氧 氧(英文名:Oxygen)是一種化學(xué)元素,符號(hào)為O,原子序數(shù)為8,為第二周期第VI A族 p區(qū)元素 ,相對(duì)原子質(zhì)量是15.999。 氧元素屬于非金屬元素,是地殼中分布最廣、含量最多的元素。 氧元素 活潑性非常強(qiáng),可以與其他元素結(jié)合組成化合物,是維持動(dòng)植物生命所必需的元素。氧的同位素有十六種,穩(wěn)定型的有三種,分別為 O、 O和 O。氧有兩種單質(zhì),分別為氧氣(O 2 )和臭氧(O 3 )。O 2 主要用于維持生物體呼吸,而O 3 能吸收太陽(yáng)光的紫外輻射,并轉(zhuǎn)化為對(duì)動(dòng)植物無(wú)害的其它形式的能量,此外高空臭氧層也是生物體免遭有紫外線過(guò)強(qiáng)射的重要屏障。
發(fā)現(xiàn)歷史 氧元素的發(fā)現(xiàn)與確立最早和燃燒過(guò)程有關(guān)。1703年,德國(guó)化學(xué)家施塔爾(G.E.Georg Ernst Stahl)結(jié)合前人關(guān)于燃燒的研究提出了“燃素說(shuō)”,他認(rèn)為燃燒的本質(zhì)是由于燃素的存在 。
1767年,瑞典化學(xué)家 卡爾·威爾海姆·舍勒 (Carl Wilhelm Scheele)通過(guò)加熱 硝石 ( 亞硝酸鹽 )得到了氧氣,他當(dāng)時(shí)并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這是一種獨(dú)特的元素,而是將它稱之為“硝石的揮發(fā)物” 。 1771年,卡爾·威爾海姆·舍勒(Carl Wilhelm Scheele)再一次獨(dú)立的發(fā)現(xiàn)了氧氣,此次他將它稱之為“火焰空氣” 。
1774年,英國(guó) 化學(xué)家 約瑟夫·普里斯特利 (Joseph Priestley)通過(guò)加熱 氧化汞 (HgO)產(chǎn)生了氧氣,但由于他是燃素說(shuō)的崇拜者,使得他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體是一種“脫燃素空氣” 。 1777年,法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫通過(guò)實(shí)驗(yàn)也產(chǎn)生了氧氣,并對(duì)該氣體的性質(zhì)進(jìn)行了研究,通過(guò)結(jié)合其他化學(xué)家的見解及理論,提出了燃燒的氧化學(xué)說(shuō),推翻了燃素說(shuō),但是他錯(cuò)誤地認(rèn)為氧氣是形成所有酸所必需的組成部分,因此他采用古希臘語(yǔ)中的酸(oxys)和形成(genes)來(lái)命名這種氣體,稱之為氧(oxygen) 。
1860年前后, 比利時(shí) 分析化學(xué)家斯塔,J-S(Jean-Servais Stas)用十多年的時(shí)間對(duì)原子質(zhì)量進(jìn)行了精密的測(cè)定,推翻了“一切元素的原子質(zhì)量都是氫原子質(zhì)量的倍數(shù)”的假說(shuō),提出了采用氧原子質(zhì)量為16.000作為原子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn) 。 1929年,美國(guó)化學(xué)家 威廉·弗朗西斯·吉奧克 (William Francis Giauque)和約翰斯頓(Johnston)在對(duì)氧氣熵的研究中,發(fā)現(xiàn)了氧的兩種同位素氧-17( O)和 氧-18 ( O) 。
分布情況 氧是地殼中最豐富的、分布最廣的元素,它在地殼中基本上是以氧化合物(如 二氧化硅 、硅酸鹽及含氧酸鹽等)的形式存在,在整個(gè)地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.6%。在大氣中主要以氧單質(zhì)(氧氣和 臭氧 )的形式存在,約占整個(gè)大氣體積的21%,大氣質(zhì)量的23%。在海洋、江河以及湖泊中主要以水的形式存在,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為88.8%。此外,氧在人體和動(dòng)物中質(zhì)量占比約為65%。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 氧(Oxygen)是一種非金屬化學(xué)元素,元素符號(hào)為“O”,在 元素周期表 中的原子序數(shù)是8,為第二周期第VI A族p區(qū)元素,相對(duì)原子質(zhì)量是15.999,范德華原子半徑是152 pm,標(biāo)準(zhǔn)狀況下呈氣態(tài),熔點(diǎn)是54.36 K,沸點(diǎn)是90.188 K。氧在宇宙中的含量?jī)H次于氫和氦,是第三豐富的元素。氧有氧氣(O 2 )和臭氧(O 3 )兩種單質(zhì),還以硅酸鹽、氧化物及其他含氧陰離子的形式存在于自然界中。
化學(xué)性質(zhì) 氧的電子排布為[He]2s 2p ,氧化態(tài)有-2、-1、+1、+2。氧的電負(fù)性僅次于氟,只有與氟化合時(shí)氧化態(tài)才為正值。氧是一種高反應(yīng)性元素,非?;顫?,大多數(shù)化學(xué)元素都能與氧直接或間接地化合,生成各類氧化物,自然界中最豐富的二元氧化物是水和二氧化硅。氧還是動(dòng)植物和人體呼吸及大多數(shù)燃燒過(guò)程所必需的元素。
氧的化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為氧化性,主要通過(guò)氧的單質(zhì)來(lái)體現(xiàn)。比較氧單質(zhì)的電極電勢(shì)可看出O 3 是比O 2 更強(qiáng)的氧化劑,臭氧無(wú)論在酸性或堿性條件下都比氧氣具有更強(qiáng)的氧化性,臭氧是最強(qiáng)的氧化劑之一。
與單質(zhì)直接反應(yīng):在加熱條件下,除惰性氣體、鹵素、不活潑金屬(如金和 鉑族金屬 )外,氧能直接氧化所有的 金屬單質(zhì) 和非金屬單質(zhì),生成氧化物。氧除了與金屬形成正常的氧化物外,在一定條件下還可與活潑金屬形成過(guò)氧化物(如Na 2 O 2 )和超氧化物(如KO 2 )。
同位素 氧已發(fā)現(xiàn)的同位素有十六種,其中穩(wěn)定型的同位素只有三種,分別為氧-16( O)、氧-17( O)和氧-18( O)。自然界中的氧是這三種同位素的混合物,其中 O的含量最高,約占自然界中氧原子數(shù)的99.76%。 O可以通過(guò)水的分餾以重氧水的形式富集,也可以在商業(yè)上使用,比如水(H 2 O含有15%的 O)。
氧同位素的原子質(zhì)量、半衰期以及發(fā)現(xiàn)時(shí)間
同位素符號(hào)
原子質(zhì)量和不確定度(u)
半衰期和不確定度(u)
發(fā)現(xiàn)年份
O
11.051249828 ± 0.000064453
198 ys ± 12(1 ys = 10 s)
2019
O
12.034367726 ± 0.000012882
8.9 zs ± 3.3(1 zs = 10 s)
1978
O
13.024815435 ± 0.000010226
8.58 ms ± 0.05(1 ms = 10 s)
1963
O
14.008596706 ± 0.000000027
70.621 s ± 0.011
1949
O
15.003065636 ± 0.000000526
122.266 s ± 0.043
1934
O
15.99491461926 ± 0.00000000032
穩(wěn)定型
1919
O
16.99913175595 ± 0.00000000069
穩(wěn)定型
1925
O
17.99915961214 ± 0.00000000069
穩(wěn)定型
1929
O
19.003577969 ± 0.00000283
26.470 s ± 0.006
1936
O
20.004075357 ± 0.00000095
13.51 s ± 0.05
1959
O
21.008654948 ± 0.000012882
3.42 s ± 0.10
1968
O
22.009965744 ± 0.000061107
2.25 s ± 0.09
1969
O
23.015696686 ± 0.000130663
97 ms ± 8
1970
O
24.019861000 ± 0.000177
77.4 ms ± 4.5
1970
O
25.029338919 ± 0.000177225
5.18 zs ± 0.35
2008
O
26.037210155 ± 0.000177081
4.2 ps ± 3.3(1 ps = 10 s)
2012
同素異形體 氧氣(O 2 ):氧氣是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體,其分子式由兩個(gè) 氧原子 構(gòu)成,是氧在自然界中的主要存在形式。O 2 不可燃,是一種助燃劑,一些不會(huì)在空氣中燃燒的材料會(huì)在氧氣中燃燒,并且在空氣中燃燒的材料在氧氣中會(huì)燃燒得更劇烈。O 2 還是維持生物體呼吸的不可或缺的組分。 臭氧(O 3 ):臭氧是一種淡藍(lán)色的,具有特征性氣味的氣體,其分子式由三個(gè)氧原子構(gòu)成,屬于O 2 的同素異形體。O 3 是由太陽(yáng)對(duì)大氣中氧氣的紫外線輻射作用而產(chǎn)生的,主要存在于高層大氣中。O 3 具有很強(qiáng)的氧化能力,在常溫下可以將汞和銀氧化成氧化汞和 氧化銀 ,也可以使 靛藍(lán) 、 石蕊 等染料褪色。O 3 是一種抗菌劑,可用于生產(chǎn)瓶裝水,以及處理肉類、家禽和其他食品,也可用來(lái)漂白面粉、油類及紡織物,消毒飲料水、空氣和病房等,還可作為示蹤劑、親電試劑、誘變劑、氧化劑和防腐劑。
化合物 氧化物及過(guò)氧化物:指含有氧元素和其他元素的二元化合物,主要有 酸性氧化物 、 堿性氧化物 、 兩性氧化物 、 中性氧化物 、復(fù)雜氧化物以及過(guò)氧化物等。 其他化合物:主要有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、硅酸鹽以及含氧酸鹽等所有含有氧元素的化合物。
制備方法
實(shí)驗(yàn)室制法
工業(yè)制法 工業(yè)上的氧主要是從空氣中制取,以空氣為原料,將氧組分及氮組分分離而得到氧,根據(jù)氧、氮組分分離所采取的方法不同,可以劃分為低溫分離空氣法、變壓吸附法以及膜分離法。
光合作用 綠色植物的光合作 用可以將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣和碳水化合物,從而使得氧在自然界中循環(huán)利用 :
應(yīng)用領(lǐng)域 氧是一種高反應(yīng)性元素,是生物體和燃燒過(guò)程所必需的元素。高壓氧流可以除去生鐵中的雜質(zhì)用于生產(chǎn)鋼鐵,也可以與 乙炔 (C 2 H 2 )作用產(chǎn)生用于焊接的極熱火焰。液氧與 液氫 結(jié)合可用作極好的火箭燃料。臭氧在地球周圍形成一層薄薄的保護(hù)層,保護(hù)地球表面免受太陽(yáng)紫外線輻射。氧氣用于支持動(dòng)植物呼吸和燃燒過(guò)程。 氧的穩(wěn)定同位素的分子、原子和離子具有略微不同的物理和化學(xué)性質(zhì),它們通常會(huì)在物理、化學(xué)和生物過(guò)程中被分化,從而導(dǎo)致同位素豐度和原子量的變化。這些變化有助于調(diào)查物質(zhì)的起源和研究環(huán)境、水文和地質(zhì)過(guò)程。氧的同位素與氫同位素組成相結(jié)合,還可用于研究地下水與地表水(例如湖泊,溪流和河流)之間的相互作用。
O可以用于確定遷徙野生動(dòng)物 的起源地和繁殖地以及確定考古中人類生活居住的地理區(qū)域,還可作為示蹤原子用于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究。 氧在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)上也扮演者不可或缺的角色,主要有:在化學(xué)工業(yè)中可用于 烴類 的氧化、 水煤氣 生產(chǎn)以及顏料 制造;在環(huán)境保護(hù)方面中可用于污水以及廢液的治理;在建材制造方面還可用于玻璃制造和吹制造型,以及采礦、采石、水泥的生產(chǎn)。