Quel pasteur/chimiste anglais a découvert l’oxygène ?
Joseph Priestley
L'oxygène a été découvert indépendamment par Carl Wilhelm Scheele, à Uppsala, en 1773 ou avant, et Joseph Priestley dans le Wiltshire, en 1774, mais Priestley est souvent prioritaire car son travail a été publié en premier. Le nom oxygène a été inventé en 1777 par Antoine Lavoisier, dont les expériences avec l'oxygène ont contribué à discréditer la théorie alors populaire du phlogistique sur la combustion et la corrosion. Son nom dérive des racines grecques ὀξύς oxys, "acide", littéralement "aiguisé", faisant référence au goût aigre des acides et -γενής -gènes, "producteur", littéralement "engendreur", car au moment de la dénomination, il était pensait à tort que tous les acides avaient besoin d’oxygène dans leur composition. Entre-temps, le 1er août 1774, une expérience menée par le pasteur britannique Joseph Priestley focalisait la lumière du soleil sur l'oxyde mercurique (HgO) à l'intérieur d'un tube de verre, qui libérait un gaz qu'il nomma « air déphlogistiqué ». Il a noté que les bougies brûlaient plus intensément dans le gaz et qu'une souris était plus active et vivait plus longtemps en le respirant. Après avoir respiré le gaz lui-même, il écrivit : « La sensation que procurent mes poumons n'est pas sensiblement différente de celle de l'air ordinaire, mais j'ai cru que ma poitrine était particulièrement légère et aisée pendant un certain temps après. » Priestley a publié ses découvertes en 1775 dans un article intitulé « An Account of Further Discoveries in Air » qui était inclus dans le deuxième volume de son livre intitulé Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Parce qu'il a publié ses découvertes en premier, Priestley a généralement la priorité dans la découverte.
L'oxygène est un élément chimique portant le symbole O et le numéro atomique 8. Il fait partie du groupe des chalcogènes du tableau périodique et est un agent non métallique et oxydant hautement réactif qui forme facilement des oxydes avec la plupart des éléments ainsi qu'avec d'autres composés. En masse, l'oxygène est le troisième élément le plus abondant dans l'univers, après l'hydrogène et l'hélium. À température et pression standard, deux atomes de l’élément se lient pour former du dioxygène, un gaz diatomique incolore et inodore de formule . Il s'agit d'une partie importante de l'atmosphère et l'oxygène diatomique constitue 20,8 % de l'atmosphère terrestre. De plus, sous forme d'oxydes, cet élément constitue également près de la moitié de la croûte terrestre.
L'oxygène est nécessaire au maintien de la plupart des formes de vie terrestres. L'oxygène est utilisé dans la respiration cellulaire et de nombreuses classes majeures de molécules organiques dans les organismes vivants contiennent de l'oxygène, comme les protéines, les acides nucléiques, les glucides et les graisses, tout comme les principaux composés inorganiques constitutifs des carapaces, des dents et des os des animaux. La majeure partie de la masse des organismes vivants est constituée d’oxygène en tant que composant de l’eau, le principal constituant des formes de vie. À l’inverse, l’oxygène est continuellement renouvelé par la photosynthèse, qui utilise l’énergie du soleil pour produire de l’oxygène à partir de l’eau et du dioxyde de carbone. L'oxygène est trop chimiquement réactif pour rester un élément libre dans l'air sans être continuellement reconstitué par l'action photosynthétique des organismes vivants. Une autre forme (allotrope) d'oxygène, l'ozone (), absorbe fortement le rayonnement ultraviolet UVB et la couche d'ozone de haute altitude contribue à protéger la biosphère du rayonnement ultraviolet. Mais l’ozone est un polluant proche de la surface, où il est un sous-produit du smog. Aux basses altitudes de l’orbite terrestre, suffisamment d’oxygène atomique est présent pour provoquer la corrosion des engins spatiaux.
L'oxygène a été découvert indépendamment par Carl Wilhelm Scheele, à Uppsala, en 1773 ou avant, et Joseph Priestley dans le Wiltshire, en 1774, mais Priestley est souvent prioritaire car son travail a été publié en premier. Le nom oxygène a été inventé en 1777 par Antoine Lavoisier, dont les expériences avec l'oxygène ont contribué à discréditer la théorie alors populaire du phlogistique sur la combustion et la corrosion. Son nom dérive des racines grecques ὀξύς oxys, "acide", littéralement "aiguisé", faisant référence au goût aigre des acides et -γενής -gènes, "producteur", littéralement "engendreur", car au moment de la dénomination, il était pensait à tort que tous les acides avaient besoin d’oxygène dans leur composition.
L'utilisation courante de l'oxygène comprend le chauffage résidentiel, les moteurs à combustion interne, la production d'acier, de plastiques et de textiles, le brasage, le soudage et le découpage d'aciers et d'autres métaux, le propulseur de fusée, l'oxygénothérapie et les systèmes de survie des avions, des sous-marins, des vols spatiaux et de la plongée.
Histoire
Premières expériences
L'une des premières expériences connues sur la relation entre la combustion et l'air a été menée par Philon de Byzance, écrivain grec en mécanique du IIe siècle avant notre ère. Dans son ouvrage Pneumatique, Philo a observé qu'en retournant un récipient au-dessus d'une bougie allumée et en entourant le col du récipient avec de l'eau, de l'eau montait dans le col. Philon a supposé à tort que certaines parties de l'air dans le récipient étaient converties en élément feu classique et pouvaient ainsi s'échapper par les pores du verre. Plusieurs siècles plus tard, Léonard de Vinci s'est appuyé sur les travaux de Philon en observant qu'une partie de l'air est consommée lors de la combustion et de la respiration.
À la fin du XVIIe siècle, Robert Boyle a prouvé que l'air était nécessaire à la combustion. Le chimiste anglais John Mayow (1641-1679) affina ce travail en montrant que le feu ne nécessite qu'une partie de l'air qu'il appela spiritus nitroaereus ou simplement nitroaereus. Dans une expérience, il a découvert que le fait de placer une souris ou une bougie allumée dans un récipient fermé au-dessus de l'eau faisait monter l'eau et remplaçait un quatorzième du volume de l'air avant d'éteindre les sujets. Il en déduit que le nitroaereus est consommé à la fois par la respiration et par la combustion.
Mayow a observé que l'antimoine augmentait de poids lorsqu'il était chauffé et en a déduit que le nitroaereus avait dû se combiner avec lui. Il pensait également que les poumons séparent le nitroaereus de l'air et le transmettent dans le sang et que la chaleur animale et les mouvements musculaires résultent de la réaction du nitroaereus avec certaines substances présentes dans le corps. Des récits de ces expériences et idées, ainsi que d'autres, ont été publiés en 1668 dans son ouvrage Tractatus duo dans le tract "De respiratione".
Théorie du phlogistique
Robert Hooke, Ole Borch, Mikhaïl Lomonosov et tous ont produit de l'oxygène lors d'expériences aux XVIIe et XVIIIe siècles, mais aucun d'entre eux ne l'a reconnu comme un élément chimique. Cela peut être dû en partie à la prédominance de la philosophie de la combustion et de la corrosion appelée théorie du phlogistique, qui était alors l'explication privilégiée de ces processus.
Établie en 1667 par l'alchimiste allemand J. J. Becher et modifiée par le chimiste Georg Ernst Stahl en 1731, la théorie du phlogistique affirmait que tous les matériaux combustibles étaient constitués de deux parties. Une partie, appelée phlogistique, se dégageait lorsque la substance qui la contenait était brûlée, tandis que la partie déphlogistiquée était considérée comme sa véritable forme, ou calx.
On pensait que les matériaux hautement combustibles qui laissent peu de résidus, comme le bois ou le charbon, étaient principalement constitués de phlogistique ; les substances incombustibles et corrosives, comme le fer, en contenaient très peu. L'air n'a joué aucun rôle dans la théorie du phlogistique et aucune expérience quantitative initiale n'a été menée pour tester cette idée ; au lieu de cela, il était basé sur des observations de ce qui se passe lorsque quelque chose brûle, que les objets les plus courants semblent devenir plus légers et semblent perdre quelque chose dans le processus. Le fait qu’une substance comme le bois gagne du poids global lors de la combustion était masqué par la flottabilité des produits gazeux de combustion. En effet, l’un des premiers indices démontrant que la théorie du phlogistique était incorrecte était que les métaux prenaient du poids en rouillant (alors qu’ils étaient censés perdre du phlogistique).
Découverte
L'oxygène a été découvert pour la première fois par le pharmacien suédois Carl Wilhelm Scheele. Il avait produit de l'oxygène gazeux en chauffant de l'oxyde de mercure et divers nitrates vers 1772. Scheele appelait ce gaz « air de feu » parce qu'il était le seul partisan connu de la combustion, et écrivit un compte rendu de cette découverte dans un manuscrit qu'il intitula Traité sur l'air et l'air. Fire, qu'il envoya à son éditeur en 1775. Ce document fut publié en 1777.
Entre-temps, le 1er août 1774, une expérience menée par le pasteur britannique Joseph Priestley focalisait la lumière du soleil sur l'oxyde mercurique (HgO) à l'intérieur d'un tube de verre, qui libérait un gaz qu'il nomma « air déphlogistiqué ». Il a noté que les bougies brûlaient plus intensément dans le gaz et qu'une souris était plus active et vivait plus longtemps en le respirant. Après avoir respiré le gaz lui-même, il écrivit : « La sensation que procurent mes poumons n'est pas sensiblement différente de celle de l'air ordinaire, mais j'ai cru que ma poitrine était particulièrement légère et aisée pendant un certain temps après. » Priestley a publié ses découvertes en 1775 dans un article intitulé « An Account of Further Discoveries in Air » qui était inclus dans le deuxième volume de son livre intitulé Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Parce qu'il a publié ses découvertes en premier, Priestley a généralement la priorité dans la découverte.
Le chimiste français Antoine Laurent Lavoisier a affirmé plus tard avoir découvert la nouvelle substance de manière indépendante. Priestley rendit visite à Lavoisier en octobre 1774 et lui raconta son expérience et comment il avait libéré le nouveau gaz. Scheele a également posté une lettre à Lavoisier le 30 septembre 1774 décrivant sa découverte de la substance jusqu'alors inconnue, mais Lavoisier n'a jamais reconnu l'avoir reçue (une copie de la lettre a été trouvée dans les affaires de Scheele après sa mort).
La contribution de Lavoisier
Ce que Lavoisier a fait (bien que cela ait été contesté à l'époque) a été de mener les premières expériences quantitatives adéquates sur l'oxydation et de donner la première explication correcte du fonctionnement de la combustion. Il a utilisé ces expériences et d'autres similaires, toutes commencées en 1774, pour discréditer la théorie du phlogistique et prouver que la substance découverte par Priestley et Scheele était un élément chimique.
Dans une expérience, Lavoisier a observé qu'il n'y avait pas d'augmentation globale du poids lorsque l'étain et l'air étaient chauffés dans un récipient fermé. Il a noté que de l'air s'était précipité à l'intérieur lorsqu'il avait ouvert le conteneur, ce qui indiquait qu'une partie de l'air emprisonné avait été consommée. Il a également noté que l'étain avait augmenté de poids et que cette augmentation était la même que le poids de l'air qui y revenait. Cette expérience et d'autres sur la combustion ont été documentées dans son livre Sur la combustion en général, publié en 1777. Dans ce travail, il a prouvé que l’air est un mélange de deux gaz ; « l'air vital », qui est essentiel à la combustion et à la respiration, et l'azote (en grec « sans vie »), qui ne supportait pas non plus. Azote est devenu plus tard nitrogène en anglais, bien qu'il ait conservé ce nom en français et dans plusieurs autres langues européennes.
Lavoisier a renommé « air vital » en oxygène en 1777 à partir des racines grecques (oxys) (acide, littéralement « tranchant », du goût des acides) et -γενής (-genēs) (producteur, littéralement engendreur), parce qu'il croyait à tort que l'oxygène était un constituant de tous les acides. Des chimistes (comme Sir Humphry Davy en 1812) ont finalement déterminé que Lavoisier avait tort à cet égard (l'hydrogène constitue la base de la chimie acide), mais le nom était alors trop bien établi.
L'oxygène est entré dans la langue anglaise malgré l'opposition des scientifiques anglais et le fait que l'Anglais Priestley ait été le premier à isoler le gaz et à écrire à son sujet. Cela est dû en partie à un poème faisant l'éloge du gaz intitulé « Oxygène » dans le livre populaire Le Jardin Botanique (1791) d'Erasmus Darwin, grand-père de Charles Darwin.
Histoire ultérieure
L'hypothèse atomique originale de John Dalton supposait que tous les éléments étaient monoatomiques et que les atomes des composés auraient normalement les rapports atomiques les plus simples les uns par rapport aux autres. Par exemple, Dalton a supposé que la formule de l'eau était HO, ce qui donne que la masse atomique de l'oxygène était 8 fois supérieure à celle de l'hydrogène, au lieu de la valeur moderne d'environ 16. En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt ont montré que l'eau se forme de deux volumes d'hydrogène et d'un volume d'oxygène ; et en 1811, Amedeo Avogadro était parvenu à l'interprétation correcte de la composition de l'eau, basée sur ce qu'on appelle aujourd'hui la loi d'Avogadro et les molécules élémentaires diatomiques présentes dans ces gaz. Ces résultats ont été pour la plupart ignorés jusqu'en 1860. Une partie de ce rejet était due à la croyance que les atomes d'un élément n'auraient aucune affinité chimique avec les atomes du même élément, et une partie était due à des exceptions apparentes à la loi d'Avogadro qui n'ont été expliquées que plus tard. en termes de molécules dissociées.
À la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont réalisé que l'air pouvait être liquéfié et ses composants isolés en le comprimant et en le refroidissant. En utilisant une méthode en cascade, le chimiste et physicien suisse Raoul Pierre Pictet a évaporé le dioxyde de soufre liquide afin de liquéfier le dioxyde de carbone, qui à son tour a été évaporé pour refroidir suffisamment l'oxygène gazeux pour le liquéfier. Il envoie un télégramme le 22 décembre 1877 à l'Académie française des sciences à Paris annonçant sa découverte de l'oxygène liquide. Deux jours plus tard, le physicien français Louis Paul Cailletet annonçait sa propre méthode de liquéfaction de l'oxygène moléculaire. Seules quelques gouttes de liquide ont été produites dans chaque cas et aucune analyse significative n’a pu être réalisée. L'oxygène a été liquéfié dans un état stable pour la première fois le 29 mars 1883 par les scientifiques polonais de l'Université Jagellonne, Zygmunt Wróblewski et Karol Olszewski.
En 1891, le chimiste écossais James Dewar fut capable de produire suffisamment d’oxygène liquide pour l’étudier. Le premier procédé commercialement viable de production d’oxygène liquide a été développé indépendamment en 1895 par l’ingénieur allemand Carl von Linde et l’ingénieur britannique William Hampson. Les deux hommes ont abaissé la température de l’air jusqu’à ce qu’il se liquéfie, puis ont distillé les gaz composants en les faisant bouillir un par un et en les capturant. Plus tard, en 1901, le soudage oxyacétylène a été démontré pour la première fois en brûlant un mélange d'acétylène et de comprimé. Cette méthode de soudage et de découpe du métal est devenue plus tard courante.
En 1923, le scientifique américain Robert H. Goddard est devenu le premier à développer un moteur-fusée brûlant du carburant liquide ; le moteur utilisait de l'essence comme carburant et de l'oxygène liquide comme comburant. Goddard a piloté avec succès une petite fusée à carburant liquide de 56 m à 97 km/h le 16 mars 1926 à Auburn, Massachusetts, États-Unis.
Les niveaux d’oxygène dans l’atmosphère ont tendance à légèrement baisser à l’échelle mondiale, peut-être en raison de la combustion de combustibles fossiles.
Caractéristiques
Propriétés et structure moléculaire
À température et pression standard, l'oxygène est un gaz incolore, inodore et insipide de formule moléculaire, appelé dioxygène.
En tant que dioxygène, deux atomes d’oxygène sont chimiquement liés l’un à l’autre. La liaison peut être décrite de diverses manières en fonction du niveau théorique, mais elle est raisonnablement et simplement décrite comme une double liaison covalente résultant du remplissage d'orbitales moléculaires formées à partir des orbitales atomiques des atomes d'oxygène individuels, dont le remplissage aboutit à une liaison. ordre de deux. Plus précisément, la double liaison est le résultat du remplissage séquentiel, de faible à haute énergie, ou Aufbau, des orbitales, et de l'annulation résultante des contributions des électrons 2s, après le remplissage séquentiel des orbitales basses σ et σ* ; σ chevauchement des deux orbitales atomiques 2p situées le long de l'axe moléculaire O-O et chevauchement de deux paires d'orbitales atomiques 2p perpendiculaires à l'axe moléculaire O-O, puis annulation des contributions des deux autres des six électrons 2p après leur remplissage partiel de les orbitales les plus basses et *.Jack Barrett, 2002, "Atomic Structure and Periodicity, (Basic concepts in chemistry, Vol. 9 of Tutorial chemistry texts), Cambridge, Royaume-Uni : Royal Society of Chemistry, p. 153, ISBN 0854046577, voir [ https://books.google.com/books?isbn
0854046577] consulté le 31 janvier 2015.
Cette combinaison d'annulations, de σ et de chevauchements aboutit au caractère et à la réactivité de double liaison du dioxygène, ainsi qu'à un état fondamental électronique triplet. Une configuration électronique avec deux électrons non appariés, comme on le trouve dans le dioxygène (voir les orbitales remplies * dans le diagramme) qui sont d'énergie égale - c'est-à-dire dégénérées - est une configuration appelée état triplet de spin. Par conséquent, l’état fondamental de la molécule est appelé triplet d’oxygène. Une orbitale est un concept de la mécanique quantique qui modélise un électron comme une particule ondulatoire ayant une distribution spatiale autour d'un atome ou d'une molécule. Les orbitales partiellement remplies de plus haute énergie sont anti-liantes, et donc leur remplissage affaiblit l'ordre de liaison de trois à deux. En raison de ses électrons non appariés, l'oxygène triplet ne réagit que lentement avec la plupart des molécules organiques, qui ont des spins électroniques appariés ; cela empêche une combustion spontanée.
Sous forme de triplet, les molécules sont paramagnétiques. Autrement dit, ils confèrent un caractère magnétique à l'oxygène lorsqu'il est en présence d'un champ magnétique, en raison des moments magnétiques de spin des électrons non appariés dans la molécule et de l'énergie d'échange négative entre les molécules voisines. L'oxygène liquide est si magnétique que, lors de démonstrations en laboratoire, un pont d'oxygène liquide peut être soutenu par son propre poids entre les pôles d'un aimant puissant.
L'oxygène singulet est un nom donné à plusieurs espèces moléculaires de plus haute énergie dans lesquelles tous les spins électroniques sont appariés. Il est beaucoup plus réactif avec les molécules organiques courantes que l’oxygène moléculaire en soi. Dans la nature, l’oxygène singulet se forme généralement à partir de l’eau pendant la photosynthèse, en utilisant l’énergie du soleil. Il est également produit dans la troposphère par la photolyse de l'ozone par la lumière de courte longueur d'onde et par le système immunitaire comme source d'oxygène actif. Les caroténoïdes dans les organismes photosynthétiques (et éventuellement chez les animaux) jouent un rôle majeur dans l'absorption de l'énergie de l'oxygène singulet et dans sa conversion à l'état fondamental non excité avant qu'il ne puisse endommager les tissus.
Allotropes
L'allotrope commun de l'oxygène élémentaire sur Terre est appelé dioxygène, la majeure partie de l'oxygène atmosphérique de la Terre (voir Occurrence). L'O2 a une longueur de liaison de 121 pm et une énergie de liaison de 498 kJ·mol−1, ce qui est plus petit que l'énergie d'autres doubles liaisons ou paires de liaisons simples dans la biosphère et responsable de la réaction exothermique de l'O2 avec n'importe quelle molécule organique. . En raison de son contenu énergétique, l'O2 est utilisé par des formes de vie complexes, comme les animaux, dans la respiration cellulaire (voir Rôle biologique). D’autres aspects sont abordés dans la suite de cet article.
Le trioxygène () est généralement connu sous le nom d'ozone et est un allotrope très réactif de l'oxygène qui endommage les tissus pulmonaires. L'ozone est produit dans la haute atmosphère lorsqu'il se combine avec l'oxygène atomique produit par la division du rayonnement ultraviolet (UV). Étant donné que l’ozone absorbe fortement dans la région UV du spectre, la couche d’ozone de la haute atmosphère fonctionne comme un bouclier protecteur contre les rayonnements pour la planète. Près de la surface de la Terre, il s'agit d'un polluant formé comme sous-produit des gaz d'échappement des automobiles. La molécule métastable tétraoxygène () a été découverte en 2001 et était supposée exister dans l'une des six phases de l'oxygène solide. Il a été prouvé en 2006 que cette phase, créée par une pression de 20 GPa, est en fait un amas rhomboédrique. Ce cluster a le potentiel d’être un comburant beaucoup plus puissant que l’un ou l’autre et peut donc être utilisé dans le carburant des fusées. Une phase métallique a été découverte en 1990 lorsque l'oxygène solide est soumis à une pression supérieure à 96 GPa et il a été démontré en 1998 qu'à très basse température, cette phase devient supraconductrice.
Propriétés physiques
L’oxygène se dissout plus facilement dans l’eau que l’azote et plus facilement dans l’eau douce que dans l’eau de mer. L'eau en équilibre avec l'air contient environ 1 molécule de matière dissoute pour 2 molécules de (1:2), par rapport à un rapport atmosphérique d'environ 1:4. La solubilité de l'oxygène dans l'eau dépend de la température et environ deux fois plus (14,6 mg·L−1) se dissout à 0 °C qu'à 20 °C (7,6 mg·L−1). À 25 °C et 1 atm d'air, l'eau douce contient environ 6,04 millilitres (mL) d'oxygène par litre, et l'eau de mer en contient environ 4,95 mL par litre. À 5 °C, la solubilité augmente à 9,0 mL (50 % de plus qu'à 25 °C) par litre pour l'eau et à 7,2 mL (45 % de plus) par litre pour l'eau de mer.
L'oxygène se condense à 90,20 K (−182,95 °C, −297,31 °F) et gèle à 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F). Les liquides et les solides sont des substances claires avec une couleur bleu ciel clair causée par l'absorption dans le rouge (contrairement à la couleur bleue du ciel, qui est due à la diffusion Rayleigh de la lumière bleue). Un liquide de haute pureté est généralement obtenu par distillation fractionnée d’air liquéfié. L'oxygène liquide peut également être condensé à partir de l'air en utilisant de l'azote liquide comme liquide de refroidissement.
L'oxygène est une substance hautement réactive et doit être séparé des matériaux combustibles.
La spectroscopie de l'oxygène moléculaire est associée aux processus atmosphériques des aurores, des lueurs aériennes et nocturnes. L'absorption dans le continuum de Herzberg et les bandes de Schumann – Runge dans l'ultraviolet produit de l'oxygène atomique important dans la chimie de l'atmosphère moyenne. L’oxygène moléculaire singulet à l’état excité est responsable de la chimiluminescence rouge en solution.
Isotopes et origine stellaire
L'oxygène naturel est composé de trois isotopes stables, 16O, 17O et 18O, le 16O étant le plus abondant (abondance naturelle de 99,762 %).
La majeure partie du 16O est synthétisée à la fin du processus de fusion de l'hélium dans les étoiles massives, mais une partie est produite lors du processus de combustion du néon. Le 17O est principalement produit par la combustion de l'hydrogène en hélium pendant le cycle CNO, ce qui en fait un isotope commun dans les zones de combustion de l'hydrogène des étoiles. La majeure partie du 18O est produite lorsque le 14N (rendu abondant par la combustion du CNO) capture un noyau de 4He, ce qui rend le 18O commun dans les zones riches en hélium des étoiles massives évoluées.
Quatorze radio-isotopes ont été caractérisés. Les plus stables sont le 15O avec une demi-vie de 122,24 secondes et le 14O avec une demi-vie de 70,606 secondes. Tous les isotopes radioactifs restants ont des demi-vies inférieures à 27 s et la majorité d'entre eux ont des demi-vies inférieures à 83 millisecondes. Le mode de désintégration le plus courant des isotopes plus légers que 16O est la désintégration β+ pour produire de l'azote, et le mode le plus courant pour les isotopes plus lourds que 18O est la désintégration bêta pour produire du fluor.
Occurrence
L'oxygène est l'élément chimique le plus abondant en masse dans la biosphère terrestre, l'air, la mer et la terre. L'oxygène est le troisième élément chimique le plus abondant dans l'univers, après l'hydrogène et l'hélium. Environ 0,9 % de la masse du Soleil est constituée d'oxygène. L'oxygène constitue 49,2 % de la masse de la croûte terrestre
 dans le cadre de composés d'oxydes tels que le dioxyde de silicium et est l'élément le plus abondant en masse dans la croûte terrestre. C'est également la composante majeure des océans de la planète (88,8 % en masse). L'oxygène gazeux est le deuxième composant le plus répandu de l'atmosphère terrestre, occupant 20,8 % de son volume et 23,1 % de sa masse (environ 1 015 tonnes). Les chiffres donnés concernent des valeurs allant jusqu'à 50 miles au-dessus de la surface. La Terre est inhabituelle parmi les planètes du système solaire en raison de sa concentration aussi élevée d'oxygène gazeux dans son atmosphère : Mars (avec 0,1 % en volume) et Vénus en ont beaucoup moins. L'environnement de ces planètes est produit uniquement par le rayonnement ultraviolet sur des molécules contenant de l'oxygène telles que le dioxyde de carbone.
La concentration inhabituellement élevée d’oxygène gazeux sur Terre est le résultat du cycle de l’oxygène. Ce cycle biogéochimique décrit le mouvement de l'oxygène au sein et entre ses trois principaux réservoirs sur Terre : l'atmosphère, la biosphère et la lithosphère. Le principal facteur déterminant du cycle de l’oxygène est la photosynthèse, responsable de l’atmosphère terrestre moderne. La photosynthèse libère de l'oxygène dans l'atmosphère, tandis que la respiration, la décomposition et la combustion l'éliminent de l'atmosphère. Dans l’équilibre actuel, la production et la consommation se produisent au même rythme, soit environ 1/2000ème de l’oxygène atmosphérique total par an.
L'oxygène libre est également présent en solution dans les plans d'eau du monde. La solubilité accrue à des températures plus basses (voir Propriétés physiques) a des implications importantes pour la vie océanique, car les océans polaires abritent une densité de vie beaucoup plus élevée en raison de leur teneur plus élevée en oxygène. L'eau polluée par des nutriments végétaux tels que les nitrates ou les phosphates peut stimuler la croissance des algues par un processus appelé eutrophisation et la décomposition de ces organismes et d'autres biomatériaux peut réduire leur teneur dans les masses d'eau eutrophes. Les scientifiques évaluent cet aspect de la qualité de l'eau en mesurant la demande biochimique en oxygène de l'eau, ou la quantité nécessaire pour la rétablir à une concentration normale.
Analyse
Les paléoclimatologues mesurent le rapport entre l'oxygène 18 et l'oxygène 16 dans les coquilles et les squelettes des organismes marins pour déterminer le climat il y a des millions d'années (voir cycle du rapport isotopique de l'oxygène). Les molécules d’eau de mer qui contiennent l’isotope le plus léger, l’oxygène 16, s’évaporent à un rythme légèrement plus rapide que les molécules d’eau contenant l’oxygène 18, 12 % plus lourd, et cette disparité augmente à des températures plus basses. Pendant les périodes de températures mondiales plus basses, la neige et la pluie provenant de cette eau évaporée ont tendance à être plus riches en oxygène 16, et l'eau de mer laissée sur place a tendance à être plus riche en oxygène 18. Les organismes marins incorporent alors plus d’oxygène 18 dans leurs squelettes et leurs coquilles que dans un climat plus chaud. Les paléoclimatologues mesurent également directement ce rapport dans les molécules d’eau d’échantillons de carottes de glace vieux de plusieurs centaines de milliers d’années.
Les géologues planétaires ont mesuré les quantités relatives d'isotopes de l'oxygène dans des échantillons provenant de la Terre, de la Lune, de Mars et des météorites, mais ont longtemps été incapables d'obtenir des valeurs de référence pour les rapports isotopiques du Soleil, considérés comme les mêmes que ceux de l'oxygène primordial. nébuleuse solaire. L'analyse d'une plaquette de silicium exposée au vent solaire dans l'espace et renvoyée par le vaisseau spatial Genesis écrasé a montré que le Soleil contient une proportion d'oxygène 16 plus élevée que la Terre. La mesure implique qu'un processus inconnu a épuisé l'oxygène 16 du disque solaire de matière protoplanétaire avant la coalescence des grains de poussière qui ont formé la Terre.
L'oxygène présente deux bandes d'absorption spectrophotométriques culminant aux longueurs d'onde de 687 et 760 nm. Certains scientifiques en télédétection ont proposé d'utiliser la mesure de la radiance provenant du couvert végétal dans ces bandes pour caractériser l'état sanitaire des plantes à partir d'une plateforme satellite. Cette approche exploite le fait que dans ces bandes, il est possible de distinguer la réflectance de la végétation de sa fluorescence, qui est beaucoup plus faible. La mesure est techniquement difficile en raison du faible rapport signal/bruit et de la structure physique de la végétation ; mais il a été proposé comme méthode possible de surveillance du cycle du carbone à partir de satellites à l’échelle mondiale.
Rôle biologique de l'O2
Photosynthèse et respiration
Dans la nature, l’oxygène libre est produit par la division de l’eau induite par la lumière lors de la photosynthèse oxygénée. Selon certaines estimations, les algues vertes et les cyanobactéries des milieux marins fournissent environ 70 % de l’oxygène libre produit sur Terre, le reste étant produit par les plantes terrestres. D'autres estimations de la contribution océanique à l'oxygène atmosphérique sont plus élevées, tandis que d'autres sont inférieures, suggérant que les océans produisent chaque année environ 45 % de l'oxygène atmosphérique de la Terre.
Une formule globale simplifiée pour la photosynthèse est la suivante :
: 6 + 6 + photons → + 6
ou simplement
: dioxyde de carbone + eau + soleil → glucose + dioxygène
L'évolution photolytique de l'oxygène se produit dans les membranes thylakoïdes des organismes photosynthétiques et nécessite l'énergie de quatre photons. Les membranes thylakoïdes font partie des chloroplastes des algues et des plantes alors qu'elles sont simplement l'une des nombreuses structures membranaires des cyanobactéries. En fait, on pense que les chloroplastes ont évolué à partir de cyanobactéries qui étaient autrefois des partenaires symbiotiques avec les progéniteurs de plantes et d’algues. De nombreuses étapes sont impliquées, mais le résultat est la formation d’un gradient de protons à travers la membrane thylakoïde, qui est utilisé pour synthétiser l’adénosine triphosphate (ATP) par photophosphorylation. Le reste (après production de la molécule d'eau) est libéré dans l'atmosphère. L'oxydation de l'eau est catalysée par un complexe enzymatique contenant du manganèse connu sous le nom de complexe évolutif d'oxygène (OEC) ou complexe de division de l'eau associé au côté luminal des membranes thylakoïdes. . Le manganèse est un cofacteur important, et le calcium et le chlorure sont également nécessaires pour que la réaction se produise. (Corbeau 2005)
Le dioxygène moléculaire, , est essentiel à la respiration cellulaire de tous les organismes aérobies. L'oxygène est utilisé dans les mitochondries pour générer de l'ATP lors de la phosphorylation oxydative. La réaction de respiration aérobie est essentiellement l’inverse de la photosynthèse et est simplifiée comme suit :
: + 6 → 6 + 6 + 2880 kJ·mol−1
Chez les vertébrés, se diffuse à travers les membranes des poumons et dans les globules rouges. L'hémoglobine se lie, changeant de couleur du rouge bleuâtre au rouge vif (elle est libérée d'une autre partie de l'hémoglobine par l'effet Bohr). D'autres animaux utilisent de l'hémocyanine (mollusques et certains arthropodes) ou de l'hémérythrine (araignées et homards). Un litre de sang peut dissoudre 200 cm3 de .
Jusqu’à la découverte des métazoaires anaérobies, l’oxygène était considéré comme indispensable à toute vie complexe.
Les espèces réactives de l'oxygène, telles que l'ion superoxyde () et le peroxyde d'hydrogène (), sont des sous-produits dangereux de l'utilisation de l'oxygène dans les organismes. Certaines parties du système immunitaire des organismes supérieurs créent du peroxyde, du superoxyde et de l’oxygène singulet pour détruire les microbes envahisseurs. Les espèces réactives de l’oxygène jouent également un rôle important dans la réponse hypersensible des plantes aux attaques d’agents pathogènes. L'oxygène est toxique pour les organismes obligatoirement anaérobies, qui constituaient la forme dominante de la vie primitive sur Terre jusqu'à ce qu'ils commencent à s'accumuler dans l'atmosphère il y a environ 2,5 milliards d'années lors du Grand événement d'oxygénation, environ un milliard d'années après la première apparition de ces organismes.
Un humain adulte au repos inhale 1,8 à 2,4 grammes d'oxygène par minute. Cela représente plus de 6 milliards de tonnes d'oxygène inhalées par l'humanité par an. (1,8 grammes/min/personne)×(60 min/h)×(24 h/jour)×(365 jours/an)×(6,6 milliards de personnes )/1 000 000 g/t
6,24 milliards de tonnes
Les organismes vivants
La pression partielle d'oxygène libre dans le corps d'un organisme vertébré vivant est la plus élevée dans le système respiratoire et diminue respectivement le long de tout système artériel, tissus périphériques et système veineux. La pression partielle est la pression qu'aurait l'oxygène s'il occupait seul le volume.
Accumulation dans l'atmosphère
L'oxygène libre était presque inexistant dans l'atmosphère terrestre avant l'évolution des archées photosynthétiques et des bactéries, il y a probablement environ 3,5 milliards d'années. L’oxygène libre est apparu pour la première fois en quantités importantes au cours du Paléoprotérozoïque (il y a entre 3,0 et 2,3 milliards d’années). Pendant le premier milliard d’années, l’oxygène libre produit par ces organismes s’est combiné au fer dissous dans les océans pour former des formations de fer en bandes. Lorsque ces puits d'oxygène sont devenus saturés, l'oxygène libre a commencé à se dégazer des océans il y a 3 à 2,7 milliards d'années, atteignant 10 % de son niveau actuel il y a environ 1,7 milliard d'années.
La présence de grandes quantités d’oxygène dissous et libre dans les océans et l’atmosphère pourrait avoir entraîné l’extinction de la plupart des organismes anaérobies existants lors du Grand événement d’oxygénation (catastrophe de l’oxygène) il y a environ 2,4 milliards d’années. La respiration cellulaire permet aux organismes aérobies de produire beaucoup plus d'ATP que les organismes anaérobies. La respiration cellulaire se produit chez tous les eucaryotes, y compris tous les organismes multicellulaires complexes tels que les plantes et les animaux.
Depuis le début de la période cambrienne, il y a 540 millions d'années, les niveaux atmosphériques ont fluctué entre 15 % et 30 % en volume. Vers la fin de la période carbonifère (il y a environ 300 millions d'années), les niveaux atmosphériques ont atteint un maximum de 35 % en volume, ce qui peut avoir contribué à la grande taille des insectes et des amphibiens à cette époque.
Les variations d’oxygène ont façonné les climats du passé. Lorsque l’oxygène diminuait, la densité atmosphérique diminuait, ce qui à son tour augmentait l’évaporation en surface, entraînant une augmentation des précipitations et des températures plus élevées.
Au rythme actuel de la photosynthèse, il faudrait environ 2 000 ans pour régénérer l’ensemble dans l’atmosphère actuelle.
Production industrielle
Cent millions de tonnes d'air sont extraites de l'air à des fins industrielles chaque année par deux méthodes principales. La méthode la plus courante est la distillation fractionnée de l’air liquéfié, avec distillation sous forme de vapeur tandis que l’air est laissé sous forme liquide.
L'autre méthode principale de production consiste à faire passer un flux d'air propre et sec à travers un lit d'une paire de tamis moléculaires zéolitiques identiques, qui absorbe l'azote et délivre un flux gazeux compris entre 90 et 93 %. Simultanément, de l'azote gazeux est libéré de l'autre lit de zéolite saturé d'azote, en réduisant la pression de fonctionnement de la chambre et en déviant une partie de l'oxygène gazeux du lit producteur à travers celui-ci, dans le sens inverse du flux. Après un temps de cycle défini, le fonctionnement des deux lits est interchangé, permettant ainsi un approvisionnement continu en oxygène gazeux à pomper à travers un pipeline. C’est ce qu’on appelle l’adsorption modulée en pression. L'oxygène gazeux est de plus en plus obtenu par ces technologies non cryogéniques (voir également l'adsorption modulée sous vide associée).
L'oxygène gazeux peut également être produit par électrolyse de l'eau en oxygène moléculaire et en hydrogène. L'électricité CC doit être utilisée : si le courant alternatif est utilisé, les gaz dans chaque membre sont constitués d'hydrogène et d'oxygène dans un rapport explosif de 2 : 1. Contrairement à la croyance populaire, le rapport 2:1 observé lors de l’électrolyse DC de l’eau acidifiée ne prouve pas que la formule empirique de l’eau est H2O, à moins que certaines hypothèses ne soient faites sur les formules moléculaires de l’hydrogène et de l’oxygène elles-mêmes. Une méthode similaire est l'évolution électrocatalytique à partir d'oxydes et d'oxoacides. Les catalyseurs chimiques peuvent également être utilisés, par exemple dans les générateurs chimiques d'oxygène ou les bougies à oxygène qui font partie de l'équipement de survie des sous-marins et font toujours partie de l'équipement standard des avions de ligne commerciaux en cas d'urgence de dépressurisation. Une autre méthode de séparation de l'air consiste à forcer l'air à se dissoudre à travers des membranes céramiques à base de dioxyde de zirconium, soit par haute pression, soit par courant électrique, pour produire un gaz presque pur.
En grandes quantités, le prix de l'oxygène liquide en 2001 était d'environ 0,21 $/kg. Puisque le coût principal de production est le coût énergétique de liquéfaction de l’air, le coût de production changera en fonction de l’énergie