氧氣

氧氣 – 簡介

(圖)氧氣氧氣

氧氣(英文Oxygen gas或Dioxygen,分子式O2)是氧元素最常見的單質形態。氧氣是空氣的組分之一,無色、無嗅、無味。氧氣密度比空氣大,在標準狀況(0℃和大氣壓強101325帕)下密度為1.429克/升,能溶於水,溶解度很小,1L水中約溶30mL氧氣。在壓強為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。

氧氣 – 氧氣的發現

拉無錫拉瓦錫

1772年11月,法國科學院收到拉瓦錫對於燃燒現象的研究,也就是早就知道的化學現象:磷,在空氣中會燃燒,冒出白色的濃煙。1774年10月, 拉瓦錫受到普利斯特裏和舍勒的啟發,做瞭很精細的實驗,被人們稱為“二十天實驗”。 實驗過程中紅色的渣滓越來越多。 到瞭第十二天,紅色渣滓不再增多瞭。 實驗結束時,鐘罩裏的空氣的體積,大約減少瞭五分之一。 他收集瞭紅色的渣滓,用高溫加熱。“三仙丹”分解瞭,重新釋放出氣體。拉瓦錫總共得到7~8立方英寸(1立方英寸等於16.377cm )的氣體,正好與原先鐘罩中失去的氣體體積相等。 至於剩下來的氣體,既不能幫助燃燒,也不能供呼吸用。 拉瓦賜把那占空氣總體積五分之一的氣體,稱為“氧氣”(也就是普利斯特裏所謂的“失燃素空氣”、舍勒所謂的“火空氣”)。

就這樣,千百年來被人們當作“元素”的空氣,終於被拉瓦錫揭開瞭真面目──原來,空氣是由氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體混合組成的。

隨著空氣之謎被揭開,燃燒的本質也隨之被查清楚瞭。

氧氣的中文名稱是徐壽命名的。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”,後來為瞭統一就用“氧”代替瞭“養”字,叫“氧氣”。

氧氣 – 分佈與結構

(圖)氧氣結構氧氣結構氧氣分子結構氧氣分子結構

分佈:地球空氣中大約含有體積為20.947%的以單質形式存在的氧氣。

結構:氧氣是雙原子分子,兩個氧原子進行sp2軌道雜化,一個單電子填充進sp2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。

氧氣 – 大氣層氧氣的產生

(圖)光合作用
光合作用制氧

地球的大氣層形成初期是不含氧氣的。

原始大氣是還原性的,充滿瞭甲烷、氨等氣體。

大氣層氧氣的出現源於兩種作用。

一個是非生物參與的水的光解,一個是生物參與的光合作用。

生物的光合作用對大氣層的影響巨大。它造成瞭大氣層由還原氛圍向氧化氛圍的轉變。使得水光解產生的氫氣能重新被氧化為水回到地球而不至於擴散到外層空間去,從而防止瞭地球上的水的流失。同時光合作用也加速瞭大氣層氧氣的積累,深刻地改變瞭地球上物種的代謝方式和形態。大氣層含氧量在石炭紀的時候一度上升到瞭35%!。氧氣含量的增加造成瞭依賴於滲透方式輸氧的昆蟲在形態上的巨型化。在石炭紀曾出現過翼展達一米的巨蜻蜓。

氧氣 – 制法

(圖)氧氣實驗室制法氧氣實驗室制法

實驗室制法

一般實驗室制造氧氣使用的方法是:加熱高錳酸鉀,化學式為:2KMnO4=(△)=K2MnO4+MnO2+O2↑

二氧化錳做催化劑,使過氧化氫分解:用催化劑MnO2並加熱氯酸鉀,化學式為:2KClO3=(△,MnO2)=2KCl+3O2↑

用過氧化氫稀溶液加二氧化錳的方法:雙氧水(過氧化氫)在催化劑MnO2(或紅磚粉末,土豆,水泥等)中,生成O2和H2O,化學式為: 2H2O2=(MnO2)=2H2O+O2↑

工業制法

工業制造氧氣方法:分離液態空氣。利用氮氣、氧氣沸點的不同,用低溫分餾的方法大量制備氧氣。

氧氣 – 理化性質

物理性質

1、色,味,態:無色無味氣體(標準狀況)
2、熔點:-218.4℃,沸點:-182.9℃
3、密度:1.429克/升(氣),1.419克/厘米(液),1.426克/厘米(固)
4、水溶性:不易溶於水標準狀況下,1L水中可以溶解約30mL的氧氣
5、貯存:天藍色鋼瓶

化學性質

1.氧氣跟金屬反應

(圖)氧氣袋
氧氣袋

2Mg+O2=2MgO,劇烈燃燒發出耀眼的強光,放出大量熱,生成白色固體。
3Fe+2O2=Fe3O4,紅熱的鐵絲劇烈燃燒,火星四射,放出大量熱,生成黑色固體。
2Cu+O2=2CuO,加熱後亮紅色的銅絲表面生成一層黑色物質。

2.氧氣跟非金屬反應

(炭+氧氣→二氧化碳)C+O2=CO2,劇烈燃燒,發出白光,放出熱量,生成使石灰水變渾濁的氣體。
S+O2=SO2,發生明亮的藍紫色火焰,放出熱量,生成有刺激性氣味的氣體。
4P+5O2→2P2O5,劇烈燃燒,發出明亮光輝,放出熱量,生成白煙。

3.氧氣跟一些有機物反應

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。
CH4+2O2=2CO2+2H2O
2C2H2+5O2=4CO2+2H2O

氧氣 – 氧氣用途

(1)氧是心臟的“動力源”:氧是人體進行新陳代謝的關鍵物質,是人體生命活動的第一需要。呼吸的氧轉化為人體內可利用的氧,稱為血氧。血液攜帶血氧向全身輸入能源,血氧的輸送量與心臟、大腦的工作狀態密切相關。心臟泵血能力越強,血氧的含量就越高;心臟冠狀動脈的輸血能力越強,血氧輸送到心腦及全身的濃度就越高,人體重要器官的運行狀態就越好。

(2)應用於冶煉工藝中:在煉鋼過程中吹以高純度氧氣,氧便和碳及磷、硫、矽等起氧化反應,降低瞭鋼的含碳量,這利於清除磷、硫、矽等雜質。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,吹氧不但縮短瞭冶煉時間,同時提高瞭鋼的質量。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,采用富氧也可以縮短冶煉時間提高產量。

(3)氧氣噴泉:在美國洛杉磯等大城市,一種氧氣噴泉吧隨之設立。在氧氣噴泉吧裏,人們手持透明氧氣罐,其上插上瞭精巧的外接吸收裝置,輕輕一吸,罐內的純氧即噴湧而出。帶著檸檬或其他香味的氧氣可連續輸送20分鐘。

(圖)氧氣氧氣用途

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

(5)應用於國防工業中: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,可燃物質浸漬液氧後具有強烈的爆炸性,可制作液氧炸藥。

(6)醫療保健方面供給呼吸: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。

(7)增加吸氧量可減少術後感染及止吐

美國的《新英格蘭醫學雜志》發表一項新的研究成果。奧地利、美國及澳大利亞的麻醉醫師報告,隻要在手術中和手術後給病人增加吸氧量,病人術後感染危險將降低一半。因為增氧可以提高免疫系統的免疫能力,可為患者的“免疫大軍”提供更多“彈藥”,殺死傷口部位的細菌。止吐:增加吸氧比使用的所有止吐藥效果更為明顯,且無危險和價格低廉。氧氣防止嘔吐的機制可能是防止腸道局部缺血,從而阻止催吐因子的釋放。但完全用氧而不用一氧化氮是不可取的,因為這有可能使病人在手術中覺醒。

(8)高壓氧治療突發性耳聾:高壓氧不僅能改善內耳聽覺器官的缺氧狀態,而且還能改善內耳血液循環即組織代謝,促進聽覺功能的恢復。一旦患瞭突發性耳聾,應立即去醫院高壓氧科,因為高壓氧對突發性耳聾的療效常取決於最初的治療時間,一般在發病後三天之內(最遲不應超過一周)治療效果最佳。

(9)高壓氧治療牙周病:高壓氧治療牙周病可提高牙周病局部組織的氧含量和氧的彌散距離,促進側枝循環的重建,改善局部循環。血管收縮效應可緩解局部腫脹。另外,高壓氧還能有效地抑制細菌,尤其是厭氧菌的生長繁殖,改善牙周組織的供血、供氧,促進新陳代謝,以利於局部組織的修復,達到抗炎、消腫、止血和除臭的目的。

(圖)吸氧吸氧

過量吸氧的負作用

早在19世紀中葉,英國科學傢保爾·伯特首先發現,讓動物呼吸純氧會引起中毒,人類也同樣。人在大於0.05MPa(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、肺淤血和出血,嚴重影響呼吸功能,進而使各脹器缺氧而發生損害。

在0.1 MPa(1個大氣壓)的純氧環境中,人隻能存活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,超過瞭會引起腦中毒,生命節奏紊亂,精神錯亂,記憶喪失。在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。 

過量吸氧還會促進生命衰老。進入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,造成血管老化和硬化;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,人變得癡呆;堆積在皮膚上,形成老年斑。

氧氣 – 缺氧

(圖)缺氧缺氧

缺氧一般分為兩種:一種是體外缺氧,一種是體內缺氧。

體外缺氧:主要是因為外部原因造成的缺氧。人處在一個缺少氧氣的環境裏,如陰天氣壓低,高原地區,環境污染地區以及寫字樓、商場、地下室等都容易造成體外缺氧。

體內缺氧:是指人體自身的原因,導致吸入氧氣的不足,與一些老年病、工作節奏快等原因有關。如呼吸系統疾病(氣管炎、哮喘);血液循環不好(各種心臟疾病,腦供血不足、腦梗、脈管炎、靜脈曲張等)。長期處於體內缺氧狀態,人體各個組織供氧不足,加速瞭身體的衰竭,甚至引發中風等意外,直接威脅到生命的安全。

缺氧的癥狀表現
(1) 輕度缺氧:常常打哈欠,手腳冰涼,在大商場、地下設施內感到胸悶氣短,心慌、喘氣急促。

(2) 中度缺氧:爬樓梯兩層以上胸悶氣短、喘氣急促;口臭、胃酸過多、便秘、皮膚幹燥、睡眠不足、多夢易醒,注意力不集中,臉色蒼白,心情緊張後頭屑增多,出虛汗、視力下降,血壓、血脂、血糖偏高,抵抗力減弱,易患感冒。

氧氣 – 測定空氣中氧氣體積分數

名稱

紅磷燃燒實驗紅磷燃燒試驗

原理

紅磷在密閉容器中燃燒測定空氣中氧氣的體積分數 

方程式:4P+5O2=(點燃)=2P2O5   

現象:黃色火焰白煙放出熱量 水沿導管進入集氣瓶中至約五分之一處停止

結論

氧氣約占空氣體積的五分之一(原理)(1.氮氣難溶於水2.氮氣不可燃不助燃)   

藥品的選擇:選擇能與空氣中的氧氣反應,而不跟氧氣及其他氣體起反應的固體,且反應後的生成物為固體,這樣使密閉容器中氣體的量減少,從而使容器中的氣體壓強變小,大氣壓將燒杯內的水壓入集氣瓶中。   

藥品的替代品:若可燃物用硫或碳代替磷,則燒杯內的水須用NaOH溶液代替,也可起到相同的效果。   

實驗誤差:  

1.氣密性良好否則結果偏小。  

2.紅磷要足(過)量否則結果偏小。   

3.等到裝置完全冷卻再打開止水夾否則結果偏小。  

4.實驗開始前加上止水夾否則結果偏大。 

5.紅磷點燃後應快速放入集氣瓶中並塞緊瓶塞否則結果偏大。

計算方法

紅磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷(P2O5),但由於氧氣和磷的密度相差較大(氧氣僅為1.4kg/m3 ,磷的大約在2.34t/m3 ) 。即使集氣瓶中氧氣全部被消耗,所需紅磷的量也極小。生成的五氧化二磷,密度為2.93t/m3 ,五氧化二磷溶於水,進入水中後會占一定的體積,但是由於其密度是氧氣的2000多倍,所以其體積基本可以忽略不計(據計算,即使1m3 的空氣中的氧氣全部耗盡,所生成的五氧化二磷僅為0.5dm3 多一點,其體積為總體積的兩千分之一)。為計算方便,將空氣視為由79%的N2和21%的O2構成的。當0.21體積的氧氣被脫去後,由於氣體的特性,0.79體積的氮氣會自動膨脹至1體積。根據氣體壓強公式PV/T=nR,在本實驗中由於物質的量n沒變,R為一常數,溫度變化Δt忽略不計,當壓強為P時,體積v的情況下P1V1=P2V2,也就是說,由於氮氣的體積增加瞭,上升瞭27%,瓶內氣壓也就自動下降為0.79個大氣壓。根據氣體流動的物理常識,氣體會從壓強較高的地方流向壓強較低的地方,由於瓶內氣壓為0.79個大氣壓,瓶外水槽中大氣壓為1個大氣壓,出現壓強差,水會沿著導管流入集氣瓶中。當集氣瓶內的大氣壓恢復到和水槽中大氣壓相等的時候,水便不再流動。剩餘的0.21體積,則由水占據。這裏便可以清晰地看出,水的體積和之前被脫去氧氣體積相等。

氧氣 – 測定氧氣含量的新方法

實驗室測定氧氣含量除瞭用紅磷燃燒消耗氧氣來測定外,還可以用C,S作為反應物測量,這是就需堿性溶液(如氫氧化鈉或氫氧化鈣溶液),因為反應的生成物都能與其反應被吸收。