(O)元素


化学元素分为硫族气体和非金属。于1774年由约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)发现,但在此之前两年已由卡尔·w·舍勒(Carl W. Scheele)发现,但未发表。

属性描述
英文名Oxygen
分类氧是一种硫化物,也是一种非金属
颜色无色
原子量15.9994
状态气体
熔点-218.3 ℃, 54.8 K
沸点-182.9 ℃, 90.2 K
电子数8
质子数8
最丰富同位素中的中子8
电子层2,6
电子构型1s2 2s2 2p4
密度 @ 20℃:0.001429 g/cm3

氧元素的发现

1774年,约瑟夫·普里斯特利在英国发现了氧元素,两年前,卡尔·w·舍勒在瑞典发现了氧元素,但没有发表。

舍勒加热了几种化合物,包括硝酸、氧化锰和氧化汞,发现它们释放出一种气体,这种气体可促进燃烧。

北极光
北极光:激发态氧原子发出绿光。

安托万·拉瓦锡进行了一项实验来研究从一个人的肺中呼出的空气中的氧含量
呼吸化学:安托万·拉瓦锡进行了一项实验来研究从一个人的肺中呼出的空气中的氧含量。拉瓦锡的妻子玛丽-安妮会做笔记。她还创作了这幅照片的雕刻。

普里斯特利加热氧化汞,用一个12英寸的“燃烧透镜”(非常大的放大镜)聚焦阳光,使氧化汞达到高温。普里斯特利的透镜比安东尼·拉瓦锡在研究时使用的巨大透镜要小。

完全出乎意料的是,热氧化汞产生了一种气体,该气体可使蜡烛燃烧的速度比平常快了五倍。普里斯特利写道:“但令我惊讶的是,蜡烛在空气中燃烧,火焰异常旺盛。我完全不知道该怎么解释。”

除了注意到氧气对燃烧的影响,普里斯特利后来注意到这种新气体的生物学作用。他把一只老鼠放在一个氧气罐里,希望它最多能存活15分钟,然后窒息而死。相反,这只老鼠活了整整一个小时,而且没有不适的反应。

安东尼·拉瓦锡和普里斯特利做过类似的实验,他发现空气中含有大约20%的氧气,当任何物质燃烧时,实际上是与氧气进行化学结合。

拉瓦锡还发现,加热氧化汞所释放的气体重量与氧化汞所损失的重量相同,而当其他元素与氧发生反应时,它们所增加的重量与从空气中失去的重量相同。

这使得拉瓦锡提出了一个新的基本定律:质量守恒定律;“物质在化学反应中是守恒的”,或者,“化学反应产物的总质量与起始物质的总质量相等。”

除了这些成就,是拉瓦锡第一个给这种元素命名为氧(Oxygen)。

“Oxygen”这个词来源于希腊单词“oxys”,意思是酸,“genes”的意思是形成。

在它被发现和分离之前,许多科学家已经认识到一种具有氧属性的物质的存在:

16世纪早期,列奥纳多·达·芬奇观察到,呼吸和燃烧消耗了一部分空气。

1665年,罗伯特·胡克注意到,空气中含有一种存在于硝酸钾[硝酸钾加热时会释放氧气]中的物质和大量的不活泼物质[]。

1668年,约翰·马约写道,空气中含有氧气[他称其为硝基精神(nitroarial spirit)],在呼吸和燃烧中消耗氧气。

马休观察到:没有氧气的物质不会在空气中燃烧;氧存在于硝酸钾的酸性部分[即硝酸钾。动物呼吸时吸收氧气到血液中;动物呼出的空气中含氧量比新鲜空气少。

外观和特性

危害:

氧气(O2)在正常情况下是无毒的。

然而,暴露在高于正常压力的氧气下,例如水肺潜水者,可能会导致抽搐。

臭氧(O3)是有毒的,如果吸入会损害肺部。

特点:

氧的常见形式(O2)是一种无色、无嗅、无味的双原子气体。

氧的反应性极强,除了稀有气体外,几乎所有其他元素都能与氧形成氧化物。

氧在冷水中比在温水中更容易溶解。因此,我们地球上凉爽的极地海洋比温暖的热带海洋的生命密度更大。

液态和固态氧呈淡蓝色,具有强烈的顺磁性。

臭氧(O3)是氧的另一种形式(同素异形体),自然存在于地球上层大气中。它是由紫外光作用于氧气而产生的。臭氧保护我们免受来自太阳的大部分有害紫外线辐射。在地球早期的大气中,在氧气和臭氧含量还不够高之前,到达地球表面的紫外线辐射对许多生物体来说是致命的。

与氧的反应是我们用来区分金属(形成碱性氧化物)和非金属(形成酸性氧化物)的标准之一。

氧元素的利用

氧气瓶

氧的艺术修复
氧的艺术修复-比较清洁和修复绘画丙酮和二氯甲烷(左)和原子氧(右)。氧在去除含碳污垢方面非常有效。图片:Nasa

氧气的主要商业用途是用于炼钢。通过与氧气反应从钢中除去碳杂质,形成二氧化碳气体。

氧也用于氧乙炔焊接,作为火箭燃料的氧化剂,以及生产甲醇和环氧乙烷。

植物和动物依靠氧气进行呼吸。

纯氧经常用于帮助呼吸系统疾病的患者呼吸。

氧同位素及丰度

地壳的丰度:按重量占46%,按摩尔占60%

丰度太阳系:按重量为9000 ppm,按摩尔为700 ppm

来源

氧是地壳中最丰富的元素,几乎占其质量的一半。地壳中超过一半的原子是氧原子。地球海洋中大约86%是氧气——主要以水的形式存在。

氧是宇宙中第三种最常见的元素,排在之后。商业上它是从液化空分设备中获得的。它可以在实验室用电解水的方法制备。

同位素

13个半衰期已知,质量数12到24。自然生成的氧是三种稳定同位素的混合物,它们的比例如下:16O(99.8%)、 17O(0.04%)和18O(0.2%)。

参考

  • Francis Preston Venable: A Short History of Chemistry., (2009) p66. Bibliobazaar.
  • Leslie Alan Horvitz, Eureka!: Scientific Breakthroughs that Changed the World., (2002) p19-20 Wiley.
  • Mary Elvira Weeks, The discovery of the elements. IV. Three important gases., J. Chem. Educ., 1932, 9 (2), p 215.
  • John Mayow, Tractatus Quinque Medico-Physici, 1674, Online Book.
  • Malcolm Dole, The Natural History of Oxygen., The Journal of General Physiology., 1965, p5-27. (pdf download).

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