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氧
(化學元素)
鎖定
氧是地殼中最豐富、分佈最廣的元素,也是構成生物界與非生物界最重要的元素,在地殼的含量為48.6%。單質氧在大氣中佔20.9%。
[1]
- 中文名
- 氧
- 外文名
- Oxygen
- 分子量
- 32(注:氧氣分子有兩個原子,氧原子量為16)
- CAS登錄號
- 7782-44-7
- EINECS登錄號
- 231-956-9
- 熔 點
- -218.79 ℃ [5]
- 沸 點
- -182.95 ℃ [5]
- 水溶性
- 不易溶於水
- 密 度
- 1.404 g/dm³ [5]
- 外 觀
- 無色、無臭、無毒、無味氣體
- 閃 點
- 421.9 ℃
- 應 用
- 氣焊、醫療用氧
- 安全性描述
- S17;S45;S36/37/39;S26;S61
- 危險性符號
- R8
- 危險性描述
- O
- UN危險貨物編號
- 1072
- 原子序數
- 8
- 常見氧化態
- -2,-1,0
- 構成單質
- 氧氣(O2),臭氧(O3)等
- 原子量
- 15.9994(通常取16)
- 元素符號
- O
- 週 期
- 第二週期
- 區
- p區
- 電子排布
- [He]2s22p4
- 電負性
- 3.44(鮑林標度)
- 穩定同位素
- 16O,17O,18O
氧研究簡史
1774年,英國科學家約瑟夫·普里斯特利(J.Joseph Priestley)用透鏡把太陽光聚焦在氧化汞上,發現一種能強烈幫助燃燒的氣體。安託萬-洛朗·拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier)研究了此種氣體,並正確解釋了這種氣體在燃燒中的作用。
1777年,法國化學家拉瓦錫提出燃燒的氧化學説,指出物質只能在含氧的空氣中進行燃燒,燃燒物重量的增加與空氣中失去的氧相等,從而推翻了全部的燃素説,並正式確立質量守恆定律。從嚴格意義上講,發現氧元素的為瑞典化學家舍勒,而確定氧元素化學性質的為法國化學家拉瓦錫。
[2]
因發現氧而獲得的榮譽由3位化學家分享:一個英國人,一個瑞典人,還有一個法國人。約瑟夫·普里斯特利是第一位發佈氧元素聲明的人,在1774年由聚焦陽光到氧化汞(HgO),然後收集釋放出的氣體實現。他注意到蠟燭在這裏燃燒的更明亮了,而且能使呼吸變得更簡單。普里斯特利不知道的是,卡爾·威爾海姆·舍勒(Carl Wilhelm Scheele)在1771年6月就製取了氧。他寫下了他的發現説明,但直到1777年才發佈。拉瓦錫也聲稱發現了氧,並且他提議這種新的氣體叫做oxy-gène,意思是形成酸的,因為他認為這種元素是所有酸性物質的基礎。
2018年5月16日,大阪產業大學、日本國立天文台及名古屋大學等組成的團隊宣佈,使用南美智利的ALMA射電望遠鏡發現距地球132.8億光年的獅子座方向銀河中存在氧。
[3]
氧理化性質
氧物理性質
氧(Oxygen)是一種化學元素,其原子序數為8,相對原子質量為15.9994,氧原子半徑是0.074nm。。由符號“O”表示。在元素週期表中,氧是氧族元素的一員,它也是一個高反應性的第2週期非金屬元素,很容易與幾乎所有其它元素形成化合物(主要為氧化物)。在標準狀況下,兩個氧原子結合形成氧氣,是一種無色無臭無味的雙原子氣體,化學式為O2。如果按質量計算,氧在宇宙中的含量僅次於氫和氦,在地殼中,氧則是含量最豐富的元素。氧元素佔了水質量的89%,氧氣佔了空氣體積的20.9%。
[2]
氧化學性質
氧的非金屬性和電負性僅次於氟,除了氦、氖、氬、氪,所有元素都能與氧起反應。一般而言,絕大多數非金屬氧化物的水溶液呈酸性,而鹼金屬或鹼土金屬氧化物則為鹼性。此外,大多數有機化合物,可在氧氣中燃燒生成二氧化碳與水蒸氣,如酒精,甲烷。部分有機物不可燃,但也能和氧氣等氧化劑發生氧化反應。
[2]
氧的化合價:氧的化合價很特殊一般為-2價和0價。而氧在過氧化物中通常為-1價。在超氧化物中為-1/2,臭氧化物中氧為-1/3,這裏的化合價被稱為表觀化合價,就是表面上看出來的化合價沒有實際的含義,超氧化物中氧的化合價只能説是超氧根離子,不能單獨的看每個原子,因為電子是量子化的,即不連續的,不存在1/2個電子,自然化合價也就沒有0.5的説法,臭氧化物也一樣,在過氧根中相當於是有兩個電子組成了電子對,所以這兩個電子不表現出化合價,所以過氧根離子整體呈-2價。而氧的正價很少出現,只有在和氟的化合物二氟化氧,二氟化二氧和氟鉑酸氧(O₂PtF₆)中顯示+2價和+1價以及+0.5價。
[2]
實驗證明,除黃金外的所有金屬都能和氧發生反應生成金屬氧化物,比如鉑在高温下在純氧中被氧化生成二氧化鉑,黃金一般認為不能和氧發生反應,但是有三氧化二金和氫氧化金等化合物,其中金為+3價;氧氣不能和氯,溴,碘發生反應,但是臭氧可以氧化它們。
[2]
在元素週期表中屬於ⅥA族元素,化合價一般為0和-2。大多數元素在含氧的氣氛中加熱時可生成氧化物。有許多元素可形成一種以上的氧化物。氧分子在低温下可形成水合晶體O₂·H₂O和O₂·H₂O₂,後者較不穩定。氧氣在水中的溶解度是4.89毫升/100毫升水(0℃),是水中生命體的基礎。氧在地殼中丰度佔第一位。乾燥空氣中含有20.946%體積的氧;水有88.81%重量的氧組成。除了16O外,還有17O和18O等同位素。
[2]
常見氧化態有-1,-2,0。共價半徑66 pm,第一電離勢1314kJ/mol,電負性3.44。
氧製備方法
氧實驗室製法
1.加熱高錳酸鉀或錳酸鉀:
氧工業製法
- 分離液態空氣法
在低温條件下加壓,使空氣轉變為液態,然後蒸發,由於液態氮的沸點是‐196℃,比液態氧的沸點(‐183℃)低,因此氮氣首先從液態空氣中蒸發出來,剩下的主要是液態氧。
空氣中的主要成分是氧氣和氮氣。利用氧氣和氮氣的沸點不同,從空氣中製備氧氣稱空氣分離法。首先把空氣預冷、淨化(去除空氣中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳氫化合物等氣體和灰塵等雜質)、然後進行壓縮、冷卻,使之成為液態空氣。然後,利用氧和氮的沸點的不同,在精餾塔中把液態空氣多次蒸發和冷凝,將氧氣和氮氣分離開來,得到純氧(可以達到99.6%的純度)和純氮(可以達到99.9%的純度)。如果增加一些附加裝置,還可以提取出氬、氖、氦、氪、氙等在空氣中含量極少的稀有惰性氣體。由空氣分離裝置產出的氧氣,經過壓縮機的壓縮,最後將壓縮氧氣裝入高壓鋼瓶貯存,或通過管道直接輸送到工廠、車間使用。使用這種方法生產氧氣,雖然需要大型的成套設備和嚴格的安全操作技術,但是產量高,每小時可以產出數千、萬立方米的氧氣,而且所耗用的原料僅僅是不用買、不用運、不用倉庫儲存的空氣,所以從1903年研製出第一台深冷空分製氧機以來,這種製氧方法一直得到最廣泛的應用。
- 膜分離技術
膜分離技術得到迅速發展。利用這種技術,在一定壓力下,讓空氣通過具有富集氧氣功能的薄膜,可得到含氧量較高的富氧空氣。利用這種膜進行多級分離,可以得到百分之九十以上氧氣的富氧空氣。
- 分子篩製氧法(吸附法)
利用氮分子大於氧分子的特性,使用特製的分子篩把空氣中的氧分離出來。首先,用壓縮機迫使乾燥的空氣通過分子篩進入抽成真空的吸附器中,空氣中的氮分子即被分子篩所吸附,氧氣進入吸附器內,當吸附器內氧氣達到一定量(壓力達到一定程度)時,即可打開出氧閥門放出氧氣。經過一段時間,分子篩吸附的氮逐漸增多,吸附能力減弱,產出的氧氣純度下降,需要用真空泵抽出吸附在分子篩上面的氮,然後重複上述過程。這種製取氧的方法亦稱吸附法.利用吸附法制氧的小型製氧機已經開發出來,便於家庭使用。
- 電解法制氧氣
把水放入電解槽中,加入氫氧化鈉或氫氧化鉀以提高水的電解度,然後通入直流電,水就分解為氧氣和氫氣。每製取一立方米氧氣,同時獲得兩立方米氫氣。用電解法制取一立方米氧氣要耗電12~15千瓦時,與上述兩種方法的耗電量(0.55~0.60千瓦時)相比,是很不經濟的。所以,電解法不適用於大量製氧。另外同時產生的氫氣如果沒有妥善的方法收集,在空氣中聚集起來,如與氧氣混合,容易發生極其劇烈的爆炸。所以,電解法也不適用於家庭製氧。
電解硫酸銅溶液 | |
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電解水 | |
光合作用總反應式 | |
電解硝酸銀溶液 | |
氟氣與水的反應 | |
電解熔融氧化鋁 | |
氧化銅高温分解 | |
加熱氧化汞 | |
過氧化氫分解 | |
硝酸的見光分解 | |
次氯酸見光分解 | |
臭氧的分解 | |
過氧化氫和氯氣的反應 |
氧分佈情況
氧元素佔整個地殼質量的48.6%,是地殼中含量最多的元素,它在地殼中基本上是以氧化合物的形式存在的。每一千克的海水中溶解有2.8毫克的氧氣,而海水中的氧元素差不多達到了89%。就整個地球而言,氧的質量分數為15.2%。無論是人、動物還是植物,他們的細胞都有類似的組成,其中氧元素佔到65%的質量。在空氣中,氧的體積佔20.9%。
氧毒理資料
氧雖對身體有益,但並非越多越好,氧氣含量過高時也會發生氧中毒,
[4]
氧中毒主要分以下三種類型:
氧肺型氧中毒
類似支氣管肺炎。其表現及通常的發展過程為:最初為類似上呼吸道感染引起的氣管刺激症狀,如胸骨後不適(刺激或燒灼感)伴輕度乾咳,並緩慢加重;然後出現胸骨後疼痛,且疼痛逐漸沿支氣管樹向整個胸部蔓延,吸氣時為甚;疼痛逐漸加劇,出現不可控制的咳嗽;休息時也伴有呼吸困難。在症狀出現的早期階段結束暴露,胸疼和咳嗽可在數小時內減輕。
氧腦型氧中毒
最初出現額、眼、鼻、口唇及面頰肌肉的纖維性顫動,也可累及手的小肌肉;面色蒼白、有異味感。繼而可有噁心、嘔吐、眩暈、汗、流涎、上腹部緊張;也可出現視力喪失、視野縮小、幻視、幻聽;還會有心動過緩、心悸、氣哽、指(趾)端發麻、情緒反常(憂慮、抑鬱、煩躁或欣悦)。接着出現極度疲勞、嗜睡、呼吸困難等。少數情況還可能發生虛脱。
氧眼型氧中毒
主要表現為視網膜萎縮。早產嬰兒在恆温箱內吸氧時間過長,視網膜有廣泛的血管阻塞、成纖維組織浸潤、晶體後纖維增生,可因而致盲。
氧儲存運輸
置耐壓鋼瓶內,在35℃以下保存。
氧檢測方法
氧來源
本品含O2不得少於99.5%(mL/mL)。
氧性狀
本品為無色氣體,無臭,無味,有強助燃力。
本品1容在常壓20°C時,能在乙醇7容或水32容中溶解。
氧鑑別
本品能使熾紅的木條突然發火燃燒。
氧檢查
酸鹼度
取甲基紅指示液與溴麝香草酚藍指示液各0.3mL,加水400mL,煮沸5分鐘,放冷,分取各100mL,置甲、乙、丙3支比色管中,乙管中加鹽酸滴定液(0.01mol/L)0.20mL,丙管中加鹽酸滴定液(0.01mol/L)0.40mL,再在乙管中通本品2000mL(速度為每小時4000mL),乙管顯出的顏色不得較丙管的紅色或甲管的綠色更深。
一氧化碳
取甲、乙2支比色管,分別加微温的氨制硝酸銀試液25mL,甲管中通本品1000mL(速度為每小時4000mL)後,與乙管比較,應同樣澄清無色。
二氧化碳
取甲、乙2支比色管,分別加5%氫氧化鋇溶液100mL,乙管中加0.04%碳酸氫鈉溶液1.0mL,甲管中通本品1000mL(速度為每小時4000mL)後,所顯渾濁與乙管比較,不得更濃(0.01%)。
其他氣態氧化物質
取新制的碘化鉀澱粉溶液(取碳化鉀0.5g,加澱粉指示液100mL溶解,即得)100mL,置比色管中,加醋酸1滴,通本品2000mL(速度為每小時4000mL)後,溶液應無色。
氧含量測定
儀器裝置
如圖: A、C為總容量約300mL的吸收器,B為適宜的塞子,D、E及I為細玻璃導管,F為刻度精密至0.1mL、容量為100mL的量氣管主體,G為三通活塞,H為氣體進出口,J為平衡瓶。臨用前用橡膠管將吸收器與量氣管連接,後者再與平衡瓶連接。
測定法
先將銅絲節(取直徑約0.8mm的紫銅絲纏成直徑約4mm的銅絲卷並剪成長約10mm的小節)裝滿於吸收器A中,用塞B塞緊,再將氨-氯化銨溶液(取氯化銨150g,加水200mL,隨攪隨小心加濃氨溶液200mL,混勻)導入,使充滿A並部分留於C中,再將飽和氯化鈉溶液注入平衡瓶J中,提高平衡瓶,使飽和氯化鈉溶液充滿F,多餘溶液由H流出,轉動G接通拱氣管與吸收器,下降平衡瓶使吸收器中的溶液全部充滿導管D、E、I和活塞G的入口,立即關閉活塞,如有氣體和部分氨-氯化銨溶液進入量氣管時,可提高平衡瓶轉動活塞,使由H排出。
將供試品鋼瓶接上減壓閥(專供氧氣用),後者出口接上橡膠管,小心微開鋼瓶氣閥,再開減壓閥使氧氣噴放1分鐘後,調整至較弱的氣流。
將橡膠管另一端連接在氣體進出口H上,俟量氣管裝滿本品後,關閉G並立即拆去氣體進出口H上的橡膠管,靜置數分鐘,轉動G接通氣體進出口H,將平衡瓶徐徐升降(為防止吸入外界空氣,應注意使平衡瓶內的液麪略高於量氣管內的液麪),使量氣管內的液麪恰達刻度100mL處。轉動G接通量氣管與吸收器,舉起平衡瓶使供試品進入吸收器A中,當飽和氯化鈉溶液流經導管I並充滿導管D時,關閉G並將吸收器A小心充分振搖5~10分鐘,俟氣體被吸收近完畢時(所剩者為氮或其他不被吸收的氣體),轉動G接通量氣管與吸收器,降低平衡瓶,將剩餘氣體由吸收器轉入量氣管中,當氨-氯化銨溶液充滿吸收器A並經導管D、E與I通過活塞G時,關閉活塞。
約5分鐘後,調節平衡瓶的液麪使量氣管內的氣體壓力與大氣壓力一致,讀出量氣管內的液麪刻度,算出供試品的含量。
為了檢查氧是否完全被吸收,應重複上述操作,自“轉動G接通量氣管與吸收器,舉起平衡瓶”起,依法操作,至剩餘的氣體體積恆定為止(二次差不大於0.05mL)。
檢查或測定前,應先將供試品鋼瓶在試驗室温度下放置6小時以上。
氧類別
用於缺氧的預防和治療。
- 參考資料
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- 1. Oxygen .Pubchen[引用日期2014-07-12]
- 2. 北京師範大學無機化學教研室,華中師範大學無機化學教研室,南京師範大學無機化學教研室.無機化學(第四版):高等教育出版社,2003.
- 3. 科學家在距地球132.8億光年外發現氧 .海外網[引用日期2018-05-18]
- 4. 李春昌.《“氧中毒”是因為氧氣吸多了嗎?》:《中國社區醫師》,2010第18期
- 5. 常文保.化學詞典.北京:科學出版社,2008.05:69.
- 6. 姚鳳儀.氧、硫、硒分族.北京:科學出版社,2011.09:14.
- 7. 深研潛行,發現之路更堅實——2023年世界科技發展回顧·基礎研究篇 .科技日報.2024-01-09[引用日期2024-01-09]
- 8. 王忠主編.植物生理學[M].北京:中國農業出版社,2000.05:121
- 9. 北京市第一輕工業研究所編輯.科技成果選編 1975[M].北京市第一輕工業研究所,1975:16