氧氣

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氧氣空氣主要組分之一,比空氣重,標準狀況(0℃和大氣壓強101325帕)下密度為1.429克/升。無色、無臭、無味。在水中溶解度很小。壓強為101kPa時,氧氣在約-180攝氏度時變為淡藍色液體,在約-218攝氏度時變成雪花狀的淡藍色固體。氧分子具有順磁性

簡介

  中文名:氧氣   英文名:Oxygen或Oxygen gas    化學式:O₂   CAS號:7782-44-7   EINECS號:231-956-9   相對分子質量:32    物理性質:常溫下無色無味氣體   熔點:-218℃(標準狀況)<-218℃淡藍色雪花狀的固體    沸點:-183℃(標準狀況)<-183℃藍紫色液體 >-183℃ 無色無嗅無味   密度:1.429g∕L    液氧的密度:1.14kg/L    溶解度:不易溶於水 標準大氣壓下1L水中溶解30mL氧氣    發現人:約瑟夫·普里斯特利、卡爾·威廉·舍勒    命名人:拉瓦錫    命名時間:1777    同素異形體:臭氧(O3)    大氣中體積分數:20.95%   結構:

  O₂並不是中學簡單所說的共用電子,用8電子理論解釋的結果是錯誤的。   從實驗上來說,順磁共振光譜證明O有順磁性,還證明O有兩個未成對地電子。說明原來的以雙鍵結合的氧分子結構式不符合實際。   氧氣的結構結構如右圖所示,O分子中並不存在雙鍵,氧分子里形成了兩個三電子鍵   分子軌道為: (σ 1s)2(σ 1s*)2(σ 2s)2(σ 2s*)2(σ 2px)2(π 2py)2(π 2pz)2(π 2py*)1(π 2pz*)1[1]   這是對於O₂成鍵的表達中唯一能夠說明氧氣具有順磁性的,也是目前最為準確的氧氣分子結構表達。

結構

  氧氣是雙原子分子,兩個氧原子進行sp軌道雜化,一個單電子填充進sp雜化軌道,成σ鍵,另一個單電子填充進p軌道,成π鍵。氧氣是奇電子分子,具有順磁性。分子軌道式 :(σ 1s)2(σ 1s*)2(σ 2s)2(σ 2s*)2(σ 2px)2(π 2py)2(π 2pz)2(π 2py*)1(π 2pz*)1

化學性質

  氧氣的化學性質比較活潑。除了稀有氣體、活性小的金屬元素如金、鉑、銀之外,大部分的

環狀結構與鏈狀結構圖

元素都能與氧氣反應,這些反應稱為氧化反應,而經過反應產生的化合物(有兩種元素構成,且一種元素為氧元素)稱為氧化物。一般而言,非金屬氧化物的水溶液呈酸性,而鹼金屬或鹼土金屬氧化物則為鹼性。此外,幾乎所有的有機化合物,可在氧中劇烈燃生成二氧化碳與水。化學上曾將物質與氧氣發生的化學反應定義為氧化反應,氧化還原反應指發生電子轉移或偏移的反應。

性質

  助燃性,氧化性。

與金屬反應

  與鉀的反應:   4K+O2=2K2O,鉀的表面變暗   2K+O2=K2O2:K+O2=加熱=KO2(超氧化鉀)   與鈉的反應:   4Na+O2=2Na2O,鈉的表面變暗   2Na+O2=加熱=Na2O2,產生黃色火焰,放出大量的熱,生成淡黃色粉末。   與鎂的反應:2Mg+O2=點燃=2MgO,劇烈燃燒發出耀眼的強光,放出大量熱,生成白色粉末狀固體。   與鋁的反應:4Al+3O2=點燃=2Al2O3,發出明亮的光,放出熱量,生成白色固體。   與鐵的反應:   4Fe+3O2+2xH2O=2Fe2O3·xH2O,(鐵鏽的形成)   3Fe+2O2=點燃=Fe3O4,紅熱的鐵絲劇烈燃燒,火星四XX,放出大量熱,生成黑色固體。   與鋅的反應:2Zn+O2=點燃=2ZnO   與銅的反應:2Cu+O2=加熱=2CuO,加熱后亮紅色的銅絲表面生成一層黑色物質。

與非金屬反應

  與氫氣的反應:2H2+O2=點燃=2H2O,產生淡藍色火焰,放出大量的熱,並有水生成。   與碳的反應C+O2=點燃=CO2,劇烈燃燒,發出白光,放出熱量,生成使澄清石灰水變渾濁的氣體。   氧氣不完全時則產生一氧化碳:2C+O2=點燃=2CO   與硫的反應:S+O2=點燃=SO2,發生明亮的藍紫色火焰(在純氧中為藍紫色火焰,而在空氣在中為淡藍色火焰),放出熱量,生成有刺激性氣味的氣體,該氣體也能使澄清石灰水變渾濁,且能使酸性高錳酸鉀溶液或品紅溶液褪色(褪色的品紅溶液加熱后顏色又恢復為紅色)。   與紅磷的反應:4P+5O2=點燃=2P2O5,發出耀眼白光,放熱,生成大量白煙。   與白磷的反應:P4+5O2=2P2O5,白磷在空氣中自燃,發光發熱,生成白煙。   與氮氣的反應:N2+O2=高溫或放電=2NO   轉化為臭氧的反應:3O2=放電=2O3(該反應為可逆反應)

與有機物反應

  如甲烷、乙炔、酒精、石蠟等能在氧氣中燃燒生成水和二氧化碳。   氣態烴類的燃燒通常發出明亮的藍色火焰,放出大量的熱,生成水和能使澄清石灰水變渾濁的氣體。   甲烷:CH4+2O2=點燃=CO2+2H2O   乙烯:C2H4+3O2=點燃=2CO2+2H2O   乙炔:2C2H2+5O2=點燃=4CO2+2H2O   苯:2C6H6+15O2=點燃=12CO2+6H2O   甲醇:2CH3OH+3O2=點燃=2CO2+4H2O   乙醇:CH3CH2OH+3O2==點燃2CO2+3H2O   碳氫氧化合物與氧氣發生燃燒的通式:4CxHyOz+(4x+y-2z)O2=點燃=4xCO2+2yH2O(通式完成後應注意化簡!下同)   烴的燃燒通式:4CxHy+(4x+y)O2=點燃=4xCO2+2yH2O   乙醇被氧氣氧化:2CH3CH2OH+O2=銅或銀催化並加熱=2CH3CHO+2H2O    此反應包含兩個步驟:(1)2Cu+O2=加熱=2CuO(2)CH3CH2OH+CuO=CH3CHO(乙醛)+Cu+H2O(加熱)   氯仿與氧氣的反應:2CHCl3+O2=2COCl2光氣)+2HCl

與其它化合物反應

  硫化氫的燃燒:2H2S+3O2(過量)=點燃=2H2O+2SO2;2H2S+O2(少量)=點燃=2H2O+2S    煅燒黃鐵礦:4FeS2+11O2=高溫=2Fe2O3+8SO2二氧化硫的催化氧化:2SO2+O2=V2O5並加熱=2SO3   空氣中硫酸酸雨的形成:2SO2+O2+2H2O=2H2SO4   氨氣在純氧中的燃燒:4NH3+3O2(純)=點燃=2N2+6H2O   氨氣的催化氧化:4NH3+5O2=鉑催化並加熱=4NO+6H2O   一氧化氮與氧氣的反應:2NO+O2=2NO2

背景

發現

  世界上最早發現氧氣的是中國南陳朝的煉丹家馬和。馬和認真地觀察各種可燃物,如木炭硫磺等在空氣中燃燒的情況后,提出的結論是:空氣成分複雜,主要由陽氣(氮氣)和陰氣(氧氣)組成,其中陽氣比陰氣多得多,陰氣可以與可燃物化合把它從空氣中除去,而陽氣仍可安然無恙地留在空氣中。馬和進一步指出,陰氣存在於青石(氧化物)、火硝(硝酸鹽)等物質中。如用火來加熱它們,陰氣就會放出來,他還認為水中也有大量陰氣,不過常難把它取出來。馬和的發現比歐洲早1000年。   馬和把畢生研究的成果記錄在一本名叫《平龍認》的書中,該書68頁,出版日期是南陳後主至德元年(756年)3月9日,一直流傳到清代,后被德國侵略者乘亂搶走。   1774年英國化學家J.普里斯特利里和他的同伴用一個大凸透鏡將太陽光聚焦后加熱氧化汞,制得純氧,並發現它助燃和幫助呼吸,稱之為「脫燃素空氣」。瑞典C.W.舍勒用加熱氧化汞和其他含氧酸鹽制得氧氣雖然比普里斯特利還要早一年,但他的論文《關於空氣與火的化學論文》直到1777年才發表 ,但他們二人確屬各自獨立制得氧。1774年,普里斯特利訪問法國,把制氧方法告訴A.-L.拉瓦錫,後者于1775年重複這個實驗,把空氣中能夠幫助呼吸和助燃的氣體稱為oxygene,這個字來源於希臘文oxygenēs,含義是「酸的形成者」。因此,後世把這三位學者都確認為氧氣的發現者。

名稱的由來

  氧氣(Oxygen)希臘文的意思是「酸素」,該名稱是由法國化學家拉瓦錫所起,原因是拉瓦錫錯誤地認為,所有的酸都含有這種新氣體。現在日文里氧氣的名稱仍然是「酸素」。而台語受到台灣日治時期的影響,也以「酸素」之日語發音稱呼氧氣。   氧氣的中文名稱是清朝徐壽命名的。他認為人的生存離不開氧氣,所以就命名為「養氣」即「養氣之質」,後來為了統一就用「氧」代替了「養」字,便叫這「氧氣」。

用途和負作用

冶煉工藝

  在煉鋼過程中吹以高純度氧氣,氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反應,這不但降低了鋼的含碳量,還有利於清除磷、硫、硅等雜質。而且氧化過程中產生的熱量足以維持煉鋼過程所需的溫度,因此,吹氧不但縮短了冶煉時間,同時提高了鋼的質量。高爐煉鐵時,提高鼓風中的氧濃度可以降焦比,提高產量。在有色金屬冶煉中,採用富氧也可以縮短冶煉時間提高產量。

化學工業

  在生產合成氨時,氧氣主要用於原料氣的氧化,以強化工藝過程,提高化肥產量。再例如,重油的高溫裂化,以及煤粉的氣化等,

國防工業

  液氧是現代火箭最好的助燃劑,在超音速飛機中也需要液氧作氧化劑,可燃物質浸漬液氧后具有強烈的爆炸性,可製作液氧炸藥。

醫療保健

  供給呼吸:用於缺氧低氧或無氧環境,例如:潛水作業、登山運動、高空飛行、宇宙航行、醫療搶救等時。

其它方面

  如:它本身作為助燃劑與乙炔、丙烷等可燃氣體配合使用,達到焊割金屬的作用,各行各業中,特別是機械企業里用途很廣,作為切割之用也很方便,是首選的一種切割方法。

過度吸氧的負作用

  早在19世紀中葉,英國科學家保爾·伯特首先發現,如果讓動物呼吸純氧會引起中毒,人類也同樣。

氧氣瓶

人如果在大於0.05 MPa(半個大氣壓)的純氧環境中,對所有的細胞都有毒害作用,吸入時間過長,就可能發生「氧中毒」。肺部毛細管屏障被破壞,導致肺水腫肺淤血出血,嚴重影響呼吸功能,進而使各臟器缺氧而發生損害。在0.1 MPa(1個大氣壓)的純氧環境中,人只能存活24小時,就會發生肺炎,最終導致呼吸衰竭窒息而死。人在0.2 MPa(2個大氣壓)高壓純氧環境中,最多可停留1.5小時 ~ 2小時,超過了會引起腦中毒,生命節奏紊亂,精神錯亂記憶喪失。如加入0.3 MPa(3個大氣壓)甚至更高的氧,人會在數分鐘內發生腦細胞變性壞死抽搐昏迷,導致死亡。   此外,過量吸氧還會促進生命衰老。XX人體的氧與細胞中的氧化酶發生反應,可生成過氧化氫,進而變成脂褐素。這種脂褐素是加速細胞衰老的有害物質,它堆積在心肌,使心肌細胞老化,心功能減退;堆積在血管壁上,造成血管老化硬化;堆積在肝臟,削弱肝功能;堆積在大腦,引起智力下降,記憶力衰退,人變得痴呆;堆積在皮膚上,形成老年斑。   缺氧和富氧對人體的影響:   氧氣濃度(%體積) ---徵兆(大氣壓力下)   >23.5%---富氧,有強烈爆炸危險   20.9%---氧氣濃度正常   19.5%---氧氣最小允許濃度   15-19%---降低工作效率,並可導致頭部、肺部和循環系統問題   10-12%---呼吸急促判斷力喪失,嘴唇發紫   8-10%---智力喪失,昏厥無意識,臉色蒼白,嘴唇發紫,噁心嘔吐   6-8%---8分鐘;100%---致命/6分鐘;50%---致命/4-5分鐘經治療可痊愈   4-6%---40秒內抽搐,呼吸停止,死亡

製備

實驗室製法

  1.加熱高錳酸鉀,化學式為:2KMnO4=加熱=K2MnO4+MnO2+O2↑

實驗室製備氧氣裝置圖

  2.用催化劑-二氧化錳並加熱氯酸鉀,化學式為:2KClO3=MnO2催化並加熱= 2KCl+3O2↑(部分教材已經刪掉)   需要特別注意的是,該反應實際上是放熱反應,而不是吸熱反應。2KClO3= 2KCl+3O2↑,反應放熱25.8kcal(kcal這個單位已廢棄,自行換算)   3.過氧化氫溶液在催化劑二氧化錳中,生成O2和H2O,化學方程式為: 2H2O2=MnO2= 2H2O+O2↑   另外,三氧化硫分解也可生成氧氣,次氯酸分解也可生成氧氣(2HOF —→ 2HF + O2 ),還有就是電解水

工業製造氧氣方法

  1.壓縮冷卻空氣

氧氣瓶

分離液氮與液氧)   2. 通過分子篩

核潛艇中制氧氣的方法

  2Na2O2+2CO2==2Na2CO3+O2   此方法的優點:1、常溫下進行 2、使氧氣和二氧化碳形成循環(人消耗氧氣,呼出二氧化碳,而此反應消耗二氧化碳,生成氧氣)

宇宙飛船中制氧的方法

  利用宇航員呼出的二氧化碳氣體與超氧化鉀作用,產生氧氣,供宇航員呼吸用。

物理制氧

  在低溫條件下加壓,使空氣轉變為液態,然後蒸發,由於液態氮的沸點是

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