名“氧”天下
2022-10-20张来英朱亚先
张来英，朱亚先
厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005
秋高气爽，五谷丰登，瓜果飘香，为庆祝今年的大丰收，氧王子决定在氧城举办一场大型游园活动。
精彩活动不容错过，大华和小化如约而至。偌大的氧城文化娱乐广场人声鼎沸，各活动版块已准备就绪。
“女士们，先生们，欢迎来到氧城！让我们共同参与氧城游园活动！”随着广播里铿锵有力、激情澎湃的声音，帅气的氧王子飘然而至，向大家挥手致意：
“大家好！我是氧，在元素国排行第8，住在第二周期第VIA族。热烈欢迎来自五湖四海的朋友们！希望今天的游园活动可以让您进一步了解我们，尽兴而归！”
1 有奖竞答
大华和小化就近来到“有奖竞答”的活动现场。
“嘉宾朋友们，有奖竞答马上开始，奖品很丰富哦。规则很简单：我念完题目后，开始抢答。”
“元素国电负性排行老大、老二的分别是？”
小化耳疾手快，第一个按下抢答器：“我知道，我知道，电负性最大的是氟小姐，氧王子的电负性排第二。”
“答对了！”主持人递过奖品继续说道，“按质量计算，成人人体中含量最多的元素是？约占人体质量的百分之多少？”
大家面面相觑，都不敢确定答案，博学的大华不慌不忙地按下抢答器，微笑答道：“按质量计，人体含量最多的元素是氧，约占人体的61%。另外，地壳近一半是氧，大气中约20.9%是氧[1]。氧王子名‘氧’天下，无处不在啊！从天上的氧气、臭氧，到地下的矿藏、氧化物、含氧酸盐……他是地球万物的好朋友，是名副其实的‘万人迷’。”
现场响起热烈的掌声，主持人示意大家认真听接下来的题：“氧的同位素已知的有多少种？自然界常见的有哪几种？”
小化再次抢到了答题机会：“目前已知的氧的同位素有17种，自然界常见的有3种同位素，即16O、17O、18O，分别为99.76%、0.04%、0.2%[2]。”
“谁发现了氧？”主持人继续读题目。
“1774年，瑞典化学家卡尔·威尔海姆·舍勒(Carl Wilhelm Scheele)和英国化学家约瑟夫·普里斯特利(J. Joseph Priestle)各自独立地发现了氧，他们采用多种途径制备出氧，并研究了氧的性质[3]。”
“是谁确认了氧是一种元素？”
“法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡(Antoine Laurent Laroisier)于1777年确认了氧是一种元素，并将它命名为‘oxy-gène’，否定了燃素说，发展起现代燃烧理论[3]。”
竞答现场可谓争先恐后、你追我赶……
2 单质
“我们到单质场馆看看吧。”大华拉着小化来到旁边的单质场馆。
2.1 氧气
单质场围满了小朋友，工作人员正热情洋溢地向大家介绍着：“单质氧有两位常见的孪生兄弟(同素异形体)——‘氧气O2’和‘臭氧O3’。我这有个装置，里面充满着氧气，大家看到了吗？”
“没看到啊。”小朋友们都有点失望。
“哈哈，现在他是无色的气体，没看到就对啦！其实，他时刻都在围绕着你呢！”工作人员打开装置的降温开关，“见证奇迹的时刻马上到了！”
小朋友们屏气凝神，注视着这个透明的装置。
“淡蓝色液体！”当温度显示-182.96 °C时，大家异口同声地欢呼雀跃起来，“魔幻啊！似乎从无到有，凭空产生出来的！”
工作人员解释道：“淡蓝色的液体正是氧气冷却而来的液态氧。注意看，还有变化哦！”温度继续下降，到-218.4 °C时，装置里又魔幻般地出现了雪花状的淡蓝色固体[4]！
现场再次出现小朋友的惊呼声。
“这是固态氧。”工作人员指着装置里的固体物质说道。
“为什么需要这么低的温度呢？”小朋友七嘴八舌地问道。
工作人员说：“因为氧气是非极性分子、个头又小，分子之间的作用力比较小，熔点与沸点都很低啊。”小朋友们似懂非懂地点点头。
这时，工作人员拿出时空镜，晃了一下，虚拟屏里医生正在全力救治着带着氧气面罩的垂危病人；他再转动一下，氧公子正在与高能燃料合力将火箭推向太空；随着时空镜角度的变化，大家忽而看到潜水员正背着氧气瓶在海底做研究，忽而看到工厂师傅正在用氢氧焰、氧炔焰切割焊接……
一个小朋友担心地问：“我们天天都在使用氧气，空气中的氧气会用完吗？”
这时，工作人员看到大华，邀请道：“大华博士，你好！可以给大家解答一下这些问题吗？”
大华摸着这个小朋友的头，微笑着说：“不会的。空气中的氧气含量是基本恒定的，因为这里存在着一个动态平衡。人类和动物呼吸氧气、使用氧气，而植物则通过光合作用把二氧化碳和水合成有机物并释放出氧气。”
“那么，我们怎么得到氧气呢？”另外一位小朋友问。
“工业上制取氧气的方法有分离液态空气法、膜分离法、分子筛制氧法、电解制氧法等[4]。而在实验室中一般采用加热分解含氧化合物的方法制取氧气。”
小化在一旁的白板上写下实验室加热高锰酸钾制备氧气的方程式：
“小化哥哥，高锰酸钾可以买到吗？我想回家多制备些氧气，让氧气充满我们家！”一位小朋友们说。
小化连忙摆摆手道：“不不不！这个反应危险，不能在家里做！而且，这些我们时刻离不开的氧气也并非越多越好，氧气含量过高时也会发生氧中毒！”
“中毒？”小朋友们不解地挠了挠头。
小化立刻补充道：“氧气过量可能会引起肺型氧中毒、脑型氧中毒和眼型氧中毒。任何物质都要适量才好！”
人群里有人突然叫道：“哇！好疼，像烧着了一样！皮肤起了红斑，肿起来了！”
一位医生闻声跑过来查看，安慰病人道：“别怕，你这是卟啉病，起因是人体内的血卟啉类物质过多地集中在某一区域，经光照把通常的三线态氧激发形成单线态氧……”
“单线态氧？”不光是小朋友们没听说过，连旁边的小化也挠了挠头。
“氧王子最外面的两个电子宝宝平时比较乖，大多数时候安静地坐在自己的座位上，平行地自旋。但是，血卟啉等光敏化剂会过来诱惑他俩，电子宝宝接受了光敏化剂馈赠的能量，就跳到更高的位置，且相反自旋，这就是单线态氧1O2。他能量高、不稳定，具有较高化学活性，破坏人体内不饱和脂肪的不饱和键，造成皮肤损害和组织的损伤。”大华说道。
“那可怎么办呢？”病人不由得哭起来了。
医生说：“得赶紧把你关到小黑屋里避光，并服用胡萝卜素，很快就会好的。”
“胡萝卜素？”病人不解，重复道。
“是的。胡萝卜素内含有不饱和双键，是单线态氧的猝灭剂。”
“单线态氧真是个坏蛋！”小朋友都异口同声地说。
“不能这么说，凡事都有两面性。单线态氧对人体病毒、病菌、肿瘤是强有力的武器，人们已经利用这一点使用光动力法治疗癌症喽。他既是敌人，也是朋友哦[5]。”
大家不由地给大华鼓掌起来。
2.2 臭氧
“好臭！”一股鱼腥臭味的蓝色气体突然飘然而至，大家本能地捂住鼻子和嘴巴。
工作人员连忙过来，把他装到一个密闭的罐子里。他降低罐子的温度，于是大家看到了一种暗蓝色的液体，继续降低温度，又变成了黑紫色的固体[6]。
“各位，实在抱歉！我是氧气的孪生兄弟臭氧O3(图1)。刚才的气体浓度有点高，让大家难受了！”罐子里的臭氧先生不好意思地向大家打招呼，“其实，在我浓度稀薄时，闻起来有清新爽快之感哦。”
图1 臭氧分子的结构[4]
“大家请随我来。”工作人员一个旋转，带领大家来到一片森林里，“尽情呼吸吧！”
大家都深深地呼吸着森林里的新鲜空气：“哇，好舒畅！沁人心脾！”
“这可是臭氧先生的功劳！森林里的松节油、树脂等受空气氧化的过程中同时伴生臭氧，正是这少量的臭氧令我们爽快和振奋。”工作人员解释道，“不知大家有没有同样感觉，雷雨过后，我们也会觉得很舒爽。这是因为空气中的氧受电火花的作用也会产生少量臭氧。”
“想不到这么难闻的臭氧也有清新的一面。但是臭氧先生并不如氧气先生常见，他都待在哪儿呀？”好奇的小朋友有些着急。
工作人员再次请大华博士给大家解惑：“臭氧在大气地面附近的大气层中含量极少，常存在于大气层的最上层，离地面约25 km高度处有一个臭氧层。太阳的紫外线辐射使氧气分子离解成氧原子，这些氧原子和其余的氧气作用生成臭氧[2]。”
“那臭氧不是会越积越多吗？”小朋友焦虑地问道。
小化接过大华的话：“生成的臭氧吸收波长稍长的紫外线，又能重新分解。所以高层大气中同时存在着臭氧的形成和分解两种光化学过程，最后达到动态平衡，形成一个浓度相对稳定的臭氧层。”
大华在白板上写下了方程式[5]：
“这个臭氧层可重要了，他吸收了高空紫外线的强辐射，使地球上的生物免遭伤害。”工作人员又一个旋转，把大家带回到活动现场。
“可是，人类活动会产生一些破坏臭氧层的物质。比如，常用作制冷剂、发泡剂的氟利昂，还有汽车尾气中的氮氧化物……”工作人员一挥手，大屏幕上出现二组方程式[5]：
“大家看，它们不仅破坏了臭氧层，还破坏了用来生成臭氧层的初生态氧原子！”
“因此，减少使用氟利昂、减少机动车尾气排放量刻不容缓啊！”
“现在考考大家，如何在实验室制备臭氧呢？”工作人员看着大家。
一位年轻人举起了手：“前面有说到太阳的紫外线和雷电作用于氧气都可以产生臭氧，同理，可以在实验室搭建臭氧发生器(图2)，用紫外线照射或对氧气放电来获得臭氧，对吧？”
图2 臭氧发生装置简图[5]
“对的！这就是我们常说的紫外线放射法、介质阻挡放电法。此外，也可以用电解法、放射化学法等制备臭氧。”工作人员投来赞赏的眼光。
“朋友们，我可以化腐朽为神奇。”臭氧大哥自豪地说道。
工作人员从广场下的一端引出污水，臭氧大哥携手几位好友，三两下功夫，污水处理好了。处理好的水引入广场的另一端入口。
空中突然飘来一股烟气，臭氧大哥一跃而上，把烟气净化得干干净净。
刚买菜回来的一位大妈看到热闹的广场也过来探个究竟。臭氧大哥热情地走上前：“大妈好，我来帮您清洗消毒蔬菜并保鲜。”
一旁的大叔看红了眼：“臭氧先生，能帮我脱色一下吗？”“当然可以。”
臭氧大哥不亦乐乎地显示着自己的身手。
“不好意思，打扰，臭氧先生快跟我跑一趟医院。”一位年轻的小伙气喘吁吁地请求道,“医院好多病人等着您去治疗呢，有结肠炎的、有皮肤坏疽的、有脑中风的、有风湿性疾病的、有关节疾病的、有椎间盘突出症的、有急慢性肝炎的、有前列腺炎的……[7]”
“臭氧的本领真多啊！”小朋友们都对臭氧大哥刮目相看。
2.3 其他氧单质
其中一位小朋友灵光一闪：“氧气是O2，臭氧是O3，那会不会有O4、O5、O6、O7、O8……的氧单质呀？”
“哈哈，小脑袋瓜挺会转嘛。”一旁的长者摸了摸小朋友的头，“除了氧气和臭氧两位常见的氧单质，人类朋友在不断的探索中还发现了四聚氧O4、固态(α、β、γ、δ、ε、ζ相)的O2等。”
“1924年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯(Gilbert Newton Lewis)预测了四聚氧O4的存在。后来的理论计算表明：可能以亚稳态存在的四聚氧O4分子有两种不同的结构，一种是变形的正方形，另一种的形状像风车，三个氧原子排列在中心氧原子周围，形成平面正三角形的构型(图3)。随着低温高压技术和测量技术的不断进步，人类在后来的一系列研究中发现了更多的氧的同素异形体。”工作人员一边说一边加大装置里的压强。
图3 四聚氧结构示意图
大家认真地看着装置里淡蓝色的固态氧，期待奇迹的再次发生。很快，大家看到：压强大约在10 GPa时，固态O2晶体呈透明浅蓝色，随着压力的增加依次转变为橙色、红色；进一步加压到大约40 GPa时，由红色转为暗红色，并且几乎是不透明的；当压力高于96 GPa时，相态也变化了，体积也变小了[8]！
工作人员环视一周：“有谁知道这红色的物质是什么吗？”
大家都摇摇头，安静了下来。
大华微笑道：“这是氧的又一个孪生兄弟——红氧O8，也叫ε-氧，是由四个氧分子O2组成的菱形O8原子簇。”
一旁的工作人员缓缓地说道：“氧的同素异形体很丰富，特别是固态氧的出现，由于其性质与其他非金属同素异形体不同，而具有自己的特点，已成为非金属材料宝库中理论和应用研究的热点之一。”
3 氧化物
话音刚落，小化就被氧化物会场的欢呼声吸引了过去，大华也跟着走过去。
这里真可谓“大咖云集”。氧王子正在逐个邀请元素国的锂、镁、铝、锌、铜、银等金属朋友跳交谊舞，随着他们的舞动生成了各种的金属氧化物。最吸引人的莫过于氧王子拉上铁兄弟跃到火海里，只见红热的铁剧烈燃烧、火星四射，周围温度也迅速上升，两人合一变成了黑色的四氧化三铁。
非金属的氢、硫、磷、氮、碳等不甘寂寞，逐一和氧王子来了一场“浴火重生”，形成了各种非金属氧化物：有的产生蓝色的火焰，有的发出耀眼的白光，有的生成白烟……
大幕一转动，刚才生成的氧化物们也轮番上到表演台，展示各自的绝技。
一氧化碳仙气十足：“我不怕冷，很难让我冷凝，因为我的沸点为-191.5 °C。”只见她踮起脚尖在冰湖上跳起了芭蕾，一点也感觉不到寒冷。
对面的二氧化锆神气十足：“你不怕冷，我还不怕热呢！我的熔点为3265 °C，沸点为4850 °C[4]。”他毫不示弱地在火海里悠然自得地散着步。
……
“这也太热闹了吧！”小化欢快得合不拢嘴。
“是呀，要不然怎么是氧王子呢！但是，氧王子因为力量大比较霸道，那些金属元素见到他，由于力量悬殊，就主动把自己的电子送给氧王子，形成了离子型氧化物；而非金属元素有点不服气，不愿意看着电子跑走，于是与氧王子共用电子对，形成共价型氧化物。”大华边看表演边解释着。
“看，那边在变魔术！”小化拉上大华就往魔术台跑去。
魔术师把三种固体分别溶解到三个瓶子里面，形成了三瓶无色的液体，只见魔术师把紫色的“石蕊”溶液逐一滴入，其中的一瓶溶液立刻变成了漂亮的红色，另一瓶溶液变成了梦幻的蓝色，而第三瓶没有任何变化。”
“好神奇！怎么回事呢？”一位小朋友问。
“石蕊是从植物中提取得到的色素，是一种常用的酸碱指示剂，她遇酸变红、遇碱变蓝，中性则不变。”大华解释道。
小化接着说：“氧王子和各元素可形成酸性氧化物、碱性氧化物、中性氧化物和两性氧化物等。比如，我们常见的水姐姐就是中性氧化物……”
“谁在说我啊？”水姐姐闻声款款走了出来。
“今天给大家介绍一下我的妹妹——双氧水，是由氢公子和氧王子一起组成的另一个化合物——过氧化氢H2O2的水溶液。”
“姐姐，我来啦。”一位蓝色粘稠液体状的小姐朝这边走来，“大家好，我叫过氧化氢，小名双氧水。挥发性比水姐姐小，密度和粘度比水姐姐大；熔点与水姐姐接近，但沸点远比水姐姐高。我常常居住在棕色瓶或者塑料容器中，喜爱阴凉的地方，有那么一点点酸性，通常性格比较温和。但是，我很怕热，温度高了我会分解为水姐姐和氧哥哥。”她一边说，一边在白板上写下自己分解的方程式：
双氧水讲得有点激动了，似乎热了起来。大华见状连忙请她到阴凉处休息，并请来锡酸钠、焦磷酸钠等作为稳定剂来平复她的心情。
“您休息会儿，我来替您介绍。由于轨道重叠和电子宝宝所处的位置特点(图4(a))，您和水小姐的结构不同。在气相中，您是非平面形的分子，有点像张开的书本(图4(b))。您不仅是氧化剂，还可以做还原剂[2-5]……”
图4 (a) 过氧化氢电子结构示意图；(b) 气相过氧化氢分子构型示意图
“谢谢肯定！”过氧化氢拱手道，“咱的些许作用不足挂齿。各种各样的氧化物都在不同的领域扬长避短，为构建人类命运共同体奉献着。”
4 含氧酸盐
时间不早了，大华和小化赶快移步到含氧酸盐版块。
这里更是人从众，数不胜数的含氧酸盐齐集一堂，各类盐轮流到中央台展示。
“大家好！我们是硅酸盐。”说话间，一群小伙子来到台上。
其中几个往前一步，形似一座座小岛，并逐个报上名号：“我是锆英石；我是钪钇石；我是绿竹石……”个个英姿飒爽。
接着几位链型的小姐姐左右侧拉开造型：“小女透辉石，和翡翠是闺蜜；本人透闪石……”
一群自称层型硅酸盐的哥哥们按照不同的方式一层层叠上去，组成了云母、石棉、高岭土……
架型的硅酸盐兄弟一跃而上：“我叫正长石。和氏璧也许与我有亲戚关系……”
“还有大家熟知的干燥剂硅胶、水玻璃、沸石……都是我们硅酸盐家族的兄弟姐妹，他们坚守在纺织、橡胶、铸造、建筑等岗位上，没能来到现场。”
话音刚落，全场掌声雷动，都被硅酸盐们的各种造型震撼了。
兴奋间，一队青年走来,要不是腰间别的牌子，还真难知道他们的大名：正磷酸、亚磷酸、次磷酸、焦磷酸、三聚磷酸、偏磷酸、连二磷酸、焦亚磷酸、偏亚磷酸……
他们走到钠、钾、钡、铵等小姐姐面前，鞠躬请小姐姐们跳舞。钠小姐与磷酸哥们的舞姿最美，几个旋转、抛跳，偏磷酸钠、焦磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠呈现在大家面前。
“有请下一组伙伴们！”主持人高亢的声音响彻全场。
伴随着掌声，左右各一队帅哥踢着正步走来。硫酸银、硫酸铅、硫酸汞、硫酸钙、硫酸锶和硫酸钡行进在左侧；硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸铜、硫酸亚铁、硫酸锌……右边的队伍明显更长。
“两边人数不一样？”小化嘀咕道。
“看出特点了吗？”大华期待地看着小化。
“哦，明白了。左边的一队都是难溶性的硫酸盐；右边的这队和水小姐都是好朋友，均为易溶解的硫酸盐。”小化短路的大脑瞬间接通。
“其实氧大哥和硫大哥一起，与金属朋友们还可以生成次硫酸盐、连二亚硫酸盐、亚硫酸盐、焦硫酸盐、焦亚硫酸盐、硫代硫酸盐、过一硫酸盐、过二硫酸盐、连多硫酸盐等等。”
“知识越来越丰富了！”大华和小化一边看表演一边小声交谈着。
“欢迎来自自然界的碳酸盐朋友们！”精彩一个个接踵而至：蓝铜矿、孔雀石、方解石、文石(霰石)、菱镁矿、白云石、菱铁矿、菱锰矿、菱锌矿、白铅矿、碳酸锶矿和毒重石等从四面八方赶来，为游园活动增彩。
硝酸盐家族也没闲着，硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、硝酸钙、硝酸铅、硝酸铈等作为氧氏一员，也都纷纷展示着各自的绝技。
偌大的广场络绎不绝、精彩纷呈……
“你晚上还有课，该回去了。”大华提醒沉浸在欢乐海洋里的小化。
“氧王子，真是魅力十足，名‘氧’天下，地球上处处可见他的身影。”小化依依不舍地多看了几眼氧城。
