酸素とは？性質・発見史と地球・生命・産業での重要性

初期の実験

燃焼が空気を必要とする方法についての最初の知られている実験の一つは、紀元前2世紀にビザンチウムのギリシャ人フィロによって行われました。彼は彼の作品の中で、燃えているろうそくの上に容器を逆さにして、この容器の周りに水を置くと、いくつかの水が容器の中に入ったことを意味すると書いています。フィロは、これは空気が古典的な要素である火に変わったからだと考えていた。これは間違っていた。その後、長い時間を経て、レオナルド・ダ・ヴィンチは、燃焼が起こったときに空気が使い切られ、それによって水が容器の中に強制的に入っていくことを正しく計算しました。

17世紀後半、ロバート・ボイルは、燃焼には空気が必要であることを発見しました。イギリスの化学者ジョン・マイヨーは、火が必要とするのは空気の一部だけであることを示すことによって、これに追加しました。私たちは今、この酸素を（酸素の形で）と呼んでいます。彼の実験の一つで、彼は閉じた容器にロウソクを入れると、出て行く前に、容器内の空気の体積の14分の1を交換するために水が上昇することを発見しました。ネズミを入れても同じことが起こりました。このことから、酸素は呼吸や燃焼に使われていることがわかりました。

フロギストン説

ロバート・フック、オーレ・ボルチ、ミハイル・ロモノソフ、ピエール・バイエンは、17世紀から18世紀にかけて実験で酸素を作っていました。彼らの誰もが、それを化学元素だとは思っていなかった。これは、おそらくフロジストン理論という考え方があったからだと思われます。これは、ほとんどの人が燃焼や腐食の原因になると考えていたものでした。

J.J. J. ベッヒャーは1667年にそれを思いつき、ゲオルク・エルンスト・スタールは1731年にそれを追加しました。フロジストン理論は、すべての可燃性物質は二つの部分から構成されていると述べています。フロジストンと呼ばれる一つの部分は、それを含む物質が燃やされたときに放出されます。

木や石炭のように少量の残渣を残すだけの非常に可燃性の高い物質は、フロジストンで作られていると考えられていました。鉄のように腐食するものは少量しか含まれていないと考えられていました。空気はこの理論には含まれていませんでした。

ディスカバリー

ポーランドの錬金術師、哲学者、医師のミヒャエル・センディヴォギウスは、空気中の物質について話し、それを「生命の糧」と呼んでいます。センディヴォギウスは、1598年と1604年の間に、硝酸カリウムの熱分解中に作られるものと同じ物質であることを発見しました。これが酸素の発見だと信じる人もいれば、反対する人もいます。

それはまたしばしば酸素がスウェーデンの薬剤師カール・ヴィルヘルムScheeleによって最初に発見されたと言われる。彼は1771年に酸化水銀およびある硝酸塩を熱することによって酸素を作った。それが燃焼を可能にすることを知られていた唯一のガスだったのでScheeleは彼が「火の空気」を作ったガスを呼んだ。彼は1777年に彼の発見を出版した。

1774年8月1日、イギリスの聖職者ジョセフ・プリーストリーが行った実験では、ガラス管の中の酸化水銀に太陽光を集光させた。これは、彼が「dephlogisticated空気」と呼ばれるガスを作った。彼はまた、キャンドルがガスの中で明るく燃えることを発見し、マウスはそれを呼吸している間に長く住んでいた。彼がそのガスを吸ったとき、彼は（簡略化して）"それは普通の空気のように感じたが、私の肺はその後軽くて簡単に感じた"と述べています。彼の発見は1775年に発表されました。彼の発見が最初に発表されたことから、通常、彼は酸素の発見者と言われています。

フランスの化学者アントワーヌ・ラヴォワジエは後に、この物質も発見したと語っています。Priestlyは1774年に彼を訪問し、彼の実験について彼に言った。Scheeleはまた彼の発見の話したその年のLavoisierに手紙を送った。

ラヴォワジールさんの投稿

ラヴォワジエは酸化に関する最初の主要な実験を行い、燃焼がどのように機能するかについての最初の正しい説明をしました。彼は、これらの実験と他の実験を使用して、フロギストン理論が間違っていることを証明しました。彼はまた、PriestleyとScheeleによって発見された物質が化学元素であることを証明しようとしました。

ある実験で、ラヴォワジエは、密閉された容器の中でスズと空気を加熱しても質量の増加がないことを発見した。また、容器を開けると空気が押し寄せてくることを発見しました。この後、彼は、ブリキは、突入した空気と同じ量だけ質量が増加していることを発見しました。彼は1777年にその発見を発表しました。彼は、空気は2つの気体でできていると書いています。一つは、燃焼や呼吸に必要な「バイタルエア」（酸素）、もう一つは「アゾート」と呼ばれるガスです。もう一つは、ギリシャ語で「命のない」という意味の「アゾート」（窒素）と呼ばれるものです。これは現在でもフランス語をはじめとする一部の言語では窒素の名称となっています。

ラヴォワジエは「生命力のある空気」をギリシャ語で「酸からの生産者」を意味する「オキシジェンヌ」に改名した。彼は酸素がすべての酸に含まれていると考えていたので、彼はそれをこれと呼んだが、それは間違っていた。多くの化学者は、ラヴォワジエの命名が間違っていたことに気づいたが、その時にはあまりにも一般的な名前になっていたため、変更することはできなかった。

"Oxygen"は、イギリスの科学者が反対していたにもかかわらず、英語ではこの名前になりました。

後世の歴史

ジョン・ダルトンの原子論では、すべての元素は1つの原子を持ち、化合物中の原子は通常単独であるとしていた。例えば、彼は水（H2O）がHOだけの式を持っていると誤って考えていました。1805年、ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとアレクサンダー・フォン・フンボルトは、水が2つの水素原子と1つの酸素原子で構成されていることを示しました。1811年までに、アメデオ・アボガドロはアボガドロの法則に基づいて、水が何でできているかを正しく計算しました。

19世紀後半までに、科学者たちは空気を液体に変え、圧縮したり冷却したりすることで、空気中の化合物を分離できることを発見しました。スイスの化学者で物理学者のラウル・ピクテは、二酸化硫黄を蒸発させて二酸化炭素を液体にすることで、液体酸素を発見しました。これをさらに蒸発させて酸素ガスを冷却して液体にした。ピクテは1877年12月22日にフランス科学アカデミーに電報を送り、その発見を伝えました。

物性と分子構造

標準的な温度と圧力では、酸素は無色、無臭、無味であり、化学式O
_2は酸素と呼ばれています。

酸素としては、2つの酸素原子が化学的に結合しています。この結合は、多くのことを呼び出すことができますが、単に共有二重結合と呼ばれます。酸素は非常に反応性が高く、他の多くの元素と反応することができます。酸化物は、錆として知られている酸化鉄のように、金属元素が酸素と反応してできます。地球上にはたくさんの酸化物があります。

アロトロピー

地球上の酸素の共通のアロトロープ（種類）は、酸素（O_2）と呼ばれています。これは、二窒素（N₂）の次に、地球の大気の2番目に大きい部分です。O_2は121 pmの結合長と498 kJ/molの結合エネルギーを持っているため、そのエネルギーのために、O_2は動物のような複雑な生命体によって使用されています。

オゾン（O₃）は非常に反応性が高く、吸い込むと肺にダメージを与えます。オゾンは大気上層部で、O_{2が紫外線}によって分裂してできた純粋な酸素とO₂が結合してできます。オゾンは電磁スペクトルのうち紫外線の部分で多くの放射線を吸収するため、大気上層部のオゾン層が放射線から地球を守っているのです。

テトラオキシゲン（O₄）は2001年に発見されました。O₂に大きな圧力がかかった極限状態でのみ存在します。

物理的性質

酸素は窒素よりも空気から水に溶けやすい。空気と水の量が同じならば、窒素₂分子に対して酸素1分子_{が存在します}（1:2の比）。これは、酸素と窒素の比率が1:4の空気とは異なります。また、海水よりも淡水の方がO_2が溶けやすいのです。酸素は90.20 K（-182.95°C、-297.31°F）で凝縮し、54.36 K（-218.79°C、-361.82°F）で凍結します。液体と固体のO_{2はどちら}もシースルーで、色は水色です。

酸素は非常に反応性が高いので、燃えるものは遠ざけなければなりません。

同位体

自然界には酸素の安定同位体が3つあります。¹⁶O、¹⁷O、¹⁸Oです。酸素の約99.7％は¹⁶Oという同位体です。

発生

酸素は、地球上で最も質量の多い元素です。宇宙では水素、ヘリウムに次いで3番目に多い元素です。太陽の質量の約0.9%が酸素です。酸素は、二酸化ケイ素などの酸化物の一部として、地球の地殻の49.2％を占めています。また、地球の海の主要部分でもあり、質量比で88.8%を占めています。酸素ガスは大気の2番目に多い部分で、質量の20.8％、体積の23.1％を占めています。地球は、大気の多くが酸素ガスであることが知られている他の惑星に比べて不思議です。火星の酸素_{ガスの量は}0.1%であり、太陽系の他の惑星の酸素ガスの量はそれ以下である。

地球上に酸素ガスが多いのは、酸素サイクルによるものです。これは主に光合成によって制御されており、二酸化炭素と水、そして太陽のエネルギーから酸素ガスを作ります。そして呼吸は、酸素ガスを大気中から取り出して、二酸化炭素と水に戻します。これは同じ速度で行われているので、酸素ガスと二酸化炭素の量は変わりません。

メディカル

O_2は呼吸にとても重要な役割を果たしています。このため、薬に使用されています。これは、人の血液中の酸素の量を増やすために使用され、より多くの呼吸を行うことができます。これにより、病気になっても早く健康になることができます。酸素療法は、肺気腫、肺炎、一部の心臓病、その他酸素を取り込むのが困難な病気の治療に使用されます。

生命維持装置

宇宙服には低圧_{酸素が使用}されており、ガスで体を囲んでいます。純粋な酸素が使われていますが、圧力はかなり低くなっています。圧力が高ければ毒になります。

酸素のNFPA 704では、圧縮された酸素ガスは健康に危険なものではなく、可燃性ではないとされています。

毒性

高圧になると、酸素ガス（O₂）は人間を含む動物にとって危険な状態になります。それは痙攣やその他の健康問題を引き起こす可能性があります。酸素毒性は通常、標準的な圧力で空気中の酸素の約50％に相当する50キロパスカル（kPa）以上の圧力で発生し始めます（地球上の空気には約20％の酸素が含まれています）。

未熟児は_{酸素の多い}空気の入った箱に入れられていましたが、酸素で目が見えなくなってしまった赤ちゃんがいたため、これを止めました。しかし、酸素で失明してしまう赤ちゃんがいたため、これは中止されました。

宇宙服の中で純粋なO_2を吸うと、使用される圧力が低くなるため、ダメージを受けることはありません。

燃焼などの危険性

濃縮された量の純粋なO_{2があれば、}すぐに火災を起こすことができます。濃厚な酸素と燃料を近づけると、ちょっとした着火で大火事になる。アポロ1号の乗組員は、カプセルの空気中に濃縮酸素を使用していたため、火災で全員死亡しました。

木材のような有機化合物に液体酸素がこぼれると、爆発することがあります。