化学元素
氧,元素周期表第二周期、第ⅥA族非金属元素,元素符号O,原子序数8,相对原子质量15.9994,电负性仅次于氟。氧是地壳中最丰富、分布最广的元素,也是构成生物界与非生物界最重要的元素,在地壳的含量为48.6%。单质氧在大气中占20.9%。除了16O外,还有17O和18O等同位素。
相关历史
氧的发现
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,约瑟夫·普里斯特利是第一位发布氧元素声明的人。因而这三位化学家均因发现氧而获得了荣誉。
2018年5月16日,大阪产业大学、日本国立天文台及名古屋大学等组成的团队宣布,使用南美智利的ALMA射电望远镜发现距地球132.8亿光年的狮子座方向银河中存在氧。
2023年,东京工业大学近藤洋介团队及多国研究人员通过将氟原子高能束粉碎成液态氧,首次创造出含有8个质子和20个中子的氧同位素:氧-28。
氧译名的演变
氧元素西文原名是“oxygen”。oxygen(法文为:oxygène,源自希腊文oxys<酸>和gene<产生、源>)是法国化学家拉瓦锡给出的,因为他认为这种物质是酸性物质的制造者。此前,有人将这种物质称为生气(vital gas)或养气(nourishing gas),因为它是人和动物生命所必需的。
19世纪初,欧洲化学家发现,拉瓦锡的观点——“oxygen 是酸性物质的制造者”并不正确,因为盐酸(HCl)和氢氟酸(HF)都不含有氧元素,但它们都有酸性。因此,他们认为拉瓦锡将这种物质命名为“oxygen”并不正确。
1855年,英国传教士合信在《博物新编》里首次将oxygen翻译到中国来。他将oxygen译为“养气”,依据的不是“酸性物质的制造者”之意,而是取“生养”之意。“生养”之意显然比“酸性物质的制造者”之意更准确。译名“养气”基本上被随后出版的化学书籍采用,如《化学鉴原》。1908年,清政府学部审定科编纂了《化学语汇》,用的也是“养气”。
1898年,益智书会出版了《修订元素表》(The Revised List of Chemical Elements)。该表依据“重要元素应该意译,一个元素译以一个汉字”的原则,将oxygen译为“养”。
1901年,益智书会公布《协定化学名目》(Chemical Terms and Nomenclature),与《修订元素表》基本一致,只是给所有气体元素名称加上了“气”字头,如右图所示。
1915年,中国科学社社长任鸿隽发表《化学元素命名说》一文,提出83种元素的译名,以供中国科学社“暂时之用”,他把oxygen译为“养”。
oxygen的日文译名为“酸素”。甲午战争后,我国翻译了许多日文书籍,“酸素”这个名词进入中国,部分中国人直接使用了这个名词。
1916年,中华民国医药学会提出了《化学名词草案》,认为元素的翻译应以西语(拉丁语、英语、德语)原意为首要依据,然后再参考旧译名和日本译名。在气体元素翻译方面,中华民国医药学会认为,在一种元素对应一个单字的原则下,为明了、简单、系统化起见,过去的译名“养”“养气”及来自日本的译名“酸素”等都不宜使用。因此,该学会翻译oxygen时取义“酸素”,在一种元素对应一个单字的原则下,把oxygen翻译为右图所示汉字,音同“酸”。
1916年,中华民国医药学会等团体发起成立了医学名词审查会。1917年1月,医学名词审查会审查元素名词时,否决了这个译名。因此,这个译名的影响不是很大。
1917年1月,当时负责统一医学名词的医学名词审查会召开第二次审查大会。由于医学与化学联系紧密,大会审查了元素名词。审查会结束前夕,大家一致同意改用“氱”,理由是:氱(O),昜音与养同。《说文》:水象众水并流,中有微昜之气。夫水为H与O所成,故据此用之,但加气头,制为氱字,读如养,会意兼谐声。
1915年9月,教育部公布《元素命名商榷》,认为oxygen的旧译名“养”,日文译名“酸素”都是意译,应用时容易使人误解。因此,《元素命名商榷》将oxygen译为“氧”。
1932年8月,教育部召开化学讨论会,全国化学专家集于一堂,讨论化学上的重要问题,其中的译名统一问题由译名组负责。经表决,与会的18人中,15人赞成用“氧”字。
理化性质
氧元素
氧(Oxygen)是一种化学元素,其原子序数为8,相对原子质量为15.9994,氧原子半径是0.074nm。由符号“O”表示。氧单质形式有氧气(O2)、臭氧(O3)、固态O2(α、β、γ、δ、ε、ζ相)、四聚氧(O4)、红氧(O8)等,互为同素异形体
同位素
氧元素有三种稳定同位素(16O、17O 和18O),其原子丰度分别为 99.758%、0.038% 和 0.205%[1]。由于氧参与了诸多生物地球化学反应并发生差异性的分馏过程,因此氧同位素比值(17O/16O 和18O/16O)是地球科学研究中较为常见的地球化学示踪指标。
水体中溶解氧分子18O(0.205%)丰度远高于17O(0.038%),故研究溶解氧中18O的应用较多,例如海气交换、光合及呼吸作用、水团混合等。随着前处理和测试技术的不断发展,溶解于水体中的氧(DO)丰度较低的17O也逐渐受到学界的重视,其科研价值不断被挖掘。研究表明,与海洋水分子中的氧同位素组成相比,大气中的氧气在δ18O同位素上会呈现富集状态,其数值测定结果为(28.88+0.02)%。
稳定氧同位素常用于示踪溶解氧的源汇,在海洋领域中其还可以用于估算水柱耗氧和沉积物耗氧的比例,这对于低氧区氧气源汇的研究意义尤为重要。17O相对18O具有不同的分馏特征,可以更深入的探究氧元素的生物地球化学循环。
2023年,科学家首次创造出含有8个质子和20个中子的氧同位素:氧-28。
化学性质
元素周期表中,氧是氧族元素的一员,它也是一个高反应性的第2周期非金属元素,氧的非金属性电负性仅次于,除了,为电负性3.44,第一电离势1314kJ/mol。
所有元素都能与氧气反应,形成化合物(主要为氧化物)。一般而言,绝大多数非金属氧化物的水溶液呈酸性,而碱金属碱土金属氧化物则为碱性。此外,大多数有机化合物,可在氧气中燃烧生成二氧化碳水蒸气,如酒精甲烷。部分有机物不可燃,但也能和氧气等氧化剂发生氧化反应
除了金属和非金属单质,氧气能够同一些具有还原性的无机物质发生化学反应。在常温下,氧气能氧化气态的NO生成NO2。在加热时,能氧化气态的H2S,CO,液态的CS2,固态的P4O6,Cu2O;在有催化剂存在并加热时,能氧化气态的NH3,SO2;在强热时,能氧化许多硫化物矿。
氧的化合价:氧的化合价很特殊,一般为-2价和0价。而氧在过氧化物中通常为-1价。在超氧化物中为-1/2,臭氧化物中氧为-1/3,这里的化合价被称为表观化合价,就是表面上看出来的化合价没有实际的含义,超氧化物中氧的化合价只能说是超氧根离子,不能单独地看每个原子,因为电子是量子化的,即不连续的,不存在1/2个电子,自然化合价也就没有0.5的说法,臭氧化物也一样,在过氧根中相当于是由两个电子组成了电子对,所以这两个电子不表现出化合价,所以过氧根离子整体呈-2价。而氧的正价很少出现,只有在和氟的化合物二氟化氧二氟化二氧氟铂酸氧(O2PtF6)中显示+2价和+1价以及+0.5价。
氧化性:实验证明,除黄金外的所有金属都能和氧发生反应生成金属氧化物,比如在高温下在纯氧中被氧化生成二氧化铂。黄金一般认为不能和氧发生反应,但是有三氧化二金氢氧化金等化合物,其中金为+3价;氧气不能和发生反应,但是臭氧可以氧化它们。
在热力学上,大多数金属和生命有机体对氧都是不稳定的。但是,在常温下这些反应却相当缓慢。从结构上讲,这是因为由氧分子形成负二价的氧离子时需要消耗很大的能量,约1000kJ/mol。而且,在形成离子型氧化物时,金属原子的气化和电离也要消耗能量。尽管在形成化合物时要放出能量,但也难以补偿所消耗的能量。从动力学上讲,大多数反应过程都被抑制。例如,金属表面可因氧化膜的生成而被保护起来,防止了进一步的氧化;对生命有机体的氧化来说,因其活化能相当高而难以进行。然而,采取适当的方法使氧分子转变成化学活性极高的氧原子,采用适当的催化剂以降低反应的活化能,或采用其它活化反应的方法,可使上述介稳的体系变得不稳定。实际上,常用加热的方法来促进氧气同大多数单质和许多化合物的反应。
应用领域
工业用途
许多家庭用品的有效成分都是氧化剂,例如家用漂白水、美发漂白水、消毒剂、去污用品、消炎软膏及某些药品等。某些家用消毒柜是利用臭氧来消毒的,臭氧就是一种强氧化剂。
许多粘合剂的工作原理就是将两种物质混合后产生一种能迅速凝固的化合物。这两种物质中,一种是树脂(像和好的生面团一样能捏成各种形状),另一种就是氧化剂(能引发聚合反应)。氧化剂可腐蚀皮肤,因此需要仔细保存,而且标签上要有警示作用。
还有一些粘合剂发挥作用的速度比较慢,在这种情况下,空气中的氧气就可充当氧化剂的角色,来氧化粘合剂(类似液体塑料),使粘合剂中的各种成分交联到一起。这个过程叫做聚合,通常含碳的粘合剂会发生这种反应。由于溶剂的挥发,这类粘合剂会散发出强烈的刺激性气味(标签上会提示不要在密闭空间吸入这类气体),需要密封保存。
头发中含有很多有色化合物(色素)。过氧化氢(H2O2)是一种氧化剂,能与头发中的色素反应,使头发氧化褪色。漂发剂通常是浓度为6%的过氧化氢溶液。
很多洗涤剂中也含有氧化剂,可以使有色物质变成无色。依据相同的原理,洗涤剂也可用于清除污垢。
许多金属氧化物可用作染色剂,早在古代人们就将其作为颜料(染色物质)加入涂料中。
同一金属的不同氧化物会因其含氧量不同而呈现不同的颜色。例如,铁的氧化物有红色的(含氧量较高),还有黑色的(含氧量较低)。
医疗用途
3%的过氧化氢溶液遇血液会分解生成水和氧气,氧气能氧化所有微生物,因此稀过氧化氢溶液可用于伤口消毒。
高锰酸钾(一种含氧量很高的钾的化合物,呈紫色)也可用来清洗伤口,其作用机理与过氧化氢相同。
分布情况
如果按质量计算,氧在宇宙中的含量仅次于氢和氦。氧在地壳中基本上是以氧化合物的形式存在的,是含量最丰富的元素,含量为48.6%。氧气占了空气体积的20.9%(以体积计)。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89%。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,他们的细胞都有类似的组成,其中氧元素占到65%的质量。
安全措施
环境危害
氧在大气中主要以单质氧气(O2)的形式存在,O2是地球生物圈中绝大多数有机生命体维持生命活动所必需的物质,人们无时无刻不暴露在富含O2的环境中。自然界中O2主要由植物的光合作用产生,依靠氧循环维持平衡。氧虽对身体有益,含量过高时也会发生氧中毒;氧元素也可以通过臭氧(O3)的形式对人体产生危害。
健康危害
在1个大气压(标准状况下101kPa)的纯氧环境中,人只能存活24小时左右,死亡的原因是肺炎、呼吸衰竭或窒息死亡。氧中毒作用的靶器官主要是肺、脑及眼等,临床上将氧中毒分为肺型、脑型及眼型氧中毒三种类型。肺型氧中毒常见于潜水或加压治疗重型减压病时吸氧时间过长,在100kPa氧分压暴露72小时或200kPa氧分压暴露12小时即可发生;在83kPa、100kPa、200kPa氧压下分别暴露6、4、3小时即出现临床症状,并随着暴露时间的延长,症状不断加重。脑型(惊厥型)氧中毒是吸入2—3倍大气压的O2所致,患者主要出现视觉和听觉障碍、恶心、抽搐、晕厥等神经症状、严重者可出现昏迷,甚至死亡。眼型氧中毒较少见,但危害严重,是长时间吸入70—80kPaO2所致,主要表现为视网膜萎缩。
检测方法
氧元素含量的测试方法主要有氧氮分析仪法、X 射线光电子能谱法和有机元素分析仪法。氧氮分析仪平常主要用作金属材料中微量氧元素含量的测定,X 射线光电子能谱法虽可以对氧元素进行定性、定量和化学状态分析,但它只限于表面层分析,无法对材料内部成分进行分析,有机元素分析仪法可以直接定量分析有机样品中氧元素含量。
痕量氧元素:使用飞行时间二次离子质谱法,通过改变分析离子束的光阑大小,进而改变作用于试样表面单位面积的束流大小,通过比对不同离子束流下产生的氧离子计数,判定痕量氧元素是否存在。
煤中有机物氧元素测定:煤中氧含量一般不直接测定,而用差减法求出。依据GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》,计算空气干燥煤样氧质量百分数。
参考资料
氧,氧气-安全说明书.应急管理部化学品登记中心.
最新修订时间:2025-03-29 14:26
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