氧气的制备、性质和用途

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引言

氧气是一种氧化剂，能与大多数元素和其他化合物容易地形成氧化物。它是元素周期表中氧族元素的成员，是一种高反应性的非金属元素。在宇宙中，氧气的丰度仅次于氢和氦，是地球上最丰富的元素。目前，地球大气中约有20.95%是双原子氧气。地球地壳几乎一半是由氧化物（氧的化合物）组成的。氧的原子序数为8，元素符号为O。

什么是双原子氧？

双原子氧（O₂）是元素氧最常见的同素异形体之一，其分子中包含两个氧原子。它通常被称为氧气，但也称为双原子氧、分子氧或氧气，以区别于元素氧。臭氧(O₃)是已知的最强氧化剂之一，由于它不具有氯化水特有的味道，因此被用于净化饮用水。除了惰性气体外，几乎所有元素都与氧气发生反应。所得物质称为氧化物。氧气是燃烧所必需的，但它本身不可燃。氧气是维持哺乳动物生命所必需的，因为它有助于能量的释放，是一种生命之气。

与14族和15族元素类似，16族中最轻的元素具有形成多重键的最大倾向。因此，元素氧在自然界中以O=O的双原子气体形式存在。

实验室制备双原子氧

双原子氧可以通过多种方法在实验室中制备。

• 富氧盐如硝酸盐和高锰酸盐在热分解时会产生双原子氧。

$$\mathrm{2KNO_{3}\:\rightarrow\:2KNO_{2}\:+\:O_{2}}$$

$$\mathrm{2KMnO_{4}\:\rightarrow\:K_{2}MnO_{4}\:+\:MnO_{2}\:+\:O_{2}}$$

$$\mathrm{2NaNO_{3}\:\rightarrow\:2NaNO_{2}\:+\:O_{2}}$$

• 氯酸钾在二氧化锰的催化作用下热分解产生双原子氧。

$$\mathrm{2KClO_{3}\:\rightarrow\:2KCl\:+\:3O_{2}}$$

• 电化学系列中电极电位相对较低的金属氧化物，如氧化汞和氧化银，在热分解过程中也会产生双原子氧。

$$\mathrm{2HgO(s)\:\rightarrow\:2Hg(l)\:+\:O_{2}}$$

$$\mathrm{2PbO_{2}(s)\:\rightarrow\:2PbO(s)\:+\:O_{2}(g)}$$

• 过氧化氢分解也会产生氧气，加入二氧化锰作为催化剂可以加快反应速度。

$$\mathrm{2H_{2}O_{2}(aq)\:\rightarrow\:2H_{2}O(l)\:+\:O_{2}(g)}$$

工业制备

通过将洁净干燥的空气流通过沸石分子筛，也可以制备双原子氧。在N₂气体被吸收后，提供的90-93%的气体是氧气。

• 电解水也能制备氧气。在阴极释放氢气，在阳极释放氧气。

• 可以通过液态空气的分馏法分离氧气。首先去除水和二氧化碳。然后，氧气以液态形式留下，氮气(N₂)则以蒸汽形式蒸馏出来。

双原子氧的性质

物理性质

• 其分子量为31.99 g/mol。为了方便使用，采用32 g/mol的摩尔质量。

• 它在水中溶解度很高（在293K时，100cm³水中溶解3.08cm³）。

• 它是一种无色无味的氣體。

• 在-183°C时，它是浅蓝色的液体。

• 由于其密度为1.429 g/L，它比空气密度大。

• 其沸点为-182.962°C。

• 其熔点为-218.79°C。

• 它具有顺磁性。

化学性质

氧气是一种高反应性元素，能与几乎所有金属和非金属直接反应。一些金属，如金和铂，以及一些惰性气体，如氦、氩和氖，没有明显的反应。

• 因此，大多数金属和非金属都能与其直接反应，生成相应的元素氧化物。

$$\mathrm{4Na\:+\:O_{2}\:\rightarrow\:2Na_{2}O(与金属反应)}$$

$$\mathrm{C\:+\:O_{2}\:\rightarrow\:CO_{2}(与非金属反应)}$$

• 其性质为顺磁性。

• 通常情况下，酸和碱不会使氧气发生反应。

• 氧气是一种有效的氧化剂，有助于燃烧。

$$\mathrm{燃料\:+\:O_{2}\:\rightarrow\:CO_{2}\:+\:H_{2}O}$$

• 氧气与潮湿作用会使铁生锈。

$$\mathrm{Fe\:+\:O_{2}\:+\:H_{2}O\:\rightarrow\:Fe_{2}O_{2}.nH_{2}O(水合氧化铁)}$$

双原子氧的用途

• 双原子氧是呼吸所必需的。

• 它被用于液体火箭燃料。

• 它以氧乙炔的形式用于切割和焊接金属。

• 它可以用来生产硝酸。

• 医院和登山用的氧气瓶中含有它。

• 氧气和乙炔气体反应会产生氧乙炔火焰，用于切割和焊接金属。

• 氧气被用于净化水，包括废水处理和污水处理方法。

• 臭氧用于激光切割。

• 它与甲烷或二氧化碳一起用于人工呼吸。

• 氧气用于燃烧过程。将氧气与空气混合可以促进燃烧，因为通常不燃烧的物质在氧气中很容易燃烧。

结论

氧气是一种高反应性的气体，无色、无味、无嗅。在地球的地壳中，它并非以纯净的形式存在。由于其高电负性和反应活性，它与几乎所有金属和非金属形成氧化物。可以通过加热分解富氧物质如过氧化钡、氯酸钾、高锰酸钾、硝酸钾等来制备氧气。也可以通过过氧化物和水来获得氧气。双原子氧是可燃的和顺磁性的。存在氢键。

氧气是维持地球生命的重要组成部分。它是这个过程的核心。它用于水肺潜水、登山和医院填充人工呼吸器。氧气有广泛的工业应用。它对包括钢铁在内的多种金属的生产和焊接过程至关重要。

常见问题

1. 为什么硫是固体而双原子氧是气体？

由于小氧原子中较强的电子间斥力，O-O键比S-S键弱。此外，由于氧的电负性更高且原子半径更小，它会形成p-p多重键。因此，它以氧分子存在，这些分子通过可忽略的范德华力结合在一起。在标准温度下，氧气是气体。硫比其他元素不太可能形成p-p多重键。它也形成强S-S单键，原子半径大，电负性低，这解释了其增强的链增长和以具有褶皱环状结构的S₈分子存在。因此，硫在室温下是固体。

2. 臭氧是如何形成的？

我们可以通过在冷、干、纯氧中静静地放电来制造臭氧，使用特殊的装置。这种装置通常被称为臭氧发生器。通过这种方法，我们可以生产浓度为10%的气体。

3. 碱金属与氧气反应会发生什么？

碱金属（I族元素）与氧气反应非常迅速。应将碱金属远离氧气以防止氧化。该族中最下面的金属比最上面的金属反应性强得多。较轻的碱金属生成超氧化物MO₂，而锂和钠分别生成一氧化物Li₂O和Na₂O。

4. 双原子氧是化合物还是分子？

它由两个通过共价键结合在一起的氧原子组成，因此它是一个双原子分子。

5. 双原子氧是一种蓝色的气体，对生命不重要。这是真的还是假的？

我们呼吸的氧气是双原子氧气。这是一种无色、无味、无嗅的气体。它对生命至关重要，因为植物和动物在代谢过程中使用它，代谢过程会燃烧食物成分以产生能量。因此，该说法是错误的。