氧元素

引入

空气都是由氧气组成的吗？

（物理）历史上什么时候认识到气体？

如何让气体显形？

肺的伸缩是为了获取氧气。

深吸一口纯氧，憋气时间如何？

为什么在密闭空间内，蜡烛燃烧到一半就熄灭？

氧气的分布图（地理）

这些问题都指向同一个概念：氧气不是“空气本身”，而是空气中参与呼吸、燃烧和氧化反应的重要成分。

空气中含量最多的是氮气，氧气约占空气体积分数的 20.8% 或 21%。所以蜡烛在密闭空间中燃烧一段时间后会熄灭，不是因为空气全部消失，而是因为氧气浓度降低，燃烧条件不再满足。

正文

定义

氧是地壳中含量最高的化学元素，常见单质为氧气 $\mathrm{O}{}_2$。氧气在空气中约占 20.8% 体积分数，能支持呼吸和燃烧，具有氧化性。

氧气的制取

工业制取：采用物理分离，先将空气液化，再利用氮气和氧气沸点不同进行分馏。氮气沸点更低，先大量汽化，剩余气体中氧气比例升高。

实验制取：常用过氧化氢在二氧化锰催化下分解，或加热高锰酸钾、氯酸钾等含氧物质。

物质名称	性质	类别	气味	颜色	物态	密度（$0{}^{\circ }\mathrm{C}$,101 kPa）	熔点	沸点	常见氧化态
氧气 $\mathrm{O}{}_2$	不易溶于水，支持燃烧	单质	无味	无色	气体	$1.429g/L$	$-218.8{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-183.0{}^{\circ }\mathrm{C}$	0

物理性质

氧气本身无色无味，不易溶于水。水生生物能呼吸，是因为水中仍然有少量溶解氧；但溶解氧不足时，鱼类等生物会缺氧。

名称	性质（化学）	类别	气味	颜色	物态	熔点	沸点
臭氧 $\mathrm{O}{}_3$	强氧化性	氧的同素异形体	特殊气味	淡蓝色	气体	$-192.2{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-112{}^{\circ }\mathrm{C}$
过氧化氢 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}{}_2$	氧化性，还原性	过氧化物	轻微刺激性	无色	液体	$-0.43{}^{\circ }\mathrm{C}$	分解
水 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	稳定，参与多种反应	氧化物	无味	无色	液体	$0{}^{\circ }\mathrm{C}$	$100{}^{\circ }\mathrm{C}$

化学性质

氧气的核心化学性质是氧化性。很多燃烧反应，本质上都是物质和氧气发生剧烈氧化还原反应。

名称	反应类型	反应式	现象	应用
与碳反应	燃烧反应	$\mathrm{C}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{=}\mathrm{CO}{}_2$	发白光或红热，放热	燃料燃烧
与硫反应	燃烧反应	$\mathrm{S}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{=}\mathrm{SO}{}_2$	发出蓝紫色火焰，产生刺激性气味气体	认识非金属氧化物
与铁反应	氧化还原反应	$3\mathrm{Fe}+2\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{=}\mathrm{Fe}{}_3\mathrm{O}{}_4$	火星四射，生成黑色固体	说明氧气能氧化金属
与氢气反应	燃烧反应	$2\mathrm{H}{}_2+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{=}2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	淡蓝色火焰，放热	氢气燃烧
过氧化氢制取氧气	分解反应	$2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}{}_2\stackrel{\mathrm{MnO}{}_2}{=}\mathrm{O}{}_2\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	有气泡冒出	实验室制取氧气

氧气和呼吸

肺的伸缩不是为了“储存空气”，而是为了让空气进出肺泡，使氧气进入血液、二氧化碳排出体外。

深吸一口纯氧不一定能明显延长憋气时间，因为憋气的不适感主要和体内 $\mathrm{CO}{}_2$ 积累有关，而不只是氧气储量不足。

引出

自然界的空气从哪来？（海洋是地球之肺）

光合作用怎样把水和二氧化碳转化为氧气？

为什么高原缺氧不是因为氧气比例变低，而是因为气压降低？