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拉瓦锡对氧气的发现是在普里斯特里启发下完成的。1774年，拉瓦锡用汞灰（HgO）的合成与分解实验制得氧气，并对它进行了系统的研究，发现它能与很多非金属单质合成多种酸，故命名为“酸气”（希腊文Oxygene）。

拉瓦锡通过氧气的实验，提出了燃烧的氧化学说，发动了化学史上有名的化学革命，使过去以燃素说形式倒立着的化学正立过来。因此，虽然不是他首先发现氧气，但恩格斯还是称他为“真正发现氧气的人”，而舍勒和普利斯特里是“当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”。

1802年，德国东方学者克拉普罗特偶然读到一本64页的汉文手抄本，书名是《平龙认》，作者是马和，著作年代是唐代至德元年（公元756年）。克拉普罗特读完此书以后，惊奇地发现，这本讲述如何在大地上寻找“龙脉”的著作，竟揭示了深刻的科学道理：空气和水里都有氧气存在。

1807年，克拉普罗特在彼得堡俄国科学院学术讨论会上宣读了一篇论文，题目是《第八世纪中国人的化学知识》，其中提到，空气中存在“阴阳二气”，用火硝、青石等物质加热后就能产生“阴气”；水中也有“阴气”，它和“阳气”紧密结合在一起，很难分解。克拉普罗特指出，马和所说的“阴气”，就是氧气。证明中国早在唐朝就知道氧气的存在并且能够分解它，比欧洲人发现氧气足足早了1000多年。克拉普罗特这篇论文使在场的科学家都感到惊奇不已。

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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。

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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