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氧氣
無機氧化劑
氧氣的結構式
氧氣（英語：oxygen）是一種單質氧化劑，分子式為O?，在空氣中約占21%（體積分數(shù)），標準狀況下為無色、無味氣體，密度略大于空氣，微溶于水。在101kPa下，當溫度為-183℃時，氧氣液化凝聚為液氧，呈淡藍色液體，當溫度為-218℃時，氧氣則變成淡藍色的雪花狀固體。常溫下化學性質較為穩(wěn)定，與許多物質都不發(fā)生反應，但高溫下化學性質活潑，可與多種元素直接發(fā)生氧化反應，這也與氧的電負性僅次于氟有關。純氧不易燃，但助燃效果好。當長時間暴露在高溫下或與火接觸時，氧氣瓶可能會破裂并發(fā)生爆炸。氧氣被廣泛用于醫(yī)療保障、化工生產、國防行業(yè)等領域，以及對于維持人類和動植物體的正常生命活動至關重要。
基本信息
中文名
氧氣
拼音
yǎng qì
CAS號
7782-44-7
性質
化學式
O?
摩爾質量
31.999g/mol
外觀
無色氣體（常溫常壓）
氣味
無味
密度
1.429g/L（標準狀況下）
熔點
-218.4°C
沸點
-183°C
溶解性
不易溶于水，30mL/L（293K）
log P
0.65
表面張力
0.01347N/m，-183°C（液體）
黏度
101.325kPa，25°C
蒸氣壓
100kPa（-183°C）
危險性
NFPA 704
氧氣
健康危害等級：3（可能造成嚴重或永久性傷害）
易燃等級：0（在典型的火災條件下也不會燃燒。）
不穩(wěn)定性等級：0（即使在火災條件下，通常也很穩(wěn)定）
特殊性：具有氧化性
發(fā)現(xiàn)歷史
關于氧的記載最早出現(xiàn)于公元4世紀：“把銅精靈和水銀揉和在一起，就能釋放出氣體狀的物體。”即當將某一化合物置于水銀上加熱時，就可觀察到氣體（氧氣）的產生。
卡爾舍勒
1773年，瑞典藥劑師卡爾舍勒將含有一小塊磷的密閉燒瓶置于正在燃燒的蠟燭跟前，發(fā)現(xiàn)瓶中的白磷立刻熔化，并在幾秒鐘后爆發(fā)出明亮的火焰，產生大量濃霧沉積在瓶壁上，像是一層白霜。燒瓶冷卻后，他將瓶口朝下放進水中，并在水中拔去瓶塞發(fā)現(xiàn)，水由下而上涌進燒瓶之中的休積，正好是原空氣體積的1/5，并且瓶內剩余氣體不再支持燃燒，他稱其為“死空氣”。后續(xù)實驗中，他將幾只老鼠關到裝滿了這種“死空氣”的罐子中，發(fā)現(xiàn)老鼠很快被窒息而死。后來，舍勒發(fā)現(xiàn)用濃硫酸加熱硝石（硝酸鈉）時，可產生一種可燃氣體，他將即將熄滅的炭置于該氣體中，發(fā)現(xiàn)炭立即迸發(fā)出白色火焰。他發(fā)現(xiàn)除硝石外，以水銀的紅色氧化物為原料進行加熱也能產生氧氣。但舍勒的發(fā)現(xiàn)直到1777年才公諸于眾。
約瑟夫普利斯特
英國化學家約瑟夫普利斯特里將一盆花和一支燃燒的蠟燭同時置于密閉空間內，發(fā)現(xiàn)燭光很快熄滅了，但幾小時過后，花竟然一點兒也沒枯萎，把它放窗臺上，一夜過后，花仍然鮮艷奪日，綠葉蔥蔥。經過大量實驗，他證明植物吸收“固定空氣”（即二氧化碳氣體），而放出“活命空氣”（即氧氣）。這種“活命空氣”維持著動物呼吸，并能使物質燃燒的更加劇烈。1774年，他利用大凸透鏡聚焦太陽光加熱三仙丹（HgO）時，發(fā)現(xiàn)產生了氣體和汞珠，并且該氣體相比于空氣，可使紅熱的木炭燃燒得更加劇烈，并發(fā)出明顯光亮。此外，他將點燃的蠟燭置于該氣體中，發(fā)現(xiàn)蠟燭不僅燃燒正常，而且相比于空氣中更加的耀眼。并且該氣體支持呼吸的功能相當于普通空氣的5-6倍。。由于普利斯特里是從金屬鍛灰中分離產生氧氣，恰好為燃素（可燃的要素，是一種氣態(tài)的物質，存在于一切可燃物質中）的對立物，因此，對化學發(fā)展具有重大意義，他也被現(xiàn)在化學界多數(shù)人認為是第一個發(fā)現(xiàn)氧的人。雖然舍勒和普里斯持利都單獨發(fā)現(xiàn)并制得了氧氣，但由于他們被傳統(tǒng)的燃素說所束縛，被稱為是“當真理碰到鼻尖上時還是沒有得到真理。
拉瓦錫
1775年，法國化學家拉瓦錫在密閉的曲頸甑中將少量水銀連續(xù)加熱12天發(fā)現(xiàn)，水銀沸騰后產生了一部分變成紅色鱗狀物質（氧化汞），同時玻璃罩內的空氣體積減少了1/5左右。他將點燃的蠟燭和小老鼠分別放入玻璃罩，發(fā)現(xiàn)燭火立即熄滅，同時小鼠也因窒息而死。他再對水銀產生的氧化汞進行加強熱，得到了水銀和一種氣體，并且該氣體的體積與先前玻璃罩內減少的空氣體積相等。他將產生的氣體與玻璃罩內的剩余氣體混和發(fā)現(xiàn)，其性質與空氣的性質相同。他將該氣體命名為氧，并通過實驗，提出了氧化學說，推翻了燃素說，并被恩格斯稱為“真正發(fā)現(xiàn)氧氣的人”。
命名歷史
公元8世紀時期，在《平龍認》中最早將氧氣稱為陰氣，并提出制備方法。1661年，英國化學家波義耳將氧氣稱為有助于燃燒的“活化蒸汽”，1773年，瑞典藥劑師卡爾舍勒根據(jù)其發(fā)現(xiàn)過程將氧氣命名為“火焰空氣”，1774年，英國化學家約瑟夫普利斯特將氧氣命名為“脫燃素空氣”（也曾稱為“活命空氣”），1775年，法國化學家拉瓦錫錫將這種極純氣體命名為Oxygen，這也是現(xiàn)代氧氣英文名字的起源。
分布情況
氧氣在空氣的體積分數(shù)約為21%，質量分數(shù)約為23%。大氣中氧氣的分布與海拔高度有關，海拔高度越高，氧氣越稀薄，因樣，水中氧氣的分布也并不均勻，呈現(xiàn)下層少，上層多的狀況。此外，由于綠色植物可通過光合作用將二氧化碳和水轉變?yōu)橛袡C物質和氧氣，因此，在森林等綠色植物較多的地方空氣中的氧氣含量更高。
物質結構
氧氣
氧氣
氧氣
在π軌道中有未成對的單電子，因此，氧氣是所有雙原子氣體中唯一同時具有奇數(shù)電子和順磁性的氣體。但經光譜實驗發(fā)現(xiàn)，氧氣中還存在一種抗磁性物質O?，有尤其在固體氧中存在較多。一般認為O?是由O?締合而成，其締合式可能為
氧氣
締合能為0.54kJ/mol，遠小于正常的O-O鍵能（138kJ/mol），因此，非常容易解締。此外，氧分子的離解能較大，破壞共價鍵所需能量較大，導致氧氣在常溫下的反應性能較差。
液氧中存在締合分子O?，在加溫、加壓下，經分子光譜實驗證明其具有反磁性。
單線態(tài)氧和三線態(tài)氧
根據(jù)分子軌道理論，基態(tài)氧分子的兩個單電子分別占據(jù)兩個
生理作用
人體生命活動
從外界攝取氧氣，再從體內排出二氧化碳的過為成人體新陳代謝的循環(huán)過程。人體從外界呼吸的氧首先進入肺泡，彌散到肺部的毛細血管中，與血紅蛋白結合成氧合血紅蛋白，再在心臟作用下攜帶氧的血液由動脈輸往全身，當?shù)竭_毛細血管時，氧合血紅蛋白解離出氧并攜走二氧化碳，這時由氧合血紅蛋白解離出來的氧為溶解氧，進入細胞。與糖、蛋白質、脂肪作用產生熱量釋放機械能，為人體生命活動提供能量。
此外，人體的皮膚也在呼吸，即在皮膚組織內燃燒糖，把它分解成二氧化碳和水，于此同時通過汗孔與外界空氣進行交換。通過皮膚呼吸散發(fā)熱、排泄有害物質、蒸發(fā)水分等。雖然皮膚呼吸量僅是肺呼吸量的1%，但只要皮膚呼吸停止40分鐘就可能會導致人體死亡。
植物體生命活動
與人體不同，綠色植物既能消耗氧氣，又能產生氧氣。綠色植物通過光合作用，利用太陽輻射能在水的參與下將二氧化碳轉換為碳水化合物，并放出氧氣，而在進行呼吸作用時，吸收氧氣將體內一部分碳水化合物氧化還原為二氧化碳放出，同時把在光合作用時固定的能量的一部分重新釋放出來、因此，呼吸作用是光合作用的逆反應，白天，光合作用與呼吸作用是同時進行的；夜間，光合作用停止，只存在呼吸作用。
動物體生命活動
水生動物
水中氧含量只有空氣中氧含量的5%，而且氧在水中的擴散速度更慢一些，所以對于水生動物來說，它們擁有比陸生動物更有效的呼吸器官，即，水生動物通常靠鰓吸入氧氣維持生命活動。
陸生動物
無尾兩棲類動物通過肺和皮膚進行呼吸，肺內壁呈蜂窩狀，但肺的表面積不大，因此，皮膚呼吸仍占重要地位。爬行動物的肺雖然和兩棲類一樣為囊狀，但其內壁有復雜的間隔，把內腔分隔成蜂窩狀小室，使其與空氣接觸的面積增大。肺的結構在不同的動物體內變異很大，最簡單的形式仍為一囊。
同素異形體
氧氣的同素異形體有臭氧（O?）、四聚氧（O?）、八聚氧（O?），其中臭氧最為常見。與氧氣不同的是，臭氧在標準狀況下為淺藍色氣體，有魚腥臭味，具有反磁性。常溫下可緩慢分解。實驗室中，控制溫度為7℃，在氧氣中進行無聲放電，可將氧氣轉變?yōu)槌粞酰⑶宜频某粞醯臐舛瓤蛇_10%。此外，當大氣中產生雷電火花時也能得到少量臭氧。
理化性質
物理性質
標準狀況下，氧氣為無色、無味氣體，熔點-218.8℃，沸點-183.1℃，密度略大于空氣密度，為1.429g/L。氧氣為非極性分子，不易溶于水，20℃時，溶解度為30cm3氧氣/dm3水，氧氣在鹽水中的溶解度略小于純水中，但氧氣在許多有機溶劑（如乙醚、CCl?、丙酮、苯等）中的溶解度比在水中的溶解度高10倍左右。在101kPa下，-183℃時，氧氣經凝聚變?yōu)橐貉鯛顟B(tài)，呈淡藍色，且具有流動性，當進一步冷卻至-219℃時，氧氣則凝聚形成淡藍色的雪花狀固體，但氧的液體和固體形態(tài)均具有明顯的順磁性。
化學性質
氧氣具有強氧化性和助燃性。在常溫下化學性質較為穩(wěn)定，僅能氧化一氧化氮、氯化亞錫和亞硫酸等強還原性物質，但在高溫時化學性質較為活潑，除鹵素、稀有氣體和Au，Pt、Hg、Ag等少數(shù)貴金屬外，能直接與其它元素發(fā)生氧化反應生成氧化物M?O，并放出大量熱，當金屬元素的活潑性較強時，則可反應生成過氧化物或超氧化物。室溫下，氧氣可以氧化E(θ)<0.6V的還原劑（如S3?、SO?2?等）。在適當條件下，氧氣可與許多無機物（如硫化氫、一氧化碳、硫離子等）及所有的有機物直接反應，或在熱、光、放電等外界條件催化下反應。幾乎所有的有機化合物均能在氧氣中劇烈燃燒生成二氧化碳和水。
與無機物反應
分類 | 無機物 | 化學方程式 | 反應現(xiàn)象 |
金屬 | 鉀 |  | 鉀被氧化生成氧化鉀，表面變暗 |
 | 燃燒條件下，氧氣與鉀反應生成過氧化鉀 | ||
 | 生成超氧化鉀 | ||
鈉 |  | 鈉的光亮表面在接觸到空氣（氧氣）后很快變暗，生成氧化鈉 | |
 | 點燃時，鈉燃燒產生黃色火焰，并放出大量的熱，生成淡黃色粉末，即過氧化鈉 | ||
鎂 |  | 鎂劇烈燃燃發(fā)出耀眼的強光，放出大量熱，生成白色粉末狀固體，即氧化鎂 | |
鋁 |  | 鋁燃燒發(fā)出的光，并放出熱量，生成白色固體氧化鋁 | |
鐵 |  | 加熱條件下，鐵與氧氣反應生成紅棕色粉末，即氧化鐵 | |
 | 鐵絲劇烈燃燒，放出大量熱，并生成黑色固體，即四氧化三鐵 | ||
銅 |  | 加熱后，銅與氧氣反應生成黑色固體，即氧化銅 | |
非金屬 | 氫氣 |  | 氫氣燃燒，產生淡藍色的火焰，生成水并放出大量的熱 |
碳 |  | 氧氣充足時，碳燃燒劇烈，發(fā)出白光，并放出熱量，生成使澄清石灰水變渾濁的氣體二氧化碳 | |
 | 氧氣不足時，碳與氧氣反應生成一氧化碳 | ||
硫 |  | 硫在空氣中燃燒產生微弱的淡藍色火焰；在純氧中燃燒發(fā)出藍紫色火焰，生成有刺激性氣味的氣體，并放出熱量 | |
白磷 |  | 白磷在充足氧氣中燃燒，產生黃色火焰，并生成白色粉末狀固體，即五氧化二磷 | |
氮氣 |  | 氮氣與氧氣可在放電條件下反應生成一氧化氮 | |
化合物 | 硫化氫 |  | 氧氣充足時，硫化氫在氧氣中燃燒劇烈，生成水和刺激性氣體二氧化硫 |
 | 氧氣不足時，硫化氫與氧氣反應生成硫單質和水 | ||
硫化亞鐵 |  | 該反應即為煅燒黃鐵礦的過程，生成紅棕色粉末（氧化鐵）與刺激性氣體（二氧化硫） | |
二氧化硫 |  | 在氧化釩催化并加熱下，二氧化硫與氧氣反應生成三氧化硫 | |
氨氣 |  | 氨氣在純氧中燃燒生成氮氣和水 | |
 | 在鉑催化并加熱下，氨氣與氧氣反應生成一氧化氮和水 |
與有機物反應
有機物 | 化學方程式 | 備注 |
烴類 |  | 氣態(tài)烴類在氧氣中燃燒通常發(fā)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 |  | |
乙烯 |  | |
 | 以Co（Ⅱ）、Ni（Ⅰ）、V（V）、Fe（Ⅲ）、Mn（Ⅰ）的配合物為催化劑，氧氣可以與烯烴和環(huán)烯發(fā)生環(huán)氧化反應；用N-羥基鄰苯二甲酰亞胺、吡啶和Mn（Ⅰ）的四苯基卟啉氯化物將氧氣活化后，可以將苯乙烯、環(huán)已烯、1，2-二苯乙烯環(huán)氧化；向有位阻的烯烴中加入催化量氮氧化物（NO?，NO，NO）后，可以被氧氣環(huán)氧化；在鋅粉存在下，以溶于丙酸和1，2-二氯乙烷的三氯化銪為催化劑，氧氣可以將1-己烯環(huán)氧化 | |
乙炔 |  | |
苯 |  | |
 | ||
碳氫氧化合物 |  | |
甲醇 |  | |
乙醇 |  | |
 | ||
脂肪 |  | |
氯仿 |  |
制備方法
光合作用
綠色植物可通過吸收光能將二氧化碳和水轉變?yōu)橛袡C物和氧氣。
實驗室制法
因為在氧化物或含氧酸鹽中，氧的氧化態(tài)為-2價，所以可通過化學方法將O2?氧化為零價氧的方法制取氧氣。如加熱氧化汞等金屬氧化物、過氧化鋇等過氧化物和硝酸鈉等均可制備氧氣。實驗室最常用的主要為加熱高錳酸鉀、過氧化氫和氯酸鉀三種方法。
高錳酸鉀法
高錳酸鉀法通過加熱高錳酸鉀，使其受熱分解產生氧氣，具有制備時間短、操作簡便和便于收集的特點：
高錳酸鉀制取氧氣實驗裝置圖
過氧化氫法
氯酸鉀法
實驗室中最常用的方法是以二氧化錳為催化劑，使氯酸鉀加熱分解。即，在二氧化錳作用下，當加熱至200℃時，氯酸鉀分解產生氧氣。
工業(yè)制法
分離液態(tài)空氣法
分離液態(tài)空氣法利用氧氣和氮氣的沸點不同，從空氣中分離制備氧氣，是一種物理制取氧氣的方法。首先，清除空氣中的灰塵和機械雜質。由于液態(tài)氮的沸點（‐196℃）低于液態(tài)氧的沸點（‐183℃），更容易通過蒸發(fā)除去，因此，當在低溫條件下，通過加壓使?jié)崈艨諝廪D變?yōu)橐簯B(tài)后，可通過蒸發(fā)將氮氣從液態(tài)空氣中除去，從而獲得較為純凈的液態(tài)氧，該方法可制備得到純度高達99.5%的液態(tài)氧。為了便于儲存運輸和使用，通常將制得的氧氣加壓后貯存于藍色鋼瓶中。
膜分離技術
膜分離技術指在一定壓力下，讓空氣通過具有富集氧氣功能的薄膜來制備氧氣，該方法制備得到的氧氣純度可達到90%以上。該方法使用時首選的膜材料必須同時具有高滲透性和對氧氣的高選擇性。
水電解法
變壓吸附法
變壓吸附法指在高壓下，將壓縮空氣通入吸附床，利用沸石對氮氣和氧氣的選擇性不同，以及氧氣的分壓較低的特點，去除空氣的氮氣，并且在出口處獲得富氧空氣。過一段時間后，可通過降低壓力的方法去除吸附床上吸附的氮氣數(shù)量，增大吸附能力，進而提升出口處的氧氣純度。
檢測方法
氣相色譜法等。
應用領域
醫(yī)療保障
富氧空氣或純氧在臨床醫(yī)療中用于治療各種類型的缺氧、呼吸困難以及任何其它大量消耗氧氣的疾病，如用于治療呼吸系統(tǒng)疾病、一氧化碳中毒等疾病，以及當誤吸（化學性肺炎）或吸入有毒氣體可能導致肺損傷，進而導致正常氧合受損時，需要輔助供氧。此外，氧氣在潛水、登山、航天飛行等方面對于保障人體正常活動也非常重要。
化工生產
化學工業(yè)中，氧氣可用于生產制備過氧化鈉、氧化鉛、硫酸、硝酸和磷酸等物質，還可直接氧化乙烯生產環(huán)氧乙烷、合成氣（H?+CO）、紙漿漂白、污水處理、漁業(yè)養(yǎng)殖等領域。此外，氧的同位素之一1?O常作為示蹤原子（試劑H?O1?）用于化學反應機理的研究。
煉鋼工業(yè)
大量的純氧用于煉鋼，煉鋼工業(yè)耗氧量占氧生產總量的60%以上，氧氣可用于制備光導纖維和半導體器件、工藝中熱氧化、金屬焊接和切割、熔煉和頂吹氧煉鋼等，此外，氧焰和氧炔焰常用于切割和焊接金屬等。氧氣還可在煉鋼時用于除去Na、P等雜質。
國防行業(yè)
生命活動
氧氣是維持生命體的正常活動、燃燒和氧化過程的重要因素。生物體內利用吸入的氧氣進行緩慢氧化反應為產生的能量維持生命活動，如果供氧低于正常水平，人會變得懶洋洋甚至失去知覺。
安全事宜
儲存運輸
氧氣儲存在壓力為150-160atm的氣瓶中，液氧儲存在絕緣罐中，少量液氧（2-50升）也可以儲存在杜瓦瓶中。并將氧氣容器放置于干凈、陰涼、通風良好、遠離火源、溫度低于30℃的火災風險低的地方，并與還原劑、易（可）燃物、活性金屬粉末等分開存放，同時配備泄漏應急處理設備，氧氣瓶（天藍色，黑字）上的塑料壓碎墊圈要及時更換，切記重復使用，并且禁止使用油或油脂潤滑氧氣瓶上的閥門。
消防措施
當火勢較小時，使用干粉或二氧化碳滅火器進行撲滅；當火勢較大時，使用水、霧或普通泡沫滅火器進行撲滅。氧氣本身不易燃，但可助燃，因此，當氧氣與易燃物接觸時，應先將該區(qū)域與火源隔離開來，隨后使用適宜的滅火劑進行撲滅。此外，若著火區(qū)域的易燃物均為水溶性物質，可通過用水稀釋易燃物來降低著火強度。
將重大泄漏或溢出情況通知安全人員，在保證安全的情況下，排查消除所有點火源，關閉氧氣源，并噴灑大量水以提高受控蒸發(fā)率，此時可能產生大量霧降低能見度屬于正常現(xiàn)象，保持良好通風，并疏散人員。
健康危害
在50%-60%的氧氣環(huán)境中超過6小時可導致肺損傷，包括肺泡水腫、透明膜形成、低氧血癥和進行性纖維化。吸入100%氧氣24小時可引起肺水腫，此外還可能引起咳嗽、惡心、頭暈、肺炎等疾病。長期存在于高濃度氧氣環(huán)境下會導致肺部瘢痕形成。“液態(tài)氧氣對皮膚和組織有刺激性，可能導致眼睛和皮膚凍傷。但氧氣約占人體的65%，當人體氧氣供應不足時，會導致有氧代謝和氧化磷酸化停止、細胞功能障礙和死亡，缺氧數(shù)分鐘即可導致腦細胞無可彌補的損失而死之。因此，缺氧也被認定為是一種可能危及生命的疾病。
防護措施
身體防護：穿長袖特殊工作服（與液氧接觸不會被點燃），并將褲子遮擋在靴子或高幫鞋外，以排出溢出的液體；
手部防護：佩戴絕緣手套；
眼部防護：佩戴護目鏡或面罩。
急救措施
吸入治療：除肺炎外，其余病癥在氧壓降低后迅速恢復。將受傷者轉移到新鮮空氣中處，根據(jù)受傷者的呼吸狀況，進行人工呼吸或佩戴吸氧裝置，并立即就醫(yī)；
皮膚治療：首先將受傷者身上被污染的衣服和鞋子脫下，用大量清水沖洗凍傷處，干燥后，使用無菌的敷料敷在皮膚燒傷處。應注意凍結在皮膚上的衣服在脫下前應先解凍，如果與液氧接觸，用溫水解凍，讓受害者保持冷靜和溫暖，并立即就醫(yī)。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
