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2021-02-26 12:09:51

资料专题:氧基本信息汇总表

(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,是具有高反应性的氧化剂,能够与大部分元素以及其他化合物形成氧化物。氧在宇宙中的总质量在所有元素中位列第三,仅居氢和氦之下。在标准温度和压力下,两个氧原子会自然键合,形成无色无味的氧气,即双原子氧(O2{\displaystyle{\ce{O2}}})。氧气是地球大气层的主要成分之一,在体积上占20.8%,仅次于氮气地球地壳中近一半(46.6%)的质量都是由氧和氧化物所组成。

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、碳水化合物和脂肪等,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O3{\displaystyle{\ce{O3}}})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。

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·拉瓦锡进行了一系列有关氧的实验,推翻了当时用于解释燃烧和腐蚀的燃素说。他也提出了氧的现用IUPAC名称“oxygen”,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。东亚的日本最先开始接触化学,因此将其直译为酸素,成为第一个汉字名称,中国则是在清末由徐寿等人的翻译书籍传入许多化学词汇,其中原法文元素名“oxygène”被译为“养”,后译为“氱”,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、塑料和布料的生产、金属气焊和气割、火箭推进剂、氧疗及航空器、潜艇、载人航天器和潜水所用的生命保障系统。

历史

资料专题:氧历史

性质

分子结构

资料专题:氧性质分子结构

同素异形体

双原子氧(O2{\displaystyle{\ce{O2}}}),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。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。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(O3{\displaystyle{\ce{O3}}}),常用名为臭氧,是一种高反应性的氧同素异形体。在上层大气中,O2{\displaystyle{\ce{O2}}}经紫外线分解成独立的氧原子。这些氧原子再与O2{\displaystyle{\ce{O2}}}结合后,形成臭氧。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。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。

四聚氧(O4{\displaystyle{\ce{O4}}})分子为亚稳态,2001年发现。科学家曾认为,将O2{\displaystyle{\ce{O2}}}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O8{\displaystyle{\ce{O8}}}原子簇所组成,结构为三方晶系。这种同素异形体很有可能是比O2{\displaystyle{\ce{O2}}}O3{\displaystyle{\ce{O3}}}更强得多的氧化剂,可做火箭燃料。

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

物理性质

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)约为在20°C下的双倍(7.6mg·L)。当空气处于25°C及1标准大气压(101.3千帕斯卡)时,每升淡水含6.04毫升氧气,而每升海水则含4.95毫升氧气。

海平面上水的溶氧量
5°C25°C
淡水9.0mL6.04mL
海水7.2mL4.95mL

氧气在90.20K(−182.95°C)凝结,在54.36K(−218.79°C)凝固。液氧固氧O2{\displaystyle{\ce{O2}}})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;亦可利用液氮的低温使空气中的氧气凝结。

极光和气辉(夜辉)的部分颜色来自于氧气分子的光谱。氧气分子会吸收赫茨贝格连续区和舒曼–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。在激发态下的单态氧在溶液中会化学发光,呈红色。

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。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。

同位素与来源

自然界中的氧元素由O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}O17{\displaystyle{\ce{^17O}}}O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}三种稳定同位素组成,其中O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}的丰度最高(99.762%)。

大部分O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}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。O17{\displaystyle{\ce{^17O}}}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。N在捕获一个He原子核后变为O18{\displaystyle{\ce{^18O}}},因此O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}分布在大质量恒星的氦区域。

在稳定同位素以外,氧还有14种放射性同位素。最稳定的为O15{\displaystyle{\ce{^15O}}}O14{\displaystyle{\ce{^14O}}},半衰期分别为122.24秒和70.606秒。其余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。质量低于O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}的同位素的最常见衰变模式为β,产物为;质量高于O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}的同位素则主要进行β−{\displaystyle \beta ^{-}}衰变,产物为

存在形式

资料专题:氧性质存在形式

分析

古气候学家可通过测量海洋动物外壳骨骼O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}同位素之比,推算百万年前的地球气候。同位素O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}的质量比O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}高出12%,因此海水中含O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}的水分子会比含O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}的水分子蒸发得更快。海水温度越低,蒸发率的差异更大。当气候寒冷的时期,蒸发的水形成的雨雪会有较高的O16{\displaystyle{\ce{^16O}}},剩余的海水则含较高的O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}。因此在寒冷气候下,海洋生物的外壳和骨骼会包含更多的O18{\displaystyle{\ce{^18O}}}同位素。

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硅芯片暴露在太阳风中,于2004年随卫星返回地球。科学家在分析芯片后发现,太阳中的O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}比例比地球上高,意味着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O16{\displaystyle{\ce{^16O}}}

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和荧光。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。

生物学上的作用

光合作用及呼吸作用

资料专题:氧生物学上的作用光合作用及呼吸作用

大气氧气的积聚

大概在35亿年前,地球上出现会进行光合作用的古菌和细菌。在此之前,地球大气中几乎不存在电离氧气。到了古元古代,即30至23亿年前,地球上第一次出现大量的电离氧气。地球形成后的首10亿年内,电离氧气会与溶于海洋中的铁结合,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%。

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O2{\displaystyle{\ce{O2}}}进行呼吸作用,可以比厌氧生物产生多许多的ATP。所有真核生物,包括动植物等复杂多细胞生物,都用O2{\displaystyle{\ce{O2}}}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。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,这有可能是当时昆虫和两栖类动物体型巨大的原因。

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。

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。

工业生产

每年从空气萃取的工业用O2{\displaystyle{\ce{O2}}}有1亿吨,萃取方法有二。液态空气分馏法蒸馏出氮气,留下液氧,为最常用方法。

另一常用方法主要利用沸石做成两个相同的分子筛。当有不含杂质和水分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。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

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的陶瓷膜。这样生成的氧气有极高的纯度。

储藏

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升液氧在大气压力和20摄氏度下相等于840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。

应用

医疗

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。

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和鼻插管所取代。

高压氧治疗利用高压氧舱增加氧气分压,治疗舱内的病人,可用于治疗一氧化碳中毒、气性坏疽及减压症等。增加肺内的氧气浓度有助于从血红蛋白的血基质上移除一氧化碳。较高的氧气分压能够毒死造成气性坏疽的厌氧菌。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,多余的气体从而经肺部自然呼出。

维生及娱乐

现代宇航服内充满近纯氧,压力为大气压的三分之一左右,这使得太空人血液里可以会有正常的氧气分压。

水肺式和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症状可以即时控制,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。

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,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。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。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。

工业

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和二氧化碳而释出。此为放热反应,温度上升至1,700°C。

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,包括防冻剂和聚酯(即许多塑料和布料的原料)等等。

剩余的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。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。

化合物

资料专题:氧化合物

安全

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

当氧气(O2{\displaystyle{\ce{O2}}})的气体分压较高时,会导致氧气中毒,造成痉挛等症状。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。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。

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。

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。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。

水肺潜水和水面供气潜水时,也有可能发生氧气中毒,对肺部和中枢神经系统造成危害。持续呼吸氧气分压超过60kPa的气体,会导致永久性肺纤维化。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。

燃烧及其他危害

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。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。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、高氯酸盐及过氧化物等。

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。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。

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。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

主题
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注释

参考资料

资料专题:氧参考资料

引用

  • Cook, Gerhard A.; Lauer, Carol M. Oxygen.(编)Clifford A. Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Reinhold Book Corporation. 1968: 499–512.LCCN68-29938.
  • Emsley, John. Oxygen. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England: Oxford University Press. 2001: 297–304.ISBN0-19-850340-7.
  • Raven, Peter H.; Evert, Ray F.; Eichhorn, Susan E. Biology of Plants 7th. New York: W.H. Freeman and Company Publishers. 2005: 115–27.ISBN0-7167-1007-2.

外部链接

资料专题:氧外部链接