氧氣的製備、性質和用途

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引言

氧氣是一種氧化劑，能與大多數元素和其他化合物容易地形成氧化物。它是元素週期表中氧族元素的成員，是一種高反應性的非金屬元素。在宇宙中，氧氣的丰度僅次於氫和氦，是地球上最豐富的元素。目前，地球大氣中約有20.95%是雙原子氧氣。地球地殼幾乎一半是由氧化物（氧的化合物）組成的。氧的原子序數為8，元素符號為O。

什麼是雙原子氧？

雙原子氧（O₂）是元素氧最常見的同素異形體之一，其分子中包含兩個氧原子。它通常被稱為氧氣，但也稱為雙原子氧、分子氧或氧氣，以區別於元素氧。臭氧(O₃)是已知的最強氧化劑之一，由於它不具有氯化水特有的味道，因此被用於淨化飲用水。除了惰性氣體外，幾乎所有元素都與氧氣發生反應。所得物質稱為氧化物。氧氣是燃燒所必需的，但它本身不可燃。氧氣是維持哺乳動物生命所必需的，因為它有助於能量的釋放，是一種生命之氣。

與14族和15族元素類似，16族中最輕的元素具有形成多重鍵的最大傾向。因此，元素氧在自然界中以O=O的雙原子氣體形式存在。

實驗室製備雙原子氧

雙原子氧可以透過多種方法在實驗室中製備。

• 富氧鹽如硝酸鹽和高錳酸鹽在熱分解時會產生雙原子氧。

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

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

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

• 氯酸鉀在二氧化錳的催化作用下熱分解產生雙原子氧。

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

• 電化學系列中電極電位相對較低的金屬氧化物，如氧化汞和氧化銀，在熱分解過程中也會產生雙原子氧。

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

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

• 過氧化氫分解也會產生氧氣，加入二氧化錳作為催化劑可以加快反應速度。

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

工業製備

透過將潔淨乾燥的空氣流透過沸石分子篩，也可以製備雙原子氧。在N₂氣體被吸收後，提供的90-93%的氣體是氧氣。

• 電解水也能製備氧氣。在陰極釋放氫氣，在陽極釋放氧氣。

• 可以透過液態空氣的分餾法分離氧氣。首先去除水和二氧化碳。然後，氧氣以液態形式留下，氮氣(N₂)則以蒸汽形式蒸餾出來。

雙原子氧的性質

物理性質

• 其分子量為31.99 g/mol。為了方便使用，採用32 g/mol的摩爾質量。

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

• 它是一種無色無味的氣體。

• 在-183°C時，它是淺藍色的液體。

• 由於其密度為1.429 g/L，它比空氣密度大。

• 其沸點為-182.962°C。

• 其熔點為-218.79°C。

• 它具有順磁性。

化學性質

氧氣是一種高反應性元素，能與幾乎所有金屬和非金屬直接反應。一些金屬，如金和鉑，以及一些惰性氣體，如氦、氬和氖，沒有明顯的反應。

• 因此，大多數金屬和非金屬都能與其直接反應，生成相應的元素氧化物。

$$\mathrm{4Na\:+\:O_{2}\:\rightarrow\:2Na_{2}O(與金屬反應)}$$

$$\mathrm{C\:+\:O_{2}\:\rightarrow\:CO_{2}(與非金屬反應)}$$

• 其性質為順磁性。

• 通常情況下，酸和鹼不會使氧氣發生反應。

• 氧氣是一種有效的氧化劑，有助於燃燒。

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

• 氧氣與潮溼作用會使鐵生鏽。

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

雙原子氧的用途

• 雙原子氧是呼吸所必需的。

• 它被用於液體火箭燃料。

• 它以氧乙炔的形式用於切割和焊接金屬。

• 它可以用來生產硝酸。

• 醫院和登山用的氧氣瓶中含有它。

• 氧氣和乙炔氣體反應會產生氧乙炔火焰，用於切割和焊接金屬。

• 氧氣被用於淨化水，包括廢水處理和汙水處理方法。

• 臭氧用於雷射切割。

• 它與甲烷或二氧化碳一起用於人工呼吸。

• 氧氣用於燃燒過程。將氧氣與空氣混合可以促進燃燒，因為通常不燃燒的物質在氧氣中很容易燃燒。

結論

氧氣是一種高反應性的氣體，無色、無味、無嗅。在地球的地殼中，它並非以純淨的形式存在。由於其高電負性和反應活性，它與幾乎所有金屬和非金屬形成氧化物。可以透過加熱分解富氧物質如過氧化鋇、氯酸鉀、高錳酸鉀、硝酸鉀等來製備氧氣。也可以透過過氧化物和水來獲得氧氣。雙原子氧是可燃的和順磁性的。存在氫鍵。

氧氣是維持地球生命的重要組成部分。它是這個過程的核心。它用於水肺潛水、登山和醫院填充人工呼吸器。氧氣有廣泛的工業應用。它對包括鋼鐵在內的多種金屬的生產和焊接過程至關重要。

常見問題

1. 為什麼硫是固體而雙原子氧是氣體？

由於小氧原子中較強的電子間斥力，O-O鍵比S-S鍵弱。此外，由於氧的電負性更高且原子半徑更小，它會形成p-p多重鍵。因此，它以氧分子存在，這些分子透過可忽略的範德華力結合在一起。在標準溫度下，氧氣是氣體。硫比其他元素不太可能形成p-p多重鍵。它也形成強S-S單鍵，原子半徑大，電負性低，這解釋了其增強的鏈增長和以具有褶皺環狀結構的S₈分子存在。因此，硫在室溫下是固體。

2. 臭氧是如何形成的？

我們可以透過在冷、幹、純氧中靜靜地放電來製造臭氧，使用特殊的裝置。這種裝置通常被稱為臭氧發生器。透過這種方法，我們可以生產濃度為10%的氣體。

3. 鹼金屬與氧氣反應會發生什麼？

鹼金屬（I族元素）與氧氣反應非常迅速。應將鹼金屬遠離氧氣以防止氧化。該族中最下面的金屬比最上面的金屬反應性強得多。較輕的鹼金屬生成超氧化物MO₂，而鋰和鈉分別生成一氧化物Li₂O和Na₂O。

4. 雙原子氧是化合物還是分子？

它由兩個透過共價鍵結合在一起的氧原子組成，因此它是一個雙原子分子。

5. 雙原子氧是一種藍色的氣體，對生命不重要。這是真的還是假的？

我們呼吸的氧氣是雙原子氧氣。這是一種無色、無味、無嗅的氣體。它對生命至關重要，因為植物和動物在代謝過程中使用它，代謝過程會燃燒食物成分以產生能量。因此，該說法是錯誤的。