酸素の同素体
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酸素にはいくつかの同素体が知られています。最もよく知られているのは分子状酸素（O 2 ）で、地球の大気中に相当量存在し、二酸素または三重項酸素としても知られています。もう一つは、反応性の高いオゾン（O 3）です。他には、以下のものがあります。
- 原子酸素（O 1）、フリーラジカル。
- 一重項酸素（O* 2）、分子状酸素の2 つの準安定状態のうちの 1 つです。
- もう一つの準安定形態である四酸素（O 4）。
- 固体酸素は、6 つの異なる色の相で存在し、そのうちの 1 つは八酸素( O8、赤色酸素) であり、もう 1 つは金属酸素 (ζ-酸素) です。
原子酸素
原子状酸素（OまたはO 1と表記）は非常に反応性が高く、個々の酸素原子は近くの分子と速やかに結合する傾向があります。その最もエネルギーの低い電子状態はスピン三重項であり、記号3Pで表されます。地球表面では、ごく短時間しか自然に存在しません。宇宙空間では、豊富な紫外線放射により、低軌道大気中の酸素の96%が原子状で存在します。[ 7 ]
火星ではマリナー、バイキング、ソフィア観測所によって原子状酸素が検出されている。[ 8 ]
二酸素
地球上の一般的な元素酸素の同素体O 2は、一般に酸素として知られていますが、元素自体や三原子同素体オゾンO 3と区別するために、二酸素、二原子酸素、分子状酸素、二酸化炭素、または酸素ガスと呼ばれることもあります。地球の大気の主成分（体積の約 21%）として、元素酸素は二原子の形で存在するのが最も一般的です。好気性生物は、化学エネルギーを得るために、細胞呼吸で大気中の二酸素を最終酸化剤として使用します。二酸素の基底状態は、不対電子を2つ持つため、三重項酸素3 [O 2 ]と呼ばれます。最初の励起状態である一重項酸素1 [O 2 ]には不対電子がなく、準安定です。二重項状態は奇数の電子を必要とするため、二酸素では電子を得たり失ったりすることなく発生することはできない。例えば、スーパーオキシドイオン（O−2）または二酸素イオン（O+2）。
O2の基底状態は、結合長が121 pm、結合エネルギーが498 kJ/molである。[ 9 ]無色の気体で、沸点は-183 °C（90 K; -297 °F）である。[ 10 ]液体窒素で冷却することで空気から凝縮することができる。液体窒素の沸点は-196 °C（77 K; -321 °F）である。液体酸素は淡青色で、不対電子のために非常に顕著な常磁性を示す。糸で吊るしたフラスコに入れた液体酸素は磁石に引き寄せられる。
一重項酸素
一重項酸素は、基底状態の三重項酸素よりもエネルギーの高い分子酸素（O 2 ）の2つの準安定状態を指す一般的な名称です。電子殻の違いにより、一重項酸素は三重項酸素とは異なる化学的・物理的性質を持ち、異なる波長の光を吸収・放出します。一重項酸素は、ローズベンガル、メチレンブルー、ポルフィリンなどの染料分子からのエネルギー移動による光増感過程、あるいは水中での三酸化水素の自然分解や過酸化水素と次亜塩素酸塩の反応などの化学過程によって生成されます。
オゾン
三原子酸素（オゾン、O3 ）は、非常に反応性の高い酸素の同素体で、標準温度および圧力下では淡い青色の気体です。液体および固体のO3は通常のO2よりも濃い青色をしており、不安定で爆発性があります。[ 11 ] [ 12 ]気相のオゾンはゴムや布地などの材料を破壊し、肺組織に損傷を与えます。[ 13 ]オゾンは空気が放電を受けると生成されるため、微量ではありますが、電気モーター、レーザープリンター、コピー機などから刺激臭や塩素のような臭いとして検出されます。 [ 10 ] 1840年にクリスチャン・フリードリヒ・シェーンバインによって「オゾン」と命名されました。[ 14 ]これは古代ギリシャ語のὄζειν（オゼイン：「嗅ぐ」）に、当時一般的に派生語を表す接尾辞-onを付加したもので、英語では-oneと表記されます。[ 15 ]
オゾンは熱力学的に不安定で、より一般的な二酸素形態に反応する傾向がある。これは、上層大気中の紫外線が酸素を分解して生成される原子状酸素と、無傷の酸素との反応によって生成される。[ 11 ]オゾンは紫外線を強く吸収し、成層圏では太陽の紫外線による変異原性やその他の有害な影響から生物圏を保護する役割を果たしている（オゾン層を参照）。[ 11 ]対流圏オゾンは、自動車の排気ガス中の二酸化窒素の光化学的分解によって地球の表面近くで生成される。[ 16 ]地上オゾンは、高齢者、子供、肺気腫、気管支炎、喘息などの心臓や肺の病気を持つ人にとって特に有害な大気汚染物質である。[ 17 ]免疫系は抗菌剤としてオゾンを生成する（下記参照）。[ 18 ]
循環オゾン
環状オゾンは理論的に予測されるO 3分子であり、その 3 つの酸素原子は開角ではなく正三角形に結合します。
テトラオキシゲン
四酸素は1900年代初頭から存在が疑われており、当時はオキソゾンとして知られていました。2001年、ローマ大学のフルビオ・カカチェ率いるチームによって特定されました。[ 19 ] O 4分子は、後にO 8として特定された固体酸素の相の一つであると考えられていました。カカチェのチームは、O 4はおそらく2つのダンベル状のO 2分子が誘起双極子分散力によって緩く結合しているのではないかと示唆しました。
ペンタオキシゲン
5酸素同素体の計算解析では、エンベロープ配座を持つシクロペンタンのような構造をとることが示唆されている。[ 20 ]
ヘキサオキシゲン
6酸素同素体の計算解析では、椅子型とねじれ型の配座を持つシクロヘキサンのような構造をとることが示唆されている。[ 20 ]
固体酸素の相
固体酸素には6つの異なる相が知られています。その一つは暗赤色のO8クラスターです。酸素は96GPaの圧力を受けると、水素と同様に金属状態になり[ 21 ] 、さらにセレン（元素状態ではピンク赤色）、テルル、ポロニウムなどのより重いカルコゲンに似た状態になります。これらはいずれも顕著な金属特性を示します。また、非常に低温では、この相は超伝導状態にもなります。
参考文献
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- ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). 「元素の標準原子量2021（IUPAC技術報告書）」 . Pure and Applied Chemistry . doi : 10.1515/pac-2019-0603 . ISSN 1365-3075 .
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さらに読む
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- スチュワートカ、アルバート（1998年）『元素のガイド』（改訂版）オックスフォード大学出版局。ISBN 0-19-508083-1。
- 一部については理論解析、その他については先導文献を参照：Gadzhiev, Oleg B.; Ignatov, Stanislav K.; Kulikov, Mikhail Yu.; Feigin, Alexander M.; Razuvaev, Alexey G.; Sennikov, Peter G.; Schrems, Otto (2013). 「共有結合型およびファンデルワールス型における酸素同素体O n ( n ≤ 6)の構造、エネルギー、振動周波数：CCSD(T)レベルでの第一原理計算」（PDF） . J. Chem. Theory Comput . 9 (1): 247– 262. doi : 10.1021/ct3006584 . PMID 26589027 .
