氧

氧（）是一種化學元素，化學符號为**'，原子序數为8，在元素週期表中屬於氧族元素（16族或VI族）。作为一种非金屬，氧是具有高反應性的氧化劑，能夠與大部分元素结合形成化合物（氧化物）。氧在宇宙中的總質量在所有元素中位列第三，质量分数僅居氫和氦之下；氧也是地球地殼中最丰富的元素，地壳中近一半（46.6%）的質量也都是由氧化物（如水、二氧化碳、氧化铁、氧化硅等）所組成。

氧在自然界中最常见的同位素是氧-16，在所有氧同位素中的丰度占99.76%；此外还有氧-17和氧-18两个稳定同位素，以及从氧-11至氧-28的一系列放射性同位素（其中半衰期最长的是氧-15）。在標準溫度和壓力下，氧会自然通过双对共价键结合成双原子分子，形成無色無味的单质气体——雙氧（O2，即俗称的氧氣），是现今地球大氣層的两个主要成分之一，在气体分压和摩尔比例上佔空气的20.8%，仅次于氮气，後譯為「氱」，最終演變為今天的中文名「氧」。

氧气在地球大气中的丰富度使得地球成为现今已知唯一能自然产生火的天体，也是自石器时代以来智人得以利用燃烧各种可燃物（燃料）进行取暖、照明、开荒、食物加工（烹饪）甚至军事火攻的基础。进入工业时代后，人类对氧的應用包括医疗（氧疗和过氧化物消毒）、区域供暖（暖氣）、热机驱动（包括蒸汽机、內燃機、涡轮机和喷射机等）、冶炼、化学工业（石油化工、塑料化工、特种化工、化肥、建材和合成纤维纺织生產等）、金屬氣焊和氣割、水产养殖以及登山、潜水（水肺潜水、潛水器和潜艇）、高空航空器和載人航天器所用的生命保障系統。在低地球軌道因紫外线照射产生的單原子氧足以對航天器造成腐蝕。

歷史
早期實驗
所做的實驗啟發了後世對燃燒與空氣間關係的研究]]

人類最早研究燃燒和空氣之間的關係，可追溯至前2世紀古希臘學者拜占庭的費隆所做的實驗。費隆在著作《氣動學》（）中寫道，如果將點燃的蠟燭置於水中，再用瓶子蓋住蠟燭至水面，水面就會在瓶頸內上升。費隆錯誤地推論，有一部分空氣經燃燒轉換成火元素，因此可以經玻璃中的小孔逃逸出去。過千年以後，李安納度·達文西在費隆的基礎上又觀察到，燃燒和呼吸都會消耗部分空氣。

17世紀，羅伯特·波義耳證明空氣是燃燒過程必需的物質。進一步證明，燃燒只需要空氣中的一種成分，他稱之為「銅硝石之靈」（）。在其中一項實驗中，他發現把點燃的蠟燭或老鼠放在蓋著水面的密封容器內，水面都會上升，而且在蠟燭熄滅或老鼠死亡時，水會取代容器內空氣的四分之一容量。他得出的結論是，燃燒和呼吸都會消耗「銅硝石之靈」。

梅奧發現銻在燃燒之後重量有所提升，由此論證「銅硝石之靈」一定是在燃燒過程中和銻結合了。他也認為，肺臟能將「銅硝石之靈」從空氣中分離出來，運送到血液之中，而動物的熱量和肌肉運動都是「銅硝石之靈」與體內某些其他物質反應的結果。由於有當時盛行的燃素說來解釋燃燒和腐蝕過程，因此他們都沒有發現氧氣在這些過程中重要的作用。

煉金術士約翰·約阿希姆·貝歇爾在1667年建立燃素說，化學家格奧爾格·恩斯特·斯塔爾又於1731年對燃素說作進一步修改。根據燃素說，所有可燃物質都由兩部分組成。一部分為「燃素」，會在物質燃燒過程中釋放出來。不含燃素的部分則是物質的「純態」。舍勒把這種氣體產物稱為「火之氣」，因為它能支持燃燒過程。手稿《論空氣與火的化學》（）記錄了這項發現，1775年寄往出版商，1777年出版。

一般被譽為氧的發現者]]

1774年8月1日，英國教士約瑟夫·普利斯特里把陽光聚焦到裝有氧化汞的玻璃管中，從而釋放出一種氣體，他將其稱為「無燃素氣」（）。他注意到，蠟燭在這一氣體中燃燒得更加旺盛，老鼠在呼吸此氣時顯得更加活躍，存活的時間也更長。在自己吸入「無燃素氣」後，普利斯特里寫道：「它在肺中的感覺和普通空氣無異，但一段時間內我感到胸腔格外輕盈舒適，頗感良好。」由於普利斯特里比舍勒更早發表論文，因此常被稱為氧氣的最早發現者。

法國化學家拉瓦锡之後也聲稱獨立發現了氧氣。普利斯特里在1774年10月拜訪拉瓦節時向他講解過這項實驗如何釋放出某種新的氣體，又於1774年9月30日致信拉瓦節，講述他所發現的新物質。拉瓦節並未提及收到過此信。舍勒去世之後，人們在他的遺物之中發現了這封信的副本。之后化学家确定拉瓦锡在这方面是错误的（氢才是酸的基础），但那时这个名字已被公认为氧的名称了。

英國的普利斯特里比拉瓦節更早研究氧氣，「oxygen」一詞也受到了英國科學家的反對。不過在1791年，伊拉斯謨斯·達爾文（查理斯·達爾文的祖父）的科普詩集《植物園》（）出版，其中一首名為Oxygen的詩以歌頌氧氣為主題，使「oxygen」進入英語詞彙之中。1805年，約瑟夫·路易·蓋-呂薩克和亞歷山大·馮·洪保德證明水是由兩份氫、一份氧所組成。事實上，氫氣和氧氣都是雙原子分子。1811年，阿莫迪歐·阿佛加德羅利用這一點，通過阿佛加德羅定律推導出水的正確成分。

19世紀末，科學家發現可以通過壓縮和冷卻使空氣變為液體，再分離其中的各種成分。瑞士化學家、物理學家拉烏爾·皮克泰利用串級法，通過蒸發液態二氧化硫使二氧化碳液化，再通過蒸發液態二氧化碳使氧氣液化。1877年12月22日，他向法國科學院發送電報，宣佈發現液氧。兩天後，法國物理學家路易·保羅·卡耶泰宣佈用自己的方法，同樣成功製成液氧。兩人都只產生了幾滴液氧，無法進一步分析。1883年3月29日，波蘭科學家和終於製成穩定狀態下的液氧。1891年，蘇格蘭化學家詹姆斯·杜瓦產生了足夠的液氧做進一步研究。1895年，德國工程師卡爾·馮·林德和英國工程師分別研發出商業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。

1901年，科學家燃燒乙炔和壓縮氧氣的混合物，首次氧炔焊接。氧炔焊接之後成為了焊接、切割金屬的常用方法。

地球大氣中的氧氣含量在全球範圍內有稍稍下滑的趨勢，這可能和燃燒化石燃料有關。

性質
同素異形體
是地球上一種較為稀有的氣體，主要分佈在平流層。圖為臭氧的分子結構示意圖]]
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雙原子氧（O2），亦即氧氣，是氧元素在地球上最常見的同素異形體，地球大氣氧的主要部分（見存在形式一節）。雙原子氧的鍵長為121pm，鍵能為498kJ·mol−1。與生物圈內其它分子的雙鍵或兩條單鍵相比，雙原子氧的鍵能更低，與任何有機分子反應都會放熱。這性質是生物體呼吸作用的主要原理（見生物學上的作用一節）。

三氧（O3），常用名為臭氧，是一種高反應性的氧同素異形體。在上層大氣中，O2經紫外線分解成獨立的氧原子。這些氧原子再與O2結合後，形成臭氧。科學家曾認為，將O2加壓至20GPa所形成的固態氧，是由四聚氧所組成。但2006年的一項研究證明，此固體相態實際上是由O8原子簇所組成，結構為三方晶系。這種同素異形體很有可能是比O2和O3更強得多的氧化劑，可做火箭燃料。1998年，又證明該相態在極低溫下具超導性。

物理性質
中的綠色相似]]

氧氣在水中的溶解性比在氮中高，在淡水中的溶解性又比在海水中高。在大氣中氧氣和氮氣的分子比例為1:4，而在水和空氣達致平衡的狀態下，該比例為1:2。氧氣在水中的溶解度會隨溫度改變：在0°C下的溶解度（14.6mg·L−1）約為在20°C下的雙倍（7.6mg·L−1）。當空氣處於25°C及時，每公升淡水含6.04毫升氧氣，而每公升海水則含4.95毫升氧氣。

氧氣在90.20K（−182.95°C）凝結，在54.36K（−218.79°C）凝固。液氧和固氧（O2）都是呈淡天藍色的透明物質，這是由於氧分子會吸收紅光。（天空呈藍色是由於藍光的瑞利散射，而非因氧氣的吸收光譜所致。）高純度液氧一般是通過液化空氣分餾法萃取的；亦可利用液氮的低溫使空氣中的氧氣凝結。

極光和氣輝（夜輝）的部分顏色來自於氧氣分子的光譜。氧氣分子會吸收赫茨貝格連續區和舒曼–龍格帶內的紫外輻射，形成原子氧。這一過程對大氣中層的化學有重要的作用。在激發態下的單態氧在溶液中會化學發光，呈紅色。

氧氣有順磁性。在實驗室中，用強力磁鐵可以使液氧懸浮在兩磁極之間。分析氧氣樣本的順磁性，可得出樣本中氧氣的純度。

同位素與來源
自然界中的氧元素由^16O、^17O及^18O三種穩定同位素組成，其中^16O的豐度最高（99.762%）。

大部分^16O是在大質量恆星氦聚變過程晚期合成，也有一部分源於氖燃燒過程。^17O主要是在碳氮氧循環中從氫至氦的聚變過程中產生，因此分佈在恆星內部的氫聚變區域。產物為氮；質量高於^18O的同位素則主要\beta^-衰變，產物為氟。
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!Z !! 元素 !! colspan="2"|質量比例（百萬分率）
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| 1 || 氫 || align="right"|739,000 || colspan="2"|71 × 氧氣質量（紅條）
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| 2 || 氦 || align="right"|240,000 || colspan="2"|23 × 氧氣質量（紅條）
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| 8 || 氧 || align="right"|
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| 6 || 碳 || align="right"|
|-
| 10 || 氖 || align="right"|
|-
| 26 || 鐵 || align="right"|
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| 7 || 氮 || align="right"|
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| 14 || 矽 || align="right"|
|-
| 12 || 鎂 || align="right"|
|-
| 16 || 硫 || align="right"|
|}

在全宇宙中，氧的豐度排在第三位，僅在氫和氦之後。在海洋中佔88.8%。在太陽系中，地球大氣的氧含量是獨一無二的：氧氣只佔火星大氣體積的0.1%，金星的大氣氧含量則更低。這些行星的氧氣是含氧分子（如二氧化碳）在紫外線輻射下所釋放出來的。

地球之所以有異常高的氧氣，是因為氧循環。地球上的氧主要在大氣、生物圈及岩石圈之間流動，是為生物地球化學循環。光合作用是氧循環的主要推動力，它決定了目前的地球大氣成分。氧氣通過光合作用釋放到大氣之中，再經呼吸作用、分解作用和燃燒離開大氣。今天的大氣氧含量處於平衡，氧氣的生成率和消耗率相同，約為每年大氣氧氣總量的二千分之一。

氧氣也出現在海洋中。O2在低溫海水中的溶解量更高（見物理性質一節），所以兩極附近海洋的生物密度比其他海洋高許多。受硝酸鹽、磷酸鹽等植物養分所污染的水可促使藻類生長（稱為富營養化過程）。這些藻類以及其他生物物質在分解後，會降低水的氧含量。水體的生化需氧量，即把含氧量復原至正常水平所需的氧氣量，是水質的一項量化指標。

分析
的趨勢圖]]

古氣候學家可通過測量海洋動物外殼和骨骼中^18O和^16O同位素之比，推算百萬年前的地球氣候。同位素^18O的質量比^16O高出12%，因此海水中含^16O的水分子會比含^18O的水分子蒸發得更快。海水溫度越低，蒸發率的差異更大。當氣候寒冷的時期，蒸發的水形成的雨雪會有較高的^16O，剩餘的海水則含較高的^18O。因此在寒冷氣候下，海洋生物的外殼和骨骼會包含更多的^18O同位素。

氧在分光光度計下有兩條吸收帶，峰值分別位於687和760納米。這兩條光譜帶能用於區分植物的反射和熒光。利用此原理，有遙感科學家提議用衛星測量植被冠層在這兩條帶的輻射，監測植物的健康和全球範圍內的碳循環。監測的信噪比較低，再加上植物的結構複雜，因此技術難度較大。

生物學上的作用
呼吸及光合作用
在自然界的光合作用過程中，水分子經過光分解作用后會釋放出氧氣。具其中一項估計，地球上有70%的氧氣由水生綠藻及藍綠菌產生，其餘的氧氣則來自陸地植物。根據另一項估計，大氣氧氣每年有45%來自於海洋。

光合作用簡式為：

:6CO2 + 6H2O +光子-> C6H12O6 + 6O2

亦即

:: 二氧化碳 + 水 + 光 → 葡萄糖 + 氧氣

在光合作用的生物體內，產生氧氣的反應發生在類囊體膜上，需四粒光子的能量。此反應有許多步驟，最終會在類囊體膜上產生質子梯度，以此經光合磷酸化反應合成三磷酸腺苷（ATP）。在生成水分子之後所剩餘的O2會釋放到大氣之中。

線粒體中產生ATP的氧化磷酸化過程需氧。有氧呼吸作用的整體反應類似於反向的光合作用，其簡化公式為：

:C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + 2880kJ·mol−1

在脊椎動物中，O2經擴散作用，通過肺內的膜進入紅血球。O2與紅血球中的血紅蛋白結合，後者從紫藍色變為亮紅色。人們曾以為氧氣是所有複雜生物所必要的物質。

生物體消耗氧氣之後所產生的活性氧類有超氧化物（O2^-）、過氧化氫（H2O2）等。

大氣氧氣的積聚
大概在35億年前，地球上出現會光合作用的古菌和細菌。在此之前，地球大氣中幾乎不存在游離氧氣。到了古元古代，即30至23億年前，地球上第一次出現大量的游離氧氣。地球形成後的首10億年內，游離氧氣會與溶於海洋中的鐵結合，形成條狀鐵層。30至27億年前，此類氧氣槽達到飽和，氧氣開始從海洋釋出。17億年前，氧氣水平達到今天的10%。

24億年前的大氧化事件（「氧氣大災難」）期間，海洋和大氣的含氧量大幅上漲，大多數的厭氧生物很可能因此絕種。好氧生物用O2呼吸，可以比厭氧生物產生多許多的ATP。所有真核生物，包括動植物等複雜多細胞生物都用O2呼吸。

5.4億年前，地球進入寒武紀，這段時期的大氣含氧量（依體積）在15%和30%間波動。約3億年前石炭紀進入末期時，大氣含氧量達到35%的最高值，

含氧量的波動影響遠古氣候：含氧量下降時，大氣密度一同下降，表面蒸發率因而上升，進而提高溫度和降水程度。

以目前光合作用的速率，要生成目前整片大氣中所有的氧氣需2千年。

工業生產
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每年從空氣萃取的工業用O2有1億噸，萃取方法有二。

氧氣可通過電解水來生成。直流電通過水，在正負兩極處會分別形成兩份氫氣和一份氧氣。亦可用電作為催化劑，從氧化物和含氧酸中萃取氧氣。化學氧氣發生器和氧燭都利用化學催化劑萃取氧氣，應用包括潛水艇維生系統以及客運飛機上突發降壓時的後備維生系統。還有一種生成方法，用高壓或電流使空氣穿過基於二氧化鋯的陶瓷膜。這樣生成的氧氣有極高的純度。

氧氣療法有較大的靈活性，可用於醫院及病人家中，甚至還有越來越多的便攜式醫用氧氣設備。曾經常見的氧氣帳篷，現已大多被氧氣面罩和鼻插管所取代。

高壓氧治療利用高壓氧艙增加氧氣分壓，治療艙內的病人，可用於治療一氧化碳中毒、氣性壞疽及減壓症等。增加肺內的氧氣濃度有助於從血紅蛋白的血基質上移除一氧化碳。較高的氧氣分壓能夠毒死造成氣性壞疽的厭氧菌。當潛水員上升過快，環境壓力迅速降低時，血液裡會形成由氮和氦等氣體所組成的氣泡。若盡早增加氧氣壓力，可使這些氣泡重新溶解於血液之中，多餘的氣體從而經肺部自然呼出。

維生及娛樂
使用低壓純氧]]

現代太空衣內充滿近純氧，壓力為大氣壓的三分之一左右，這使得太空人血液裡可以會有正常的氧氣分壓。

水肺式和水面供氣式潛水員以及潛水艇都需要人工供應氧氣。潛水艇、潛水器和大氣壓潛水服中的呼吸氣體一般處於大氣壓力。呼出的氣體在經化學方法萃取出二氧化碳之後，再補回氧氣，使分壓保持不變。在環境壓潛水員所呼吸的混合氣體之中，氧氣的比例須依身處深度而定。純氧或近純氧的應用一般僅限於循環呼吸器、深度較淺（約6米以內）的減壓過程以及2.8巴壓力以內的加壓艙治療。在加壓艙中之所以能用較高的壓力，是因為急性氧氣中毒的徵狀可以即時控制，而不存在溺死的危險。更深的潛水則需要在呼吸氣體中摻入其他氣體，如氮氣和氦氣，目的是大大降低氧氣分壓，以避免氧氣中毒。職業運動員，特別是美式足球員，有時會在場外戴上氧氣面罩，提高體能。然而，這種做法的實際功效卻存疑，任何體能上的提升更可能是因為安慰劑效應。

工業
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商業生產的氧氣之中，有55%都用於煉鋼。過程中，氧氣經一長槍型物注入熔融鐵中，將其中的硫和碳雜質分別轉化為二氧化硫和二氧化碳而釋出。此為放熱反應，溫度上升至1,700℃。氧气或空气用于氧气裂解过程中，并用于生产丙烯酸，二甲酰呋喃，苯甲酸。 另一方面，由氧气电化学合成过氧化氢是一种有前途的技术，可以代替目前使用的对苯二酚工艺。 最后但并非最不重要的一点是，在加力燃烧器中使用了催化氧化以消除有害气体。

化合物
（）是常見的氧化合物]]
氧在大多數化合物中的氧化態為−2，在過氧化物等幾種化合物中則為−1。其他氧化態的氧化合物非常罕見，有：超氧化物（−1/2）、臭氧化物（−1/3）、元素氧和次氟酸（0）、二氧基盐（+1/2）、二氟化二氧（+1）和二氟化氧（+2）。

氧化物及其他無機化合物
水（H2O）是一種氫的氧化物。水分子中，兩粒氫原子與氧形成共價鍵，每粒氫原子又與另一粒水分子中的氧原子相吸，是為氫鍵（每氫原子鍵能為23.3 kJ·mol−1）。由於有這些氫鍵，所以水分子間的距離比純粹以范德華力相吸的情況短15%。

，如組成鐵鏽的鐵氧化物]]
由於氧的電負性高，所以會與幾乎所有元素形成化學鍵，形成相應的氧化物。包括鋁和鈦在內的大部分金屬，在空氣之中都會在表面形成一層薄薄的氧化物。這使金屬鈍化，有助減慢腐蝕作用。大多數過渡金屬的氧化物都屬於非整比化合物，其金屬比例低於化學式中所示。例如，氧化亞鐵（方鐵礦）的化學式為Fe_{1-x}O，其中x通常為0.05左右。

二氧化碳（CO2）是地球大氣中的微量氣體。地球地殼岩石有一大部分由各種金屬的氧化物組成，包括：二氧化硅（SiO2），可見於花崗岩和石英等；氧化铝（Al2O3），可見於鋁土礦和剛玉等；氧化铁（Fe2O3），可見於赤鐵礦和鐵鏽等；碳酸鈣（CaCO3），可見於石灰岩等。除此之外，還有由各種複雜矽酸鹽組成的矽酸鹽礦物。質量遠比地殼大的地幔主要由鎂和鐵的各種矽酸鹽所組成。

可水溶稀酸鹽，包括Na4SiO4、Na2SiO3和Na2Si2O5，可用作清潔劑和黏合劑。

氧可以做過渡金屬的配體，形成過渡金屬雙氧配合物（化學式為「金屬–」）。含血基質的蛋白質──血紅蛋白和肌紅蛋白──都屬於此類化合物。六氟化鉑（PtF6）會和氧發生特殊的反應，把氧氧化成O2+PtF6-。

有機化合物及生物分子
是重要的化工原料。圖為丙酮分子的空間填充模型

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分子的分子量中，氧元素佔超過40%]]

許多重要的有機化合物類別都含有氧原子，包括（「R」代表有機官能團）：醇（R -OH）、醚（R -O -R）、酮（R -CO -R）、醛（R -CO -H）、羧酸（R -COOH）、酯（R -COO -R）、酸酐（R -CO -O -CO -R）及酰胺（R -C(O) -NR2）。許多重要的有機溶劑也含有氧，包括：丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇、呋喃、THF、乙醚、1,4-二噁烷、乙酸乙酯、DMF、DMSO、乙酸及甲酸。其他含氧的重要有機化合物有：甘油、甲醛、戊二醛、檸檬酸、乙酸酐及乙酰胺。環氧化合物是含有氧三元環的醚類化合物。

氧可以和很多有機化合物在室溫或更低溫度發生自發反應，這稱為自然氧化。大部分含氧有機化合物都可以通過直接與O2反應來合成。在工業和商業上以這種方法製成的有機化合物包括環氧乙烷和過氧乙酸等。
}}
時發生]]

當氧氣（O2）的氣體分壓較高時，會導致氧氣中毒，造成痙攣等症狀。氧氣中毒一般在氧氣分壓超過50kPa時發生，相等於在標準壓力下含氧量為50%（在海平面上正常空氣中的氧氣分壓為21kPa）。醫用氧氣面罩所提供的氧氣體積比例在30%和50%之間（在標準壓力下分壓約為30kPa），所以除使用機械呼吸機的情況以外，都不會有氧氣中毒的危險。宇航服中的氧氣分壓約為30kPa（正常水平的1.4倍），而宇航員動脈血氧分壓則比在海平面時的水平略高。

水肺潛水和水面供氣潛水時，也有可能發生氧氣中毒，對肺部和中樞神經系統造成危害。當氧氣分壓超過160kPa（約1.6倍大氣壓）時，會引致痙攣，這對潛水員來說通常是致命的。在66米或更深的水中呼吸含21%氧氣的空氣，或在6米深處呼吸100%純氧，即會引致急性氧氣中毒。

燃燒及其他危害
指令艙。一次火花點燃了艙內壓力高於正常值的純氧，引發火災。全體機組員喪生]]
高濃度氧氣可助燃。氧化劑和燃料聚集，便有起火或爆炸的危險。要觸發燃燒反應，須有熱源或火花。雖然氧氣是氧化劑，而不是燃料，但在燃燒過程中，它所釋放的化學能卻最多。}}

在處理液氧時，一旦液氧濺起並滲入木材、石化製品、瀝青等有機物中，這些物質會在碰撞下有不可預見的爆炸反應。液氧與其他低溫液體一樣，若皮膚、眼睛等器官與之直接接觸，會有凍傷的危險。

參見

• 缺氧
• 氧化合物

注釋
參考資料
引用
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外部連結

• [http://www.periodicvideos.com/videos/008.htm Oxygen] at The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）
• [http://www.organic-chemistry.org/chemicals/oxidations/oxygen.shtm Oxidizing Agents > Oxygen] （以氧氣為氧化劑的化學反應彙編）
• [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/O/index.html WebElements.com – Oxygen]