氧气：性质，结构，风险，用途 - 化学

的氧气是由符号表示O.是高反应性的气体，这导致了组16的化学元素：硫属元素。该名称是由于几乎所有矿物中都存在硫和氧的事实。

它的高电负性说明了其对电子的贪婪，这使它与大量元素结合在一起。这就是产生大量矿物氧化物以丰富地壳的方式。因此，剩余的氧气组成了大气并使之透气。

氧气通常是空气和水的代名词，但也存在于岩石和矿物中。资料来源：Pxhere。

氧气是宇宙中第三大最丰富的元素，仅次于氢和氦，并且也是地壳质量的主要成分。它的体积百分比为地球大气层的20.8％，占水质量的89％。

它通常具有两种同素异形形式：自然界中最常见的双原子氧（O ₂）和在平流层中发现的臭氧（O ₃）。然而，在其液相或固相中并在巨大压力下存在另外两种（O ₄和O ₈）。

氧气是通过浮游植物和陆地植物进行的光合作用过程不断产生的。一旦产生，它就被释放出来，以使生物可以使用它，而一小部分溶解在海洋中，维持水生生物。

因此，它是生物的基本要素。不仅因为它存在于构成它们的大多数化合物和分子中，而且还因为它干预了它们的所有代谢过程。

尽管在1774年将其隔离归因于卡尔·谢勒（Carl Scheele）和约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley），但有迹象表明，迈克尔·森德吉乔（Michael Sendivogius）于1608年首次实际隔离了氧气。

这种气体在医学实践中用于改善呼吸困难患者的生活条件。同样，氧气用于使人们在减少或无法获得大气氧气的环境中履行其职责。

商业生产的氧气主要用于冶金工业，以将铁转化为钢。

历史

硝化精神

1500年，莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）根据公元前2世纪进行的拜占庭（Byzantium）费洛（Philo）实验进行了研究。C.得出结论，燃烧和呼吸过程中消耗了一部分空气。

1608年，科尼利厄斯·德雷布尔（Cornelius Drebble）指出，加热的硝石（硝酸银，KNO ₃）产生了气体。后来知道的这种气体是氧气。但是Drebble无法将其识别为新商品。

然后，在1668年，约翰·马乔（John Majow）指出，他称其为“硝化蜘蛛（Spiritus nitroaerus）”的部分空气起火，并且在呼吸和物质燃烧时也被消耗。Majow观察到，在没有硝基芳烃的情况下，物质不会燃烧。

Majow进行了锑的燃烧，并观察到锑在燃烧过程中的重量增加。因此Majow得出结论，锑与硝基芳烃结合在一起。

发现

尽管它没有得到科学界的认可，但在生命中或死亡之后，迈克尔·桑迪沃吉斯（Michael Sandivogius，1604年）可能是真正的氧气发现者。

Sandivogius是瑞典的炼金术士，哲学家和医生，产生了硝酸钾的热分解。他的实验使他释放出氧气，他称其为“生命之粮”。

在1771年和1772年之间，瑞典化学家Carl W Scheele加热了各种化合物：硝酸钾，氧化锰和氧化汞。Scheele观察到从他们身上释放出的气体增加了燃烧，他称其为“火气”。

约瑟夫·普里斯特里的实验

1774年，英国化学家约瑟夫·普里斯特（Joseph Priest）使用一个十二英寸的放大镜加热了汞的氧化物，该放大镜会聚集阳光。氧化汞释放出一种气体，使蜡烛燃烧得比正常情况快得多。

此外，Priestly还测试了气体的生物效应。为此，他将鼠标放在密闭的容器中，预期可以存活15分钟。但是，在有气体存在的情况下，它可以存活一个小时，比估计的时间更长。

牧师于1774年发表了他的研究结果。而谢勒（Scheele）则在1775年这样做。因此，氧气的发现通常归因于Priestly。

空气中的氧气

法国化学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1777年）发现，空气中含有20％的氧气，当一种物质燃烧时，它实际上与氧气结合。

Lavoisier得出结论，物质燃烧过程中出现的表观重量增加是由于空气中的重量减少所致。因为氧气与这些物质结合在一起，因此节省了反应物的质量。

这使Lavoisier可以制定物质保护法。Lavoisier提出了来自根酸“氧”和“基因”形成的氧的名称。因此氧气意味着“形成酸”。

这个名字是错误的，因为不是所有的酸都含有氧。例如，卤化氢（HF，HCl，HBr和HI）。

道尔顿（1810）为水指定了化学式HO，因此，氧的原子量为8。一组化学家，包括：戴维（1812）和贝泽利乌斯（1814）纠正道尔顿的方法，得出结论：水的正确公式是H ₂ O和氧的原子量是16

物理和化学特性

出现

无色，无味，无味气体；而臭氧有刺激性气味。氧气促进燃烧，但它本身并不是燃料。

液态氧。资料来源：美国空军参谋长尼卡·格洛弗

呈液态时（上图）为淡蓝色，晶体也带蓝色。但是它们可以获取粉红色，橙色甚至红色的色调（有关其结构的部分将对此进行说明）。

原子重量

15,999个

原子序数（Z）

8。

熔点

-218.79°C

沸点

-182.962摄氏度

密度

在正常条件下：1,429 g / L。氧气是比空气更稠密的气体。另外，它是热和电的不良导体。并且在其（液体）沸点，密度为1.141 g / mL。

三重点

54.361 K和0.1463 kPa（14.44 atm）。

临界点

154.581 K和5.043 MPa（49770.54 atm）。

熔化热

0.444 kJ /摩尔

汽化热

6.82 kJ /摩尔

摩尔热容量

29.378 J /（摩尔·K）。

蒸汽压力

在90 K的温度下，其蒸气压为986.92 atm。

氧化态

-2，-1，+ 1，+ 2。最重要的氧化态是-2（O ^2-）。

电负性

鲍林标度为3.44

电离能

第一：1,313.9 kJ / mol。

第二：3,388.3 kJ / mol。

第三：5,300.5 kJ / mol。

磁性顺序

顺磁性。

水溶性

氧气在水中的溶解度随着温度的升高而降低。例如：在0ºC时溶解了14.6 mL氧气/ L水，在20ºC时溶解了7.6 mL氧气/ L水。氧气在饮用水中的溶解度高于海水。

在温度25ºC和压力101.3 kPa的条件下，饮用水中可以包含6.04 mL氧气/ L的水；而海水中的氧气只有4.95毫升/升水。

反应性

氧气是一种高反应性气体，在室温和高温下会与几乎所有元素直接反应；还原电位比铜高的金属除外。

它也可以与化合物反应，氧化化合物中存在的元素。当它与葡萄糖反应生成水和二氧化碳时，就会发生这种情况。或木材或碳氢化合物燃烧时。

氧可以通过全部或部分转移来接受电子，这就是为什么它被视为氧化剂的原因。

氧的最常见氧化数或状态为-2。通过该氧化值，可以发现水（H ₂ O），二氧化硫（SO ₂）和二氧化碳（CO ₂）中。

另外，在醛，醇，羧酸等有机化合物中；常见的酸如H ₂ SO ₄，H ₂ CO ₃，HNO ₃; 及其衍生的盐：Na ₂ SO ₄，Na ₂ CO ₃或KNO ₃。在所有这些化合物中，都可以假设存在O ^2-（对于有机化合物而言并非如此）。

氧化物

氧以O ^2-的形式存在于金属氧化物的晶体结构中。

在另一方面，在金属过氧化物，如超氧化钾（KO ₂），氧气存在作为ö ₂ ^-离子。在金属过氧化物中，即过氧化钡（BaO ₂），氧以离子O ₂ ^2-（Ba ²⁺ O ₂ ^2-）的形式出现。

同位素

氧具有三种稳定的同位素：¹⁶ O，丰度99.76％；的¹⁷ O，0.04％; 和¹⁸ O，含0.20％。注意，¹⁶ O是迄今为止最稳定和最丰富的同位素。

结构和电子配置

氧分子及其相互作用

双原子氧分子。资料来源：Claudio Pistilli

处于基态的氧是一个原子，其电子构型为：

2s ² 2p ⁴

根据化合价理论（TEV），两个氧原子共价键合，因此它们各自分别完成其化合八位位。除了能够将来自2p轨道的两个孤立电子配对。

然后，以这种方式出现了具有双键（O = O）的双原子氧分子O ₂（上图）。它的能量稳定性使得氧气从未在气相中作为单个原子被发现，而是作为分子。

因为O ₂是同核的，线性的和对称的，所以它没有永久的偶极矩。因此，它们的分子间相互作用取决于它们的分子质量和伦敦散射力。这些力对于氧气来说相对较弱，这解释了为什么在地球条件下它是气体。

但是，当温度下降或压力增加时，O ₂分子被迫聚结；因此，当O ₂分子被聚结时，O ₂分子被聚结。它们之间的相互作用变得很重要，并允许形成液态或固态氧。为了从分子上理解它们，有必要不要忽视作为结构单元的O ₂。

臭氧

氧可以采用其他相当稳定的分子结构；也就是说，它在自然界（或实验室内）以各种同素异形体形式存在。臭氧（下图）例如O ₃是第二种最著名的氧同素异形体。

由臭氧分子的球棒模型表示的共振杂化体的结构。资料来源：本·米尔斯（Wiki）。

再次，TEV维持，解释并表明，在O _3中必须有共振结构来稳定中心的氧的正形式电荷（红色虚线）。而回旋镖末端的氧气则分配负电荷，使臭氧的总电荷为中性。

这样，债券不是单一的，但也不是双重的。共振杂化的例子在许多无机分子或离子中非常普遍。

O ₂和O ₃的分子结构不同，因此其物理和化学性质，液相或晶体（即使两者都由氧原子组成）也一样。他们认为，有可能大规模合成环状臭氧，其结构类似于带红色的氧化三角形。

这是氧气的“正常同素异形体”的终点。但是，还有两个要考虑的因素：O ₄和O ₈，分别在液态氧和固态氧中发现或提议。

液氧

气态氧是无色的，但是当温度降至-183ºC时，它会凝结成浅蓝色液体（类似于浅蓝色）。现在，O ₂分子之间的相互作用使得即使它们的电子也可以吸收可见光谱红色区域中的光子，以反射其特征性蓝色。

然而，据理论认为，在这种液体中不仅有简单的O ₂分子，而且还有O ₄分子（下图）。似乎臭氧已经被另一个氧原子“卡住”了，该氧原子以某种方式干预了上述正电荷。

拟议的模型结构，其中球体和棒为四氧分子。资料来源：Benjah-bmm27

问题是，根据计算和分子模拟，用于O _4的所述结构不是完全稳定的。然而，他们预测它们确实以（O ₂）₂单元存在，也就是说，两个O ₂分子是如此接近，以致它们形成一种不规则的骨架（O原子彼此不对齐）。

固体氧

一旦温度降至-218.79ºC，氧气便以简单的立方结构（γ相）结晶。随着温度的进一步降低，立方晶体会转变为β（菱形和-229.35°C）和α（单斜晶和-249.35°C）相。

固体氧的所有这些晶相都在环境压力（1个大气压）下发生。当压力增加到9 GPa（〜9000 atm）时，出现δ相，其晶体为橙色。如果压力继续增加到10 GPa，则会出现固体红色氧或ε相（再次为单斜晶）。

ε相是特殊的，因为压力是如此之大，以至于O ₂分子不仅以O ₄单位排列，而且以O ₈单位排列：

具有八氧分子的球体和棒的模型结构。资料来源：Benjah-bmm27

注意，该O ₈由两个O ₄单元组成，可以看到已经说明的不规则框架。同样，将其视为四个O ₂紧密排列并处于垂直位置也是有效的。然而，它们在此压力下的稳定性使得O ₄和O ₈是氧的另外两个同素异形体。

最后，我们得到了金属的ζ相（在大于96 GPa的压力下），其中压力使电子分散在晶体中。就像金属一样。

在哪里找到和生产

矿物质

氧气是宇宙中质量排名第三的元素，仅次于氢和氦。它是地壳中含量最高的元素，约占其质量的50％。主要与氧化硅（SiO ₂）形式的硅结合使用。

氧气是众多矿物质的一部分，例如：石英，滑石，长石，赤铁矿，铜矿，水镁石，孔雀石，褐铁矿等。同样，它是许多化合物（例如碳酸盐，磷酸盐，硫酸盐，硝酸盐等）的一部分。

空气

氧气占大气的20.8％（体积）。在对流层中，主要发现它是双原子的氧分子。在平流层中，距地球表面15至50公里的气态层被发现为臭氧。

臭氧是由O ₂分子上的放电产生的。这种氧的同素异形体吸收了太阳辐射中的紫外线，从而阻止了其对人类的有害作用，在极端情况下，这与黑素瘤的出现有关。

淡盐水

氧气是来自湖泊，河流和地下水的海水和淡水的主要成分。氧是水化学式的一部分，占质量的89％。

另一方面，尽管氧气在水中的溶解度相对较低，但是其中溶解的氧气量对于包括许多种类的动物和藻类的水生生物来说是必不可少的。

众生

人类由大约60％的水组成，同时富含氧气。但此外，氧气是生命必不可少的许多化合物（例如磷酸盐，碳酸盐，羧酸，酮等）的一部分。

氧气也存在于多糖，脂质，蛋白质和核酸中；也就是说，所谓的生物大分子。

它也是人类活动产生的有害废物的一部分，例如：一氧化碳，二氧化碳以及二氧化硫。

生物生产

植物负责用氧气丰富空气，以交换我们呼出的二氧化碳。资料来源：Pexels。

氧气是在光合作用过程中产生的，海洋浮游植物和陆地植物通过光合作用利用光能使二氧化碳与水反应，从而产生葡萄糖并释放氧气。

据估计，光合作用产生的氧气中有55％以上是由于海洋浮游植物的作用所致。因此，它是地球上氧气产生的主要来源，并负责维持地球上的生命。

工业生产

空气液化

生产工业形式氧气的主要方法是1895年由卡尔·保罗·戈特弗里德·冯·林德和威廉·哈姆森独立创立的方法。今天，此方法经过一些修改后仍继续使用。

该过程始于压缩空气以冷凝水蒸气，从而消除水蒸气。然后，将空气通过沸石和硅胶的混合物进行过筛，以消除二氧化碳，重烃和其余的水。

随后，通过分馏分离液体空气的成分，从而通过它们的不同沸点实现其中存在的气体的分离。通过这种方法，可以获得纯度为99％的氧气。

电解水

氧气是通过电解高纯水而产生的，其电导率不超过1 µS / cm。通过电解将水分离成水的成分。氢作为阳离子向阴极（-）移动；氧气则向阳极（+）移动。

电极具有特殊的结构，可收集气体并随后产生液化。

热分解

诸如氧化汞和硝石（硝酸钾）之类的化合物的热分解过程会释放出氧气，这些氧气可以收集起来使用。过氧化物也用于此目的。

生物作用

浮游植物和陆地植物通过光合作用产生氧气。它穿过肺壁，在血液中被血红蛋白捕获，然后将血红蛋白运输到不同的器官，然后用于细胞代谢。

在此过程中，在碳水化合物，脂肪酸和氨基酸的代谢过程中使用氧气，最终产生二氧化碳和能量。

呼吸概述如下：

C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ => CO ₂ + H ₂ O +能量

葡萄糖在一系列顺序化学过程中代谢，包括糖酵解，克雷布斯循环，电子传输链和氧化磷酸化。这一系列事件产生的能量累积为ATP（三磷酸腺苷）。

ATP用于细胞的各种过程，包括离子和其他物质跨质膜的转运；物质的肠道吸收；不同肌肉细胞的收缩；不同分子的代谢等

多形核白细胞和巨噬细胞是吞噬细胞，能够利用氧气产生超氧离子，过氧化氢和单态氧，用于破坏微生物。

风险性

高压呼吸氧气会导致恶心，头晕，肌肉痉挛，视力下降，癫痫发作和意识丧失。此外，长时间呼吸纯氧会引起肺部刺激，表现为咳嗽和呼吸急促。

它也可能是肺水肿形成的原因：这是一种严重的疾病，限制了呼吸功能。

氧气浓度高的环境可能很危险，因为它会促进火灾和爆炸的发展。

应用领域

医生

向患有呼吸衰竭的患者服用氧气；患有肺炎，肺水肿或肺气肿的患者就是这种情况。他们无法呼吸周围的氧气，因为它们会受到严重影响。

因肺泡积液而心力衰竭的患者也需要提供氧气。以及发生严重脑血管意外（CVA）的患者。

职业需求

在通风不足的环境中灭火的消防员需要使用面罩和氧气瓶，以确保其发挥功能，而不会冒着更大的生命危险。

潜水艇配备了制氧设备，使水手们可以住在封闭的环境中，而不会接触大气。

潜水员的工作淹没在水中，因此与大气隔离。他们通过与潜水服相连的管子中抽出的氧气或使用潜水员身体上的钢瓶呼吸。

宇航员在配备氧气发生器的环境中进行活动，该氧气发生器可在太空旅行期间和在空间站中生存。

产业

铁转化为钢时消耗了超过50％的工业生产氧气。向铁水注入氧气射流以除去存在的硫和碳。它们反应生成气体SO ₂和CO ₂。

乙炔与氧气结合使用以切割金属板并生产其焊料。氧气还用于玻璃的生产中，增加了玻璃烧制时的燃烧，从而提高了透明性。

原子吸收分光光度法

乙炔和氧气的组合用于在原子吸收分光光度计中燃烧不同来源的样品。

在此过程中，来自灯的光束撞击在火焰上，这对于要定量的元素是特定的。火焰吸收了灯发出的光，从而可以量化元素。

参考文献

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