最終更新：2024年11月30日

酸素 (Z=8)：生命の息吹と惑星化学の設計者

酸素の発見の歴史

酸素は1770年代に複数の化学者によって独立して発見されました。スウェーデンの化学者カール・ヴィルヘルム・シェーレ（1742-1786）は1772年、さまざまな酸化物を加熱することで酸素を単離しましたが、その研究は1777年まで発表されませんでした。 1774年、イギリスの神学者・化学者ジョセフ・プリーストリー（1733-1804）は、レンズを使って太陽光を酸化水銀に集中させることで酸素を生成しました。彼はこのガスの中でろうそくがより活発に燃え、マウスがより長く生存することを観察しました。 アントワーヌ・ラヴォアジエ（1743-1794）が1775年から1780年にかけて、酸素の本質と燃焼および呼吸における役割を真に理解し、フロギストン説を覆しました。ラヴォアジエはこの元素をoxygène（ギリシャ語のoxys = 酸とgenes = 生成する）と名付け、誤ってすべての酸が酸素を含むと信じていました。この発見は近代化学の始まりをマークしました。

構造と基本的な性質

酸素（記号O、原子番号8）は周期表の16族（カルコゲン）に属する非金属で、8つの陽子、通常8つの中性子（最も一般的な同位体の場合）、および8つの電子から構成されます。 3つの安定同位体は酸素-16 \(\,^{16}\mathrm{O}\)（≈ 99.757%）、酸素-17 \(\,^{17}\mathrm{O}\)（≈ 0.038%）、酸素-18 \(\,^{18}\mathrm{O}\)（≈ 0.205%）です。
室温では、酸素は二原子分子（O₂）の形で存在し、無色、無臭、化学的に非常に反応性が高いです。 O₂分子は2つの不対電子を持つ独特の電子配置を持ち、常磁性（液体酸素は磁石に引き付けられる）を示します。酸素ガスは地球の大気の約21%を占め、好気性呼吸に不可欠です。 O₂ガスの密度は標準温度・圧力下で約1.429 g/Lです。
酸素はまた、オゾン（O₃）としても存在し、これは淡青色の三原子同素体で、特有の臭いを持ち、紫外線を強く吸収します。成層圏のオゾン層は有害な紫外線から地球上の生命を保護します。
液体と固体が共存できる温度（融点）：54.36 K（−218.79 °C）。液体から気体に変化する温度（沸点）：90.188 K（−182.962 °C）。液体酸素は特有の淡青色を示します。

酸素の同位体表

酸素の同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
酸素-15 — \(\,^{15}\mathrm{O}\,\)	8	7	15.003066 u	非天然	122.24 秒	β\(^+\)崩壊で \(\,^{15}\mathrm{N}\) になる；医療用陽電子放出断層撮影（PET）に使用。
酸素-16 — \(\,^{16}\mathrm{O}\,\)	8	8	15.994915 u	≈ 99.757 %	安定	超主要同位体；生化学と呼吸の基礎；原子質量の古い基準。
酸素-17 — \(\,^{17}\mathrm{O}\,\)	8	9	16.999132 u	≈ 0.038 %	安定	核スピンを持つ唯一の酸素同位体；酸素-17 NMR分光法に使用。
酸素-18 — \(\,^{18}\mathrm{O}\,\)	8	10	17.999160 u	≈ 0.205 %	安定	主要な古気候トレーサー；O-16との比率が過去の温度と氷の体積を明らかにする。
酸素-19 — \(\,^{19}\mathrm{O}\,\)	8	11	19.003580 u	非天然	26.464 秒	β\(^-\)崩壊で \(\,^{19}\mathrm{F}\) になる；加速器で人工的に生成。
その他の同位体 — \(\,^{12}\mathrm{O}-\,^{14}\mathrm{O},\,^{20}\mathrm{O}-\,^{28}\mathrm{O}\)	8	4-6, 12-20	— (共鳴状態)	非天然	\(10^{-21}\) — 13.51 秒	核物理学で観察される非常に不安定な状態；一部は中性子ハロー構造を示す。

酸素の電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.

酸素は8個の電子を持ち、これらは2つの電子殻に分布しています。酸素の完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁴、または簡略化すると[He] 2s² 2p⁴です。この配置はK(2) L(6)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁴として6個の電子が分布しています。2s軌道は完全ですが、2p軌道には6個のうち4個の電子しか含まれていません。したがって、ネオンの安定した8電子（オクテット）の配置を達成するためには、2個の電子が不足しています。

価電子と酸化状態

外殻（2s² 2p⁴）の6個の電子は酸素の価電子です。この配置は酸素の化学的性質を説明します：
酸素は2個の電子を得ることでO²⁻イオン（酸化状態-2）を形成し、酸化物中で最も一般的な状態となり、ネオンの安定した配置[Ne]を採用します。
酸素は過酸化物（H₂O₂、過酸化水素）やスーパーオキシド中で酸化状態-1を示すこともあります。
フッ素との化合物（OF₂）では、酸素は例外的に酸化状態+2を示し、酸素から電子を奪うことができる唯一の元素です。
酸化状態0は、二酸素O₂に対応し、酸素の自然な分子形態で、2つの酸素原子が二重結合で結びついています。

酸素の電子配置は6個の価電子を持ち、カルコゲン（16族）に分類され、フッ素（電気陰性度3.5）に次いで2番目に電気陰性度の高い元素です。この構造により、酸素は高い化学反応性（ほとんどすべての元素と反応）、強力な酸化力（フッ素に次ぐ）、およびオクテットを完成させるために2つの共有結合を形成する能力を持ちます。酸素は主にイオン化合物中で酸化物イオンO²⁻を形成しますが、電子を共有することで共有結合も形成できます。二酸素O₂は無色・無臭の常磁性ガスで、好気性生物の呼吸に不可欠です。その分子は2つの不対電子を持ち、常磁性と反応性を説明します。

酸素は基本的に重要です：地球の大気の約21％と地殻の質量の約46％（最も豊富な元素）を占めます。酸素は生命（細胞呼吸、ATPによるエネルギー生産）、燃焼、および無数の化学プロセスに不可欠です。酸素は工業的に金属製錬（鋼の生産）、溶接、化学プロセス、医療（酸素療法）で使用されます。オゾンO₃は同素体の一形態で、成層圏で地球を紫外線から保護します。

化学的反応性

酸素は6つの価電子を持ち、フッ素と塩素に次いで3番目に電気陰性度が高く、極めて強力な酸化剤です。酸素は、軽い希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン）を除くほとんどすべての化学元素と化合物を形成します。酸素は通常、2つの共有結合（H₂O、CO₂など）またはイオン化合物中の酸化物イオンO²⁻を形成します。

酸化反応（燃焼、呼吸、錆など）は、酸素への電子の移動を含みます。有機物の酸素による燃焼は、熱と光の形で大量のエネルギーを放出します。この高い反応性は、無数の自然および産業プロセスで利用されますが、酸素濃度の高い雰囲気は火災のリスクを大幅に増加させるため、潜在的に危険でもあります。

酸素は、軽い希ガスを除くすべての元素と酸化物を形成します。これらの酸化物は、塩基性（金属酸化物CaOなど）、酸性（非金属酸化物SO₂、CO₂など）、または両性（Al₂O₃など）です。水（H₂O）は最も重要な酸素化合物であり、地球の表面の71%を覆い、すべての既知の生命に不可欠です。

生物では、酸素は好気性細胞呼吸で使用され、有機分子（グルコース）を酸化してエネルギー（ATP）を生成します。この呼吸はまた、活性酸素種（フリーラジカル）を生成し、細胞を損傷する可能性があります。生物はこれに対する抗酸化システムを発達させています。パラドックスですが、好気性生命に不可欠な酸素は、高濃度では酸化毒でもあります。

酸素の産業および技術的応用

医療分野での酸素療法、麻酔、集中治療；
鋼の製造（酸素吹き込み製鋼法）による鉄の不純物除去；
ロケットエンジンの酸化剤（液体酸素を水素または灯油と混合）；
ガス溶接および切断；
廃水処理における酸素濃縮（曝気）；
化学製品（エチレン、プロピレン、エチレンオキシドなど）の生産；
製紙産業におけるパルプの漂白；
潜水艦、宇宙ステーション、宇宙服の生命維持システム；
産業燃焼プロセスにおける酸化剤としてのエネルギー効率の向上；
ガラス製造における高温達成のための酸素濃縮燃焼；
水の消毒および浄化（オゾン処理）；
水産養殖における適切な溶存酸素レベルの維持；
医療および産業廃棄物の焼却システムにおける酸化剤；
技術用ガラスおよびセラミックスの生産；
石炭のガス化および合成ガスの生産；
化学産業における有機化合物の触媒酸化；
繊維産業における漂白剤；
高圧酸素室における減圧症および特定の感染症の治療；
高高度（航空、登山）および水中潜水における呼吸；
非鉄金属（銅、亜鉛、ニッケル）の火法冶金による生産。

天体物理学と宇宙論における役割

酸素は観測可能な宇宙で3番目に豊富な元素（水素、ヘリウムに次ぐ）であり、宇宙的存在量で最初の重元素です。宇宙の総バリオン質量の約1%を占めます。原始元素（H、He、Li）とは異なり、酸素は完全に恒星核合成によって生成されます。

酸素は主に大質量星（8太陽質量以上）での炭素およびヘリウム燃焼過程によって合成されます。三重アルファ反応により炭素-12が生成され、それがヘリウム-4核を捕獲して酸素-16を形成します。より高温（約10億ケルビン）では、炭素の融合も酸素を生成します。大質量星は、玉ねぎのような層状構造を発達させ、異なる元素の燃焼ゾーンを含み、酸素に富む層を含みます。

酸素はタイプII超新星爆発時に星間物質中に大量に分散します。これらの破局的な出来事は、酸素に富む星の外層を数千キロメートル毎秒の速度で放出し、将来の世代の星や惑星のために星間物質を豊かにします。酸素は超新星によって放出される質量の相当部分を占め、これらの出来事を銀河酸素の主要な源としています。

星間物質中では、酸素は原子状態（O、O⁺、O⁺⁺）、分子状態（O₂、検出が困難で希少）、およびH₂O（水氷）、CO（一酸化炭素、H₂に次いで2番目に豊富な分子）、CO₂、OH、複雑な有機分子などの多くの分子に組み込まれた形で存在します。二重にイオン化された原子状酸素（O⁺⁺）は、惑星状星雲およびHII領域で特徴的なスペクトル線を放出し、天文学者が銀河内の酸素の分布をマッピングすることを可能にします。

¹⁶O/¹⁸Oの同位体比は、さまざまな天文オブジェクト（隕石、彗星、星間塵、太陽系前の粒子）で重要な情報を明らかにします。これは、異なるタイプの星における核合成過程と我々の銀河における化学的豊富化の歴史についての情報です。原始的隕石の特定の難揮発性包有物で発見された酸素の同位体異常は、太陽系を形成した物質に対する異なる恒星源の寄与を示しています。

惑星大気において、酸素は中心的な役割を果たします。地球上では、大気中の酸素（21%のO₂）はほぼ完全に生物起源であり、約24億年前から植物、藻類、シアノバクテリアによる光合成によって生成されてきました（「大酸化イベント」）。この酸素の蓄積は地球の化学を根本的に変え、複雑な好気性生命の進化を可能にしました。系外惑星の大気中での酸素分子およびオゾンの分光学的検出は、潜在的なバイオシグネチャーとなり得ますが、非生物的なプロセスも特定の条件下で酸素を生成する可能性があります。

N.B.：
「酸素のパラドックス」は、この必須元素の二重性を示しています。酸素分子（O₂）は好気性生物にとって絶対的に不可欠であり、ミトコンドリア呼吸を通じて効率的な細胞エネルギー生産を可能にします。しかし、酸素はまた強力な酸化毒でもあります：その反応性の高い派生物（スーパーオキシドラジカル、過酸化水素、ヒドロキシルラジカル）はタンパク質、脂質、DNAを損傷します。好気性生物は、酸素の毒性から身を守りながらそのエネルギーポテンシャルを利用するために、高度な抗酸化メカニズム（スーパーオキシドディスムターゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼなどの酵素；ビタミンCやEなどの抗酸化分子）を発達させる必要がありました。酸素はまた、時間の経過とともに蓄積する酸化損傷を通じて細胞の老化にも関与しています。この顕著な二重性—生命に不可欠でありながら同時に有毒—は、地球上の生命の複雑な進化の歴史と、酸素の莫大なエネルギーポテンシャルを利用するために必要な生物学的妥協を反映しています。