氧的特性
氮 - 氧 - 氟 |
氧 硫 |
元素周期表 | |
总体特性 |
名称, 符号, 序号 |
氧、O、8 |
系列 |
非金属 |
族, 周期, 元素分区 |
16族(VA), 2, p |
密度、硬度 |
1.429 kg/m3(273K)、NA |
颜色和外表 |
无色
|
大气含量 |
21 % |
地壳含量 |
49.4 % |
原子属性 |
原子量 |
15.9994 原子量单位 |
原子半径 (计算值) |
60(48)pm |
共价半径 |
73 pm |
范德华半径 |
152 pm |
价电子排布 |
[氦]2s22p4 |
电子在每能级的排布 |
2,6 |
氧化价(氧化物) |
-2,-1(中性) |
晶体结构 |
正方体 |
物理属性 |
物质状态 |
气态(顺磁性) |
熔点 |
50.35 K(-222.80 °C) |
沸点 |
90.18 K(-182.97 °C) |
摩尔体积 |
17.36×10-6m3/mol |
汽化热 |
3.4099 kJ/mol |
熔化热 |
0.22259 kJ/mol |
蒸气压 |
无数据 |
声速 |
317.5 m/s(293.15K) |
其他性质 |
电负性 |
3.44(鲍林标度) |
比热 |
920 J/(kg·K) |
电导率 |
无数据 |
热导率 |
0.02674 W/(m·K) |
第一电离能 |
1313.95 kJ/mol |
第二电离能 |
3388.3 kJ/mol |
第三电离能 |
5300.5 kJ/mol |
第四电离能 |
7469.2 kJ/mol |
最稳定的同位素 |
同位素 |
丰度 |
半衰期 |
衰变模式 |
衰变能量 MeV |
衰变产物 |
16O |
99.762 % |
稳定 |
17O |
0.038 % |
稳定 |
18O |
0.2 % |
稳定 | |
在没有特别注明的情况下使用的是 国际标准基准单位单位和标准气温和气压 |
氧是一种化学元素,它的化学符号是O,它的原子序数是8。
性状
氧的单质形态是氧气。氧气是无色无味无臭,能帮助燃烧的双原子的气体,氧能跟氢气化合成水。
发现
氧元素是由英国化学家约瑟夫·普利斯特里与瑞典药剂师及化学家舍勒于1774年分别发现。另有说法认为氧气首先由中国人马和首先发现。但是普利斯特里却支持燃素学说。1777年,法国化学家拉瓦锡提出燃烧的氧化学说,指出物质只能在含氧的空气中进行燃烧,燃烧物重量的增加与空气中失去的氧相等,从而推翻了全部的燃素说,并正式确立质量守恒原理。从严格意义上讲,发现氧元素的为瑞典化学家舍勒,而确定氧元素化学性质的为法国化学家拉瓦锡。
名称由来
氧气(Oxygen)希腊文的意思是“酸素”,该名称是由法国化学家拉瓦锡所起,原因是拉瓦锡错误地认为,所有的酸都含有这种新气体。
分布
地球空气中大约含有体积为20.947%的以单质形式存在的氧气。氧元素占整个地壳质量的48.6%,它在地壳中基本上是以氧化物的形式存在的。每一千克的海水中溶解有2.8毫克的氧气,而海水中的氧元素差不多达到了88%.就整个地球而言,氧的质量分数为15.2%。无论是人、动物还是植物,他们的生物细胞都有类似的组成,其中氧元素占到了65%的质量。
大气层氧气的历史
地球的大气层形成初期是不含氧气的。
原始大气是还原性的,充满了甲烷,氨等气体。
大气层氧气的出现源于两种作用。
一个是非生物参与的水的光解,
一个是生物参与的光合作用。
生物的光合作用对大气层的影响巨大。它造成了大气层由还原氛围向氧化氛围的转变。使得水光解产生的氢气能重新被氧化为水回到地球而不至于扩散到外层空间去,从而防止了地球上的水的流失。同时光合作用也加速了大气层氧气的积攒,深刻地改变了地球上物种的代谢方式和形态。大气层含氧量在石炭纪的时候一度串到了35%! 氧气含量的增加造成了依赖于渗透方式输氧的昆虫在形态上的巨型化。在石炭纪曾出现过翼展达一米的巨蜻蜓。
制备
实验室小规模制氧一般会加热氯酸钾和催化剂二氧化锰的混合物,生成氧气和氯化钾;或者直接加热高锰酸钾来制备。 也有人用过氧化氢稀溶液加二氧化锰的方法,制得氧气和水。 工业上则普遍利用氮气、氧气沸点的不同,用低温分馏的方法大量制备氧气。顺便说一句,工业氧气都用蓝色钢瓶装。
同位素
氧的同位素已知的有十二种,包括氧13至氧24,其中氧16、氧17和氧18三种属于稳定型,其他已知的同位素都带有放射性,其半衰期全部均少于三分钟。
用途
生物呼吸
应用于冶金和化工中
氮的特性
碳 - 氮 - 氧 |
氮 磷 |
元素周期表 | |
总体特性 |
名称, 符号, 序号 |
氮、N、7 |
系列 |
非金属 |
族, 周期, 元素分区 |
15族(VA), 2, p |
密度、硬度 |
1.2506 kg/m3(273K)、NA |
颜色和外表 |
无色
|
大气含量 |
78.1 % |
地壳含量 |
5×10-4 % |
原子属性 |
原子量 |
14.0067 原子量单位 |
原子半径 (计算值) |
65(56)pm |
共价半径 |
75 pm |
范德华半径 |
155 pm |
价电子排布 |
[氦]2s22p3 |
电子在每能级的排布 |
2,5 |
氧化价(氧化物) |
±3,5,4,2(强酸性) |
晶体结构 |
六角形 |
物理属性 |
物质状态 |
气态 |
熔点 |
63.14 K (-210.01 °C) |
沸点 |
77.35 K (-195.80 °C) |
摩尔体积 |
13.54×10-6m3/mol |
汽化热 |
2.7928 kJ/mol |
熔化热 |
0.3604 kJ/mol |
蒸气压 |
无数据 |
声速 |
334 m/s(293.15K) |
其他性质 |
电负性 |
3.04(鲍林标度) |
比热 |
1040 J/(kg·K) |
电导率 |
无数据 |
热导率 |
0.02598 W/(m·K) |
第一电离能 |
1402.3 kJ/mol |
第二电离能 |
2856 kJ/mol |
第三电离能 |
4578.1 kJ/mol |
第四电离能 |
7475.0 kJ/mol |
第五电离能 |
9444.9 kJ/mol |
第六电离能 |
53226.6 kJ/mol |
第七电离能 |
64360 kJ/mol |
最稳定的同位素 |
同位素 |
丰度 |
半衰期 |
衰变模式 |
衰变能量 MeV |
衰变产物 |
13N |
人造 |
9.965分钟 |
电子捕获 |
2.220 |
13C |
14N |
99.634 % |
稳定 |
15N |
0.366 % |
稳定 | |
在没有特别注明的情况下使用的是 国际标准基准单位单位和标准气温和气压 |
氮是一种化学元素,它的化学符号是N,它的原子序数是7。
性状
氮通常的单质形态是氮气。它是无色无味无臭,十分不易有化学反应的原子的气体。
发现
名称由来
分布
分布在全地球,地球大气中最多的气体,占大气体积的78%
制备
工业上常用低温分馏空气的办法把氮气和氧气分开。 工业氮气都用黑色钢瓶装。
同位素
已发现的氮的同位素共有十一种,包括氮11至氮21,其中只有氮14和氮15是稳定的,其他同位素都带有放射性。
用途
廉价的惰性保护气,用于金属炼制及高温合成时的简单保护性氛围(其性能不及氦气及氩气); 高温下用于合成氮化物(如氮化硅陶瓷、氮化硼等)。
氧化物
氮可以形成多种氧化物。
在氧化物中,氮的氧化数可以从+1到+5。
其中以NO和NO2较为重要。
氮的氧化物的性质如下表:
名称 |
化学式 |
状态 |
颜色 |
化学性质 |
熔点(℃) |
沸点(℃) |
一氧化二氮 |
N2O |
气态 |
无色 |
稳定 |
-90.8 |
-88.5 |
一氧化氮 |
NO |
气态 |
无色(固态、液态时为蓝色) |
反应能力适中 |
-163.6 |
-151.8 |
三氧化二氮 |
N2O3 |
液态 |
蓝色 |
室温下分解为NO和NO2 |
-102 |
-3.5(分解) |
二氧化氮 |
NO2 |
气态 |
红棕色 |
强氧化性 |
-11.2 |
21.2 |
四氧化二氮 |
N2O4 |
气态 |
无色 |
强烈地分解为NO2 |
-92 |
21.3 |
五氧化二氮 |
N2O5 |
固态 |
无色 |
不稳定 |
30 |
47(分解) |
氫的特性
氫 - 氦 |
氫 鋰 |
元素周期表 | |
總體特性 |
名稱, 符號, 序號 |
氫、H、1 |
系列 |
非金屬 |
族, 周期, 元素分區 |
1族, 1, s |
密度、硬度 |
0.0899 kg/m3(273K)、NA |
顏色和外表 |
無色
|
大氣含量 |
10-4 % |
地殼含量 |
0.88 % |
原子屬性 |
原子量 |
1.00794 原子量單位 |
原子半徑 (計算值) |
25(53)pm |
共價半徑 |
37 pm |
范德華半徑 |
120 pm |
價電子排布 |
1s1 |
電子在每能級的排布 |
1 |
氧化價(氧化物) |
1(兩性的) |
晶體結構 |
六角形 |
物理屬性 |
物質狀態 |
氣態 |
熔點 |
14.025 K (-259.125 °C) |
沸點 |
20.268 K (-252.882 °C) |
摩爾體積 |
11.42×10-6m3/mol |
汽化熱 |
0.44936 kJ/mol |
熔化熱 |
0.05868 kJ/mol |
蒸氣壓 |
209 帕(23K) |
聲速 |
1270 m/s(293.15K) |
其他性質 |
電負性 |
2.2(鮑林標度) |
比熱 |
14304 J/(kg·K) |
電導率 |
無數據 |
熱導率 |
0.1815 W/(m·K) |
電離能 |
1312 kJ/mol |
最穩定的同位素 |
同位素 |
豐度 |
半衰期 |
衰變模式 |
衰變能量 MeV |
衰變產物 |
1H |
99.985 % |
穩定 |
2H |
0.015 % |
穩定 |
3H |
10-15 % / 人造 |
12.32年 |
β衰變 |
0.019 |
3He |
4H |
人造 |
9.93696×10-23秒 |
中子釋放 |
2.910 |
3H |
5H |
人造 |
8.01930×10-23秒 |
中子釋放 |
? |
4H |
6H |
人造 |
3.26500×10-22秒 |
三粒中子 釋放 |
? |
3H |
7H |
人造 |
無數據 |
中子釋放? |
? |
6H? | |
核磁公振特性 |
|
1H |
2H |
3H |
核自旋 |
1/2 |
1 |
1/2 |
靈敏度 |
1 |
0.00965 |
1.21 | |
在沒有特別注明的情況下使用的是 國際標準基準單位單位和標準氣溫和氣壓 |
氫是一種化學元素,化學符號為H,原子序數是1,在元素周期表中位於第一位。它的原子是所有原子中最細小的。氫通常的單質形態是氫氣。它是無色無味無臭,極易燃燒的雙原子的氣體,氫氣是最輕的氣體。它是宇宙中含量最高的物質. 氫原子存在於水, 所有有機化合物和活生物中.導熱能力特別強,跟氧化合成水。在0攝氏度和一個大氣壓下,每升氫氣只有0.09克重——僅相當於同體積空氣重量的14.5分之一。
在常溫下,氫比較不活潑,但可用催化劑活化。在高溫下氫非常活潑。除稀有氣體元素外,幾乎所有的元素都能與氫生成化合物。
發現
16世紀末期,瑞士化學家巴拉採爾斯把鐵放在硫酸中,鐵片頓時和硫酸發生激烈的化學反應,放出許多氣泡——氫氣。但直到1766年,氫才被英國科學家卡文迪許(Henry Cavendish)確定為化學元素,當時稱為可燃空氣,並證明它在空氣中燃燒生成水。(一說:1783年)1787年法國化學家拉瓦錫 (Antoine Lavoisier)證明氫是一種單質並給它命名。
名稱由來
希臘語 hudôr(水) gennen (造成),意即「產生水」的物質。 中文原稱「氫氣」為「輕氣」,「氫」屬形聲字。
分佈
在地球上和地球大氣中只存在極稀少的游離狀態氫。在地殼里,如果按重量計算,氫只占總重量的1%,而如果按原子百分數計算,則占17%。氫在自然界中分佈很廣,水便是氫的「倉庫」——水中含11%的氫;泥土中約有1.5%的氫;石油、天然氣、動植物體也含氫。在空氣中,氫氣倒不多,約占總體積的一千萬分之五。在整個宇宙中,按原子百分數來說,氫卻是最多的元素。據研究,在太陽的大氣中,按原子百分數計算,氫占81.75%。在宇宙空間中,氫原子的數目比其他所有元素原子的總和約大100倍。
製備
工業法有電解法、烴裂解法、烴蒸氣轉化法、煉廠氣提取法。
純化
隨著半導體工業、精細化工和光電纖維工業的發展,產生了對高純氫的需求。例如,半導體生產工藝需要使用99.999%以上的高純氫。但是目前工業上各種制氫方法所得到的氫氣純度不高,為滿足工業上對各種高純氫的需求,必須對氫氣進行進一步的純化。氫氣的純化方法大致可分為兩類(物理法和化學法),六種方法。
氫氣的純化方法:
方法 |
基本原理 |
適用原料氣 |
制得的氫氣純度(%) |
適用規格 |
高壓催化法 |
氫與氧發生催化反應而除去氧 |
含氧的氫氣,主要為電解法制得的氫氣 |
99.999 |
小 |
金屬氫化物分離法 |
先使氫與金屬形成金屬氫化物後,加熱或減壓使其分解 |
氫含量較低的氣體 |
>99.9999 |
中小 |
高壓吸附法 |
吸附劑選擇吸附雜質 |
任何含氫氣體 |
99.999 |
大 |
低溫分離法 |
低溫下使氣體冷凝 |
任何含氫氣體 |
90~98 |
大 |
鈀合金薄膜擴散法 |
鈀合金薄膜對氫有選擇滲透性,而其他氣體不能透過 |
氫含量較低的氣體 |
>99.9999 |
中小 |
聚合物薄膜擴散法 |
氣體通過薄膜的擴散速率不同 |
煉油廠廢氣 |
92~98 |
小 |
同位素
在自然界中存在的同位素有: 氕 (氫1)、氘 (氫2, 重氫)、氚 (氫3, 超重氫)
以人工方法合成的同位素有: 氫4、氫5、氫6、氫7
用途
氫是重要工業原料,如生產合成氨和甲醇,也用來提煉石油,氫化有機物質作為收縮氣體,用在氧氫焰熔接器和火箭燃料中。在高溫下用氫將金屬氧化物還原以制取金屬較之其他方法,產品的性質更易控制,同時金屬的純度也高。廣泛用於鎢、鉬、鈷、鐵等金屬粉末和鍺、矽的生產。
由於氫氣很輕,人們利用它來製作氫氣球。氫氣與氧氣化合時,放出大量的熱,被利用來進行切割金屬。
利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產生的能量能生產殺傷和破壞性極強的氫彈,其威力比原子彈大得多。
現在,氫氣還作為一種可替代性的未來的清潔能源,用於汽車等的燃料。為此,美國於2002年還提出了「國家氫動力計劃」。但是由於技術還不成熟,還沒有進行大批的工業化應用。2003年科學家發現,使用氫燃料會使大氣層中的氫增加約4~8倍。認為可能會讓同溫層的上端更冷、雲層更多,還會加劇臭氧洞的擴大。但是一些因素也可抵銷這種影響,如使用氯氟甲烷的減少、土壤的吸收、以及燃料電池的新技術的開發等。