산소

1. 개요

산소는 무색, 무취, 무미의 기체로, 화학식은 O₂이며, 생명 유지에 필수적인 원소이다. 조지프 프리스틀리가 1774년 산소를 발견하고 앙투안 라부아지에가 이름을 붙였다. 산소는 우주에서 수소, 헬륨 다음으로 풍부하며, 지구 지각의 약 46%, 대기의 약 21%를 차지한다. 광합성을 통해 생성되고, 세포 호흡에 사용되며, 산업적으로는 철강 생산, 화학 공업, 의료 분야 등에서 널리 활용된다. 산소는 고농도에서 유해하며, 화재 및 폭발 위험이 있어 취급에 주의가 필요하다.

2. 역사

1667년 독일의 연금술사 요한 요아힘 베허가 처음 주장하고, 1731년 게오르크 에른스트 슈탈이 이론을 구축한 플로지스톤설은 모든 가연성 물질에 플로지스톤이라는 입자가 포함되어 있으며, 연소 과정에서 이 입자가 방출된다는 내용을 담고 있었다. 이 이론에 따르면, 나무나 석탄처럼 연소 후 잔류물이 거의 남지 않는 물질은 대부분 플로지스톤으로 구성되어 있으며, 철과 같이 부식되는 비가연성 물질은 플로지스톤을 거의 포함하지 않는다고 여겨졌다.
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그러나 금속을 공기 중에서 태우면 무게가 증가한다는 사실이 보고되면서 플로지스톤설은 부정되기 시작했다. 앙투안 라부아지에는 정밀한 실험을 통해 연소의 실체를 정확하게 설명하고 플로지스톤설을 반박했다. 그는 주석과 공기를 밀폐된 용기에 넣고 가열하는 실험을 통해 공기의 일부가 감소하고 주석의 무게가 증가하며, 이 증가분이 유입된 공기의 질량과 같다는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 라부아지에는 공기가 연소와 호흡에 관여하는 'vital air'와 그렇지 않은 'azote'(ζωτον^{고대 그리스어})로 구성되어 있음을 증명했다. 'azote'는 후에 질소로 명명되었다.

1777년, 라부아지에는 'vital air'에 산(酸)의 근원이라는 생각으로 그리스어 ὀξύς^{고대 그리스어} 와 -γενής^{고대 그리스어}를 결합한 "oxygène"이라는 이름을 붙였다. 이후 "oxygen"이라는 단어는 영어에 통합되었다.
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앙투안 라부아지에는 '산화제(oxidizing agent)에는 반드시 같은 원소가 포함되어 있다'는 학설을 제창하고, 그 원소를 "oxygène^프랑스어"(oxygen^영어)이라고 명명했다. 우다가와 요안은 이를 일본어로 "산소"라고 번역했다.

중국어권에서는 "산(酸)"이라는 글자를 사용하지 않고 "氧"(중국어 발음: 양, 병음: yǎng)이라는 글자를 사용하며, 일본어 발음으로는 氧(요) 또는 氧氣(요우키)라고 한다. 대한민국에서는 일본어와 중국어 명칭이 혼용되었으나, 일본어 명칭("산소")이 정착되었다.

19세기에는 공기의 구성이 밝혀졌다. 1877년 스위스의 라울 피크테와 프랑스의 루이 폴 카유테가 잇달아 산소의 액화에 성공했다고 발표했고, 안정된 상태의 액체 산소는 야기엘로니아 대학교의 지그문트 브루블레프스키와 카롤 올셰프스키가 처음으로 얻었다.

1891년 영국의 제임스 뒤워는 연구에 사용하기에 충분한 액체 산소 제조법을 찾아냈고, 1895년 독일의 칼 폰 린데와 영국의 윌리엄 험프슨은 각각 액화 분별 증류를 이용한 상업적 양산법을 확립했다. 1901년에는 아세틸렌과 압축 산소를 사용한 용접법 시연이 있었다.

2.1. 산소의 발견

조지프 프리스틀리는 산화 수은(II)를 가열하는 실험 중 발생한 기체가 촛불을 더 잘 타게 하고 쥐의 호흡을 돕는다는 것을 발견하고 '탈 플로지스톤 공기'라고 명명했다. 한편, 스웨덴의 칼 빌헬름 셸레는 1771년에 산화수은(II)와 다양한 질산염 혼합물을 가열하는 과정에서 산소를 독자적으로 발견했으나, 발견을 먼저 발표한 것은 프리스틀리였다.

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셸레는 이 기체를 "불의 공기(fire air)"라고 명명하고 1775년에 논문을 작성했지만, 출판사 사정으로 1777년에야 발표되었다.

1774년 8월 1일, 영국의 조지프 프리스틀리는 유리관에 넣은 산화수은(II)에 햇빛을 비춰 얻은 기체에 "탈플로지스톤 공기(dephlogisticated air)"라는 이름을 붙였다. 그는 이 기체 속에서는 촛불이 더 밝게 타고, 쥐가 더 활발하고 오래 산다는 것을 확인했다. 또한 자신이 이 기체를 흡입하고 "흡입했을 때는 일반 공기와 큰 차이가 없다고 생각했지만, 조금 후에는 호흡이 가볍고 편해졌다"라고 적어 놓았다. 1775년, 프리스틀리는 신문에 이 발견을 발표하고, 두 번째 저서 Experiments and Observations on Different Kinds of Air에서도 논술했다. 이처럼 그의 발표가 셸레보다 먼저 이루어졌기 때문에, 산소 발견자는 프리스틀리가 된 것이다.

프랑스의 저명한 화학자 앙투안 라부아지에는 나중에 자신이 새로운 원소를 발견했다고 주장했지만, 1774년 10월 라부아지에는 프리스틀리의 방문을 받고 기체 발생 방법 등 실험 개요를 들었다. 또한 그 이전인 9월 30일, 프리스틀리는 미리 새로 발견한 기체에 대한 설명을 적은 편지를 라부아지에에게 보냈지만, 라부아지에는 이를 받지 못했다고 주장했다. 프리스틀리 사후, 그의 유품 속에서 편지 사본이 발견되었다.

2.2. 플로지스톤설과 산소

1667년 독일의 연금술사 요한 요아힘 베허가 처음 주장하고, 1731년 게오르크 에른스트 슈탈이 이론을 구축한 플로지스톤설은 모든 가연성 물질에 플로지스톤이라는 입자가 포함되어 있으며, 연소 과정에서 이 입자가 방출된다는 내용을 담고 있었다. 이 이론에 따르면, 나무나 석탄처럼 연소 후 잔류물이 거의 남지 않는 물질은 대부분 플로지스톤으로 구성되어 있으며, 철과 같이 부식되는 비가연성 물질은 플로지스톤을 거의 포함하지 않는다고 여겨졌다.
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그러나 금속을 공기 중에서 태우면 무게가 증가한다는 사실이 보고되면서 플로지스톤설은 부정되기 시작했다. 앙투안 라부아지에는 정밀한 실험을 통해 연소의 실체를 정확하게 설명하고 플로지스톤설을 반박했다. 그는 주석과 공기를 밀폐된 용기에 넣고 가열하는 실험을 통해 공기의 일부가 감소하고 주석의 무게가 증가하며, 이 증가분이 유입된 공기의 질량과 같다는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 라부아지에는 공기가 연소와 호흡에 관여하는 'vital air'와 그렇지 않은 'azote'(ζωτον^{고대 그리스어})로 구성되어 있음을 증명했다. 'azote'는 후에 질소로 명명되었다.

1777년, 라부아지에는 'vital air'에 산(酸)의 근원이라는 생각으로 그리스어 ὀξύς^{고대 그리스어} 와 -γενής^{고대 그리스어}를 결합한 "oxygène"이라는 이름을 붙였다. 이후 "oxygen"이라는 단어는 영어에 통합되었다.
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2.3. 어원

앙투안 라부아지에는 '산화제(oxidizing agent)에는 반드시 같은 원소가 포함되어 있다'는 학설을 제창하고, 그 원소를 "oxygène^프랑스어"(oxygen^영어})이라고 명명했다. 우다가와 요안은 이를 일본어로 "산소"라고 번역했다.

중국어권에서는 "산(酸)"이라는 글자를 사용하지 않고 "氧"(중국어 발음: 양, 병음: yǎng)이라는 글자를 사용하며, 일본어 발음으로는 氧(요) 또는 氧氣(요우키)라고 한다. 대한민국에서는 일본어와 중국어 명칭이 혼용되었으나, 일본어 명칭("산소")이 정착되었다.

2.4. 근대 연구

19세기에는 공기의 구성이 밝혀졌다. 1877년 스위스의 라울 피크테와 프랑스의 루이 폴 카유테가 잇달아 산소의 액화에 성공했다고 발표했고, 안정된 상태의 액체 산소는 야기엘로니아 대학교의 지그문트 브루블레프스키와 카롤 올셰프스키가 처음으로 얻었다.

1891년 영국의 제임스 뒤워는 연구에 사용하기에 충분한 액체 산소 제조법을 찾아냈고, 1895년 독일의 칼 폰 린데와 영국의 윌리엄 험프슨은 각각 액화 분별 증류를 이용한 상업적 양산법을 확립했다. 1901년에는 아세틸렌과 압축 산소를 사용한 용접법 시연이 있었다.

3. 성질

산소 분자(O₂)는 상온 상압에서 조연성을 가지는 무색, 무취의 기체이다. 분자량은 32.00이며, 끓는점은 -183℃(90K), 녹는점은 -218.9℃(54.2K)이다. 물 100mL에 녹는 산소의 양은 0℃에서 6.945mg, 25℃에서 3.931mg, 50℃에서 2.657mg으로 온도에 따라 다르다. 액체 산소는 옅은 청색을 띠며 비중은 1.14이다. 바닥 상태의 산소 분자는 불짝전자를 가지므로 상자성체이며, 활성 산소의 일종이다. 여기 상태의 일중항 산소는 반자성을 띤다.

산소는 플루오린 다음으로 전기음성도가 커서 반응성이 풍부하며, 다른 대부분의 원소와 산화물을 만든다.

3.1. 물리적 성질

상온에서 산소는 무색, 무취, 무미의 기체로 존재하며, 이원자 분자 형태(O₂)를 가진다. 액체 상태에서는 옅은 푸른색을 띠며, 기체 상태와 마찬가지로 상자기성을 띤다. 1atm에서 녹는점은 -218.80°C이고 끓는점은 -182.97°C이다. 0°C, 10⁵Pa에서 밀도는 1.4290g/l이다. 쌍극자모멘트는 0이며, 무극성 분자이다.

산소는 질소보다 물에 더 잘 녹으며, 바닷물보다 담수에 더 잘 녹는다. 25°C, 1기압에서 담수는 리터당 약 6.04mL, 바닷물은 리터당 약 4.95mL의 산소를 용해한다. 5°C에서는 담수는 리터당 9.0mL, 바닷물은 리터당 7.2mL로 용해도가 증가한다.

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📌 열 고정 해제

해수면에서 물에 용해된 산소 가스 (리터당 밀리리터)

	5 °C	25 °C
담수	9.00	6.04
바닷물	7.20	4.95

90.20K(-182.95°C)에서 응축되고, 54.36K(-218.79°C)에서 얼어붙는다. 액체와 고체 산소(O₂)는 옅은 하늘색을 띠는 투명한 물질인데, 이는 붉은색을 흡수하기 때문이다. 고순도 액체 산소는 액화 공기의 분별 증류를 통해 얻거나, 액체 질소를 냉각제로 사용하여 공기 중에서 응축시켜 얻을 수 있다.

액체 산소는 반응성이 매우 커서 가연성 물질과 분리해야 한다.

대기압에서 산소(O₂)의 열적 및 물리적 특성은 아래 표와 같다.

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📌 열 고정 해제

온도 (K)	밀도 (kg/m3)	비열 (kJ/kg °C)	동점성도 (kg/m s)	동점성도 (m2/s)	열전도도 (W/m °C)	열확산도 (m2/s)	프란틀 수
100	3.945	0.962	7.64E-06	1.94E-06	0.00925	2.44E-06	0.796
150	2.585	0.921	1.15E-05	4.44E-06	0.0138	5.80E-06	0.766
200	1.93	0.915	1.48E-05	7.64E-06	0.0183	1.04E-05	0.737
250	1.542	0.915	1.79E-05	1.16E-05	0.0226	1.60E-05	0.723
300	1.284	0.92	2.07E-05	1.61E-05	0.0268	2.27E-05	0.711
350	1.1	0.929	2.34E-05	2.12E-05	0.0296	2.90E-05	0.733
400	0.962	1.0408	2.58E-05	2.68E-05	0.033	3.64E-05	0.737
450	0.8554	0.956	2.81E-05	3.29E-05	0.0363	4.44E-05	0.741
500	0.7698	0.972	3.03E-05	3.94E-05	0.0412	5.51E-05	0.716
550	0.6998	0.988	3.24E-05	4.63E-05	0.0441	6.38E-05	0.726
600	0.6414	1.003	3.44E-05	5.36E-05	0.0473	7.35E-05	0.729
700	0.5498	1.031	3.81E-05	6.93E-05	0.0528	9.31E-05	0.744
800	0.481	1.054	4.15E-05	8.63E-05	0.0589	1.16E-04	0.743
900	0.4275	1.074	4.47E-05	1.05E-04	0.0649	1.41E-04	0.74
1000	0.3848	1.09	4.77E-05	1.24E-04	0.071	1.69E-04	0.733
1100	0.3498	1.103	5.06E-05	1.45E-04	0.0758	1.96E-04	0.736
1200	0.3206	1.0408	5.33E-05	1.661E-04	0.0819	2.29E-04	0.725
1300	0.296	1.125	5.88E-05	1.99E-04	0.0871	2.62E-04	0.721

표준 상태에서 산소 분자(O₂)는 이중 결합을 가진 무색, 무취의 투명한 기체이다. 약 90K에서 액체가 되고, 약 54K에서 푸른빛을 띤 고체가 된다. 액체 산소는 비중이 1.14이며 옅은 청색을 띤다.

3.2. 화학적 성질

산소는 플루오린 다음으로 전기음성도가 크기 때문에 산화력이 강하며, 대부분의 원소와 발열 반응을 일으켜 화합물을 만든다. 금, 백금, 은 등의 귀금속이나 비활성 기체, 할로젠(플루오린 제외) 등과는 직접 반응하지 않지만, 그 밖의 원소와는 직접 반응하여 산화물을 만든다. 반응의 예시는 다음과 같다.
::$\backslash mathrm\{C\; \backslash \; +\; \backslash \; O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; CO\_2\}$
::$\backslash mathrm\{4Al\; \backslash \; +\; \backslash \; 3O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 2Al\_2O\_3\}$
::$\backslash mathrm\{S\; \backslash \; +\; \backslash \; O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; SO\_2\}$
::$\backslash mathrm\{3Fe\; \backslash \; +\; \backslash \; 2O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; Fe\_3O\_4\}$
::$\backslash mathrm\{4P\; \backslash \; +\; \backslash \; 5O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 2P\_2O\_5\}$
::$\backslash mathrm\{2Cu\; \backslash \; +\; \backslash \; O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 2CuO\}$
::$\backslash mathrm\{2F\_2\; \backslash \; +\; \backslash \; O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 2OF\_2\}$
이러한 반응은 발열 반응이고, 경우에 따라서는 연소를 일으킨다.

표준 온도 및 압력에서 산소는 이산소(dioxygen)라고 하는 무색, 무취, 무미의 기체로, 화학식 O₂를 갖는다.

두 개의 산소 원자는 서로 화학적으로 결합되어 있는데, 이 결합은 개별 산소 원자의 원자 궤도함수로부터 형성된 분자 궤도함수를 채움으로써 생성되는 공유 이중 결합으로 설명할 수 있다.

삼중항 형태에서 O₂ 분자는 상자성이다. 즉, 분자 내 짝짓지 않은 전자의 스핀 자기 모멘트와 이웃하는 O₂ 분자 사이의 음의 교환 에너지 때문에 자기장 존재 시 산소에 자기적 특성을 부여한다.

일중항 산소는 모든 전자 스핀이 짝을 이룬 분자 O₂의 여러 가지 더 높은 에너지 종에 주어진 이름이다. 이것은 일반적인 유기 분자와 정상적인 (삼중항) 분자 산소보다 훨씬 더 반응성이 높다.

산소는 호흡을 하는 생물에게는 필수적이지만, 동시에 유해하기도 하다. 호흡 과정이나 광반응에서 생성되는 활성 산소는 DNA 등의 생체 구성 분자를 산화시켜 변성시킨다.

4. 동위 원소 및 동소체

자연에서 발견되는 산소는 ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O의 세 가지 안정된 동위원소로 구성되어 있으며, 이 중 ¹⁶O가 99.762%로 가장 많다.

¹⁶O는 대부분 거대한 별에서 헬륨 융합 과정이 끝날 때 만들어지지만, 일부는 네온 연소 과정에서 생성된다. ¹⁷O는 주로 CNO 순환 과정에서 수소가 헬륨으로 연소될 때 만들어지기 때문에, 별에서 수소가 타는 영역에 많다. ¹⁸O는 ¹⁴N이 ⁴He 핵을 잡아먹어 생성되므로, 진화된 거대 질량 별에서 헬륨이 풍부한 영역에 흔하다.

¹¹O에서 ²⁸O까지 15가지의 방사성 동위원소가 알려져 있다. 이들 중 가장 안정적인 것은 반감기가 122.24초인 ¹⁵O와 70.606초인 ¹⁴O이다. 나머지 방사성 동위원소들은 반감기가 27초 미만이며, 대부분은 83밀리초보다 짧다. ¹⁶O보다 가벼운 동위원소는 β⁺ 붕괴를 통해 질소를 생성하고, ¹⁸O보다 무거운 동위원소는 베타 붕괴를 통해 플루오린을 생성한다.

고기후학자들은 해양 생물의 껍질이나 골격에서 산소-18과 산소-16의 비율을 측정하여 과거의 기후를 알아낸다(산소 동위원소 비율 순환 참조). 가벼운 ¹⁶O를 포함하는 바닷물 분자는 ¹⁸O를 포함하는 물 분자보다 증발 속도가 빠르며, 이 차이는 온도가 낮을수록 커진다. 따라서 지구 온도가 낮았던 시기에는 증발된 물에서 나온 눈과 비에 ¹⁶O가 더 많고, 바닷물에는 ¹⁸O가 더 많은 경향이 있다.

행성 지질학자들은 지구, 달, 화성, 운석에서 산소 동위원소의 상대적인 양을 측정했지만, 오랫동안 태양의 동위원소 비율에 대한 기준값을 얻지 못했다. 원시 태양 성운의 것과 같다고 여겨지는 태양의 동위원소 비율은 제네시스 우주선에서 회수한, 우주에서 태양풍에 노출된 규소 웨이퍼 분석 결과 지구보다 ¹⁶O 비율이 더 높다는 것이 밝혀졌다. 이는 지구를 형성한 먼지 입자가 합쳐지기 전, 알 수 없는 과정으로 태양의 원시 행성계 원반에서 ¹⁶O가 고갈되었음을 의미한다.

산소는 687 및 760 nm 파장에서 최대 흡수띠를 나타낸다. 일부 원격 탐사 과학자들은 위성에서 식생 캐노피에서 나오는 복사량을 측정하여 식물 건강 상태를 파악하는 데 이 띠를 활용하는 것을 제안했다.

지구에서 주로 발견되는 동소체는 산소 분자(O₂)이며, 결합 길이는 121pm, 결합 에너지는 498kJ/mol이다. 산소 분자는 생물의 세포 호흡에 사용된다.

삼산소(O₃)는 오존으로 잘 알려져 있으며, 매우 반응성이 커서 흡입하면 폐 조직을 손상시킨다. 오존은 고층 대기에서 산소 분자가 자외선에 의해 분리된 산소 원자와 다른 산소 분자가 결합하여 생성된다. 오존은 자외선을 강하게 흡수하여 지구를 방사선으로부터 보호하는 오존층을 형성한다. 지표면 근처에서는 자동차 배기가스 등에 의해 생성되는 대기 오염 물질이다.

준안정 상태 분자인 사산소(O₄)는 2001년에 발견되었으며, 고체 산소의 한 형태로 존재한다고 추정되었다. 2006년에 O₂에 20GPa의 압력을 가하여 합성된 O₈ 클러스터가 이 형태로 밝혀졌다. 이 클러스터는 O₂나 O₃보다 강력한 산화제로, 로켓 추진제로 사용될 가능성이 있다. 고체 산소는 96GPa 이상의 압력에서 금속 상태가 되고, 초저온에서는 초전도 상태가 된다는 것이 밝혀졌다.

4.1. 동위 원소

자연적으로 발생하는 산소는 세 가지 안정적인 동위원소인 ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O로 구성되며, ¹⁶O가 가장 풍부하다(99.762% 자연 존재비).

¹⁶O의 대부분은 거대 항성에서 헬륨 융합 과정이 끝날 때 합성되지만, 일부는 네온 연소 과정에서 생성된다. ¹⁷O는 주로 CNO 순환 동안 수소가 헬륨으로 연소되는 과정에서 생성되므로, 항성의 수소 연소 영역에서 흔한 동위원소이다. ¹⁸O의 대부분은 ¹⁴N(CNO 연소로 풍부해짐)이 ⁴He 핵을 포획하여 생성되므로, 진화된 거대 질량 별의 헬륨이 풍부한 영역에서 흔하다.

¹¹O에서 ²⁸O까지 15가지 방사성 동위원소가 확인되었다. 가장 안정적인 것은 반감기가 122.24초인 ¹⁵O와 반감기가 70.606초인 ¹⁴O이다. 나머지 모든 방사성 동위원소의 반감기는 27초 미만이며, 대부분은 83밀리초 미만이다. ¹⁶O보다 가벼운 동위원소의 가장 흔한 붕괴 모드는 질소를 생성하는 β⁺ 붕괴이며, ¹⁸O보다 무거운 동위원소의 가장 흔한 모드는 플루오린을 생성하는 베타 붕괴이다.

고기후학자들은 수백만 년 전의 기후를 결정하기 위해 해양 생물의 껍질과 골격에서 산소-18과 산소-16의 비율을 측정한다(산소 동위원소 비율 순환 참조). 가벼운 동위원소인 산소-16을 포함하는 바닷물 분자는 12% 더 무거운 산소-18을 포함하는 물 분자보다 약간 더 빠른 속도로 증발하며, 이러한 차이는 온도가 낮을수록 증가한다. 지구 온도가 낮았던 시기에 증발된 물에서 나온 눈과 비는 산소-16이 더 많고, 남은 바닷물은 산소-18이 더 많은 경향이 있다. 고기후학자들은 또한 수십만 년 전의 빙핵 샘플의 물 분자에서 이 비율을 직접 측정한다.

행성 지질학자들은 지구, 달, 화성 및 운석의 샘플에서 산소 동위원소의 상대적인 양을 측정했지만, 오랫동안 태양의 동위원소 비율에 대한 기준 값을 얻을 수 없었다. 태양의 동위원소 비율은 원시 태양 성운의 것과 같다고 여겨진다. 우주에서 태양풍에 노출된 규소 웨이퍼를 분석하고 추락한 제네시스 우주선에서 회수한 결과, 태양은 지구보다 산소-16의 비율이 더 높다는 것을 보여주었다. 이러한 측정 결과는 지구를 형성한 먼지 입자가 합쳐지기 전에 알 수 없는 과정에 의해 태양의 원시 행성계 원반에서 산소-16이 고갈되었음을 시사한다.

산소는 687 및 760 nm 파장에서 최고치에 이르는 두 개의 분광 광도계 흡수띠를 나타낸다. 일부 원격 탐사 과학자들은 이러한 띠에서 식생 캐노피에서 나오는 복사량 측정을 사용하여 위성 플랫폼에서 식물 건강 상태를 특징짓는 것을 제안했다.

4.2. 동소체

지구상에서 주요 동소체는 산소 분자(O₂)이며, 결합 길이는 121pm, 결합 에너지는 498kJ/mol이다. 산소 분자는 생물의 복잡한 세포 호흡에 사용된다.

삼산소(O₃)는 오존으로 잘 알려진 매우 반응성이 큰 단체 기체로, 흡입하면 폐 조직을 파괴한다. 오존은 고층 대기에서 산소 분자가 자외선에 의해 분리된 산소 원자와 다른 산소 분자가 결합하여 생성된다. 오존은 자외선 영역을 강하게 흡수하므로, 고층 대기의 오존층은 지구를 방사선으로부터 보호하는 보호막 역할을 한다. 지표면 근처에서도 오존이 생성되지만, 이는 자동차 배기가스 등으로 생성되는 대기 오염 물질이다.

준안정 상태 분자인 사산소(O₄)는 2001년에 발견되었으며, 고체 산소의 6가지 상 중 하나로 존재한다고 가정되었다. 2006년에 이 상이 증명되었고, O₂에 20GPa의 압력을 가하여 합성되었지만, 실제로는 마름모체정의 O₈ 클러스터였다. 이 클러스터는 O₂나 O₃보다 강력한 산화제이므로, 로켓 추진제로의 용도가 고려되고 있다. 1990년에는 고체 산소에 96GPa 이상의 압력을 가하면 금속 상태가 된다는 것이 밝혀졌고, 1998년에는 이 상을 초저온 조건에 두면 초전도가 된다는 것이 발견되었다.

5. 존재

산소는 지구의 생물권, 대기, 바다, 육지에서 질량으로 가장 풍부한 화학 원소이다. 지각에서 산소는 질량의 46.6%, 부피의 94%를 차지하며, 대부분 규산염, 산화물, 물 형태로 존재한다. 석영의 성분인 SiO₂는 지각의 대부분을 구성한다.

기체 산소 분자는 대기 부피의 20.95%, 질량의 23.1%를 차지한다. 호흡, 연소 등에 많은 양의 산소가 사용되지만, 광합성을 통해 이산화 탄소와 물이 소비되고 포도당과 산소가 생성되므로 대기 중 산소 비율은 거의 일정하다.

자유 산소는 세계 수역에서 용액으로 존재하며, 저온에서 산소 용해도가 증가하는 것은 해양 생물에 중요하다. 극지방 해양은 산소 함량이 높아 밀도가 높은 생물을 지원한다. 산소는 바다에서 질량의 88.81%를 차지하여 지구 대양의 주요 성분이다.

질산염이나 인산염 같은 식물 영양소로 오염된 물은 부영양화를 통해 조류 성장을 자극할 수 있으며, 이러한 유기체 및 기타 생물 재료의 부패는 부영양성 수역에서 산소 함량을 감소시킬 수 있다.

5.1. 우주에서의 존재

산소는 수소와 헬륨 다음으로 우주에서 세 번째로 풍부한 원소이다. 태양 질량의 약 0.9%가 산소이다. 별이 생성되는 근원이 되는 분자운에서는 일산화탄소가 분자 중에서 두 번째로 존재량이 많은 분자이다. 산소의 기원은 항성핵에서의 헬륨 핵융합이며, 산소의 스펙트럼이 검출되는 항성도 존재한다.

다음은 분광 분석으로 추정한 은하수의 가장 흔한 10가지 원소를 나타낸 표이다.

5.2. 지구에서의 존재

산소는 지구의 생물권, 대기, 바다, 육지에서 질량으로 가장 풍부한 화학 원소이다. 산소는 지각에서 질량의 와 부피의 를 차지하는 가장 많은 원소이다. 지각에 존재하는 산소는 대부분이 규산염이나 산화물, 물의 형태로 존재하며, 석영의 성분인 SiO₂가 지각의 대부분을 구성하고 있다.

기체 산소 분자는 대기 부피의 20.95%, 질량의 를 차지한다. 많은 양의 산소가 호흡, 연소 등으로 사용되지만 대기 중의 산소 비율은 거의 일정한데, 이는 광합성 때문이다. 광합성을 통해 이산화 탄소와 물이 소비되고 포도당과 산소가 생성된다.

자유 산소는 세계의 수역에서 용액으로 존재하며, 저온에서 의 용해도가 증가하는 것은 해양 생물에 중요한 영향을 미친다. 극지방 해양은 산소 함량이 높기 때문에 밀도가 높은 생물을 지원한다. 산소는 바다에서 질량의 88.81%를 차지하여, 지구 대양을 구성하는 주요 성분이다.

질산염 또는 인산염과 같은 식물 영양소로 오염된 오염된 물은 부영양화를 통해 조류의 성장을 자극할 수 있으며, 이러한 유기체 및 기타 생물 재료의 부패는 부영양성 수역에서 함량을 감소시킬 수 있다.

5.3. 생물학적 기원

원시 지구 대기에는 산소 분자가 거의 없었으나, 약 30억 년 전 광합성 능력을 획득한 시아노박테리아(남세균)가 출현하여 산소를 생성하기 시작했다. 하지만 초기 광합성에 의한 산소 공급은 안정적이지 않았을 가능성도 제기된다. 안정적인 산소 공급이 이루어졌다는 증거가 되는 스트로마톨라이트 화석은 약 27억 년 전의 것이 발견되었다.

대기 중 산소 농도는 약 24억 5천만 년 전부터 높아지기 시작했는데, 이는 해수 중의 용해된 철과 결합하여 생성된 산화 철을 기원으로 하는 호상철광층의 형성 시기와 일치한다. 이 시기에 대산소 사건이 일어나 해양과 대기 중에 유리 산소가 넘쳐나게 되었고, 이는 혐기성 생물을 산화시켜 멸종시키고 전 지구적 빙하기를 초래했을 것으로 추정된다.

이후 살아남은 단세포 생물 중 산소를 이용하는 효율적인 세포 호흡과 항산화 물질을 획득한 호기성 생물은 더 많은 아데노신 삼인산(ATP)을 생성하여 지구에 새로운 생물권을 형성했다. 이러한 광합성과 산소 호흡은 진핵생물과 다세포 생물로의 진화를 이끌었고, 이는 식물과 동물 등의 생물 다양성을 낳는 첫걸음이 되었다.

해양에서 대기로 산소가 넘치기 시작하여 약 17억 년 전에는 대기 중 산소 농도가 현재 수준의 10%에 도달했다. 5억 4천만 년 전 캄브리아기 초기부터 대기 중 산소 농도는 15%에서 30% 사이에서 변동했으며, 석탄기 말기(약 3억 년 전)에는 최대 35%에 달해 당시 곤충과 양서류의 대형화에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

현재 광합성 속도로는 대기 중의 산소 전체를 재생하는 데 약 2,000년이 걸린다.

6. 생물학적 역할

척추동물 체내의 자유 산소 분압은 호흡계에서 가장 높고, 동맥계, 말초 조직, 정맥계 순으로 감소한다. 분압은 산소가 그 부피를 단독으로 차지할 경우의 압력이다.

우주생물학 분야와 외계 생명체 탐색에서 산소는 강력한 생체 지표이지만, 유로파와 가니메데의 희박한 산소 대기처럼 비생물학적으로 생성될 가능성도 있어, 확실한 생체 지표라고 단정할 수는 없다.

6.1. 광합성

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자연계에서 자유 산소는 광합성에 의해 물이 광분해됨으로써 발생하며, 해양의 녹조류와 시아노박테리아가 지구 대기 중 산소의 70%를, 나머지는 육상 식물이 만들어낸다.

간단한 광합성 반응식은 다음과 같다.
:6CO2 + 6H2O + 광자 -> C6H12O6 + 6O2 (이산화탄소 + 물 + 햇빛 → 포도당 + 산소)

광분해에 의한 산소 발생은 엽록체의 틸라코이드막에서 일어난다. 빛을 에너지로 하는 이 작용은 많은 단계를 거쳐 아데노신삼인산을 광인산화시키는 프로톤의 농도 기울기를 만든다. 이때 물을 산화시킴으로써 산소 기체가 발생하여 대기 중으로 방출된다.

6.2. 세포 호흡

생명체는 세포 호흡 과정을 통해 산소를 사용하여 유기물을 분해하고 에너지를 얻는다. 세포 호흡을 하나의 반응식으로 요약하면 다음과 같다.

::$\backslash mathrm\{C\_6H\_\{12\}O\_6\; \backslash \; +\; \backslash \; 6O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 6CO\_2\; \backslash \; +\; \backslash \; 6H\_2O\; \backslash \; +\; \backslash \; E\}$

세포 호흡은 해당과정, TCA회로, 산화적 인산화 과정으로 나뉘는데, 이 중 산소가 관여하는 과정은 산화적 인산화 과정이다. 해당과정과 TCA회로에서 NAD⁺는 고에너지 전자를 받아 NADH가 된다. 생성된 NADH는 미토콘드리아 내막의 단백질 복합체로 전자를 전달한다. 단백질 복합체에서 전자가 가진 에너지는 ATP를 생성하는 데 사용된다. 마지막으로 전자는 산소로 전달되고 수소 이온과 결합하여 물이 생성된다.

산소는 산화적 인산화 과정에서 ATP 생성 중 미토콘드리아에서 사용된다. 호기성 호흡 반응은 본질적으로 광합성의 역반응이며, 단순화하면 다음과 같다.

::$\backslash mathrm\{C\_6H\_\{12\}O\_6\; \backslash \; +\; \backslash \; 6O\_2\; \backslash \; \backslash longrightarrow\; \backslash \; 6CO\_2\; \backslash \; +\; \backslash \; 6H\_2O\; \backslash \; +\; \backslash \; E\}$

를 사용하는 세포 호흡은 호기성 생물이 혐기성 생물보다 훨씬 더 많은 ATP를 생성할 수 있게 한다. 산소의 세포 호흡은 식물과 동물과 같은 모든 복잡한 다세포 생물을 포함한 모든 진핵생물에서 일어난다.

6.3. 활성 산소와 생체 방어

세포 호흡 과정에서 산소가 물로 환원될 때 불완전하게 환원되어 생성되는 화합물을 활성 산소라고 한다. 활성 산소는 세포에 작용하여 세포 노화를 일으키며, 심한 경우 암을 유발하기도 한다. 비타민 E는 활성 산소가 생성되기 전에 재빨리 물로 환원시키는 역할을 한다.

7. 산업적 생산 및 이용

산업적으로 산소는 주로 액화 공기의 분별 증류를 통해 생산되며, 이 과정에서 매년 약 1억 톤의 산소가 공기에서 추출된다. 제올라이트 분자체를 이용한 압력 스윙 흡착 방법으로도 산소를 얻을 수 있다. 물의 전기 분해나 이산화 지르코늄 기반 세라믹 막을 이용하는 방법도 있다.

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생산된 산소는 대부분 액체 산소 형태로 탱크로리를 통해 운송되어 저온 액화 가스 저장조에 저장된다.

산소는 야금 과정에서 제련, 정제, 용접, 절삭 등에 다양하게 활용된다. 금속 제련 시 용광로에 산소를 공급하고, 정제 과정에서 불순물을 산화시켜 제거한다. 철광석 제련에는 상업적으로 생산되는 산소의 55%가 소비되며, 이 과정에서 황과 과량의 탄소 불순물을 이산화 황과 이산화 탄소로 제거한다. 산소아세틸렌 용접과 절삭에도 산소가 이용된다.

화학 합성 공정에서 산소는 탄화수소의 부분 산화를 통해 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌 등을 생성하는 데 사용된다. 또한, 합성가스를 제조하여 메탄올, 옥테인 등 다양한 화합물을 만드는 데도 활용된다. 상업적으로 생산되는 산소의 25%는 화학 산업에서 사용되며, 에틸렌과 반응하여 에틸렌 옥사이드를 생성하고, 이는 에틸렌 글리콜로 전환되어 부동액과 폴리에스터 중합체 등의 원료로 사용된다.

의료 분야에서는 산소 흡입에 사용되며, 산소요법은 폐기종, 폐렴, 일부 심장 질환 등 다양한 질병 치료에 사용된다. 비행기나 칭하이-티베트 철도 등 산소 농도가 낮은 곳에서의 호흡을 돕는 장치나 고산 등반, 테크니컬 다이빙에도 활용된다.

조연제로 가스 용접이나 철강 제조 공정에 사용되며, 액체 산소는 로켓 엔진 추진제의 산화제로 사용된다.

나머지 상업적으로 생산되는 산소의 20%는 정수 처리 등에 사용된다. 산소 저장 방법에는 고압 산소통, 극저온 기술 및 화합물이 있으며, 경제적인 이유로 액체 상태로 대량 운송된다.

7.1. 생산

산업적으로 산소는 주로 액화 공기의 분별 증류를 통해 생산된다. 이 과정에서 질소는 기체 상태로 증류되고, 산소는 액체로 남는다. 매년 약 1억 톤의 산소가 이 방법으로 공기에서 추출된다.

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또 다른 주요 생산 방법은 제올라이트 분자체를 이용하는 것이다. 깨끗하고 건조한 공기를 제올라이트 층에 통과시키면 질소가 흡수되고, 90~93%의 산소를 포함하는 기체가 생성된다. 이 방법은 압력 스윙 흡착으로 알려져 있으며, 극저온 기술이 아닌 방법으로 산소 가스를 얻는 데 사용된다.

물의 전기 분해를 통해서도 산소를 생성할 수 있다. 직류 전기를 사용하면 물이 분자 산소와 수소로 분해된다. 이 외에도 이산화 지르코늄 기반 세라믹 막을 이용해 고온 고압 또는 전류를 가하여 공기를 용해시켜 거의 순수한 산소 가스를 생산하는 방법도 있다.

산업적으로 생산된 산소는 대부분 액체 산소 형태로 탱크로리를 통해 1회당 9~10톤씩 수송되어 저온 액화 가스 저장조(콜드 이베이포레이터)에 저장된다.

7.2. 이용

산소는 야금 과정에서 제련, 정제, 용접, 절삭 등 여러 방면으로 활용된다. 금속 제련 시 용광로에 다량의 산소를 공급하며, 정제 과정에서 불순물을 산화시켜 제거한다. 철광석을 강철로 제련할 때 상업적으로 생산되는 산소의 55%가 소비된다. 이 과정에서 고압 랜스를 통해 용융된 철에 산소()를 주입하여 황과 과량의 탄소 불순물을 각각 이산화 황()과 이산화 탄소()로 제거한다. 이 반응은 발열 반응이므로 온도가 1700°C까지 상승한다. 산소아세틸렌 용접은 산소와 아세틸렌 반응 시 발생하는 열을 이용해 금속을 용접하며, 절삭 역시 산소아세틸렌을 이용해 수행할 수 있다. 최대 60cm 두께의 금속은 먼저 작은 산소-아세틸렌 불꽃으로 가열한 다음 다량의 산소() 흐름으로 빠르게 절단한다.

화학 합성 공정에도 산소가 관련되어 있다. 탄화수소를 산소로 연소시킬 때 산소 양을 조절하면 연소 단계에서 발생하는 물질을 생성할 수 있는데, 이를 부분 산화라고 한다. 예를 들어 메테인이 주성분인 천연가스를 부분 산화하면 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌 등을 얻을 수 있다. 탄소나 탄화수소를 산소와 수증기로 반응시키면 일산화 탄소, 수소 등으로 이루어진 합성가스를 얻을 수 있다. 합성가스는 메탄올, 옥테인 등 여러 화합물 생성에 원료로 사용될 수 있다. 그 외에도 산소는 연료 합성, 염료 생산 등 다양한 공정에 관여하고 있다. 상업적으로 생산되는 산소의 25%는 화학 산업에서 사용된다. 에틸렌은 산소()와 반응하여 에틸렌 옥사이드를 생성하고, 이는 다시 에틸렌 글리콜로 전환된다. 에틸렌 글리콜은 부동액과 폴리에스터 중합체(많은 플라스틱과 직물의 전구체)를 포함한 많은 제품을 제조하는 데 사용되는 주요 원료이다.

의료 분야에서 산소 흡입에 사용된다. 호흡의 필수적인 목적은 공기 중에서 를 흡수하는 것이므로, 의학에서는 산소 보충이 사용된다. 치료는 환자의 혈중 산소 수치를 높일 뿐만 아니라, 많은 종류의 질병이 있는 폐에서 혈류 저항을 감소시키는 부차적인 효과가 있어 심장의 부담을 줄인다. 산소요법은 폐기종, 폐렴, 일부 심장 질환(울혈성 심부전), 폐동맥압을 증가시키는 일부 질환, 그리고 기체 산소를 흡수하고 사용하는 신체의 능력을 손상시키는 모든 질병을 치료하는 데 사용된다. 또한 환자뿐만 아니라, 공기 중 산소 농도가 낮은 곳에서의 호흡을 돕기 위해 비행기나 칭하이-티베트 철도 등의 산소 방출 장치나 고산 등반 시 사용하는 산소통에도 사용된다. 그 외에도 테크니컬 다이빙에서 감압용 가스로 사용된다.

조연제로 가스 용접이나 철강 제조 공정에서 사용된다. 아세틸렌을 산소와 함께 분출하여 얻는 산소 아세틸렌 불꽃은 의 고온을 얻을 수 있어 철재 용접 및 절단에 이용된다. 특히 액체 산소는 로켓 엔진 추진제의 산화제로 사용된다.

나머지 상업적으로 생산되는 산소의 20%는 의료용, 금속 절단 및 용접, 로켓 연료의 산화제, 그리고 정수 처리 등에 사용된다.

산소 저장 방법에는 고압 산소통, 극저온 기술 및 화합물이 포함된다. 경제적인 이유로 산소는 종종 특수 단열 탱커에 액체 상태로 대량 운송되는데, 액화 산소 1L는 대기압과 20°C에서 840L의 기체 산소와 같기 때문이다.

8. 안전 및 주의사항

산소는 고압 산소통, 극저온 기술, 화합물 등의 형태로 저장된다. 경제적인 이유로 산소는 특수 단열 탱커에 액체 상태로 대량 운송되는데, 액화 산소 1리터는 대기압과 20°C에서 840리터의 기체 산소와 같기 때문이다. 이러한 탱커는 병원 등 대량의 순수 산소 가스가 필요한 기관 외부에 설치된 액체 산소 저장 용기를 채우는 데 사용된다. 액체 산소는 열교환기를 거쳐 기체로 변환된 후 건물로 들어간다. 산소는 압축 가스 형태로 작은 실린더에 저장 및 운송되기도 하는데, 이는 휴대용 의료 응용 분야나 산소-연료 용접 및 절단에 유용하다.

현대 우주복은 저압 호흡용 가스로 순수 산소를 사용한다. 우주복은 착용자의 신체를 호흡용 가스로 둘러싸는데, 약 1/3의 정상 압력에서 거의 순수한 산소를 사용하여 정상적인 혈중 산소 분압을 유지한다. 이는 우주복의 유연성을 위한 절충안이다.

스쿠버와 수중 공기 공급 잠수부 및 잠수함도 인공적으로 공급되는 산소에 의존한다. 잠수함, 잠수정 및 대기압 잠수복은 일반적으로 정상 대기압에서 작동하며, 호흡 공기는 화학적 추출을 통해 이산화탄소를 제거하고 산소를 보충하여 일정한 분압을 유지한다. 주위 압력 잠수부는 작동 수심에 적합한 산소 비율을 가진 공기 또는 가스 혼합물을 호흡한다.

산악 등반가나 무가압 고정익 항공기를 이용하는 사람들은 때때로 보충 산소 공급을 받는다. 가압된 상용 항공기는 기내 감압 시 산소 마스크를 통해 승객에게 산소를 비상 공급한다. 갑작스러운 기내 압력 손실은 각 좌석 위의 화학적 산소 발생기를 작동시켜 마스크가 떨어지게 한다. 기내 안전 지침대로 마스크를 당기면 철가루가 용기 내부의 염소산나트륨과 반응하여 발열성 반응으로 산소 기체가 발생한다.

산소는 경미한 쾌락제로 사용되기도 한다. 산소 바는 1990년대 후반부터 미국에서 나타났으며, 소정의 요금을 내면 정상보다 높은 산소 농도를 흡입할 수 있다. 미식축구 선수들이 경기 중 휴식 시간에 산소 마스크를 착용하여 경기력 향상을 꾀하기도 하지만, 플라시보 효과라는 반론도 있다. 유산소 운동 중 산소가 풍부한 혼합물을 흡입할 때만 성능 향상 효과가 있다는 연구 결과도 있다.

조지 고블이 5초 만에 바비큐 그릴에 불을 붙인 사례처럼, 호흡과 관련 없는 화약류 응용 분야에 산소가 사용되기도 한다.

NFPA 704 표준에 따르면, 압축 산소 가스는 건강 위험성이 없고 불연성이며 비반응성이지만 산화제로 분류된다. 액체 산소(LOX)는 고농도 산소 중독증 위험 증가와 동상 등 극저온 액체의 일반적인 위험 때문에 건강 위험 등급이 3으로 평가되며, 다른 모든 등급은 압축 가스 형태와 동일하다.

8.1. 산소 중독

산소(O₂)는 높은 분압에서 중독성을 띠어 경련 및 기타 건강 문제를 일으킬 수 있다. 산소 중독은 일반적으로 50 킬로파스칼(kPa) 이상의 분압에서 발생하기 시작하며, 이는 표준 기압에서 약 50%의 산소 조성 또는 해수면의 정상 O₂ 분압인 약 21 kPa의 2.5배에 해당한다. 의료용으로 산소 마스크를 통해 공급되는 가스는 일반적으로 부피 기준 30~50%의 O₂로 구성되어 있으므로(인공호흡기를 사용하는 환자를 제외하고는) 문제가 되지 않는다.

한때, 미숙아들을 O₂가 풍부한 공기를 포함한 인큐베이터에 넣었지만, 산소 농도가 너무 높아 일부 아기들이 실명한 후 이 관행은 중단되었다.

폐와 중추 신경계에 대한 산소 중독은 심해 스쿠버 다이빙 및 잠수 지원 다이빙에서도 발생할 수 있다. O₂ 분압이 60 kPa를 초과하는 공기 혼합물을 장시간 호흡하면 결국 영구적인 폐 섬유증으로 이어질 수 있다. 160 kPa(약 1.6기압)를 초과하는 O₂ 분압에 노출되면 경련이 발생할 수 있으며(다이버에게는 일반적으로 치명적임), 21% O₂의 공기 혼합물을 66m 이상의 깊이에서 호흡하거나, 100% O₂를 6m에서만 호흡해도 급성 산소 중독(다이버에게 가장 두려운 영향인 발작 유발)이 발생할 수 있다.

8.2. 화재 및 폭발 위험

고농축 산소는 급격한 연소를 촉진한다. 농축된 산화제와 연료가 가까이 있으면 화재 및 폭발 위험이 있으며, 열이나 스파크와 같은 점화 사건이 연소를 유발하는 데 필요하다. 산소는 연료가 아닌 산화제이다.

고농축 산소(O₂)는 연소가 빠르고 활발하게 진행되도록 한다. 기체 및 액체 산소를 저장하고 전달하는 데 사용되는 강철 파이프와 저장 용기는 연료 역할을 하므로, 산소 시스템의 설계 및 제조에는 점화원을 최소화하기 위한 특수 교육이 필요하다. 발사대 시험 중 아폴로 1호 승무원을 사망에 이르게 한 화재는 캡슐이 임무 중 사용될 대기압의 ⅓이 아닌, 순수 산소(O₂)로 약간 대기압보다 높은 압력으로 가압되었기 때문에 매우 빠르게 확산되었다.

액체 산소가 나무, 석유화학 제품, 아스팔트와 같은 유기물에 스며들도록 방치하면, 이러한 물질은 후속 기계적 충격 시 예측할 수 없이 폭발할 수 있다. 고농도 산소와 가연물이 혼재하는 상황에서 어떤 발화원이라도 있다면 화재나 폭발로 인한 격렬한 연소가 발생한다. 산소는 공기보다 무겁기 때문에 지하실과 같은 장소에 정체되기 쉽고, 또한 무색, 무취, 무해하기 때문에 산소가 가득 차 있는 것을 알아차리기 어렵다. 고농도 산소 환경에서는 산소의 지연성(助燃性)으로 인해, 일반적으로는 쉽게 타지 않는 금속 등의 물질에서도 불이 붙을 위험이 있으며, 가연물은 더욱 잘 탈 수 있다.

과거 사례로는, 산소로 가득 찬 탱크 내부에서 그라인더를 사용하는 중에 튀어나온 불꽃이 작업복에 인화되어 타올라 작업자가 사망한 사고가 있다. 고압산소치료를 시행할 때는 발화물 반입이 금지되며, 정전기에 의한 불꽃을 방지하기 위해 면 100%의 속옷을 착용해야 한다.

연소 발생의 위험은 산소가 산화 전위가 높은 물질, 예를 들어 과산화물이나 염소산염, 질산염, 과염소산염, 크롬산염 등과 혼재하는 경우에도 높다.

9. 대기 중 산소 농도 변화

최근 조사에 따르면 지구 대기 중 산소 농도는 약 20.9490%이지만, 연평균 4ppm씩 감소하고 있다. 한편, 대기 중 이산화탄소 농도는 연평균 2ppm씩 증가하고 있으며, 산소 농도 감소는 화석연료 연소 등이 주요 원인으로 추정된다. 이산화탄소 농도 증가량과 산소 농도 감소량의 차이는 이산화탄소가 해면에서 육지보다 약 2배 더 많이 흡수되고, 화석연료 연소 시 이산화탄소 배출량보다 산소 소비량이 1.4배 많기 때문이다.

육지에서 광합성량이 호흡량을 웃도는 북반구의 여름에는 대기 중 산소 농도가 증가하고, 겨울에는 감소하는 변동을 보인다.

다만, 2016년 기준 대기 중 이산화탄소 농도는 약 0.041%(407ppm) 정도로, 약 21%의 산소와는 농도 차이가 크다. 연평균 4ppm의 산소 감소는 1만 년 동안 약 4% 정도의 농도 감소에 해당한다.