고체 산소(固體酸素, solid oxygen)는 산소(O₂)가 어는점 이하로 냉각되어 고체 상태가 된 물질을 말한다. 상압(1 atm) 조건에서 산소의 녹는점은 54.8 K(−218.35 °C, −361.03 °F)이며, 이 온도 이하에서 기체 또는 액체 상태의 산소가 응고되어 형성된다.
물리적 특성 고체 산소는 연한 하늘색을 띠는 결정성 고체로, 액체 산소와 마찬가지로 상자성(常磁性, paramagnetism)을 나타낸다. 이는 산소 분자(O₂)가 두 개의 비공유 전자쌍을 가져 자기 모멘트를 가지기 때문이다. 밀도는 약 1.33 g/cm³(삼중점 기준)로, 액체 산소(약 1.14 g/cm³)보다 밀도가 높다.
결정 구조와 상전이 고체 산소는 온도와 압력에 따라 여러 가지 결정 구조(상, phase)를 가지는 것으로 알려져 있다. 상압에서의 주요 상은 다음과 같다.
- α-상 (알파 상): 23.8 K 이하에서 안정하며, 단사정계(monoclinic) 구조를 가진다. 강자성체와 유사하게 반강자성(antiferromagnetic) 정렬을 보이는 자기적 질서를 갖는다.
- β-상 (베타 상): 23.8 K ~ 43.8 K 사이에서 안정하며, 능면체(rhombohedral) 구조를 가진다.
- γ-상 (감마 상): 43.8 K ~ 54.8 K(녹는점) 사이에서 안정하며, 입방정계(cubic) 구조를 가진다.
고압 조건에서는 δ-상, ε-상, ζ-상 등 더 높은 밀도의 금속성 성질을 띠는 상들이 나타나는 것으로 실험적으로 확인되었다. 특히 ε-상(약 10 GPa 이상)은 어두운 붉은색을 띠며 금속성과 초전도 특성을 보일 가능성이 있어 고압 물리학 연구의 중요한 대상이다.
제조 및 용도 주로 실험실 환경에서 액체 산소를 추가로 냉각(액체 질소나 헬륨 냉동기 이용)하여 제조한다. 산업적으로 대량 생산되어 유통되는 물질은 아니며, 주로 저온 물리학, 고압 물리학, 자기학 연구용 시료나 기초 과학 실험 재료로 사용된다. 로켓 추진제의 산화제로는 액체 산소(LOX)가 사용되며, 고체 산소 자체는 취급의 어려움과 승화 압력 문제 등으로 추진제로 직접 사용되지 않는다.
안전성 고체 산소는 강력한 산화제이다. 유기 물질이나 가연성 물질과 접촉 시 격렬한 연소나 폭발을 일으킬 수 있다. 극저온 물질이므로 동상 위험이 있으며, 승화 시 부피가 급격히 팽창하므로 밀폐 용기 내 압력 상승에 주의해야 한다.
