H270 : Peut provoquer ou aggraver un incendie ; comburant H280 : Contient un gaz sous pression ; peut exploser sous l'effet de la chaleur P220 : Tenir/stocker à l’écart des vêtements/…/matières combustibles P244 : S’assurer de l’absence de graisse ou d’huile sur les soupapes de réduction. P370+P376 : En cas d’incendie : obturer la fuite si cela peut se faire sans danger. P403 : Stocker dans un endroit bien ventilé.
Code Kemler : 25 : gaz comburant (favorise l'incendie) Numéro ONU : 1072 : OXYGÈNE COMPRIMÉ Classe : 2.2 Code de classification : 1O : Gaz comprimé, comburant ; Étiquettes : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule); 5.1 : Matières comburantes Emballage : -
Code Kemler : 225 : gaz liquéfié réfrigéré, comburant (favorise l'incendie) Numéro ONU : 1073 : OXYGÈNE LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ Classe : 2.2 Code de classification : 3O : Gaz liquéfié réfrigéré, comburant ; Étiquettes : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule); 5.1 : Matières comburantes Emballage : -
« Nous avons donné à la base de la portion respirable de l'air le nom d'oxygène, en le dérivant de deux mots grecsὀξύς,acide etγείνομαι,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. »
L'oxygène est unnon-métal qui forme très facilement descomposés, notamment desoxydes, 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 surTerre[8] :
La teneur en oxygène des océans chute significativement depuis plusieurs années. Cette désoxygénation de l’océan — due auréchauffement climatique et aux rejets d’engrais agricoles — affecte la biodiversité marine. Les océans ont perdu77 milliards de tonnes d’oxygène au cours des cinquante dernières années[10].
Dans l'industrie, il a une énorme importance en tant qu'oxydant. Dans les centrales électriques, le combustible est brûlé soit avec de l'air, soit avec de l'oxygène pur (procédéoxy-fuel). L'oxy-craquage de fractions pétrolières lourdes produit des composés précieux[11]. Par exemple, l'industrie chimique l'utilise pour la production d'acide acrylique[12], unmonomère très important. L'oxydationcatalytique hétérogène est prometteuse pour la production d'acide benzoïque[13]. C'est également une matière première prometteuse pour la synthèseélectrochimique duperoxyde d'hydrogène[14]. L'oxydation par l'air joue un rôle très important dans la conversion des gaz dangereux (CO,méthane) en CO2 moins nocif[15],[16].
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 ».
La majorité de l'oxygène 16 estsynthétisée à la fin du processus defusion de l'hélium au sein d'étoiles massives mais une partie est aussi produite lors des réactions defusion du néon[18]. L'oxygène 17 est principalement issu de la fusion de l'hydrogène enhélium au cours ducycle CNO. Il s'agit donc d'un isotope courant des zones de combustion de l'hydrogène des étoiles[18]. La majorité de l'oxygène 18 est produite quand l'azote 1414N rendu abondant par le cycle CNO capture un noyau d'hélium 44He. L'oxygène 18 est donc couramment présent dans les zones riches en hélium desétoiles massives évoluées[18].
L'oxygène 18 est un indicateurpaléoclimatique utilisé pour connaître la température dans une région à une époque donnée : plus lerapport isotopique18O/16O est élevé et plus la température correspondante est basse. Ce rapport peut être déterminé à partir decarottes de glace, ainsi que de l'aragonite ou de lacalcite de certainsfossiles.
Ce procédé est très utile pour confirmer ou infirmer une théorie sur les changements climatiques naturels terrestres comme lesparamètres 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 et André, 1979-1980)[24],[25].
Abondance relative de l'oxygène (en rouge) par rapport à l'hydrogène et l'hélium et les autres éléments dans la Voie lactée[26].
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[27] et représente environ 0,9 % de la masse duSoleil[28]. Il constitue 49,2 % de la masse de lacroûte terrestre[29] et est le principal constituant de nos océans (88,8 % de leur masse)[28]. 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)[28],[27],[a]. La Terre, en présentant un taux si important de dioxygène dans son atmosphère, constitue une exception au sein des planètes dusystème solaire : le dioxygène des planètes voisinesMars (qui ne représente que 0,1 % du volume de son atmosphère) etVénus y a des concentrations bien plus faibles (il y est essentiellement produit par les rayonsultraviolets agissant sur les molécules contenant de l'oxygène comme ledioxyde de carbone).
La concentration importante et inhabituelle de dioxygène sur Terre est le résultat descycles de l'oxygène. Cecycle biogéochimique décrit les mouvements de cet élément entre ses trois principaux réservoirs sur Terre : l'atmosphère, labiosphère et lalithosphère. Le facteur principal de la réalisation de ces cycles est laphotosynthèse qui est le principal responsable de la teneur actuelle en dioxygène sur Terre[30]. Le dioxygène est indispensable à la plupart desécosystèmes : les êtres vivants photosynthétiques dégagent du dioxygène dans l'atmosphère alors que larespiration et ladécomposition desanimaux et desplantes 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[31]. Enfin, l'oxygène est un composant essentiel desmolécules qui se retrouvent dans tout être vivant :acides aminés,sucres, etc.[32].
Le dioxygène joue également un rôle important dans lemilieu aquatique. L'augmentation de sa solubilité à basse température 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 du dioxygène[33]. Leseaux polluées contenant des nutriments pour les plantes comme desnitrates ou desphosphates 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 lademande biochimique en oxygène de l'eau ou la quantité d'oxygène nécessaire pour revenir à une concentration normale d'O2[27].
Ledioxygène, à unepression partielle d'au moins 18 % dans l'atmosphère, est l'une des technosignatures ou une signature de la présence de vie recherchée sur lesexoplanètes que l'on peut observer. Sur Terre, ce gaz a été essentiel à la respiration des organismes multicellulaires et à la combustion à ciel ouvert nécessaire aux technologies comme lamétallurgie, et pourrait être une condition préalable à l'émergence de civilisations technologiques détectables sur d'autres planètes[34].
L'allotrope ordinaire de l'oxygène sur Terre est nommé « dioxygène », de formule chimique O2. Il présente unelongueur de liaison de 121 pm et uneénergie de liaison de498kJ/mol[35]. Il s'agit de la forme utilisée par les formes de vie les plus complexes, comme les animaux, lors de la respiration cellulaire et la forme qui constitue la majeure partie de l'atmosphère terrestre.
Le trioxygène O3, habituellement nommé « ozone », est un allotrope très réactif de l'oxygène qui est néfaste pour le tissu pulmonaire[36]. L'ozone est un gaz métastable produit dans les hautes couches de l'atmosphère quand le dioxygène se combine à l'oxygène atomique provenant lui-même de la fragmentation du dioxygène par les rayonsultraviolets[37]. Comme l'ozone absorbe fortement dans le domaine des ultraviolets duspectre électromagnétique, lacouche d'ozone contribue à la filtration des ultraviolets qui frappent la Terre[37]. Toutefois, près de la surface de la Terre, c'est unpolluant produit par la décomposition lors de journées chaudes desoxydes d'azote issus de la combustion descarburants fossiles sous l'effet des rayons solaires ultraviolets[36],[38]. Depuis les années 1970, la concentration d'ozone dans l'air au niveau du sol augmente du fait des activités humaines[39].
Dans lesconditions normales de température et de pression, l'oxygène est sous forme de gaz inodore et incolore, ledioxygène, deformule chimique O2. Au sein de cette molécule, les deux atomes d'oxygène sontliés chimiquement l'un à l'autre dans unétat triplet. Cette liaison, ayant unordre de 2, est souvent représentée de manière simplifiée par uneliaison double[44] ou par l'association d'une liaison à deux électrons et de deux liaisons à trois électrons. L'état triplet de l'oxygène est l'état fondamental de la molécule de dioxygène[45]. La configuration électronique de la molécule présente deux électrons non appariés occupant deuxorbitales moléculairesdégénérées[b]. Ces orbitales sont dites« antiliantes » et font baisser l'ordre de liaison de trois à deux, si bien que la liaison du dioxygène est plus faible que la triple liaison dudiazote pour lequel toutes les orbitales atomiques liantes sont remplies mais plusieurs orbitales antiliantes ne le sont pas[46].
Dans son état triplet normal, la molécule de dioxygène estparamagnétique, c'est-à-dire qu'elle acquiert uneaimantation sous l'effet d'unchamp magnétique. Cela est dû aumoment magnétique de spin des électrons non appariés de la molécule ainsi qu'à l'interaction d'échange négative entre les molécules voisines de O2[27]. L'oxygène liquide peut être attiré par unaimant si bien que dans des expériences en laboratoire, de l'oxygène liquide peut être maintenu en équilibre contre son propre poids entre les deux pôles d'un aimant puissant[47],[c].
L'oxygène singulet est le nom donné à plusieurs espèces excitées de la molécule de dioxygène dans laquelle tous les spins sont appariés. Dans la nature, il se forme communément à partir de l'eau, durant laphotosynthèse, en utilisant l'énergie des rayons solaires[48]. Il est également produit dans latroposphère grâce à la photolyse de l'ozone par des rayons lumineux de courte longueur d'onde[49] et par le système immunitaire comme une source d'oxygène actif[50]. Lescaroténoïdes des organismes photosynthétiques (mais aussi parfois des animaux) jouent un rôle majeur dans l'absorption d'énergie à partir de l'oxygène singulet et dans la conversion de celui-ci vers son état fondamental désexcité avant qu'il ne nuise aux tissus[51].
Le dioxygène secondense à−182,95 °C et sesolidifie à−218,79 °C[54]. Les phases liquide et solide du dioxygène sont toutes deux transparentes avec une légère coloration rappelant lacouleur bleue du ciel causée par l'absorption dans le rouge[d]. L'oxygène liquide de haute pureté est habituellement obtenu pardistillation fractionnée d'air liquide[55]. L'oxygène liquide peut aussi être produit par condensation d'air en utilisant l'azote liquide comme liquide de refroidissement. C'est une substance extrêmement réactive qui doit rester éloignée de matériaux combustibles[56].
Bien que l'oxygène 17 soit stable, le dioxygène, composé essentiellement d'oxygène 16, présente unesection efficace de capture des neutrons thermiques particulièrement basse :0,267 mb (en moyenne pondérée sur les trois isotopes stables), ce qui permet son usage dans lesréacteurs nucléaires en tant qu'oxyde dans le combustible, et dans l'eau en tant que réfrigérant et modérateur.
Molécule d'acétone OC(CH3)2. L'atome d'oxygène est représenté en rouge, ceux decarbone en noir et ceux d'hydrogène en gris (sur cette représentation en relief, certains atomes, placés derrière la structure, ne sont pas visibles).
L'expérience de la bougie réalisée par Philon de Byzance est l'une des premières à mettre en évidence l'existence du dioxygène.
À la fin duXVIIe siècle,Robert Boyle prouve que l'air est nécessaire à la combustion. Le chimiste anglaisJohn Mayow affine le travail de Boyle en montrant que la combustion a seulement besoin d'une partie de l'air qu'il nommespiritus nitroaereus ou simplementnitroaereus[59]. Dans une expérience, il constate que lorsqu'il place une souris ou une bougie allumée dans un récipient fermé dont l'ouverture est plongée dans l'eau, le niveau de l'eau augmente dans le récipient et remplace un quatorzième du volume de l'air avant l'extinction des sujets[60]. Dès lors, il conjecture que lenitroaereus est consommé aussi bien par la combustion que par la respiration.
Mayow observe que l'antimoine augmente en masse lorsqu'il est chauffé et en déduit que lenitroaereus doit y être associé[59]. Il pense aussi que les poumons séparent lenitroaereus de l'air et le font passer dans le sang et que la chaleur animale et les mouvements musculaires résultent de la réaction dunitroaereus avec certaines substances du corps[59]. Les comptes-rendus de ces expériences, d'autres expériences et des idées de Mayow sont publiées en 1668 dansTractatus duo extrait deDe respiratione[60].
Établie en 1667 par le chimiste allemandJohann Joachim Becher et modifiée par le chimisteGeorg Ernst Stahl en 1731[62], la théorie du phlogistique affirme que tous les matériaux combustibles sont constitués de deux parties : une partie nommée « phlogiston » qui s'échappe lorsque la substance qui le contient brûle tandis que la partie déphlogistiquée constitue la vraie forme de la substance[28].
Les matériaux hautement combustibles qui laissent très peu derésidus comme le bois ou le charbon sont considérés comme contenant majoritairement du phlogiston alors que les substances non combustibles qui se corrodent comme le métal, en contiennent très peu. L'air ne joue aucun rôle dans la théorie du phlogistique, pas plus que les premières expériences menées à l'origine pour en tester l'idée. Au contraire, la théorie se base sur l'observation de ce qui se produit lorsqu'un objet brûle et sur le fait que la majorité des objets apparaît plus léger et semble avoir perdu quelque chose pendant le processus de combustion[28]. Pour justifier le fait qu'un matériau comme du bois voit en fait sa masse augmenter en brûlant, Stahl affirme que le phlogiston a une masse négative[63]. En effet, le fait que les métaux voient eux aussi leur masse augmenter en rouillant alors qu'ils sont supposés perdre du phlogiston est l'un des premiers indices infirmant la théorie du phlogistique.
L'oxygène est découvert en premier par le chimiste suédoisCarl Wilhelm Scheele. Il produit du dioxygène en chauffant de l'oxyde de mercure et diversnitrates vers 1772[28]. Scheele nomme ce gaz« Feuerluft » (air de feu)[64] car c'est le seul comburant connu et écrit un compte-rendu de sa découverte dans un manuscrit qu'il intituleTraité chimique de l'air et du feu qu'il envoie à son éditeur en 1775 mais qui ne sera pas publié avant 1777[27].
C'est à Joseph Priestley qu'on attribue généralement la découverte de l'oxygène.
Dans le même temps, le, une expérience conduit le pasteur britanniqueJoseph Priestley à faire converger les rayons du Soleil vers un tube en verre contenant de l'oxyde de mercure (HgO). Cela provoque la libération d'un gaz qu'il nomme« air déphlogistiqué »[27]. Il constate que la flamme des bougies est plus brillante dans ce gaz et qu'une souris est plus active et vit plus longtemps en le respirant. Après avoir lui-même respiré le gaz il écrit :« la sensation de [ce gaz] dans mes poumons n'était pas sensiblement différente de celle de l'air ordinaire mais j’eus l'impression que ma respiration était particulièrement légère et facile pendant un certain temps par la suite »[27]. Priestley publie ses découvertes en 1775 dans un article intituléAn Account of Further Discoveries in Air inclus dans le second volume de son livre,Experiments and Observations on Different Kinds of Air[28],[65].
Le chimiste françaisAntoine Laurent Lavoisier déclare plus tard avoir découvert cette nouvelle substance indépendamment de Priestley. Toutefois, Priestley rend visite à Lavoisier en octobre 1774, lui parle de son expérience et de la façon dont il a libéré le gaz. Scheele envoie également une lettre à Lavoisier le dans laquelle il décrit sa propre découverte de la substance jusqu'alors inconnue mais Lavoisier déclare ne jamais l'avoir reçue (une copie de la lettre est retrouvée dans les affaires de Scheele après sa mort)[27].
Même si cela est contesté à son époque, la contribution de Lavoisier est incontestablement d'avoir réalisé les premières expériences quantitatives satisfaisantes sur l'oxydation et d'avoir donné la première explication correcte sur la façon dont se déroule une combustion[28]. Ses expériences, toutes commencées en 1774, conduiront à discréditer la théorie du phlogistique et prouver que la substance découverte par Priestley et Scheele est unélément chimique[66].
Dans une expérience, Lavoisier observe qu'il n'y a généralement pas d'augmentation de masse quand l'étain et l'air sont chauffés dans une enceinte fermée[28]. Il remarque que l'air ambiant s'engouffre dans l'enceinte lorsqu'il l'ouvre ce qui prouve qu'une partie de l'air emprisonné a été consommée. Il constate également que la masse de l'étain a augmenté et que cette augmentation correspond à la même masse d'air qui s'est engouffrée dans l'enceinte lors de son ouverture. D'autres expériences ainsi que celle-ci sont détaillées dans son livreSur la combustion en général, publié en 1777[28]. Dans cette œuvre, il prouve que l'air est un mélange de deux gaz : l'« air vital » qui est essentiel à la respiration et la combustion et l'azote (du grecἄζωτον,« privé de vie ») qui leur est inutile[28].
Lavoisier renomme l'« air vital » enoxygène en 1777 à partir de la racine grecqueὀξύς (oxys) (acide, littéralement « âpre » d'après le goût des acides et-γενής (-genēs) (producteur, littéralement « qui engendre ») car il croit à tort que l'oxygène est un constituant de tous les acides[37]. Des chimistes, notamment SirHumphry Davy en 1812, prouvent finalement que Lavoisier s'était trompé à cet égard (c'est en réalité l'hydrogène qui est à la base de la chimie des acides) mais le nom est resté.
Lathéorie atomique deJohn Dalton suppose que tous les éléments sont monoatomiques et que les atomes dans les corps composés sont dans des rapports simples. Par exemple, Dalton suppose que la formule chimique de l'eau est HO, donnant à l'oxygène unemasse atomique huit fois supérieure à celle de l'hydrogène contrairement à la valeur actuelle qui vaut environ seize fois celle de l'hydrogène[67]. En 1805,Joseph Louis Gay-Lussac etAlexander von Humboldt montrent que l'eau est formée de deux volumes d'hydrogène et d'un volume d'oxygène et en 1811Amedeo Avogadro parvient à interpréter correctement la composition de l'eau sur la base de ce qu'on appelle maintenant laloi d'Avogadro et l'hypothèse des molécules diatomiques élémentaires[68],[e].
↑L'orbitale est un concept issu de lamécanique quantique qui modélise l'électron comme uneparticule ondulatoire ayant une distribution spatiale autour d'un atome ou d'une molécule.
↑Le paramagnétisme de l'oxygène est une propriété servant dans les analyseurs d'oxygène paramagnétiques qui déterminent la pureté de l'oxygène gazeux ((en) « Company literature of Oxygen analyzers (triplet) », Servomex(consulté le)).
↑La couleur du ciel est due quant à elle à ladiffusion Rayleigh de la lumière bleue.
↑Cependant, ces résultats sont la plupart du temps ignorés jusqu'en 1860. L'une des raisons de ce rejet repose sur la croyance que les atomes d'un élément ne peuvent pas avoir d'affinité chimique avec un autre atome du même élément. Par ailleurs, les exceptions apparentes à loi d'Avogadro qui ne sont expliquées que plus tard par le phénomène de dissociation des molécules constituent une autre raison.
↑a etbEntrée « Oxygen » dans la base de données de produits chimiquesGESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand,anglais), accès le 21 août 2018(JavaScript nécessaire)
↑« Surface chemistry of phase-pure M1 MoVTeNb oxide during operation in selective oxidation of propane to acrylic acid »,J. Catal.,vol. 285,,p. 48-60(lire en ligne).
↑Michel Verdaguer, « Oxygène », Union des professeurs de physique et de chimie(consulté le).
↑H. W. Harvey,The Chemistry and Fertility of Sea Waters, 1955, citant C. J. J. Fox,On the coefficients of absorption of the atmospheric gases in distilled water and sea water,ICES Journal of Marine Science,no 41, 1907,DOI10.1093/icesjms/s1.41.3. Harvey note cependant que d'après de récents articles deNature, les valeurs semblent être trop élevées de 3 %.
Gérard Borvon, « Histoire de l'oxygène. De l'alchimie à la chimie »,Le blog d'histoire des sciences,(lire en ligne).
Gérard Borvon, « Priestley, Scheele, Lavoisier. De l'air déphlogistiqué à l'air du feu et à l'oxygène »,Le blog d'histoire des sciences,(lire en ligne).
