氧 -化學元素

化學元素
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氧,元素符號O,于元素周期表第二周期ⅥA族。1774年英國科學家普裏斯特利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。拉瓦錫研究了此種氣體,並正確解釋了這種氣體在燃燒中的作用。氧是地殼中最豐富、分布最廣的元素,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21%。

  • 中文名
  • 外文名
    Oxygen
  • 原子量
    15.9994
  • 單質形態
    氣態
  • 顏色
    無色
  • 原子序數
    8
  • 符號
    O
  • CAS登錄號
    7782-44-7
  • EINECS登錄號
    231-956-9
  • 熔點
    -218.4℃
  • 沸點
    -182.962℃

發現歷史

氧元素是由英國化學家約瑟夫·普利斯特裏與瑞典葯劑師及化學家舍勒于1774年分別發現。但是普利斯特裏卻支持燃素學說。另有說法認為氧氣首先由中國人馬和首先發現。

1777年,法國化學家拉瓦錫提出燃燒的氧化學說,指出物質隻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說,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。

舍勒舍勒

在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鑒定。

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。Joseph Priestley是第一位發布氧元素聲明的人,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。他註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。Priestley不知道的是,Carl Wilhelm Scheele在1771年6月就製取了氧。他寫下了他的發現說明,但直到1777年才發布。Antoine Lavoisier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。

元素分布

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,他們的生物細胞都有類似的組成,其中氧元素佔到了65%的質量。

理化性質

物理性質

基本信息

(Oxygen)是一種化學元素,其原子序數為8,相對原子質量為16.00。由符號"O"表示。在元素周期表中,氧是氧族元素的一員,它也是一個高反應性的第2周期非金屬元素,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于氫和氦,在地殼中,氧則是含量最豐富的元素。氧不僅佔了水質量的89%,也佔了空氣體積的20.9%。

過氧化氫分解製氧氣過氧化氫分解製氧氣

同位素

氧的同位素已知的有十七種,包括氧-12至氧-28,其中氧-16、氧-17和氧-18三種屬于穩定型,其他已知的同位素都帶有放射性,其半衰期全部均少于三分鍾。利用醫用回旋加速器產生的質子,轟擊重氧水之中的氧-18,通過(p,n)核反應,從而獲得可以發射正電子的放射性同位素氟-18離子,用于合成正電子發射電腦斷層掃描檢查所需的示蹤劑氟代脫氧葡萄糖

符號

質子

中子

質量(u)

半衰期

原子核自旋

相對豐度

相對豐度的變化量

12O

8

4

12.034405(20)

580(30)E-24 s [0.40(25) MeV]

0+

13O8513.024812(10)8.58(5) ms(3/2-)

14O

8

6

14.00859625(12)

70.598(18) s

0+

15O

8

7

15.0030656(5)

122.24(16) s

1/2-

16O

8

8

15.9949146 1956(16)

穩定

0+

0.99757(16)

0.99738-0.99776

17O

8

9

16.99913170(12)

穩定

5/2+

0.00038(1)

0.00037-0.00040

18O

8

10

17.9991610(7)

穩定

0+

0.00205(14)

0.00188-0.00222

19O

8

11

19.003580(3)

26.464(9) s

5/2+

20O

8

12

20.0040767(12)

13.51(5) s

0+

21O

8

13

21.008656(13)

3.42(10) s

(1/2,3/2,5/2)+

22O

8

14

22.00997(6)

2.25(15) s

0+

23O

8

15

23.01569(13)

82(37) ms

1/2+#

24O

8

16

24.02047(25)

65(5) ms

0+

25O

8

17

25.02946(28)#

<50 ns

(3/2+)#

26O

8

18

26.03834(28)#

<40 ns

0+

27O

8

19

27.04826(54)#

<260 ns

3/2+#

28O

8

20

28.05781(64)#

<100 ns

0+

備註:畫上#號的資料代表沒有經過實驗的證明,隻是理論推測而已,而用括弧括起來的代表資料不確定性。

化學性質

氧的非金屬性和電負性僅次于,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

儲存氧氣的氧氣袋儲存氧氣的氧氣袋

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隻能說是超氧根離子,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的說法,臭氧化物也一樣,在過氧根中相當于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,隻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,在中學化學中隻要記住氧沒有最高正價。

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,比如在高溫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,,碘發生反應,但是臭氧可以氧化它們。

在元素周期表中屬于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。氧分子在低溫下可形成水合晶體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。氧在地殼中豐度佔第一位。幹燥空氣中含有20.946%體積的氧;水有88.81%重量的氧組成。除了O16外,還有O17和O18等同位素。常見氧化態有-Ⅰ,-Ⅱ,0。共價半徑66pm,第一電離勢1314kJ/mol,電負性3.44。

與金屬的反應
化學方程式現象
與鉀的反應

4K+O2=2K2O

鉀的表面變暗
2K+O2=K2O2

K+O2=KO2(超氧化鉀)

2K+3O2=2KO3(臭氧化鉀)
與鈉的反應4Na+O2=2Na2O鈉的表面變暗
2Na+O2=2Na2O2產生黃色火焰,放出大量的熱,生成淡黃色粉末
與鎂的反應2Mg+O2=點燃=2MgO劇烈燃燒發出耀眼的強光,放出大量熱,生成白色粉末狀固體。
與鋁的反應4Al+3O2=點燃=2Al2O3發出明亮的光,放出熱量,生成白色固體。
與鐵的反應

(鐵銹的形成)

3Fe+2O2=點燃=Fe3O4紅熱的鐵絲劇烈燃燒,火星四射,放出大量熱,生成黑色固體。
與鋅的反應2Zn+O2=點燃=2ZnO
與銅的反應2Cu+O2=加熱=2CuO加熱後亮紅色的銅絲表面生成一層黑色物質。
與非金屬的反應

化學方程式

現象

與氫氣的反應

2H2+O2=點燃=2H2O

安靜地燃燒,產生淡藍色的火焰,生成水並放出大量的熱。[8]

與碳的反應

C+O2=點燃=CO2

劇烈燃燒,發出白光,放出熱量,生成使澄清石灰水變渾濁的氣體。[9]

2C+O2=點燃=2CO (氧氣不充足時)

與硫的反應

S+O2=點燃=SO2

在空氣中燃燒,發出微弱的淡藍色火焰;在純氧中燃燒得更旺,發出藍紫色火焰,放出熱量,生成有刺激性氣味的氣體[10]。該氣體能使澄清石灰水變渾濁,且能使酸性高錳酸鉀溶液或品紅溶液褪色,褪色的品紅溶液加熱後顏色又恢復為紅色。

與紅磷的反應

4P+5O2=點燃=2P2O5

發出耀眼白光,放熱,生成大量白煙。

與白磷的反應

白磷在空氣中自燃,發光發熱,生成白煙。

與氮氣的反應

N2+O2=高溫或放電=2NO

與有機物的反應

如甲烷、乙炔、酒精、石蠟等能在氧氣中燃燒生成水和二氧化碳。

氣態烴類的燃燒通常發出明亮的藍色火焰,放出大量的熱,生成水和能使澄清石灰水變渾濁的氣體。

甲烷CH4+2O2=點燃=CO2+2H2O
乙烯 C2H4+3O2=點燃=2CO2+2H2O
乙炔 2C2H2+5O2=點燃=4CO2+2H2O
2C6H6+15O2=點燃=12CO2+6H2O在空氣中燃燒時,火焰明亮並有濃黑煙。
甲醇2CH3OH+3O2=點燃=2CO2+4H2O
乙醇CH3CH2OH+3O2=點燃=2CO2+3H2O
碳氫氧化合物與氧氣發生燃燒的通式4CxHyOz+(4x+y-2z)O2=點燃=4xCO2+2yH2O(通式完成後應註意化簡!下同)
的燃燒通式4CxHy+(4x+y)O2=點燃=4xCO2+2yH2O
乙醇被氧氣氧化

此反應包含兩個步驟:

氯仿與氧氣的反應2CHCl3+O2=2COCl2(光氣)+2HCl
其它有氧氣參加的化學反應
化學方程式
硫化氫的燃燒

2H2S+3O2(過量)=點燃=2H2O+2SO2[11]

2H2S+O2(少量)=點燃=2H2O+2S[11]

煅燒黃鐵礦4FeS2+11O2=高溫=2Fe2O3+8SO2
二氧化硫的催化氧化

2SO2+O2←催化劑,△→2SO3

空氣中硫酸酸雨的形成

2SO2+O2+2H2O=2H2SO4

氨在純氧中的燃燒4NH3+3O2(純)=點燃=2N2+6H2O
氨的催化氧化
一氧化氮與氧氣的反應

2NO+O2=2NO2

轉化為臭氧的反應3O2=放電=2O3(該反應為可逆反應)

製取方法

實驗室製法

1.加熱高錳酸鉀:

氧

2.二氧化錳與氯酸鉀共熱:

氧

(製得的氧氣中含有少量Cl2、O3和微量ClO2;部分教材已經刪掉;該反應實際上是放熱反應,而不是吸熱反應,發生上述1mol反應,放熱108kJ)。

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):

氧

工業製法

1、分離液態空氣法

在低溫條件下加壓,使空氣轉變為液態,然後蒸發,由于液態氮的沸點是‐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、凈化(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,或通過通路直接輸送到工廠、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套用。

2、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。

3、分子篩製氧法(吸附法)

利用氮分子大于氧分子的特徵,使用特製的分子篩把空氣中的氧離分出來。首先,用壓縮機迫使幹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,即可開啟出氧閥門放出氧氣。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,然後重復上述過程。這種製取氧的方法亦稱吸附法.利用吸附法製氧的小型製氧機已經開發出來,便于家庭使用。

4、電解製氧法

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,同時獲得兩立方米氫。用電解法製取一立方米氧要耗電12~15千瓦小時,與上述兩種方法的耗電量(0.55~0.60千瓦小時)相比,是很不經濟的。所以,電解法不適用于大量製氧。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,電解法也不適用家庭製氧的方法。

有氧氣生成的化學反應

電解硫酸銅溶液

2CuSO4+2H2O=通電=2Cu↓+2H2SO4+O2↑

電解水

2H2O=通電=2H2↑+O2↑

光合作用總反應式

6CO2+6H2O-光,葉綠素→C6H12O6+6O2↑

電解硝酸銀溶液

4AgNO3+2H2O =通電=4Ag↓+4HNO3+O2↑

氟氣與水的反應

2F2+2H2O=O2+4HF

電解鋁

2Al2O3=通電=4Al+3O2↑

加熱氧化銅2CuO=△=2Cu+O2
加熱氧化汞2HgO=△=2Hg=O2

存在形式

單質

氧氣

氧氣,空氣主要組分之一,比空氣重,標準狀況(0℃,101325帕)下密度為1.429克/升。無色、無味。在水中溶解度很小,273k時溶解度為49.1mol/L。壓強為101kPa時,氧氣在約-183攝氏度時變為淡藍色液體,在約-218攝氏度時變成雪花狀的淡藍色固體。氧分子具有順磁性

臭氧

在常溫下,它是一種有魚腥臭味的藍色氣體。臭氧主要存在于距地球表面20~35公裏的同溫層下部的臭氧層中。在常溫常壓下,穩定性極差,在常溫下可自行分解為氧氣。臭氧具有強烈的刺激性,吸入過量對人體健康有一定危害。熔點21K,沸點160.6K,溶解度較大,273k時為494mol/L。具有反磁性。

化合物

氧化物

之前提到的幾乎所有元素都能與氧氣反應,得到的化合物中隻有氧元素和另一種元素的二元化合物是氧化物,如水,CO₂。氧化物有多種多樣,主要分為:酸性氧化物,鹼性氧化物,兩性氧化物,不成鹽氧化物和假氧化物。另外還有一些隻含有氧元素的基團也能形成氧化物,分為:過氧化物,超氧化物,臭氧化物等。

含氧化合物

含氧化合物泛指一切含有氧元素的化合物,比氧化物範圍大,對于組成物質的元素種類無要求。

特殊

四聚氧(O4)

這種氧分子可以穩定存在,預計構型為正四面體或者矩形,從兩種構型中性分子O4,正一價分子O4和負一價分子O₄的基態電子結構,並根據能量最低原則確定了各自的結構參數,從而得到了O4分子2種結構的基態總能量、一價電離能及電子親合勢能。與氧原子、普通氧分子O₂和臭氧分子O₃的計算結果比較,顯示O₄分子可以以正方形結構或正四面體結構形式存在,其中正方形結構更有可能是O4分子的真實空間結構。

紅氧(O8)

隨著室溫下氧氣的壓強超過10GPa,它將出人意料地相變為另一個同素異形體。它的體積驟減,顏色也從藍變成深紅。這種ε相發現于1979年,但當時它的結構並不清楚。基于它的紅外線吸收光譜,1999年,研究人員推斷此相態是O4分子的晶體。但在2006年,X射線晶體學表明這個被稱作ε氧或紅氧的穩定相態實為O8。此結構在理論上不曾被預測:由四個O2分子組成的菱形的O8原子簇。

氧中毒

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,氧中毒主要分以下三種類型:

肺型

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)伴輕度幹咳,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,出現不可控製的咳嗽;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。

早產兒因氧中毒失明早產兒因氧中毒失明

腦型

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。繼而可有惡心、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、煩躁或欣悅)。接著出現極度疲勞、嗜睡、呼吸困難等。少數情況還可能發生虛脫。

眼型

主要表現為視網膜萎縮。 早產嬰兒在恆溫箱內吸氧時間過長,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。

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