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氧氣

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  • 簡介:   氧氣(化學式:O2),化學式量:32.00,無色無味氣體,氧元素***常見的單質形態。熔點-218.4℃,沸點-183℃。不易溶于水,1L水中溶解約30mL氧氣。在空氣中氧氣約占21% 。液氧為…
產品詳細

  氧氣(化學式:O2),化學式量:32.00,無色無味氣體,氧元素***常見的單質形態。熔點-218.4℃,沸點-183℃。不易溶于水,1L水中溶解約30mL氧氣。在空氣中氧氣約占21% 。液氧為天藍色。固氧為藍色晶體。常溫下不很活潑,與許多物質都不易作用。但在高溫下則很活潑,能與多種元素直接化合,這與氧原子的電負性僅次于氟有關。[1-2]
  氧在自然界中分布***廣,占地殼質量的48.6%,是豐度***高的元素。在烴類的氧化、廢水的處理、火箭推進劑以及航空、航天和潛水中供動物及人進行呼吸等方面均需要用氧。動物呼吸、燃燒和一切氧化過程(包括有機物的***)都消耗氧氣。但空氣中的氧能通過植物的光合作用不斷地得到補充。在金屬的切割和焊接中。是用純度93.5%~99.2%的氧氣與可燃氣(如乙炔)混合,產生極高溫度的火焰,從而使金屬熔融。冶金過程離不開氧氣。為了強化硝酸和硫酸的生產過程也需要氧。不用空氣而用氧與水蒸氣的混合物吹人煤氣氣化爐中,能得到高熱值的煤氣。醫療用氣極為重要。[1]
  分子結構
  編輯
  O2分子內的化學鍵通常是共價鍵。
  氧氣的結構
  氧氣的結構
  從實驗上來說,順磁共振光譜證明O有順磁性,還證明O有兩個未成對地電子。說明原來的以雙鍵結合的氧分子結構式不符合實際。
  氧氣的結構如右圖所示,基態O2分子中并不存在雙鍵,氧分子里形成了兩個三電子鍵。
  氧的分子軌道電子排布式是
  ,在π軌道中有不成對的單電子,所以O2分子是所有雙原子氣體分子中***的一種具有偶數電子同時又顯示順磁性的物質。[5]
  氧氣分子的分子軌道能級圖
  氧氣分子的分子軌道能級圖
  兩個氧原子進行sp軌道雜化,一個單電子填充進sp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。[5]
  單線態氧和三線態氧
  普通氧氣含有兩個未配對的電子,等同于一個雙游離基。兩個未配對電子的自旋狀態相同,自旋量子數之和S=1,2S+1=3,因而基態的氧分子自旋多重性為3,稱為三線態氧。[6]
  在受激發下,氧氣分子的兩個未配對電子發生配對,自旋量子數的代數和S=0,2S+1=1,稱為單線態氧。
  空氣中的氧氣絕大多數為三線態氧。紫外線的照射及一些有機分子對氧氣的能量傳遞是形成單線態氧的主要原因。單線態氧的氧化能力高于三線態氧。
  單線態氧的分子類似烯烴分子,因而可以和雙烯發生狄爾斯-阿爾德反應。
  物化性質
  編輯
  物理性質
  無色無味氣體,熔點-218.8℃,沸點-183.1℃,相
  氧氣瓶
  氧氣瓶
  對密度1.14(-183℃,水=1),相對蒸氣密度1.43(空氣=1),飽和蒸氣壓506.62kPa(-164℃),臨界溫度-118.95℃,臨界壓力5.08MPa,辛醇/水分配系數:0.65。[2]  大氣中體積分數:20.95%(約21%)。
  同素異形體:臭氧(O3),四聚氧(O4),紅氧(O8)。
  化學性質
  氧氣的化學性質比較活潑。除了稀有氣體、活性小的金屬元素如金、鉑、銀之外,大部分的元素都能與氧氣反應,這些反應稱為氧化反應,而經過反應產生的化合物(有兩種元素構成,且一種元素為氧元素)稱為氧化物。一般而言,非金屬氧化物的水溶液呈酸性,而堿金屬或堿土金屬氧化物則為堿性。此外,幾乎所有的有機化合物,可在氧中劇烈燃生成二氧化碳與水?;瘜W上曾將物質與氧氣發生的化學反應定義為氧化反應,氧化還原反應指發生電子轉移或偏移的反應。氧氣具有助燃性,氧化性。[5]
  工業制法
  1、分離液態空氣法
  在低溫條件下加壓,使空氣轉變為液態,然后蒸發,由于液態氮的沸點是‐196℃,比液態氧的沸點(‐183℃)低,因此氮氣首先從液態空氣中蒸發出來,剩下的主要是液態氧。
  空氣液化裝置示意圖
  空氣液化裝置示意圖
  空氣中的主要成分是氧氣和氮氣。利用氧氣和氮氣的沸點不同,從空氣中制備氧氣稱空氣分離法。首先把空氣預冷、凈化(去除空氣中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳氫化合物等氣體和灰塵等雜質)、然后進行壓縮、冷卻,使之成為液態空氣。然后,利用氧和氮的沸點的不同,在精餾塔中把液態空氣多次蒸發和冷凝,將氧氣和氮氣分離開來,得到純氧(可以達到99.6%的純度)和純氮(可以達到99.9%的純度)。如果增加一些附加裝置,還可以提取出氬、氖、氦、氪、氙等在空氣中含量極少的稀有惰性氣體。由空氣分離裝置產出的氧氣,經過壓縮機的壓縮,***后將壓縮氧氣裝入高壓鋼瓶貯存,或通過管道直接輸送到工廠、車間使用。使用這種方法生產氧氣,雖然需要大型的成套設備和嚴格的安全操作技術,但是產量高,每小時可以產出數千、萬立方米的氧氣,而且所耗用的原料僅僅是不用買、不用運、不用倉庫儲存的空氣,所以從1903年研制出***臺深冷空分制氧機以來,這種制氧方法一直得到***廣泛的應用。
  2、膜分離技術
  膜分離技術得到迅速發展。利用這種技術,在一定壓力下,讓空氣通過具有富集氧氣功能的薄膜,可得到含氧量較高的富氧空氣。利用這種膜進行多級分離,可以得到百分之九十以上氧氣的富氧空氣。
  3、分子篩制氧法(吸附法)
  利用氮分子大于氧分子的特性,使用特制的分子篩把空氣中的氧離分出來。首先,用壓縮機迫使干燥的空氣通過分子篩進入抽成真空的吸附器中,空氣中的氮分子即被分子篩所吸附,氧氣進入吸附器內,當吸附器內氧氣達到一定量(壓力達到一定程度)時,即可打開出氧閥門放出氧氣。經過一段時間,分子篩吸附的氮逐漸增多,吸附能力減弱,產出的氧氣純度下降,需要用真空泵抽出吸附在分子篩上面的氮,然后重復上述過程。這種制取氧的方法亦稱吸附法.利用吸附法制氧的小型制氧機已經開發出來,便于家庭使用。
  4、電解制氧法
  把水放入電解槽中,加入氫氧化鈉或氫氧化鉀以提高水的電解度,然后通入直流電,水就分解為氧氣和氫氣。每制取一立方米氧,同時獲得兩立方米氫。用電解法制取一立方米氧要耗電12~15千瓦小時,與上述兩種方法的耗電量(0.55~0.60千瓦小時)相比,是很不經濟的。所以,電解法不適用于大量制氧。另外同時產生的氫氣如果沒有妥善的方法收集,在空氣中聚集起來,如與氧氣混合,容易發生極其劇烈的爆炸。所以,電解法也不適用家庭制氧的方法。
  主要用途
  編輯
  冶煉工藝:在煉鋼過程中吹以高純度氧氣,氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反應,這不但降低了鋼的含碳量,還有利于清除磷、硫、硅等雜質。而且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,吹氧不但縮短了冶煉時間,同時提高了鋼的質量。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。
  化學工業:在生產合成氨時,氧氣主要用于原料氣的氧化,以強化工藝過程,提高化肥產量。再例如,重油的高溫裂化,以及煤粉的氣化等。
  國防工業:液氧是現代火箭***好的助燃劑,在超音速飛機中也需要液氧作氧化劑,可燃物質浸漬液氧后具有強烈的爆炸性,可制作液氧炸藥。
  醫療保?。汗┙o呼吸:用于缺氧、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。
  其它方面:它本身作為助燃劑與乙炔、丙烷等可燃氣體配合使用,達到焊割金屬的作用,各行各業中,特別是機械企業里用途很廣,作為切割之用也很方便,是***的一種切割方法。

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