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舍勒對(duì)氧氣的發(fā)現(xiàn)

1772年，舍勒對(duì)空氣進(jìn)行研究后，他首先認(rèn)識(shí)到氧氣是空氣的一種重要成分。他用硫磺和鐵粉混合，在空氣中燃燒，消耗掉鐘罩中空氣中的氧氣而制得氮?dú)?，?dāng)時(shí)他稱它為“濁氣”或“用過(guò)的空氣”，或能使人死亡的氣體。

經(jīng)過(guò)思索，舍勒明白了，原來(lái)當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為空氣是一種元素的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。他猜想：空氣是兩種不同物質(zhì)的混合，一種是濁氣，能使人死亡的空氣；一種是能使人活命的空氣，能幫助燃燒，在燃燒中消失。于是，舍勒產(chǎn)生了興趣，并開始了他的實(shí)驗(yàn)。

1773年，他把硝石（KNO3）裝進(jìn)曲頸瓶，瓶口系一個(gè)排完空氣的豬膀胱，再把曲頸瓶放到火爐上去燒。硝石融化時(shí)分解，放出一種氣體，很快把豬膀胱充滿了，這種氣體正是那種能活命的氣體，即現(xiàn)在所知道的氧氣。

舍勒進(jìn)行了仔細(xì)的鑒別，他把紅熱的木炭扔到充滿“能活命的氣體”的瓶中，木炭迅速燃燒，光亮耀眼，比在普通空氣中燃燒得更快更亮。舍勒將1/5的這種氣體和4/5濁氣混合于瓶中，蠟燭能正常燃燒，老鼠也同在普通空氣中一樣呼吸。由此他確定這種氣體是一種純凈的能活命的氣體。

舍勒給這種氣體命名為“火空氣”，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)除硝石外，加熱碳酸銀、碳酸汞，均能釋放出氧氣來(lái)。

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分子結(jié)構(gòu)

O?分子內(nèi)的化學(xué)鍵通常是共價(jià)鍵。

從實(shí)驗(yàn)上來(lái)說(shuō)，順磁共振光譜證明O有順磁性，還證明O有兩個(gè)未成對(duì)的電子。說(shuō)明原來(lái)的以雙鍵結(jié)合的氧分子結(jié)構(gòu)式不符合實(shí)際。

氧氣的結(jié)構(gòu)如右圖所示，基態(tài)O?分子中并不存在雙鍵，氧分子里形成了兩個(gè)三電子鍵。

氧的分子軌道電子排布式是氧氣的結(jié)構(gòu)，在π軌道中有不成對(duì)的單電子，所以O(shè)?分子是所有雙原子氣體分子中的一種具有偶數(shù)電子同時(shí)又顯示順磁性的物質(zhì)。

兩個(gè)氧原子進(jìn)行sp軌道雜化，一個(gè)單電子填充進(jìn)sp雜化軌道，成σ鍵，另一個(gè)單電子填充進(jìn)p軌道，成π鍵。氧氣是奇電子分子，具有順磁性。

單線態(tài)氧和三線態(tài)氧

普通氧氣含有兩個(gè)未配對(duì)的電子，等同于一個(gè)雙游離基。兩個(gè)未配對(duì)電子的自旋狀態(tài)相同，自旋量子數(shù)之和S=1，2S+1=3，因而基態(tài)的氧分子自旋多重性為3，稱為三線態(tài)氧。

在受激發(fā)下，氧氣分子的兩個(gè)未配對(duì)電子發(fā)生配對(duì)，自旋量子數(shù)的代數(shù)和S=0，2S+1=1，稱為單線態(tài)氧。

空氣中的氧氣絕大多數(shù)為三線態(tài)氧。紫外線的照射及一些有機(jī)分子對(duì)氧氣的能量傳遞是形成單線態(tài)氧的主要原因。單線態(tài)氧的氧化能力高于三線態(tài)氧。

單線態(tài)氧的分子類似烯烴分子，因而可以和雙烯發(fā)生狄爾斯-阿爾德反應(yīng)。

工業(yè)制法

1、分離液態(tài)空氣法

在低溫條件下加壓，使空氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，然后蒸發(fā)，由于液態(tài)氮的沸點(diǎn)是‐196℃，比液態(tài)氧的沸點(diǎn)（‐183℃）低，因此氮?dú)馐紫葟囊簯B(tài)空氣中蒸發(fā)出來(lái)，剩下的主要是液態(tài)氧。

空氣中的主要成分是氧氣和氮?dú)?。利用氧氣和氮?dú)獾姆悬c(diǎn)不同，從空氣中制備氧氣稱空氣分離法。首先把空氣預(yù)冷、凈化（去除空氣中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳?xì)浠衔锏葰怏w和灰塵等雜質(zhì)）、然后進(jìn)行壓縮、冷卻，使之成為液態(tài)空氣。然后，利用氧和氮的沸點(diǎn)的不同，在精餾塔中把液態(tài)空氣多次蒸發(fā)和冷凝，將氧氣和氮?dú)夥蛛x開來(lái)，得到純氧（可以達(dá)到99.6%的純度）和純氮（可以達(dá)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(chǎn)出的氧氣，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的壓縮，將壓縮氧氣裝入高壓鋼瓶貯存，或通過(guò)管道直接輸送到工廠、車間使用。使用這種方法生產(chǎn)氧氣，雖然需要大型的成套設(shè)備和嚴(yán)格的安全操作技術(shù)，但是產(chǎn)量高，每小時(shí)可以產(chǎn)出數(shù)千、萬(wàn)立方米的氧氣，而且所耗用的原料僅僅是不用買、不用運(yùn)、不用倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存的空氣，所以從1903年研制出深冷空分制氧機(jī)以來(lái)，這種制氧方法一直得到較為廣泛的應(yīng)用。

2、膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)得到迅速發(fā)展。利用這種技術(shù)，在壓力下，讓空氣通過(guò)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(jìn)行多級(jí)分離，可以得到百分之九十以上氧氣的富氧空氣。

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