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酸素

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/06/01 00:48 UTC 版)

酸素分子

物理的性質

酸素分子（英: dioxygen、化学式：O
2は、常温常圧では無色無臭で助燃性をもつ気体として存在する。分子量32.00、沸点−183 °C (90.1 K)、融点−218.9 °C (54.2 K)。水100 gに溶解する量は0 °Cで6.945 mg、25 °Cで3.931 mg、50 °Cで2.657 mg^[3]。液体酸素は淡青色を示し、比重は1.14である^[3]。基底状態の三重項状態では不対電子を持つため常磁性体である。また活性酸素の一種で反磁性である励起状態の一重項酸素も存在する。

構造

標準状態において一般の^[15]酸素は、2つの酸素原子が縮退した三重項の電子配置で化学結合した分子構造（三重項酸素分子）を持つ無色無臭の気体である。この結合次数は2であり、一般に二重結合^[16]、または1個の2電子結合と2個の3電子結合と表記される^[17]。三重項酸素分子とは電子の全スピン量子数が1となる状態で、具体的には2つの不対電子が酸素分子に2つあるπ^*反結合性軌道^[18]をひとつずつ占め、しかも同じ向きのスピンを取っている^[19]。このとき、酸素分子のエネルギーは基底状態にある^[20]。また、酸素分子の二重結合は反結合軌道にも電子が存在するため、結合軌道のみで電子を充足させる三重結合の窒素よりも安定さは下がり、また、2つの電子が対を作らずビラジカルとして存在するため、結果として酸素分子は窒素分子よりも少ないエネルギーでほかの物質と反応しやすくなる^[20]^[21]。

通常の三重項酸素分子は常磁性を持つ。これは、不対電子のスピン磁気モーメント（スピンの向きが同じ電子がπ*反結合性軌道に入る^[22]）とふたつの酸素分子間に働く交換相互作用による^[23]。液体酸素は磁石に吸いつけられ、実験では磁極間で自重を支えるに充分強い橋を作るほどである^[24]^[25]。

これに対し、外部から高エネルギーが加わり不対電子のひとつがスピンを逆方向へ変え^[26]、全スピン量子数が0となった酸素を一重項酸素といい、有機化合物との反応性が高い。自然界で一重項酸素は、光合成の過程で水から作られたり^[27]、対流圏で短波長の光によってオゾンの分解から発生したり^[28]、または免疫システムの中で活性酸素の原料として用いられたりする^[29]。

その他の特徴

熱力学的に反応性が高く不安定な分子ではあるが、地球上では初期には光合成を行う嫌気性菌により、のちの時代には植物の光合成によって年間約10¹¹トン^[5]供給され続けているため多量に存在する。酸素呼吸を行う生物によって消費される。実際、生命が発生する以前の原始大気では酸素分子はほとんど存在せず、二酸化炭素などほかの原子と結合した状態であった。現在の大気中の酸素分子はそのほぼすべてが光合成由来だと考えられている^[30]^{[注 4]}。逆に、ほかの天体の大気中に遊離酸素の存在が確認されれば、生命の存在する間接的証拠となると考えられている。

酸素は、呼吸をする生物によっては必須であるが、同時に有害でもある^[32]。呼吸の過程や光反応などで生じる活性酸素は、DNAなどの生体構成分子を酸化して変性させる^[33]。純酸素の長時間吸引は生体にとって有害である。未熟児網膜症の原因になったり、60%以上の高濃度酸素を12時間以上吸引すると、肺の充血などがみられ、最悪の場合、失明や死亡する危険性がある。

25 °Cで標準気圧下では、淡水は1 L中に酸素を6.04 mL含んでいるが、海水では1 Lあたり4.95 mLしか含んでいない^[34]。5 °Cでの溶解度は、淡水では9.0 mL/L、海水では7.2 mL/Lまで増加している。

液体酸素は液体空気を分留して得られ、強い酸化剤である^[3]。液体空気を放置すると、沸点の低い窒素が先に蒸発するため、酸素分子が濃縮される^[3]。1 Lの液化酸素が気化すると約800 Lの酸素ガスになる。

酸素は紫外線や無声放電などによってオゾン O
3へと変換される。また、酸素分子のイオンとしてスーパーオキシドアニオン O−
2とジオキシゲニル O+
2が知られている。

脚注

注釈

^ 質量においてはケイ素が次点であり、地殻の27.72 %を占める（ケイ素のイオン半径は酸素の3分の1以下であるため、体積は地殻の0.86 %である）^[11]。
^ 地殻の造岩鉱物の92 %はSiO₄の四面体を結晶構造の基本単位とする珪酸塩鉱物である^[11]。
^ 酸素分子は0.1–0.3 %、水は0.03 %^[13]。
^ 原初の地球大気にも、水蒸気が光分解されて発生するメカニズムが指摘されており、ごく微量ながら酸素ガスが存在した可能性はあるが、ほとんどはすぐ酸化反応で消費されるか、オゾンへ変化したものと思われ、いずれにしろ考慮に足る量ではなかった^[31]。
^ (0.36 g/分/人) × (60秒/時) × (24時/日) × (365日/年) × (70億人)/1000000 = 13.2億トン

出典

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h 桜井 (1997)、64頁。
^ ^a ^b ^c ^d ^e 玉尾、桜井、福山 (2010)、96-97頁。
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h 「水素」『12996の化学商品』化学工業日報、1996年、233-234頁。ISBN 4-87326-204-6。
^ 桜井 (1997)、64-65頁。
^ ^a ^b ^c ^d 桜井 (1997)、65頁。
^ 桜井 (1997)、33頁。
^ リー (1982)、241頁。
^ リー (1982)、292頁。
^ Emsley (2001).
^ 玉尾、桜井、福山 (2010)、付録周期表。
^ ^a ^b ^c 酒井 2003, pp. 48–49.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Cook & Lauer (1968).
^ 酒井 2003, p. 5.
^ 酒井 2003, pp. 5 & 17.
^ “βカロチンの活性酸素消去能力を測る”. 名古屋大学. 2010年5月28日閲覧。
^ “Molecular Orbital Theory”. Purdue University. 2008年1月28日閲覧。
^ Pauling, L. (1960). The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals : an introduction to modern structural chemistry (3rd ed.). Ithaca: Cornell University Press
^ 淵田吉男. “第15章分子の形成と性質” (PDF). 九州大学高等教育総合開発研究センター. 2010年5月28日閲覧。
^ “薬学用語解説【三重項酸素】”. 財団法人日本薬学会. 2010年5月28日閲覧。
^ ^a ^b Jakubowski, Henry. “Biochemistry Online”. Saint John's University. 2008年1月28日閲覧。
^ 関山明. “物性物理超入門編電子とイオン結合と共有結合”. 大阪大学大学院基礎工学研究科. 2010年5月28日閲覧。
^ 中里和郎. “第1回演習問題” (PDF). 名古屋大学大学院工学研究科. 2010年5月28日閲覧。
^ ^a ^b ^c Emsley (2001), p. 303.
^ “Demonstration of a bridge of liquid oxygen supported against its own weight between the poles of a powerful magnet”. University of Wisconsin-Madison Chemistry Department Demonstration lab. 2007年12月15日閲覧。
^ Oxygen's paramagnetism can be used analytically in paramagnetic oxygen gas analysers that determine the purity of gaseous oxygen. (“Company literature of Oxygen analyzers (triplet)”. Servomex. 2007年12月15日閲覧。)
^ 渡邉準. “活性酸素”. 名古屋大学システム自然科学研究科. 2010年5月28日閲覧。
^ Krieger-Liszkay, Anja (2005). “Singlet oxygen production in photosynthesis”. Journal of Experimental Botanics (Oxford Journals) 56 (411): 337-46. doi:10.1093/jxb/erh237. PMID 15310815.
^ Harrison, Roy M. (1990). Pollution: Causes, Effects & Control (2nd ed.). Cambridge: Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85186-283-7
^ Wentworth, Paul Jr. et al. (2002). “Evidence for Antibody-Catalyzed Ozone Formation in Bacterial Killing and Inflammation”. Science 298 (5601): 2195-2219. doi:10.1126/science.1077642. PMID 12434011.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f A・オレイニコフ「I. 地球進化を探る 3.地球大気の形成」『地球時計』（第一刷）講談社、1978年、21-35頁。
^ オレイニコフ (1978)、31頁。
^ ^a ^b 瀬名、太田 (2000)、19-21頁。
^ ^a ^b 瀬名、太田 (2000)、31-35頁。
^ Evans, David Hudson; Claiborne, James B. (2006). The Physiology of Fishes. CRC Press. pp. 88. ISBN 0-8493-2022-4
^ Fenical, William (September 1983). “Marine Plants: A Unique and Unexplored Resource”. Plants: the potentials for extracting protein, medicines, and other useful chemicals (workshop proceedings). DIANE Publishing. p. 147. ISBN 1428923977
^ Brown, Theodore L.; LeMay, Burslen (2003). Chemistry: The Central Science. Prentice Hall/Pearson Education. p. 958. ISBN 0130484504
^ Raven (2005), pp. 115-127.
^ Raven 2005
^ ^a ^b ^c 桜井 (1997)、68頁。
^ ^a ^b ^c Stwertka, Albert (1998). Guide to the Elements (revised ed.). Oxford University Press. pp. 48-49. ISBN 0-19-508083-1
^ ^a ^b ^c Emsley (2001), p. 298.
^ 瀬名らp.71-74 2.危険なエネルギープラントミトコンドリアの姿と働き酸素と活性酸素
^ 古市尚高. “植物病原菌の防御反応の誘導機構” (PDF). 新潟大学農学部. 2010年5月14日閲覧。
^ 吉岡博文・山溝千尋. “植物における活性酸素の役割とその誘導” (PDF). 文部科学省委託研究開発事業. 2010年5月14日閲覧。
^ “東邦大学医学部「呼吸器系」ユニット講義録８”. 2012年7月1日閲覧。
^ Freeman, Scott (2005). Biological Science, 2nd. Upper Saddle River: Prentice Hall. pp. 214, 586. ISBN 0-13-140941-7
^ Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. (2005). Biology (7th ed.). San Francisco: Pearson - Benjamin Cummings. pp. 522-523. ISBN 0-8053-7171-0
^ 長谷川政美、「系統樹をさかのぼって見えてくる進化の歴史」p102ほか、2014年10月25日、ベレ出版、ISBN 978-4-86064-410-9
^ 酸素に富む地球環境の持続期間は約10億年東邦大学
^ Jastrow, Joseph (1936). Story of Human Error. Ayer Publishing. p. 171. ISBN 0836905687
^ ^a ^b ^c ^d ^e Cook & Lauer (1968), p. 499.
^ 高橋士郎. “空気の発見”. 多摩美術大学. 2010年5月28日閲覧。
^ ^a ^b ^c Britannica contributors (1911). “John Mayow”. Encyclopaedia Britannica (11th ed.) 2007年12月16日閲覧。
^ ^a ^b World of Chemistry contributors (2005). “John Mayow”. World of Chemistry. Thomson Gale. http://www.bookrags.com/John_Mayow 2007年12月16日閲覧。
^ ^a ^b ^c ^d ^e Emsley (2001), p. 299.
^ Morris, Richard (2003). The last sorcerers: The path from alchemy to the periodic table. Washington, D.C.: Joseph Henry Press. ISBN 0309089050
^ ^a ^b ^c Emsley (2001), p. 300.
^ ^a ^b Parks, G. D.; Mellor, J. W. (1939). Mellor's Modern Inorganic Chemistry (6th ed.). London: Longmans, Green and Co
^ DeTurck, Dennis; Gladney, Larry and Pietrovito, Anthony (1997年). “The Interactive Textbook of PFP96”. University of Pennsylvania. 2008年1月28日閲覧。
^ Roscoe, Henry Enfield; Schorlemmer, Carl (1883). A Treatise on Chemistry. D. Appleton and Co.. pp. 38
^ ^a ^b Daintith, John (1994). Biographical Encyclopedia of Scientists. CRC Press. p. 707. ISBN 0750302879
^ Poland - Culture, Science and Media. Condensation of oxygen and nitrogen. Retrieved on 2008-10-04.
^ ^a ^b How Products are Made contributors (2002). “Oxygen”. How Products are Made. The Gale Group, Inc. http://www.answers.com/topic/oxygen 2007年12月16日閲覧。
^ ^a ^b “大陽日酸：事業紹介：酸素O2”. 大陽日酸. 2010年7月11日閲覧。
^ 日本国経済産業省・化学工業統計月報
^ Chieh, Chung. “Bond Lengths and Energies”. University of Waterloo. 2007年12月16日閲覧。
^ 桜井 (1997)、66頁。
^ 桜井 (1997)、67頁。
^ Stwertka, Albert (1998). Guide to the Elements (Revised ed.). Oxford University Press, p.49. ISBN 0-19-508083-1.
^ ^a ^b Cacace, Fulvio; Giulia de Petris, and Anna Troiani (2001). "Experimental Detection of Tetraoxygen". Angewandte Chemie International Edition 40 (21): 4062-65. doi:10.1002/1521-3773(20011105)40:21<4062::AID-ANIE4062>3.0.CO;2-X.
^ ^a ^b Ball, Phillip (2001-09-16). "New form of oxygen found". Nature News. Retrieved 2008-01-09.
^ Lundegaard, Lars F.; Weck, Gunnar; McMahon, Malcolm I.; Desgreniers, Serge and Loubeyre, Paul (2006). "Observation of an O8 molecular lattice in the phase of solid oxygen". Nature 443: 201-04. doi:10.1038/nature05174. Retrieved 2008-01-10., 201-04
^ Desgreniers, S; Vohra, Y. K. & Ruoff, A. L. (1990). "Optical response of very high density solid oxygen to 132 GPa". J. Phys. Chem. 94: 1117-22. doi:10.1021/j100366a020.
^ Shimizu, K.; Suhara, K., Ikumo, M., Eremets, M. I. & Amaya, K. (1998). "Superconductivity in oxygen". Nature 393: 767-69. doi:10.1038/31656.
^ ^a ^b Acott, C. (1999). “Oxygen toxicity: A brief history of oxygen in diving”. South Pacific Underwater Medicine Society journal 29 (3). ISSN 0813-1988. OCLC 16986801 2008年9月21日閲覧。.
^ Cook & Lauer (1968), p. 511.
^ Drack AV (1998). “Preventing blindness in premature infants”. N. Engl. J. Med. 338 (22): 1620-1. doi:10.1056/NEJM199805283382210. PMID 9603802.
^ “2005年代表選抜試験で出題された問題とその解説”. 国際生物学オリンピック日本委員会. 2010年5月28日閲覧。
^ Morgenthaler, G. W.; Fester, D. A.; Cooley, C. G. (1994). “As assessment of habitat pressure, oxygen fraction, and EVA suit design for space operations”. Acta Astronaut 32 (1): 39-49. doi:10.1016/0094-5765(94)90146-5. PMID 11541018.
^ Wade, Mark (2007年). “Space Suits”. Encyclopedia Astronautica. 2007年12月16日閲覧。
^ 鳥居啓之（川崎重工業）. “船外活動技術における生命維持技術の検討”. 宇宙航空研究開発機構. 2010年5月28日閲覧。
^ “宇宙服と船外活動”. 宇宙航空研究開発機構. 2010年5月28日閲覧。
^ ^a ^b Wilmshurst, P. (1998). “Diving and oxygen”. BMJ 317 (7164): 996-999. PMC 1114047. PMID 9765173.
^ Donald, Kenneth W. (1992). Oxygen and the Diver. England: SPA in conjunction with K. Donald. ISBN 1854211765
^ Donald, Kenneth W. (1947). “Oxygen Poisoning in Man: Part I”. British Medical Journal 1 (4506): 667-672. doi:10.1136/bmj.1.4506.667. PMC 2053251.
^ Donald, K. W. (1947). “Oxygen Poisoning in Man: Part II”. British Medical Journal 1 (4507): 712-717. doi:10.1136/bmj.1.4507.712. PMC 2053400.
^ Werley, Barry L., ed. (1991). "Fire Hazards in Oxygen Systems". ASTM Technical Professional training. Philadelphia: ASTM International Subcommittee G-4.05.
^ ^a ^b 駒宮功額「過剰酸素中の火災・爆発」『安全工学』第37巻第2号、安全工学会、1998年、122-127頁、doi:10.18943/safety.37.2_122。
^ 大気中酸素濃度の減少量から二酸化炭素の陸域生物圏吸収量の推定に成功（国立環境研究所）