DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

空気中の主成分 窒素と酸素

今日は地球の大気について書いていきたいと思います。

地球の大気は窒素が78%、酸素が21%を占めており、残りはアルゴン、二酸化炭素の順になっています。

そして、本記事では窒素と酸素について書いていきたいと思います。

 

1. 窒素

窒素は空気の8割近くを占める気体であり、地球の空気は窒素が中心と言っても過言ではありません。

そして、窒素は窒素分子の形で存在しており、2つの窒素原子が三重結合を取る形で存在しています。

 

ここで、窒素と言う原子について書いていきたいと思います。

窒素は原子番号が7番の原子であり、原子記号はNであります。

そして、窒素原子の周りには7つの電子が周っており、この中で反応に関わってくるのが外側を周る5つの電子であります。

原子は一般的に最外殻に8つの電子が存在すると安定するため窒素分子はあと3つの電子が必要となります。

その電子は他の電子と共有することで得ることが出来、窒素分子同士だと1原子当たり3電子、計6電子を共有します。

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窒素原子は最外殻に電子対が1対、不対電子が3つの計5つの電子が存在し、窒素電子同士だと6つの電子が三重結合を形成することにより窒素分子が出来ます。

三重結合は非常に安定であり、反応性が小さいため空気中の窒素は特に有毒になることも無く、反応にも関わってきません。

 

しかし、窒素だけだと生命体は生きて行けず、その理由は生命体には酸素が必須であるからです。

例えば理系の大学では液体窒素をエレベーターで運搬する際に同乗することを禁じられていますがその理由は万が一窒素をこぼしてしまうと酸素の分圧が非常に小さくなり、呼吸が出来なくなるためです。

窒素と言う名称が窒息の窒である理由はそこにあり、窒素だけだと窒息してしまうからです。

けれども何回も書くように窒素が危険な理由はあくまで酸素不足になるからであり、窒素自体には毒性は全くありません。

 

 

 

2. 酸素

窒素となると次は酸素となりますが酸素はほぼ全ての生命体に必須であり、酸素が無ければ生命体は生存することは不可能となります。

地球に占める酸素の割合は21%ほどですがこの割合が小さくなると生命体には脅威となり、16%を下回ると人類は生きていくことが不可能となります。

そして、酸素の割合だけではなく、量も重要であり、高山に行くと空気自体が薄くなり高山病にかかってしまいます。

つまり、高山病の原因は酸素不足であり、高山病は一般的には2,400メートル以上の高地で発生します。

 

ここまでは酸素の濃度による影響を書きましたが次は酸素分子について書いていきたいと思います、

酸素分子は窒素分子と同様に酸素原子が2つ結合した形態を取っていますが結合形式は全く異なります。

酸素の原子番号は8であり、窒素より1だけ大きく、原子記号はOであります。

そして、酸素原子の周りには当然電子が8つ周っており、反応に関わる電子は最外殻を周る6電子であります。

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酸素原子の場合は電子数が窒素と比べて1つだけ多いため、共通電子対を2つ形成することができ、その代わりに不対電子は2つだけになります。

そして、その2つの不対電子が結合に関与し、二重結合を形成するわけですが二重結合は三重結合と比較すると結合力は弱いために酸素分子は窒素分子と比較しても反応性が高いです。

例えば金属(特に鉄)を空気中に置いていると錆が生じますがその原因は空気中にある酸素が原因であり、酸素が存在するとゆっくりではありますが金属と酸素が反応して酸化金属が生じます。

そして、物が燃える理由も酸素にあり、酸素があると有機物は熱と光を放ち(燃焼)、最終的には二酸化炭素と水が生成します。

 

先ほどは酸素濃度が小さくなると生命体には危険であると書きましたが濃度が高ければそれもまた危険であり、酸素の反応性の高さが生命体に悪影響を及ぼすとともに燃焼がより激しくなる、ものが錆びやすくなるなどの悪影響も出てきます。

 

最後に酸素の名称の由来について書いていきたいですが酸素は物を酸化(Oxidation)させる作用があるので酸素と言う名前を付けられました。

確かに金属の錆に関しても燃焼に関しても反応物は参加していますが実際の酸化とは電子を受け渡すことによる現象であるため酸素が無くても酸化は起こります。

また、逆に電子を受け取る反応のことを還元(Reduction)と呼びます。

 

このように酸素には高い反応性があり、この反応性が生命にとっては非常に重要となってきます。

反対に窒素の反応性はかなり低いですが雷などの高エネルギーを受けると酸素と反応し、窒素酸化物が生成することもあり、これが肥料として役に立つことがあります。