氧(IUPAC名:Oxygen)是一種化學(xué)元素,符號(hào)為O,原子序?yàn)?,在元素周期表中屬于氧族。氧屬于非金屬,是具有高反應(yīng)性的氧化劑,能夠與大部分元素以及其他化合物形成氧化物。
氧在宇宙中的總質(zhì)量在所有元素中位列第三,僅居氫和氦之下。 在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下,兩個(gè)氧原子會(huì)自然鍵合,形成無色無味的氧氣,即雙原子氧O2)。氧氣是地球大氣層的主要成分之一,在體積上占20.8%,僅次于氮?dú)狻?地球地殼中近一半的質(zhì)量都是由氧和氧化物所組成。
氧是細(xì)胞呼吸作用中重要的元素。在生物體中,主要有機(jī)分子,如蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物和脂肪等,還有組成動(dòng)物外殼、牙齒和骨骼的無機(jī)化合物,都含有氧原子。生物體絕大部分的質(zhì)量都由含氧原子的水組成。光合作用利用陽光的能量把水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。氧氣的化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng),容易與其他元素結(jié)合,所以大氣層中的氧氣成分只能通過生物的光合作用持續(xù)補(bǔ)充。
臭氧(O3)是氧元素的另一種同素異構(gòu)體,能夠較好地吸收中紫外線輻射。位于高海拔的臭氧層有助阻擋紫外線,從而保護(hù)生物圈。不過,在地表上的臭氧屬于污染物,為霧霾的副產(chǎn)品之一。在低地球軌道高度的單原子氧足以對(duì)航天器造成腐蝕。
卡爾·威廉·舍勒于1773年或之前在烏普薩拉最早發(fā)現(xiàn)氧元素。約瑟夫·普利斯特里亦于1774年在威爾特郡獨(dú)立發(fā)現(xiàn)氧,因?yàn)槠涑晒陌l(fā)表日期較舍勒早,所以一般被譽(yù)為氧的發(fā)現(xiàn)者。 1777年,安東萬-羅倫·德·拉瓦節(jié)進(jìn)行了一系列有關(guān)氧的實(shí)驗(yàn),推翻了當(dāng)時(shí)用于解釋燃燒和腐蝕的燃素說。他也提出了氧的現(xiàn)用IUPAC名稱「oxygen」,源自希臘語中的「?ξ??」(oxys,尖銳,指酸)和「-γεν??」(-genes,產(chǎn)生者)。這是因?yàn)槊畷r(shí),人們?cè)詾樗兴岫急仨毢醒?。許多化學(xué)詞匯都在清末由徐壽等人的翻譯書籍傳入中國,其中原法文元素名「oxygène」被譯為「養(yǎng)」,后譯為「氱」,最終演變?yōu)榻裉斓闹形拿秆酢埂?/p>
氧的應(yīng)用包括暖氣、內(nèi)燃機(jī)、鋼鐵、塑料和布料的生產(chǎn)、金屬氣焊和氣割、火箭推進(jìn)劑、氧療及航空器、潛艇、載人航天器和潛水所用的生命保障系統(tǒng)。
人類最早研究燃燒和空氣之間的關(guān)系,可追溯至前2世紀(jì)古希臘學(xué)者拜占庭的費(fèi)隆所做的實(shí)驗(yàn)。費(fèi)隆在著作《氣動(dòng)學(xué)》(希臘語:πνευματικ?)中寫道,如果將點(diǎn)燃的蠟燭置于水中,再用瓶子蓋住蠟燭至水面,水面就會(huì)在瓶頸內(nèi)上升。
費(fèi)隆錯(cuò)誤地推論,有一部分空氣經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)換成火元素,因此可以經(jīng)玻璃中的小孔逃逸出去。過千年以后,李安納度·達(dá)文西在費(fèi)隆的基礎(chǔ)上又觀察到,燃燒和呼吸都會(huì)消耗部分空氣。
17世紀(jì),羅拔·波義耳證明空氣是燃燒過程必需的物質(zhì)。約翰·梅奧進(jìn)一步證明,燃燒只需要空氣中的一種成分,他稱之為「銅硝石之靈」(拉丁語:spiritus nitroaereus)。
在其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,他發(fā)現(xiàn)把點(diǎn)燃的蠟燭或老鼠放在蓋著水面的密封容器內(nèi),水面都會(huì)上升,而且在蠟燭熄滅或老鼠死亡時(shí),容器內(nèi)空氣的四分之一容量會(huì)被水取代。
他得出的結(jié)論是,燃燒和呼吸都會(huì)消耗「銅硝石之靈」。
梅奧發(fā)現(xiàn)銻在燃燒之后重量有所提升,由此論證「銅硝石之靈」一定是在燃燒過程中和銻結(jié)合了。他也認(rèn)為,肺臟能將「銅硝石之靈」從空氣中分離出來,運(yùn)送到血液之中,而動(dòng)物的熱量和肌肉運(yùn)動(dòng)都是「銅硝石之靈」與體內(nèi)某些其他物質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果。 梅奧在1668年《兩篇論文》(拉丁語:Tractatus duo)中的〈論呼吸〉(拉丁語:De respiratione)一文中發(fā)表了這一系列實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)。
羅伯特·虎克、奧勒·博克、米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫和皮埃爾·巴揚(yáng)在17、18世紀(jì)都在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了氧氣,但無一發(fā)現(xiàn)氧是一種化學(xué)元素。 由于有當(dāng)時(shí)盛行的燃素說來解釋燃燒和腐蝕過程,因此他們都沒有發(fā)現(xiàn)氧氣在這些過程中重要的作用。
煉金術(shù)士約翰·約阿希姆·貝歇爾在1667年建立燃素說,化學(xué)家格奧爾格·恩斯特·斯塔爾又于1731年對(duì)燃素說作進(jìn)一步修改。 根據(jù)燃素說,所有可燃物質(zhì)都由兩部分組成。一部分為「燃素」,會(huì)在物質(zhì)燃燒過程中釋放出來。不含燃素的部分則是物質(zhì)的「純態(tài)」。 人們認(rèn)為,木材、煤等可燃性高、燃燒殘留物少的物質(zhì)主要都由燃素所組成,鐵等不可燃、會(huì)受腐蝕的物質(zhì)則含有很少的燃素??諝庠谌妓卣f中并無任何作用,此學(xué)說最初也未經(jīng)量化實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。大部分常見物質(zhì)在燃燒過程中都會(huì)變輕,所以似乎失去了某種成分,這成為了燃素說的主要觀察基礎(chǔ)。
法國化學(xué)家安東萬-羅倫·德·拉瓦節(jié)之后也聲稱獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了氧氣。普利斯特里在1774年10月拜訪拉瓦節(jié)時(shí)向他講解過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)如何釋放出某種新的氣體,又于1774年9月30日致信拉瓦節(jié),講述他所發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)。拉瓦節(jié)并未提及收到過此信。舍勒去世之后,人們?cè)谒倪z物之中發(fā)現(xiàn)了這封信的副本。
拉瓦節(jié)的成果
拉瓦節(jié)觀察到,在密封容器中對(duì)錫和空氣加熱后,總重量并沒有增加。在打開容器時(shí),空氣會(huì)迅速涌入。以此可推論,加熱過程消耗了容器中的部分空氣。他也注意到,錫的重量有所提升,且重量之差和涌入的空氣之重量相同。與此類似的實(shí)驗(yàn)都記錄在拉瓦節(jié)1777年出版的著作《燃燒總論》(法語:Sur la combustion en général)中。他證明空氣是兩種氣體的混合物:燃燒和呼吸過程所必需的「活氣」(法語:l’air vital),以及無助燃燒和呼吸的「死氣」(法語:azote,取自希臘語?ζωτον ,意為「無生命」),也就是氮?dú)?。法語等某些歐洲語言至今仍稱氮?dú)鉃椤竌zote」。
1777年,拉瓦節(jié)將「活氣」改名為「oxygène」,結(jié)合希臘語詞根「?ξ??」(尖銳,指酸味)和「-γεν??」(產(chǎn)生者)。之所以詞源提到酸味,是因?yàn)樗`以為所有酸都必須含有氧。 盡管如此,「oxygen」已成為氧的IUPAC元素名,在國際上通用。
英國的普利斯特里比拉瓦節(jié)更早研究氧氣,「oxygen」一詞也受到了英國科學(xué)家的反對(duì)。不過在1791年,伊拉斯謨斯·達(dá)爾文(查理斯·達(dá)爾文的祖父)的科普詩集《植物園》(英語:The Botanic Garden)出版,其中一首名為Oxygen的詩以歌頌氧氣為主題,使「oxygen」進(jìn)入英語詞匯之中。
19世紀(jì)末,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以通過壓縮和冷卻使空氣變?yōu)橐后w,再分離其中的各種成分。瑞士化學(xué)家、物理學(xué)家拉烏爾·皮克泰利用串級(jí)法,通過蒸發(fā)液態(tài)二氧化硫使二氧化碳液化,再通過蒸發(fā)液態(tài)二氧化碳使氧氣液化。
1877年12月22日,他向法國科學(xué)院發(fā)送電報(bào),宣布發(fā)現(xiàn)液氧。 兩天后,法國物理學(xué)家路易·保羅·卡耶泰宣布用自己的方法,同樣成功制成液氧。 兩人都只產(chǎn)生了幾滴液氧,無法進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 1883年3月29日,波蘭科學(xué)家齊格蒙特·弗羅布萊夫斯基和卡羅爾·奧爾謝夫斯基終于制成穩(wěn)定狀態(tài)下的液氧。 1891年,蘇格蘭化學(xué)家詹姆斯·杜瓦產(chǎn)生了足夠的液氧做進(jìn)一步研究。
1895年,德國工程師卡爾·馮·林德和英國工程師威廉·漢普森分別研發(fā)出商業(yè)可行的氧氣液化過程。兩者都先降低空氣溫度,使其液化,再用蒸餾法將不同成分逐一氣化,分開捕獲。