2023年09月04日
Alchemy of Actor Biochemistry Oxygen
Alchemy of Actor Biochemistry Oxygen
酸素 oxygen、原子番号8の元素。元素記号はO。原子量は16.00。第16族元素、第2周期元素。
中国語圏では「酸」という字を用いず、「氧」（中国語読み：ヤン、ピンイン：yǎng、日本語読み：よう）
という字をあて、氧や氧氣（ようき）という。
性質
電気陰性度が大きいため反応性に富み、ほかのほとんどの元素と化合物（特に酸化物）を作る。
標準状態では2個の酸素原子が二重結合した無味無臭無色透明の二原子分子である酸素分子O2として存在。
物理的性質
約90 Kで液体、約54 Kで青みがかった固体となる。
ダイヤモンドアンビルセルなどで100万気圧を超えた高圧下では金属光沢を持ち、
125万気圧、0.6 Kでは超伝導金属となる。助燃性がある。
科学的性質
酸素は、フッ素に次いで2番目に電気陰性度が大きいため酸化力が強く、
ほとんどの元素と発熱反応を起こして化合物を作る。
希ガス-キセノンも、酸素と化合して三酸化キセノン（XeO3）などの化合物を作る(1962)。
分布
宇宙では水素、ヘリウムに次いで3番目に多くの質量を占め、
ケイ素量を10６乗としたときの比率は2.38×107乗。
地球地殻においては最大を占める元素（質量の46.60 %、体積の93.77 %）、
石英の成分であるSiO2が地殻の大部分を構成。
気体の酸素分子は大気の体積の20.95 %、質量で23 %。
地球外でも酸素は多く存在。
おもな存在形態である氷は地球のほか、惑星、彗星、小惑星などにも見られる。
火星においては、大気組成の95 %を二酸化炭素が占める、
二酸化炭素（ドライアイス）やごく少量の水が氷として両極の氷床（氷冠）に存在。
星が生まれる元となる分子雲では、一酸化炭素が分子の中で2番目に存在量の多い分子。
酸素の起源は恒星核におけるヘリウムの核融合であり、酸素のスペクトルが検出される恒星も存在。
酸素分子dioxygen ;O2
物理的性質
常温常圧では無色無臭で助燃性をもつ気体として存在。
分子量32.00、沸点−183 °C（90 K）、融点−218.9 °C（54.3 K）。
水100 gに溶解する量は0 °Cで6.945 mg、25 °Cで3.931 mg、50 °Cで2.657 mg。
液体酸素は淡青色を示し、比重は1.14。
基底状態の三重項状態では不対電子を持つため常磁性体。
また活性酸素の一種で反磁性である励起状態の一重項酸素も存在。
構造
標準状態において一般の酸素は、
2つの酸素原子が縮退した三重項の電子配置で化学結合した分子構造（三重項酸素分子）を持つ
無色無臭の気体。
この結合次数は2で、一般に二重結合または1個の2電子結合と2個の3電子結合と表記。
三重項酸素分子とは電子の全スピン量子数が1となる状態で、
具体的には2つの不対電子が酸素分子に2つあるπ*(パイスター)反結合性軌道(アスタリスク (*) でラベル)を
ひとつずつ占め、しかも同じ向きのスピンを取っている。
このとき、酸素分子のエネルギーは基底状態にある。
また、酸素分子の二重結合は反結合軌道にも電子が存在するため、
結合軌道のみで電子を充足させる三重結合の窒素よりも安定さは下がり、
また、2つの電子が対を作らずビラジカルとして存在するため、
結果として酸素分子は窒素分子よりも少ないエネルギーでほかの物質と反応しやすい。
通常の三重項酸素分子は常磁性を持つ。
これは、不対電子のスピン磁気モーメント（スピンの向きが同じ電子がπ*反結合性軌道に入る）と
ふたつの酸素分子間に働く交換相互作用による。
液体酸素は磁石に吸いつけられ、実験では磁極間で自重を支えるに充分強い橋を作る。
これに対し、外部から高エネルギーが加わり不対電子のひとつがスピンを逆方向へ変え、
全スピン量子数が0となった酸素を一重項酸素といい、有機化合物との反応性が高い。
自然界で一重項酸素は、光合成の過程で水から作られたり、
対流圏で短波長の光によってオゾンの分解から発生したり、
または免疫システムの中で活性酸素の原料として用いられる。
その他
熱力学的に反応性が高く不安定な分子ではあるが、地球上では初期には光合成を行う嫌気性菌により、
のちの時代には植物の光合成によって年間約1011トン供給され続けているため多量に存在。
酸素呼吸を行う生物によって消費される。
実際、生命が発生する以前の原始大気では酸素分子はほとんど存在せず、
二酸化炭素などほかの原子と結合した状態であった。
現在の大気中の酸素分子はそのほぼすべてが光合成由来だと考える。
逆に、ほかの天体の大気中に遊離酸素の存在が確認されれば、生命の存在する間接的証拠となる。
酸素は、呼吸をする生物によっては必須であるが、同時に有害でもある。
呼吸の過程や光反応などで生じる活性酸素Reactive Oxygen Species, ROSは、
DNAなどの生体構成分子を酸化して変性。
純酸素の長時間吸引は生体にとって有害。
未熟児網膜症の原因、60 %以上の高濃度酸素を12時間以上吸引すると、
肺の充血などがみられ、最悪の場合、失明や死亡する。
25 °Cで標準気圧下では、淡水は1 L中に酸素を6.04 mL含んでいるが、
海水では1 Lあたり4.95 mLしか含んでいない。
5 °Cでの溶解度は、淡水では9.0 mL/L、海水では 7.2 mL/Lまで増加。
液体酸素は液体空気を分留して得られ、強い酸化剤。
液体空気を放置すると、沸点の低い窒素が先に蒸発するため、酸素分子が濃縮される。
1 Lの液化酸素が気化すると約800 Lの酸素ガスになる。
酸素は紫外線や無声放電などによってオゾン O3へと変換。また、
酸素分子のイオンとしてスーパーオキシドアニオン O2-とジオキシゲニル O2+あり。
生物学的役割
光合成と呼吸
自然界において遊離酸素は、光合成によって水が光分解されることで生じ
、海洋中の緑藻類やシアノバクテリアが地球大気中の酸素70 %を、残りは陸上の植物が作り出す。
簡易な光合成の反応式；6CO2+6H2O+photon->C6H12O6+6O2
二酸化炭素+水+日光 → グルコース+酸素
光分解による酸素発生は葉緑体のチラコイド膜中で起こる。
光をエネルギーとするこの作用は多くの段階を経て、
ATP を光リン酸化（photophosphorylation）させるプロトンの濃度勾配を起こす。
この際、水を酸化することで酸素ガスが発生し、大気中に放出。
酸素ガスは好気性生物が呼吸を行い、
ミトコンドリアで酸化的リン酸化反応を経てATPを発生させるために使われる。
酸素呼吸の反応は本質的に光合成の逆。
C6H12O6+6O2 -> 6CO2+6H2O+2880kjmol-1
脊椎動物では酸素ガスは肺の膜を通して血液中に拡散し赤血球中のヘモグロビンと結びつき、
その色を紫がかった赤から明るい赤へ変える。
1 Lの血液が溶かせる酸素ガスは200 mL。
超酸化物イオンや過酸化水素などの活性酸素は、
酸素呼吸を行う生体にとって非常に危険な副産物であり、
ミトコンドリアを取り込んだ真核生物は、
進化の過程でデオキシリボ核酸を酸素から保護するために核膜を獲得。その一方で、
高等生物は免疫系で細菌を破壊するために過酸化物を用いる。
成人が消費する酸素は、1分あたり約250 mL、これは約0.36 gに相当。
ここから計算すると、人類全体が1年間に消費する量は13億トンに相当。
なお、酸素を利用しない呼吸の形態を嫌気呼吸と云い。
最初の地球に酸素が存在しなかったことから、これが最初の呼吸のあり方と考える。
これは好気呼吸の経路にも、解糖系という形態で残る。
酸素を全く使わずに生活する微生物も存すが、酸素の存在下では死滅（嫌気性生物）。
初期の微生物にとっても、酸素は有毒物質であった。
化合物
酸素は電気陰性度が高く、ほとんどあらゆる元素と化学結合。
多くの有機化合物は構成元素として酸素を含み、無機化合物の酸素化合物は酸化物として多方面で利用。
同素体
地球上でのおもな同素体は酸素分子O2で、その結合長は121 pm、結合エネルギーは498 kJ/mol。
酸素分子は生物の複雑な細胞呼吸に使われている。
三酸素（O3）はオゾン 非常に反応性の大きい単体の気体、吸入すると肺組織を破壊。
オゾンは高層大気において、
酸素分子が紫外線によって分裂した酸素原子と別の酸素分子が結合することによって生成。
オゾンは紫外領域を強く吸収するため、
高層大気にあるオゾン層は地球を放射線から保護するシールドとして機能。
地表近くでもオゾンは生成しているが、これは自動車の排気ガスなどとして生成されている大気汚染物質。
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。
と たのしい演劇の日々
酸素 oxygen、原子番号8の元素。元素記号はO。原子量は16.00。第16族元素、第2周期元素。
中国語圏では「酸」という字を用いず、「氧」（中国語読み：ヤン、ピンイン：yǎng、日本語読み：よう）
という字をあて、氧や氧氣（ようき）という。
性質
電気陰性度が大きいため反応性に富み、ほかのほとんどの元素と化合物（特に酸化物）を作る。
標準状態では2個の酸素原子が二重結合した無味無臭無色透明の二原子分子である酸素分子O2として存在。
物理的性質
約90 Kで液体、約54 Kで青みがかった固体となる。
ダイヤモンドアンビルセルなどで100万気圧を超えた高圧下では金属光沢を持ち、
125万気圧、0.6 Kでは超伝導金属となる。助燃性がある。
科学的性質
酸素は、フッ素に次いで2番目に電気陰性度が大きいため酸化力が強く、
ほとんどの元素と発熱反応を起こして化合物を作る。
希ガス-キセノンも、酸素と化合して三酸化キセノン（XeO3）などの化合物を作る(1962)。
分布
宇宙では水素、ヘリウムに次いで3番目に多くの質量を占め、
ケイ素量を10６乗としたときの比率は2.38×107乗。
地球地殻においては最大を占める元素（質量の46.60 %、体積の93.77 %）、
石英の成分であるSiO2が地殻の大部分を構成。
気体の酸素分子は大気の体積の20.95 %、質量で23 %。
地球外でも酸素は多く存在。
おもな存在形態である氷は地球のほか、惑星、彗星、小惑星などにも見られる。
火星においては、大気組成の95 %を二酸化炭素が占める、
二酸化炭素（ドライアイス）やごく少量の水が氷として両極の氷床（氷冠）に存在。
星が生まれる元となる分子雲では、一酸化炭素が分子の中で2番目に存在量の多い分子。
酸素の起源は恒星核におけるヘリウムの核融合であり、酸素のスペクトルが検出される恒星も存在。
酸素分子dioxygen ;O2
物理的性質
常温常圧では無色無臭で助燃性をもつ気体として存在。
分子量32.00、沸点−183 °C（90 K）、融点−218.9 °C（54.3 K）。
水100 gに溶解する量は0 °Cで6.945 mg、25 °Cで3.931 mg、50 °Cで2.657 mg。
液体酸素は淡青色を示し、比重は1.14。
基底状態の三重項状態では不対電子を持つため常磁性体。
また活性酸素の一種で反磁性である励起状態の一重項酸素も存在。
構造
標準状態において一般の酸素は、
2つの酸素原子が縮退した三重項の電子配置で化学結合した分子構造（三重項酸素分子）を持つ
無色無臭の気体。
この結合次数は2で、一般に二重結合または1個の2電子結合と2個の3電子結合と表記。
三重項酸素分子とは電子の全スピン量子数が1となる状態で、
具体的には2つの不対電子が酸素分子に2つあるπ*(パイスター)反結合性軌道(アスタリスク (*) でラベル)を
ひとつずつ占め、しかも同じ向きのスピンを取っている。
このとき、酸素分子のエネルギーは基底状態にある。
また、酸素分子の二重結合は反結合軌道にも電子が存在するため、
結合軌道のみで電子を充足させる三重結合の窒素よりも安定さは下がり、
また、2つの電子が対を作らずビラジカルとして存在するため、
結果として酸素分子は窒素分子よりも少ないエネルギーでほかの物質と反応しやすい。
通常の三重項酸素分子は常磁性を持つ。
これは、不対電子のスピン磁気モーメント（スピンの向きが同じ電子がπ*反結合性軌道に入る）と
ふたつの酸素分子間に働く交換相互作用による。
液体酸素は磁石に吸いつけられ、実験では磁極間で自重を支えるに充分強い橋を作る。
これに対し、外部から高エネルギーが加わり不対電子のひとつがスピンを逆方向へ変え、
全スピン量子数が0となった酸素を一重項酸素といい、有機化合物との反応性が高い。
自然界で一重項酸素は、光合成の過程で水から作られたり、
対流圏で短波長の光によってオゾンの分解から発生したり、
または免疫システムの中で活性酸素の原料として用いられる。
その他
熱力学的に反応性が高く不安定な分子ではあるが、地球上では初期には光合成を行う嫌気性菌により、
のちの時代には植物の光合成によって年間約1011トン供給され続けているため多量に存在。
酸素呼吸を行う生物によって消費される。
実際、生命が発生する以前の原始大気では酸素分子はほとんど存在せず、
二酸化炭素などほかの原子と結合した状態であった。
現在の大気中の酸素分子はそのほぼすべてが光合成由来だと考える。
逆に、ほかの天体の大気中に遊離酸素の存在が確認されれば、生命の存在する間接的証拠となる。
酸素は、呼吸をする生物によっては必須であるが、同時に有害でもある。
呼吸の過程や光反応などで生じる活性酸素Reactive Oxygen Species, ROSは、
DNAなどの生体構成分子を酸化して変性。
純酸素の長時間吸引は生体にとって有害。
未熟児網膜症の原因、60 %以上の高濃度酸素を12時間以上吸引すると、
肺の充血などがみられ、最悪の場合、失明や死亡する。
25 °Cで標準気圧下では、淡水は1 L中に酸素を6.04 mL含んでいるが、
海水では1 Lあたり4.95 mLしか含んでいない。
5 °Cでの溶解度は、淡水では9.0 mL/L、海水では 7.2 mL/Lまで増加。
液体酸素は液体空気を分留して得られ、強い酸化剤。
液体空気を放置すると、沸点の低い窒素が先に蒸発するため、酸素分子が濃縮される。
1 Lの液化酸素が気化すると約800 Lの酸素ガスになる。
酸素は紫外線や無声放電などによってオゾン O3へと変換。また、
酸素分子のイオンとしてスーパーオキシドアニオン O2-とジオキシゲニル O2+あり。
生物学的役割
光合成と呼吸
自然界において遊離酸素は、光合成によって水が光分解されることで生じ
、海洋中の緑藻類やシアノバクテリアが地球大気中の酸素70 %を、残りは陸上の植物が作り出す。
簡易な光合成の反応式；6CO2+6H2O+photon->C6H12O6+6O2
二酸化炭素+水+日光 → グルコース+酸素
光分解による酸素発生は葉緑体のチラコイド膜中で起こる。
光をエネルギーとするこの作用は多くの段階を経て、
ATP を光リン酸化（photophosphorylation）させるプロトンの濃度勾配を起こす。
この際、水を酸化することで酸素ガスが発生し、大気中に放出。
酸素ガスは好気性生物が呼吸を行い、
ミトコンドリアで酸化的リン酸化反応を経てATPを発生させるために使われる。
酸素呼吸の反応は本質的に光合成の逆。
C6H12O6+6O2 -> 6CO2+6H2O+2880kjmol-1
脊椎動物では酸素ガスは肺の膜を通して血液中に拡散し赤血球中のヘモグロビンと結びつき、
その色を紫がかった赤から明るい赤へ変える。
1 Lの血液が溶かせる酸素ガスは200 mL。
超酸化物イオンや過酸化水素などの活性酸素は、
酸素呼吸を行う生体にとって非常に危険な副産物であり、
ミトコンドリアを取り込んだ真核生物は、
進化の過程でデオキシリボ核酸を酸素から保護するために核膜を獲得。その一方で、
高等生物は免疫系で細菌を破壊するために過酸化物を用いる。
成人が消費する酸素は、1分あたり約250 mL、これは約0.36 gに相当。
ここから計算すると、人類全体が1年間に消費する量は13億トンに相当。
なお、酸素を利用しない呼吸の形態を嫌気呼吸と云い。
最初の地球に酸素が存在しなかったことから、これが最初の呼吸のあり方と考える。
これは好気呼吸の経路にも、解糖系という形態で残る。
酸素を全く使わずに生活する微生物も存すが、酸素の存在下では死滅（嫌気性生物）。
初期の微生物にとっても、酸素は有毒物質であった。
化合物
酸素は電気陰性度が高く、ほとんどあらゆる元素と化学結合。
多くの有機化合物は構成元素として酸素を含み、無機化合物の酸素化合物は酸化物として多方面で利用。
同素体
地球上でのおもな同素体は酸素分子O2で、その結合長は121 pm、結合エネルギーは498 kJ/mol。
酸素分子は生物の複雑な細胞呼吸に使われている。
三酸素（O3）はオゾン 非常に反応性の大きい単体の気体、吸入すると肺組織を破壊。
オゾンは高層大気において、
酸素分子が紫外線によって分裂した酸素原子と別の酸素分子が結合することによって生成。
オゾンは紫外領域を強く吸収するため、
高層大気にあるオゾン層は地球を放射線から保護するシールドとして機能。
地表近くでもオゾンは生成しているが、これは自動車の排気ガスなどとして生成されている大気汚染物質。
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。
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