氧气：化学性质、历史、存在形式与应用

氧气：化学性质、历史、存在形式与应用

氧气是化学元素周期表中第16族（VIa族或氧族）的非金属元素，其原子序数为8，原子量为15.9994。氧气是一种无色、无味、无臭的气体，对生物体至关重要，动物吸入氧气将其转化为二氧化碳，而植物则利用二氧化碳作为碳源并释放氧气到大气中。氧气几乎能与所有其他元素反应形成化合物，这些反应通常伴随着热量和光的释放，称为燃烧。水是氧气最重要的化合物之一。

历史

氧气的发现可以追溯到1772年，瑞典化学家卡尔·威尔海姆·舍勒通过加热硝酸钾、氧化汞等多种物质首次获得氧气。1774年，英国化学家约瑟夫·普利斯特里独立发现了氧气，他通过热分解氧化汞的方法制得了氧气，并于同年发表了这一发现，比舍勒早三年发表。1775年至1780年间，法国化学家安托万-洛朗·拉瓦锡凭借非凡的洞察力，揭示了氧气在呼吸和燃烧中的作用，摒弃了当时普遍接受的燃素理论，并注意到氧气与许多不同物质结合形成酸的倾向，因此将这种元素命名为“氧气”（oxygène），源自希腊语中的“酸形成者”。

存在与性质

在地球的地壳中，氧气以46%的质量占比成为最丰富的元素。在大气中，氧气的体积占比为21%，而在海水中，其重量占比达到89%。在岩石中，氧气通常以金属和非金属的氧化物形式存在，这些氧化物可以是酸性的（如硫、碳、铝和磷的氧化物），也可以是碱性的（如钙、镁和铁的氧化物）。此外，它们还可以形成盐类化合物，这些化合物可以看作是酸性氧化物和碱性氧化物的结合，如硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐、铝酸盐和磷酸盐。尽管这些固体化合物很丰富，但将氧气从与金属原子的紧密结合中分离出来成本太高，因此它们不是制取氧气的实用来源。

在温度低于-183°C（-297°F）时，氧气会变成淡蓝色的液体；当温度降至约-218°C（-361°F）时，氧气会变成固体。纯氧气的密度是空气的1.1倍。

在呼吸过程中，动物和某些细菌从大气中摄取氧气并释放出二氧化碳，而绿色植物则在光合作用中利用二氧化碳，在阳光的作用下合成有机物并释放出自由氧。几乎所有的自由氧都是通过光合作用产生的。大约3体积的氧气可以溶解在100体积的淡水（20°C或68°F）中，海水中的溶解度略低。溶解氧对鱼类和其他海洋生物的呼吸至关重要。

自然界中的氧气主要由三种稳定的同位素组成：氧-16（99.759%）、氧-17（0.037%）和氧-18（0.204%）。人工制备的放射性同位素中，氧-15的半衰期最长，为124秒，已被用于研究哺乳动物的呼吸过程。

同素异形体

氧气有两种同素异形体：双原子（O2）和三原子（O3，即臭氧）。双原子形式的性质表明，六个电子用于原子间的键合，而两个电子保持未配对状态，这解释了氧气的顺磁性。臭氧分子中的三个原子并不在同一直线上。

臭氧可以通过以下反应从氧气制备：

这个过程是吸热的，需要能量输入才能进行；臭氧转化为双原子氧的过程则受到过渡金属或其氧化物的促进。纯净的氧气在电火花作用下部分转化为臭氧；紫外线（约250纳米波长）的吸收也会导致这一转化。这种过程在高层大气中发生，有助于吸收对地表生物有害的辐射。臭氧具有刺鼻的气味，在电气设备放电的封闭空间中可以闻到。臭氧是淡蓝色的，其密度是空气的1.658倍，沸点为-112°C（-170°F）。

臭氧是一种强大的氧化剂，能够将二氧化硫转化为三氧化硫，硫化物转化为硫酸盐，碘化物转化为碘（提供了一种分析测定方法），并能将许多有机化合物转化为含氧衍生物，如醛和酸。臭氧将汽车尾气中的碳氢化合物转化为这些酸和醛，增加了烟雾的刺激性。在商业应用中，臭氧已被用作化学试剂、消毒剂、污水处理、水净化和纺织品漂白。

制备方法

实验室制备氧气的方法包括：

1. 某些盐类（如氯酸钾或硝酸钾）的热分解：

这种分解过程可以通过催化剂（如二氧化锰）来催化，催化剂可以将所需的温度从400°C降低到250°C。

2. 重金属氧化物的热分解：

舍勒和普利斯特里在他们的氧气制备实验中使用了氧化汞。

3. 金属过氧化物或过氧化氢的热分解：

早期商业制备氧气或过氧化氢的方法依赖于以下反应：

4. 电解水，其中含有少量的盐或酸以允许电流通过：

商业生产与应用

当需要大量氧气时，通常通过液态空气的分馏来制备。由于氧气的沸点高于氮气和氩气，因此在液态空气的分馏过程中，氧气最后被蒸馏出来。主要步骤包括：

1. 空气过滤以去除颗粒物；
2. 通过碱性物质吸收水分和二氧化碳；
3. 压缩空气并移除压缩产生的热量；
4. 将压缩空气导入装有冷却盘管的容器中；
5. 部分压缩空气（约200大气压）在容器中膨胀以冷却盘管；
6. 膨胀的气体返回压缩机，经过多次膨胀和压缩循环，最终在-196°C下液化空气；
7. 液态空气逐渐升温，首先蒸馏出轻质稀有气体，然后是氮气，最后得到液态氧。经过多次分馏，可以得到纯度足够高（99.5%）的氧气，以满足大多数工业需求。

钢铁工业是最大的氧气消费者，主要用于“吹炼”高碳钢，即通过挥发二氧化碳和其他非金属杂质来加速和控制冶炼过程。使用纯氧处理污水比其他化学方法更有效。在封闭系统中使用纯氧焚烧废物已成为一个重要方法。火箭氧化剂燃料中的液氧（LOX）消耗量取决于太空计划的活动。纯氧还用于潜艇和潜水钟中。在化学工业中，纯氧或富氧空气已取代普通空气，用于制造受氧化控制的化学品，如乙炔、环氧乙烷和甲醇。在医疗领域，氧气用于氧帐、吸入器和婴儿保育箱。富含氧气的气体麻醉剂确保了全身麻醉期间的生命支持。在使用窑炉的许多行业中，氧气也具有重要意义。

化学性质与反应

氧元素的大电子亲和力和电负性是其表现出非金属性质的典型特征。在所有化合物中，氧都表现出负氧化态，这是由其外层两个半满轨道的电子转移决定的。当这些轨道通过电子转移被填满时，就会形成氧离子O2-。在过氧化物（含有O22-离子的物种）中，假设每个氧原子带有-1的电荷。这种接受电子的能力，无论是通过完全转移还是部分转移，定义了一个氧化剂。当这样的氧化剂与电子供体物质反应时，其氧化态会降低。例如，氧从零价态降低到-2价态。这种变化被称为还原。氧的行为是氧化和还原命名法的基础。

在分子形式的双原子氧（O2）中，在正常温度和压力下，存在两个未配对的电子，它们位于反键轨道中。氧气的顺磁性行为证实了这些电子的存在。氧气的分子形式在正常条件下相对稳定，但在原子形式（O）下则远为活泼。氧分子的解离能（O2→2O）很大，为117.2千卡/摩尔。

氧气在大多数化合物中都表现出-2的氧化态。它形成了广泛的共价化合物，包括非金属氧化物（如水H2O、二氧化硫SO2和二氧化碳CO2）、有机化合物（如醇、醛和羧酸）、常见酸（如硫酸H2SO4、碳酸H2CO3和硝酸HNO3）以及相应的盐类（如硫酸钠Na2SO4、碳酸钠Na2CO3和硝酸钠NaNO3）。在固体金属氧化物的晶格结构中，氧以氧化物离子O2-的形式存在，如氧化钙CaO。金属超氧化物（如超氧化钾KO2）含有O2-离子，而金属过氧化物（如过氧化钡BaO2）则含有O22-离子。