氧氣

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氧氣英語:Oxygen, Dioxygen分子式O2)是氧元素最常見的單質形態,在空氣中大約占21%,在標準狀況下是無色無味無臭的氣體,不易溶於水,密度比空氣大,不可,可助燃。

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]

氧氣由氧氣分子(O2)構成。每一個氧氣分子由2個原子構成。

氧氣是雙原子分子,兩個氧原子形成共價鍵,一個2p軌道形成σ鍵,另兩個2p軌道形成π鍵。其分子軌域式為(σ1s)21s*)22s)22s*)22p)22p)42p*)2,因此氧氣是奇電子分子,具有順磁性

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

製取[編輯]

化學方法[編輯]

發生[編輯]

加熱氯酸鉀
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。其中,二氧化錳是催化劑。其裝置是固固加熱型,需要使用試管。
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
加熱高錳酸鉀
加熱高錳酸鉀生成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣。加熱時試管口需要塞棉花,避免高錳酸鉀進入導管而堵塞導管。導管被堵塞時,試管有可能炸裂。
分解過氧化氫
過氧化氫溶液(雙氧水)加二氧化錳催化劑的方法也可以製得氧氣,同時產生。發生裝置固液不加熱裝置,通常使用錐形瓶,有時需要分液漏斗
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。
電解
電解也能製得氧氣。電解水時,正極產生氧氣,負極產生氫氣。氫氣的體積比氧氣體積的2倍多一點點(氧氣不易溶於水,氫氣難溶於水)。
需要注意的是,化學方程式中的「通電」不能寫成「電解」。

收集[編輯]

氧氣不易溶於水,密度比空氣大,所以可以用排水法收集比較純的氧氣,或者使用向上排空氣法收集較乾燥的氧氣。

物理方法[編輯]

物理製取氧氣的方法通常用於工業上。

低溫製取
氧氣的熔點、沸點與其他氣體不同,所以可以利用這一特性將空氣冷卻至-200℃以下,然後濾出氧氣。
分子篩
高分子透氧膜可以快速將氧氣過濾出來。

中國國家標準規定,氧氣氣瓶為淡藍色[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。

供給呼吸[編輯]

厭氧菌外,幾乎所有的生物都需要氧氣來呼吸。生物細胞內的粒線體會將氧氣轉化為二氧化碳,同時釋放能量。同時,綠色植物葉綠體光合作用迅速產生氧氣。當生物圈內消費者(或二氧化碳排放)過多而綠色植物(生產者)過少,氧氣就會減少,即破壞碳—氧平衡、溫室效應。

在太空船等封閉空間,人呼吸會消耗氧氣,此時可以通過催化劑使二氧化碳轉化為氧氣。在室內等封閉空間擺放綠色植物也可以增加氧氣,但是綠色植物在晚上或者陰雨天不適宜擺在室內。

助燃[編輯]

幾乎所有的可燃物燃燒都需要氧氣。可燃物燃燒所需的最低含氧量叫作氧指數

可燃物燃燒是劇烈氧化反應,常見的燃燒有:

    • 氧氣充足時:
    • 氧氣不充足時:
  • 只能在純氧中燃燒:
  • 一氧化碳
  • ……

是一個例外。鎂在氧氣、二氧化碳、氮氣中都能夠燃燒。

注釋[編輯]

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

參見[編輯]