氧（Oxygen）元素符号 O，原子序数 8，原子量 15.999，地壳中质量占比 46%，是地球最“霸屏”的元素，也是生命、燃烧与腐蚀的“总导演”。
原子与分子结构
电子构型：1s² 2s² 2p⁴ → 6 个价电子，极易夺 2 电子或形成双键。
同位素：¹⁶O（99.76%）、¹⁷O（0.04%，NMR 探针）、¹⁸O（0.20%，示踪“氧从哪里来”）。
分子形态：
– O₂：键能 498 kJ mol⁻¹，基态为三线态（↑↑），决定常温氧化速率。
– O₃：弯曲分子（键角 117°），紫外强吸收 220–300 nm，平流层“遮阳伞”。
物理与化学性质
三相点：54.36 K（–218.8 °C）/ 0.15 kPa；浅蓝色液氧（顺磁性，可被磁铁吸起）。
氧化态全景：
– –2（H₂O、氧化物）、–1（H₂O₂、过氧）、–½（超氧 O₂⁻）、0（O₂）、+2（OF₂）、+4（O₂F₂）。
反应活性：
– 常温：缓慢腐蚀 Fe → Fe₂O₃·xH₂O；
– 高温：C + O₂ → CO₂（放热 394 kJ mol⁻¹），火箭/高炉能量源；
– 生命：线粒体 ½O₂ + 2e⁻ + 2H⁺ → H₂O，驱动 ATP 合成酶。
自然界循环与人工制取
光合作用：6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂，每年放出 ~10¹⁴ kg O₂。
空分装置：低温精馏得 99.5% O₂（钢瓶 15 MPa）与 99.999% 高纯氧（电子级）。
化学制氧：
– 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂（MnO₂ 催化，实验室）；
– 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂（潜艇/航天再生）；
– 变压吸附（PSA）沸石富氧，医院 90% 富氧机。
太空原位：月球钛铁矿 FeTiO₃ + H₂ → Fe + TiO₂ + H₂O，再电解得 O₂（NASA 2023 试点）。
应用领域
冶金：炼钢顶吹氧（BOF）缩短 10 倍时间，吨钢能耗降 50%。
化工：乙烯环氧乙烷 C₂H₄ + ½O₂ → C₂H₄O（Ag 催化），全球年 4000 万吨。
火箭：液氧-煤油（长征）、液氧-甲烷（SpaceX Raptor）、液氧-液氢（SLS、Vulcain）。
医疗：高流量氧疗（HFNC）、ECMO 膜氧合、高原便携式液氧罐（2 L≈1700 L 气态）。
废水：臭氧-生物炭耦合，COD 去除率 >90%，无二次污染。
日常：富氧燃烧玻璃窑节能 20%；鱼缸微纳米曝氧；高原酒店“弥散供氧”23% O₂。
前沿热点
单线态氧 ¹O₂：光敏剂（Pd 酞菁、BODIPY）+ 光动力疗法，精准杀肿瘤，FDA 已批 5 药。
氧还原反应（ORR）：
– 燃料电池 Pt₁Co 单原子合金，质量活性 1.2 A mg⁻¹ Pt@0.9 V；
– 固态氧化物燃料电池（SOFC）600 °C 低温运行，微型无人机 1 kW 级。
光/电催化产氧（OER）：
– 钙钛矿 SrCo₀.₉Nb₀.₁O₃−δ 过电位 320 mV@10 mA cm⁻²；
– 绿氢体系：2H₂O → 2H₂ + O₂，每千克 H₂ 伴产 8 kg O₂，可副供医疗/钢铁。
高压氧科学：
– 120 GPa 下金属氧（ζ-O）预测为高温超导体；
– 行星内部：海王星幔层 50% 水，高压分解生成富氧流体，解释磁场发电机制。
氧同位素考古：
– ¹⁸O/¹⁶O 比值记录古气温（冰芯），每 0.1‰ ≈ 1 °C；
– 恐龙蛋壳 ¹⁸O 揭示白垩纪赤道年均 34 °C。