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氧
化學(xué)元素
氧（英文名：Oxygen）是一種化學(xué)元素，符號為O，原子序數為8，為第二周期第VI A族p區元素，相對原子質(zhì)量是15.999。 氧元素屬于非金屬元素，是地殼中分布最廣、含量最多的元素。氧元素活潑性非常強，可以與其他元素結合組成化合物，是維持動(dòng)植物生命所必需的元素。氧的同位素有十六種，穩定型的有三種，分別為O、O和O。氧有兩種單質(zhì)，分別為氧氣（O2）和臭氧（O3）。O2主要用于維持生物體呼吸，而O3能吸收太陽(yáng)光的紫外輻射，并轉化為對動(dòng)植物無(wú)害的其它形式的能量，此外高空臭氧層也是生物體免遭有紫外線(xiàn)過(guò)強射的重要屏障。
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(zhì)量
15.999
元素類(lèi)別
非金屬元素
族
VI A族
周期
第二周期
區
p區
電子排布
[He]2s2p
CAS編號
17778-80-2
物理性質(zhì)
物態(tài)
氣態(tài)
熔點(diǎn)
54.36K
沸點(diǎn)
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(zhì)
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(guò)程有關(guān)。1703年，德國化學(xué)家施塔爾（G.E.Georg Ernst Stahl）結合前人關(guān)于燃燒的研究提出了“燃素說(shuō)”，他認為燃燒的本質(zhì)是由于燃素的存在。
1767年，瑞典化學(xué)家卡爾·威爾海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）通過(guò)加熱硝石（亞硝酸鹽）得到了氧氣，他當時(shí)并沒(méi)有認識到這是一種獨特的元素，而是將它稱(chēng)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(chēng)之為“火焰空氣”。
1774年，英國化學(xué)家約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）通過(guò)加熱氧化汞（HgO）產(chǎn)生了氧氣，但由于他是燃素說(shuō)的崇拜者，使得他認為實(shí)驗中產(chǎn)生的氣體是一種“脫燃素空氣”。
1777年，法國化學(xué)家拉瓦錫通過(guò)實(shí)驗也產(chǎn)生了氧氣，并對該氣體的性質(zhì)進(jìn)行了研究，通過(guò)結合其他化學(xué)家的見(jiàn)解及理論，提出了燃燒的氧化學(xué)說(shuō)，推翻了燃素說(shuō)，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(yǔ)中的酸（oxys）和形成（genes）來(lái)命名這種氣體，稱(chēng)之為氧（oxygen）。
1860年前后，比利時(shí)分析化學(xué)家斯塔，J-S（Jean-Servais Stas）用十多年的時(shí)間對原子質(zhì)量進(jìn)行了精密的測定，推翻了“一切元素的原子質(zhì)量都是氫原子質(zhì)量的倍數”的假說(shuō)，提出了采用氧原子質(zhì)量為16.000作為原子質(zhì)量的標準。
1929年，美國化學(xué)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(gè)地殼中的質(zhì)量分數為48.6%。在大氣中主要以氧單質(zhì)（氧氣和臭氧）的形式存在，約占整個(gè)大氣體積的21%，大氣質(zhì)量的23%。在海洋、江河以及湖泊中主要以水的形式存在，質(zhì)量分數約為88.8%。此外，氧在人體和動(dòng)物中質(zhì)量占比約為65%。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
氧（Oxygen）是一種非金屬化學(xué)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區元素，相對原子質(zhì)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(diǎn)是54.36 K，沸點(diǎn)是90.188 K。氧在宇宙中的含量?jì)H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(zhì)，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(xué)性質(zhì)
氧的電子排布為[He]2s2p，氧化態(tài)有-2、-1、+1、+2。氧的電負性?xún)H次于氟，只有與氟化合時(shí)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(xué)元素都能與氧直接或間接地化合，生成各類(lèi)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(dòng)植物和人體呼吸及大多數燃燒過(guò)程所必需的元素。
氧的化學(xué)性質(zhì)主要表現為氧化性，主要通過(guò)氧的單質(zhì)來(lái)體現。比較氧單質(zhì)的電極電勢可看出O3是比O2更強的氧化劑，臭氧無(wú)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(guò)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(zhì)量、半衰期以及發(fā)現時(shí)間
同位素符號 | 原子質(zhì)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 | 穩定型 | 1919 |
O | 16.99913175595 ± 0.00000000069 | 穩定型 | 1925 |
O | 17.99915961214 ± 0.00000000069 | 穩定型 | 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(wú)色、無(wú)味的氣體，其分子式由兩個(gè)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(huì )在空氣中燃燒的材料會(huì )在氧氣中燃燒，并且在空氣中燃燒的材料在氧氣中會(huì )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(gè)氧原子構成，屬于O2的同素異形體。O3是由太陽(yáng)對大氣中氧氣的紫外線(xiàn)輻射作用而產(chǎn)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(chǎn)瓶裝水，以及處理肉類(lèi)、家禽和其他食品，也可用來(lái)漂白面粉、油類(lèi)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(zhì)、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(shí)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(huì )失去氧：
- 金屬過(guò)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(xué)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(diǎn)不同（在大氣壓下氧的沸點(diǎn)約為90 K，氮的沸點(diǎn)約為 77 K），經(jīng)多級分餾以及質(zhì)、熱交換，低沸點(diǎn)的氮組分不斷地濃集于蒸氣相之中，而高沸點(diǎn)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(lái)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(jìn)行的，故稱(chēng)為低溫分離空氣法。該方法產(chǎn)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(jiǎn)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(lǐng)域
氧是一種高反應性元素，是生物體和燃燒過(guò)程所必需的元素。高壓氧流可以除去生鐵中的雜質(zhì)用于生產(chǎn)鋼鐵，也可以與乙炔（C2H2）作用產(chǎn)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?chē)纬梢粚颖”〉谋Ｗo層，保護地球表面免受太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射。氧氣用于支持動(dòng)植物呼吸和燃燒過(guò)程。
氧的穩定同位素的分子、原子和離子具有略微不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，它們通常會(huì )在物理、化學(xué)和生物過(guò)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(zhì)的起源和研究環(huán)境、水文和地質(zhì)過(guò)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(dòng)物的起源地和繁殖地以及確定考古中人類(lèi)生活居住的地理區域，還可作為示蹤原子用于化學(xué)反應機理的研究。
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