酸素：プロパティ、構造、リスク、用途 - 化学

酸素カルコゲン：O.グループ16を導く反応性の高いガスであるシンボルによって表される化学元素です。この名前は、硫黄と酸素がほとんどすべての鉱物に存在するという事実に起因しています。

その高い電気陰性度は、電子に対するその貪欲を説明します。それは、それを多数の元素と組み合わせることにつながります。これは、地球の地殻を豊かにする広範囲の鉱物酸化物がどのように生じるかです。したがって、残りの酸素が構成され、大気が通気性になります。

酸素はしばしば空気や水と同義ですが、岩や鉱物にも含まれています。出典：Pxhere。

酸素は、水素とヘリウムに次いで、宇宙で3番目に豊富な元素であり、地球の地殻の質量による主成分でもあります。それは、地球の大気の20.8％の体積パーセントを持ち、水の質量の89％を表します。

それは通常2つの同素形を持っています：自然界で最も一般的な形である二原子酸素（O ₂）と成層圏で見られるオゾン（O ₃）。しかし、他の2つ（O ₄およびO ₈）が存在し、それらは液相または固相に存在し、非常に大きな圧力がかかります。

酸素は、植物プランクトンと陸上植物によって行われる光合成のプロセスを通じて常に生成されます。生産されると放出され、生物が使用できるようになりますが、一部は海に溶けて水生生物を維持します。

したがって、それは生物にとって不可欠な要素です。それを形成するほとんどの化合物や分子に存在するだけでなく、すべての代謝プロセスに介入するからです。

その分離は論争の的に1774年にカール・シーレとジョセフ・プリストリーに起因するとされていますが、酸素が実際に1608年にマイケル・センディボギウスによって初めて分離されたとの指摘があります。

このガスは、呼吸困難のある患者の生活状態を改善するために医療行為で使用されます。同様に、酸素は、大気中の酸素へのアクセスが低下している、または利用できない環境で人々が機能を果たすことを可能にするために使用されます。

商業的に生産された酸素は、主に冶金産業で鉄を鋼に変換するために使用されます。

歴史

ニトロアリアルスピリット

1500年、レオナルドダヴィンチは、紀元前2世紀に行われたビザンティウムのフィロの実験に基づいています。C.は、空気の一部が燃焼と呼吸の間に消費されたと結論付けました。

1608年、Cornelius Drebbleは、サルペトル（硝酸銀、KNO ₃）を加熱するとガスが発生することを示しました。このガスは、後で知られるように、酸素でした。しかし、ドレブルはそれを新しいアイテムとして識別することができませんでした。

その後、1668年にジョンマジョーは、「Spiritus nitroaerus」と呼んだ空気の一部が火災の原因であり、呼吸と物質の燃焼中にも消費されたと指摘しました。マジョーは、ニトロアリアルスピリットがないと物質が燃えないことを観察した。

マジョーはアンチモンの燃焼を行い、燃焼中にアンチモンの重量の増加を観察しました。それで、マジョーはアンチモンがニトロアリアルスピリットと組み合わさったと結論しました。

発見

科学界の認識は得られませんでしたが、生涯または死後、Michael Sandivogius（1604）が酸素の真の発見者である可能性があります。

Sandivogiusは、硝酸カリウムの熱分解を引き起こしたスウェーデンの錬金術師、哲学者、および医師でした。彼の実験は彼を酸素の放出に導きました、そしてそれは彼が「Cibus vitae」と呼んだ：生命の食物。

1771年から1772年の間に、スウェーデンの化学者カールWシェーレは、硝酸カリウム、酸化マンガン、酸化水銀などのさまざまな化合物を加熱しました。シーリーは、燃焼を増加させるガスがそれらから放出されたことを観察し、彼はそれを「火の空気」と呼んだ。

ジョセフ・プリーストリーの実験

1774年、イギリスの化学者ジョセフ・プリーストは、太陽光を集めた12インチの拡大鏡を使用して水銀酸化物を加熱しました。酸化水銀はキャンドルを通常よりもはるかに速く燃焼させるガスを放出しました。

さらに、司祭はガスの生物学的効果をテストしました。これを行うために、彼は15分間生き残ると期待していた閉じた容器にマウスを入れました。しかし、ガスの存在下では、推定よりも長く1時間生き残りました。

司祭は1774年に彼の結果を発表しました。シェールは1775年にそうしたのです。このため、酸素の発見はしばしば司祭に帰されました。

空気中の酸素

フランスの化学者であるアントワーヌラヴォイジエ（1777）は、空気に20％の酸素が含まれており、物質が燃焼すると実際には酸素と結合することを発見しました。

Lavoisierは、燃焼中に物質が経験する見かけの重量増加は、空気中で発生する重量損失によるものであると結論付けました。酸素がこれらの物質と結合し、したがって反応物の質量が保存されたためです。

これにより、Lavoisierは物質保存の法則を確立することができました。ラヴォイジエは、根の酸の「オキシス」と「遺伝子」の形成に由来する酸素の名前を提案しました。つまり、酸素は「酸形成」を意味します。

すべての酸が酸素を含むわけではないので、この名前は間違っています。たとえば、ハロゲン化水素（HF、HCl、HBr、およびHI）。

ダルトン（1810）は水に化学式HOを割り当てたため、酸素の原子量は8でした。水の正しい式はH ₂ Oであり、酸素の原子量は16です。

物理的及び化学的性質

外観

無色、無臭、無味のガス。オゾンは刺激臭があります。酸素は燃焼を促進しますが、それ自体は燃料ではありません。

液体酸素。出典：米空軍、スタッフ軍曹ニカ・グラバー

液体の形（上の画像）は淡い青色で、結晶も青みがかっています。ただし、ピンク、オレンジ、さらには赤みを帯びた色調を取得できます（構造のセクションで説明します）。

原子量

15,999 u

原子番号（Z）

8。

融点

-218.79°C

沸点

-182.962°C

密度

通常の条件下：1,429 g / L 酸素は空気よりも密度の高いガスです。また、熱と電気の伝導が悪い。そして、その（液体）沸点では、密度は1.141 g / mLです。

三重点

54.361 Kおよび0.1463 kPa（14.44 atm）。

クリティカルポイント

154.581 Kおよび5.043 MPa（49770.54 atm）。

融合熱

0.444 kJ / mol。

気化熱

6.82 kJ / mol。

モルカロリー容量

29.378 J /（mol・K）。

蒸気圧

90 Kの温度では、986.92 atmの蒸気圧になります。

酸化状態

-2、-1、+ 1、+ 2。最も重要な酸化状態は-2（O ^2-）です。

電気陰性

ポーリングスケールの3.44

イオン化エネルギー

最初：1,313.9 kJ / mol。

第二：3,388.3 kJ / mol。

第三：5,300.5 kJ / mol。

磁気秩序

常磁性。

水溶性

水への酸素の溶解度は、温度が上昇するにつれて低下します。例：14.6 mLの酸素/ Lの水は0ºCで溶解し、7.6 mLの酸素/ Lの水は20ºCで溶解します。飲料水中の酸素の溶解度は海水よりも高いです。

温度が25ºC、圧力が101.3 kPaの条件では、飲料水には6.04 mLの酸素/ Lの水が含まれます。一方、海水の水はわずか4.95 mLの酸素/ Lの水です。

反応性

酸素は、室温と高温でほとんどすべての元素と直接反応する反応性の高いガスです。銅よりも還元電位が高い金属を除く。

また、化合物と反応して、それらに含まれる元素を酸化することもできます。これは、例えばグルコースと反応して水と二酸化炭素を生成するときに起こります。または木または炭化水素が燃えるとき。

酸素は完全または部分的な移動によって電子を受け入れることができるため、酸化剤と見なされます。

酸素の最も一般的な酸化数または状態は-2です。この酸化数では、水（H ₂ O）、二酸化硫黄（SO ₂）、二酸化炭素（CO ₂）に含まれます。

また、アルデヒド、アルコール、カルボン酸などの有機化合物。H ₂ SO ₄、H ₂ CO ₃、HNO ₃などの一般的な酸。およびその派生塩：Na ₂ SO ₄、Na ₂ CO ₃またはKNO ₃。それらのすべてにおいて、O ^2-の存在を仮定することができた（これは有機化合物には当てはまらない）。

酸化物

酸素は、金属酸化物の結晶構造ではO ^2-として存在します。

一方、このような超酸化カリウム（KOなどの金属スーパーオキシドで₂）、酸素はOとして存在する₂^-イオン。金属過酸化物、つまり過酸化バリウム（BaO ₂）の場合、酸素はO ₂^2-（Ba ²⁺ O ₂^2-）イオンとして現れます。

同位体

酸素は、3つの安定同位体があります：¹⁶ O、99.76パーセントの豊富なの。¹⁷ 0.04％とO、。および¹⁸ O、0.20％を有します。¹⁶ Oは、断然最も安定して豊富な同位体であることに注意してください。

構造と電子構成

酸素分子とその相互作用

二原子酸素分子。出典：Claudio Pistilli

基底状態の酸素は、その電子配置が次のような原子です。

2s ² 2p ⁴

原子価結合理論（TEV）によれば、2つの酸素原子が共有結合し、両方が別々に原子価オクテットを完成させます。2p軌道からの2つの孤立電子をペアリングできることに加えて。

このようにして、二重結合（O = O）を持つ₂原子酸素分子O ₂（上の画像）が表示されます。そのエネルギー安定性は、酸素が気相中の個々の原子としてではなく、分子として見つかるほどです。

O ₂は同核、線形、対称であるため、永久的な双極子モーメントがありません。したがって、それらの分子間相互作用は、分子量とロンドンの散乱力に依存します。これらの力は酸素に対して比較的弱いため、地球条件下でそれがガスである理由が説明されます。

ただし、温度が下がったり圧力が上昇したりすると、O ₂分子は強制的に合体します。それらの相互作用が重要になり、液体または固体酸素の形成を可能にする点まで。それらを分子的に理解しようとするためには、構造単位としてのO ₂を見失うことがないようにする必要があります。

オゾン

酸素は他のかなり安定した分子構造を採用できます。つまり、自然界（または実験室）でさまざまな同素体の形で見られます。たとえば、オゾン（下の画像）、O ₃は、酸素の2番目によく知られている同素体です。

オゾン分子の球と棒のモデルで表される共鳴ハイブリッドの構造。出典：WikipediaのBen Mills。

再び、TEVは維持、説明、およびO ₃の中央（赤い点線）の酸素の正の形式電荷を安定させる共鳴構造_{が存在する}必要が_あることを示しています。一方、ブーメランの両端の酸素は負の電荷を分配し、オゾンの総電荷を中性にします。

このように、結合は単一ではなく、二重ではありません。共鳴ハイブリッドの例は、多くの無機分子またはイオンで非常に一般的です。

O ₂とO ₃は、それらの分子構造が異なるため、物理的および化学的性質、液相または結晶（両方が酸素原子で構成されている場合でも）でも同じことが起こります。彼らは、環状オゾンの大規模な合成が行われる可能性が高く、その構造は赤みを帯びた酸素化三角形の構造に似ていると理論付けています。

これは、酸素の「通常の同素体」が終わるところです。ただし、考慮すべき他の2つがあります。それぞれ液体酸素と固体酸素で検出または提案されるO ₄とO ₈です。

液体酸素

気体酸素は無色ですが、温度が-183℃に下がると、水色に似た淡い青色の液体になります。O ₂分子間の相互作用により、それらの電子でさえ可視スペクトルの赤色領域の光子を吸収して、それらの特徴的な青色を反射することができます。

しかし、この液体には単純なO ₂分子だけではなく、O ₄分子もあると理論化されています（下の画像）。それは、オゾンが別の酸素原子によって「スタック」されたように見え、今説明した正の形式電荷に対して何らかの形で介入します。

四酸素分子の球と棒を使用したモデル構造の提案。出典：Benjah-bmm27

問題は、計算および分子シミュレーションによると、O _4の前記構造が正確に安定していないことです。しかし、それらは（O ₂）₂単位として存在することを予測します。つまり、2つのO ₂分子は非常に接近しているため、一種の不規則なフレームワークを形成します（O原子は互いに向き合っていない）。

固体酸素

温度が-218.79ºCに下がると、酸素は単純な立方体構造（γ相）で結晶化します。温度がさらに下がると、立方晶はβ（菱面体晶および-229.35°C）およびα（単斜晶および-249.35°C）相に転移します。

これらの固体酸素の結晶相はすべて、周囲圧力（1 atm）で発生します。圧力が9 GPa（〜9000 atm）に増加すると、δ相が現れ、その結晶はオレンジ色になります。圧力が10 GPaまで増加し続けると、固体の赤い酸素またはε相（単斜）が現れます。

圧力が非常に大きく、O ₂分子がO ₄単位としてだけでなく、O ₈も配置するため、ε相は特別です。

オクタ酸素分子の球と棒のモデル構造。出典：Benjah-bmm27

このO ₈は、すでに説明した不規則なフレームが見られる2つのO ₄ユニットで構成されています。同様に、4つのO _2が近接して垂直位置に配置されていると見なすことは有効です。しかしながら、この圧力下でのそれらの安定性は、O ₄およびO ₈が酸素のための2つの追加の同素体であるようなものです。

そして最後に、metallic相、金属（96 GPaを超える圧力）があり、圧力によって電子が結晶内に分散します。金属と同じように。

どこで見つけて生産するか

ミネラル

酸素は、水素とヘリウムに次いで、宇宙で3番目の元素です。それは地球の地殻の中で最も豊富な元素であり、その質量の約50％を占めています。それは主にシリコンと組み合わせて、シリコン酸化物（SiO ₂）の形で見られます。

酸素は、石英、タルク、長石、ヘマタイト、キュプライト、ブルーサイト、マラカイト、褐鉄鉱などの無数の鉱物の一部として見つかります。同様に、炭酸塩、リン酸塩、硫酸塩、硝酸塩などの多くの化合物の一部として配置されています。

空気

酸素は、体積で大気の20.8％を占めます。対流圏では、主に二原子酸素分子として見られます。成層圏では、地表から15〜50 kmの気体層ですが、オゾンとして検出されます。

オゾンは、O ₂分子の放電によって生成されます。この酸素の同素体は、太陽放射からの紫外線を吸収し、極端な場合には黒色腫の出現に関連する人間に対するその有害な作用を遮断します。

淡水と塩水

酸素は、海水および湖、川、地下水からの淡水の主要な成分です。酸素は水の化学式の一部であり、質量の89％を占めています。

一方、水への酸素の溶解度は比較的低いですが、それに溶存する酸素の量は、多くの種の動物や藻類を含む水生生物にとって不可欠です。

生き物

人間は約60％が水であり、同時に酸素が豊富です。しかし、さらに、酸素は、リン酸塩、炭酸塩、カルボン酸、ケトンなど、生命に不可欠な多くの化合物の一部です。

酸素は、多糖類、脂質、タンパク質、および核酸にも存在します。つまり、いわゆる生体高分子です。

また、人の活動による有害廃棄物の一部でもあります。たとえば、一酸化炭素や二酸化窒素、二酸化硫黄などです。

生物生産

植物は、私たちが吐き出す二酸化炭素と引き換えに、酸素で空気を豊かにする責任があります。出典：Pexels。

酸素は、光合成中に生成されます。このプロセスでは、海洋植物プランクトンと陸上植物が光エネルギーを使用して二酸化炭素を水と反応させ、グルコースを生成して酸素を放出します。

光合成によって生成される酸素の55％以上が海洋植物プランクトンの作用によると推定されています。したがって、それは地球上の主要な酸素発生源であり、生命の維持に責任があります。

鉱工業生産

空気液化

工業用の酸素を生産する主な方法は、1895年にカールポールゴットフリートフォンリンデとウィリアムハムソンが独立して作成した方法です。このメソッドは、いくつかの変更を加えて現在も使用されています。

このプロセスは、空気を圧縮して水蒸気を凝縮させ、それを排除することから始まります。次に、二酸化炭素と重質炭化水素と残りの水分を除去するために、ゼオライトとシリカゲルの混合物によって空気をふるいにかけます。

続いて、液体空気の成分は分別蒸留によって分離され、その中に存在するガスをそれらの異なる沸点によって分離します。この方法により、純度99％の酸素を得ることができます。

水の電気分解

酸素は、高度に精製された水の電気分解によって生成され、導電率は1 µS / cmを超えません。水は電気分解によって成分に分離されます。陽イオンとしての水素は陰極に向かって移動します（-）; 一方、酸素は陽極（+）に向かって移動します。

電極は、ガスを集めて液化する特殊な構造になっています。

熱分解

酸化水銀やsalpetre（硝酸カリウム）などの化合物の熱分解は、使用のために収集することができる酸素を放出します。過酸化物もこの目的で使用されます。

生物学的役割

酸素は光合成によって植物プランクトンと陸上植物によって生成されます。それは肺壁を横切り、ヘモグロビンによって血液に取り込まれ、ヘモグロビンはそれを別の器官に輸送して、後で細胞代謝に使用されます。

このプロセスでは、炭水化物、脂肪酸、アミノ酸の代謝中に酸素が使用され、最終的に二酸化炭素とエネルギーが生成されます。

呼吸の概要は次のとおりです。

C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ => CO ₂ + H ₂ O +エネルギー

ブドウ糖は、解糖、クレブス回路、電子輸送鎖、酸化的リン酸化などの一連の化学プロセスで代謝されます。この一連のイベントは、ATP（アデノシン三リン酸）として蓄積するエネルギーを生成します。

ATPは、原形質膜を通過するイオンや他の物質の輸送を含む、細胞のさまざまなプロセスで使用されます。物質の腸吸収; 異なる筋細胞の収縮; 異なる分子の代謝など

多形核白血球およびマクロファージは、微生物を破壊するために使用されるスーパーオキシドイオン、過酸化水素、および一重項酸素を生成するために酸素を使用することができる食細胞です。

リスク

高圧で酸素を呼吸すると、吐き気、めまい、筋肉のけいれん、失明、発作、意識喪失を引き起こす可能性があります。さらに、純粋な酸素を長期間呼吸すると、咳や息切れなどの肺の炎症を引き起こします。

それはまた、肺水腫の形成の原因となり得る：呼吸機能を制限する非常に深刻な状態。

酸素濃度の高い雰囲気は、火災や爆発の原因となるため危険な場合があります。

用途

医師

酸素は呼吸不全の患者に投与されます。これは、肺炎、肺水腫、または肺気腫の患者の場合です。深刻な影響を受けるため、周囲の酸素を吸うことができませんでした。

肺胞に体液が蓄積する心不全の患者にも酸素を供給する必要があります。深刻な脳血管障害（CVA）に苦しんでいる患者と同様に。

職業上の必要性

換気が不十分な環境で消火活動を行っている消防士は、人命を危険にさらすことなく機能を果たすことができるマスクと酸素ボンベを使用する必要があります。

潜水艦には酸素製造装置が装備されており、船員は大気に触れることなく閉鎖環境にとどまることができます。

ダイバーは水に沈められているため、大気から隔離されています。彼らは、ダイビングスーツに接続されたチューブ、またはダイバーの体に取り付けられたシリンダーを使用してポンプで送られた酸素を通して呼吸します。

宇宙飛行士は、宇宙旅行や宇宙ステーションでの生存を可能にする酸素発生器を備えた環境で活動を行います。

工業用

工業的に生産された酸素の50％以上が鉄の鋼への変換に消費されています。存在する硫黄と炭素を除去するために、溶鉄に酸素を噴射します。それらは反応して、それぞれガスSO ₂およびCO ₂を生成する。

アセチレンは、酸素と組み合わせて金属板を切断し、はんだを製造するために使用されます。酸素はガラスの製造にも使用され、ガラスの焼成時の燃焼を高めて透明度を向上させます。

原子吸光分析

アセチレンと酸素の組み合わせは、原子吸光分光光度計で異なる起源のサンプルを燃焼させるために使用されます。

手順中、ランプからの光線が炎に衝突します。これは、定量化する要素に固有のものです。炎はランプからの光を吸収し、元素の定量化を可能にします。

参考文献

震えとアトキンス。（2008）。無機化学。（第4版）。Mc Graw Hill。
ウィキペディア。（2019）。酸素。から回復：en.wikipedia.org
リチャード・ヴァン・ヌーデン。（2006年9月13日）。ただきれいなフェーズ？固体の赤い酸素：役に立たないが楽しい。から回復：nature.com
アゾナノ。（2006年12月4日）。赤い酸素O8クラスターの発見とともに決定された固体酸素e相の結晶構造。回復元：azonano.com
国立バイオテクノロジー情報センター。（2019）。酸素分子。PubChemデータベース。CID = 977。リカバリー元：pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
ダグ・スチュワート博士。（2019）。酸素元素の事実。ケミクール。回収元：chemicool.com
ロバート・C・ブラステッド。（2019年7月9日）。酸素：化学元素。百科事典ブリタニカ。リカバリー元：britannica.com
ウィキキッズ。（2019）。酸素族：VIA要素のプロパティ。から回復：simply.science
Advameg、Inc.（2019）。酸素。回収元：madehow.com
Lenntech BV（2019）。周期表：酸素。から回復：lenntech.com
ニュージャージー州保健局および上級サービス。（2007）。酸素：有害物質ファクトシート。。回収元：nj.gov
ヤメル・マタローロ。（2015年8月26日）。工業用酸素の工業用途。回収元：altecdust.com

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