酸素 (Z=8): 生命の中心にある元素

生命と燃焼に不可欠な要素

L'酸素（記号O、原子番号8）は、カルコゲン族の非金属化学元素です。二酸素 (O₂) の形で地球の大気の約 21% を構成し、細胞の呼吸と燃焼反応において基本的な役割を果たしています。

重要なプロセスへの酸素の貢献

酸素分子 (O₂) は、大部分の真核生物の好気性細胞呼吸に不可欠です。ミトコンドリアの電子伝達系における最後の電子受容体として機能し、ATP の効率的な生産を可能にします。これが存在しない場合、細胞は発酵に頼らなければなりませんが、エネルギー効率が大幅に低下します。 欠乏の結果: 低酸素症、代謝障害、その後の急速な細胞死。したがって、酸素は短期間の生存に不可欠です。

発見の歴史

1771: カール・ヴィルヘルム・シェーレの実験
スウェーデンの化学者シェーレは、さまざまな金属酸化物を加熱することで酸素を生成しますが、結果の発表が遅れました。

1774年：ジョセフ・プリーストリーがガスを隔離
イギリスの化学者は、加熱した酸化水銀 (HgO) から純粋な酸素を入手します。彼は「解毒された空気」について話します。

1785: アントワーヌ・ラヴォアジエがその性質を定義
ラヴォアジエはフロギストン理論を否定し、酸素が呼吸と燃焼に関与する元素であることを証明しました。彼はギリシャ語から「酸素」という名前を導入しました。オキシス（酸）とジェノヴァ（生成）、それが酸の形成に必要であると誤って考えました。

原子構造

電子構成: 1s² 2s² 2p⁴
価電子:6 (p⁴ 配置)、2 つの共有結合でそのオクテットを完成する傾向があります。

同位体:

• ¹⁶O: 99.76%、安定した主要な天然同位体。
• ¹⁷O: 0.04%、安定、NMR および地球化学で使用されます。
• ¹⁸O: 0.20%、気候学における安定同位体トレーサー。

物理的性質

• 二原子ガス (O₂)、無色、無臭。
• モル質量: ≈ 31,998 g/mol
• 融点: 54.36 K (-218.79 °C)
• 沸点: 90.20 K (-182.96 °C)
• 密度 (0 °C、1 atm でのガス): ~1,429 g/L
• 常磁性: O₂ 内の 2 つの不対電子

化学反応性

• 強い酸化力：ほとんどの元素と反応します（酸化物の形成）。
• 発熱燃焼反応における酸化剤。
• 紫外線の作用によりオゾン (O₃) を形成し、成層圏で重要な役割を果たします。
• 有機化合物と反応します (生物学的酸化、細胞呼吸)。

産業および技術用途

• 呼吸器系（病院、ダイビング）で使用されます。
• 金属の切断と溶接（オキシカッティング）。
• 鉄鋼およびその他の金属の製造 (高炉、転炉)。
• 廃水処理（活性酸素化）。
• 極低温エンジンの酸化剤 (H₂ を使用)。

宇宙論的および天体物理学的役割

• 恒星の元素合成（大質量星におけるヘリウムの融合）中に生成されます。
• 地テル惑星の主成分（ケイ酸塩岩、酸化物）。
• 惑星状星雲、超新星、進化した星に存在します。
• スペクトル線 O I、O II、O III: 天体物理分光法の診断ツール。

根本的な身体的問題

• O2 分子: 分子軌道による共有結合の典型的な例。
• OM 理論によって記述される磁気特性 (常磁性)。
• 過去の気候を理解するための安定同位体の研究 (古気候学) に使用されます。
• 基本的な酸化還元バランスにおける役割 (高標準還元電位)。