第47章高纯度氧气

在炼钢过程中吹入高纯度氧气，氧便和磷、硫、硅等起氧化反应，这不但降低了钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质。而且氧化过程中产生的热量足以维持炼钢过程所需的温度，因此，吹氧不但缩短了冶炼时间，同时提高了钢的质量。同学们，你们看。”老师指着正在模拟炼钢过程的实验设备说道，“当氧气注入钢水时，那些杂质就像是遇到了天敌，迅速地与氧气结合，形成可以被分离出去的物质。这个过程就像是一场精准的魔法，把钢中的杂质一一剔除，让钢材变得更加坚韧纯净。”

高炉炼铁时，提高风中的氧浓度可以降低焦比，提高产量。在有色金属冶炼中，采用富氧也可以缩短冶炼时间，提高产量。老师接着说道：“在这些冶炼过程中，氧气就像是一位神奇的助手，加速了整个反应的进程，使得金属的提取更加高效。这不仅在工业生产上有着重要意义，也对我们的生活产生了深远影响。比如我们身边的各种金属制品，从建筑用的钢筋到日常使用的锅碗瓢盆，它们的质量和生产效率都得益于氧气在冶炼中的应用。”

把氧气加入冶炼炉内可提高炉内温度，加速冶炼过程。利用焊炬和割炬，乙炔在氧气里燃烧，能产生一种叫做氧炔焰的火焰，温度可达3000c以上，用来焊接或割断金属。老师拿起焊炬和割炬的模型，向汪鑫焱和小璇展示：“这种高温火焰在工业制造和维修中是不可或缺的工具。比如在汽车制造中，需要用氧炔焰来焊接车身部件；在建筑领域，如果需要切割金属结构，氧炔焰就能迅速完成任务。它的高温可以使金属迅速熔化，实现精准的焊接或切割，就像一把神奇的火焰之剑，可以按照我们的需求塑造金属。”

液氧是现代火箭最好的助燃剂，在超音速飞机中也需要液氧作氧化剂，可燃可制作液氧炸药。老师带着他们来到一个火箭发动机模型旁，“在航天领域，液氧扮演着至关重要的角色。火箭发射时，液氧与燃料混合燃烧，产生巨大的推力，将火箭推向太空。想象一下，那巨大的火箭能够挣脱地球的引力，飞向浩瀚的宇宙，液氧在其中功不可没。而在军事领域，液氧炸药则具有强大的爆炸威力，但同时也需要谨慎使用和管理，因为它的能量一旦失控，就会造成巨大的破坏。”

接下来，老师开始讲解氧的理化性质。“同学们，我们先来看看氧的物理性质。标准状况下，氧气为无色、无味气体，熔点-218.79c，沸点-182.96c，密度略大于空气密度，为0.001429g/cm³。氧气为非极性分子，不易溶于水，20c时，溶解度为30cm³氧气/dm³水，氧气在盐水中的溶解度略小于纯水中，但氧气在许多有机溶剂（如乙醚、ccl₄、丙酮、苯等）中的溶解度比在水中的溶解度高10倍左右。在101kpa下，-183c时，氧气经凝聚变为液氧状态，呈淡蓝色，且具有流动性，当进一步冷却至-219c时，氧气则凝聚形成淡蓝色的雪花状固体，但氧的液体和固体形态均具有明显的顺磁性。”

老师拿出装有液氧的容器，让他们观察液氧的淡蓝色外观和流动性。“你们可以看到，液氧就像是一种来自神秘世界的液体，它的颜色和状态都与我们平常所熟知的氧气大不相同。这种低温下的液氧在科学研究和工业应用中都有着独特的价值。当它作为火箭的助燃剂时，这种特殊的物理性质能够更好地与燃料混合，产生更强大的推力。”

“氧的化学性质十分活泼。除不能与少数贵金属（金、铂）以及惰性气体（氦、氖、氩）等发生化学反应外，氧能与其他所有的金属和非金属元素发生化学反应。氧与其他元素化合时，发生的化学反应均为放热反应。”老师一边说着，一边准备进行一些化学实验来展示氧的化学性质。

与金属反应时，氧与第1族和第2族的金属元素发生氧化反应，因氧与这些金属的电负性差值较大，故生成的氧化物均为离子化合物。氧与活泼金属（钠、钡）等发生氧化反应，不仅可以形成氧化物而且在一定条件下可生成过氧化物。例如：钠在氧中燃烧就可以生成过氧化钠，反应方程式为：2na+o₂=点燃=na₂o₂。老师在一个安全的实验环境中进行钠在氧气中燃烧的实验，只见钠在氧气中剧烈燃烧，发出耀眼的黄色火焰，生成了淡黄色的过氧化钠。“同学们，看这个反应多么剧烈，这就是氧的活泼性的体现。钠这种活泼金属在氧气中迅速地与氧结合，产生了新的化合物。而过氧化钠在生活中也有一些应用，比如在一些特殊的化学反应或者工业生产环节中，它的氧化性可以发挥重要作用。”

相对原子质量较大的金属（铁、钡、锶等）与氧的氧化反应，在室温下就能自发进行。例如，铁与氧在室温条件下，铁会缓慢地被氧化，生成三氧化二铁（fe₂o₃）。铁在纯氧中的氧化反应十分激烈，即铁在氧中燃烧，能发出明亮的火星及耀眼的光芒，反应后能够生成红色氧化铁（feo），还能够生成黑色的四氧化三铁（fe₃o₄），即氧化铁与氧化亚铁的加成物，四氧化三铁具有强磁性。老师拿出一块生锈的铁和一块在纯氧中燃烧过的铁，展示给他们看：“你们可以看到，铁在不同的氧环境下反应的结果不同。生锈的铁表面那层铁锈就是三氧化二铁，而在纯氧中燃烧后的铁则有更复杂的氧化物生成。这种现象在我们的生活中很常见，比如铁制品在潮湿的空气中容易生锈，这就是铁与空气中的氧气和水发生了缓慢的氧化反应。而在一些工业生产中，我们也会利用铁在氧气中燃烧的特性来制备特殊的铁的氧化物，用于各种不同的目的，比如制造磁性材料等。”

氧与非金属元素的反应也同样精彩。氧与氢反应可以生成水，这是我们最为熟悉的化学反应之一，也是生命存在的基础。在点燃的条件下，氢气在氧气中安静地燃烧，产生淡蓝色火焰，生成水。这个反应在能源领域有着重要的研究价值，比如科学家们一直在探索如何利用氢气和氧气的反应来开发更清洁、高效的能源。

氧与碳反应可以生成二氧化碳或一氧化碳，这取决于反应的条件。在充足的氧气条件下，碳完全燃烧生成二氧化碳；而当氧气不足时，则会生成一氧化碳。这个反应在我们的生活中无处不在，从燃烧木材取暖到汽车发动机的燃烧过程，都涉及到碳和氧的反应。而且二氧化碳作为一种温室气体，对地球的气候有着重要影响，这也让我们对碳和氧的反应更加关注，研究如何控制这些反应以减少对环境的影响。