Oxygène

 Ne doit pas être confondu avec Oxygen.
Page d'aide sur l'homonymie Cet article concerne l'élément chimique. Pour le corps simple O2, voir Dioxygène. Pour les autres significations, voir Oxygène (homonymie).
Oxygène
AzoteOxygèneFluor
  Lattic simple cubic.svg
 
8
O
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
O
S
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Oxygène, O, 8
Série chimique Non-métaux
Groupe, période, bloc 16, 2, p
Masse volumique 1,42763 kg·Nm-3 T.P.N. (molécule O2)
Couleur incolore
No CAS 17778-80-2
Propriétés atomiques
Masse atomique 15,9994 ± 0,0003 u [1] (atome O)
Rayon atomique (calc) 60 pm (48 pm)
Rayon de covalence 66 ± 2 pm [2]
Rayon de van der Waals 140 pm [3]
Configuration électronique [ He] 2 s2 2 p4
Électrons par niveau d’énergie 2, 6
État(s) d’oxydation -2, -1
Oxyde neutre
Structure cristalline cubique
Propriétés physiques
État ordinaire gaz paramagnétique (molécule O2)
Point de fusion −218,79 °C ; 54,36
Point d’ébullition −182,95 °C ; 90,20
Énergie de fusion 0,22259 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 3,4099 kJ·mol-1
Température critique −118,56 °C [1]
Pression critique 5,043 MPa [4]
Point triple −218,79 °C [1]
Volume molaire 22,414×10-3 m3·mol-1
Vitesse du son 317 m·s-1 à 20 °C,5
Divers
Électronégativité ( Pauling) 3,44
Chaleur massique 920 J·kg-1·K-1
Conductivité thermique 0,02674 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation [5]
1re : 13,61805 eV 2e : 35,1211 eV
3e : 54,9355 eV 4e : 77,41353 eV
5e : 113,8990 eV 6e : 138,1197 eV
7e : 739,29 eV 8e : 871,4101 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
14O {syn.} 1,17677 min β+ 1,72 14 N
15O {syn.} 2,0357 min β+ 1,72 15 N
16O 99,762 % stable avec 8 neutrons
17O 0,038 % stable avec 9 neutrons
18O 0,2 % stable avec 10 neutrons
19O {syn.} 26,91 s β- 4,821 19 F
20O {syn.} 13,51 s β- 3,814 20 F
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L'oxygène est l' élément chimique de numéro atomique 8, de symbole O. C'est la tête de file du groupe des chalcogènes, souvent appelé groupe de l'oxygène. Découvert indépendamment en 1772 par le Suédois Carl Wilhelm Scheele à Uppsala et en 1774 par le britannique Joseph Priestley en Wiltshire, l'oxygène a été nommé ainsi en 1777 par Antoine Lavoisier à Paris à partir du grec ancien ὀξύς / oxys (« aigu », c'est-à-dire ici « acide »), et γενής / genês (« générateur »), car Lavoisier pensait à tort que [6] :

« Nous avons donné à la base de la portion respirable de l'air le nom d'oxygène, en le dérivant de deux mots grecs ὀξύς, acide et γείνομαι, j'engendre, parce qu'en effet une des propriétés les plus générales de cette base [Lavoisier parle de l'oxygène] est de former des acides en se combinant avec la plupart des substances. Nous appellerons donc gaz oxygène la réunion de cette base avec le calorique. »

Une molécule de formule chimique O2, appelée communément « oxygène » et, par les chimistes, dioxygène est constituée de deux atomes d'oxygène reliés par liaison covalente : aux conditions normales de température et de pression, le dioxygène est un gaz, qui constitue 20,8 % du volume de l' atmosphère terrestre au niveau de la mer.

L'oxygène est un non-métal qui forme très facilement des composés, notamment des oxydes, avec pratiquement tous les autres éléments chimiques. Cette facilité se traduit par des énergies de formation élevées mais, cinétiquement, le dioxygène est souvent peu réactif à température ambiante. Ainsi un mélange de dioxygène et de dihydrogène, de fer ou de soufre, etc., n'évolue qu'extrêmement lentement.

C'est, en masse, le troisième élément le plus abondant de l' Univers après l' hydrogène et l' hélium, et le plus abondant des éléments de l' écorce terrestre ; l'oxygène constitue ainsi sur Terre [7] :

  • 86 % de la masse des océans, sous la forme d' eau ;
  • 46,4 % de la masse de l' écorce terrestre, en particulier sous forme d' oxydes et de silicates ;
  • 23,1 % de la masse de l' air, sous forme de dioxygène ou d' ozone, soit 1,2×1015 tonnes, soit près de 21 % du volume total de l' atmosphère ;
  • 62,5 % de la masse du corps humain ;
  • jusqu'à 88 % de la masse de certains animaux marins.

La Terre était à l'origine dépourvue de dioxygène. Celui-ci s'est formé grâce à la photosynthèse réalisée par les végétaux, les algues et les cyanobactéries, ces dernières étant apparues il y a peut-être 2,8 milliards d'années [8]. Le dioxygène O2 est toxique pour les organismes anaérobies, dont faisaient partie les premières formes de vie apparues sur Terre, mais est indispensable à la respiration des organismes aérobies, qui constituent la grande majorité des espèces vivantes actuelles. La respiration cellulaire est l'ensemble des voies métaboliques, telles que le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, alimentées par exemple par la glycolyse et la β-oxydation, par lesquelles une cellule produit de l'énergie sous forme d' ATP et du pouvoir réducteur sous forme de NADH + H+ et de FADH2.

En s'accumulant dans l' atmosphère terrestre, le dioxygène O2 issu de la photosynthèse a formé une couche d'ozone à la base de la stratosphère sous l'effet du rayonnement solaire. L' ozone est un allotrope de l'oxygène de formule chimique O3 encore plus oxydant que le dioxygène — ce qui en fait un polluant indésirable lorsqu'il est présent dans la troposphère au niveau du sol — mais qui a la particularité d'absorber les rayons ultraviolets du Soleil et donc de protéger la biosphère de ce rayonnement nocif : la couche d'ozone a constitué le bouclier qui a permis aux premières plantes terrestres de quitter les océans il y a près de 475 millions d'années.

Élément

Isotopes et origine stellaire

Article détaillé : Isotopes de l'oxygène.
Vue en coupe d'une étoile évoluée caractérisée par des coquilles concentriques de différents éléments. Tardivement dans la vie d'une étoile, l'oxygène 16 se concentre dans la coquille "O", l'oxygène 17 dans la coquille "H" et l'oxygène 18 dans la coquille "He".

L'oxygène possède dix-sept isotopes dont le nombre de masse varie de 12 à 28. L'oxygène d'origine naturelle est composé de trois isotopes stables : l'oxygène 16 16O, l' oxygène 17 17O et l' oxygène 18 18O. On attribue en outre à l'oxygène une masse atomique standard de 15,9994 u [9]. L'oxygène 16 est le plus abondant, son abondance naturelle étant de 99,762 % [10].

La majorité de l'oxygène 16 est synthétisée à la fin du processus de fusion de l'hélium au sein d' étoiles massives mais une partie est aussi produite lors des réactions de fusion du néon [11]. L'oxygène 17 est principalement issu de la fusion de l'hydrogène en hélium au cours du cycle CNO. Il s'agit donc d'un isotope courant des zones de combustion de l'hydrogène des étoiles [11]. La majorité de l'oxygène 18 est produite quand l'azote 14 14N rendu abondant par le cycle CNO capture un noyau d'hélium 4 4He. L'oxygène 18 est donc couramment présent dans les zones riches en hélium des étoiles massives évoluées [11].

Quatorze radioisotopes ont été mis en évidence. Les plus stables sont l'oxygène 15 15O ayant la plus longue demi-vie (122,24 secondes) et l'oxygène 14 14O ayant une demi-vie de 70,606 secondes [10]. Tous les autres isotopes radioactifs ont des demi-vies inférieures à 27 s et la majorité d'entre eux a des demi-vies de moins de 83 millisecondes [10]. L'oxygène 12 12O à la durée de vie la plus courte (580×10-24 s) [12]. Le type de décroissance radioactive le plus répandu chez les isotopes plus légers que l'oxygène 16 est l' émission de positron [13], [14], [15] produisant de l'azote. Le type de décroissance le plus courant pour les isotopes plus lourds que l'oxygène 18 est la radioactivité β donnant naissance à du fluor [10].

Utilisation de l'oxygène 18

Article détaillé : Oxygène 18.

L' oxygène 18 est un indicateur paléoclimatique utilisé pour connaître la température dans une région à une époque donnée : plus le rapport isotopique 18O / 16O est élevé et plus la température correspondante est basse. Ce rapport peut être déterminé à partir de carottes de glace, ainsi que de l' aragonite ou de la calcite de certains fossiles.

Ce procédé est très utile pour confirmer ou infirmer une théorie sur les changements climatiques naturels terrestres comme les paramètres de Milanković.

Comme marqueur isotopique stable, il a été utilisé pour mesurer le flux unidirectionnel d'oxygène absorbé, pendant la photosynthèse, par le phénomène de photorespiration. Il a été montré que, avant l'augmentation de CO2 de l'ère industrielle, la moitié de l'oxygène émis par les feuilles était réabsorbée. Cela réduisait le rendement de la photosynthèse de moitié.(Gerbaud and André, 1979-1980) [16], [17].

Importance de la présence de l'oxygène

Liste des dix éléments les plus courants de la Voie lactée (estimation spectroscopique) [18]
Z Élément Fraction de masse
en parties par million
1 Hydrogène 739 000
2 Hélium 240 000
8 Oxygène 10 400
6 Carbone 4 600
10 Néon 1 340
26 Fer 1 090
7 Azote 960
14 Silicium 650
12 Magnésium 580
16 Soufre 440

L'oxygène est l'élément chimique le plus abondant du point de vue de la masse dans la biosphère, l'air, l'eau et les roches terrestres. Il est aussi le troisième élément le plus abondant de l'univers après l'hydrogène et l'hélium [19] et représente environ 0,9 % de la masse du Soleil [20]. Il constitue 49,2 % de la masse de la croûte terrestre [21] et est le principal constituant de nos océans (88,8 % de leur masse) [20]. Le dioxygène est le second composant le plus important de l' atmosphère terrestre, représentant 20,8 % de son volume et 23,1 % de sa masse (soit quelque 1015 tonnes) [20], [19], [a]. La Terre, en présentant un taux si important d'oxygène gazeux dans son atmosphère, constitue une exception au sein des planètes du système solaire : l'oxygène des planètes voisines Mars (qui ne représente que 0,1 % du volume de son atmosphère) et Vénus y a des concentrations bien plus faibles. Toutefois, le dioxygène entourant ces autres planètes est seulement produit par les rayons ultraviolets agissant sur les molécules contenant de l'oxygène comme le dioxyde de carbone.

La concentration importante et inhabituelle de dioxygène sur Terre est le résultat des cycles de l'oxygène. Ce cycle biogéochimique décrit les mouvements du dioxygène à l'intérieur et entre ses trois principaux réservoirs sur Terre : l'atmosphère, la biosphère et la lithosphère. Le facteur principal de la réalisation de ces cycles est la photosynthèse qui est le principal responsable de la teneur actuelle en dioxygène sur Terre [22]. Le dioxygène est indispensable à tout écosystème : les êtres vivants photosynthétiques dégagent du dioxygène dans l'atmosphère alors que la respiration et la décomposition des animaux et des plantes en consomme. Dans l'équilibre actuel, la production et la consommation se réalisent dans les mêmes proportions : chacun de ces transferts correspond à environ 1/2000 de la totalité de l'oxygène atmosphérique chaque année [23]. Enfin, l'oxygène est un composant essentiel des molécules qui se retrouvent dans tout être vivant : acides aminés, sucres, etc [24].

L'oxygène joue également un rôle important dans le milieu aquatique. L'augmentation de la solubilité de l'oxygène à basses températures a un impact notable sur la vie dans les océans. Par exemple, la densité d'espèces vivantes est plus importante dans les eaux polaires en raison de la plus forte concentration d'oxygène [25]. Les eaux polluées contenant des nutriments pour les plantes comme des nitrates ou des phosphates peuvent stimuler la pousse d'algues par un processus appelé eutrophisation et la décomposition de ces organismes et d'autres biomatériaux peut réduire la quantité de dioxygène dans les eaux eutrophes. Les scientifiques évaluent cet aspect de la qualité de l'eau en mesurant la demande biologique en oxygène de l'eau ou la quantité d'oxygène nécessaire pour revenir à une concentration normale d'O2 [19].