酸素 (O)

発見の経緯

発見: 1771 · Carl Wilhelm Scheele

地球では、約22.22億年前の地球全体が凍りつく全球凍結の直後に、光合成を行うシアノバクテリアが増加し、酸素濃度が急激に上昇する大酸化イベントが発生した。燃焼と空気の間には何らかの関係があるのでは、と行われたもっとも古い実験のひとつは、紀元前2世紀の古代ギリシアのビザンチウムのフィロンが著した『プネウマティカ（Pneumatica）』に記録されている。器に据えた蝋燭を灯してガラスの壺を上から被せ、壺の口が漬かるまで器に水を満たす。すると、壺の中へ水が吸い上がる様子を観察することができた。フィロンは、壺の中の空気が「四大元素の火」に変換され、これが壺のガラス壁を透過して逃げたと考えた。それから遥か時代が下った中世のルネサンス期に、レオナルド・ダ・ヴィンチはフィロンの実験に考察を加え、燃焼や呼吸を通じて空気が一部消費されると考えた。17世紀後半にロバート・ボイルは、燃焼には空気が必要不可欠であることを立証した。これをジョン・メーヨーは、必要なものは彼が「硝気精（spiritus nitroaereus、nitroaereus）」と名づけた空気の構成要素だという説を提唱した。メイヨーの実験はフィロンと同じように水で封じた逆さの容器にそれぞれ蝋燭とマウスを入れ、どちらも水位が14分の1程度上昇したことを確認した。これから、メイヨーは燃焼と呼吸のいずれでも硝気精が消費されるとの確証を得た。またメイヨーは、アンチモンを加熱すると質量が増えることも確認し、これは金属に硝気精が結合したためと考えた。呼吸については、硝気精は肺の中で空気から取り出されて血液に受け渡され、動物の体温や筋肉の動きを生み出す反応に使われると考察し、1668年に発表した。17世紀から18世紀にかけて、酸素はロバート・フック、オーレ・ボッシュ、ミハイル・ロモノーソフ、ピエール・バイエンらが実験で作り出していたが、いずれもがそれを元素とは認識しなかった。そこには、フロギストン説と呼ばれる燃焼と腐食に関する広く知られた学説が影響を及ぼしていた。1667年にドイツの錬金術師ヨハン・ベッヒャーが発案し、1731年までにゲオ

用途と応用

酸化剤 化学工業などではもっとも安価な酸化剤として多用される。吸入用 呼吸に不可欠な元素であるため、医療分野での酸素吸入に使われている。また傷病人に限らず、空気中の酸素濃度が低い場所での呼吸を助けるために、飛行機や青海チベット鉄道などの酸素放出装置や、高山に登るときなどのボンベの中身にも使われている。ほかにテクニカルダイビングにおいて、減圧用ガスとして用いられる。助燃剤 ガス溶接や鉄鋼の製造工程で助燃剤として使用されている。アセチレンを酸素とともに吹き出して得られる酸素アセチレン炎は3000–4000 °Cもの高温が得られ、鉄材の溶接や切断に利用されている。特に液体酸素はロケットエンジンの推進剤の酸化剤として用いられている。酸素ガスの2004年度日本国内生産量は10422238000 m3、工業消費量は4093787000 m3、液化酸素の2004年度日本国内生産量は855476000 m3、工業消費量は68215000 m3である。

同位体

酸素には安定同位体として16O、17O、18Oの3種類が知られるが、天然存在比は16Oが99.7%以上を占めている。また、放射性同位体も作られている。かつては酸素を16として原子量を定義していたが、物理学では16Oの原子量を16としたのに対して、化学においては安定核種の平均原子量を16と置く定義の差があったことから、酸素の同位体の存在が判明して以降混乱が起こり、1961年に炭素12を基準とするように置き換えられた。