酸素の同素体
酸素の同素体
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| 外見 | |||||||||||||||
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| 気体: 無色 液体と固体: 淡青色 .jpg) | |||||||||||||||
| 一般特性 | |||||||||||||||
| 名称, 記号, 番号 | 酸素, O, 8 | ||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 16, 2, p | ||||||||||||||
| 原子量 | 15.9994(3) | ||||||||||||||
| 電子配置 | 1s2 2s2 2p4 | ||||||||||||||
| 電子殻 | 2, 6（画像） | ||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||
| 密度 | (0 °C, 101.325 kPa) 1.429 g/L | ||||||||||||||
| 融点 | 54.36 K, −218.79 °C, −361.82 °F | ||||||||||||||
| 沸点 | 90.188 K, −182.962 °C, −297.332 °F | ||||||||||||||
| 三重点 | 54.361 K (−219 °C), 0.1463 kPa | ||||||||||||||
| 臨界点 | 154.581 K, 5.043 MPa | ||||||||||||||
| 融解熱 | (O2) 0.444 kJ/mol | ||||||||||||||
| 蒸発熱 | (O2) 6.82 kJ/mol | ||||||||||||||
| 熱容量 | (25 °C) 14.689 J/(mol·K) | ||||||||||||||
| 熱容量 | (25 °C) 29.378 J/(mol·K) | ||||||||||||||
| 蒸気圧 | |||||||||||||||
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| 原子特性 | |||||||||||||||
| 電気陰性度 | 3.44（ポーリングの値） | ||||||||||||||
| イオン化エネルギー | 第1： 1313.9 kJ/mol | ||||||||||||||
| 第2： 3388.3 kJ/mol | |||||||||||||||
| 第3： 5300.5 kJ/mol | |||||||||||||||
| 共有結合半径 | 66±2 pm | ||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 152 pm | ||||||||||||||
| その他 | |||||||||||||||
| 結晶構造 | 立方晶系 | ||||||||||||||
| 磁性 | 常磁性 | ||||||||||||||
| 熱伝導率 | (300 K) 26.58×10−3 W/(m⋅K) | ||||||||||||||
| 音の伝わる速さ | 330 m/s | ||||||||||||||
| CAS登録番号 | 7782-44-7 | ||||||||||||||
酸素の同素体にはいくつかのものが知られている。最もよく知られているのは酸素分子（O
2）で、地球の大気中にかなりの量存在し、三重項酸素とも呼ばれる。もう一つは反応性の高いオゾン (O
3)である。ほかにも以下のものがある。
原子状酸素
[編集]原子状酸素（OまたはO
1と表記）は非常に反応性が高く、酸素の個々の原子は近くの分子とすぐに結合する傾向がある。その最低エネルギー電子状態はスピン三重項であり、記号3 Pで表される。地球の表面では、自然に非常に短い時間だけ存在する。電離層、熱圏では、豊富な紫外線、X線により生成され[1]、熱圏上層（低軌道に相当）では酸素の 96% が原子状で存在する。[2]
酸素分子
[編集]地球上の酸素元素の一般的な同素体O
2は、一般に酸素として知られているが、元素自体や三原子の同素体オゾンO
3と区別するために、二酸素、二原子酸素、分子状酸素、二酸化素、または酸素ガスと呼ばれることもある。[4][5]
地球の大気の主要成分 (約 21 体積%) として、酸素元素は二原子の形で最もよく見られる。好気性生物は、化学エネルギーを得るために、細胞呼吸における最終酸化剤として大気中の二酸素を用いる。二酸素の基底状態は不対電子が2つあるため、三重項酸素3
[O
2]として知られている。最初の励起状態、一重項酸素1
[O
2]は、不対電子がなく、準安定状態にある。
基底状態のO
2の結合長は121 pm、結合エネルギーは498 kJ/molである。[6]沸点が−183 °C (90 K; −297 °F)の無色の気体である。[7]沸点が−196 °C (77 K; −321 °F)である液体窒素で冷却することで空気から凝縮できる。液体酸素は淡い青色で、不対電子があるため非常に顕著に常磁性を持っている。紐で吊るされたフラスコ内の液体酸素は磁石に引き寄せられる。
一重項酸素
[編集]一重項酸素は、基底状態の三重項酸素よりもエネルギーが高い、 酸素 (O
2) の準安定状態を表す一般的な名称である。電子殻の違いにより、一重項酸素は三重項酸素とは異なる化学的および物理的性質を持ち、異なる波長で光を吸収および放出する。一重項酸素は、ローズベンガル、メチレンブルー、ポルフィリンなどの色素分子からのエネルギー移動による光増感プロセス、または水中での三酸化水素の自然分解や過酸化水素と次亜塩素酸塩の反応などの化学プロセスによって生成できる。
オゾン
[編集]三原子酸素(ozone, O
3) は、酸素の非常に反応性の高い同素体であり、標準温度と圧力では淡青色の気体である。液体および固体のO
3は、通常のO
2よりも濃い青色をしており、不安定で爆発性である。[8][9]気体状態のオゾンは、ゴムや布などの材料を破壊し、肺組織に損傷を与える。[10]電気モーター、レーザープリンター、コピー機を使用すると、空気への放電によってオゾンが生成される。生成されたオゾンは塩素のような刺激臭として微量に検出できる。[7] 1840年にクリスチアン・フリードリヒ・シェーンバインによって「オゾン」と名付けられた。[11]ギリシャ語のὄζειν（ozein：「匂いを嗅ぐ」）に、当時派生複合語を示すためによく使われていた接尾辞-onを付け、英語化して-oneとした。[12]
オゾンは熱力学的に不安定で、より一般的な二酸素形態に分解する傾向がある。[8]オゾンは、上層大気中の紫外線がO₂を分解して生成された原子状酸素と酸素分子O
2との反応によって生成される。オゾンは紫外線を強く吸収し、成層圏では太陽紫外線の突然変異誘発作用やその他の有害な影響から生物圏を守るシールドとして機能する（オゾン層を参照）。[8]対流圏オゾンは、自動車の排気ガス中の二酸化窒素の光化学的分解によって地表付近で生成される。[13]地表オゾンは、高齢者、子供、肺気腫、気管支炎、喘息などの心臓や肺の疾患を持つ人にとって特に有害な大気汚染物質である。[14]免疫系は抗菌剤としてオゾンを生成する。[15]
四酸素
[編集]四酸素は、1900年代初頭にオキソゾンとして知られていた頃から存在が疑われていた。2001年にローマ・ラ・サピエンツァ大学のチームによって同定された。[16]
ペンタ酸素
[編集]五原子酸素は計算解析によると、それはエンベロープ配座を持つシクロペンタンのような構造を持つことが示唆されている。[17]
ヘキサ酸素
[編集]六原子酸素は計算解析によると、椅子型およびねじれ型の配座を持つシクロヘキサン様の構造を持つことが示唆されている。[17]
固体酸素
[編集]固体酸素には 6つの異なる相が知られている。そのうちの 1 つは暗赤色のO
8クラスターである。酸素は 96 GPaの圧力にさらされると、水素と同様に金属的になり、[18]セレン(元素状態ではピンクがかった赤色を示す)、テルル、ポロニウムなどのより重いカルコゲンに似ている。これらはどちらも顕著な金属的性質を示す。非常に低い温度では、この相は超伝導にもなる。
脚注
[編集]- 1 2 “原子状酸素 [JSME Mechanical Engineering Dictionary]”. www.jsme.or.jp. 2026年7月3日閲覧。
- ↑ “NASA - Out of Thin Air” (英語). www.nasa.gov. 2026年7月2日閲覧。
- ↑ “Flying observatory detects atomic oxygen in Martian Atmosphere”. NASA (2016年5月6日). 2020年11月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年9月30日閲覧。
- ↑ “16.4A: Dioxygen” (英語). Chemistry LibreTexts (2015年6月21日). 2026年5月13日閲覧。
- ↑ Informatics, NIST Office of Data and. “Oxygen” (英語). webbook.nist.gov. 2026年5月13日閲覧。
- ↑ Chieh, Chung. “Bond Lengths and Energies”. University of Waterloo. 2007年12月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年12月16日閲覧。
- 1 2 “Allotropes Chemistry Tutorial”. www.ausetute.com.au. 2026年7月2日閲覧。
- 1 2 3 Mellor 1939
- ↑ Cotton, F. Albert and Wilkinson, Geoffrey (1972). Advanced Inorganic Chemistry: A comprehensive Text. (3rd Edition). New York, London, Sydney, Toronto: Interscience Publications. ISBN 0-471-17560-9.
- ↑ Stwertka 1998, p.48
- ↑ Schönbein, Christian Friedrich (1844) (ドイツ語). Ueber die Erzeugung des Ozons auf chemischem Wege. Schweighauser
- ↑ "Ozone", Oxford English Dictionary online, retrieved 29 June 2020.
- ↑ Stwertka 1998, p.49
- ↑ “Who is most at risk from ozone?”. airnow.gov. 2008年1月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年1月6日閲覧。
- ↑ Paul Wentworth Jr.; Jonathan E. McDunn; Anita D. Wentworth; Cindy Takeuchi; Jorge Nieva; Teresa Jones; Cristina Bautista; Julie M. Ruedi et al. (2002-12-13). “Evidence for Antibody-Catalyzed Ozone Formation in Bacterial Killing and Inflammation”. Science 298 (5601): 2195–2199. Bibcode:2002Sci...298.2195W. doi:10.1126/science.1077642. PMID 12434011.
- ↑ Cacace, Fulvio (2001). “Experimental Detection of Tetraoxygen”. Angewandte Chemie International Edition 40 (21): 4062–4065. doi:10.1002/1521-3773(20011105)40:21<4062::AID-ANIE4062>3.0.CO;2-X. PMID 12404493.
- 1 2 Sabirov, Denis Sh.; Shepelevich, Igor S. (2015). “Information entropy of oxygen allotropes. A still open discussion about the closed form of ozone”. Computational and Theoretical Chemistry 1073: 61–66. doi:10.1016/j.comptc.2015.09.016.
- ↑ Peter P. Edwards; Friedrich Hensel (2002-01-14). “Metallic Oxygen”. ChemPhysChem 3 (1): 53–56. doi:10.1002/1439-7641(20020118)3:1<53::AID-CPHC53>3.0.CO;2-2. PMID 12465476.
参考文献
[編集]- Theoretical analysis of some and lead-ref for others: Gadzhiev, Oleg B.; Ignatov, Stanislav K.; Kulikov, Mikhail Yu.; Feigin, Alexander M.; Razuvaev, Alexey G.; Sennikov, Peter G.; Schrems, Otto (2013). “Structure, Energy, and Vibrational Frequencies of Oxygen Allotropes On (n ≤ 6) in the Covalently Bound and van der Waals Forms: Ab Initio Study at the CCSD(T) Level”. J. Chem. Theory Comput. 9 (1): 247–262. doi:10.1021/ct3006584. PMID 26589027.