空气和氧气是自然界中与生命活动密切相关的两种物质，它们在组成、性质、应用及对环境的影响等方面存在紧密联系，以下从多个维度对空气和氧气进行系统梳理,形成结构化的思维导图内容。
空气的组成与性质
空气是混合物，其成分以氮气和氧气为主，还含有稀有气体、二氧化碳、水蒸气及其他杂质，按体积分数计算，氮气约占78%，氧气约占21%，稀有气体（氦、氖、氩等）约占0.94%，二氧化碳约占0.03%，其余为其他气体和杂质，空气的物理性质包括无色无味、常温下为气态、密度比空气略小（标准状况下1.293g/L）、难溶于水等，化学性质方面，空气中的氧气具有助燃性，氮气化学性质稳定，稀有气体多表现为惰性,二氧化碳则不支持燃烧且参与光合作用。
氧气的性质与制备
氧化学性质活泼，具有强氧化性，是助燃剂而非燃料，其化学性质表现为：与非金属（如碳、硫、磷）反应生成氧化物，与金属（如铁、镁、铝）反应生成金属氧化物，与某些化合物（如甲烷、一氧化碳）发生燃烧或爆炸反应，氧气的制备方法多样，实验室常用加热高锰酸钾（2KMnO₄=K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑）或氯酸钾（2KClO₃=2KCl+3O₂↑，MnO₂作催化剂）制取，工业上则通过分离液态空气（利用氮气和氧气的沸点差异）或电解水制取高纯度氧气。
空气与氧气的应用
空气的应用广泛，包括：1. 工业领域：作为化工原料（如合成氨）、燃料燃烧的氧化剂、食品保鲜的气调包装（氮气隔绝氧气）；2. 农业领域：植物光合作用需要二氧化碳和水，空气中氮气经固氮作用转化为氮肥；3. 医疗领域：压缩空气用于呼吸辅助，液态空气用于冷冻治疗；4. 生活领域：风力发电利用空气流动，空调系统调节空气温湿度，氧气的应用则更聚焦于氧化过程：医疗供氧（急救、高原缺氧）、航天飞行（宇航员呼吸支持）、金属切割与焊接（氧炔焰高温）、污水处理（氧化有机污染物）等。
空气与氧气的环境问题
空气污染主要源于人类活动排放的污染物，如硫氧化物、氮氧化物、颗粒物（PM2.5/PM10）、挥发性有机物等，这些物质会导致酸雨、雾霾、臭氧层破坏及全球变暖，氧气本身虽不直接污染环境，但某些过程会改变其浓度：如森林火灾消耗大量氧气并释放二氧化碳，水体富营养化导致缺氧，工业废气排放可能破坏臭氧层（吸收紫外线），进而影响生态平衡，保护空气质量需减少化石燃料燃烧、推广清洁能源、加强工业废气处理，而合理利用氧气资源（如高效燃烧技术）则有助于节能减排。
空气与氧气的实验探究
在化学实验中，空气和氧气的性质常通过对比实验验证，1. 燃烧实验：将木条分别在空气和氧气中燃烧，观察火焰亮度差异（氧气中更旺）；2. 铁丝燃烧：铁丝在空气中难以燃烧，在氧气中剧烈燃烧生成四氧化三铁；3. 空气成分测定：用红磷燃烧消耗氧气，测定空气中氧气体积分数（约1/5）；4. 气体收集：氧气可用排水法（不易溶于水）或向上排空气法（密度比空气大）收集。
空气与氧气的健康影响
空气质量和氧气浓度直接影响人体健康，清洁空气中的氧气维持人体正常呼吸作用，若氧气浓度低于19%可能导致缺氧，出现头晕、乏力甚至昏迷；长期暴露于污染空气（如PM2.5超标）会引发呼吸系统疾病、心血管疾病，医疗上，高压氧舱通过提高氧分压治疗一氧化碳中毒、气性坏疽等疾病,而高原地区则需通过吸氧缓解高原反应。
空气与氧气的工业生产
工业上，空气分离是氧气生产的核心技术，深冷分离法是最主流的工艺：先将空气压缩、冷却液化，再通过精馏塔分离氮气和氧气（氮气沸点-196℃，氧气沸点-183℃），分子筛变压吸附法（利用分子筛对氮氧的吸附差异）和膜分离法（通过渗透膜分离气体）也用于中小规模制氧，氧气产品以液态（储运方便）、气态（管道输送）和瓶装（小规模使用）形式供应，广泛应用于钢铁冶炼（转炉吹氧炼钢）、化工合成（乙烯氧化制环氧乙烷）、医疗及航空航天等领域。
空气与氧气的未来展望
随着科技发展，空气和氧气的研究与应用不断拓展，新型制氧技术（如低温等离子体法、光催化分解水制氧）有望降低能耗；碳捕获与封存（CCS）技术通过减少二氧化碳排放缓解温室效应；人工光合作用技术模拟植物固碳，将二氧化碳转化为燃料；而“空气取水”技术则通过冷凝空气中的水蒸气解决水资源短缺问题，氧气在新能源领域的应用（如燃料电池）和空气净化技术（如催化分解VOCs）将成为未来研究重点。
相关问答FAQs
Q1：为什么空气中氧气含量能保持相对稳定？
A1：空气中氧气含量稳定主要得益于自然界的动态平衡，植物光合作用吸收二氧化碳并释放氧气（每年约释放1.07×10¹²吨氧气）；生物呼吸、燃料燃烧、有机物分解等过程消耗氧气，海洋中的浮游植物通过光合作用贡献了全球约50%的氧气，而大气环流和生物圈的自我调节机制进一步维持了氧气的动态平衡，使其体积分数长期稳定在21%左右。
Q2：液态空气和液态氧气有什么区别？
A2：液态空气是液态的空气混合物，主要成分为液氮（约78%）和液氧（约21%），还含有少量液态稀有气体等，常温下易汽化，温度约为-196℃（氮气沸点）；液态氧气则是纯氧的液态形式，呈淡蓝色，沸点-183℃，比液态空气温度高，具有强氧化性，接触油脂易燃烧爆炸，应用上，液态空气用于分离制取氮气、氧气及稀有气体,液态氧气则直接作为工业氧化剂或火箭推进剂。
