酸素

燃焼と空気の関係に関する最初の既知の実験の 1 つは、紀元前2 世紀の ギリシャの力学の著述家、ビザンチウムのフィロンによって行われました。フィロンは著書『プネウマティカ』の中で、燃えているろうそくの上に容器を逆さまにして容器の首を水で囲むと、水の一部が首の中に上昇することを発見しました。^{[ 10 ]}フィロンは、容器内の空気の一部が古典的な要素である火に変わり、ガラスの孔から逃げることができると誤って推測しました。何世紀も後、1250 年にイブン・アル＝ナフィス が、循環器系における血液の酸素化を正しく記述しました。ミカエル・セルヴェトゥスは1553 年にこの概念を再発見しましたが、彼の著書は組織的に破壊されました。^{[ 8 ]}科学的根拠に基づいた影響力のある記述は、1628 年にウィリアム・ハーヴェイによって出版されました。^{[ 11 ]}

レオナルド・ダ・ヴィンチは、空気の一部が燃焼と呼吸の際に消費されることを観察した。^{[ 12 ]} ポーランドの錬金術師、哲学者、医師であるミハイル・センディヴォギウス（Michał Sędziwój ^）は、1604年に著作の中で、空気中に含まれる物質をcibus vitae（「生命の食物」）と呼び、^{[ 13 ]}この物質は酸素と同一であると述べている。^{[ 8 ] 1598年から1604年にかけて行われた実験の中で、センディヴォ}ギウスは、この物質が硝酸カリウムの熱分解によって放出される気体副産物と等しいことを正しく認識した。しかし、この重要な関連性^は、ロバート・ボイルのような同時代の科学者には理解されていなかった。^{[ 8 ] [ 14 ]}

センディボギウスの研究を知らなかったジョン・メイヨーは、火や人体に熱を与える空気の一部について書いた。この研究は、空気と火に関する当時の主流のフロギストン説と一致しなかったため無視された。メイヨーは、アンチモンが加熱されると重量が増加することを観察し、ニトロエアレウスがアンチモンと結合したに違いないと推測した。^{[ 15 ]}また、肺がニトロエアレウスを空気から分離して血液に送り込み、動物の熱と筋肉の動きは、ニトロエアレウスが体内の特定の物質と反応することによって生じると考えた。^{[ 15 ]}これらの実験やその他の考えに関する記述は、1668年に彼の著作『呼吸について』の二部作『呼吸について』に発表された。^{[ 16 ]}

17 世紀後半にロバート・ボイルが燃焼には空気が必要であることを証明した後 、イギリスの化学者ジョン・メイヨーは、火にはスピリタス・ニトロアエレウスと呼ばれる空気の一部だけが必要であることを示すことで、この研究を改良した。[ ^{15 ]ある}実験では、水の上に置いた密閉容器にネズミか火のついたろうそくを置くと、水が上昇して空気の体積の 14 分の 1 を置き換えてから対象が消えることを発見した。^{[ 16 ]}このことから、ニトロアエレウスは呼吸と燃焼の両方で消費されると推測した。^{[ 17 ]}

ロバート・フック、オーレ・ボルヒ、ミハイル・ロモノーソフ、ピエール・バイエンは皆、17世紀と18世紀の実験で酸素を生成したが、彼らの誰もそれを化学元素として認識しなかった。^{[ 18 ]}これは、当時、燃焼と腐食の過程を説明するのに好まれたフロギストン説と呼ばれる哲学が広く普及していたことが一因かもしれない。^{[ 19 ]}

1667年にドイツの錬金術師JJベッヒャーによって確立され、 1731年までに化学者ゲオルク・エルンスト・シュタールによって修正されたフロギストン理論^{[ 20 ]}は、すべての可燃性物質は2つの部分から構成されていると述べた。フロギストンと呼ばれる1つの部分は、それを含む物質が燃焼したときに放出され、脱フロギストン化された部分はその真の形態、つまりカルクスであると考えられていた。^{[ 12 ]}

木材や石炭のように、ほとんど残留物を残さない非常に燃えやすい物質は、主にフロギストンでできていると考えられていたのに対し、鉄のように腐食する不燃性物質は、フロギストンをほとんど含んでいないと考えられていた。空気はフロギストン理論において役割を果たしておらず、この考えを検証するための初期の定量的実験も行われていなかった。代わりに、この理論は、物が燃えるときに何が起こるかの観察に基づいており、ほとんどの一般的な物体は軽くなり、その過程で何かを失うように見える。^{[ 12 ]}

スウェーデンの薬剤師カール・ヴィルヘルム・シェーレは、1770年から1775年頃に酸素の性質をいくつか生成し記述したが、フロギストン説の枠組みで自分の研究を解釈できなかったため、数年後までその研究を発表しなかった。^{[ 8 ] [ 21 ]}シェーレは1771年から1772年にかけて、酸化水銀(HgO)と様々な硝酸塩を加熱して酸素ガスを生成した。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 12 ]} 1775年にプリーストリーの研究について読んだ後、シェーレは1777年に発表し、当時燃焼を支えることが知られていた唯一の物質であったことから、そのガスを「火の空気」と呼んだ。^{[ 24 ]}

一方、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、ガラス管に入った酸化水銀に日光を当て、彼が「脱フロギスティン空気」と名付けたガスを発生させた。^{[ 23 ]}彼は、そのガスの中ではろうそくがより明るく燃え、ネズミはそれを吸い込むとより活発になり、より長く生きることに気づいた。プリーストリー自身もそのガスを吸い込んだ後、「肺への感覚は普通の空気とそれほど違いはなかったが、その後しばらくの間、胸が特別に軽くて楽に感じた」と記している。^{[ 18 ]}プリーストリーは1775年に「空気に関するさらなる発見の報告」と題した論文でその発見を発表し、それは彼の著書『様々な種類の空気に関する実験と観察』の第2巻に収録された。^{[ 12 ] [ 25 ]}

フランスの化学者アントワーヌ・ラヴォアジエは後に、この新物質を独自に発見したと主張した。プリーストリーは1774年10月にラヴォアジエを訪ね、自身の実験と新ガスの放出方法について語った。シェーレも1774年9月30日にラヴォアジエに手紙を送り、これまで知られていなかった物質の発見について説明したが、ラヴォアジエは受け取ったことを認めなかった（手紙の写しはシェーレの死後、彼の所持品の中から発見された）。^{[ 24 ]}

ラヴォアジエは酸化に関する最初の適切な定量的実験を行い、燃焼の仕組みについて最初の正しい説明を与えた。彼は1774年に始まったこれらの実験や同様の実験を用いて、フロギストン説を否定し、プリーストリーとシェーレが発見した物質が化学元素であることを証明した。^{[ 23 ]}

ある実験で、ラヴォアジエは、密閉容器内で錫と空気を加熱しても全体の重量は増加しないことを観察した。 ^{[ 23 ]}彼は容器を開けると空気が流れ込んできたことに気づき、これは閉じ込められていた空気の一部が消費されたことを示していると指摘した。また、錫の重量が増加し、その増加分は流れ込んできた空気の重量と同じであることにも気づいた。この実験やその他の燃焼に関する実験は、1777年に出版された彼の著書『一般燃焼論』（Sur la combustion en général）に記録されている。^{[ 23 ]}その著作の中で、彼は空気が2つの気体の混合物であることを証明した。1つは燃焼と呼吸に不可欠な「生命の空気」、もう1つはどちらも支えないアゾテ（ギリシャ語のἄζωτον 「生命のない」に由来）である。アゾテは後に英語で窒素となったが、フランス語や他のいくつかのヨーロッパ言語では以前の名前が残っている。^{[ 23 ]}

ジョン・ドルトンの当初の原子仮説は、すべての元素が単原子であり、化合物中の原子は通常、互いに最も単純な原子比を持つと仮定していた。たとえば、ドルトンは水の式をHOと仮定し、酸素の原子量は水素の8倍であると結論付けたが、これは現代の値である約16とは異なっていた。^{[ 27 ]} 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、水は2体積の水素と1体積の酸素から構成されていることを示し、1811年までに、アメデオ・アボガドロは、現在アボガドロの法則と呼ばれるものと、これらの気体中の二原子元素分子に基づいて、水の組成の正しい解釈に到達した。 ^{[ 28 ]}

1879年、フランス人の兄弟クエンティンとアーサー・ブリンは、酸素を生成する商業的に実現可能な反応を発見した_。彼らは、既知の可逆反応 2BaO (s) + O₂ (g) ↔ 2BaO₂ (s)が、空気中の_{二酸化炭素}から炭酸バリウムが生成されることで不活性化されることに気づいた。空気から二酸化炭素を除去することで、反応を無限に逆転させることができた。彼らの会社は1886年から1906年までこのプロセスを使用していたが、その後、より経済的な分留法が使用されるようになった。^{[ 29 ]}

19 世紀後半までに、科学者たちは空気を圧縮して冷却することで液化し、その成分を分離できることに気づいた。スイスの化学者で物理学者のラウル・ピエール・ピクテは、カスケード方式を用いて液体二酸化硫黄を蒸発させて二酸化炭素を液化し、次にその二酸化炭素を蒸発させて酸素ガスを液化できるほど冷却した。1877 年 12 月 22 日、彼はパリのフランス科学アカデミーに電報を送り、液体酸素の発見を発表した。^{[ 30 ]}わずか 2 日後、フランスの物理学者ルイ・ポール・カイエテは分子状酸素を液化する独自の方法を発表した。^{[ 30 ]}いずれの場合も生成された液体はほんの数滴で、意味のある分析はできなかった。酸素は1883年3月29日にヤギェウォ大学のポーランド人科学者ジグムント・ヴロブレフスキとカロル・オルシェフスキによって初めて安定した状態で液化されました。^{[ 31 ]}

1891年、スコットランドの化学者ジェームズ・デュワーは、研究に十分な量の液体酸素を製造することに成功した。^{[ 32 ]}液体酸素を製造する最初の商業的に実現可能なプロセスは、1895年にドイツのエンジニア、カール・フォン・リンデとイギリスのエンジニア、ウィリアム・ハンプソンによってそれぞれ独立に開発された。両者は空気の温度を下げて液化させ、構成ガスを一つずつ沸騰させて分離し、個別に捕集した。[ ^{33 ]その後}、1901年には、アセチレンと圧縮酸素の混合物を燃焼させることで、酸素アセチレン溶接が初めて実証された。_2．この金属の溶接と切断の方法は後に一般的になった。 ^{[ 33 ]}

1923年、アメリカの科学者ロバート・H・ゴダードは、液体燃料を燃焼させるロケットエンジンを開発した最初の人物となった。このエンジンは燃料としてガソリンを、酸化剤として液体酸素を使用した。ゴダードは1926年3月16日、マサチューセッツ州オーバーンで、小型の液体燃料ロケットを時速97km で56m飛行させることに成功した。^{[ 33 ] [ 34 ]} 

標準温度・圧力下では、酸素は無色、無臭、無味の気体であり、分子式はOである。₂は二酸素と呼ばれます。 ^{[ 36 ]}

二酸素分子では、2つの酸素原子が化学的に結合しています。この結合は理論レベルによって様々に説明できますが、合理的かつ単純に、個々の酸素原子の原子軌道から形成される分子軌道の充填によって生じる共有結合二重結合として説明できます。この充填によって結合次数は2になります。より具体的には、二重結合は、低エネルギーから高エネルギーへの、またはアウフバウの原理に基づく軌道の順次充填と、低エネルギーのσ軌道とσ*軌道の順次充填後の2s電子からの寄与の相殺、O–O分子軸に沿った2つの原子2p軌道のσ重なりとO–O分子軸に垂直な2対の原子2p軌道のπ重なり、そしてπ ^*軌道の部分充填後の残りの2つの2p電子からの寄与の相殺によって生じます。^{[ 35 ]}

この相殺とσ軌道およびπ軌道の重なりの組み合わせにより、二酸素の二重結合特性と反応性、そして三重項電子基底状態の存在が生じます。二酸素軌道（図中の満たされたπ*軌道を参照）に見られるような、エネルギーが等しい（つまり縮退した）2つの不対電子を持つ電子配置は、スピン三重項状態と呼ばれます。したがって、 Oの基底状態は₂分子は三重項酸素と呼ばれます。 ^{[ 37 ]}最もエネルギーの高い部分的に満たされた軌道は反結合性ため、それらの充填により結合次数が 3 から 2 に弱まります。不対電子のため、三重項酸素は対になった電子スピンを持つほとんどの有機分子とゆっくりとしか反応しません。これにより自然発火が防止されます。 ^{[ 38 ]}

三重項形式では、O_2つの分子は常磁性で分子内の不対電子のスピン隣接する原子交換エネルギーのために、磁場が存在すると酸素に磁気特性を与える。₂分子。 ^{[ 32 ]}液体酸素は非常に磁性が強いため、実験室でのデモンストレーションでは、強力な磁石の極の間に液体酸素の橋を自重で支えることができる。 ^{[ 39 ]}酸素の常磁性は、特に工業プロセス制御や医療において、気体酸素濃度を測定する常磁性酸素ガス分析装置に利用できる。 ^{[ 40 ] [ 41 ]}

一重項酸素は、分子状酸素のいくつかの高エネルギー種に与えられた名称である。₂全ての電子スピンが対になっている状態。通常の（三重項）分子酸素よりも有機分子^{との反応性がはるかに高い。自然界では、一重項酸素は一般的に太陽光のエネルギーを利用して光合成中に水から生成される。 [ 42 ]}また、短波長の光によるオゾンの光分解によって対流圏^{で生成されるほか[ 43 ]} 、免疫系では活性酸素源として生成される。 ^{[ 44 ]}光合成生物（およびおそらく動物）のカロテノイドは、一重項酸素からエネルギーを吸収し、組織に害を及ぼす前に励起されていない基底状態に変換する上で重要な役割を果たしている。 ^{[ 45 ]}

地球上で一般的な酸素の同素体は二酸素O₂と呼ばれる。_{2 は}、地球の大気中の酸素の大部分を占める同素体です（存在を）。O_{2 の}結合長は 121pm、結合エネルギーは 498kJ/mol。 ^{[ 46 ]} 三酸素 (O  ₃ ) は一般的にオゾンとして知られており、肺組織に損傷を与える非常に反応性の高い酸素の同素体です。 ^{[ 47 ]}オゾンは上層大気でOが_2はOの分解によって生成された原子状酸素と結合する₂紫外線による。 ^{[ 26 ]}オゾンはスペクトルの紫外線領域で強く吸収するため、上層大気のオゾン層は^{地球の放射線保護シールドとして機能する。 [ 26 ]}地球表面付近では、オゾンは自動車の排気ガスの副産物として生成される汚染物質。 ^{[ 47 ]}地球の低軌道では宇宙船の腐食を引き起こすのに十分な原子状酸素が存在する。 ^{[ 48 ]}

準安定分子テトラオキシゲン（O₄ )は2001年に発見され、固体酸素。 ^{[ 49 ] [ 50 ]} 2006年、 Oを加圧することによって生成されたこの相は₂～20GPaの圧力菱面体Oが形成されることが示された。 ₈クラスター。 ^{[ 51 ]}このクラスターは、 Oよりもはるかに酸化剤となる可能性を秘めている。₂またはO₃そのためロケット燃料として使用できる。 ^{[ 49 ] [ 50 ]} 1990年に固体酸素に96 GPa以上の圧力を加えると金属相が発見され、1998年には極低温でこの相が超伝導状態。 ^{[ 52 ] [ 53 ]}

酸素は窒素よりも水に溶けやすい。空気と平衡状態にある水には、およそ1分子の酸素が溶解している。N分子2個につき_2個2 (1:2) は、大気中の比率が約 1:4 であるのと比較される。水中の酸素の溶解度は温度に依存し、約 2 倍 (14.6 mg/L  ) は0 °C (32 °F)で20 °C (68 °F)よりも溶解します(    7.6 mg/L  ) ^{[ 18 ] [ 54 ]}

25 °C (77 °F)および1標準気圧(101.325 kPa )の空気中では、淡水には 1リットルあたり約 6.04ミリリットル(mL) の酸素が溶解し、海水には1リットルあたり約 4.95 mL の酸素が溶解します。5 °C (41 °F)では、溶解度は淡水で 1 リットルあたり 9.0 mL (25 °C (77 °F)より 50%増加)、海水で 1 リットルあたり 7.2 mL (45% 増加) に増加します。^{[ 55 ]}            

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）で凍結する。^{[ 56 ]}液体および固体のOはどちらも      _2は、赤色光の吸収によって生じる淡い透明な物質である（空の青色はレイリー散乱）。高純度液体酸素₂は通常、液化空気の分留によって得られる^{。 [ 57 ]}液体酸素は、冷却剤として液体窒素を使用して空気から凝縮することもできる^{。 [ 58 ]}液体酸素は反応性の高い物質であり、可燃物から隔離する必要がある。 ^{[ 58 ]}

分子状酸素の分光は、オーロラや大気光の大気過程と関連している。^{[ 59 ]}紫外域のヘルツベルク連続帯とシューマン・ルンゲ帯の吸収により、中間圏の化学において重要な原子状酸素が生成される。 ^{[ 60 ]}励起状態の一重項分子状酸素は、溶液中の赤色化学発光の原因となっている。^{[ 61 ]}

大気圧における酸素（O ₂ ）の熱的および物理的特性の表： ^{[ 62 ] [ 63 ]}

自然界に存在する酸素は、^16O、^17O、18Oの3つ^の安定同位体から構成されており、16Oが^最も豊富である（自然存在比99.762% ）。^{[ 64 ]}

^{16 O は、大質量}星における主要な核融合生成物の 1 つです。これは、トリプル アルファ プロセスの最後に合成され、一部はネオン燃焼プロセスで合成されます。^{[ 65 ] 17} O と¹⁸ Oの両方には種となる原子核が必要です。17 O^は主にCNO サイクル中に水素がヘリウムに燃焼することによって生成されるため、星の水素燃焼領域では一般的な同位体です。^{[ 65 ] 18} Oのほとんどは、 ¹⁴ N (CNO 燃焼によって豊富に生成される) が⁴ He原子核を捕獲するときに生成されるため、進化した大質量星のヘリウムに富む領域では¹⁸ O が一般的です。^{[ 65 ]}

¹¹ Oから²⁸ Oまでの15 種類の放射性同位体が特性評価されています。^{[ 6 ] [ 66 ]}最も安定なのは半減期122.24秒の¹⁵ O と半減期 70.606 秒の¹⁴ O です。^{[ 64 ]}残りの放射性同位体はすべて半減期が 27秒未満で、その大部分は半減期が 83ミリ秒未満です。^{[ 64 ] 16} Oより軽い同位体の最も一般的な崩壊モードは窒素を生成するβ ⁺崩壊であり、 ¹⁸ Oより重い同位体の最も一般的なモードはフッ素を生成するβ 崩壊です。^{[ 64 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]}    

酸素は、水素とヘリウムに次いで宇宙で3番目に豊富な化学元素です。^{[ 71 ]}太陽の質量の約0.9%は酸素です。 ^{[ 23 ]}酸素は、二酸化ケイ素などの酸化物化合物の一部として、質量で地球の地殻の49.2%を占め、地球の地殻で質量的に最も豊富な元素です。^{[ 72 ]}また、世界の海洋の主要成分でもあります（質量で88.8%）。^{[ 23 ]}酸素ガスは、地球の大気の2番目に一般的な成分であり、体積の20.8%、質量の23.1%（約10 ¹⁵トン）を占めています。^{[ 23 ] [ 73 ] [ a ]}

地球は、大気中に酸素ガスが非常に高濃度で含まれている点で、太陽系の惑星の中では珍しい。火星（酸素濃度0.1% ）_{体積比で2}）であり、金星はそれよりもはるかに少ない。_{これらの惑星を取り巻く2つの}光は、二酸化炭素などの酸素含有分子に対する紫外線の作用によってのみ生成されます。 ^{[ 74 ]}地球上の酸素ガスの異常に高い濃度は、酸素循環 の結果です。この生物地球化学的循環は岩石圏の内部およびそれらの間の酸素の移動を説明しています。酸素循環の主な原動力は光合成、これは現代の地球の大気を担っています。光合成は酸素を大気中に放出し、呼吸、分解、燃焼は酸素を大気から除去します。現在の平衡状態では、生成と消費は同じ速度で起こります。 ^{[ 3 ]： 602}

大気中の酸素濃度は世界的にわずかに低下傾向にあり、これは化石燃料の燃焼が原因である可能性がある。^{[ 75 ]}

遊離酸素は世界の水域にも溶解した状態で存在する。₂低温では（物理的性質）、極地の海洋は酸素含有量が高いため、はるかに高い密度の生物を支えているため、海洋生物にとって重要な意味を持つ。 ^{[ 76 ]}科学者は、水の生化学的酸素要求量酸素量₂^{を正常な濃度}に戻す^には^、 ​

古気候学者は、数百万年前の気候を決定するために、海洋生物の殻や骨格中の酸素18と酸素16の比率を測定します（酸素同位体比サイクルを参照）。軽い同位体である酸素16を含む海水分子は、12%重い酸素18を含む水分子よりもわずかに速い速度で蒸発し、この差は低温で大きくなります。^{[ 79 ]}地球の気温が低い時期には、蒸発した水からできた雪や雨は酸素16の含有量が高くなる傾向があり、残った海水は酸素18の含有量が高くなる傾向があります。そのため、海洋生物は温暖な気候の場合よりも多くの酸素18を骨格や殻に取り込みます。^{[ 79 ]}古気候学者はまた、数十万年前の氷床コアサンプルの水分子中のこの比率を直接測定します。 ^{[ 80 ] [ 81 ]}

惑星地質学者は、地球、月、火星、隕石のサンプル中の酸素同位体の相対量を測定してきたが、原始太陽星雲と同じであると考えられていた太陽の同位体比の基準値を長い間得ることができなかった。宇宙空間で太陽風にさらされ、墜落したジェネシス探査機によって持ち帰られたシリコンウェハーの分析により、太陽は地球よりも酸素16の割合が高いことが示された。この測定結果は、地球を形成する塵粒子の合体の前に、未知のプロセスによって原始惑星物質の太陽円盤から酸素16が枯渇したことを示唆している。 ^{[ 82 ] [ 83 ]}

酸素は、687 nmと760 nmの波長でピークを示す2つの分光光度吸収帯を持つ。一部のリモートセンシング科学者は、これらのバンドにおける植生キャノピーからの放射輝度の測定を利用して、衛星プラットフォームから植物の健康状態を特徴付けることを提案している。^{[ 84 ]}このアプローチは、これらのバンドでは、はるかに弱い蛍光から植生の反射を区別できるという事実を利用している。信号対雑音比が低く、植生の物理的構造のため、測定は技術的に困難であるが、地球規模で衛星から炭素循環を監視する可能性のある方法として提案されている。 ^{[ 85 ]} 

自然界では、遊離酸素は、葉緑素光合成中の光駆動による水の分解の副産物として生成されます。いくつかの推定によると、紅藻類や緑藻類、シアノバクテリアなどの海洋光合成生物が地球上で生成される遊離酸素の約70%を供給し、残りは陸上環境で植物によって生成されます。^{[ 86 ]}海洋が大気中の酸素に寄与する割合については、これより高い推定値もあれば、低い推定値もあり、海洋が毎年地球の大気中の酸素の約45%を生成していると示唆しています。^{[ 87 ]}

光合成の簡略化された全体式は^{[ 88 ]である。}

6 CO₂ + ₆ H₂ O+ 光子 →C₆時間₁₂ O₆ + 6O₂

または単に

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、光合成生物のチラコイド膜で起こり、4個の光子のエネルギーを必要とする。^{[ b ]}多くの段階が関与するが、その結果としてチラコイド膜を横切るプロトン勾配が形成され、これが光リン酸化を介してアデノシン三リン酸（ATP）の合成に利用される。^{[ 89 ]} O（水分子の生成後）残った_{2分子は大気中に放出される。} ^{[ c ]}

真核生物のミトコンドリアでは、酸化的リン酸化の際に酸素を用いてATPを生成する。好気呼吸の反応は基本的に光合成の逆反応であり、以下のように簡略化される。

C₆時間₁₂ O₆ + 6O₂ → 6CO₂+ 6H₂ O+ 2880 kJ/mol

水生動物では、水中の溶存酸素は鰓、皮膚、または腸管を通して吸収されます。四肢動物などの陸生動物では、空気中の酸素は肺を通して能動的に体内に取り込まれ、そこでガス交換が行われて酸素が血液中に拡散し、二酸化炭素が体外に排出されます。その後、体の循環系が酸素を他の組織に運び、そこで細胞呼吸が行われます。^{[ 90 ] [ 91 ]}しかし、最も成功し、生物多様性に富む陸生動物の系統である昆虫では、酸素は気道の深いネットワークを通して直接内部組織に運ばれます。赤血球中のヘモグロビンが酸素と結合します。₂、青みがかった赤から鮮やかな赤に色が変わる^{[ 47 ]}（CO₂はボーア効果によってヘモグロビンの別の部分から放出される）。他の陸生無脊椎動物はヘモシアニン（軟体動物や一部の節足動物）またはヘメリトリンを使用する。 ^{[ 73 ]} 1リットルの血液は最大 200cm³の酸素^。_2. ^{[ 73 ]}​

嫌気性生物が発見されるまでは、酸素はすべての複雑な生命にとって必要不可欠だと考えられていた。^{[ 92 ] [ 93 ]}

スーパーオキシドイオン（O ⁻ ₂）や過酸化水素（H）などの活性酸素種₂ O₂）は、生物における酸素利用の反応性副産物である。 ^{[ 73 ]}高等生物の免疫系の一部は、病原体の攻撃に対する植物の過敏性反応^{においても重要な役割を果たしている。 [ 89 ]}酸素は偏性嫌気性生物に有害であり偏性嫌気性生物O2がするまで地球上の初期生命の主要な形態であった。_{2 は}、これらの生物が最初に現れてから約 10 億年後の、大酸化イベント中に、約 25 億年前に大気中に蓄積され始めました^{。 [ 94 ] [ 95 ]}

安静時の成人は1分間に1.8～2.4グラムの酸素を吸入する。 ^{[ 96 ]}これは人類が年間60億トン以上の酸素を吸入していることになる。^{[ d ]} 

生きた脊椎動物の体内の遊離酸素分圧は呼吸器系で最も高く、動脈系、末梢組織、静脈系の順に低下します。分圧とは、酸素だけがその体積を占めている場合の圧力のことです。^{[ 99 ]}

光合成が進化する前は、地球の大気には遊離二原子酸素（O ₂）はほとんど存在しなかった。 ^{[ 101 ] [ 95 ]} 酸素は、新始生代と古原生代の境界付近の約 24.5 億年前に、大酸化イベント（GOE）として知られる古地質学的イベント中に、生命誕生以前の大気に蓄積され始めた。 ^{[ 102 ]}_{達成された O 2}の濃度は、今日の 10% 未満であり、おそらく大きく変動した。約 5 億年前に、新原生代酸化イベントとして知られる 2 番目のイベントにより、酸素濃度は現在と同等かそれ以上になった。^{[ 103 ]}

酸素は生物活動の結果であると同時に、生命活動の重要な促進因子でもある。光合成は酸素を生成するが、好気呼吸を行う植物や動物はそれを消費する。したがって、生命の進化は利用可能な酸素濃度と密接に関係している。酸素と進化の関係を理解することは、系外惑星のデータから地球外生命の証拠を探すのに役立つだろう。^{[ 103 ]： 252}酸素濃度は堆積岩の地球化学的組成において重要な役割を果たしており、酸素濃度は地質学にとって重要であり、堆積岩は地質学的時間における酸素濃度を理解する上で重要である。^{[ 104 ]}酸素濃度の増加は地球の地球化学と生物圏に広範囲にわたる重大な影響を与えた。しかし、酸素と進化の間の詳細な関係は依然として不明である。^{[ 105 ]}

大気中の酸素濃度の変動が過去の気候を形成した可能性がある。酸素が減少すると大気密度が低下し、その結果地表からの蒸発が増加し、降水量の増加と気温の上昇を引き起こした。^{[ 106 ]}

エウロパとガニメデの薄い酸素大気、特に極付近で微量の酸素が検出されている。この酸素は水の光解離によって生じたと考えられている。 ^{[ 107 ]}

宇宙生物学の分野や地球外生命体の探査において、酸素は最も強力なバイオシグネチャー、つまり生物活動の兆候と考えられています。酸素はバイオシグネチャーの3つの基準を満たしています。地球上の酸素のほぼすべてが生物起源であるという観察に基づくと、その存在は生命の信頼できる指標です。第二に、酸素は10億年という長期間にわたって大気中に持続します。第三に、酸素は大気中でよく混ざり合い、遠隔望遠鏡で検出できる強い特徴的な吸収線を持っています。^{[ 108 ]}潜在的な問題の一つは、遊離酸素の蓄積を可能にするプロセスや条件（例えば、特殊な水圏）を持つ天体上で酸素が非生物的に生成される可能性があることです。^{[ 109 ] [ 110 ] [ 111 ]}

酸素の貯蔵方法には、高圧酸素タンク、極低温、化学化合物などがあります。経済的な理由から、酸素は液体として特別に断熱されたタンカーで大量に輸送されることがよくあります。これは、1リットルの液化酸素が、大気圧および20 ℃（68 °F）の気体酸素840リットルに相当するためです。^{[ 24 ]}このようなタンカーは、病院や大量の純酸素ガスを必要とするその他の施設の外に設置されている液体酸素貯蔵容器に補充するために使用されます。液体酸素は熱交換器を通過し、極低温の液体がガスに変換されてから建物に入ります。酸素は圧縮ガスを収容した小型シリンダーにも貯蔵および輸送されます。この形態は、特定の携帯型医療用途や酸素燃料溶接および切断に役立ちます。^{[ 24 ]}   

Oの取り込み₂空気から呼吸医療で使用されます。治療は患者の血液中の酸素レベルを上げるだけでなく、多くの種類の肺疾患における血流抵抗を低下させ、心臓への負担を軽減するという二次的な効果もあります。酸素療法は肺気腫、肺炎、一部の心臓疾患（うっ血性心不全肺動脈圧の上昇を引き起こす一部の疾患、および気体酸素の取り込みと利用能力を損なう疾患の^{治療に使用されます。 [ 114 ]}

治療法は病院、患者の自宅、あるいは携帯機器でも使用できるほど柔軟性がある。酸素テントはかつて酸素補給によく使われていたが、その後は酸素マスクや鼻カニューラの使用にほぼ置き換えられた。^{[ 115 ]}

高気圧酸素療法は、酸素分圧を高めるために特殊な酸素チャンバーを使用する。₂患者の周囲、必要に応じて医療スタッフ。 ^{[ 116 ]}一酸化炭素中毒、ガス壊疽、減圧症（潜水病）は、この療法で対処されることがある。 ^{[ 117 ]}酸素濃度の増加肺内の_酸素濃度の上昇は、ヘモグロビンのヘム基から一酸化炭素。 ^{[ 118 ] [ 119 ]}酸素ガスは嫌気性細菌ため、酸素分圧の上昇は細菌を殺し、ガス壊疽を軽減するのに役立ちます。 ^{[ 120 ] [ 121 ]}減圧症は、潜水後に減圧が速すぎるダイバーに発生し、血液中に主に窒素とヘリウムの不活性ガスの気泡が形成されます。酸素分圧の上昇は、₂できるだけ早く、気泡を血液中に再溶解させ、これらの過剰なガスを肺を通して自然に吐き出すのを助けます。 ^{[ 114 ] [ 122 ] [ 123 ]}組織内で不活性ガス気泡の形成を伴う可能性のある潜水事故の応急処置として、利用可能な最高濃度の常圧酸素投与が頻繁に使用されます。長期データベースに記録された症例の統計的研究から、その使用に対する疫学的裏付けがあります。 ^{[ 124 ] [ 125 ] [ 126 ]}

現代の宇宙服は、着用者の体を覆うように設計されており、低圧の呼吸ガスとして酸素ガスが使用されています。これらの装置は、通常の約3分の1の圧力でほぼ純粋な酸素を使用するため、通常の血液中の酸素分圧は100%になります。_2．酸素濃度を高めて圧力を下げるというこのトレードオフは、スーツの柔軟性を維持するために必要である。 ^{[ 127 ] [ 128 ]}

スキューバダイビングや水面供給式潜水士、潜水艦も人工的に供給される酸素に依存している_2．潜水艦、潜水艇、大気圧潜水服は通常、通常の気圧下で運用されます。呼吸用空気は化学抽出によって二酸化炭素が除去され、酸素が補充されて一定の分圧が維持されます。大気圧潜水士は、作業深度に適した酸素分率の空気または混合ガスを呼吸します。純粋な、またはほぼ純粋な酸素_{大気圧よりも高い圧力での潜水における酸素}の使用は、通常、リブリーザーの使用、比較的浅い深度（約6メートル以下）での減圧^{[ 129 ] [ 130 ]} 、またはの再圧チャンバーでの医療処置に限ら酸素の大幅な希釈が必要です。₂酸素毒性を防ぐために、窒素やヘリウムなどの他のガスと混合する。 ^{[ 129 ]}

山登りをする人や非与圧固定翼機で飛行する人は、酸素補給が必要になることがある。_2つの供給。 ^{[ f ]}加圧された商用航空機には、酸素の緊急供給があります。₂客室減圧時に乗客に自動的に供給されます。急激な客室圧力低下により、各座席の上にある化学酸素発生器酸素マスクが降りてきます。客室安全指示に従ってマスクを引っ張ると、「酸素の流れを開始」し、鉄粉が容器内の塩素酸ナトリウム^{に押し込まれます。 [ 77 ]}その後、発熱により安定した酸素ガスの流れが生成されます。 ^{[ 3 ]}

酸素は軽度の陶酔作用を持つため、酸素バーやスポーツにおいて娯楽目的で使用されてきた歴史がある。酸素バーは1990年代後半から米国に存在する施設で、通常よりも高濃度の酸素を提供している。最小限の料金で_{2回の露出。} ^{[ 131 ]}プロのアスリート、特にアメリカンフットボール、パフォーマンスを向上させるために、プレーの合間にフィールドを離れて酸素マスクを装着することがあります。薬理学的効果は疑わしく、プラセボ効果の方が可能性が高い説明です。 ^{[ 131 ]}入手可能な研究は、酸素濃縮混合物が有酸素運動中に 吸入された場合にのみパフォーマンス向上を裏付けています。 ^{[ 132 ]}

呼吸を伴わないその他の娯楽用途としては、ジョージ・ゴブルによるバーベキューグリルの5秒間の点火など、花火を使った用途がある。^{[ 133 ]}

鉄鉱石を製鋼する工程では、商業的に生産される酸素の55%が消費される。^{[ 77 ]}この工程では、O₂は高圧ランスを通して溶融鉄に注入され、硫黄不純物と過剰な炭素をそれぞれの酸化物であるSO₂とCO_2.反応は発熱反応ので、温度は1,700℃まで上昇し ます。 ^{[ 77 ]}

商業的に生産される酸素のさらに25%は化学工業で使用されている。^{[ 77 ]}エチレンはOと反応する。₂エチレンオキシドを生成し、それがエチレングリコール不凍液やポリエステルプラスチックや繊維の前駆体など、さまざまな製品を製造するために使用される主要な原料です。 ^{[ 77 ]}

商業的に生産される酸素の残りの20%のほとんどは、医療用途、金属切断および溶接、ロケット燃料の酸化剤、および水処理に使用されています。^{[ 77 ]}酸素は、酸素アセチレン溶接、アセチレンと酸素の燃焼に使用されます。_2.非常に高温の炎を発生させる。この工程では、厚さ最大60cm（24インチ）をまず小さな酸素アセチレン炎で加熱し、次に大量の酸素  _2. ^{[ 134 ]}​

水（H）₂ O水素の酸化物であり、最もよく知られている酸素化合物です。水素原子は水分子中の酸素と共有結合しています 別の分子の隣接する酸素原子にも追加の引力 (水素原子あたり約 23.3 kJ/mol) を持っています。 ^{[ 136 ]}これらの水素結合ファンデルワールス力のみを持つ単純な液体で予想されるよりも約 15% 近くなります。 ^{[ 137 ] [ g ]}

酸素は電気陰性度が高いため、他のほとんどすべての元素と化学結合を形成し、対応する酸化物を生成します。アルミニウムやチタンなどのほとんどの金属の表面は、空気中で酸化され、金属を不動態化して腐食を遅らせる薄い酸化物膜で覆われます。遷移金属の酸化物の多くは非化学量論的化合物であり、化学式が示すよりもわずかに金属量が少なくなっています。例えば、鉱物FeO（ウスタイト）は次のように表されます。${\displaystyle {\ce {Fe}}_{1-x}{\ce {O}}}$ここで、xは通常0.05前後である。^{[ 138 ]}

大気中には二酸化炭素（CO₂）の形で微量の酸素が存在する。₂ )地球の地殻岩石ケイ素（シリカSiO₂）で構成されている₂ （花崗岩や石英に含まれる）アルミニウム（酸化アルミニウムAl₂ O₃ 、ボーキサイトおよびコランダム中）、鉄（酸化鉄(III)Fe₂ O₃（赤鉄鉱や錆など）、炭酸カルシウム（石灰岩）などで構成されています。地殻の残りの部分も酸素化合物、特にさまざまな複合ケイ酸塩（ケイ酸塩鉱物）で構成されています。地殻よりもはるかに質量が大きい地球のマントルは、主にマグネシウムと鉄のケイ酸塩で構成されています。 ^{[ 139 ]}

ナトリウムの形で水溶性ケイ酸塩₄ SiO₄、Na₂ SiO₃、およびNa₂ Si₂ O₅は洗剤や接着剤として使用される。 ^{[ 140 ]}

酸素は遷移金属の配位子としても働き、遷移金属二酸素錯体を形成する。この錯体は金属-O結合を特徴とする。_2．この化合物群には、ヘムタンパク質ヘモグロビンとミオグロビン。 ^{[ 141 ]} PtFでは、特異で珍しい反応が起こる。₆は酸素を酸化してO+2PtF−6、オキシゲニルヘキサフルオロプラチナ酸。 ^{[ 142 ]}

酸素を含む有機化合物の最も重要なクラスには、（「R」は有機基を表す）アルコール（R-OH）、エーテル（ROR）、ケトン（R-CO-R）、アルデヒド（R-CO-H）、カルボン酸（R-COOH）、エステル（R-COO-R）、酸無水物（R-CO-O-CO-R）、アミド（R-CO-NR）などがある。₂ )酸素を含む溶媒は数多くありアセトン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、フラン、THF、ジエチルエーテル、ジオキサン、酢酸エチル、DMF、DMSO、酢酸、ギ酸。アセトン((CH)₃ )₂ CO) およびフェノール(C )₆時間₅ OH) は、さまざまな物質の合成における原料として使用されます。酸素を含むその他の重要な有機化合物には、グリセロール、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒド、クエン酸、無水酢酸、アセトアミド。エポキシドは、酸素原子が3つの原子からなる環の一部となっているエーテルです。この元素は、生命にとって重要な（または生命によって生成される）生体分子^{にも同様に見られます。 [ 143 ]}酸素は、室温以下で有機 と自発的に反応し、自動酸化。 ^{[ 144 ]}酸素を含む有機化合物のほとんどはOの直接作用によって作られるものではありません。_2．産業や商業において重要な有機化合物で、前駆体の直接酸化によって作られるものには、エチレンオキシドや過酢酸。 ^{[ 140 ]}

酸素ガス（O）₂ )酸素分圧が高くなると毒性を痙攣やそ​​の他の健康問題を引き起こす^{可能性がある。 [ 129 ] [ h ] [ 147 ]}酸素中毒は通常、50キロパスカルを超える分圧で発生し始める。これは標準気圧での酸素組成の約50％、または通常の海面酸素濃度の2.5倍に相当する。 _2.酸素分圧は約21kPaです酸素マスク通常30～50%の酸素しか含まないため、人工呼吸器 を使用している患者を除いては問題ありん。体積比で₂  （標準圧力で約30 kPa）。 ^{[ 18 ]}

かつては、未熟児は酸素を含む保育器に入れられていた。₂ - 酸素濃度の高い空気ですが、酸素濃度が高すぎるために赤ちゃんが失明したため、この方法は中止されました。 ^{[ 18 ]}

純粋な酸素を呼吸する₂宇宙用途、例えば一部の現代の宇宙服やアポロ、使用される全圧が低いため、損傷は発生しない。 ^{[ 127 ] [ 148 ]}宇宙服の場合、O呼吸ガス中の酸素分圧は一般的に約30 _kPa （通常の1.4倍）であり、結果として圧は₂宇宙飛行士の動脈血中の酸素分圧は、通常の海面酸素分圧よりわずかに高いだけである。₂分圧。 ^{[ 149 ]}

深海スキューバダイビングや水面供給式ダイビングでも、肺や中枢神経系への酸素中毒が発生する可能性がある。^{[ 18 ] [ 129 ]}酸素を含む空気混合ガスの長時間の呼吸60 kPaを超える分圧は、_最終的に永続的な肺線維症 を引き起こす可能性がある。 ^{[ 150 ]} Oへの曝露160 kPa（約1.6気圧）を超える分圧は_痙攣を引き起こす可能性があり（ダイバーにとっては通常致命的）、21%の酸素 を含む空気混合物を吸入すると急性酸素中毒（ダイバーにとって最も恐れられる症状である痙攣を引き起こす）が発生する可能性がある。_2.水深66m（217フィート）酸素を呼吸することでも同じことが起こり得ます  わずか6メートル（20フィート）_で2匹。 ^{[ 150 ] [ 151 ] [ 152 ] [ 153 ]}  

不燃性容器を使用するか、すべての発火源を排除しない限り、酸素濃度が高い環境は極めて危険です。ほとんどの金属を含む多くの物質は、酸素濃度が高い環境ではより速く燃焼し、より低い温度で発火します。^{[ 154 ]}濃縮酸素_{2 は}燃焼を迅速かつ強力に進行させる。 ^{[ 38 ]}気体酸素と液体酸素の両方を貯蔵および輸送するために使用される鋼管と貯蔵容器はOの設計と製造は_2つのシステムでは、発火源を最小限に抑えるために特別な訓練が必要です。 ^{[ 38 ]}

1967年にアポロ1号の乗組員が死亡した発射台試験中の火災が急速に燃え広がったのは、カプセルが純粋な酸素で加圧されていたためである。₂ドアをシールに押し付けるために、大気圧よりわずかに高い圧力がかけられた。宇宙空間に入ると、外部圧力は最小限になり、火災の危険性を減らすために酸素圧力は 5psi まで下げられた。火災の発火源は、宇宙飛行士の 1 人の座席の下で発生した電気サージであることが判明し、おそらく擦り切れた配線が原因だった。 ^{[ 155 ]}

液体酸素の漏洩は、木材、石油化学製品、アスファルトなどの有機物に染み込むと、その後の機械的衝撃でこれらの物質が予測不能な爆発を起こす可能性がある。^{[ 38 ]}