氧
字源
氧最早被称为生命之气(拉丁语: vital air ),拉瓦锡根据其实验结果,在1777年,将其命名为法语: oxygène 。这个单字是由希腊语: ὀξύς (oxys,字面意思是尖锐的,因为酸性物质尝起来的味道很尖锐,被引伸为酸),以及 -γενής (-genēs,起源于,产生于)组成,因为在当时他误认所有酸性物质都含有氧。这个单字随后进入英文,被拼为 英语: oxygen 。
在民国时期,这个单字曾被译为酸素。随后出现以形声造字,造出新字氱,因其字形复杂,又造出新字,氧。
性质
在自然界中,氧的单质形态一般为双原子分子的氧气(O 2 ),在臭氧层中经紫外线的作用也可以生成每个分子由三个氧原子构成的臭氧(O 3 )。除此之外,意大利一所大学的科学家于2001年11月制得了亚稳态的的四氧分子(O 4 ) 。氧气在标准状况下是无色无味无臭,能助燃的的气体(镁燃烧不需要氧气)。液氧呈淡蓝色,具有顺磁性。氧气能跟氢气化合成水。臭氧在标准状况下是一种有特殊臭味的蓝色气体。
化学性质
氧的活性很大,除了稀有气体、活性小的金属元素如金、铂、钯之外(这些金属并非没有氧化物,只是反应过程极慢或需要高热下或在催化剂下或需要以其他化学物将其转变成离子方能生成,但它们也是有氧化物的。例如,三氧化二金、二氧化铂。)大部分的元素都能与氧起反应,这些反应称为 氧化反应 ,而反应产生的化合物称为 氧化物 。一般而言,非金属氧化物的水溶液呈酸性,而碱金属或碱土金属氧化物则为碱性。此外,几乎所有的有机化合物(CCl 4和氢原子数目小于卤原子数目的卤代烃除外),可在氧气中剧烈燃烧生成二氧化碳与水蒸汽。
制备
拉瓦锡曾以汞在空气中加热,产生红色的氧化汞粉末,再加热氧化汞取得纯氧。
实验室中常用氯酸钾晶体与二氧化锰(催化剂)混合加热制取,并以排水集气法或向上排空气法收集:
或利用二氧化锰催化双氧水分解产生氧:
再或者用高锰酸钾加热分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气:
工业上则是利用分离液态空气和电解水制取氧气:
(电解水,"+"极产生 O 2 {\displaystyle {\rm {O_{2}}}} ,"-"极产生 H 2 {\displaystyle {\rm {H_{2}}}} 。)
发现
氧元素最先由瑞典药剂师及化学家舍勒于1774年独立发现,英国化学家约瑟夫·普利斯特里也在其之后发现,但由于普利斯特里坚持燃素说的理论,他未能成为化学革命的先驱者。
1777年,法国化学家拉瓦锡提出燃烧的氧化学说,指出物质只能在含氧的空气中进行燃烧,燃烧物重量的增加与空气中失去的氧相等,从而推翻了全部的燃素说,并正式确立质量守恒定律。从严格意义上讲,发现氧元素的为瑞典化学家舍勒,而确定氧元素化学性质的为法国化学家拉瓦锡。
而在1771年瑞典的药剂师威廉·舍尔则认为氧是酸产生的根源,并把氧元素命名为酸素,但是这种说法未得到当时大家认可。
同位素
在大质量恒星的晚期, O集中在O层, O在H层, O在He层。
已经测定的氧的同位素有13个,包括 O至 O。其中,自然产生的氧有三种稳定的同位素, O, O,18 O,其中 O最丰富(占99.762%的自然丰度)。 其余的10种氧同位素为放射性同位素。
大多数的 O是在大质量恒星的氦聚变过程的末期被合成的。但也有一些是由氖燃烧过程产生的。 O则主要是在碳氮氧循环中经由氢燃烧至氦的过程产生,这使得它在恒星的氢燃烧区中很常见。 大多数的 O是当14 N捕获了一个4 He原子核时产生,因而在进化的大质量恒星的氦燃烧区中很常见。
氧的10种放射性同位素已经被探测过了。最稳定的 O的半衰期为122.24秒,而 O的半衰期为70.606秒。 其余的放射性同位素的半衰期都少于27秒,其中大部分甚至少于83毫秒。 轻于 O的氧同位素的常见衰变类型是β + 衰变 并产生氮,而重于 O的同位素的衰变模式是β衰变并产生氟。
利用医用回旋加速器产生的质子,轰击重氧水之中的氧-18,通过(p,n)核反应,从而获得可以发射正电子的放射性同位素氟-18离子,用于合成正电子发射计算机断层扫描检查所需的示踪剂氟代脱氧葡萄糖。
在地球上的分布
氧元素占整个地壳质量的48.6%,它在地壳中基本上是以氧化物的形式存在的。每一千克的海水中溶解有2.8毫克的氧气,而海水中的氧元素差不多达到了88%.就整个地球而言,氧的质量分数为15.2%。无论是人、动物还是植物,他们的生物细胞都有类似的组成,其中氧元素占到了65%的质量。而在地球大气层中,氧的含量占第二多,有20.946%。
危险性
高浓度的氧气能促进火迅速燃烧。氧化剂,如过氧化物、氯酸盐、硝酸盐、高氯酸盐和重铬酸盐被火接近时亦可能促进燃烧甚至引发爆炸,长时间吸入高浓度的氧气会引起氧中毒。
参考资料
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