Свободный кислород при фотосинтезе выделяют при расщеплении ...

…молекул воды (H₂O).

Коротко суть процесса: в световой фазе фотосинтеза в фотосистеме II происходит фотолиз воды. Кислород-эволюционирующий комплекс (кластер Mn₄CaO₅) отнимает электроны у воды, в результате чего образуются протоны, электроны и молекулярный кислород. Суммарное уравнение этого шага:

2 H₂O → O₂ ↑ + 4 H⁺ + 4 e⁻

Выделяющийся свободный O₂ — именно из воды, а не из CO₂ (это подтверждено классическими опытами с изотопом кислорода ¹⁸O). Протоны накапливаются в тилакоидном просвете и участвуют в синтезе АТФ, а электроны идут дальше по электронтранспортной цепи.