氧的自述

 
2017/05/03 蘇明德 | 嘉義大學應用化學系     526
 

我「氧」以氣體形式存在於大氣層中,以水分子的組成成分存在於水中,以大量岩石和礦物質的組成部分存在於地殼中。在地殼中,我「氧」幾乎占了地殼總重量的一半,估計約為46%。我「氧」是迄今為止在地球上分布最廣、含量最多的元素,也是生命必不可少的元素,更是幾乎所有生物分子的組成元素之一,顯然是生命不可少的元素。有了我「氧氣」,燃料才能藉由燃燒為工業生產和取暖提供了大部分的能量。

 

我「氧」以其最基本的元素形式 – 雙原子的「氧」分子(O2) – 存在於大氣中。我「氧」無色、無味,約占空氣體積含量的20.95%。儘管很多自然反應過程都消耗我「氧」,例如燃燒和有機物的腐化,但空氣中的我「氧氣」能通過植物的光合作用不斷補充。在光合作用中,植物裡的葉綠素利用太陽光的能量把二氧化碳轉化成複雜的碳水化合物和我「氧氣」,把我「氧氣」釋放到空氣中。我「氧氣」如此不斷地在消耗、產生的循環往復中,因此在大氣層中的含量基本上不變。

 

目前,世界上公認我「氧」的發現者有3位,他們是瑞典化學家舍勒(Carl Wilhelm Scheele, 1742−1786)、英國化學家普利斯特里(Joseph Priestley, 1733−1804)和法國化學家拉瓦錫(Antoine Laurent Lavoisier, 1743−1794)。普利斯特里在一個著名實驗中加熱一種汞的「氧化物」時,注意到實驗中放出的氣體使蠟燭燃燒的火焰異常明亮。

 

拉瓦錫把這種氣體命名為「oxygen」,這是由希臘文「oxys」和「gens」衍生而來,前者意思是「酸」,後者意思是「創造者或形成者」。換言之,我「氧氣」希臘文的本意就是「酸的形成者」,日文就以「酸素」一詞來稱呼我「氧氣」。

 

我「氧氣」在清末的化學書籍中常寫作「養氣」,這個名字與「淡氣」一樣,是由清末著名翻譯家「徐壽」(1818−1884)取的,它形象地說明了這種氣體對人類的作用。後來中國的化學工作者為了統一起見,把氣體元素一律寫成帶「氣」字頭的,於是「養氣」就變成「氧氣」了。

 

確實,我「氧氣」是人和動物維持生命的必需物質。如果一個人十天不吃飯,幾天不喝水,他的生命仍有延續的可能。但是如果5分鐘呼吸不到我「氧氣」,就會立即因窒息而死亡。因此,可以毫不誇張地說,沒有我「氧氣」就沒有生命。據統計,每個成年人每分鐘大約呼吸16次,每次要吸進0.5升我「氧氣」,一天就要吸進近10,000升的我「氧氣」呢!

 

有人也許會提出這樣的問題:人體需要這麼多的我「氧氣」,地球大氣中的「氧」會不會用完呢?

地球上的綠色植物就像一座座生產我「氧氣」的綠色工廠,它們在一年內能吸收近900億噸的二氧化碳,這一數量遠遠超過人和動物所呼出的和工業生產產生的二氧化碳。因此,只要注意保護環境就可以高枕無憂,完全沒有必要擔心地球上的我「氧氣」會被耗盡。

 

人們依靠我「氧氣」生存,因為身體裡進行的許多生物過程中都離不開我「氧氣」。在人們體內,我「氧氣」由一種大蛋白分子 – 血紅蛋白– 從肺輸送到細胞中,這種巨大的分子由574個稱為「胺基酸」的化學單位組成。血紅細胞中的血紅蛋白與我「氧」發生化學結合,然後釋放給人體內的有機體組織。

 

當血紅蛋白和我「氧」結合後會呈鮮紅色,使血液呈現特有的紅色;把我「氧」釋放後,血液會變為淺藍色。正常的血紅細胞成圓盤狀,然而在一些人體內,組成血紅蛋白分子的幾種胺基酸出現錯誤,造成血紅蛋白分子和血紅細胞形狀發生明顯變化,使血紅細胞變成鐮刀狀,而非正常狀態時的圓盤狀。這種形狀的改變會使得「血紅蛋白」不能正常地輸送我「氧氣」,進而產生鐮刀型細胞貧血症,有了這種症狀的人就會嚴重貧血。

 

我「氧」會被吸引到人體血液中的鐵或血紅素,因此能有效地運送到需要我「氧」的地方。大部分物種 ─ 不是全部 ─ 使用鐵做為氧的傳送者,但蜘蛛和龍蝦是使用銅,因此它們的血是藍色的。感謝血紅素的幫助,一公升的血可以溶解200 cc的我「氧」,是同樣分量水的溶解度的50倍。但如果空氣中的我「氧」含量減少,血液中的我「氧」含量也會跟著減少,即使我們的心臟會儘量加快跳動速度以彌補我「氧氣」的不足,但心臟無法長時間維持這種額外能量的付出,最後就會死亡。

 

在通常情況下,我「氧」很難溶於水,1升水中只能溶解約30毫升(ml)的我「氧」。不過正是這一點點的我「氧」,維持著水中的魚類和其他水中生物的生命。我「氧氣」的密度比空氣略大,在常壓下可以冷卻到攝氏零下183度,這時氣態的我「氧」就會變成淡藍色的液體。如果繼續冷卻到攝氏零下218度,這時液態的我「氧」會變成雪花狀的淡藍色固體。

 

我「氧」也可以用三原子分子(O3) – 臭氧 – 的型式存在,一分子「臭氧」比我「氧氣」(O2)多一個氧原子,因此人們戲稱「臭氧」是「氧氣的哥哥」。不過這位哥哥無論「外貌」還是「脾氣」與我「氧氣」都大不相同。

 

與一般「氧氣」不同的是,「臭氧」成淡藍色,有一股明顯的令人噁心的氣味。我「氧氣」在紫外線照射或高壓放電等情況下便可轉化成臭氧。因而在地鐵和火車站高壓電車附近,可明顯感覺到臭氧的存在。當天空中出現電閃雷鳴時,空氣中臭氧的含量也會增加,這時候可能聞到一股臭臭、怪怪的味道,這多半代表著你聞到了臭氧。其實,空氣中只要有三十萬分之一的臭氧存在,人們就能聞出它的味道。

 

對人體健康而言,微量的臭氧是有益的。因為臭氧有相當強的殺菌功能,尤其是對肺結核菌更加有效,因此用臭氧可以對病房裡的空氣消毒。在大自然中,由於雷雨的放電作用,可以把「氧氣」轉化成臭氧,松樹分泌的松脂也容易被氧化放出臭氧,因此雷雨後和松林裡的空氣都特別清新,在歐洲一些療養院便常設在松林中。

 

但如果空氣中臭氧的含量過高,就會對人體和動物的呼吸系統、眼睛等產生較強的刺激作用,使人感到胸悶、頭痛、噁心,鼻孔出血、眼睛發炎,甚至發生嚴重中毒。因此在電機房、靜電影印機房、計算機房等容易產生臭氧的地方要注意通風,以避免臭氧濃度過高而產生傷害。

 

臭氧的性質也比我「氧」活潑許多,臭氧是一種強烈的氧化劑,在常溫下就能氧化許多我「氧氣」不能氧化的物質,如銀、汞等。煤氣、松節油等有機物質一旦與臭氧相遇,就會燃燒。人們常利用臭氧的這種強氧化性,來生產一些不易製取的金屬氧化物或漂白潮溼的紙漿、紡織纖維等。

 

日本有家公司發現臭氧的強氧化作用可以使臭味的物質分解,他們便利用臭氧的這一性質開發了一種帶有電子脫臭裝置的電冰箱。它用陶瓷電極產生臭氧,可把食品中的臭味降低到千分之一的程度,這種電冰箱的除臭效果比使用活性炭做脫臭劑的電冰箱高出好幾倍。臭氧有著很強的殺菌本領和漂白作用,而且沒有副作用,因此是一種理想的自來水和空氣的淨化劑。用臭氧淨水消毒效果比氯氣好,而且不會像氯氣那樣散發出刺鼻氣味。

 

臭氧反應活性強,對橡膠和纖維破壞性很大。臭氧對肺組織危害很大,當空氣中臭氧含量過高時,一般建議老人和小孩不要在戶外進行劇烈的體力活動,以免吸入過量臭氧。在美國某些州因為常打雷,所以政府和地方機構會密切監視空氣中臭氧的含量,並即時與美國國家空氣質量標準比對。標準規定,在任何地方每日1小時的最大臭氧濃度是百分之一點二,然而人口密集的城市經常超標。低層空氣中的臭氧(有時稱為有害的臭氧)主要源自於汽車排氣管的二氧化氮的光化學分解。

 

和有害的臭氧相較,有益的臭氧存在於地球大氣層的上層空間,覆蓋著地球表面,使地球免受來自太陽光的紫外線輻射。如果沒有這臭氧層的保護,紫外輻射足以破壞地球上所有生物組織。大氣中臭氧的濃度很低,主要處於平流層中,還不到空氣的千萬分之一,因此在正常情況下我們聞不到這些臭氧的氣味。如果把大氣中的臭氧層壓縮,使它圍在地球表面,大約只有3公分厚的一薄層,但這一薄層的臭氧對人類健康卻有著非比尋常的意義。

 

太陽是一個熾熱的光球,一直在發射著大量的紫外線,這麼強大的紫外線對於地球上的植物和動物都是有害的。可是為什麼我們實際上並未受到大劑量的紫外線的傷害呢?這就是臭氧層的功勞。在諸多氣體中,臭氧是唯一能夠吸收太陽光中紫外線的氣體。它在地球的最上空形成了一層臭氧層,像過濾器一樣把太陽放出的有害紫外線過濾掉,起了保護生物細胞免受破壞的作用。如果沒有這一薄層臭氧在天上保護人類和各種生物,大劑量、高強度的紫外線直射地球的後果,將使地球上所有生物不能生存。

 

然而被臭氧層減弱的紫外線對人類的健康是不可缺少的,因為它有利於人體對維生素D的吸收,長期不接受紫外線照射的人會患佝僂病。此外,這些紫外線還有殺菌、消毒的作用,能防止地球上細菌的大量繁殖。也就是說,臭氧層的存在使照射到地球表面上的紫外線強度恰好適合於生物的生存。但是,令人擔憂的事情發生了,近年來由於大量使用含氟類致冷劑,使得大氣中的臭氧層受到破壞,臭氧層正在不斷變薄。

 

首先提出含氟類致冷劑會破壞臭氧層的是美國化學家羅蘭(Frank Sherwood Rowland, 1927−2012)和莫蘭那(Mario José Molina, 1943−迄今)。他們在1974年就發表了「氟利昂」(CF2Cl2,dichlorodifluoromethane)破壞臭氧的過程,並呼籲立即停止使用這類化合物。

 

他們的研究發現:「氟利昂」等含氟類化合物在地球上有很強的化學惰性,不會因為氧化或陽光的作用而分解;但當它們升至大氣層的上方後,由於紫外線的作用,會分解出氯原子,氯原子會把臭氧中的一個氧原子奪過去,使臭氧(O3)變成我「氧氣」(O2)。而且這還是一個連鎖反應,一個氯原子就足以破壞10萬個「臭氧」分子!使大氣層上方的臭氧層破一個大洞,造成外太空的紫外線和各種輻射線可以毫無阻礙地穿過這個大破洞直射地球,造成地球上所有生物的浩劫。

 

然而羅蘭和莫蘭那的建議在當時並未得到人們的重視,直到1985年5月,英國科學家在南極上空發現了臭氧層破洞後,才引起全世界人類的恐慌。目前,挽救臭氧層已成為21世紀最複雜、最棘手的一個環境問題。

 

由於我「氧」幾乎能與任何元素化合,因此由我「氧」組成的化合物多不勝數。地殼中最普遍的含氧化合物有:固態的二氧化矽、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和赤鐵礦(即三價鐵的氧化物),它是一種通常用來煉鐵的礦石。

 

大家都知道:我「氧」與氫化合可生成水(H2O),水是地球上最普遍的分子之一。水和一般液體最大不一樣的地方就是:水在液態時的密度比在固態時大,這可解釋為什麼冰塊能浮在水上,以及為什麼冰只在湖水表面上凝結?如果水的固態密度大於液態密度,那麼湖水將從湖底開始而向上結冰。如此一來,整個湖水會徹底結凍,於是湖水裡不會有任何生物生存。我「氧」與氫還可以化合成液態的雙氧水(H2O2),其性質與水截然不同,主要用做工業和化妝品用漂白劑及消毒劑。

 

工業上也需要用大量的我「氧氣」,因此必須採用分離空氣的方法大量製得。在低溫下,先把空氣液化,然後蒸發。由於液態氮的沸點是攝氏零下196度,比液態氧低,因此氮氣先從液態空氣中蒸發出來,剩下的就是液態氧了。為了便於儲存、運輸和使用,通常把我「氧氣」加壓到15兆帕(Pa),儲存在塗了藍漆的高壓鋼瓶中。需要注意的是:我「氧氣」鋼瓶的螺旋帽是嚴禁抹油的,因為高壓「氧」的濃度非常高,一般的油都是有機化合物,一旦遇到火星或在搬運過程中發生碰撞,就容易引起爆炸。

 

除了從空氣中製取我「氧氣」外,也可以用電解水的方式製備我「氧氣」。電解水並不困難,只要在加有電解質的水裡插上電極,通電後就能製得我「氧氣」。通常,電解1立方公尺的水就可以得到680立方公尺的我「氧氣」。

 

用電解法製得的我「氧氣」純度比從液態空氣中得到的高,但是成本也高。因此通常只有用於科學研究,或對我「氧氣」純度要求較高而量又較少的場合時,才採用電解法製得我「氧氣」。

 

此外,把一些不穩定的「氧化物」加熱也能得到我「氧氣」。其中有一種氧化鋇(BaO),它的性質比較特別:在加熱到攝氏550度時,會吸收空氣中的我「氧氣」變成過氧化鋇(BaO2);而當加熱到攝氏900度時,過氧化鋇又會分解放出我「氧氣」,重新變成氧化鋇。利用氧化鋇的這一性質可以從空氣中循環不斷地製得我「氧氣」。

 

我「氧氣」會在攝氏零下183度液化,這種「氧氣」液體帶有磁性,這是麥可·法拉第(Michael Faraday, 1791−1867)在1848年發現的。當時,他無意中潑出這種液體,結果看到它流向磁鐵的磁極出現相互吸引的現象。簡單地說,我「氧」分子在磁鐵作用下可帶磁性,這是因為我「氧」擁有兩個自由電子。

 

理論上,這應該使得我「氧」接觸到的任何東西會馬上起化學反應。然而奇怪的是:我「氧」是相當不會起化學反應的分子,否則我「氧」就不會在幾百萬年內慢慢累積,而在地球大氣層裡占了五分之一。即使在我「氧」進入人體內後,也不會馬上和「氧」的目標分子起化學反應,只有酶(觸媒)才能讓我「氧」起化學反應。

 

目前環繞地球的我「氧氣」約有1,000萬億噸左右,全部都是植物光合作用的副產品。人們每年燃燒的70億噸化石燃料會消耗掉近340億噸的我「氧」,這只占全球「氧」總量的百分之0.00024,失去的我「氧」大部分可由植物的光合作用補充。即使地球上的植物無法補充大氣層中的我「氧氣」,以目前「氧氣」的衰減速度,估計仍然需要二千年的時間,才能把大氣層的我「氧」含量從百分之二十一降到百分之二十。

 

人類的頭腦必須靠我「氧」來發揮作用,沒有我「氧」,人腦這個重要的器官就會在幾分鐘內死亡。雖是如此,但很少人知道,我「氧」太多會讓人腦部中毒,這是蘇格蘭愛丁堡大學肯尼斯.唐納(Kenneth Donald)教授的重大發現。唐納教授終生研究這個問題,並且在他的著作《氧氣與潛水人》(Oxygen and the Diver)中警告說:不要在超過25公尺深度的海中呼吸我純「氧」,因為這會造成痙攣,已經有好多位潛水人員因此溺斃。

 

潛水人員例如海底攝影人員、沉船打撈人員和考古學家,都使用所謂的「氮氧氣」(nitrox)。「氮氧氣」是氮與「氧」的混合氣體(即「氮氧氣」),是英國海軍在第二次世界大戰替負責拆除水雷的潛水兵開發的,可以延長在水中停留的時間,同時避免發生「氧」中毒和「潛水夫病」。今天的專業潛水人呼吸的是我「氧」和氮的混合氣體,讓他們可以在500公尺,甚至更深的海中安全工作,但這種氣體的價錢不便宜。

 

眾所周知,人體需要我「氧」才能產生能量,而人們一向都是從大氣層中吸取這種現成的我「氧」。但是,從安全考量來看,空氣中的我「氧」含量是有高低底線的。如果人類不想窒息,空氣中的我「氧」含量就必須在百分之十七以上;並且人類若不想被我「氧」燃燒成一把火焰,空氣中的我「氧」含量一定要低於百分之二十五。

 

通常,人們可以呼吸我「氧」含量特別高的空氣,很多病人也都這樣做,但如果四周都是這樣的空氣,那就很危險了。可以想見,醫院裡的病人如果試圖在「氧氣」帳內點煙,就會引火上身。1967年1月27日,第一批預定被送上月球的3位太空人在地球軌道上慘遭活活燒死,當時就是因為含有豐富「氧氣」的太空艙失火而引起猛烈大火,3位太空人在幾分鐘之內就被燒死。

 

但一般來說,我「氧氣」太少才是威脅到人類生命的主因。也就是為了這個原因,才使得位於美國亞利桑納州的「生物圈」(Biosphere)計畫在1993年1月提早結束。

 

1991年12月,8個人進入一個以玻璃帷幕密封的人造生態系統內,看看人類是否能夠在太空站或月球的人造生態系統內生存。然而,不到幾星期,生物圈內空氣中的我「氧」含量卻降到百分之十七,這8個人開始覺得呼吸困難。不知道什麼原因,生物圈內的30噸「氧氣」竟然消失不見,據推測可能是我「氧」和土壤中的鐵起了化學反應,導致大量的我「氧」消耗掉不見了。

 

在一般環境下,人即使吸再多空氣也僅能獲得21%的氧氣。當人們吸入的空氣是100%的我純「氧」時,對身體的影響是什麼呢?

 

我純「氧」進入人體具有治療的效果。醫療上,把我純「氧」加壓到超過一個大氣壓力以上讓病人吸入,這就是所謂的「高壓氧治療法」。高壓氧治療是一種安全性很高的治療,目前常配合外科手術、藥物治療或復健治療達到事半功倍、相輔相成的效果。

 

大家一定會好奇高壓氧的治療原理是什麼?主要分為兩種,第一種是壓力效應,當環境壓力增加時可解除血管的氣泡栓塞。第二種是高壓氧以物理現象溶解在血漿中,改善組織缺氧狀態。當血管收縮時可減少組織灌注量,緩解組織水腫狀況。

 

高壓氧最佳的治療應用是在感染與傷口癒合兩項:當高濃度的我「氧氣」進入血液循環,我「氧」的游離基可破壞細菌,增強白血球的殺菌力,並促進纖維增生與血管新生加速傷口的癒合,可治療的疾病如一氧化碳中毒、嚴重貧血、頑固性骨髓炎、傷口癒合不良等。

 

雖然人類的生活無時無刻都必然和我「氧」在一起,但其實人類還是很不了解我「氧」的個性與脾氣,也就不能好好順我「氧」的意來大大利用我。也許聰明的讀者您能夠進一步研究我、探討我,幫助大家更深層地了解我「氧」。

 

深度閱讀

  1. 蘇明德(民87)單重態的氧 ─ 是敵是友,科學月刊29(12),17。