元素周期表第八十六号电子层排布（元素周期表中的第）

吸气……呼气。啊。氧气万岁，这种元素使地球上的大部分生命都嗡嗡作响。

元素周期表中的第 8 号元素是一种无色气体，占地球大气的 21%。因为它无处不在，氧气很容易被认为是沉闷和惰性的。事实上，它是最活泼的非金属元素。

根据2007 年美国宇航局资助的一项研究，地球已经被氧化了大约 23 亿至 24 亿年，并且水平至少在 25 亿年前开始攀升。没有人知道为什么这种对肺有益的气体突然成为大气的重要组成部分，但根据研究人员的说法，地球上的地质变化可能导致光合作用生物产生的氧气停留在周围，而不是在地质反应中消耗掉。

• 原子序数（原子核中的质子数）：8
• 原子符号（在元素周期表上）：O
• 原子量（原子的平均质量）：15.9994
• 密度：0.001429克每立方厘米
• 室温相：气体
• 熔点：负361.82华氏度（负218.79摄氏度）
• 沸点：负 297.31 华氏度（负 182.95 摄氏度）
• 同位素数（具有不同中子数的相同元素的原子）：11；三稳
• 最常见的同位素：O-16（99.757% 的自然丰度）

氧气是宇宙中第三丰富的元素。然而，它的反应性使其在早期地球大气层中相对罕见。

蓝细菌是一种利用光合作用“呼吸”的生物，吸收二氧化碳并呼出氧气，就像现代植物一样。蓝藻很可能是地球上第一个氧气的原因，这一事件被称为大氧化事件。

在地球大气中形成大量氧气之前，蓝藻的光合作用可能已经开始了。2014 年 3 月发表在《自然地球科学》杂志上的一项研究发现，在南非发现的 29.5 亿年前的岩石中含有氧化物，这些氧化物需要游离氧才能形成。这些岩石最初位于浅海，这表明光合作用产生的氧气在大约 50 亿年前就开始在海洋环境中积累，然后在大约 25 亿年前开始在大气中积累。

今天的生命严重依赖氧气，但这种元素在大气中的最初积累简直就是一场灾难。新大气导致厌氧菌大量灭绝，厌氧菌是不需要氧气的生物。在氧气存在下无法适应或生存的厌氧菌在这个新世界中死亡。

根据英国皇家化学会(RSC)的说法，人类第一次知道氧气作为一种元素的存在是在 1608 年，当时荷兰发明家 Cornelius Drebbel 报告说，加热硝石（硝酸钾）会释放出一种气体。这种气体的身份一直是个谜，直到 1770 年代三位化学家或多或少地同时发现了它。英国化学家和牧师约瑟夫·普里斯特利通过将阳光照射在氧化汞上并收集反应中的气体来分离氧气。他指出，根据 RSC 的说法，由于氧气在燃烧中的作用，蜡烛在这种气体中燃烧得更亮。

Priestly 于 1774 年发表了他的发现，击败了瑞士科学家 Carl Wilhelm Steele，后者实际上在 1771 年分离了氧气并撰写了相关文章，但并未发表该作品。氧的第三位发现者是法国化学家安托万-洛朗·德·拉瓦锡，他给这种元素起了名字。这个词来自希腊语“oxy”和“genes”，意思是“酸形成”。

氧总共有八个电子，两个在原子内壳的原子核中运行，六个在最外层的轨道上运行。最外层总共可以容纳八个电子，这解释了氧气与其他元素反应的倾向：它的外壳是不完整的，因此电子可以自由获取（和给予）。

• 作为气体，氧气是透明的。但作为液体，它是淡蓝色的。
• 如果你想知道在液氧池中游泳会是什么样子，答案是：非常非常冷。氧气必须降至负 297.3 F（负 183.0 C）才能液化，所以冻伤是个问题。
• 氧气太少是有问题的。太多了。根据佛罗里达大学的说法，呼吸 80% 的氧气超过 12 小时会刺激呼吸道，并最终导致致命的液体积聚或水肿。
• 氧气是一种坚韧的饼干：2012 年发表在《物理评论快报》杂志上的一项研究发现，氧气分子 (O2) 可以承受比大气压高 1900 万倍的压力。
• 2009 年，在珠穆朗玛峰附近测量到人类血液中的最低氧气含量。登山者的平均动脉氧气含量为 3.28 千帕。将其与 12 到 14 千帕的正常值相比，登山术语“死亡地带”就很有意义了。研究结果发表在《新英格兰医学杂志》上。
• 谢天谢地，这里有 21% 的氧气。大约 3 亿年前，当氧气含量达到 35% 时，昆虫能够长得超大：想想翼展像鹰一样的蜻蜓。

随着碳 12 核和氦 4 核（也称为 α 粒子）的融合，氧气在恒星的心脏中形成。然而，直到最近，科学家们才能够窥探氧核并解开其结构。

2014 年 3 月，北卡罗来纳州立大学物理学家 Dean Lee 和他的同事报告说，他们已经弄清楚了氧 16 的核结构，氧 16 是最常见的氧同位素，处于基态（所有电子处于最低可能的能级）并处于其第一个激发态（下一个能级上升）。

为什么这样的事情很重要？嗯，要了解恒星中的原子核是如何形成的，从碳到氧再到更重的元素，就是要了解宇宙的基本组成部分是如何结合在一起的。Lee 和他的团队最初发现，具有六个质子和六个中子的碳 12 分子的原子核实际上是由三个粒子簇组成的，每个粒子簇都有两个质子和两个中子。研究人员推断，如果碳 12 有三个所谓的 α 星团，那么氧 16 很可能有四个，因为它有八个质子和八个中子。

使用超级计算机模拟和数值晶格，研究人员能够看到氧 16 核中的粒子如何排列自己。他们发现，在氧16的基态中，确实有四个α星团，整齐地排列成一个四面体。

这些α星团有点像这四个粒子或这些核子的小模糊球体，这些模糊球体喜欢通过某种表面相互作用相互接触。四面体配置使它们变得漂亮和舒适。

但还有另一个量子谜团等待解开。氧 16 的基态和第一个激发态有一个不同寻常的特征。它们都具有相同的自旋，一个表示粒子如何旋转的值。它们也都具有正平价，这是一种表示对称的方式。想象一下在整个宇宙中左右颠倒，但必须使亚原子粒子保持相同的形状。具有正宇称的粒子将能够看到这个镜像宇宙并看到自己的本来面目。具有负奇偶性的粒子必须翻转，以免它们最终像镜子中的一行文字一样向后倒退。

谜团是为什么氧 16 的最低两种状态具有零自旋和正宇称，因为这些状态是不同的。

模拟给出了答案：在其激发状态下，氧 16 重新排列其原子核，使其看起来一点也不像基态。阿尔法粒子不是四面体排列，而是排列在正方形或接近正方形的平面中。

它们潜在的内在结构是不同的。完全不同的配置解释了自旋和奇偶性如何保持不变，原子核采用不同的路径得到相同的结果。

氧 16 核中还有更多的量子相互作用需要解开，还有更细粒度的细节有待发现。

实际上，像原子核这样的小东西内部有很多有趣的东西。

另一类氧研究侧重于元素在地球生命中的作用。南丹麦大学北欧地球演化中心的博士生丹尼尔米尔斯说，在大约 24 亿年前的大氧化事件发生后不久，氧气水平可能已经达到或超过了今天的水平。动物生命直到很久以后才出现，最简单的动物出现在大约 6 亿年前。

尽管有理论认为氧气的增加为动物的存在铺平了道路，但这个故事似乎要复杂得多。在 24 亿年前地球氧气水平的第一次显着上升期间，动物并没有出现。2014 年 2 月，米尔斯和他的同事在 PNAS 杂志上报告说，现代海绵仍然可以呼吸、进食，甚至在氧气含量仅为当今地球大气中含量的 0.5% 至 4% 的情况下生长。