氧气及其化合物在许多重要过程中发挥着关键作用。生物圈中的氧是必不可少的呼吸和新陈代谢的过程中,动物通过动物导出维持生命所需的能量的方法。此外,氧气是地球表面中最丰富的元素。在组合形式中,它是在矿石,地球,岩石和宝石中,以及所有生物体。

氧气是周期表群VA的气态化学元素。原子氧的化学符号是O,其原子序数为8,原子量为15.994。元素氧主要以气态形式称为硅藻分子,其占干空气量的20.95%。硅藻氧是无色的,无味的,无味。

两名18世纪的科学家分享了首次隔离元素氧气的信用:约瑟夫普里斯特利(1733-1804),这是一个被雇用作为一个文学伴侣在他最重要的实验工作中作为文学伴侣的文学伴侣,以及Carl Wilhelm Scheele(1742-86),瑞典药剂师和化学家。人们普遍认为,Scheele是第一个孤立氧气的,而是普里斯特利,他们在稍后逐渐达到氧气的孤立,是第一个公开宣布他发现的氧气。

作为元素的法国科学家Antoine-Laurentier(1743-94)完成了普里斯特利的调查结果和氧气本质的解释。Lavoisier的实验工作延长和改善了普里斯特利的实验,主要负责理解燃烧和建立物质守恒定律。

Lavoisier给出了氧气的名字,这是从两个希腊词汇中的名字,这意味着“酸前”。拉夫斯维尔举行了误认为氧化物,当溶解在水中时,将仅形成酸。确实,溶解在水中时的一些氧化物确实形成酸;例如,二氧化硫形成硫酸。然而,一些氧化物如氧化钠,溶于水中以形成碱基,如在反应中形成氢氧化钠;因此,氧气实际上是不恰当的命名。

自然发生

氧气由许多核过程形成,据信在恒星内部发生。通过氮气和氟的同位素捕获质子,随后分别发射γ射线和α颗粒,认为具有质量16的最丰富的氧气的同位素是通过捕获的质子形成在氢气燃烧的恒星中。。在氦气恒星中,碳与质量12的同位素被认为捕获α颗粒以形成具有质量16的同位素,并在γ射线发射。

在陆地环境中,氧气占地壳质量的大约一半,占海洋质量的89%,占大气质量的23%(和21%)。大多数地球的岩石和土壤主要是硅酸盐。硅酸盐是一种令人惊讶的复杂材料,其通常由大于50(原子)氧合氧与硅和一个或多个金属元素组成。

几个重要的矿石主要是所需金属的氧化物,例如重要的铁矿物质赤铁矿,磁铁矿和褐铁矿以及最重要的铝含铝矿物质(水合铝氧化物和氧化铁的混合物)。

物理和化学特性

已经发现了三种天然存在的氧同位素:一个含有质量16(氧气的759%),一种质量为17(0.037%);和一个质量18(0.204%)。主要是后者的rarer同位素,发现他们在科学家使用的标记实验中的主要用途遵循化学反应的步骤。

如果冷却一个大气压的氧气,它将在90.18k(-182.97℃; -297.35°F),氧气正常沸点下液化,并将其固化为54.39k(-218.76℃; -361.77°D),氧气正常熔点。氧气和固体形式的氧气具有浅蓝色。已知几种不同的结构用于固体氧:固体III型,从最低温度可实现为23.66 k;II型,从23.66到43.76 k;和I型,从43.76到54.39 K.氧的临界温度,无论施加多少压力,高于上述温度,不可能液化气体,是154.3k(-118.9℃; -181.9°F)。临界温度在临界温度平衡中的液体和气态氧气的压力为49.7个大气压。

氧气在水中表现出轻微但重要的溶解度。溶解在水中的分子氧是由水生生物进行代谢过程,最终负责氧化和除水溶液中的有机废物。气体的溶解度取决于溶液的温度和气体在溶液上的压力。在20℃(68°F)和一种大气的氧气压力下,O(2)在水中的溶解度为约45克/立方米的氧气,或45ppm(百万分之一)。

分子硅藻氧是一个相当稳定的分子,需要解离能(将一个摩尔分子氧的能量在其研磨状态下将一个摩尔分子氧分离成其地态的两摩尔原子氧),每摩尔493.6千杆。分子通过比193nm短的任何波长的紫外线辐射解离。太阳辐射撞击平流层氧解成原因原子氧气。以这种方式形成的原子氧能够与氧气反应形成臭氧。

腐蚀

许多直接的,氧的未催化反应不会在室温下快速发生。这一事实有很多重要的后果。其中一个后果与使用金属作为结构材料有关。用于施工的金属,例如铁(主要是钢)和铝,形成高度稳定的氧化物。例如,铝的氧化具有显着的发生趋势。

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然而,尽管存在这种趋势,但在室温下,反应在室温下进行如此缓慢地,可以说最实际的目的,因此铝是合适的和广泛使用的结构材料。该反应的缓慢部分是由于氧 - 氧键的稳定性,部分原因是由于在铝的表面上形成的非常薄的氧化物保护层。

铁的氧化是一种涉及铁中杂质的复杂方法,以及水和二氧化碳。这种氧化破坏或生锈,铁和钢 - 这是我们最重要的结构材料之一 - 对现代社会来说非常昂贵。

生物氧化

氧气反应率的另一个重要方面涉及与有机材料的反应速率。这种氧化反应最终是高等植物和动物的能量来源,负责洁面的可生物降解废物流,并负责有机材料的自然分解。

该类别中的反应率由有助于反应的生物体中的酶选择性地控制。因此,通过生物过程代谢(氧化),原则上,原则上的废物和死亡植物和动物分解(被氧化)分解(氧化),并通过生物学方法来代谢(氧化)。

反应性

在室温下用氧气的反应率和升高温度下的速率之间存在明显的差异。在低于100℃的温度下,许多在空气中快速响应的许多物质将在1000℃下,在1000℃下,具有强大的热量(放热)。例如,煤和石油可以无限期地在正常气候条件下遇到的温度下储存,但它们在升高的温度下易于氧化。

最常见的氧气化合物是元素表现出两种效果的化合物。这一事实与原子氧的电子结构有关;该原子需要两个额外的电子来填充其最外面的能量水平。二价氧化物的实例在众所周知的物质(如水)中是无数的;二氧化碳;氧化铝;二氧化硅;硅酸盐,碳酸钙或石灰石;和二氧化硫。还已知氧还具有其他价值,例如在过氧化物中,其中过氧化氢是一个实例。

氧与另一个元素的直接反应经常遵循上面讨论的模式;也就是说,它不会在室温下迅速或根本出现,但是强烈放热,并且一旦开始氧化,进化的热量提高了反应物的温度,使得反应是自我维持的。

这种反应的实例是用元素镁,碳和氢。在启动反应后,在空气中在空气中镁和碳燃烧,并且当通过火焰或火花开始反应时,氢气混合物可以爆炸性反应。氢氧混合物的爆炸是一种极快的反应,并且由于爆炸混合物中的原子氧形成而发生。

用途

纯氧在技术过程中广泛使用。它用于金属的焊接,切割和形成,如氧乙炔焊接,其中氧气与乙炔反应形成极其热的火焰。

在现代高炉中添加氧气(3至5%),以增加炉内的温度;它还用于钢铁生产的基本氧气转换器,制造化学品,以及用于火箭推进。

氧也用于甲烷(天然气)或煤(含碳)的部分燃烧中,以制备一氧化碳和氢的混合物,称为合成气,这反过来用于制造甲醇。

随着石油资源进一步耗尽,可燃液体从煤产生的过程将变得越来越重要。

生产

通过加热酰胺氧化物或氯酸钾至中等高温,在实验室中方便地生产氧气。杂志的生产是约瑟夫普里斯特利采用的方法,以及从今天的实验室中常用的氯酸钾方法的生产。

当固体氯酸钾加热至400℃时,氧气被释放到400℃,或者当加入二氧化锰作为催化剂时,由于氧气在水中的溶解度低,可以通过水位移收集释放的氧气。

氧也可以通过水的电解在实验室中生产,这是一种逆转前面讨论的剧烈氢气反应的方法。当电流通过水时,液体在电极处分解。当需要高纯度产品时,该方法也用于在商业规模上产生氧气。

对于商业生产氧气来说,更经济,因此更优选的是空气的液化和蒸馏。将空气冷却至其液化,主要通过用于在旋转膨胀涡轮机中进行工作,并且通过复合蒸馏工艺进行所得液体空气。以这种方式生产的气态氧在加压汽缸中运输,或者通常涉及大量的情况,通过管道到附近的工厂。

与生命科学的关系

大多数生物依赖于氧气来维持其生物过程。绝大多数生物体分为两类。在第一类是高等植物和光合细菌。

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这些生物通过光合作用利用光能量将二氧化碳和水(或不经常,其他无机物质代替水)中的更复杂的材料,其特征在于碳水化合物,同时将氧气释放到大气中。在第二类中,是生活在黑暗中的更高的动物,大多数微生物和光合细胞。

所有这些第二类生物使用复杂的酶催化氧化和使用诸如葡萄糖作为燃料和氧气作为末端氧化剂(参见代谢)的燃料和氧气的酶催化氧化和还原反应。这些生物中新陈代谢的最终产物是二氧化碳和水,其返回大气。

这些互补功能的净结果是氧循环,其中使用太阳能的光合生物,用水和二氧化碳合成碳水化合物,并赋予含氧作为副产物,而有氧生物氧化摄入的有机材料,用完了氧气并通过复杂系列代谢过程给予二氧化碳和水。据估计,通过这些方法每年每年循环3.5×(11)二氧化碳的电量。

因此,在脊椎动物中,特别是氧气中的氧气是需要维持新陈代谢并因此的生命。吸入空气,在气氛和血液中的血红蛋白之间的肺部交换空气中的氧气。血液携带氧气,含有血红蛋白的含量,到所发生代谢过程的身体的所有部分。它还携带二氧化碳回到肺部,其中二氧化碳与大气交换并呼出。

如果氧气浓度降至大气中的价值约为约一半,人类不能再存活。因此,潜水员和宇航员的生命支持系统的重要组成部分是氧气的源泉。同样,与干扰正常呼吸的呼吸系统疾病的人,例如肺炎和肺气肿,通常被保持在氧气帐篷和高压室中,后者施用高压氧,可用于治疗各种植物。

重要的化合物

在无机化学的领域中,存在大量的含氧化合物。存在很少的元素,没有氧化物是已知的,并且存在几种金属元素(例如钛,钒和镨),其存在各种固体氧化物。金属元素的固体氧化物通常可以通过在高温下的元素的直接反应来合成。在许多情况下,这种反应将导致在其最氧化的形式中形成金属的单氧化物。典型的实例是钠,钙,镧,钛,钒和钨的金属氧化物。

在能够形成还原氧化物的元素的情况下,特别是早期过渡金属,可以通过在惰性容器中加热最高氧化物,在惰性容器中加热到非常高的氧化物(1,500k或更高)来形成还原氧化物。在金属元素的存在下。

结果表现出在化合物中直接金属 - 金属键合的程度和重要性的变化,并且该变化产生了各种电和磁性。这些氧化物的富含金属富含金属导体,往往是不间断的;也就是说,观察到它们存在于所有具有相同底层结构的一系列组合物中。

这些钛氧化物的许多含有多于一种晶体结构(多态性)。最氧化的化合物,钛被广泛用于金红石形式,作为涂料中的白色颜料。

由两种金属元素和氧组成的三元氧化物是固体科学家的重要兴趣。例如,尖晶石和钙钛矿等化合物由于其有趣的磁电特性而受到广泛的研究。重要的三元氧化物的例子是磁性铁氧体,它的磁性可以调整,使其在计算机存储单元中很有用。

通过烧制氧化铁和一种或多种金属氧化物的压实混合物来制备铁氧体(例如镍,铜,锌,镁和锰)。

同样重要的无机化学是非金属的氧化物。已知大部分非金属形成具有氧气的各种化合物。氮氧化物是在空气中的高温燃烧(如内燃机)的不希望的副产物,并且会导致严重的环境污染。

引用本文:威廉安德森(SchoolWorkeHelper编辑团队),“氧气:元素,使用,属性”学校努力,2019年,//www.chadjarvis.com/oxygen-ements-uses-properties/

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