8 O 15.999
非金属 p-block Period 2 Group 16

O · Element 8 · Chalcogens

The element that rusts iron, burns fuel and keeps you alive — and the most abundant element in the Earth's crust.

20°C时的状态 气态
原子量 15.999 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s² 2p⁴

结构

氧 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示氧在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 0.001 g/cm³ 3%
熔点 54.4 K 4%
沸点 90.2 K 6%
比热容 0.918 J/g·K
热导率 0.03 W/m·K 6%

原子

原子半径 60 pm 3%
共价半径 66 pm
范德华半径 152 pm

电子

电负性 3.44 99%
电离能 1314.1 kJ/mol 95%
电子亲和能 140.9 kJ/mol 83%

存在

地壳中的丰度 461000 mg/kg 100%

身份

符号O
原子序数8
原子量15.999 u
类别非金属
p
晶体结构立方
氧化态-2, -1, 0, +1, +2
发现时间1774
发现者Joseph Priestley and Carl Wilhelm Scheele

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 氧 atom?

Radius 60 pm — that is 0.06 nm, so about 8333 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

氧 is liquid over a 36 K window, from 54 K to 90 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 2, group 16. Everything in group 16 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 非金属

All 非金属

故事

氧 是什么,以及我们如何发现它

生命之息

是宇宙中含量第三丰富的元素,也是地壳中含量最丰富的元素,约占大气的关于21%,并占地球质量的近50%。这种反应性很强、无色无味的气态物质,通过细胞呼吸过程,对地球上的大多数生命形式都至关重要。

氧由 Carl Wilhelm Scheele 和 Joseph Priestley 于18世纪70年代分别独立发现,彻底改变了人们对燃烧和呼吸的认识。它的名称源自希腊语中的“oxys”(酸)和“genes”(产生者),反映了 Antoine Lavoisier 曾错误地认为所有酸都含有氧。

趣味知识:我们今天呼吸的氧气,很大程度上是古代蓝细菌在数十亿年间通过光合作用产生的。这一过程从根本上改变了地球的大气环境,并使复杂生命得以演化。

氧以多种同素异形体存在,其中双氧(O₂)是我们呼吸的形式,而臭氧(O₃)在平流层中形成保护层。在工业上,氧支持燃烧过程和钢铁生产,并在无数化学反应中充当氧化剂。

从我们饮用的水(H₂O)到地壳中的矿物,氧几乎能与其他所有元素形成化合物,因此它是化学、生物学和地质学的基础。氧独特的电子构型赋予了它特有的反应性和形成双键的能力,这对有机化学和生命过程至关重要。

应用

氧的用途

工业应用与制造

钢铁与金属生产

氧最大的工业用途是在钢铁制造中,它能显著提高效率和质量:

  • 碱性氧气转炉(BOF) - 将纯氧吹入熔融铁水中以去除碳,在30-40分钟内生产出高质量钢材,而不是耗时数小时
  • 电弧炉(EAF) - 注入氧气可提高熔化速率,并改善钢铁废料回收中的能源效率
  • 切割与焊接 - 氧乙炔焰和含氧燃料焰炬的温度可超过3,500°C,实现精密金属切割
  • 铜冶炼 - 富氧可降低燃料消耗并提高生产速率
  • 铝生产 - 氧有助于在铝精炼过程中去除杂质

化学品制造与加工

氧在众多工业过程中充当关键的氧化剂:

  • 环氧乙烷生产 - 乙烯直接氧化可生成这种重要的化学中间体,用于生产防冻剂和塑料
  • 氯乙烯合成 - 以氧为基础的工艺可制备PVC塑料生产的前体
  • 环氧丙烷制造 - 是生产聚氨酯泡沫和丙二醇的必需原料
  • 二氧化钛生产 - 氧有助于制备油漆、塑料和纸张中使用的白色颜料
  • 过氧化氢合成 - 蒽醌法利用氧生产这种用途广泛的氧化剂

制浆与造纸业

氧通过环保漂白技术推动了造纸业的变革:

  • 氧脱木素 - 在不使用含氯化合物的情况下去除木浆中的木质素
  • 臭氧漂白 - 以极小的环境影响生产洁白的纸张
  • 过氧化氢漂白 - 以氧为基础的漂白工艺可生产高质量再生纸
  • 生物处理 - 氧可增强细菌对造纸厂废水中有机污染物的分解

废水处理与环境应用

以氧为基础的技术可以净化水并减少污染:

  • 活性污泥法 - 好氧细菌利用氧分解有机污染物
  • 臭氧化 - 臭氧(O₃)可破坏细菌、病毒和有机污染物
  • 高级氧化工艺 - 由含氧化合物生成的羟基自由基可消除持久性污染物
  • 地下水修复 - 注入氧气可促进土壤污染物的生物降解
  • 水产养殖 - 注入氧气可在集约化养殖作业中维持鱼类健康

航空航天与火箭推进

液态氧(LOX)是使用最广泛的火箭氧化剂:

  • 航天飞机计划 - LOX和液态氢为主发动机提供动力
  • SpaceX猎鹰火箭 - 使用RP-1燃料和液态氧氧化剂
  • Blue Origin - BE-4发动机使用液态氧燃烧甲烷
  • 生命支持系统 - 为航天器和空间站生成并循环利用氧气
  • 高超声速飞行 - 超燃冲压发动机利用大气中的氧进行高速推进

玻璃制造

氧燃烧可提高玻璃生产的效率和质量:

  • 含氧燃料窑 - 纯氧燃烧可用更少的燃料达到更高温度
  • 减少排放 - 与空气燃料燃烧相比,可减少NOx的生成
  • 提高玻璃质量 - 更高的温度有利于更充分的熔化和均化
  • 能源效率 - 与传统窑炉相比,燃料消耗减少15-50%

医疗和医疗保健应用

医用氧疗

  • 呼吸治疗 - 治疗肺炎、COPD、哮喘和COVID-19患者
  • 急诊医学 - 用于休克、心脏骤停和严重创伤的一线治疗
  • 麻醉 - 手术期间吸入麻醉剂的载气
  • 早产儿护理 - 新生儿重症监护病房中对氧气水平进行严格控制
  • 家庭氧疗 - 为患有慢性呼吸系统疾病的患者提供便携式制氧机
  • 高压氧疗 - 用于一氧化碳中毒和伤口愈合的高压氧治疗

日常消费应用

  • 饮用水处理 - 臭氧处理可净化全球各地的城市供水
  • 游泳池消毒 - 臭氧发生器提供无化学药剂的水消毒
  • 空气净化 - 臭氧发生器可消除汽车、住宅和酒店中的异味
  • 食品保鲜 - 气调包装可延长新鲜农产品的保质期
  • 水族箱维护 - 氧气泵和增氧器可维持鱼类健康
  • 葡萄酒生产 - 微氧化可改善葡萄酒的风味和陈年特性

汽车和交通运输

  • 氧传感器 - Lambda传感器可优化现代发动机的空燃比
  • 催化转化器 - 利用氧气减少车辆的有害排放
  • 应急供氧系统 - 飞机客舱失压时使用的乘客氧气面罩
  • 汽车焊接 - 用于车辆维修和修复的氧乙炔焊
  • 赛车应用 - 一氧化二氮(N₂O)系统注入氧气以增强发动机功率

体育和健身

  • 运动表现 - 氧吧和罐装氧气用于提升被感知的运动表现
  • 高海拔训练 - 补充氧气以适应稀薄空气
  • 潜水应用 - 氮氧混合气(富氧空气)可延长水下时间限制
  • 恢复治疗 - 据称运动后氧疗可减轻疲劳
  • 登山 - 为极端高海拔探险提供补充氧气

美容和健康

  • 氧气面部护理 - 声称可改善皮肤外观的水疗护理
  • 氧疗中心 - 提供高浓度氧气吸入的健康护理机构
  • 护发产品 - 过氧化氢用于头发漂白和染色
  • 牙齿美白 - 以过氧化氢为基础的美白护理
  • 伤口护理 - 过氧化氢用于清洁轻微割伤和擦伤

艺术和手工艺

  • 玻璃吹制 - 使用氧气焊炬塑形和加工玻璃
  • 珠宝制作 - 使用氧丙烷焊炬焊接贵金属
  • 金属雕塑 - 切割和塑造钢材及其他金属
  • 陶器施釉 - 氧化气氛可产生特定的釉色和效果
  • 铁匠工艺 - 向锻炉中注入氧气以获得更高温度

科学和教育

  • 实验室实验 - 研究燃烧、氧化和细胞呼吸
  • 学校演示 - 展示氧气性质的经典实验
  • 研究应用 - 用于生物学研究的受控气氛舱
  • 分析化学 - 通过燃烧分析测定有机化合物的组成
  • 环境监测 - 在水质检测中测量溶解氧

来源

自然存在

461000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 100% of elements

宇宙丰度与自然来源

宇宙和恒星起源

氧是宇宙中丰度第三高的元素,约占所有原子的1%。它主要通过大质量恒星中的恒星核合成形成:

  • α过程——恒星中的硅燃烧通过聚变反应生成氧
  • 氦燃烧——红巨星中的三α过程生成碳,碳再与氦聚变形成氧
  • 超新星核合成——恒星的爆炸性死亡将氧扩散到整个星系
  • 恒星风——演化中的恒星不断用氧丰富星际介质

太阳系中的氧约在46亿年前由富氧分子云的引力坍缩形成。

大气丰度

地球大气按体积计含有20.946%的氧,是仅次于氮的第二丰富大气气体。这个巨大的储库约含1.2 × 10¹⁵吨氧气。

惊人事实:几乎所有大气中的氧都是生物成因的——由光合生物经过数十亿年产生。24亿年前的大氧化事件从根本上改变了地球大气。

大气氧循环涉及以下物质之间的持续交换:

  • 光合作用——植物、藻类和蓝细菌每年产生约3300亿吨 O₂
  • 呼吸作用——生物体消耗氧以产生细胞能量
  • 燃烧——自然火灾和人为火灾消耗大气中的氧
  • 化学风化——岩石氧化缓慢地从大气中移除氧

地壳和岩石圈中的丰度

氧在地球地壳中占主导地位,按重量计约占46.1%,因此是固态地球中丰度最高的元素。主要的含氧矿物包括:

硅酸盐矿物(地壳的95%)

  • 石英(SiO₂)——纯二氧化硅,广泛存在于砂岩和花岗岩中
  • 长石族——钾、钠和钙的铝硅酸盐
  • 辉石和角闪石——铁、镁和钙的硅酸盐
  • 橄榄石((Mg,Fe)₂SiO₄)——地球上地幔中的主要矿物
  • 黏土矿物——含水的铝和镁硅酸盐

氧化物矿物

  • 赤铁矿(Fe₂O₃)——主要的铁矿石矿物
  • 磁铁矿(Fe₃O₄)——具有磁性的氧化铁
  • 刚玉(Al₂O₃)——氧化铝(蓝宝石和红宝石)
  • 金红石(TiO₂)——二氧化钛
  • 赤铜矿(Cu₂O)——氧化铜矿石

碳酸盐矿物

  • 方解石(CaCO₃)——石灰岩和大理岩的主要成分
  • 白云石(CaMg(CO₃)₂)——碳酸钙镁
  • 菱铁矿(FeCO₃)——碳酸铁

水圈中的分布

水(H₂O)按质量计含有88.8%的氧,使地球水圈成为巨大的氧储库:

  • 海洋——1.37 billion km³,含有约1.2 × 10¹⁶吨氧
  • 冰盖和冰川——2440万 km³的冻结水
  • 地下水——全球含水层中的2340万 km³水
  • 湖泊和河流——178,000 km³淡水地表水
  • 大气水蒸气——12900 km³,处于持续循环中

天然水中的溶解氧

水生生态系统取决于溶解氧(DO)水平:

  • 冷淡水——在0°C时最高可达14.6 mg/L(冰冷的山间溪流)
  • 温带湖泊——8-12 mg/L,因温度产生季节性变化
  • 热带水域——温暖表层水中为6-8 mg/L
  • 海水——6-8 mg/L,随温度和盐度变化
  • 深海——缺氧最小带中为2-6 mg/L

生物产氧

光合生物是地球氧的最终来源:

  • 海洋浮游植物——产生地球氧的50-85%
  • 热带雨林——亚马孙雨林产生约20%的大气氧
  • 北方森林——北方针叶林作出了重要贡献
  • 草原和农作物——农业区和草原
  • 蓝细菌——存在于海洋和淡水环境中的蓝绿色藻类

地外氧

氧遍布太阳系和宇宙:

  • 火星大气——含0.13%的氧,主要来自 CO₂ 的光解
  • 木卫二大气——水冰辐解形成的稀薄氧气大气
  • 彗星——水冰中含有冻结的氧
  • 陨石——氧化物矿物为早期太阳系提供线索
  • 系外行星大气——寻找氧的特征信号,将其作为潜在的生物标志

处理

安全

安全信息和操作注意事项

极高火灾危险:氧气会大幅加速燃烧,与油类、润滑脂和有机材料接触时可能引发爆炸性火灾。富氧环境会使通常不易燃的材料剧烈燃烧。

火灾和爆炸危险

氧气在燃烧中的作用会带来严重的安全风险:

  • 加速燃烧 - 材料在纯氧中燃烧速度会快3-5倍
  • 降低着火温度 - 许多材料会在低得多的温度下着火
  • 爆炸可能性 - 油和润滑脂接触高压氧气时可能爆炸
  • 衣物着火 - 合成织物在富氧环境中会变得极易燃烧
  • 高温表面 - 香烟、火花和高温金属可能引发剧烈燃烧

高压氧气危险

危险:高压氧气系统可能导致爆炸性减压、严重烧伤和死亡。切勿将氧气用于被油或润滑脂污染的设备。

压缩氧气安全措施:

  • 气瓶操作 - 直立固定,保护阀门,使用合适的调压器
  • 压力测试 - 切勿超过额定压力,定期检查设备
  • 清洁系统 - 氧气清洁部件不得含有油、润滑脂和碳氢化合物
  • 兼容材料 - 仅使用与氧气兼容的密封件、润滑剂和部件
  • 缓慢开启 - 缓慢打开阀门,以防止绝热加热

医用氧气安全

医疗机构使用氧气时需要仔细监测:

  • 氧中毒 - 长时间处于高浓度(>60%)氧气中可能损伤肺部
  • 早产儿视网膜病变 - 过量氧气可能导致早产儿失明
  • 吸收性肺不张 - 100%氧气可能导致肺塌陷
  • 火灾危险 - 氧疗设备附近禁止吸烟或使用明火
  • 正确给药 - 只能使用医生规定的流量和浓度

职业接触限值

OSHA及监管标准规定的工作场所氧气要求:

  • 安全氧气范围 - 工作场所环境中为19.5%至23.5%
  • 缺氧 - 低于19.5%时需要供气或疏散
  • 富氧 - 高于23.5%会产生火灾和爆炸危险
  • 受限空间 - 在储罐、容器和封闭区域内必须持续监测
  • 动火许可证 - 在富氧区域焊接和切割时需要采取特殊预防措施

低温氧气危险

温度为-183°C的液态氧(LOX)会带来额外危险:

  • 严重冻伤 - 皮肤接触后会立即造成组织损伤
  • 蒸气膨胀 - 一升LOX会膨胀为860升气态氧
  • 容器压力 - 密闭容器可能因压力积聚而爆炸
  • 与有机材料反应 - LOX可能与有机材料发生爆炸
  • 个人防护装备要求 - 隔热手套、安全眼镜和防护服

急救和应急响应

氧气事故的应急程序:

  • 氧气火灾 - 关闭氧气源,疏散该区域,拨打消防部门电话
  • 氧中毒 - 降低氧气浓度,提供新鲜空气,寻求医疗救助
  • 低温灼伤 - 用温水逐渐温暖受影响区域
  • 眼睛接触LOX - 用温水冲洗15分钟
  • 系统泄漏 - 使该区域通风,消除点火源,确认安全后进行维修

环境和处置注意事项

环境影响和废物管理:

  • 释放到大气中 - 氧气可以安全排放到大气中
  • 排放到水中 - 溶解氧有益于水生环境
  • 容器处置 - 空气瓶必须正确标记并回收
  • 设备去污 - 应按照正确的清洁程序处理氧气设备
  • 泄漏应对 - LOX泄漏需要疏散并采取防火措施

运输安全

DOT关于氧气运输的规定:

  • 危险分类 - 2.2类(不易燃气体),具有氧化性
  • 运输要求 - 必须正确标记、包装并提供文件
  • 车辆限制 - 对通过隧道和进入居民区有限制
  • 应急响应 - 运输事故需提供CHEMTREC联系信息
  • 驾驶员培训 - 氧气运输驾驶员必须取得特殊认证

快速回答

氧:常见问题

What is 氧?

氧 (symbol O) is element 8 on the periodic table, a 非金属 in period 2, group 16. The element that rusts iron, burns fuel and keeps you alive — and the most abundant element in the Earth's crust. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of 氧?

氧's ground-state electron configuration is [He] 2s² 2p⁴, giving 2 occupied shells holding 2, 6 electrons respectively. Its outer shell holds 6 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 氧?

氧 melts at 54.4 K (-218.8 °C) and boils at 90.2 K (-182.9 °C).

What is the atomic mass of 氧?

The standard atomic weight of 氧 is 15.999 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 氧?

氧 is a gas at room temperature; its density is about 1.429 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly heavier than air.

What is the electronegativity of 氧?

氧 has a Pauling electronegativity of 3.44. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this high means it tends to pull electrons away from almost anything it bonds with.

Who discovered 氧, and when?

氧 was discovered in 1774 by Joseph Priestley and Carl Wilhelm Scheele. It is named after greek oxys + genes, "acid-former".

How common is 氧 on Earth?

氧 makes up about 46.1% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.