8 O 酸素 15.999
非金属 p-block Period 2 Group 16

酸素

O · Element 8 · Chalcogens

The element that rusts iron, burns fuel and keeps you alive — and the most abundant element in the Earth's crust.

20°Cでの状態 気体
原子量 15.999 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s² 2p⁴
7N All 118 9F

構造

酸素原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質について酸素が118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 0.001 g/cm³ 3%
融点 54.4 K 4%
沸点 90.2 K 6%
比熱 0.918 J/g·K
熱伝導率 0.03 W/m·K 6%

原子

原子半径 60 pm 3%
共有結合半径 66 pm
ファンデルワールス半径 152 pm

電子

電気陰性度 3.44 99%
イオン化エネルギー 1314.1 kJ/mol 95%
電子親和力 140.9 kJ/mol 83%

存在

地殻中の存在度 461000 mg/kg 100%

同定

元素記号O
原子番号8
原子量15.999 u
分類非金属
ブロックp
結晶構造立方晶
酸化数-2, -1, 0, +1, +2
発見年1774
発見者Joseph Priestley and Carl Wilhelm Scheele

出典：IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a 酸素 atom?

Radius 60 pm — that is 0.06 nm, so about 8333 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

酸素 is liquid over a 36 K window, from 54 K to 90 K.

位置

表での位置

酸素 sits in period 2, group 16. Everything in group 16 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 非金属

1H 6C 7N 15P 16S 34Se
All 非金属

物語

酸素とは何か、そしてどのように発見されたか

生命の息吹

酸素は、宇宙で3番目に豊富な元素であり、地球の地殻では最も豊富な元素です。大気の概要21％、地球の質量のほぼ50％を占めています。この反応性が非常に高く、無色無臭の気体は、細胞呼吸の過程を通じて、地球上のほとんどの生命体にとって不可欠です。

1770年代にCarl Wilhelm ScheeleとJoseph Priestleyによってそれぞれ独立に発見された酸素は、燃焼と呼吸に関する私たちの理解を一変させました。その名前は、ギリシャ語の「oxys」（酸）と「genes」（生み出すもの）に由来し、すべての酸は酸素を含むと考えたAntoine Lavoisierの誤った信念を反映しています。

豆知識：今日私たちが呼吸している酸素は、主に古代のシアノバクテリアが数十億年にわたる光合成によって生み出したもので、地球の大気を根本的に変化させ、複雑な生命の進化を可能にしました。

酸素にはいくつかの同素体が存在し、二酸素（O₂）は私たちが呼吸する形態で、オゾン（O₃）は成層圏に保護層を形成しています。産業では、酸素は燃焼工程や鉄鋼生産を支え、数え切れないほど多くの化学反応で酸化剤として機能します。

私たちが飲む水（H₂O）から地球の地殻中の鉱物まで、酸素はほぼすべての他の元素と化合物を形成するため、化学、生物学、地質学の基礎となっています。酸素の独特な電子配置は、特徴的な反応性と二重結合を形成する能力をもたらし、有機化学と生命現象に不可欠です。

用途

酸素の用途

産業用途と製造

鉄鋼および金属の生産

酸素の最大の産業用途は鉄鋼製造であり、効率と品質を大幅に向上させます。

  • 転炉（BOF） - 溶融した鉄に純酸素を吹き込み、炭素を除去します。数時間かかる工程を30-40分で行い、高品質の鋼を生産します
  • 電気アーク炉（EAF） - 酸素を吹き込むことで溶解速度が上がり、鉄スクラップのリサイクルにおけるエネルギー効率が向上します
  • 切断および溶接 - 酸素アセチレン炎および酸素燃料バーナーは3,500°Cを超える温度に達し、金属を精密に切断できます
  • 銅の製錬 - 酸素富化により燃料消費量が減少し、生産速度が向上します
  • アルミニウムの生産 - 酸素はアルミニウムの精製工程で不純物の除去を助けます

化学品の製造と処理

酸素は、多くの産業工程で重要な酸化剤として利用されています。

  • エチレンオキシドの生産 - エチレンを直接酸化することで、不凍液やプラスチックの製造に使われる重要な化学中間体を生産します
  • 塩化ビニルの合成 - 酸素を利用した工程により、PVCプラスチック生産の前駆体を生成します
  • プロピレンオキシドの製造 - ポリウレタンフォームやプロピレングリコールの生産に不可欠です
  • 二酸化チタンの生産 - 酸素は、塗料、プラスチック、紙に使われる白色顔料の生成を助けます
  • 過酸化水素の合成 - アントラキノン法では酸素を使って、この用途の広い酸化剤を生産します

パルプおよび製紙産業

酸素は、環境に配慮した漂白によって製紙業を革新しました。

  • 酸素脱リグニン - 塩素化合物を使わずに木材パルプからリグニンを除去します
  • オゾン漂白 - 環境への影響を最小限に抑えながら、明るく白い紙を生成します
  • 過酸化水素漂白 - 酸素を利用した漂白により、高品質な再生紙を製造します
  • 生物処理 - 酸素は製紙工場の排水中にある有機汚染物質の細菌による分解を促進します

廃水処理と環境への用途

酸素を利用した技術は水を浄化し、汚染を低減します。

  • 活性汚泥法 - 好気性細菌が酸素を使って有機汚染物質を分解します
  • オゾン処理 - オゾン（O₃）が細菌、ウイルス、有機汚染物質を破壊します
  • 高度酸化プロセス - 酸素化合物から生成したヒドロキシルラジカルが、残留性の高い汚染物質を除去します
  • 地下水の浄化 - 酸素を注入して土壌汚染物質の生分解を促進します
  • 水産養殖 - 酸素を注入し、集約的な養殖環境で魚の健康を維持します

航空宇宙とロケット推進

液体酸素（LOX）は、最も広く使われているロケット用酸化剤です。

  • スペースシャトル計画 - LOXと液体水素が主エンジンを動かしました
  • SpaceX Falconロケット - 液体酸素を酸化剤として、RP-1燃料を使用します
  • Blue Origin - BE-4エンジンは液体酸素とともにメタンを燃焼させます
  • 生命維持システム - 宇宙船や宇宙ステーションで酸素を生成し、再利用します
  • 極超音速飛行 - スクラムジェットエンジンは高速推進のために大気中の酸素を利用します

ガラス製造

酸素燃焼により、ガラス生産の効率と品質が向上します。

  • 酸素燃料炉 - 純酸素による燃焼は、より少ない燃料で高温に達します
  • 排出量の削減 - 空気燃焼と比較してNOxの生成量が少なくなります
  • ガラス品質の向上 - 高温により、より良好な溶解と均質化が可能になります
  • エネルギー効率 - 従来型の炉と比較して燃料消費量を15-50%削減します

医療およびヘルスケアへの応用

医療用酸素療法

  • 呼吸療法 - 肺炎、COPD、喘息、COVID-19患者の治療
  • 救急医療 - ショック、心停止、重度の外傷に対する第一選択治療
  • 麻酔 - 手術中に吸入麻酔薬を運ぶ気体
  • 未熟児のケア - 新生児集中治療室で酸素濃度を慎重に管理
  • 在宅酸素療法 - 慢性呼吸器疾患の患者向け携帯型酸素濃縮器
  • 高気圧酸素療法 - 一酸化炭素中毒や創傷治癒のための高圧酸素治療

日常の消費者向け用途

  • 飲料水の処理 - オゾン処理により世界各地の水道水を浄化
  • プールの衛生管理 - オゾン発生器により薬品を使わずに水を消毒
  • 空気清浄 - オゾン発生器により自動車、家庭、ホテルの臭いを除去
  • 食品保存 - 調整雰囲気包装により生鮮食品の保存期間を延長
  • 水族館の維持管理 - 酸素ポンプとエアレーターで魚の健康を維持
  • ワイン製造 - マイクロオキシジェネーションによりワインの風味と熟成特性を改善

自動車および輸送

  • 酸素センサー - ラムダセンサーにより現代のエンジンの空燃比を最適化
  • 触媒コンバーター - 酸素を使って車両からの有害な排出物を低減
  • 緊急用酸素システム - 客室の減圧時に使用する航空機の乗客用酸素マスク
  • 自動車の溶接 - 車両の修理や復元に用いる酸素アセチレン溶接
  • レーシング用途 - 亜酸化窒素（N₂O）システムで酸素を注入し、エンジン出力を向上

スポーツおよびフィットネス

  • 運動能力の向上 - パフォーマンス向上が期待される酸素バーや缶入り酸素
  • 高地トレーニング - 薄い空気への順応のための補助酸素
  • ダイビング用途 - ナイトロックス（酸素を多く含む空気）により水中滞在時間の制限を延長
  • 回復療法 - 運動後の酸素療法により疲労が軽減されるとされています
  • 登山 - 極限の高地遠征のための補助酸素

美容およびウェルネス

  • 酸素フェイシャル - 肌の見た目を若返らせるとうたうスパトリートメント
  • 酸素療法センター - 高濃度酸素の吸入を提供するウェルネス施設
  • ヘアケア製品 - 髪の脱色や染色に用いる過酸化水素
  • 歯のホワイトニング - 過酸化水素を基剤とするホワイトニング治療
  • 創傷ケア - 小さな切り傷や擦り傷の洗浄に用いる過酸化水素

芸術および工芸

  • ガラス吹き - ガラスの成形や加工に用いる酸素バーナー
  • 宝飾品製作 - 貴金属のろう付けに用いる酸素プロパンバーナー
  • 金属彫刻 - 鋼やその他の金属の切断と成形
  • 陶器の施釉 - 酸化雰囲気により特定の釉薬の色や効果を生み出す
  • 鍛冶 - より高い温度を得るために炉へ酸素を注入

科学および教育

  • 実験室での実験 - 燃焼、酸化、細胞呼吸を研究
  • 学校での実演 - 酸素の性質を示す古典的な実験
  • 研究への応用 - 生物学的研究のための調整雰囲気チャンバー
  • 分析化学 - 有機化合物の組成を決定するための燃焼分析
  • 環境モニタリング - 水質検査における溶存酸素の測定

由来

天然での存在

461000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 100% of elements

宇宙における存在度と天然の供給源

宇宙および恒星における起源

酸素は宇宙で3番目に存在度が高い元素です。すべての原子の約1%を占めています。主に大質量星における恒星元素合成によって形成されます。

  • アルファ過程 - 恒星内のケイ素燃焼によって、核融合反応で酸素が生成されます
  • ヘリウム燃焼 - 赤色巨星内のトリプルアルファ過程で炭素が生成され、その炭素がヘリウムと融合して酸素を形成します
  • 超新星元素合成 - 恒星の爆発的な死によって、酸素が銀河全体にまき散らされます
  • 恒星風 - 進化した恒星が星間物質を酸素で継続的に濃縮します

太陽系内の酸素は、約46億年前に酸素を豊富に含む分子雲が重力崩壊して形成されました。

大気中の存在度

地球の大気には体積比で20.946%の酸素が含まれており、窒素に次いで2番目に存在度の高い大気中の気体です。この巨大な貯蔵庫には、約1.2 × 10¹⁵トンの酸素ガスが含まれています。

驚くべき事実：大気中の酸素はほぼすべて生物由来であり、数十億年にわたって光合成生物が生成してきたものです。24億年前の大酸化イベントによって、地球の大気は根本的に変化しました。

大気中の酸素循環には、次の間での絶え間ない交換が関係しています。

  • 光合成 - 植物、藻類、シアノバクテリアが年間約3300億トンのO₂を生成します
  • 呼吸 - 生物が細胞のエネルギー生産のために酸素を消費します
  • 燃焼 - 自然火災や人為的な火災が大気中の酸素を消費します
  • 化学風化 - 岩石の酸化によって、大気中から酸素がゆっくりと取り除かれます

地殻およびリソスフェアにおける存在度

酸素は地球の地殻に最も多く存在し、重量比で約46.1%を占めています。そのため、固体地球で最も存在度の高い元素です。主な酸素含有鉱物には次のものがあります。

ケイ酸塩鉱物（地殻の95%）

  • 石英（SiO₂） - 純粋な二酸化ケイ素で、砂岩や花崗岩に豊富に含まれます
  • 長石族 - カリウム、ナトリウム、カルシウムのアルミノケイ酸塩です
  • 輝石および角閃石 - 鉄、マグネシウム、カルシウムのケイ酸塩です
  • かんらん石（(Mg,Fe)₂SiO₄） - 地球の上部マントルに多く存在します
  • 粘土鉱物 - 含水アルミニウムおよびマグネシウムのケイ酸塩です

酸化鉱物

  • 赤鉄鉱（Fe₂O₃） - 主要な鉄鉱石鉱物です
  • 磁鉄鉱（Fe₃O₄） - 磁性をもつ酸化鉄です
  • コランダム（Al₂O₃） - 酸化アルミニウムです（サファイアやルビー）
  • 金紅石（TiO₂） - 二酸化チタンです
  • 赤銅鉱（Cu₂O） - 銅の酸化鉱石です

炭酸塩鉱物

  • 方解石（CaCO₃） - 石灰岩や大理石の主成分です
  • 苦灰石（CaMg(CO₃)₂） - 炭酸カルシウムマグネシウムです
  • 菱鉄鉱（FeCO₃） - 炭酸鉄です

水圏における分布

水（H₂O）は質量比で88.8%の酸素を含むため、地球の水圏は巨大な酸素貯蔵庫となっています。

  • 海洋 - 約1.2 × 10¹⁶トンの酸素を含む13.7億km³
  • 氷床および氷河 - 2440万km³の凍結した水
  • 地下水 - 世界中の帯水層に存在する2340万km³
  • 湖沼および河川 - 178,000km³の淡水の表流水
  • 大気中の水蒸気 - 絶えず循環している12,900km³

天然水に溶存する酸素

水生生態系は、溶存酸素（DO）濃度に依存しています。

  • 冷たい淡水 - 0°Cで最大14.6 mg/Lです（氷のように冷たい山間の渓流）
  • 温帯の湖 - 気温による季節変動があり、8-12 mg/Lです
  • 熱帯の水域 - 温暖な表層水で6-8 mg/Lです
  • 海水 - 6-8 mg/Lで、温度と塩分濃度によって変化します
  • 深海 - 酸素極小帯で2-6 mg/Lです

生物による酸素生成

光合成生物は、地球の酸素の究極的な供給源です。

  • 海洋植物プランクトン - 地球の酸素の50-85%を生成します
  • 熱帯雨林 - アマゾン熱帯雨林は大気中の酸素の約20%を生成します
  • 亜寒帯林 - 北方の針葉樹林が大きく貢献しています
  • 草原および農作物 - 農地や草原です
  • シアノバクテリア - 海洋環境と淡水環境の両方に生息する藍藻です

地球外の酸素

酸素は太陽系全体と宇宙に広く存在しています。

  • 火星の大気 - 酸素が0.13%含まれ、主にCO₂の光解離に由来します
  • エウロパの大気 - 水の氷の放射線分解によって薄い酸素大気が生じています
  • 彗星 - 水の氷に凍結した酸素が含まれています
  • 隕石 - 酸化鉱物が初期の太陽系についての手がかりを与えます
  • 系外惑星の大気 - 生物存在の可能性を示すバイオシグネチャーとして、酸素の特徴が探されています

取り扱い

安全性

安全性に関する情報と取り扱い上の注意

極めて高い火災危険：酸素は燃焼を大幅に促進し、油、グリース、有機物質と接触すると爆発的な火災を引き起こすおそれがあります。酸素が濃化した環境では、通常は燃えにくい物質も激しく燃焼します。

火災および爆発の危険

酸素が燃焼に果たす役割は、重大な安全性上のリスクを生じさせます：

  • 燃焼の促進 - 純酸素中では物質が3-5倍速く燃焼します
  • 発火温度の低下 - 多くの物質ははるかに低い温度で発火します
  • 爆発の可能性 - 高圧酸素に油やグリースが接触すると爆発するおそれがあります
  • 衣類の火災 - 合成繊維は酸素が豊富な環境で極めて燃えやすくなります
  • 高温の表面 - たばこ、火花、高温の金属が激しい燃焼を引き起こすおそれがあります

高圧酸素の危険

危険：高圧酸素システムは、爆発的な減圧、重度のやけど、死亡を引き起こすおそれがあります。油やグリースで汚染された機器では、決して酸素を使用しないでください。

圧縮酸素の安全対策：

  • シリンダーの取り扱い - 直立した状態で固定し、バルブを保護し、適切な調整器を使用してください
  • 圧力試験 - 定格圧力を決して超えず、機器を定期的に点検してください
  • 清浄なシステム - 油、グリース、炭化水素を含まない酸素用清浄部品を使用してください
  • 適合材料 - 酸素に適合するシール、潤滑剤、部品だけを使用してください
  • ゆっくり開く - 断熱加熱を防ぐため、バルブはゆっくり開いてください

医療用酸素の安全性

医療現場での酸素投与には、注意深い監視が必要です：

  • 酸素毒性 - 高濃度（>60%）の酸素に長時間さらされると、肺が損傷するおそれがあります
  • 未熟児網膜症 - 過剰な酸素は未熟児に失明を引き起こすおそれがあります
  • 吸収性無気肺 - 100%酸素は肺の虚脱を引き起こすおそれがあります
  • 火災の危険 - 酸素療法用機器の近くでは、喫煙や裸火の使用を禁止してください
  • 適切な投与量 - 医師が処方した流量と濃度だけを使用してください

職業ばく露限界

職場の酸素に関するOSHAおよび規制基準：

  • 安全な酸素濃度範囲 - 職場の空気中で19.5%から23.5%
  • 酸素欠乏 - 19.5%未満では、供給空気の使用または避難が必要です
  • 酸素濃化 - 23.5%を超えると、火災および爆発の危険が生じます
  • 閉鎖空間 - タンク、容器、密閉区域では継続的な監視が必要です
  • 火気使用許可 - 酸素が濃化した区域で溶接や切断を行う場合は、特別な注意が必要です

極低温酸素の危険

-183°Cの液体酸素（LOX）には、さらなる危険があります：

  • 重度の凍傷 - 皮膚に接触すると瞬時に組織が損傷します
  • 蒸気の膨張 - LOX 1リットルは気体860リットルに膨張します
  • 容器内圧 - 密閉容器は圧力の蓄積によって爆発するおそれがあります
  • 有機物質との反応 - LOXは有機物質とともに爆発するおそれがあります
  • PPEの要件 - 断熱手袋、安全眼鏡、防護服

応急処置と緊急対応

酸素に関する事故への緊急手順：

  • 酸素火災 - 酸素供給源を遮断し、区域から避難して、消防署に通報してください
  • 酸素毒性 - 酸素濃度を下げ、新鮮な空気を供給し、医療機関を受診してください
  • 極低温によるやけど - ぬるま湯で患部を徐々に温めてください
  • LOXの眼への接触 - 15分間、ぬるま湯で洗い流してください
  • システムの漏れ - 区域を換気し、発火源を取り除き、安全が確保されてから修理してください

環境および廃棄に関する考慮事項

環境への影響と廃棄物管理：

  • 大気への放出 - 酸素は大気中に安全に放出できます
  • 水への排出 - 溶存酸素は水生環境に有益です
  • 容器の廃棄 - 空のシリンダーには適切な表示を付け、リサイクルする必要があります
  • 機器の除染 - 酸素用機器には適切な洗浄手順を実施してください
  • 漏出への対応 - LOXの漏出には、避難と火災予防対策が必要です

輸送時の安全性

酸素輸送に関するDOT規則：

  • 危険物分類 - 酸化性を持つクラス2.2（不燃性ガス）
  • 輸送要件 - 適切な表示、包装、書類が必要です
  • 車両の制限 - トンネルの通行や住宅区域での輸送に制限があります
  • 緊急対応 - 輸送事故時にはCHEMTRECのお問い合わせ情報を使用してください
  • 運転者の訓練 - 酸素輸送には特別な認証が必要です

簡単な回答

酸素：よくある質問

What is 酸素?

酸素 (symbol O) is element 8 on the periodic table, a 非金属 in period 2, group 16. The element that rusts iron, burns fuel and keeps you alive — and the most abundant element in the Earth's crust. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of 酸素?

酸素's ground-state electron configuration is [He] 2s² 2p⁴, giving 2 occupied shells holding 2, 6 electrons respectively. Its outer shell holds 6 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 酸素?

酸素 melts at 54.4 K (-218.8 °C) and boils at 90.2 K (-182.9 °C).

What is the atomic mass of 酸素?

The standard atomic weight of 酸素 is 15.999 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 酸素?

酸素 is a gas at room temperature; its density is about 1.429 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly heavier than air.

What is the electronegativity of 酸素?

酸素 has a Pauling electronegativity of 3.44. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this high means it tends to pull electrons away from almost anything it bonds with.

Who discovered 酸素, and when?

酸素 was discovered in 1774 by Joseph Priestley and Carl Wilhelm Scheele. It is named after greek oxys + genes, "acid-former".

How common is 酸素 on Earth?

酸素 makes up about 46.1% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.

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