酸素の同素体

酸素の同素体はいくつか知られています。最もよく知られているのは分子状酸素( O ₂ ) で、地球の大気中にかなりの量存在し、二酸素または三重項酸素としても知られています。もう 1 つは反応性の高いオゾン( O ₃ ) です。他には、次のものがあります。

• 原子状酸素（O ₁）、フリーラジカル。
• 一重項酸素（O^*
  ₂）、分子状酸素の2 つの準安定状態のうちの 1 つです。
• もう一つの準安定形態である四酸素（O ₄）。
• 固体酸素は、6 つの異なる色の相で存在し、そのうちの 1 つは八酸素( O ₈、赤色酸素) で、もう 1 つは金属酸素 (ζ-酸素) です。

原子状酸素はOまたはO ₁で表され、非常に反応性が高く、酸素の個々の原子は近くの分子と素早く結合する傾向がある。その最もエネルギーの低い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、非常に短い時間だけ自然に存在している。宇宙空間では、十分な紫外線が存在するため、低地球軌道大気では酸素の96%が原子の形で存在する。^[1]

火星ではマリナー、バイキング、ソフィア観測所によって原子状酸素が検出されている。^[2]

地球上の元素酸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ますが、元素自体や三原子同素体オゾン O 3 と区別するために、二酸素、二原子酸素、分子状酸素、二酸化炭素、または酸素ガスと呼ばれることもあります。地球の大気_の主要成分（体積の約21 % ）として、元素酸素は二原子の形で存在するのが最も一般的です。好気性生物は、大気中の二酸素を細胞呼吸の最終酸化剤として使用して化学エネルギーを得ています。二酸素の基底状態は、不対電子を 2 つ持つため、三重項酸素³ [O ₂ ]として知られています。最初の励起状態である一重項酸素1 ^[ O ₂ ]には不対電子がなく、準安定です。二重項状態は奇数の電子を必要とするため、二酸素では電子を獲得したり失ったりすることなく発生することはできない。例えば、スーパーオキシドイオン（O −2）または二酸素イオン（O+2）。

O ₂の基底状態の結合長は 121  pm、結合エネルギーは 498 kJ/mol です。^[3] O 2 は無色の気体で、沸点は -183 °C (90 K; -297 °F) です。^[4]液体窒素で冷却すると空気から凝縮できます。液体窒素の沸点は -196 °C (77 K; -321 °F) です。液体酸素は淡い青色で、不対電子のために非常に顕著に常磁性です。ひもで吊るしたフラスコに入れた液体酸素は磁石に引き付けられます。

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分子酸素( O ₂ )の2 つの準安定状態を指す一般名です。電子殻の違いにより、一重項酸素は三重項酸素とは化学的、物理的特性が異なり、異なる波長の光を吸収および放出します。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染料分子からのエネルギー移動による光増感プロセスで生成されるか、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されます。

三原子酸素（オゾン、O ₃）は、非常に反応性の高い酸素の同素体で、標準温度および標準圧力では淡い青色の気体です。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、不安定で爆発性があります。^{[5] [6]}気相では、オゾンはゴムや布地などの材料を破壊し、肺組織に損傷を与えます。 ^{[7]オゾンの痕跡は}、電気モーター、レーザープリンター、コピー機から、刺激臭のある塩素のような臭いとして検出されます。 [4] これは、空気が放電を受けるたびに生成されるため、電気モーター、レーザープリンター、コピー機から発生^します。 1840年にクリスチャン・フリードリヒ・シェーンバインによって「オゾン」と命名されました。 ^[8]これは、古代ギリシャ語のὄζειν（ozein、「においをかぐ」）に、当時は派生化合物を示すために一般的に使用されていた接尾辞-onを加えて、英語化して-oneになりました。^[9]

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反応する傾向がある。これは、大気上層の紫外線が酸素_を分解して生成される原子状酸素と_{、完全な酸素}との反応によって形成される。^[5]オゾンは紫外線を強く吸収し、成層圏では太陽の紫外線による変異原性やその他の有害な影響から生物圏を保護する役割を果たしている（オゾン層を参照）。^{[5]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球の表面近くで形成される。^[10]地上オゾンは、高齢者、子供、および肺気腫、気管支炎、喘息などの心臓や肺の病気を持つ人にとって特に有害な大気汚染物質である。^[11]免疫系は抗菌剤としてオゾンを生成する（以下を参照）。^[12]

環状オゾンは、3 つの酸素原子が開角ではなく正三角形に結合すると 理論的に予測されるO _{3分子です。}

四酸素は1900年代初頭から存在が疑われており、当時はオキソゾンと呼ばれていました。2001年にローマ大学のフルビオ・カカチェ率いるチームによって特定されました。^[13] O ₄分子は、後にO ₈として特定された固体酸素の相の1つであると考えられていました。カカチェのチームは、O _{4 は}おそらく、誘導双極子分散力によって緩く結合された2つのダンベル状のO ₂分子で構成されていると示唆しました。

固体酸素には6つの異なる相が知られています。その1つは暗赤色のO8クラスターです。酸素は96GPaの圧力を受けると、水素と同様に金属になり_、 [ 14 ]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たものになり、どちらも顕著な金属特性を示します。非常に低い温度では、この相は超伝導にもなります。

• Parks, GD; Mellor, JW (1939)。Mellorの現代無機化学(第 6 版)。ロンドン: Longmans, Green and Co.
• スチュワートカ、アルバート（1998年）。『元素のガイド』（改訂版）。オックスフォード大学出版局。ISBN 0-19-508083-1。
• いくつかは理論分析、その他はリードリファレンス: Gadzhiev, Oleg B.; Ignatov, Stanislav K.; Kulikov, Mikhail Yu.; Feigin, Alexander M.; Razuvaev, Alexey G.; Sennikov, Peter G.; Schrems, Otto (2013). 「共有結合型およびファンデルワールス型における (n ≤ 6) の酸素同素体の構造、エネルギー、振動周波数: CCSD(T) レベルでの Ab Initio 研究」(PDF)。J. Chem. Theory Comput。9 (1): 247–262. doi :10.1021/ct3006584. PMID  26589027。