酸素
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酸素 、8O
淡い青色の液体で、沸騰が目に見える
液体酸素（-183℃以下のO 2）
酸素
同素体O 2、O 3（オゾン）など（酸素の同素体を参照）
外観気体：無色の液体、固体：淡い青色
標準原子量A r °(O)
周期表における酸素
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
– ↑ O ↓ S
窒素←酸素→フッ素
原子番号（Z）8
グループ第16族（カルコゲン）
期間第2期
ブロック pブロック
電子配置[彼] 2s 2 2p 4
殻あたりの電子数2、6
物理的特性
STPでの 位相ガス
融点（O 2） 54.36  K（−218.79 °C、−361.82 °F）
沸点（O 2） 90.188 K （−182.962 °C、−297.332 °F）
密度（  STP）1.429グラム/リットル
液体時（ 沸点）1.141 g/cm 3
三重点54.361 K、0.1463 kPa
臨界点154.581 K、5.043 MPa
融解熱（O2 ） 0.444  kJ/モル
蒸発熱（O2 ） 6.82 kJ/モル
モル熱容量14.689 J/(mol・K) (O) 29.378 J/(mol・K) (O 2 )
比熱容量918.12 J/(kg·K) (O)
蒸気圧
P （パ）1 10 100 1キロ 1万 10万
T （K）で       61 73 90
原子の性質
酸化状態共通: −2 −1、[ 3 ] 0、+1、[ 3 ] +2 [ 3 ]
電気陰性度ポーリングスケール：3.44
イオン化エネルギー
  • 1位: 1313.9 kJ/モル
  • 2位: 3388.3 kJ/mol
  • 3位: 5300.5 kJ/mol
  • （もっと）
共有結合半径午後66±2 時
ファンデルワールス半径午後152時
スペクトル範囲における色の線
酸素のスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造立方晶系（cP16）
格子定数
酸素の立方晶構造
a  = 678.28 pm (  tp ) [ 4 ]
熱伝導率26.58×10 −3   W/(m⋅K)
磁気秩序常磁性
モル磁化率+3 449 .0 × 10 -6  cm 3 /mol (293 K) [ 5 ]
音速330 m/s（気体、27℃）
CAS番号7782-44-7
歴史
ネーミングギリシャ語のὀξύς（酸、文字通り「鋭い」、酸の味から）と-γενής（生産者）から
発見ミヒャエル・センディヴォギウスカール・ヴィルヘルム・シェーレ(1604, 1771)
命名者アントワーヌ・ラヴォアジエ（1777）
酸素の同位体
主な同位体[ 6 ]減衰
アイソトープ豊富半減期（t 1/2）モード製品
15時トレース122.27秒β +15北
16 O99.8% 安定した
17 O0.0384% 安定した
18歳0.205% 安定した

酸素は化学元素であり、記号はO、原子番号は8です。周期表ではカルコゲン族に属します。酸素は反応性が高く、非金属で、強力な酸化剤であり、ほとんどの元素や他の化合物と容易に酸化物を形成します。酸素は地球の地殻に最も多く存在する元素であり、水、二酸化炭素、酸化鉄、ケイ酸塩などの様々な酸化物の形で地殻のほぼ半分を占めています。[ 7 ]また、宇宙では水素とヘリウムに次いで3番目に豊富な元素でもあります。   

標準温度および圧力では、2つの酸素原子が共有結合して二酸素を形成します。二酸素は、化学式Oの無色無臭の二原子ガスです。2二酸素ガスは現在、地球の大気の約20.95%のモル分率を占めていますが、これは地球の歴史の中で長い期間にわたって大きく変化してきました。酸素の同素体であるオゾン（O3）はUVBとUVCの波長を強く吸収し、下層成層圏に保護的なオゾン層を形成します。この層は生物圏を電離紫外線から保護します。しかし、地表に存在するオゾンはスモッグの腐食性の副産物であり、大気汚染物質となります。

植物、動物、菌類、藻類、およびほとんどの原生生物を含むすべての真核生物は、細胞呼吸のために酸素を必要とする。細胞呼吸は、食物由来の有機分子と酸素の反応によって化学エネルギーを抽出し、老廃物として二酸化炭素を放出するプロセスである。生物の多くの主要な有機分子のクラスには、タンパク質、核酸、炭水化物、脂肪などがあり、動物の殻、歯、骨の主要構成無機化合物にも酸素原子が含まれている。生物の質量の大部分は、生命体の主要構成要素である水の成分としての酸素である。地球の大気中の酸素は生物の光合成によって生成される。光合成では、太陽光に含まれる光子エネルギーがクロロフィルに捕らえられ、水分子が分解されて二酸化炭素と反応して炭水化物が生成され、副産物として酸素が放出される。酸素は化学的に非常に反応性が高いため、シアノバクテリア、葉緑体を持つ藻類、植物などの独立栄養生物の光合成活動によって継続的に補充されなければ、空気中に自由元素として存在することはできません。

酸素は1604年以前にミヒャエル・センディヴォギウスによって単離されていましたが、一般的には、1773年かそれ以前にウプサラでカール・ヴィルヘルム・シェーレ、1774年にウィルトシャーでジョセフ・プリーストリーによってそれぞれ独立して発見されたと考えられています。プリーストリーの研究が最初に発表されたため、プリーストリーに優先権が与えられることがよくあります。しかし、プリーストリーは酸素を「脱燃性空気」と呼び、化学元素として認識していませんでした。1777年、アントワーヌ・ラボアジエが初めて酸素を化学元素として認識し、燃焼におけるその役割を正しく説明しました。

酸素の一般的な工業用途としては、鉄鋼、プラスチック、繊維の生産、鉄鋼やその他の金属のろう付け、溶接、切断、ロケット推進剤、酸素療法、航空機、潜水艦、宇宙飛行、ダイビングにおける生命維持システムなどがあります。

研究の歴史

現代の酸素元素の概念は5世紀にわたって発展し、多くの関連する発見と失敗した理論を含んでいました。複数の人々がこの概念に様々な貢献をしました。酸素を発見した人は一人もいませんでした。[ 8 ] [ 9 ]

初期の実験

燃焼と空気の関係についての最古の実験の一つは、紀元前2世紀ギリシャの力学書家、ビザンチウムのフィロンによって行われた。フィロンは著書『プネウマティカ』の中で、燃えているろうそくの上に容器を逆さまに置き、容器の首の周りを水で囲むと、水が首の方に上がってくることを観察した。[ 10 ]フィロンは、容器内の空気の一部が古典的な要素である火に変換され、ガラスの孔から逃げることができると誤って推測した。数世紀後、西暦1250年に著作を書いたイブン・アル＝ナフィスは、循環器系における血液の酸素化を正しく記述した。ミカエル・セルベトゥスは1553年にこの概念を再発見したが、彼の著書は組織的に破棄された。[ 8 ]科学的根拠に基づいた影響力のある記述は、 1628年にウィリアム・ハーベイによって出版された。[ 11 ]

レオナルド・ダ・ヴィンチは、燃焼と呼吸の際に空気の一部が消費されることを観察した。[ 12 ] ポーランドの錬金術師、哲学者、医師であるミハイル・センディヴォイは、1604年の著作の中で、[ 13 ]空気中に含まれる物質をcibus vitae（「生命の糧」）と呼び、 [ 8 ]この物質は酸素と同一である。[ 14 ]センディヴォイは、1598年から1604年にかけて行われた実験で、この物質が硝酸カリウムの熱分解によって発生するガス状の副産物と同等であることを正しく認識した。しかし、この重要な関連性は、ロバート・ボイルなどの同時代の科学者には理解されていなかった。[ 8 ] [ 14 ]

センディヴォギウスの研究を知らなかったジョン・メイヨーは、火と人体に熱を供給する空気の一部について論文を執筆した。この論文は、当時主流であった空気と火のフロギストン説に反していたため、無視された。メイヨーは、加熱するとアンチモンの重量が増加することに着目し、ニトロエアレウスがアンチモンと結合したに違いないと推測した。[ 15 ]また、肺がニトロエアレウスを空気から分離して血液中に送り込み、動物の熱と筋肉の動きはニトロエアレウスと体内の特定物質の反応によって生じると考えていた。[ 15 ]これらの実験やその他のアイデアは、1668年に彼の著書『呼吸について』に収録された『Tractatus duo』にまとめられた。[ 16 ]

17世紀後半にロバート・ボイルが燃焼には空気が必要であることを証明した後、イギリスの化学者ジョン・メイヨーはこの研究を洗練させ、火には彼が窒素気体（spiritus nitroaereus ）と呼ぶ空気の一部だけが必要であることを示しました。[ 15 ]ある実験では、マウスまたは火のついたろうそくを密閉容器に入れて水の上に置くと、水が上昇して空気の体積の14分の1が入れ替わってから被験者が消えることを発見しました。[ 16 ]このことから、彼は窒素気体が呼吸と燃焼の両方で消費されると推測しました。[ 17 ]

フロギストン説

ロバート・フック、オーレ・ボルチ、ミハイル・ロモノーソフ、ピエール・バイエンはいずれも17世紀と18世紀の実験で酸素を生成したが、誰もそれを化学元素として認識していなかった。[ 18 ]これは、当時これらのプロセスを説明するために好まれていたフロギストン説と呼ばれる燃焼と腐食の哲学が普及していたことに一部起因している可能性がある。[ 19 ]

1667年にドイツの錬金術師JJベッヒャーによって提唱され、 1731年に化学者ゲオルク・エルンスト・シュタールによって改良されたフロギストン説[ 20 ]は、すべての可燃性物質は2つの部分から構成されていると提唱した。フロギストンと呼ばれる部分は、それを含む物質が燃焼すると放出され、脱フロギストン化された部分が本来の姿、すなわちカルクスであると考えられていた。[ 12 ]

木材や石炭など、残留物をほとんど残さない可燃性物質は、主にフロギストンで構成されていると考えられていましたが、鉄など、腐食する不燃性物質にはフロギストンはほとんど含まれていませんでした。フロギストン説では空気は考慮されておらず、この考えを検証するための初期の定量的な実験も行われていませんでした。この説は、何かが燃える際に何が起こるか、つまり、ほとんどの一般的な物体が軽くなり、その過程で何かを失うように見えるという観察に基づいていました。[ 12 ]

科学時代

テーブルのそばに座り、絵と平行に向き合う高齢男性の絵。左腕はノートの上に置かれ、足を組んでいる。
ジョセフ・プリーストリーは、互いに独立して発見をした同時代の数人の中で、酸素に関する発見を初めて発表した人物でした。

スウェーデンの薬剤師カール・ヴィルヘルム・シェーレは1770年から1775年頃に酸素を生成し、その特性をいくつか記述したが、その研究をフロギストン説の枠組みで解釈することができなかったため、数年後まで発表しなかった。[ 8 ] [ 21 ]シェーレは1771年から1772年にかけて、酸化第二水銀（HgO）と様々な硝酸塩を加熱して酸素ガスを生成していた。[ 22 ] [ 23 ] [ 12 ]シェーレは1775年にプリーストリーの研究について読んだ後、1​​777年にそのガスを「火の空気」と呼んで発表した。これは当時、燃焼を促進する唯一の物質として知られていたためである。[ 24 ]

一方、1774年8月1日、イギリスの牧師ジョセフ・プリーストリーは、ガラス管に入れられた酸化第二水銀に太陽光を当てる実験を行いました。すると、彼が「脱フロジスティケート空気」と名付けたガスが発生しました。[ 23 ]彼は、このガスの中ではろうそくがより明るく燃えること、そしてネズミがこのガスを吸うと活動的になり寿命が延びることに気づきました。プリーストリー自身もこのガスを吸った後、「肺への感覚は普通の空気とそれほど違いはなかったが、その後しばらくの間、胸が妙に軽く楽になったように感じた」と記しています。[ 18 ]プリーストリーは1775年にこの発見を「空気に関する更なる発見の記録」と題する論文で発表しました。この論文は、彼の著書『様々な種類の空気に関する実験と観察』の第2巻に収録されています。[ 12 ] [ 25 ]

フランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエは後に、この新物質を独自に発見したと主張した。プリーストリーは1774年10月にラボアジエを訪ね、実験と新ガスの放出過程について語った。シェーレも1774年9月30日にラボアジエに手紙を送り、未知の物質を発見した経緯を説明したが、ラボアジエは手紙を受け取ったことを認めなかった（シェーレの死後、手紙のコピーが彼の所持品から発見された）。[ 24 ]

フィロギストン説の信憑性を失わせる

若い男性が鑑賞者の方を向いているが、横目で見ている絵。白い巻き毛のかつら、黒いスーツ、白いスカーフを身に着けている。
アントワーヌ・ラボアジエはフロギストン説を否定した。

ラヴォアジエは酸化に関する最初の適切な定量実験を行い、燃焼の仕組みについて初めて正しい説明を与えた。彼は1774年に開始されたこれらの実験や類似の実験を用いて、フロギストン説を覆し、プリーストリーとシェーレによって発見された物質が化学元素であることを証明した。[ 23 ]

ある実験で、ラヴォアジエは密閉容器内で錫と空気を加熱した際、全体の重量は増加しないことを観察した。 [ 23 ]彼は、容器を開けると空気が流れ込み、閉じ込められていた空気の一部が消費されたことを指摘した。また、錫の重量が増加し、その増加分が再び流れ込んだ空気の重量と同じであることにも気づいた。この実験とその他の燃焼に関する実験は、1777年に出版された著書『一般燃焼について』にまとめられている。 [ 23 ]その研究で、彼は空気が2種類のガスの混合物であることを証明した。1つは燃焼と呼吸に不可欠な「生命空気」、もう1つはどちらにも役立たないアゾート（ギリシャ語のἄζωτον 「生命のない」に由来）である。アゾートは後に英語で窒素となったが、フランス語やその他のヨーロッパの言語では以前の名前が残っている。[ 23 ]

語源

ラヴォアジエは1777年に「生命の空気」を「オキシゲン」と改名した。これはギリシャ語の語源oxys（ὀξύς、「酸」、文字通り「鋭い」、酸の味から）と-genēs（-γενής、「生産者」、文字通り「生み出す」）から来ている。彼は酸素がすべての酸の構成要素であると誤解していたためである。[ 26 ]化学者たち（例えば1812年のハンフリー・デービー卿）は最終的にこの点に関してラヴォアジエが間違っていたと結論付けた（例えば塩化水素（HCl）は酸素を含まない強酸である）が、その頃にはその名称は既に定着していた。[ 3 ] : 793

酸素は、イギリスの科学者たちの反対にもかかわらず、またイギリス人プリーストリーが初めてこの気体を単離し、それについて論文を書いたという事実にもかかわらず、英語に登場しました。これは、チャールズ・ダーウィンの祖父であるエラスムス・ダーウィンが1791年に著した人気書『植物園』に収録された「酸素」という題名の酸素を称賛する詩によるところが大きいです。[ 24 ]

その後の歴史

ジョン・ドルトンの当初の原子仮説は、すべての元素が単原子であり、化合物中の原子は通常、互いに最も単純な原子比を持つと仮定していました。例えば、ドルトンは水の化学式をH2Oと仮定し、酸素の原子量は現代の約16ではなく、水素の8倍であると結論付けました。 [ 27 ] 1805年、ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとアレクサンダー・フォン・フンボルトは、水は水素2体積と酸素1体積で構成されていることを示しました。そして1811年までに、アメデオ・アボガドロは、現在アボガドロの法則と呼ばれる法則と、それらの気体中の二原子元素分子に基づいて、水の組成の正しい解釈に到達しました。 [ 28 ]

1879年、フランス人の兄弟、クエンティン・ブリンとアーサー・ブリンは、商業的に実現可能な酸素生成反応を発見しました。彼らは、既知の可逆反応である 2BaO (s) + O 2 (g) ↔ 2BaO 2 (s) が、空気中の二酸化炭素から炭酸バリウムを生成することで不活性化されることに気付きました。空気から二酸化炭素を除去することで、この反応を無限に可逆的に繰り返すことができるのです。彼らの会社は1886年から1906年までこのプロセスを採用し、その後、より経済的な分留法が使用されるようになりました。[ 29 ]

木の近くの雪の上に、金属フレームの構造物が立っている。コート、ブーツ、革手袋、帽子をかぶった中年男性がその横に立ち、右手でそれを支えている。
ロバート・H・ゴダードと液体酸素・ガソリンロケット

19世紀後半までに、科学者たちは空気を圧縮・冷却することで液化してその成分を分離できることに気づきました。スイスの化学者で物理学者のラウル・ピエール・ピクテはカスケード法を用いて、液体の二酸化硫黄を蒸発させて二酸化炭素を液化させ、さらに二酸化炭素を蒸発させて酸素ガスを液化できるまで冷却しました。1877年12月22日、彼はパリのフランス科学アカデミーに電報を送り、液体酸素の発見を発表しました。[ 30 ]そのわずか2日後、フランスの物理学者ルイ・ポール・カイエテは、独自の酸素分子の液化方法を発表しました。[ 30 ]いずれの場合も液体は数滴しか生成されず、意味のある分析は実施できませんでした。酸素は1883年3月29日にヤギェウォ大学のポーランド人科学者ジグムント・ヴロブレフスキとカロル・オルシェフスキによって初めて安定した状態で液化されました。[ 31 ]

1891年、スコットランドの化学者ジェームズ・デュワーは研究に十分な量の液体酸素を生産することができた。[ 32 ]液体酸素を生産する最初の商業的に実現可能な方法は、1895年にドイツの技術者カール・フォン・リンデとイギリスの技術者ウィリアム・ハンプソンによって独立して開発された。2人は空気の温度を下げて液化させ、成分ガスを一つずつ沸騰させて蒸留し、別々に回収した。 [ 33 ]その後、1901年に、アセチレンと圧縮酸素の混合物を燃焼させることで、酸素アセチレン溶接が初めて実証された。2この金属の溶接と切断の方法は後に一般的になりました。[ 33 ]

1923年、アメリカの科学者ロバート・H・ゴダードは、液体燃料を燃焼させるロケットエンジンを初めて開発しました。このエンジンは、燃料としてガソリン、酸化剤として液体酸素を使用しました。ゴダードは1926年3月16日、マサチューセッツ州オーバーンにおいて、小型の液体燃料ロケットを高度56メートル、時速97キロメートルで飛行させることに成功しました。[ 33 ] [ 34 ]

特徴

特性と分子構造

バレット（2002） [ 35 ]による軌道図。各酸素原子の関与する原子軌道、それらの重なりから生じる分子軌道、および最低エネルギーの軌道から始めて各酸素原子から6個ずつ、計12個の電子による軌道の充填を示し、充填された軌道から共有二重結合の性質が生じる（σとσ *、πとπ *軌道のペアの寄与はキャンセルされる）様子を示している。

標準温度および圧力では、酸素は分子式Oの無色、無臭、無味の気体である。2二酸素と呼ばれる。[ 36 ]

二酸素として、2つの酸素原子は互いに化学的に結合している。この結合は理論のレベルに応じて様々に説明できるが、合理的かつ単純には、個々の酸素原子の原子軌道から形成された分子軌道が満たされることによって生じる共有結合二重結合として説明され、その満たされる結果、結合次数が2となる。より具体的には、この二重結合は、低エネルギーから高エネルギーへの軌道の連続的な充填、すなわちアウフバウ（Aufbau）の結果であり、低σおよびσ *軌道が順次満たされた後、2s電子の寄与がキャンセルされる。O–O分子軸に沿って存在する2つの原子2p軌道のσ重なりと、O–O分子軸に垂直な2対の原子2p軌道のπ重なり、そして残りの2つの2p電子によるπ *軌道の部分的な充填後の寄与がキャンセルされる。[ 35 ]

この相殺とσとπの重なりの組み合わせにより、酸素原子は二重結合の性質と反応性を持ち、三重項電子基底状態が存在する。二酸素原子の軌道（図中の塗りつぶされたπ*軌道を参照）に見られるように、2つの不対電子が等しいエネルギーを持つ、すなわち縮退した電子配置は、スピン三重項状態と呼ばれる。したがって、 Oの基底状態は2この分子は三重項酸素と呼ばれます。[ 37 ]最もエネルギーが高く、部分的に満たされた軌道は反結合性であるため、これらの軌道が満たされると結合次数は3から2に弱まります。三重項酸素は不対電子を持っているため、対電子スピンを持つほとんどの有機分子とゆっくりと反応し、自然発火を防ぎます。[ 38 ]

液体酸素は、その常磁性により磁石の中に一時的に浮遊する。

三重項形式では、O2分子は常磁性である。つまり、磁場が存在すると、分子内の不対電子のスピンと隣接する酸素間の負の交換エネルギーにより、酸素に磁性を与える。2分子。[ 32 ]液体酸素は非常に磁性が強いため、実験室での実証では、液体酸素の橋を強力な磁石の極の間で自重に支えることができる。[ 39 ]酸素の常磁性は、特に工業プロセス制御や医療の分野で、気体酸素濃度を測定する常磁性酸素ガス分析装置に利用できる。[ 40 ] [ 41 ]

一重項酸素は、いくつかの高エネルギー分子O種に付けられた名前である。2すべての電子スピンが対になっている分子状酸素。通常の（三重項）分子状酸素よりも、一般的な有機分子との反応性がはるかに高い。自然界では、一重項酸素は光合成の過程で太陽光エネルギーを利用して水から生成されるのが一般的である。 [ 42 ]また、対流圏では短波長光によるオゾンの光分解によっても生成される。 [ 43 ]また、免疫系によって活性酸素源として生成される。 [ 44 ]光合成生物（そしておそらく動物も）のカロテノイドは、一重項酸素からエネルギーを吸収し、組織に害を及ぼす前に非励起基底状態に変換する上で重要な役割を果たしている。[ 45 ]

同素体

二酸素（O 2）分子の空間充填モデル表現

地球上の一般的な元素酸素の同素体は二酸素（O）と呼ばれています。2、地球の大気中の酸素の主要部分を構成する同素体である（発生条件を参照）。O 2 の結合長は121  pm、結合エネルギーは498  kJ/molである。[ 46 ] 三酸素（O3）は通常オゾンとして知られており、肺組織にダメージを与える酸素の非常に反応性の高い同素体である。[ 47 ]オゾンは上層大気中でO2Oの分裂によって作られた原子酸素と結合する2紫外線（UV）放射によって。 [ 26 ]オゾンはスペクトルのUV領域で強い吸収を示すため、上層大気のオゾン層は地球を保護する放射線シールドとして機能します。 [ 26 ]地球の表面近くでは、オゾンは自動車の排気ガスの副産物として生成される汚染物質です。[ 47 ]地球の低軌道高度では、宇宙船の腐食を引き起こすのに十分な原子状酸素が存在します。[ 48 ]

準安定分子四酸素（O4）は2001年に発見され、固体酸素の6つの相のうちの1つに存在すると想定されていました。[ 49 ] [ 50 ] 2006年に、この相はO220  GPaまで、菱面体Oを形成することが示された8クラスター。[ 51 ]このクラスターは、 O2またはO3そのためロケット燃料に使用できる可能性がある。[ 49 ] [ 50 ] 1990年に固体酸素を96GPa以上の圧力にさらすと金属相になることが発見され、1998年には極低温でこの相が超伝導になることが示された。[ 52 ] [ 53 ]

物理的特性

気泡の入った水色の液体が入った透明なビーカー。
液体酸素の沸騰（O 2）

酸素は窒素よりも水に溶けやすい。空気と平衡状態にある水には、約1分子の溶存酸素が含まれている。2N分子2個ごとに2（1:2）であり、大気中の比率は約1:4である。水中の酸素の溶解度は温度に依存し、約2倍（14.6  mg/L ) は 0 °C (32 °F) で溶解しますが、20 °C (68 °F) で溶解するよりも7.6  mg/L）。[ 18 ] [ 54 ]

25℃（77°F）、1標準気圧（101.325  kPa）の空気中では、淡水は 1リットルあたり約6.04ミリリットル （mL）の酸素を溶解できますが、海水は約4.95 mL/リットルです。5℃（41°F）では、溶解度は淡水で1リットルあたり9.0 mL（25℃（77°F）より50%増加）、海水で1リットルあたり7.2 mL（45%増加）に増加します。[ 55 ]

海面水に溶解した酸素ガス（ミリリットル/リットル）
5℃（41℉） 25℃（77℉）
淡水 9.00 6.04
海水 7.20 4.95

酸素は90.20  K（-182.95 °C、-297.31 °F）で凝縮し、54.36 K（-218.79 °C、-361.82 °F）で凍結します。[ 56 ]液体と固体の 両方のO2赤色の吸収によって淡い空色を呈する透明な物質です（空の青色は青色光のレイリー散乱によるものです）。高純度の液体O2液体酸素は通常、液化空気の分留によって得られる。[ 57 ]液体酸素は、液体窒素を冷却剤として使用して空気から凝縮することもできる。 [ 58 ]液体酸素は反応性の高い物質であるため、可燃性物質から隔離する必要がある。[ 58 ]

分子状酸素の分光は、オーロラや大気光などの大気過程と関連している。[ 59 ]紫外線におけるヘルツベルク連続スペクトルとシューマン・ルンゲ帯の吸収により、中層大気の化学反応において重要な役割を果たす原子状酸素が生成される。 [ 60 ]励起状態の一重項分子状酸素は、溶液中の赤色化学発光の原因となる。[ 61 ]

大気圧における酸素（O2）の熱的および物理的性質の表： [ 62 ] [ 63 ]

温度（K） 密度（kg/m 3） 比熱（kJ/(kg·K)） 動粘度（kg/(m·s)） 動粘度（m 2 /s） 熱伝導率（W/(m·K)） 熱拡散率（m 2 /s） プラントル数
100 3.945 0.962 7.64E-06 1.94E-06 0.00925 2.44E-06 0.796
150 2.585 0.921 1.15E-05 4.44E-06 0.0138 5.80E-06 0.766
200 1.93 0.915 1.48E-05 7.64E-06 0.0183 1.04E-05 0.737
250 1.542 0.915 1.79E-05 1.16E-05 0.0226 1.60E-05 0.723
300 1.284 0.92 2.07E-05 1.61E-05 0.0268 2.27E-05 0.711
350 1.1 0.929 2.34E-05 2.12E-05 0.0296 2.90E-05 0.733
400 0.962 1.0408 2.58E-05 2.68E-05 0.033 3.64E-05 0.737
450 0.8554 0.956 2.81E-05 3.29E-05 0.0363 4.44E-05 0.741
500 0.7698 0.972 3.03E-05 3.94E-05 0.0412 5.51E-05 0.716
550 0.6998 0.988 3.24E-05 4.63E-05 0.0441 6.38E-05 0.726
600 0.6414 1.003 3.44E-05 5.36E-05 0.0473 7.35E-05 0.729
700 0.5498 1.031 3.81E-05 6.93E-05 0.0528 9.31E-05 0.744
800 0.481 1.054 4.15E-05 8.63E-05 0.0589 1.16E-04 0.743
900 0.4275 1.074 4.47E-05 1.05E-04 0.0649 1.41E-04 0.74
1000 0.3848 1.09 4.77E-05 1.24E-04 0.071 1.69E-04 0.733
1100 0.3498 1.103 5.06E-05 1.45E-04 0.0758 1.96E-04 0.736
1200 0.3206 1.0408 5.33E-05 1.661E-04 0.0819 2.29E-04 0.725
1300 0.296 1.125 5.88E-05 1.99E-04 0.0871 2.62E-04 0.721

同位体と恒星の起源

核から外殻にかけて、鉄、ケイ素、酸素、ネオン、炭素、ヘリウム、水素の層を示す同心球図。
大質量星の一生の後期には、16 O は O 殻に、17 O は H 殻に、18 O は He 殻に集中します。

自然界に存在する酸素は、16 O、17 O、18 Oの3つの安定同位体で構成されており、16 Oが最も豊富です（自然存在比99.762% ）。[ 64 ]

16 Oは大質量星の主要な核融合生成物の一つである。トリプルアルファ過程の終盤で合成され、ネオン燃焼過程でも一部合成される。[ 65 ] 17 Oと18 Oはどちらも種核を必要とする。17 Oは主にCNOサイクル中に水素がヘリウムに燃焼することで生成されるため、星の水素燃焼領域では一般的な同位体となっている。[ 65 ] 18 Oのほとんどは、CNO燃焼で豊富に生成される14 Nが4 He核を捕獲することで生成されるため、進化した大質量星のヘリウム過剰領域では18 Oが一般的である。[ 65 ]

11 Oから28 Oまでの15種類の放射性同位体が特徴付けられている。[ 6 ] [ 66 ]最も安定しているのは半減期が122.24秒の15 Oと、半減期が70.606秒の14 Oである。 [ 64 ]残りの放射性同位体はすべて半減期が27秒未満であり、その大部分は83ミリ秒未満の半減期である。[ 64 ] 16 Oより軽い同位体の最も一般的な崩壊モードは窒素を生成するβ崩壊であり、 18 Oより重い同位体の最も一般的なモードはフッ素を生成するベータ崩壊である。[ 64 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]

発生

天の川銀河で最も一般的な10元素の分光学的推定[ 70 ]
Z要素質量分率（百万分率）
1水素739,000
 
2ヘリウム24万
 
8酸素10,400
 
6炭素4,600
 
10ネオン1,340
 
26鉄1,090
 
7窒素960
 
14シリコン650
 
12マグネシウム580
 
16硫黄440
 

酸素は、水素とヘリウムに次いで、宇宙で3番目に豊富な化学元素です。[ 71 ]太陽の質量の約0.9%は酸素です。 [ 23 ]酸素は、二酸化ケイ素などの酸化物の一部として、地球の地殻の質量の49.2%を構成し、地球の地殻で最も質量が多い元素です。[ 72 ]また、世界の海洋の主成分でもあります（質量の88.8%）。[ 23 ]酸素ガスは、地球の大気で2番目に多い成分であり、体積の20.8%、質量の23.1%（約10の15乗トン）を占めています。[ 23 ] [ 73 ] [ a ]

地球は太陽系の惑星の中で、大気中にこれほど高濃度の酸素ガスを持つ珍しい惑星です。火星（0.1% O2体積で見ると、金星のOははるかに少ない。2これらの惑星を取り囲む大気中の酸素は、二酸化炭素などの酸素含有分子に対する紫外線の作用によってのみ生成されます。[ 74 ]地球上の酸素ガスの異常に高い濃度は、酸素循環 の結果です。この生物地球化学的循環は、地球上の3つの主要な酸素貯蔵庫である大気、生物圏、岩石圏の内部および間での酸素の移動を表します。酸素循環の主な駆動要因は光合成であり、これが現代の地球の大気を担っています。光合成は酸素を大気中に放出し、呼吸、分解、燃焼は酸素を大気から除去します。現在の均衡では、生産と消費は同じ速度で発生します。[ 3 ] : 602

大気中の酸素濃度は世界的にわずかに低下傾向にあるが、これは化石燃料の燃焼が原因と考えられる。[ 75 ]

海面酸素が赤道付近では減少し、極に向かうにつれて増加していることを示す世界地図。
冷水はより多くの溶存酸素を保持する2。

自由酸素は世界中の水域に溶解した状態でも存在する。Oの溶解度の増加は2低温（物理的特性を参照）での酸素濃度が高い極地の海は、酸素含有量が高いため、はるかに高い生命密度を支えているため、海洋生物にとって重要な意味合いを持つ。[ 76 ]科学者は、水の生化学的酸素要求量、つまり酸素の量を計測することで、水質のこの側面を評価する。2正常な濃度に戻すには、十分な量の酸素が必要です。[ 77 ] 熱帯海域では、顕著な脱酸素化が観測されています。温暖化する海水は、今後1世紀、そしてさらに1000年先まで酸素を失うと予想されており、その結果、大型動物が生息できない低酸素層が生じる可能性があります。[ 78 ]

分析

5 億年のスケールでの酸素 18 濃度の時間変化。多くの局所的なピークを示しています。
5億年の気候変動vs. 18 O

古気候学者は、海洋生物の殻や骨格に含まれる酸素18と酸素16の比率を測定し、数百万年前の気候を判定している（酸素同位体比サイクルを参照）。より軽い同位体である酸素16を含む海水分子は、12％重い酸素18を含む水分子よりもわずかに速く蒸発し、この差は低温で拡大する。[ 79 ]地球の気温が低い時期には、蒸発した水からできた雪や雨には酸素16が多く含まれる傾向があり、残された海水には酸素18が多く含まれる傾向がある。そのため、海洋生物は温暖な気候のときよりも多くの酸素18を骨格や殻に取り込む。[ 79 ]古気候学者はまた、数十万年前の氷床コアサンプルの水分子でこの比率を直接測定している。 [ 80 ] [ 81 ]

惑星地質学者は、地球、月、火星、隕石のサンプル中の酸素同位体の相対量を測定してきたが、原始太陽系星雲の同位体比と同じであると考えられている太陽の同位体比の基準値を長い間得ることができなかった。宇宙で太陽風にさらされ、墜落したジェネシス宇宙船から持ち帰られたシリコンウェハーの分析により、太陽の酸素16の割合は地球よりも高いことが示された。この測定結果は、地球を形成した塵粒子の凝集以前に、未知のプロセスによって太陽の原始惑星系円盤から酸素16が枯渇したことを示唆している。 [ 82 ] [ 83 ]

酸素は、687 nmと760  nmの波長でピークを迎える2つの分光吸収帯を示す。リモートセンシング研究者の中には、これらの波長帯における植生の樹冠からの放射輝度の測定を用いて、衛星プラットフォームから植物の健康状態を特徴付けることを提案している者もいる。[ 84 ]このアプローチは、これらの波長帯において植生の反射率と、それよりもはるかに弱い蛍光を区別することができるという事実を利用している。信号対雑音比の低さと植生の物理的構造のために測定は技術的に困難であるが、地球規模で衛星から炭素循環を監視する可能性のある方法として提案されている。[ 85 ]

生物学的生産とO2の役割

光合成と呼吸

水と二酸化炭素の摂取、光合成、酸素の放出を含む光合成プロセスの図。カルビン回路でATPとNADPHが生成され、副産物として糖が生成される。
光合成は水を分解してOを放出する2COを修正2カルビン回路と呼ばれる仕組みで糖に変換されます。

自然界では、遊離酸素はクロロフィル光合成における光駆動型水分解の副産物として生成されます。いくつかの推定によると、紅藻類、緑藻類、シアノバクテリアなどの海洋光合成独立栄養生物は、地球上で生成される遊離酸素の約70%を供給し、残りは陸上環境で植物によって生成されます。[ 86 ]海洋の大気中酸素への寄与については、より高い推定値もあれば、より低い推定値もあり、海洋は毎年地球の大気中酸素の約45%を生成していると示唆しています。[ 87 ]

光合成の簡略化された全体式は[ 88 ]である。

6 CO 2 + 6 H2O + 光子 → C6H12お6+ 6 O2

あるいは単に

二酸化炭素 + 水 + 日光 →グルコース+ 酸素

光分解による酸素発生は光合成生物のチラコイド膜で起こり、4つの光子のエネルギーを必要とする。[ b ]多くのステップが関与するが、結果としてチラコイド膜を横切るプロトン勾配が形成され、光リン酸化によってアデノシン三リン酸（ ATP）が合成される。[ 89 ] O2残り（水分子の生成後）は大気中に放出される。[ c ]

真核生物のミトコンドリアでは、酸素は酸化的リン酸化によってATPを生成するために利用されます。好気呼吸の反応は本質的に光合成の逆であり、以下のように簡略化されます。

C6H12お6+ 6 O2→ 6 CO 2 + 6 H2O + 2880 kJ/モル

水生動物では、水中の溶存酸素は鰓、皮膚、または腸管から吸収される。四肢動物などの陸生動物では、空気中の酸素は肺から能動的に体内に取り込まれ、そこでガス交換によって酸素が血液中に拡散し、二酸化炭素が排出される。その後、体の循環器系が酸素を他の組織に運び、そこで細胞呼吸が行われる。[ 90 ] [ 91 ]しかし、最も繁栄し生物多様性に富んだ陸生クレードである昆虫では、酸素は深部の気道網を介して直接内部組織に導かれる。赤血球中のヘモグロビンはO2青みがかった赤から鮮やかな赤に色が変わる[ 47 ] ( CO2ヘモグロビンの他の部分からボーア効果によって放出される。他の陸生無脊椎動物は、代わりにヘモシアニン（軟体動物および一部の節足動物）またはヘムエリスリン（クモおよびロブスター）を使用する。[ 73 ] 1リットルの血液には、最大200 cm 3のOが溶解する。2. [ 73 ]

嫌気性生物が発見されるまで、酸素はすべての複雑な生命にとって必須のものであると考えられていました。[ 92 ] [ 93 ]

活性酸素種、例えばスーパーオキシドイオン（O− 2）および過酸化水素（H2お2）は、生物における酸素利用の反応性副産物である。[ 73 ]高等生物の免疫系の一部は、侵入した微生物を破壊するために過酸化物、スーパーオキシド、一重項酸素を生成する。活性酸素種はまた、病原体の攻撃に対する植物の過敏反応において重要な役割を果たしている。 [ 89 ]酸素は、 Oが地球上で初期生命を支配する形態であった絶対嫌気性生物に有害である。2これらの生物が最初に出現してから約10億年後、約25億年前の大酸化イベントの際に大気中に蓄積し始めました。 [ 94 ] [ 95 ]

成人は安静時に1分間に1.8～2.4グラムの酸素を吸入します。[ 96 ]これは、人類が年間に吸入する酸素の量が60億トン以上に相当します。[ d ]

生物

人体内の酸素分圧（PO 2）
ユニット肺胞ガス圧動脈血酸素静脈血ガス
kPa14.211 [ e ] -13 [ e ]4.0 [ e ] -5.3 [ e ]
mmHg10775 [ 97 ] -100 [ 97 ]30 [ 98 ] -40 [ 98 ]

生体脊椎動物の体内の自由酸素分圧は、呼吸器系で最も高く、動脈系、末梢組織、静脈系に沿ってそれぞれ低下します。分圧とは、酸素が単独で体積を占めている場合の圧力です。[ 99 ]

大気中の蓄積

地球上の酸素圧力の時間変化を示すグラフ。圧力は 0 気圧から 0.2 気圧まで増加します。
お2地球の大気中に蓄積されるもの：1) O2生産された; 2) O2生成されるが、海洋および海底岩石に吸収される。3) O2海からガス化し始めるが、陸地表面やオゾン層の形成によって吸収される。4–5) O2シンクが満たされガスが蓄積する[ 100 ]

光合成が発達する以前、地球の大気中には遊離二原子元素酸素（O2 ）はほとんど存在しなかった。 [ 101 ] [ 95 ]生命誕生以前の大気 中に酸素が蓄積し始めたのは、約245億年前、新始生代と古原生代境界の頃で、この古地質学的イベントは大酸化イベント（GOE）として知られる。[ 102 ]当時のO2濃度は現在の10%未満であり、おそらく大きく変動していたと考えられる。約5億年前、新原生代酸化イベントとして知られる2度目のイベントが発生し、酸素濃度は現在と同等か、あるいはそれ以上に達した。[ 103 ]

酸素は生物活動の結果であると同時に、生命活動の重要な促進要因でもある。光合成は酸素を生成する一方、好気呼吸を行う植物や動物はそれを消費する。したがって、生命の進化は利用可能な酸素の濃度と密接に関連している。酸素と進化の関係を理解することは、太陽系外惑星のデータから地球外生命の証拠を探すのに役立つだろう。[ 103 ] : 252 酸素濃度は堆積岩の地球化学組成において重要な役割を果たしており、酸素濃度は地質学にとって重要であり、堆積岩は地質時代にわたる酸素濃度の理解にとって重要である。[ 104 ]酸素濃度の上昇は、地球の地球化学と生物圏に広範かつ重大な影響を及ぼした。しかし、酸素と進化の詳細な関係は依然として不明である。[ 105 ]

大気中の酸素濃度の変動は過去の気候に影響を与えた可能性がある。酸素が減少すると大気の密度が低下し、その結果、地表蒸発量が増加し、降水量の増加と気温上昇を招いた。[ 106 ]

地球外自由酸素

宇宙生物学や地球外生命の探査において、酸素は強力なバイオシグネチャーです。このシグネチャーの価値は、地球上の酸素含有量の安定性に依存します。地球の酸素バランスのシミュレーションでは、地球上の酸素は約10億年持続すると推定されています。[ 107 ] [ 108 ] もう一つの潜在的な問題は、自由酸素を許容するプロセスと条件（例えば、特異な水圏）を持つ天体では、酸素が非生物的に生成される可能性があることです。 [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ]エウロパやガニメデの薄い酸素大気のように。 [ 112 ]

工業生産

3本の垂直パイプが下部で接続され、酸素（左のパイプ）、水（中央のパイプ）、水素（右）が充填されている様子を示す図。左右のパイプには陽極と陰極が挿入され、外部からバッテリーに接続されています。
水の電気分解に使用されるホフマン電気分解装置

毎年、1億トンのO2工業用途のために空気から抽出される。[ 24 ]最も一般的な抽出方法は、液化空気の分留であり、 N2蒸気として蒸留しながらO2液体として残る。[ 24 ] Oを生成するもう一つの主な方法は2同じゼオライト分子ふるいのペアの1つのベッドに、清潔で乾燥した空気の流れを通すことで、窒素を吸収し、90％から93％のOのガス流を送ります。2[ 24 ]同時に、チャンバーの運転圧力を下げ、生産層から酸素ガスの一部を逆方向に流すことで、もう一方の窒素飽和ゼオライト層から窒素ガスが放出されます。設定されたサイクル時間後、2つのベッドの動作が入れ替わり、パイプラインを通して気体酸素を連続的に供給できるようになります。これは圧力スイング吸着として知られています。酸素ガスは、これらの非極低温技術によってますます得られています（関連する真空スイング吸着も参照）。[ 113 ]

酸素を調製するための試験管を使った実験装置
学術研究室における酸素製造のための実験装置

大学の研究室では、塩素酸カリウムと少量の二酸化マンガンを混ぜて加熱することで酸素を生産することができます。[ 114 ]

酸素ガスは、水を電気分解して分子状酸素と水素を生成することでも生成できます。直流電気を使用する必要があります。交流電気を使用する場合、各肢のガスは水素と酸素の爆発比2:1になります。同様の方法として、電気触媒Oがあります。2酸化物とオキソ酸から発生する。化学触媒も利用でき、例えば化学酸素発生器や、潜水艦の生命維持装置の一部として使用される酸素キャンドルなどがある。また、民間航空機では、減圧緊急事態に備えて現在でも標準装備となっている。別の空気分離方法としては、二酸化ジルコニウムをベースとしたセラミック膜に高圧または電流を流して空気を溶解させ、ほぼ純粋なOを生成する方法がある。2ガス。[ 77 ]

ストレージ

レギュレーター付き酸素およびMAPPガス圧縮ガスボンベ

酸素の貯蔵方法には、高圧酸素タンク、極低温貯蔵、化合物貯蔵などがある。経済的な理由から、酸素は特別に断熱されたタンカーで液体として大量に輸送されることが多い。これは、液化酸素1リットルが大気圧および20℃（68°F）の気体酸素840リットルに相当するためである。[ 24 ]このようなタンカーは、大量の純酸素ガスを必要とする病院やその他の施設の外に設置されたバルク液体酸素貯蔵容器を補充するために使用される。液体酸素は熱交換器を通過し、極低温液体がガスに変換されてから建物に入る。酸素は、圧縮ガスが入った小型シリンダーで貯蔵・輸送されることもあり、これは特定の携帯型医療用途や酸素燃料溶接・切断に有用である。[ 24 ]

アプリケーション

医学

前面パネルに「DeVILBISS LT4000」というラベルとテキストが書かれた灰色の装置。装置からは緑色のプラスチックパイプが伸びている。
肺気腫患者の自宅にある酸素濃縮器

Oの摂取2空気からの酸素供給は呼吸の重要な目的であるため、医療では酸素補給が用いられています。治療は患者の血液中の酸素濃度を高めるだけでなく、多くの種類の肺疾患における血流抵抗を低下させ、心臓への負担を軽減するという副次的な効果もあります。酸素療法は、肺気腫、肺炎、一部の心疾患（うっ血性心不全）、肺動脈圧の上昇を引き起こす一部の疾患、そして体内の酸素吸収能力と利用能力を損なうあらゆる疾患の治療に用いられます。 [ 115 ]

治療法は柔軟性が高く、病院、患者の自宅、そしてますます普及している携帯型機器での使用も可能です。かつては酸素補給に酸素テントが一般的に使用されていましたが、現在では酸素マスクや鼻カニューレの使用に取って代わられています。[ 116 ]

高圧医療では、酸素分圧を高めるために特殊な酸素室を使用する。2患者の周囲と、必要に応じて医療スタッフに酸素を供給する。[ 117 ]一酸化炭素中毒、ガス壊疽、減圧症（いわゆる「ベンズ」）もこの治療法で治療できることがある。[ 118 ] O2肺での酸素濃度は、ヘモグロビンのヘム基から一酸化炭素を置換するのに役立ちます。[ 119 ] [ 120 ]酸素ガスはガス壊疽を引き起こす嫌気性細菌にとって有毒であるため、酸素分圧を高めることで細菌を殺し、ガス壊疽を軽減するのに役立ちます。[121] [122] 減圧症は、ダイビング後に減圧しすぎたダイバーに発生し、血液中に不活性ガス（主に窒素とヘリウム）の泡が形成されます。酸素の圧力を高めると、酸素はガス壊疽を引き起こす嫌気性細菌に有毒であるため、酸素分圧を高めることで細菌を殺し、ガス壊疽を軽減するのに役立ちます。[ 123 ] [ 124 ]減圧症は、ダイビング後に減圧しすぎたダイバーに発生し、血液中に不活性ガス（主に窒素とヘリウム）の泡が形成されます。酸素の圧力を高めると、酸素はガス壊疽を引き起こす嫌気性細菌に有毒であるため、酸素分圧を高めることで、酸素はガス壊疽を引き起こす嫌気性細菌に有毒であるため、酸素分圧を高めることで、細菌を殺し、ガス壊疽を軽減するのに役立ちます。[125] [126 ]2できるだけ早く酸素を投与することで、泡が血液中に再溶解し、余分なガスが肺から自然に排出されるようになります。[ 115 ] [ 123 ] [ 124 ]利用可能な最高濃度の常圧酸素投与は、組織内に不活性ガスの泡が形成される可能性のある潜水傷害の応急処置として頻繁に使用されます。長期データベースに記録された症例の統計研究から、その使用は疫学的に裏付けられています。[ 125 ] [ 126 ] [ 127 ]

生命維持とレクリエーション利用

低圧純O2宇宙服にも使われています。

現代の宇宙服は、着用者の体を覆うため、低圧呼吸ガスとして酸素ガスが使用されています。これらの装置は、ほぼ純粋な酸素を通常の約3分の1の圧力で使用し、その結果、正常な血液分圧はOとなります。2酸素濃度を高くして圧力を低くするというトレードオフは、スーツの柔軟性を維持するために必要なことである。[ 128 ] [ 129 ]

スキューバダイビングや地上補給の水中ダイバーや潜水艦も人工的に供給された酸素に依存している。2潜水艦、潜水艇、そして大気圧潜水服は通常、常圧で作動します。呼吸用の空気は化学抽出によって二酸化炭素が除去され、一定の分圧を維持するために酸素が補充されます。常圧ダイバーは、活動深度に適した酸素濃度の空気または混合ガスを呼吸します。純粋またはほぼ純粋な酸素2大気圧より高い圧力での潜水での使用は、通常、リブリーザー、または比較的浅い深度（水深約6メートル以下）での減圧、 [ 130 ] [ 131 ]、または急性酸素中毒を溺死の危険なしに管理できる最大2.8バールの圧力での再圧室での治療に限られている。より深い潜水では、酸素を大幅に希釈する必要がある。2酸素毒性を防ぐために窒素やヘリウムなどの他のガスと混合する。[ 130 ]

山に登ったり、非与圧固定翼航空機で飛行したりする人は、酸素を補給する必要がある。2供給。[ f ]加圧された民間航空機には、O2客室の減圧時に乗客に自動的に供給される酸素。客室の急激な減圧により、各座席上部の化学酸素発生装置が作動し、酸素マスクが落下する。客室の安全指示に従って「酸素供給を開始」するためにマスクを引っ張ると、鉄粉がキャニスター内の塩素酸ナトリウムに押し込まれる。 [ 77 ]そして、発熱反応によって安定した酸素ガス流が生成される。[ 3 ]

酸素は、軽い陶酔感を与える物質として、酸素バーやスポーツで娯楽目的に利用されてきた歴史があります。酸素バーは、1990年代後半からアメリカで見られるようになった、通常よりも高い酸素濃度を提供する施設です。2わずかな料金で酸素を摂取できる。[ 132 ]プロのアスリート、特にアメリカンフットボール選手は、パフォーマンス向上のため、試合の合間にフィールド外に出て酸素マスクを装着することがある。その薬理効果は疑問視されており、プラセボ効果の方がより妥当な説明である。[ 132 ]入手可能な研究では、酸素を豊富に含む混合物を有酸素運動中に 吸入した場合にのみ、パフォーマンス向上が認められている。[ 133 ]

呼吸を伴わない他のレクリエーション用途としては、ジョージ・ゴーブルによるバーベキューグリルの5秒点火のような花火の応用が挙げられる。[ 134 ]

産業

ヘルメットをかぶった高齢の作業員が、工場のホールで観客の方に横を向いている。ホールは暗いが、溶けた物質が黄色く光り、飛び散っている。
最も商業的に生産されているO2鉄の製錬および脱炭に使用されます。

鉄鉱石を鋼鉄に製錬する際には、商業的に生産される酸素の55％が消費される。[ 77 ]このプロセスでは、O2高圧ランスを通して溶融鉄に注入され、硫黄不純物と過剰炭素がそれぞれの酸化物、SOとして除去されます。2およびCO2この反応は発熱反応であるため、温度は1,700℃まで上昇する。[ 77 ]

商業的に生産される酸素の25％は化学産業で使用されている。[ 77 ]エチレンはO2エチレンオキシドを生成し、エチレングリコールに変換します。エチレングリコールは、不凍液やポリエステルポリマー（多くのプラスチックや布地の原料）を含む多くの製品の製造に使用される主要な原料です。[ 77 ]

商業的に生産される酸素の残り20％のほとんどは、医療用途、金属の切断や溶接、ロケット燃料の酸化剤として、そして水処理に使用されています。[ 77 ]酸素は、酸素アセチレン溶接、つまりアセチレンをOで燃焼させる溶接に使用されています。2非常に高温の炎を発生させる。このプロセスでは、厚さ60cm（24インチ）までの金属をまず小さな酸素アセチレン炎で加熱し、次に大量の酸素流で素早く切断する。2. [ 135 ]

化合物

ボトルからグラスに水が流れ出ています。
水（H2O ) は最もよく知られている酸素化合物です。

酸素の酸化状態は、既知の酸素化合物のほとんどにおいて−2である。酸化状態−1は、過酸化物などの少数の化合物に見られる。[ 3 ]：28 酸素が他の酸化状態で含まれる化合物は非常にまれであり、−1/2（スーパーオキシド）、−1/3（オゾニド）、O（元素、次亜フッ素酸）、+1/2（二フッ化二酸素）、+1（二フッ化二酸素）、+2（二フッ化酸素）などである。[ 136 ]

酸化物およびその他の無機化合物

水（H2O ）は水素の酸化物であり、最もよく知られている酸素化合物です。水素原子は水分子中の酸素と共有結合していますが、別の分子中の隣接する酸素原子にも引力（水素原子1個あたり約23.3 kJ/mol）を持っています。 [ 137 ]これらの水分子間の水素結合は、ファンデルワールス力のみの単純な液体で予想されるよりも約15%近く水分子を密に保持します。[ 138 ] [ g ]

錆びたボルトの破片。
酸素が他の元素と結合すると、酸化鉄や錆などの酸化物が形成されます。

酸素は電気陰性度が高いため、ほぼすべての他の元素と化学結合を形成し、対応する酸化物を形成します。アルミニウムやチタンなどのほとんどの金属の表面は、空気中で酸化され、薄い酸化物の膜で覆われます。この酸化物は金属を不動態化し、腐食を遅らせます。遷移金属の酸化物の多くは非化学量論的化合物であり、化学式で表されるよりもわずかに少ない金属量を持ちます。例えば、鉱物FeO（ウスタイト）は と表記され、xは通常約0.05です。[ 139 ]鉄1−×お{\displaystyle {\ce {Fe}}_{1-x}{\ce {O}}}

酸素は二酸化炭素（CO2地球の地殻岩石の大部分はケイ素の酸化物（シリカSiO2（花崗岩や石英に含まれる）、アルミニウム（酸化アルミニウムAl2お3、ボーキサイトおよびコランダムに含まれる）、鉄（酸化鉄(III) Fe2お3地球の地殻には、鉄（ヘマタイトや錆に含まれる）、炭酸カルシウム（石灰岩に含まれる）などの酸素化合物が含まれています。地殻の残りの部分も酸素化合物、特に様々な複合ケイ酸塩（ケイ酸塩鉱物に含まれる）で構成されています。地殻よりもはるかに質量の大きいマントルは、主にマグネシウムと鉄のケイ酸塩で構成されています。[ 140 ]

水溶性ケイ酸塩（Na）4SiO4、ナ2SiO3、およびNa2シ2お5洗剤や接着剤として使われています。[ 141 ]

酸素は遷移金属の配位子としても働き、遷移金属二酸素錯体を形成します。これは金属–O2このクラスの化合物には、ヘムタンパク質であるヘモグロビンとミオグロビンが含まれる。[ 142 ] PtFと反応すると、特異で珍しい反応が起こる。6、酸素を酸化してOを生成する+2PtF−6,ジオキシゲニルヘキサフルオロ白金酸塩。[ 143 ]

有機化合物

分子の球状構造。その骨格は、中心で酸素原子、末端で水素原子に結合した3つの炭素原子がジグザグに連なった構造です。
アセトンは化学産業における重要な供給材料です。
  酸素
  炭素
  水素

酸素を含む有機化合物の最も重要なクラスには、アルコール（R-OH）、エーテル（ROR）、ケトン（R-CO-R）、アルデヒド（R-CO-H）、カルボン酸（R-COOH）、エステル（R-COO-R）、酸無水物（R-CO-O-CO-R）、およびアミド（R -CO-NR）があります（ここで、「R」は有機基です）。2）。酸素を含む重要な有機溶媒には、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、フラン、THF、ジエチルエーテル、ジオキサン、酢酸エチル、DMF、DMSO、酢酸、ギ酸などがあります。アセトン（（CH3）2CO )とフェノール( C6H5OH ) は、多くの異なる物質の合成において供給原料として使用されます。酸素を含むその他の重要な有機化合物には、グリセロール、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒド、クエン酸、無水酢酸、アセトアミドなどがあります。エポキシドは、酸素原子が3つの原子からなる環の一部であるエーテルです。この元素は、生命にとって重要な（または生命によって生成される）ほぼすべての生体分子に同様に存在します。 [ 144 ]酸素は、自動酸化と呼ばれるプロセスで、室温以下で多くの有機化合物 と自発的に反応します。[ 145 ]酸素を含む有機化合物のほとんどは、 O2産業や商業において重要な、前駆体の直接酸化によって作られる有機化合物には、エチレンオキシドや過酢酸などがある。[ 141 ]

安全と注意事項

酸素
危険
GHSラベル：
GHS03: 酸化
H272
P220、P244、P370+P376、P403
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 1: Normally stable, but can become unstable at elevated temperatures and pressures. E.g. calciumSpecial hazard OX: Oxidizer. E.g. potassium perchlorate
0
0
1
牛

NFPA 704規格では、圧縮酸素ガスは健康に無害、不燃性、非反応性であるものの、酸化剤として評価されています。冷却液体酸素（LOX）は、健康被害評価3（凝縮蒸気による高酸素症のリスク増加、および凍傷などの極低温液体に共通する危険性のため）が与えられており、その他の評価は圧縮ガスと同じです。[ 146 ]

毒性

男性の胴体を示し、酸素中毒の症状を列挙した図: 目 – 視野欠損、近視、白内障形成、出血、線維化。頭部 – 発作。筋肉 – けいれん。呼吸器系 – 呼吸困難、刺激、咳、痛み、息切れ、気管気管支炎、急性呼吸窮迫症候群。
酸素中毒の主な症状[ 147 ]

酸素ガス（O2）は、高分圧で有毒となり、けいれんやその他の健康問題を引き起こす可能性がある。 [ 130 ] [ h ] [ 148 ]酸素毒性は通常、分圧が50キロパスカル（kPa）を超えると発生し始める。これは、標準気圧での酸素組成の約50％、または通常の海面O の2.5倍に相当する。2約21kPaの分圧である。これは、医療用途の酸素マスクを通して供給されるガスが通常30～50%のOのみで構成されているため、人工呼吸器を使用している患者を除いては問題にならない。2体積比（標準圧力で約30 kPa）。[ 18 ]

かつては未熟児はO2酸素を豊富に含む空気で呼吸させることが推奨されていたが、酸素濃度が高すぎて一部の赤ちゃんが失明したため、この方法は中止された。[ 18 ]

純粋なOを呼吸する2現代の宇宙服やアポロなどの初期の宇宙船などの宇宙用途では、使用される全圧が低いため、損傷は発生しません。[ 128 ] [ 149 ]宇宙服の場合、O2呼吸ガス中の分圧は、一般的に約30 kPa（通常の1.4倍）であり、その結果生じるO2宇宙飛行士の動脈血中の分圧は、通常の海面Oよりわずかに高いだけである。2分圧。[ 150 ]

肺や中枢神経系への酸素毒性は、深海スキューバダイビングや水面供給ダイビングでも発生する可能性がある。[ 18 ] [ 130 ] O260 kPaを超える分圧は、最終的には永久的な肺線維症につながる可能性があります。[ 151 ] O2160 kPa（約1.6気圧）を超える分圧は、痙攣（ダイバーにとって通常は致命的）を引き起こす可能性があります。急性酸素中毒（ダイバーにとって最も恐ろしい影響である発作を引き起こす）は、酸素濃度21%の混合気を呼吸することで発生する可能性があります。266メートル（217フィート）以上の深さでは、100％ Oを呼吸することで同じことが起こる可能性があります。2わずか6メートル（20フィート）でした。[ 151 ] [ 152 ] [ 153 ] [ 154 ]

燃焼およびその他の危険

焦げて明らかに破壊された小型宇宙船の内部。
アポロ1号司令船の内部。Pure O2通常よりも高い圧力で火花が散り、火災が発生し、アポロ1号の乗組員が死亡しました。

不燃性容器を使用するか、すべての発火源を排除しない限り、酸素が豊富な環境は非常に危険です。多くの物質（ほとんどの金属を含む）は、酸素が豊富な環境ではより速く燃焼し、より低い温度で発火します。[ 155 ]濃縮O2燃焼が迅速かつ活発に進行することを可能にする。[ 38 ]気体酸素と液体酸素の両方を貯蔵および輸送するために使用される鋼管および貯蔵容器は燃料として機能するため、 Oの設計と製造は2システムには発火源を最小限に抑えるための特別な訓練が必要である。[ 38 ]

1967年、発射台のテスト中にアポロ1号の乗組員が死亡した火災は、カプセルが純粋なOで加圧されていたため、非常に急速に広がった。2大気圧よりわずかに高い圧力でドアを密閉するために、ドアは大気圧よりわずかに高い圧力で押し付けられました。宇宙空間に入ると、外圧は最小限に抑えられ、酸素圧は火災の危険性を低減するために5psiまで下げられたはずです。火災の発火源は、おそらく擦り切れた電線が原因で、宇宙飛行士の一人の座席の下で発生した電圧サージと特定されました。[ 156 ]

液体酸素の流出が木材、石油化学製品、アスファルトなどの有機物に浸透すると、その後の機械的衝撃でこれらの物質が予期せず爆発する可能性がある。[ 38 ]

参照

注記

  1. ^数値は地表から80 km（50 mi）までの値です
  2. ^チラコイド膜は藻類や植物の葉緑体の一部ですが、シアノバクテリアでは多くの膜構造の一つに過ぎません。実際、葉緑体はかつて植物や藻類の祖先と共生していたシアノバクテリアから進化したと考えられています。
  3. ^水の酸化は、チラコイド膜の内腔側に存在する、酸素発生複合体（OEC）または水分解複合体として知られるマンガン含有酵素複合体によって触媒されます。マンガンは重要な補酵素であり、反応を起こすにはカルシウムと塩化物も必要です。（Raven 2005）
  4. ^ (1.8グラム/分/人)×(60分/時)×(24時間/日)×(365日/年)×(66億人)/1,000,000 g/t=62.4億トン
  5. ^ a b c d 0.133322 kPa/mmHgを使用してmmHg値から導出
  6. ^その理由は、低圧で呼吸ガス中の酸素の割合を増やすと、吸入酸素濃度が増加するためである。2海面で見られる分圧に近い。
  7. ^また、酸素は水素よりも電気陰性度が高いため、その電荷差により極性分子となります。各分子の異なる双極子間の相互作用により、正味の引力が生じます。
  8. ^ O以来2の分圧はOの割合である2総圧力の倍数によって、部分圧の上昇は高O2呼吸ガス中の割合、または高い呼吸ガス圧力、あるいはその両方の組み合わせによるもの。

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