L'oxygène liquide[1] est ledioxygène refroidi au-dessous de son point decondensation, soit90,188 K (−182,96 °C) sous lapression atmosphérique (101 325 Pa). Samasse volumique est alors de1 141 kg/m3, et il gèle à50,5 K (−222,65 °C). On l'obtient pardistillation fractionnée à partir de l'air.
On le désigne souvent par l'acronymeLOX, notamment pour ses applicationsastronautiques.
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En1845,Michael Faraday est capable de liquéfier les gaz les plus connus alors, comme leprotoxyde d'azote, lecyanogène, ledichlore, l'ammoniac[2]. Cependant, six d'entre eux résistent, ils sont désignés à l'époque « gaz permanents » :dioxygène,dihydrogène,diazote,monoxyde de carbone,méthane,monoxyde d'azote.
À la fin duXIXe siècle, des scientifiques réalisent que l'air peut être liquéfié et ses composants isolés en le compressant et le refroidissant. Utilisant unprocédé en cascade, le chimiste et physicien suisseRaoul Pictet faitévaporer dudioxyde de soufre liquide afin de liquéfier dudioxyde de carbone qui, à son tour, s'évapore pour refroidir suffisamment du dioxygène, permettant ainsi de le liquéfier. Le 22 décembre 1877, il envoie un télégramme à l'Académie des sciences à Paris dans lequel il annonce sa découverte de l'oxygène liquide[3].
Deux jours après, le physicien françaisLouis Paul Cailletet décrit sa propre méthode de liquéfaction de l'oxygène[3]. Dans les deux cas, seules quelques gouttes de liquide sont produites donc il est impossible de mener des analyses approfondies. L'oxygène est liquéfié dans un état stable pour la première fois le 29 mars 1883 par le scientifique polonaisZygmunt Wróblewski de l'université Jagellonne deCracovie et parKarol Olszewski[4].
En 1891, le chimiste écossaisJames Dewar est capable de produire suffisamment d'oxygène liquide pour pouvoir l'étudier[5]. Le premier processus commercialement viable pour produire de l'oxygène liquide est développé en 1895 indépendamment par l'ingénieur allemandCarl von Linde et l'ingénieur anglaisWilliam Hampson. Dans les deux procédés, la température de l'air est abaissée jusqu'à ce que l'air soit liquéfié puis les différents composés gazeux sontdistillés en les faisant bouillir les uns après les autres et en les capturant[6].
Plus tard, en 1901, lesoudage oxyacétylénique est présenté pour la première fois en brûlant un mélange d'acétylène et de dioxygène comprimé. Cette méthode de soudure et de coupure du métal est devenue courante par la suite[6]. En 1902,Georges Claude imagine un procédé de liquéfaction de l'air qui améliore le rendement de celui imaginé par Linde et où le travail fourni par la détente adiabatique de l'air après sa compression est utilisé dans le compresseur. Le refroidissement qui l'accompagne (effet Joule-Thomson) est mis à profit dans unéchangeur de chaleur qui refroidit l'air à la sortie du compresseur. Claude réalise ainsi la séparation par distillation fractionnée de l'oxygène, de l'azote, de l'argon.
En 1923, le scientifique américainRobert H. Goddard est le premier à développer unmoteur-fusée utilisant du carburant liquide. Le moteur utilise de l'essence comme carburant et de l'oxygène liquide commecomburant. Goddard fait voler avec succès une petite fusée à carburant liquide. Il lui fait atteindre 56 m et97 km/h le 16 mars 1926 àAuburn (Massachusetts)[6],[7].
C'est un liquidecryogénique qui a un coefficient d'expansion de 860:1 à20 °C, ce qui fait qu'on l'utilise dans certains avions militaires et commerciaux comme source d'oxygène respiratoire. Il rend les matériaux très cassants à son contact en raison même de sa température très basse. C'est un agentoxydant très puissant, au contact duquel lesmatières organiques brûlent rapidement de façon énergétique, ou peuvent exploser de façon imprévisible lorsqu'elles sont simplement imprégnées d'oxygène liquide : c'est notamment le cas des composéspétrochimiques, y compris l'asphalte.
Cela peut poser un problème lorsqu'on manipule à l'air libre de l'azote liquide car, àpression atmosphérique, ce dernier a une température inférieure au point de condensation dudioxygène de l'air, lequel peut donc se condenser à la surface du N2 liquide, formant un mélange enrichi en O2 liquide aux propriétés oxydantes inattendues pour ce qu'on pense être au départ de l'azote liquide ; finalement, on peut n'avoir plus que de l'oxygène liquide une fois tout l'azote évaporé.
L'oxygène liquide était utilisé dès lesannées 1940 par les Allemands sous le nom deA-Stoff avec l'éthanol C2H5OH (appeléB-Stoff pour cet usage) commecombustible pour former unpropergol liquide destiné auxfusées V-2.
Son usage s'est développé pendant la guerre froide pour propulser desmissiles balistiques intercontinentaux, tels que lePGM-11Redstone américain (descendant direct du V-2 allemand, utilisant le mêmepropergol LOX /éthanol) et leR-7 Semiorka soviétique (alias SS-6Sapwood, dont dérive l'actuel lanceurSoyouz-FG) dès 1959, premier vrai missile balistique intercontinental qui utilisait comme combustible unkérosène spécialement raffiné similaire auRP-1 américain.
De nos jours, l'oxygène liquide est utilisé commecomburant avec le RP-1 et l'hydrogène liquide dans un grand nombre delanceurs tels que les fuséesDelta,Atlas,Soyouz etAriane 5.
Dans les hôpitaux, les patients atteints d'hypoxies sont traités paroxygénothérapie, c'est-à-dire par la respiration de mélanges d'air enrichi en oxygène gazeux, voire par respiration d'oxygène gazeux pur. L'oxygène nécessaire, qui est dans cette situation considéré comme unmédicament[8], est souvent stocké sous forme d'oxygène liquide dans descuves à double paroi[9],[10].
L'existence de molécules detétraoxygène O4, composées de quatre atomes d'oxygène, avait été proposée en 1924 parGilbert Lewis pour expliquer le fait que l'oxygène liquide n'obéit pas à laloi de Curie[11] alors que les molécules dedioxygène O2 devraient donner un liquideparamagnétique, mais il semble aujourd'hui qu'en réalité les molécules O2 tendent à s'associer par paires auxspins antiparallèles pour former des structures instables de type (O2)2[12]. Des études réalisées en 2001 parspectrométrie de masse à l'université de Rome « La Sapienza »[13] ont montré que la structure du tétraoxygène O4 correspondrait à un complexe formé d'une molécule dedioxygène à l'état fondamental avec une molécule O2 dans unétat excité particulier.
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