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氧（化學(xué)元素）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-23

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氧

化學(xué)元素

氧（英文名：Oxygen）是一種化學(xué)元素，符號為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，可以與其他元素結(jié)合組成化合物，是維持動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（O₂）和臭氧（O₃）。O₂主要用于維持生物體呼吸，而O₃能吸收太陽光的紫外輻射，并轉(zhuǎn)化為對動植物無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強射的重要屏障。

基本信息

中文名

氧

英文名

oxygen

拼音

yang

元素符號

原子序數(shù)

原子質(zhì)量

15.999

元素類別

非金屬元素

族

VI A族

周期

第二周期

區(qū)

p區(qū)

電子排布

[He]2s2p

CAS編號

17778-80-2

物理性質(zhì)

物態(tài)

氣態(tài)

熔點

54.36K

沸點

90.18777777777778K

熔化熱

0.44 kJ/mol

汽化熱

6.78 kJ/mol

水溶性

0.044 g/（100g水）

原子性質(zhì)

氧化態(tài)

-2，-1，+1，+2

電負(fù)性

3.44（鮑林標(biāo)度）

原子半徑

152 pm (范德華)

發(fā)現(xiàn)歷史

氧元素的發(fā)現(xiàn)與確立最早和燃燒過程有關(guān)。1703年，德國化學(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”，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）通過加熱硝石（亞硝酸鹽）得到了氧氣，他當(dāng)時并沒有認(rèn)識到這是一種獨特的元素，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，英國化學(xué)家約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）通過加熱氧化汞（HgO）產(chǎn)生了氧氣，但由于他是燃素說的崇拜者，使得他認(rèn)為實驗中產(chǎn)生的氣體是一種“脫燃素空氣”。

1777年，法國化學(xué)家拉瓦錫通過實驗也產(chǎn)生了氧氣，并對該氣體的性質(zhì)進行了研究，通過結(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，推翻了燃素說，但是他錯誤地認(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中的酸（oxys）和形成（genes）來命名這種氣體，稱之為氧（oxygen）。

1860年前后，比利時分析化學(xué)家斯塔，J-S（Jean-Servais Stas）用十多年的時間對原子質(zhì)量進行了精密的測定，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，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，美國化學(xué)家威廉·弗朗西斯·吉奧克（William Francis Giauque）和約翰斯頓（Johnston）在對氧氣熵的研究中，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)，熔點是54.36 K，沸點是90.188 K。氧在宇宙中的含量僅次于氫和氦，是第三豐富的元素。氧有氧氣（O₂）和臭氧（O₃）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]2s2p，氧化態(tài)有-2、-1、+1、+2。氧的電負(fù)性僅次于氟，只有與氟化合時氧化態(tài)才為正值。氧是一種高反應(yīng)性元素，非常活潑，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。氧還是動植物和人體呼吸及大多數(shù)燃燒過程所必需的元素。

氧的化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為氧化性，主要通過氧的單質(zhì)來體現(xiàn)。比較氧單質(zhì)的電極電勢可看出O₃是比O₂更強的氧化劑，臭氧無論在酸性或堿性條件下都比氧氣具有更強的氧化性，臭氧是最強的氧化劑之一。

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氧化物（如Na₂O₂）和超氧化物（如KO₂）。

與化合物直接反應(yīng)：在常溫下，氧能與化合物直接作用。如：

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（H₂O含有15%的O）。

氧同位素的原子質(zhì)量、半衰期以及發(fā)現(xiàn)時間

同位素符號	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 = 10s）	2019
O	12.034367726 ± 0.000012882	8.9 zs ± 3.3（1 zs = 10s）	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（O₂）：氧氣是一種無色、無味的氣體，其分子式由兩個氧原子構(gòu)成，是氧在自然界中的主要存在形式。O₂不可燃，是一種助燃劑，一些不會在空氣中燃燒的材料會在氧氣中燃燒，并且在空氣中燃燒的材料在氧氣中會燃燒得更劇烈。O₂還是維持生物體呼吸的不可或缺的組分。

臭氧（O₃）：臭氧是一種淡藍色的，具有特征性氣味的氣體，其分子式由三個氧原子構(gòu)成，屬于O₂的同素異形體。O₃是由太陽對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。O₃具有很強的氧化能力，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、石蕊等染料褪色。O₃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

實驗室制法

加熱分解鹽：

加熱分解重金屬氧化物，如汞、銀等重金屬的氧化物加熱就會失去氧：

過氧化氫的加熱或催化分解：

金屬過氧化物與水或酸反應(yīng)：

電解水：

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。

低溫分離空氣法：根據(jù)熱力學(xué)原理采用物理方法將空氣壓縮、冷卻液化，然后按照氧和氮組分的沸點不同（在大氣壓下氧的沸點約為90 K，氮的沸點約為 77 K），經(jīng)多級分餾以及質(zhì)、熱交換，低沸點的氮組分不斷地濃集于蒸氣相之中，而高沸點的氧組分不斷地從蒸氣中冷凝聚集在液相之中，使得蒸氣相中氮組分含量不斷提高，液相中氧組分含量越來越高，從而使氧、氮分離。該方法所有操作均是在120 K 以下的溫度條件下進行的，故稱為低溫分離空氣法。該方法產(chǎn)量大且純度高，耗能低，是世界應(yīng)用最廣泛的制氧方法。
變壓吸附法：也叫PSA 法（Pressure Swing Adsorption），是根據(jù)分子篩對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而分離獲得氧。將壓縮后的空氣通過分子篩，由于氮分子大小大于氧分子，氮組分會優(yōu)先被吸附，而氧分子留在氣相中，從而使得氧、氮分離。采用該方法制氧，氧的回收率一般在 60%~70%。
膜分離法：利用有機聚合膜的滲透選擇性，從氣體混合物中分離出富氧氣體。理想的聚合膜材料應(yīng)具有優(yōu)異的選擇性和滲透性。該方法裝置簡單，操作方便，但是成本太高。

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（C₂H₂）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層，保護地球表面免受太陽紫外線輻射。氧氣用于支持動植物呼吸和燃燒過程。

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)，它們通常會在物理、化學(xué)和生物過程中被分化，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)。

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