氧气的性质和用途
氧气的性质和用途
氧气是化学中非常重要的一种气体，它不仅是我们非常熟悉的气体，而且是一种非常重要的气体。氧气过去叫做“养气”，因为它是养育一切动植物生命不可缺少的物质。
氧气的物理性质
在通常状况下，氧气是一种无色、无味、无臭的气体，密度比空气略为大些，在 0℃ 和 1 标准大气压下，1 升氧气重 1.429 克（在相同状况下 1 升空气重 1.293 克）。在增加压力和降低温度时，氧气也能变成液态甚至固态。液态氧是一种淡蓝色的液体，它在－183℃ 时沸腾，并在－218℃ 时凝成淡蓝色的固体。
氧气在水中较难溶解。在 20℃ 和 1标准大气压下，1 升水只能溶解 0.03 升的氧气。这些溶解在水里的氧气，对维持水生动物的生命有着重要的作用。
氧气的化学性质
氧气的化学性质十分活泼，它能和许多物质发生化学反应。
氧气和非金属的反应
（1）把赤磷（由磷元素组成的一种红褐色粉末状的单质）放在燃烧匙里，先在酒精灯上加热，使它在空气里燃烧，发出微弱的火光。如果把燃着的磷插入充满氧气的集气瓶里（图1·2），这时磷的燃烧就比在空气里剧烈得多，发出的光也明亮得多。同时瓶里充满了白烟。稍过一些时候，白烟慢慢消失，在瓶壁上附着一层白色的粉末。这种白色固体是磷和氧气发生反应以后生成的新物质，叫做五氧化二磷，赤磷在氧气里燃烧的化学反应可以用下面的式子来表示：
（2）木炭（它的主要成分是碳）在空气里虽然也能燃烧，但只能发出暗红的光。如果把燃着的木炭放进充满氧气的集气瓶里（图1·3），这时木炭燃烧得更加旺盛，发出白色的光辉。在木炭燃烧过的那只集气瓶里，如果倒入一些澄清的石灰水，可以看到石灰水立刻变得混浊，这证明瓶子里有二氧化碳存在。显然，二氧化碳就是碳和氧气发生化学反应后产生的新物质，这个化学反应可以用下面的式子表示：
除了上面所讲的赤磷和碳外，大多数的非金属都能在一定条件下和氧气发生化学反应。例如，氢气在氧气里燃烧生成水，硫在氧气里燃烧生成二氧化硫等。
氧气和金属的反应
绝大多数的金属（除金、铂等少数几种外）也都能和氧气反应。有些化学性质比较活泼的金属（例如钠、钾等），在平常温度下就能和氧气迅速反应。有些金属在高温时能够在纯粹的氧气里剧烈地燃烧起来。例如铁，一般说来在空气里是不能燃烧的，但在纯氧里却可以燃烧，这可以从下面的实验观察得到。
把一根细铁丝盘成螺旋状，铁丝一端缚一根火柴梗，把火柴梗点燃后，立即将铁丝插入氧气瓶里【在贮氧气的集气瓶里，要留有少量的水，以免燃烧的铁屑落到瓶底时把集气瓶爆破】，这时被火柴梗烧热的铁丝在纯氧里发生猛烈的燃烧。由于燃烧时产生很多热量，使燃着的铁丝被灼热成白炽状态，发出强烈的白光，火花四射（图1·4），生成了四氧化三铁。这个变化可以用下面的式子来表示：
从上面氧气和磷、碳、铁等物质所发生的化学反应可以看出，它们都是由两种物质相互反应，结果各变成了一种新物质。
在化学里，由两种或两种以上的物质相互反应生成一种新物质的化学反应，叫做化合反应。
氧气和其他物质的反应
氧气除了和各种非金属、金属化合反应外，还能和其他一些物质，特别是和那些含有碳的成分的物质发生反应。例如，木柴、酒精、煤气（在这些物质里都含有碳的成分）等燃料，都能在空气里燃烧，实际上它们是和空气里的氧气发生反应。
物质跟氧所起的化学反应，叫做氧化反应。物质发生氧化反应时，常放出大量的热。有些氧化反应进行得非常剧烈，在放出热量的同时，还有明显的光产生。例如前面所讲的赤磷、木炭、铁丝等在氧气里的燃烧。但是也有些氧化反应进行得较为缓漫，放出的热随时散失在空气中，物质的温度并不明显升高，常常不易被察觉出来。例如金属在空气里生锈和桐油的变“干”等。
氧气的用途
物质的用途往往决定于该物质的性质。
有些气体在氧气里燃烧时能够产生很高的温度，利用这一性质，可以对某些金属进行加工。例如用一种叫做氧炔吹管的装置，可以使乙炔在氧气里燃烧，火焰（叫做氧炔焰）的温度很高，约达 3000°C 左右，能使钢铁等一般金属熔化。氧炔焰可以用来焊接或切割金属制品。【乙炔（炔音缺）是一种可燃性气体，俗名叫做电石气，它是由碳化钙（俗名“电石”）和水作用而制得的。】
氧炔吹管的结构如图1·5所示。在氧炔吹管里，根据气体的通路，分成内管与外管两部分，内管通入氧气，外管通入乙炔。在管口点燃乙炔时，乙炔就在氧气里燃烧，产生高温的火焰。焊接金属时（图1·6），使火焰先把焊接部分烧红，同时再烧熔一根金属焊条，使从焊条滴下的熔液填结在焊接部分的隙缝里，冷却后，焊接的部分就熔接在一起了，用这样的方法焊接金属制品叫做“气焊”。
如果要切割金属制品，那就必须使氧炔焰产生更高的温度。为了这个目的，可以在焊接金属用的氧炔吹管上面再安装一根附属管，在这根管里也通入氧气（图1·7）。切割金属时，先用氧炔焰把要切割的部分烧成微熔状态，再把附属管的活栓打开，使管口乙炔在燃烧时有更多量的氧气供给，这时火焰的温度可高达 3500℃ 左右。烧熔处的金属迅速燃烧，生成金属氧化物【氧化物是由两种元素组成的化合物，其中一种元素是氧，另一种元素是除氧以外的其他元素。例如水、二氧化碳、五氧化二磷、四氧化三铁等都是氧化物。详见§4-7】（如果切割的金属是钢板，燃烧时生成四氧化三铁，火花向四周飞溅散开，正象前面讨论氧气化学性质时所讲的铁丝在氧气里燃烧的实验那样）。依着要切割的路线缓慢地移动氧炔焰，就可以把金属割断。用这样的方法切割金属制品叫做“气割”。
在冶炼金属时，氧气也有重要的应用。例如炼钢时，如果往炼钢炉里鼓入氧气【可参阅本丛书《化学》第三册“纯氧炼钢”】或“富氧空气”（即添加了氧气的空气），炉内燃料的燃烧速度就可加快。并且，由于空气里氮气的含量相对减少，由它带走的热量也就较少。因此炉内温度可以提高。这样不仅缩短炼钢时间，提高劳动生产率，而且还能提高产品质量。
氧气除了在工业上有重要应用外，在医疗和航空等方面的用途也很广。
人类和其他生物的呼吸都需要氧气。病人如果缺乏氧气时，可用人工方法增加空气里的氧气。在空气不充足的地方，例如高空和水底，人们不能进行正常的呼吸，需要专门供应氧气，所以高空飞行人员或潜水人员，都必须随身携带一种特制的氧气面具。
近年以来，液态氧的应用迅速发展。例如用液态氧浸渍多孔的可燃性物质，如木屑、炭黑、纸粕【纸浆在化学纤维工业中的名称】等，可以制成液氧炸药，用来开山采矿，开沟挖渠。此外，液态氧还用在宇宙火箭的发动机里，促使燃料迅速燃烧，推动火箭前进。
图1·2 赤磷在氧气中燃烧
图1·3 木炭在氧气中燃烧
图1·4 铁丝在氧气中燃烧
图1·5 氧炔吹管结构
图1·6 利用氧炔吹管焊接金属
图1·7 利用氧炔吹管切割金属