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(化學元素)

鎖定
氧(Oxygen),元素週期表第二週期第16族非金屬元素,元素符號O,原子序數8,相對原子質量15.9994。 [5] 
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] 
氧密度為1.404g/L,液態相對密度為1.149(-183℃),固態相對密度為1.426(-252.5℃),熔點-218.79℃,沸點-182.95℃。氧不易溶於水、乙醇和有機溶劑,電負性僅次於氟,所有化學元素都能與氧直接或間接化合生成各類氧化物;除惰性氣體、鹵素及一些不活潑金屬(如等)外,氧能與所有的金屬和非金屬直接反應。可與活潑金屬形成過氧化物和超氧化物。實驗室可用氯酸鉀硝酸鉀熱分解制備,也可用重金屬氧化物熱分解或金屬過氧化物與水和酸反應制備;工業上採用液態空氣分餾方法制備。 [5] 
氧氣是動物維持生命過程和燃燒過程的必要物質,還廣泛應用於冶金、化工、環保等領域。 [5] 
2023年,科學家首次創造出含有8個質子和20箇中子的氧同位素:氧-28。 [7] 
中文名
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
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

研究簡史

氧元素是由英國化學家約瑟夫·普利斯特里瑞典藥劑師及化學家舍勒於1774年分別發現。但是普利斯特里卻支持燃素學説。 [2]  另有説法認為氧氣首先由中國人馬和首先發現。
1608年,Cornelius Drebbel證明了加熱硝石硝酸鉀,KNO₃)能釋放氣體。這就是氧氣,然而並沒有對它進行鑑定。 [2] 
1615年,荷蘭化學家C.J.Drebbel曾通過加熱硝酸鉀製得氧氣,並且把氧氣用在水下潛艇中。 [6] 
1678年,英國化學和物理學家R.Boyle以及O.Borch曾分別加熱硝石製得氧氣。 [6] 
1731年,Halec通過加熱硝石製取氧氣,並在水上收集之。 [6] 
1774年,法國醫藥視察員P.Bayen在曲頸甑中加熱氧化汞獲得了氧氣。 [6] 
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。
舍勒 舍勒
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] 
2023年,東京工業大學近藤洋介團隊及多國研究人員通過將氟原子高能束粉碎成液態氫,首次創造出含有8個質子和20箇中子的氧同位素:氧-28。 [7] 

理化性質

物理性質

液態氧 液態氧
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,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] 

化學性質

氧的非金屬性電負性僅次於,除了,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氟鉑酸氧(O₂PtF₆)中顯示+2價和+1價以及+0.5價。 [2] 
氧氣瓶 氧氣瓶
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,但是有三氧化二金氫氧化金等化合物,其中金為+3價;氧氣不能和發生反應,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。

製備方法

實驗室製法

1.加熱高錳酸鉀或錳酸鉀:
2.二氧化錳氯酸鉀共熱 [2] 
3.過氧化氫溶液催化分解(催化劑主要為二氧化錳,三氧化二鐵氧化銅也可以):
二氧化錳與過氧化氫反應裝置 二氧化錳與過氧化氫反應裝置

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。
有氧氣生成的化學反應
電解硫酸銅溶液
電解水
光合作用總反應式
[8] 
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
[9] 
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

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%。

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:

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。

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。

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。

儲存運輸

置耐壓鋼瓶內,在35℃以下保存。

檢測方法

來源

本品含O2不得少於99.5%(mL/mL)。

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。

鑑別

本品能使熾紅的木條突然發火燃燒。

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。

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。

類別

用於缺氧的預防和治療。
參考資料
  • 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