氧化合物的性质及应用探究

1.氧和臭氧

氧气（O2）和臭氧（O3）是氧的两种单质，如图8－4所示。

图8－4　氧元素的两种单质

O2是一种无色、无臭的气体，在90 K时凝聚成淡蓝色的液体，到54 K时凝聚成淡蓝色固体。O2有明显的顺磁性，是非极性分子，不易溶于极性溶剂水中，20℃时，1 dm3水中只能溶解30 cm3 O2。O2在水中的溶解度虽小，但它是水生动植物赖以生存的基础。

氧是非常活泼的非金属元素，但氧气分子由于键能很大，所以比较稳定，在空气中能以游离态存在。在加热条件下，除卤素、少数贵金属（如Au和Pt）和稀有气体外，氧几乎能和所有元素直接化合，表现为氧化性。氧和大多数单质直接化合成氧化物。例如：

氧和大多数非金属氢化物反应。例如：

氧和低价氧化物反应生成高价氧化物。例如：

氧和硫化物反应。例如：

O2分子上的孤电子对作为路易斯碱的电子给予体向中心金属原子（离子）配位，形成配合物。例如，人体血液循环中，血红蛋白中的血红素Hb是卟啉衍生物与Fe（Ⅱ）形成的配合物，具有与O2配合的功能，与氧形成氧合血红蛋白，在人体内的输氧过程中起着极其重要的作用。

血红蛋白在肺部吸收氧后形成配合物，随着动脉血输送到人体各部分，再送到人体各组织的器官中，释放出氧后形成血红素，随着静脉血被送回肺部循环，如图8－5所示。

O3是O2的同素异形体，因有特殊气味而得名。

在紫外线辐射下，通过电子放射将双原子氧气分解成氧原子，氧原子与氧分子结合成臭氧分子可自然形成臭氧，如图8－6所示。

图8－5　血红蛋白运输氧示意图

图8－6　放射条件下O2转变为O3

工业上，用干燥的空气或氧气，采用5～25 kV的交流电压进行无声放电制取臭氧。

在O3分子中，中心O原子采取sp2杂化，该O原子除与另外两个原子生成两个σ键外，还有一个未杂化的p轨道含一对孤电子对，与另外两个配位O原子分别各提供一个p电子，在三个O原子之间形成一个垂直于分子平面的三中心四电子的离域的π键（π43），如图8－7所示，键角为116.8°，键长为127.8 pm，使O3分子呈V形结构。

图8－7

臭氧是一种具有刺激性臭味的淡蓝色气体。臭氧是极性分子，较氧易溶于水。臭氧不稳定，易分解为氧气。

臭氧是一种很强的氧化剂，它的氧化能力比氧气的强。它可以将湿润的硫氧化成硫酸，将黑色硫化铅氧化为白色的硫酸铅，将碘离子氧化为单质碘。

淀粉－碘化钾试纸可以检验臭氧的存在。臭氧层离地面20～30 km，在地球上空形成一把“保护伞”，将太阳光中99%的紫外线过滤掉，这对地球上生命的生存十分重要。

臭氧技术的应用主要有以下几个方面：

①饮用水、工业废水、生活污水、游泳池水处理和医院污水处理；(www.xing528.com)

②食品行业和制药行业中的空气杀菌消毒及原料、加工器具和场地的清洗消毒；

③水果、蔬菜和食品的保鲜和运输；

④医学中的臭氧治疗和疾病预防；

⑤化学工业中的纸浆和纺织品的漂白；

⑥水产养殖业中的用水处理；

⑦家庭居室空气净化消毒、蔬菜瓜果表面的残留农药降解；

⑧畜禽养殖场的空气杀菌消毒、除臭、除异味等。

2.过氧化氢

在自然界中，仅在露、雨和雪中有极少量的过氧化氢。

纯的过氧化氢是一种无色黏稠状液体。过氧化氢结构如图8－8所示，结构表明，过氧化氢分子存在一个过氧键—O—O—，由于氧原子是sp3杂化，氧原子上两对孤电子对的排斥力使得∠HOO小于109°28′。H2O2的极性比H2O的大，可以与水以任意比互溶。过氧化氢的水溶液称为双氧水，是电解质的良好溶剂，常用试剂浓度为30%～35%。

图8－8　H 2O2分子结构

（a）气态；（b）固态（晶体）

H2O2是一种比酸性水稍强的弱酸，在水中微弱解离：

其酸的强度比HCN的更弱，不能使石蕊溶液变红，但可与氢氧化物反应生成过氧化物。例如H2O2与氢氧化钡反应生成过氧化钡沉淀。

因此，BaO2、Na2O2可以看作H2O2的盐。过氧化物不同于氧化物，可以看成一种特殊的盐。过氧化氢的盐的特点在于含有过氧基。

由于过氧化氢分子中存在过氧键（—O—O—），且过氧键键能较低，因此其稳定性较差，易分解。从元素电势图

可见H2O2在碱性溶液中均不稳定，发生歧化分解。

H2O2在较低温度和高纯度时还是比较稳定的，若受热到153℃以上便猛烈分解。H2O2在碱性溶液中的分解速率远比在酸性溶液中的大，电极电势为1.78～0.695 V的物质都是H2O2分解反应的催化剂，如重金属离子Fe3＋、Fe2＋、Mn2＋和Cr3＋等杂质的存在都大大加速H2O2的分解。波长为320～380 nm的光（紫外光）也促使H2O2的分解。为了阻止H2O2的分解，必须针对热、光、介质、重金属离子四大因素采取措施。一般在实验室里把过氧化氢装在棕色塑料瓶内并存放在阴凉处，避光、防碱，有时加入一些稳定剂，如微量的锡酸钠（Na2SnO3）、焦磷酸钠（Na4P2O7）或8－羟基喹啉等，抑制所含杂质的催化作用。

在H2O2分子中，氧的氧化数为－1，处于中间价态，因此，过氧化氢既有氧化性又有还原性。由相关电极电势可见，H2O2在酸性、碱性溶液中都是一种较强氧化剂。下述反应是定性检出和定量测定H2O2或过氧化物的常用反应。

油画的染料含Pb，长时间与空气中的H2S作用，生成PbS（黑色）而发暗，用H2O2涂刷得PbSO4，可变白、翻新。

表现H2O2氧化性的反应还有

利用H2O2的氧化性，可漂白毛、丝织物和油画。纯H2O2还可用作火箭燃料的氧化剂。H2O2在酸中还原性弱，只有强氧化剂（如KMnO4等）才能将其氧化，而在碱性介质中是一种中等强度还原剂。

在工业上利用H2O2的还原性除氯。

H2O2是一种较理想的常用氧化（还原）剂，因为它在反应中本身的产物只有H2O或O2，同时，剩余的H2O2很容易受热分解为H2O和O2，不会给反应体系引入杂质离子，是“干净的”氧化（还原）剂。质量分数大于27%的H2O2水溶液会灼伤皮肤，使用时要小心。