。因此在寒冷气候下,海洋生物的外壳和骨骼会包含更多的同位素。[62]

行星地质学家已分析过地球月球火星上及陨石中氧同位素的相对含量。起源号卫星所携带的晶片暴露在太阳风中,于2004年随卫星返回地球。科学家在分析晶片后发现,太阳中的比例比地球上高,意味著有某种未知的过程在太阳系原行星盘坍缩形成地球之前,消耗了部分的[63]

氧在分光光度计下有两条吸收带,峰值分别位于687和760纳米。这两条光谱带能用于区分植物的反射荧光。利用此原理,有遥感科学家提议用卫星测量植被冠层在这两条带的辐射,监测植物的健康和全球范围内的碳循环。监测的信噪比较低,再加上植物的结构复杂,因此技术难度较大。[64]

生物学上的作用[编辑]

光合作用及呼吸作用[编辑]

光合作用在分解水的过程中释放出O2,又将CO2转化为糖,此为卡尔文循环

在自然界的光合作用过程中,水分子经过光分解作用后会释放出氧气。具其中一项估计,地球上有70%的氧气由水生绿藻蓝绿菌产生,其馀的氧气则来自陆地植物。[65]根据另一项估计,大气氧气每年有45%来自于海洋。[66]

整个光合作用的简化公式为:[67]

光子

亦即

二氧化碳 + 水 + 光 → 葡萄糖 + 氧气

在进行光合作用的生物体内,产生氧气的反应发生在类囊体膜上,需四个光子的能量。[b]此反应有许多步骤,最终会在类囊体膜上产生质子梯度,以此经光合磷酸化英语photophosphorylation反应合成三磷酸腺苷(ATP)。[68]在生成水分子之后所剩馀的会释放到大气之中。[c]

线粒体中产生ATP的氧化磷酸化过程需氧。有氧呼吸作用的整体反应类似于反向的光合作用,其简化公式为:

kJ·mol−1

脊椎动物中,扩散作用,通过内的膜进入红血球与红血球中的血红蛋白结合,后者从紫蓝色变为亮红色。[37]会通过玻尔效应从血红蛋白的另一个部分释放出来。)软体动物及某些节肢动物利用血蓝蛋白承载氧气,蜘蛛海螯虾则利用蚯蚓血红蛋白[59]含血红蛋白的血液每公升可溶解200立方厘米的[59]

在发现厌氧动物之前,[69]人们曾以为氧气是所有复杂生物所必要的物质。[70]

生物体消耗氧气之后所产生的活性氧类超氧化物)、过氧化氢)等。[59]复杂生物免疫系统中有一些部分会生成过氧化物、超氧化物和单态氧来攻击入侵的微生物。在抵御病原攻击的植物过敏反应之中,活性氧类也起著重要的作用。[68]氧对专性厌氧生物有破坏性。这类生物在地球生命演化历程早期处于统治性地位,直至专性厌氧生物出现后10亿年,即25亿年前的大气大氧化事件为止。[71][72]

人体内氧气的气体分压(pO2
单位 肺泡气体 动脉气体 静脉气体
kPa 14.2 11[73]-13[73] 4.0[73]-5.3[73]
mmHg 107 75[74]-100[74] 30[75]-40[75]

大气氧气的积聚[编辑]

地球大气氧气积聚的过程:(1)尚未生成任何氧气;(2)氧气开始生成,但被海洋及海床岩石所吸收;(3)氧气开始从海洋释出,但一部分被陆地表面吸收,另一部分形成臭氧层;(4、5)各个氧气槽饱满之后,氧气逐渐积聚

大概在35亿年前,地球上出现会进行光合作用的古菌细菌。在此之前,地球大气中几乎不存在游离氧气。到了古元古代,即30至23亿年前,地球上第一次出现大量的游离氧气。[76]地球形成后的首10亿年内,游离氧气会与溶于海洋中的结合,形成条状铁层。30至27亿年前,此类氧气槽达到饱和,氧气开始从海洋释出。17亿年前,氧气水平达到今天的10%。[76][77]

24亿年前的大氧化事件(“氧气大灾难”)期间,海洋和大气的含氧量大幅上涨,大多数的厌氧生物很可能因此绝种。好氧生物利用进行呼吸作用,可以比厌氧生物产生多许多的ATP[78]所有真核生物,包括动植物等复杂多细胞生物,都用进行呼吸作用。

5.4亿年前,地球进入寒武纪,这段时期的大气含氧量(依体积)在15%和30%间波动。[79]约3亿年前石炭纪进入末期时,大气含氧量达到35%的最高值,[79]这有可能是当时昆虫两栖类动物体型巨大的原因。[80]

含氧量的波动影响远古气候:含氧量下降时,大气密度一同下降,表面蒸发率因而上升,进而提高温度和降水程度。[81]

以目前光合作用的速率,要生成目前整个大气中所有的氧气需2千年。[82]

工业生产[编辑]

用于电解水的霍夫曼电解仪

每年从空气萃取的工业用有1亿吨,萃取方法有二。[16]液态空气分馏法蒸馏出氮气,留下液氧,为最常用方法。[16]

另一常用方法主要利用沸石做成两个相同的分子筛。当有不含杂质和水份的空气通过分子筛时,分子筛会吸收氮气,让90%至94%纯度的氧气通过。[16]当其中一个分子筛上的氮气达到饱和时,可通过降低气压或使氧气反向通过分子筛,使氮气释出。两个分子筛交替吸附、释放氮气,达到连续供应氧气的目的。这种方法称为变压吸附法英语pressure swing adsorption[83]

氧气可通过电解水来生成。直流电通过水,在正负两极处会分别形成两份氢气和一份氧气。亦可用电作为催化剂,从氧化物和含氧酸中萃取氧气。化学氧气发生器和氧烛都利用化学催化剂萃取氧气,应用包括潜水艇维生系统以及客运飞机上突发降压时的后备维生系统。还有一种生成方法,用高压或电流使空气穿过基于二氧化锆陶瓷膜。这样生成的氧气有极高的纯度。[61]

储藏[编辑]

氧气的储藏方法包括高压氧气筒、低温储藏及化合物储藏。由于1公升液氧在大气压力和20摄氏度下相等于840公升氧气,因此为降低成本,氧气一般是在液态下用特殊罐车运输的。此类氧气罐车可以为医院等需大量纯氧的机构补充氧气罐。在进入大楼之前,低温液氧须先经过换热器转化为气体。小型压缩氧气罐可用于便携式医疗器材及气焊和气割等。[16]

应用[编辑]

医疗[编辑]

慢性阻塞性肺病患者家中的一台氧浓缩器英语oxygen concentrator

呼吸的主要目的是从空气中吸取氧气。在医疗上,病人吸入额外的氧气,不但能增加其血氧量,还能降低许多种病态肺组织对血流的阻力,减轻心脏的负荷。氧疗可应用于慢性阻塞性肺病肺炎、某些心脏疾病(充血性心脏衰竭)、某些导致肺动脉血压增高的疾病等等,以及任何使身体吸入及使用氧气能力降低的疾病。[84]

氧气疗法有较大的灵活性,可用于医院及病人家中,甚至还有越来越多的便携式医用氧气设备。曾经常见的氧气帐篷,现已大多被氧气面罩鼻插管所取代。[85]

高压氧治疗利用高压氧舱增加氧气分压,治疗舱内的病人,[86]可用于治疗一氧化碳中毒气性坏疽减压症等。[87]增加肺内的氧气浓度有助于从血红蛋白血基质上移除一氧化碳[88][89]较高的氧气分压能够毒死造成气性坏疽的厌氧菌[90][91]当潜水员上升过快,环境压力迅速降低时,血液里会形成由氮和氦等气体所组成的气泡。若尽早增加氧气压力,可使这些气泡重新溶解于血液之中,多馀的气体从而经肺部自然呼出。[84][92][93]

维生及娱乐[编辑]

航天服使用低压纯氧

现代宇航服内充满近纯氧,压力为大气压的三分之一左右,这使得宇航员血液里可以会有正常的氧气分压。[94][95]

水肺式水面供气式潜水员以及潜水艇都需要人工供应氧气。潜水艇、潜水器和大气压潜水服中的呼吸气体一般处于大气压力。呼出的气体在经化学方法萃取出二氧化碳之后,再补回氧气,使分压保持不变。在环境压潜水员所呼吸的混合气体之中,氧气的比例须依身处深度而定。纯氧或近纯氧的应用一般仅限于循环呼吸器、深度较浅(约6米以内)的减压过程[96][97]以及2.8压力以内的加压舱治疗。在加压舱中之所以能用较高的压力,是因为急性氧气中毒的征状可以即时控制,而不存在溺死的危险。更深的潜水则需要在呼吸气体中掺入其他气体,如氮气和氦气,目的是大大降低氧气分压,以避免氧气中毒。[96]

登山或乘坐不加压航空器的人士往往也会须要补充氧气。在低压空气中增加氧气的比例,能够使氧气的分压达到海平面水平。载客飞机都为每个乘客备有紧急供氧设备,以应对机舱失压的情况。机舱突然失压时,每个座位上方的化学氧发生器随即启动,氧气面罩掉下。当乘客拉下面罩时,会使铁屑与一个罐子里的氯酸钠混合,[61]两者的放热反应便会持续产生氧气。

氧气可使人产生微欣快感,其在氧吧和运动中的娱乐性使用有一定历史。1990年代末起,氧吧在日本、美国加州及内华达州拉斯维加斯等地兴起。顾客可以付费呼吸使用氧气比例比一般更高的气体。[98]职业运动员,特别是美式足球员,有时会在场外戴上氧气面罩,提高体能。然而,这种做法的实际功效却存疑,任何体能上的提升更可能是因为安慰剂效应。[98]有研究指出,只有在有氧运动期间吸入高含氧量气体,才会有体能上的提升。[99]

工业[编辑]

大部分商业生产的氧气都用于炼钢

商业生产的氧气之中,有55%都用于炼钢。过程中,氧气经一长枪型物注入熔融铁中,将其中的杂质分别转化为二氧化硫二氧化碳而释出。此为放热反应,温度上升至1,700 °C。[61]

另有25%氧气用于化工。乙烯与氧气反应,产生环氧乙烷,再转化为乙二醇。乙二醇是许多物质生产过程中的主要材料,包括防冻剂聚酯(即许多塑料布料的原料)等等。[61]

剩馀的20%氧气则用于医疗、金属气焊和气割火箭推进剂中之氧化剂以及水处理[61]氧和乙炔的燃烧过程会产生高温火焰,可用于氧炔焊接:厚度在60厘米以内的金属先用较小的氧乙炔火焰加热,然后用大量氧气喷射,进行快速切割。[100]

化合物[编辑]

H2O)是常见的氧化合物

氧在大多数化合物中的氧化态为−2,在过氧化物等几种化合物中则为−1。[101]其他氧化态的氧化合物非常罕见,有:超氧化物(−1/2)、臭氧化物(−1/3)、元素氧次氟酸(0)、二氧基盐(+1/2)、二氟化二氧(+1)和二氟化氧(+2)。

氧化物及其他无机化合物[编辑]

)是一种的氧化物。水分子中,两个氢原子与氧形成共价键,每个氢原子又与另一个水分子中的氧原子相吸,是为氢键(每氢原子键能为23.3 kJ·mol−1)。[102]由于有这些氢键,所以水分子间的距离比纯粹以范德华力相吸的情况短15%。[103]

当氧和其他元素结合时,会形成氧化物,如组成铁锈铁氧化物

由于氧的电负性高,所以会与几乎所有元素形成化学键,形成相应的氧化物。包括在内的大部分金属,在空气之中都会在表面形成一层薄薄的氧化物。这使金属钝化,有助减慢腐蚀作用。大多数过渡金属的氧化物都属于非整比化合物,其金属比例低于化学式中所示。例如,氧化亚铁方铁矿)的化学式为,其中通常为0.05左右。[104]

二氧化碳)是地球大气中的微量气体。地球地壳岩石有一大部分由各种金属的氧化物组成,包括:二氧化硅),可见于花岗岩石英等;氧化铝),可见于铝土矿刚玉等;氧化铁),可见于赤铁矿铁锈等;碳酸钙),可见于石灰岩等。除此之外,还有由各种复杂矽酸盐组成的矽酸盐矿物。质量远比地壳大的地幔主要由的各种矽酸盐所组成。

可水溶稀酸盐,包括,可用作清洁剂黏合剂[105]

氧可以做过渡金属的配体,形成过渡金属双氧配合物(化学式为“金属–O2”)。含血基质的蛋白质──血红蛋白肌红蛋白──都属于此类化合物。[106]六氟化铂)会和氧发生特殊的反应,把氧氧化成[107]

有机化合物及生物分子[编辑]

丙酮是重要的化工原料。图为丙酮分子的空间填充模型
  氧
  碳
  氢
ATP分子的分子量中,氧元素占超过40%

许多重要的有机化合物类别都含有氧原子,包括(“”代表有机官能团):)、)、)、)、羧酸)、)、酸酐)及酰胺)。许多重要的有机溶剂也含有氧,包括:丙酮甲醇乙醇2-丙醇呋喃THF乙醚1,4-二𫫇烷乙酸乙酯DMFDMSO乙酸甲酸。其他含氧的重要有机化合物有:甘油甲醛戊二醛柠檬酸乙酸酐乙酰胺环氧化合物是含有氧三元环的类化合物。

氧可以和很多有机化合物在室温或更低温度发生自发反应,这称为自然氧化[108]大部分含氧有机化合物都可以通过直接与反应来合成。在工业和商业上以这种方法制成的有机化合物包括环氧乙烷过氧乙酸等。[105]

几乎所有生物分子都含有氧原子。只有少数复杂生物分子不含氧,如鲨烯胡萝卜素。在生物学中起到重要作用的有机化合物中,碳水化合物的含氧质量比例最高。所有脂肪脂肪酸氨基酸蛋白质都含氧原子(因为均含有羰基)。氧还出现在磷酸盐)中,是承载能量的ATPADP分子的组成部分;在嘌呤腺嘌呤除外)和嘧啶中,形成RNADNA;以及在磷酸钙羟磷灰石中,形成骨骼。

安全[编辑]

美国NFPA 704标准将压缩氧气评为一种对健康无害、非易燃、反应活性低的氧化剂。由于凝结的氧气会增加患高氧血症的风险,低温液体自身也有造成冻伤的危险,因此低温液氧的健康危害评级为3;其他方面的评级则与压缩氧气相同。

毒性[编辑]

氧气中毒的症状[109]
当吸入至肺部的氧气分压超过正常的2 12时,便会发生氧气中毒。这种情况会在较深的水肺潜水时发生

当氧气()的气体分压较高时,会导致氧气中毒,造成痉挛等症状。[96]由于氧气的分压是氧气比例和总气压之积,所以在呼吸气体中增加氧气比例,或者增加正常呼吸气体的压力,都会提高氧气分压。[110]氧气中毒一般在氧气分压超过50kPa时发生,相等于在标准压力下含氧量为50%(在海平面上正常空气中的氧气分压为21kPa)。医用氧气面罩所提供的氧气体积比例在30%和50%之间(在标准压力下分压约为30kPa),所以除使用机械呼吸机的情况以外,都不会有氧气中毒的危险。[13]

早产婴儿曾经会被放进富含氧气的保温箱,但因含氧量过高,一些婴儿因此失明。自此,医院已不再使用这种治疗方法。[13]

一些现代宇航服以及早期航天器(如阿波罗太空船)都以纯氧作为呼吸气体。由于总气压较低,所以这并无健康危害。[94][111]宇航服中的氧气分压约为30kPa(正常水平的1.4倍),而宇航员动脉血氧分压则比在海平面时的水平略高。

水肺潜水水面供气潜水时,也有可能发生氧气中毒,对肺部和中枢神经系统造成危害。[13][96]持续呼吸氧气分压超过60kPa的气体,会导致永久性肺纤维化[112]当氧气分压超过160kPa(约1.6倍大气压)时,会引致痉挛,这对潜水员来说通常是致命的。在66米或更深的水中呼吸含21%氧气的空气,或在6米深处呼吸100%纯氧,即会引致急性氧气中毒。[112][113][114][115]

燃烧及其他危害[编辑]

意外后的阿波罗1号指令舱。一次火花点燃了舱内压力高于正常水平的纯氧,引发火灾。全体宇航员丧生

高浓度氧气可助燃。氧化剂和燃料聚集,便有起火或爆炸的危险。要触发燃烧反应,须有热源或火花。[28][116]虽然氧气是氧化剂,而不是燃料,但在燃烧过程中,它所释放的化学能却最多。[28][36]氧化电位较高的氧化合物可以在反应过程中提供氧原子,因此也有燃烧的危险,如过氧化物氯酸盐硝酸盐高氯酸盐过氧化物等。

储存及运输氧气及液氧的钢制管道及容器也可以做燃烧反应的燃料,所以须经过特殊训练才能设计和生产氧气系统,把产生火花的可能性降到最低。[116]1967年,美国阿波罗1号在进行发射台测试时发生火灾,导致全体宇航员丧生。当时舱内充满的纯氧,压力并非一般任务所用的正常压力三分之一,而是稍高于大气压力,促使火焰快速蔓延,直至失控。[d][117]

在处理液氧时,一旦液氧溅起并渗入木材、石化制品、沥青等有机物中,这些物质会在碰撞下有不可预见的爆炸反应。[116]液氧与其他低温液体一样,若皮肤、眼睛等器官与之直接接触,会有冻伤的危险。

参见[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ 只考虑距离地表80公里以内的大气
  2. ^ 在藻类和植物中,类囊体为叶绿体的一部分;在蓝绿菌中,类囊体只是众多膜结构中的一种。事实上,科学家认为,曾经与植物及藻类的始祖形成共生关系的蓝绿菌,经过演化后成为了它们体内的叶绿体。
  3. ^ 水的氧化作用由一种含配合物所催化。这种酶配合物称为“产氧配合物英语oxygen-evolving complex”(OEC)或“分水配合物”,位于类囊体膜上靠体腔的一面。锰是一种重要的辅因子;反应另需。(Raven 2005)
  4. ^ 不过,事后调查并未找到单个起火点,亦有证据显示火花来自电弧。

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外部链接[编辑]