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分子结构

O₂分子内的化学键通常是共价键。

从实验上来说，顺磁共振光谱证明O有顺磁性，还证明O有两个未成对的电子。说明原来的以双键结合的氧分子结构式不符合实际。

氧气的结构如右图所示，基态O₂分子中并不存在双键，氧分子里形成了两个三电子键。

氧的分子轨道电子排布式是氧气的结构，在π轨道中有不成对的单电子，所以O₂分子是所有双原子气体分子中的一种具有偶数电子同时又显示顺磁性的物质。

两个氧原子进行sp轨道杂化，一个单电子填充进sp杂化轨道，成σ键，另一个单电子填充进p轨道，成π键。氧气是奇电子分子，具有顺磁性。

单线态氧和三线态氧

普通氧气含有两个未配对的电子，等同于一个双游离基。两个未配对电子的自旋状态相同，自旋量子数之和S=1，2S+1=3，因而基态的氧分子自旋多重性为3，称为三线态氧。

在受激发下，氧气分子的两个未配对电子发生配对，自旋量子数的代数和S=0，2S+1=1，称为单线态氧。

空气中的氧气绝大多数为三线态氧。紫外线的照射及一些有机分子对氧气的能量传递是形成单线态氧的主要原因。单线态氧的氧化能力高于三线态氧。

单线态氧的分子类似烯烃分子，因而可以和双烯发生狄尔斯-阿尔德反应。

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工业制法

1、分离液态空气法

在低温条件下加压，使空气转变为液态，然后蒸发，由于液态氮的沸点是‐196℃，比液态氧的沸点（‐183℃）低，因此氮气首先从液态空气中蒸发出来，剩下的主要是液态氧。

空气中的主要成分是氧气和氮气。利用氧气和氮气的沸点不同，从空气中制备氧气称空气分离法。首先把空气预冷、净化（去除空气中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳氢化合物等气体和灰尘等杂质）、然后进行压缩、冷却，使之成为液态空气。然后，利用氧和氮的沸点的不同，在精馏塔中把液态空气多次蒸发和冷凝，将氧气和氮气分离开来，得到纯氧（可以达到99.6%的纯度）和纯氮（可以达到99.9%的纯度）。如果增加一些附加装置，还可以提取出氩、氖、氦、氪、氙等在空气中含量极少的稀有惰性气体。由空气分离装置产出的氧气，经过压缩机的压缩，将压缩氧气装入高压钢瓶贮存，或通过管道直接输送到工厂、车间使用。使用这种方法生产氧气，虽然需要大型的成套设备和严格的安全操作技术，但是产量高，每小时可以产出数千、万立方米的氧气，而且所耗用的原料仅仅是不用买、不用运、不用仓库储存的空气，所以从1903年研制出深冷空分制氧机以来，这种制氧方法一直得到较为广泛的应用。

2、膜分离技术

膜分离技术得到迅速发展。利用这种技术，在压力下，让空气通过具有富集氧气功能的薄膜，可得到含氧量较高的富氧空气。利用这种膜进行多级分离，可以得到百分之九十以上氧气的富氧空气。

氧气出现光合作用

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累，深刻地改变了地球上物种的代谢方式和体型。大气层含氧量在石炭纪的时候一度上升到了35%。氧气含量的增加造成了依赖于渗透方式输氧的昆虫在体型上的巨型化。在石炭纪曾出现过翼展2英尺半的巨蜻蜓。

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