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固氧

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固氧、固態氧形成於正常大氣壓的54.36K（-218.79°C）以下。固態的氧氣由於吸收紅色光，像液氧一樣，是淺藍色透明物質。 氧分子因它在分子磁化（molecular magnetization）上與晶體結構、電子排布、超導電性的關係而受到關注。氧分子是能承載磁矩的唯一的簡單雙原子分子（通常情況下縱使所有分子也只有少數能夠如此）[1]。它被認為是「受自旋控制（spin-controlled）」的晶體[1]，並因此展現出不尋常的磁性規律[2]。在極高壓下，固氧從熱絕緣材料變成金屬的形態[3]；而在極低溫下，它甚至能變成超導體[4]。對固氧的結構研究始於19世紀20年代，目前，已確定六種明確的晶體相[1]。

固氧的密度從α相的約21 cm3/mol，到γ相的約 23.5 cm3/mol 。固氧的摩爾質量 來自美國國家標準技術研究所

相變

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固氧的相圖

已知存在六種不同相態的固氧：[1][5]

  1. α相：淺藍色，正常大氣壓下生成於23.8K以下，單斜晶系。
  2. β相：微弱的藍色至粉紅色，正常大氣壓下生成於43.8K以下，三方晶系。（室溫高壓下變為O
    4    ）
  3. γ相：微弱的藍色，正常大氣壓下生成於54.36K以下，等軸晶系。
  4. δ相：橙色，室溫下施加9GPa（9千兆帕斯卡）以上的壓強時生成。
  5. ε相：深紅色至黑色，室溫下施加10GPa以上壓強時生成。
  6. ζ相：金屬，在96GPa以上壓強生成。

已知室溫下給氧氣施加壓強時，它會凝固成叫做β相的物態。繼續加大壓強後，9GPa時，β相相變為δ相，10GPa時變為ε相。同時，隨着分子間斥力的增大，β相的顏色從粉紅到橙色，再到紅色（穩定的O
8形式），紅色隨壓強增大而逐漸變深直至黑色。96GPa下ε相出現後繼續壓縮，將出現金屬形式的ζ相。[5]

紅氧

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隨着室溫下氧氣的壓強超過10GPa，它將出人意料地相變為另一個同素異形體。它的體積驟減[6]，顏色也從藍變成深紅[7]。這種ε相發現於1979年，但當時它的結構並不清楚。基於它的紅外線吸收光譜，1999年，研究人員推斷此相態是O
4分子的晶體[8]。但在2006年，X射線晶體學表明這個被稱作ε氧或紅氧的穩定相態實為O
8[9][10]。此結構在理論上不曾被預測[5]：由四個O
2分子組成的菱形的O
8原子簇[11]。

O
8 的球棒模型
ε氧的晶體結構的一部分

所有相態中，這個相態相當有趣。它顏色為深紅色，對紅外線吸收能力很強，並有磁場縮滅（magnetic collapse）[1]。它在很大的壓強範圍內（10GPa至96GPa）穩定，已成為許多X射線繞射、光譜學和理論學者的課題。

  • 它表現出單斜晶系中的C2/m對稱。
  • 它對紅外線的吸收被認為是氧分子的聯合的堆砌的結果。
  • 液氧已被用作火箭中的氧化劑，紅氧則被認為可能會是更好的氧化劑，因為它能量密度更高[12]。
  • 研究人員認為這種結構可能極大地影響對元素結構的研究。
  • 600K以上的溫度下，17GPa的壓強亦能生成此相態[5]。
  • 11GPa時，O
    8    原子簇內的鍵長為0.234納米，原子簇之間距離為0.266納米。而氧分子O
    2    的鍵長是0.120納米[5]。
  • 研究中O
    8    原子簇的構成原理尚不清楚，研究人員認為氧分子間電荷的運動或者磁矩在這種構成中起重要作用[5]。

金屬氧

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ε相的氧被繼續壓縮後，出現了ζ相[6]。這種相態在1990年，給氧氣施加132GPa壓強時也出現了[3]。已知金屬的、簇狀的ζ相[13]在低溫下表現出超導性[4][5]。

參見

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參考

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Freiman, Y. A.; Jodl, H. J. Solid oxygen. Phys. Rep. 2004, 401: 1–228. doi:10.1016/j.physrep.2004.06.002. 
  2. ^ Goncharenko, I. N.; Makarova, O. L.; Ulivi, L. Direct determination of the magnetic structure of the delta phase of oxygen. Phys. Rev. Lett. 2004, 93 (5): 055502. PMID 15323705. doi:10.1103/PhysRevLett.93.055502. 
  3. ^ 3.0 3.1 Desgreniers, S.; Vohra, Y. K.; Ruoff, A. L. Optical response of very high density solid oxygen to 132 GPa. J. Phys. Chem. 1990, 94: 1117–1122. doi:10.1021/j100366a020. 
  4. ^ 4.0 4.1 Shimizu, K.; Suhara, K.; Ikumo, M.; Eremets, M. I.; Amaya, K. Superconductivity in oxygen. Nature. 1998, 393: 767–769. doi:10.1038/31656. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Solid Oxygen ε-Phase Crystal Structure Determined Along With The Discovery of a Red Oxygen O8 Cluster. [2008-01-10]. （原始內容存檔於2007-09-20）. 
  6. ^ 6.0 6.1 Yuichi Akahama; Haruki Kawamura; Daniel Häusermann; Michael Hanfland; Osamu Shimomura. New High-Pressure Structural Transition of Oxygen at 96 GPa Associated with Metallization in a Molecular Solid (abstract). Physical Review Letters. June 1995, 74 (23): 4690–4694 [2011-06-25]. Bibcode:1995PhRvL..74.4690A. PMID 10058574. doi:10.1103/PhysRevLett.74.4690. （原始內容存檔於2020-07-14）. 
  7. ^ Malcolm Nicol; K. R. Hirsch; Wilfried B. Holzapfel. Oxygen Phase Equilibria near 298 K. Chemical Physics Letters. December 1979, 68 (1): 49–52. doi:10.1016/0009-2614(79)80066-4. 
  8. ^ Federico A. Gorelli; Lorenzo Ulivi; Mario Santoro; Roberto Bini. The ε Phase of Solid Oxygen: Evidence of an O
    4     Molecule Lattice     (abstract). Physical Review Letters. November 1999, 83 (20): 4093–4096 [2011-06-25]. Bibcode:1999PhRvL..83.4093G. doi:10.1103/PhysRevLett.83.4093. （原始內容存檔於2008-11-22）.     
  9. ^ Hiroshi Fujihisa, Yuichi Akahama, Haruki Kawamura, Yasuo Ohishi, Osamu Shimomura, Hiroshi Yamawaki, Mami Sakashita, Yoshito Gotoh, Satoshi Takeya, and Kazumasa Honda. O8 Cluster Structure of the Epsilon Phase of Solid Oxygen. Phys. Rev. Lett. 2006-08-26, 97 (8): 085503 [2008-01-10]. PMID 17026315. doi:10.1103/PhysRevLett.97.085503. （原始內容存檔於2020-07-14）. 
  10. ^ Lars F. Lundegaard, Gunnar Weck, Malcolm I. McMahon, Serge Desgreniers and Paul Loubeyre. Observation of an O8 molecular lattice in the phase of solid oxygen. Nature. 2006-09-14, 443 (7108): 201–204 [2008-01-10]. PMID 16971946. doi:10.1038/nature05174. （原始內容存檔於2017-06-27）. 
  11. ^ Steudel, Ralf; Wong, M. W. Dark-Red O8 Molecules in Solid Oxygen: Rhomboid Clusters, Not S8-Like Rings. Angewandte Chemie International Edition (2007-01-23). 2007, 46 (11): 1768–1771 [2008-01-10]. PMID 17450606. doi:10.1002/anie.200604410. [永久失效連結]
  12. ^ Ball, Phillip. New form of oxygen found. Nature News. 16 November 2001 [2006-07-13]. （原始內容存檔於2006-11-29）. 
  13. ^ Peter P. Edwards, Friedrich Hensel. Metallic Oxygen. ChemPhysChem (Weinheim, Germany: WILEY-VCH-Verlag). 2002, 3 (1): 53–562002-01-14 [2008-01-08]. PMID 12465476. doi:10.1002/1439-7641(20020118)3:1<53::AID-CPHC53>3.0.CO;2-2. [永久失效連結]
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