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氧
化學元素
基本信息
中文名
氧
英文名
oxygen
拼音
yang
元素符號
O
原子序數
8
原子質量
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
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
氧化態(tài)
-2，-1，+1，+2
電負性
3.44（鮑林標度）
原子半徑
152 pm (范德華)
發(fā)現歷史
氧元素的發(fā)現與確立最早和燃燒過程有關。1703年，德國化學家施塔爾（G.E.Georg Ernst Stahl）結合前人關于燃燒的研究提出了“燃素說”，他認為燃燒的本質是由于燃素的存在。
1767年，瑞典化學家卡爾·威爾海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）通過加熱硝石（亞硝酸鹽）得到了氧氣，他當時并沒有認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)現了氧氣，此次他將它稱之為“火焰空氣”。
1777年，法國化學家拉瓦錫通過實驗也產生了氧氣，并對該氣體的性質進行了研究，通過結合其他化學家的見解及理論，提出了燃燒的氧化學說，推翻了燃素說，但是他錯誤地認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，比利時分析化學家斯塔，J-S（Jean-Servais Stas）用十多年的時間對原子質量進行了精密的測定，推翻了“一切元素的原子質量都是氫原子質量的倍數”的假說，提出了采用氧原子質量為16.000作為原子質量的標準。
1929年，美國化學家威廉·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，在整個地殼中的質量分數為48.6%。在大氣中主要以氧單質（氧氣和臭氧）的形式存在，約占整個大氣體積的21%，大氣質量的23%。在海洋、江河以及湖泊中主要以水的形式存在，質量分數約為88.8%。此外，氧在人體和動物中質量占比約為65%。
理化性質
物理性質
氧（Oxygen）是一種非金屬化學元素，元素符號為“O”，在元素周期表中的原子序數是8，為第二周期第VI A族p區(qū)元素，相對原子質量是15.999，范德華原子半徑是152 pm，標準狀況下呈氣態(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，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。
化學性質
氧的電子排布為[He]2s2p，氧化態(tài)有-2、-1、+1、+2。氧的電負性僅次于氟，只有與氟化合時氧化態(tài)才為正值。氧是一種高反應性元素，非?；顫?，大多數化學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燃燒過程所必需的元素。
氧的化學性質主要表現為氧化性，主要通過氧的單質來體現。比較氧單質的電極電勢可看出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。
- 與化合物直接反應：在常溫下，氧能與化合物直接作用。如：
同位素
氧已發(fā)現的同位素有十六種，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）。
氧同位素的原子質量、半衰期以及發(fā)現時間
同位素符號 | 原子質量和不確定度（u） | 半衰期和不確定度（u） | 發(fā)現年份 |
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
其他化合物：主要有蛋白質、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：
- 金屬過氧化物與水或酸反應：
- 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：根據熱力學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），經多級分餾以及質、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。該方法產量大且純度高，耗能低，是世界應用最廣泛的制氧方法。
- 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：
應用領域
氧是一種高反應性元素，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用于生產鋼鐵，也可以與乙炔（C2H2）作用產生用于焊接的極熱火焰。液氧與液氫結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性質，它們通常會在物理、化學和生物過程中被分化，從而導致同位素豐度和原子量的變化。這些變化有助于調查物質的起源和研究環(huán)境、水文和地質過程。氧的同位素與氫同位素組成相結合，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反應機理的研究。
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作者
