酸素（O）

酸素（O）は、大気中に豊富に存在し、呼吸・燃焼・腐食・触媒反応・電気化学など、エネルギー変換の根幹に関与する非金属元素である。物質科学では、酸素は「どれだけあるか」以上に「どの化学状態（O2、O3、酸化物、酸素欠損など）で、どの場（表面、界面、格子、欠陥）に存在するか」が物性と反応性を決める。さらに工業的には、酸素は鉄鋼・化学・医療・宇宙推進を支える基盤ガスであり、高圧ガス安全・酸化性雰囲気の管理・材料適合（発火/汚染）と不可分である。

参考ドキュメント

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Oxygen（基本物性・概要） https://periodic-table.rsc.org/element/8/oxygen
• 経済産業省（日本語）：高圧ガス保安法制度の概要（酸化性ガスの安全・制度の枠組み） https://www.meti.go.jp/policy/safety_security/industrial_safety/sangyo/hipregas/outline.html
• 日本産業・医療ガス協会（日本語）：医療用酸素（供給形態・取り扱いの基礎） https://www.jimga.or.jp/medical-gas/oxygen/

1. 基本情報

項目	内容
元素名	酸素
元素記号 / 原子番号	O / 8
標準原子量	15.999（代表値）
族 / 周期 / ブロック	第16族 / 第2周期 / pブロック（カルコゲン）
電子配置	$[\mathrm{He}]2s^{2}2p^4$
常温常圧での状態	気体（主に ${\mathrm{O}}_2$）
代表的同素体	${\mathrm{O}}_2$（酸素）、${\mathrm{O}}_3$（オゾン）
代表的酸化数	$-2$（酸化物）、$-1$（過酸化物）、$-1/2$（超酸化物）、$0$（単体）
代表的工業形態	気体酸素（GOX）、液体酸素（LOX）、医療用酸素、酸素富化空気
危険物性（工学的）	可燃ではないが強い酸化剤（燃焼を著しく促進）

• 補足（酸素を元素として扱う際の要点）
  • 酸素は「単体の気体」よりも、「酸化剤としての化学ポテンシャル」「酸素分圧 $p_{{\mathrm{O}}_2}$」「酸素活量」「格子酸素/表面酸素/吸着酸素」など、状態量で整理すると材料科学に直結する。
  • 酸素は可燃性ではないが、酸素濃度上昇やLOX存在下では発火・爆燃リスクが跳ね上がる。材料適合、油脂汚染、断熱圧縮、摩擦発熱が事故要因になりやすい（酸素系安全ガイドの体系が存在する）

2. 歴史

• 発見と概念化

  • 18世紀に「燃焼・呼吸を支える成分」として認識が進み、近代化学における酸化・還元の枠組みの中心概念となった。
  • その後、酸素は化学工業の酸化反応、金属精錬、医療、ロケット推進へと用途が拡大し、「反応を駆動する物質」として産業インフラに組み込まれていった。

• 工業化の転機（空気分離）

  • 酸素の大規模供給は、空気を窒素・酸素などに分離する技術（空気分離装置：ASU）の確立で加速した。ここでは「空気を冷やして沸点差で分ける」低温分離が基幹技術として位置づけられる
  • 近年は医療需要の増減や、鉄鋼・化学の操業条件最適化（酸素富化、CO2削減）により、供給網・設備運用の重要性が再認識されている（医療用酸素の供給体系など）

3. 酸素を理解する

• 分子 ${\mathrm{O}}_2$：結合と磁性（「安定だが反応を駆動する」）

  • ${\mathrm{O}}_2$ は二原子分子で、基底状態はスピンを持つ（磁性を示す）という特徴がある。これは酸素が「気体として安定」なのに「反応（酸化）を進める」性格を併せ持つ理解の入口になる。
  • 反応では、${\mathrm{O}}_2$ が電子を受け取って水や酸化物になる過程（酸素還元）が、多くの電気化学・腐食・触媒で支配段階になりやすい。

• 酸素の化学状態：酸化数は「材料の機能」を変える

  • 酸化物（O${}^{2-}$）は最も一般的で、金属酸化物は触媒・電極・誘電体・磁性体など広範な機能材料の母体になる。
  • 過酸化物（O${}_2^{2-}$）や超酸化物（O${}_2^{-}$）は、アルカリ金属との化学や電池反応、酸化剤としての反応性に現れる。
  • 「酸素欠損（vacancy）」や「非化学量論」は、導電性・触媒活性・イオン伝導（酸化物イオン/プロトン）・発色/透明性を大きく変える設計変数である。

• 同素体 ${\mathrm{O}}_3$（オゾン）：酸化力・環境・材料劣化

  • ${\mathrm{O}}_3$ は強い酸化剤で、水処理や殺菌などに利用される一方、ゴム・樹脂の劣化や健康影響の観点で管理対象になりやすい。
  • 研究では、オゾンは「高反応性酸素種（ROS）」の代表として、表面酸化やプラズマ/UVプロセスとも接続する。

• 電気化学の中心反応（ORR/OER）

  • 酸素関連反応は、燃料電池・金属空気電池・水電解・腐食で中核を占める。
  • 代表的に、酸素還元（ORR）と酸素発生（OER）は、溶媒・pH・触媒表面状態に強く依存し、標準電位や反応経路（2電子/4電子）が議論の骨格になる。例えば標準電位の整理は文献中で一般に参照される

4. 小話

• 「酸素は燃えないが、燃焼を加速する」

  • 酸素そのものは可燃ではない。しかし酸素濃度が上がると、燃焼速度・発火しやすさが大きく変わるため、油脂・粉じん・繊維・樹脂などが危険側に転ぶ。
  • 工業安全では「酸素系の清浄度（油分ゼロ）」「材料適合」「急速加圧（断熱圧縮）」がキーワードになり、一般的な可燃性ガスの発想だけでは不十分である

• 医療用酸素は「薬」として扱われる側面がある

  • 医療用酸素は、供給形態（ボンベ、液化酸素、PSA）や濃度管理が重要で、一般の工業酸素と区別して運用される（医療ガスとしての整理がある）

5. 地球化学・産状（地殻〜大気〜水圏）

5.1 大気・水・岩石：酸素は「系全体のレドックス状態」を決める

• 大気中では分子酸素 ${\mathrm{O}}_2$ として存在し、呼吸・燃焼・酸化風化を支える。
• 水圏では ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ として最大の貯蔵庫となり、溶存酸素は生態系・腐食・水処理の基礎量になる。
• 地殻ではシリケート・酸化物として支配的で、岩石・鉱物の相安定や元素分配は酸素の化学ポテンシャルと結びつく。

5.2 酸素分圧 $p_{{\mathrm{O}}_2}$ は「材料合成の操作つまみ」

• 焼結、酸化、還元、薄膜成膜、触媒前処理などで、$p_{{\mathrm{O}}_2}$ は欠陥化学と相平衡を動かす主要パラメータである。
• 例として、金属酸化は

$$2\mathrm{M}+{\mathrm{O}}_2\to 2\mathrm{MO}$$

のように書けるが、実際には酸素分圧と温度が酸化膜の相・厚み・欠陥密度を決め、耐食性や電気特性に直結する。

6. 製造・供給・リサイクル

6.1 低温空気分離（ASU）：沸点差で分ける

• 空気を圧縮→冷却→液化→精留（分留）し、酸素・窒素・アルゴンなどを分離する。酸素は液体として回収され、必要に応じて気化して供給される
• 大規模需要（鉄鋼・化学）ではASUが基幹で、エネルギー効率と設備信頼性がコスト・供給安定に直結する。

6.2 PSA/VPSA（吸着分離）：現場で「酸素富化」を作る

• ゼオライト等の吸着剤で窒素を選択的に吸着し、酸素濃度を高めたガスを得る方式。医療・中小需要・現場供給で重要になる（医療用酸素供給の文脈でも登場する）

6.3 安全：酸素系は「材料・汚染・圧力変化」が事故要因

• 酸素は酸化剤であり、配管・バルブ・シール材の適合、油脂汚染の排除、急速加圧や摩擦の管理が重要となる。酸素システム設計・運用の詳細ガイドが整備されている

7. 物理化学的性質・特徴

7.1 相変化・物性

項目	値	備考
分子	${\mathrm{O}}_2$	常温常圧で二原子分子
融点	約 54 K（オーダー）	低温で固化
沸点	約 90 K（オーダー）	低温で液化

• 補足
  • 低温物性は「液体酸素（LOX）」の貯蔵・輸送・ロケット推進・低温工学に直結する。
  • 物性値は参照条件で差が出るため、実務では使用温度・圧力条件でデータを取り直すのが安全側である（NIST等のデータベースが参照される）

7.2 反応性：酸素は「酸化剤」であり、燃焼・腐食・触媒の駆動源

• 典型的な酸化反応は発熱で進みやすく、材料の酸化膜形成や劣化を支配する。
• 同時に、酸化膜は不動態として材料を守ることもある（Al、Crなど）。酸素は「壊す」だけでなく「守る」側にも働くため、酸化膜設計が材料工学の核心になる。

7.3 電気化学（ORR/OER・腐食）

• 酸素還元（ORR）は燃料電池・金属腐食の陰極反応として重要で、触媒表面、pH、溶存酸素、拡散が支配因子になる。
• 代表的な反応式の一例（酸性）：

$${\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+4{\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

• 反応経路（2電子で${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$を経由する等）や標準電位の整理は、電極反応の基礎として参照される

7.4 酸素富化・酸化性雰囲気の工学

• 酸素濃度が上がると燃焼限界・発火条件が変わり、通常の空気環境で安全だった材料が危険側に転ぶことがある。
• 酸素システムでは材料選定・清浄度・手順が重要で、設計・運用のガイドが体系化されている

8. 研究としての面白味

• 酸素欠損・格子酸素：機能材料の「つまみ」

  • 触媒、電池、センサー、メモリ酸化物、固体酸化物燃料電池（SOFC）などで、酸素欠損や格子酸素の可動性が性能を決める。
  • そのため、XAS、XPS、EPR、同位体交換、第一原理計算で「どの酸素が、いつ動くか」を追う研究が成立しやすい。

• ORR/OER：反応・輸送・界面の総合問題

  • 酸素反応は、電子移動だけでなく、吸着、界面水、拡散、気液固三相界面が絡むため、単一指標で最適化できない。
  • 触媒材料科学、電気化学、その場分光、計算が統合されやすいテーマである

9. 応用例

9.1 産業

• 鉄鋼：転炉・酸素吹き（脱炭・脱不純物、操業最適化）
• 化学：酸化反応（エチレン酸化、部分酸化、排ガス処理など）
• 水処理：オゾン/酸素利用（酸化・殺菌）

9.2 医療

• 医療用酸素（呼吸補助、酸素療法）
  • 供給形態（ボンベ、液化酸素、PSA）と安全運用が重要で、医療ガスとして整理される

9.3 宇宙・推進

• 液体酸素（LOX）は代表的酸化剤であり、材料適合・清浄度・運用手順が安全上の要件となる

10. 地政学・政策・規制

• 高圧ガス安全（日本の枠組み）

  • 酸素は産業・医療で広く用いられる一方、高圧ガスとしての貯蔵・輸送・設備・容器の安全が制度の枠組みに組み込まれている（制度概要の参照が入口になる）

• 酸素供給は「社会インフラ」

  • 医療需要の急増時や災害時には供給・物流・現場生成の重要性が顕在化する。材料研究でも、装置設計・運用・安全の要件は無視できない（医療ガスの整理がある）

まとめと展望

酸素は、生命維持・燃焼・腐食・触媒・電気化学を支配する「最も身近な酸化剤」であり、材料科学では酸素分圧・欠陥化学・界面反応として現象を駆動する。工業的には、ASUやPSAに代表される供給技術と、高圧ガス安全・酸素系材料適合・清浄度管理が不可分で、酸素は反応剤であると同時に社会インフラである。今後は、脱炭素（高効率燃焼・電解・燃料電池）、医療レジリエンス、酸素欠損を使う機能材料の高度化が進み、「酸素の状態設計（化学ポテンシャルと欠陥）」を定量化できる研究がますます重要になる。

参考文献

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Oxygen https://periodic-table.rsc.org/element/8/oxygen
• NIST Chemistry WebBook: Oxygen（低温物性等のデータ参照） （検索結果からの参照）
• 経済産業省（日本語）：高圧ガス保安法制度の概要 https://www.meti.go.jp/policy/safety_security/industrial_safety/sangyo/hipregas/outline.html
• 日本産業・医療ガス協会（日本語）：医療用酸素 https://www.jimga.or.jp/medical-gas/oxygen/
• KEGG DRUG（日本語）：日本薬局方 医療用酸素（扱いの整理の入口） https://www.kegg.jp/medicus-bin/japic_med?japic_code=10000817
• Oxygen System Safety（酸素系の材料適合・運用・安全の体系：NASA文書系の紹介を含む） https://www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/En/ms-06-13.pdf
• Air Separation of Cryogenic Gases（ASU/低温空気分離の概説） https://epcmholdings.com/air-separation-of-cryogenic-gases/
• Standard potentials / ORR-OER の整理に関する学術記事（電気化学の基礎参照） https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00293-w