酸素( ₈ O)

槪要
英語名	Oxygen
標準 原子量 ( A r, standard )	[ 15.999 03 ,  15.999 77 ] 15.999 (普遍)
週期律表 情報
↑ O ↓ S N ← O → F
原子 番號 ( Z )	8
族	16族
周忌	2周忌
區域	p-區域
化學 系列	反應性 非金屬
電子 配列	1s 2 2s 2 2p 4
準位 별 電子 수	2, 6
物理的 性質
겉보기	無色(液體,固體-軟파랑)
狀態 ( STP )	機體
녹는點	54.36 K
끓는點	90.20 K
密度 ( STP )	1.429 g/L
融解熱	(O 2 ) 0.444 kJ/mol
氣化熱	(O 2 ) 6.82 kJ/mol
몰熱容量	(O 2 ) 29.378 J/(mol·K)
蒸氣 壓力 壓力  ( Pa ) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫度  ( K ) 61 73 90
原子의 性質
酸化 狀態	- 2 , -1 (中性 酸化物)
電氣 陰性度 (폴링 尺度)	3.44
이온化 에너지	1次: 1313.9 kJ/mol 2次: 3388.3 kJ/mol 3次: 5300.5 kJ/mol
原子 半지름	60  pm (實驗값) 48 pm (計算값)
共有 半지름	73 pm
판데르발스 半지름	152 pm
스펙트럼 線
그 밖의 性質
結晶 構造	單純 立方晶系
音速	(gas, 27 °C) 330 m/s
熱傳導率	26.58 W/(m·K)
自己 整列	常磁性
CAS 番號	7782-44-7
同位體 存在比 半減期 DM DE ( MeV ) DP 16 O 99.762% 安定 17 O 0.038% 安定 18 O 0.2% 安定
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酸素 (酸素, 英語 : Oxygen )는 化學 元素 의 하나로, 元素 記號 는 O ( 라틴語 : Oxygenium )이고 原子 番號 는 8 이다. 一般的으로 酸素原子 두 個가 結合하여 無色, 無味, 無臭人 機體 狀態로 存在한다. 空氣 의 主成分 中 하나로, 地球 뿐 아니라 宇宙 全體에 걸쳐 다른 元素와 共有 結合 된 狀態로 널리 퍼져 있다.

琉璃 酸素 (酸素 分子, O ₂ )가 처음으로 地球 大氣 에 나타난 것은 高原生代 로, 嫌氣性 生物 ( 細菌 및 古筠 )의 物質 代謝 過程의 副産物로 만들어졌다. 琉璃 酸素의 增加는 그 當時 大部分의 生物들을 죽음으로 몰아 갔으나, 反對로 酸素를 利用하는 새로운 生物이 登場하는 契機가 되었다. 또한 오존層 의 形成으로 陸上生物이 登場하는 契機도 마련해주었다. 酸素는 大部分 光合成 作用으로 만들어지는데, 約 4分의 3은 大洋 의 植物性 플랑크톤 과 鳥類 가, 나머지 4分의 1은 陸上 植物 이 만든다.

사람 에게도 生命活動에 꼭 必要한 物質로써, 酸素가 缺乏되면 5分이 지나 腦死 狀態에 빠지고 8分 뒤면 死亡한다. 사람을 비롯한 動物群의 體內에서 酸素를 運搬하는 것은 赤血球 의 主要 役割이다. ^[1]

歷史

酸素는 1774年 英國 의 조지프 프리스틀리 가 發見한 元素이다. 프리스틀리는 酸化 輸銀(II) 를 加熱하는 途中 發生하는 機體 가 촛불이 훨씬 더 잘 타도록 하는 性質이 있음을 發見하였다. 또한 프리스틀리는 이 氣體가 呼吸과 關聯되어 있다는 것을 發見하였다. 그는 이 氣體의 이름을 ‘탈 플로지스톤 空氣’라 불렀다. 한便 스웨덴 의 칼 빌헬름 셸레 는 酸素를 獨自的으로 發見하였으나, 酸素의 發見을 먼저 發表한 것은 프리스틀리였다. 그 뒤 앙투안 라부아지에 는 이 氣體의 이름을 ‘酸素’로 定하였다. ^[2] 漢字語 酸素(酸素)는 獨逸語 낱말 Sauerstoff에서 由來하였다.

플로지스톤설

플로지스톤설은 1667年 獨逸의 化學者 J. J. 베허가 처음 主張했다. 主要 內容은 모든 可燃性 物質에는 플로지스톤 이라는 粒子가 있어 燃燒 過程에서 플로지스톤이 消耗되고, 플로지스톤이 모두 消耗되면 燃燒過程이 끝난다는 옛 學說이다. 1783年에 라부아지에가 플로지스톤이 存在하지 않음을 確認하였다.

存在

自然에서의 存在

酸素는 質量 百分率로 待機 와 海洋 을 包含한 遲刻 의 49.5 % 를 차지한다. 乾燥한 空氣 에서 酸素는 부피 百分率로 20.946 % 을 차지한다. 遲刻 에 存在하는 酸素는 大部分이 硅酸鹽 이나 酸化物 , 물 의 形態로도 存在한다. 酸素는 바다의 質量 面에서 88.81%를 차지하여, 地球 大洋을 構成하는 主要 成分이다. 宇宙 에는 水素 , 헬륨 다음으로 많이 存在하는 元素이나 그 存在 比率은 낮다.

많은 量의 酸素가 呼吸 , 燃燒 等으로 使用되지만 待機 中의 酸素의 比率은 거의 일정한데, 이는 光合成 때문이다. 光合成이 進行되면서 二酸化 炭素 와 물이 消費되고 葡萄糖 과 酸素가 生成된다. ^[2]

同位 元素

待機 中의 酸素는 세 種類의 同位 元素 로 이루어져 있는데, ¹⁶ O가 99.759 % , ¹⁷ O가 0.037 % , ¹⁸ O가 0.204 % 를 차지한다. 大氣 中의 酸素는 大部分 이원자 分子 狀態로 存在한다. 물 에 存在하는 酸素의 境遇 地域에 따라 同位 元素의 比率이 다르게 나타난다.

¹⁴ O, ¹⁵ O, ¹⁹ O는 人工的으로 合成되는 放射性 同位 元素 이다. 이들은 半減期 가 매우 짧은데, 이中 가장 긴 半減期를 가진 同位 元素는 半減期가 約 120秒인 ¹⁵ O이다. ^[2]

同素體

酸素의 同素體 는 이원자 分子 形態의 O ₂ , 오존 으로 알려진 三元子 分子 形態의 O ₃ , 稀貴하고 不安定한 O ₄ 等이 있다. O ₄ 는 磁性을 띠지 않고 옅은 푸른 빛깔을 띤다. O ₄ 分子는 쉽게 解離되어 O ₂ 두 分子를 生成한다. ^[3]

地球 大氣에 存在하는 오존 의 90% 以上이 指標로부터 15~40km 高度의 오존層 에 位置하고 있으며, 生命體에게 해로운, 宇宙로부터 오는 短波 紫外線을 거의 吸收한다. 그러나 地表 가까이에 存在하는 오존은 强한 산화력을 가지며 健康에 해로워 大氣 汚染物質로 取扱한다.

性質

物理的 性質

酸素 原子의 性質

酸素 原子의 平均 原子量 은 15.9994이다. 바닥 狀態에서 酸素 原子의 電子 配置는 1s ² 2s ² 2p _x ² 2p _y ¹ 2p _z ¹ 이다. 2p 오비탈 에 두 個의 홀前者 가 存在한다. 酸素 原子 가 다른 原子와 部分的이거나 完全한 共有 結合을 할 때의 結合角은 90 ° 가 될 것으로 期待되나, 實際로는 물 (H ₂ O)의 結合角이 104.47 ° 인 것과 같이 90 ° 에 비해 더 큰 結合角을 가진다. 이 問題는 酸素의 2s와 2p 오비탈이 sp ³ 混成 오비탈 을 이룬다고 說明함으로써 解決할 수 있다. ^[3]

酸素 分子의 性質

常溫에서 酸素는 一般的으로 이원자 分子로 存在하며 無色, 無臭, 無味의 機體 狀態이다. 液體 狀態일 때는 옅은 푸른 色을 띤다. 機體 狀態의 酸素는 若干의 箱子旣成 을 가지고 있으며 液體 狀態일 때도 箱子奇聲을 가진다. 1 atm 에서 녹는點 은 -218.80 °C 이고 끓는點 은 -182.97 °C 이다. 0 °C 10 ⁵ Pa 에서의 密度 는 1.4290 g / l 이다. ^[2] 雙極子모멘트 는 0이며, 常溫에서의 酸素 原子 間의 平均 距離는 1.208 A 이다. ^[4] 酸素는 無極性 分子 이다. ^[5]

化學的 性質

酸素는 化學的으로 매우 活性이 높은 元素 이다. 金 , 白金 , 은 等의 貴金屬 이나 非活性 氣體 , 할로젠 (플루오린 除外) 等과는 直接 反應하지는 않지만 그 밖의 元素와는 直接 反應하여 酸化物을 만든다. 反應의 例로는 다음과 같은 것이 있다.

${\displaystyle \mathrm {C\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ CO_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {4Al\ +\ 3O_{2}\ \longrightarrow \ 2Al_{2}O_{3}} }$

${\displaystyle \mathrm {S\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ SO_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {3Fe\ +\ 2O_{2}\ \longrightarrow \ Fe_{3}O_{4}} }$

${\displaystyle \mathrm {4P\ +\ 5O_{2}\ \longrightarrow \ 2P_{2}O_{5}} }$

${\displaystyle \mathrm {2Cu\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2CuO} }$

${\displaystyle \mathrm {2F_{2}\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2OF_{2}} }$^[6]

一般的으로 이러한 反應은 發熱 反應 이고, 境遇에 따라서는 燃燒 를 일으킨다. ^[4] 實驗室에서 酸素의 存在를 確認하는 簡單한 方法은 酸素를 꺼져가는 불씨에 反應시키는 것이다. 이때 불씨는 다시 타오른다. ^[7]

酸素는 많은 元素 와 한 가지 以上의 酸化物 을 生成한다. 例를 들어 黃 은 酸素와 二酸化 黃 (SO ₂ )과 三酸化 黃 (SO ₃ )의 두 가지 化合物 을 生成한다. 酸素가 包含된 이성분 化合物 中 代表的인 것으로는 물 (H ₂ O)과 二酸化 硅素 (SiO ₂ )를 들 수 있다. 이 가운데 二酸化 硅素는 모래 의 主成分 中 하나이다. 酸素가 包含된 化合物 中 이성분 化合物을 除外하면 硅酸鹽 이 가장 代表的이다. 硅酸鹽은 土壤 과 바위 의 主要 構成 成分이다. 石灰巖 과 大理巖 을 構成하는 炭酸 칼슘 , 石膏 의 構成 成分인 黃酸 칼슘 , 보크사이트 의 構成 成分인 酸化 알루미늄 에도 酸素가 包含되어 있다. 또한 철 은 自然에서 酸化 철 化合物의 狀態로 産出된다. 過酸化 水素 는 漂白劑 로 使用된다. ^[2]

酸素 化合物

물

물의 性質은 물이 包含하고 있는 酸素에 따른 것이 많다. 물이 가지고 있는 水素 原子 는 水素 結合 을 할 수 있는데, 이는 水素 原子가 電氣陰性度 가 큰 酸素 原子와 結合하고 있기 때문에 可能한 일이다. 또한 이온性 化合物이 물에 녹을 境遇 물 分子 로 因해서 水和되는데, 이 亦是도 酸素 原子의 存在로 인해 물 分子가 部分的으로 電荷를 띠기 때문에 可能한 것이다. ^[3]

酸化物

酸素는 몇몇 非活性 氣體 를 除外하고는 거의 大部分의 元素 와 酸化物을 形成한다. 酸化物은 크게 鹽基性 酸化物 , 酸性 酸化物 , 兩쪽性 酸化物 로 나뉠 수 있다. 鹽基性 酸化物은 물에 녹아서, 또는 물과 反應하여 鹽基 性 水溶液을 生成하는 酸化物을 말한다. 알칼리 金屬 과 베릴륨 을 除外한 알칼리 土金屬 等 金屬 性이 剛한 元素 의 酸化物 또한 여기에 屬한다. 높은 酸化數 의 轉移 金屬 酸化物과 卑金屬 의 酸化物은 酸性 酸化物인 境遇가 많다. 兩쪽의 中間에 屬하는 元素의 酸化物은 兩쪽性 酸化物이 되는데, 兩쪽性 酸化物은 酸性 物質과도 反應이 可能하고, 鹽基性 物質과도 反應이 可能하다. 酸化 알루미늄 等이 여기에 屬한다. ^[3]

用度

冶金

酸素는 冶金 過程에서 製鍊, 精製, 鎔接, 切削 等 여러 가지 方面으로 活用되고 있다. 金屬의 製鍊 過程에서는 많은 量의 酸素를 鎔鑛爐 에 供給해야 한다. 精製 過程에서도 不純物을 酸素로 酸化시켜 除去하는 方法을 使用한다. 酸素아세틸렌 鎔接 은 酸素와 아세틸렌 의 反應 時 發生하는 熱을 利用하여 金屬 의 鎔接을 行하는 것을 意味한다. 切削 亦是 酸素아세틸렌을 利用하여 이를 遂行할 수 있다. ^[2]

化學 合成

여러 化學 合成 工程이 酸素와 關聯되어 있다. 炭化水素 를 酸素로 燃燒 시킬 때 酸素의 量을 細密하게 調節하는 等의 措置를 取할 境遇 燃燒의 여러 段階에서 發生하는 物質을 生成할 수 있는데, 이를 部分 酸化 라고 한다. 例를 들어 大部分이 메테人 으로 構成되어 있는 天然가스 가 이 工程을 거칠 境遇 天然가스로부터 아세틸렌 , 에틸렌 , 프로필렌 等을 얻을 수 있다. 炭素 나 炭化水素를 酸素와 水蒸氣로 反應시킬 境遇 일酸化 炭素 , 水素 等으로 이루어진 合成가스 를 얻을 수 있다. 合成가스는 메탄올 , 옥테인 等 여러 化合物 生成에 原料로 使用될 수 있다. 그 外에도 酸素는 燃料 合成, 染料 生産 等 多樣한 工程에 關與하고 있다. ^[2]

工業燃料

• 製鐵所, 鐵 構造物, 自動車 鎔接에 使用된다.
• 廢水, 廢油 處理에 使用된다.
• 琉璃製造에 使用된다.
• 醫療用 呼吸에 使用된다.
• 로켓, 潛水艦 推進劑에 使用된다.

生物學에서의 酸素

光合成

植物의 光合成 過程은 二酸化 炭素 와 물 을 使用하여 炭水化物 과 酸素를 生成하는 過程이다. 光合成의 全體 過程을 反應式으로 簡單히 나타내면 다음과 같다. 反應式에서는 生成되는 炭水化物을 葡萄糖 으로 나타내었으나, 正確하게는 葡萄糖 뿐만 아니라 다른 炭水化物로도 轉換될 수 있는 글리세르알데하이드-3-因山 (G3P)李 生成된다. ^[8]

${\displaystyle \mathrm {6CO_{2}\ +\ 12H_{2}O\ +\ E\ \longrightarrow \ C_{6}H_{12}O_{6}\ +\ 6O_{2}\ +\ 6H_{2}O} }$

光合成은 크게 明反應 과 캘빈 回로 로 構成되는데, 酸素는 明反應 過程에서 生成된다. 明反應 過程에서 葉綠體 에 存在하는 수많은 色素 分子는 빛 에너지를 反應 中心에 있는 葉綠素 로 집결시키고, 이렇게 해서 集結된 빛 에너지는 電子 로 傳達되어 電子를 에너지的으로 들뜨게 한다. 들뜬 電子의 에너지는 ATP 를 生成하는 데 쓰이고, 最終的으로 前者는 NADP ⁺ 으로 移動하여 NADPH 를 生成한다. 以後 ATP와 NADPH는 캘빈 回路에서 炭水化物 을 生成하는 데 使用된다. 이때 必要한 電子는 물을 分解시켜서 얻는다. 물의 分解 結果 酸素와 水素 이온이 生成되며 이렇게 해서 生成된 酸素는 植物의 氣孔을 통해서 빠져나가게 된다. ^[9]

細胞呼吸

生命體는 細胞 呼吸 過程에서 酸素를 使用한다. 全體 過程을 하나의 反應式으로 要約하면 다음과 같다. ^[10]

${\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\ +\ 6O_{2}\ \longrightarrow \ 6CO_{2}\ +\ 6H_{2}O\ +\ E} }$

細胞 呼吸은 크게 該當過程 , TCA回路 , 酸化的 燐酸化 過程으로 나뉘는데, 이 中 酸素가 關與하는 過程은 酸化的 燐酸化 過程이다. 該當過程과 TCA回路 에서 NAD ⁺ 는 高에너지 電子 를 받아 NADH 가 된다. 生成된 NADH는 미토콘드리아의 內膜에 存在하는 蛋白質 複合體로 電子 를 傳達한다. 蛋白質 複合體에서 電子가 가진 에너지는 ATP 를 生成하는 데 使用된다. 마지막으로 電子는 山所로 傳達되고 水素 이온과 結合하여 물이 生成된다. ^[11]

大氣의 生成

元來 待機 에는 只今과 같이 이원자 分子 狀態로 存在하는 酸素가 存在하지 않았다. 光合成 의 結果 酸素를 排出하는 生物이 最初로 登場하였을 때, 이들로 인해서 生成된 酸素는 처음에는 물 에 녹아 있는 철 과 反應하여 酸化 철 을 生成하였을 것으로 推定된다. 酸化 철이 生成된 다음에 發生되는 酸素는 물에 녹았을 것이고, 以後 물이 酸素로 飽和되자 大氣 中으로 酸素가 放出되기 始作하였다. 酸化 鐵이 豐富한 巖石의 連帶를 살펴볼 때 이러한 過程은 27億 年 前에 일어난 것으로 推定된다. ^[12] 反應性이 큰 酸素가 登場하자 山所에 適應하지 못한 수많은 原生生物 을 滅種시켰다. 酸素가 充分히 供給되지 못한 環境에서 살아가던 生物은 只今의 嫌氣性 細菌 으로 進化하였고, 酸素가 豐富한 環境에서 살면서 酸素에 適應하는 데 成功한 細菌은 여러 形態의 生物로 進化하였다. ^[13] 또 선캄브리아기 末期 6億 年前에 한 番 더 酸素의 比率이 急激히 增加하는 事件이 있었는데, 以後 動物이 出現할 수 있는 環境을 만들어 주었다. ^[12]

活性 酸素

酸素 中에는 細胞의 老化를 일으키는 山所가 있는데, 이를 가리켜 活性 酸素라 한다. 活性 酸素는 酸素가 물로 還元될 때 不完全 還元이 되어 생기는 化合物로, 活性 酸素가 細胞에 作用하면 細胞가 老化되며, 甚하면 癌을 일으키기도 한다. 그러나 只今은 活性 酸素가 生成되기 前에 재빨리 물로 還元시키는 비타민 E 가 있다.

할로젠 論難

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酸素는 할로젠 元素 들과 性質이 비슷하기 때문에 窒素와 함께 할로젠으로 分類되는 境遇가 있다. 하지만 卑金屬 元素 로 分類해야 한다는 意見도 만만치 않다.

같이 보기

• 酸素의 循環
• 低酸素症
• 酸素 中毒
• 오존

各州

參考 文獻

• Campbell, N. A. et al., Biology , 8th edition, San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2007.
• Considine, G. D. et al., Van Nostrand's encyclopedia of chemistry , 5th edition, Hoboken: Wiley-Interscience, 2005.
• Parker, S. P. et al., McGraw-Hill encyclopedia of chemistry , New York: McGraw-Hill, 1993.
• 化學大辭典編集委員會 便, 성용길, 김창홍 驛, 《化學大辭典》, 서울: 世和, 2001.

外部 링크

• “酸素” . 《 네이버캐스트 》.  
• (英語) 酸素 - WebElements.com