Sciences · Chimie
L’oxygène
L’oxygène est l’élément chimique de symbole O et de numéro atomique 8. Sous forme de dioxygène (O₂), il compose 21 % de l’air et permet la respiration et la combustion.
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On respire environ 11 000 litres d’air par jour pour en extraire un gaz : le dioxygène. Mais l’élément oxygène est bien plus que le gaz qui nous fait vivre : il compose près de la moitié de la masse des roches, les neuf dixièmes de la masse de l’eau et les deux tiers de celle de notre corps.
Carte d’identité
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Symbole, numéro atomique | O, 8 |
| Masse atomique | 16,00 |
| Famille | chalcogènes (colonne 16), non-métal |
| Électrons externes | 6 (tend à en gagner 2 : ion oxyde O²⁻) |
| Formes moléculaires | dioxygène O₂, ozone O₃ |
| Ébullition du dioxygène | −183 °C |
| Fusion du dioxygène | −218 °C |
| Isotopes stables | oxygène 16 (99,76 %), 17, 18 |
Le dioxygène est un gaz incolore, inodore et sans saveur. Liquide, il est bleu pâle et attiré par un aimant (il est paramagnétique).
Où trouve-t-on de l’oxygène ?
| Milieu | Part de l’oxygène |
|---|---|
| Air (dioxygène, en volume) | 20,9 % |
| Croûte terrestre (en masse) | environ 46 %, premier élément |
| Eau (en masse) | 89 % |
| Corps humain (en masse) | environ 65 %, premier élément |
| Univers (en masse) | troisième élément, après l’hydrogène et l’hélium |
Dans les roches, l’oxygène est lié au silicium, à l’aluminium, au fer ou au calcium sous forme d’oxydes et de silicates : le quartz, par exemple, est du dioxyde de silicium (SiO₂). Dans le corps, il se trouve surtout dans l’eau, qui représente environ 60 % de notre masse (voir l’eau).
L’oxygène est fabriqué au cœur des étoiles massives par fusion nucléaire de l’hélium et du carbone, puis dispersé dans l’espace lorsqu’elles explosent (voir cycle de vie des étoiles).
La découverte
Trois chimistes se disputent la paternité de la découverte :
- le Suédois Carl Wilhelm Scheele prépare le gaz vers 1771-1772 et l’appelle « air de feu », mais ne publie qu’en 1777 ;
- le Britannique Joseph Priestley l’obtient le 1er août 1774 en chauffant de l’oxyde de mercure et le décrit le premier, sous le nom d'« air déphlogistiqué » ;
- le Français Antoine Lavoisier comprend son rôle véritable : la combustion et la respiration sont des combinaisons avec ce gaz, ce qui ruine la théorie du phlogistique. Il le baptise oxygène en 1777, du grec oxus, « acide », et gennân, « engendrer », car il croyait à tort que tous les acides en contenaient.
Le rôle de l’oxygène
La respiration
Les cellules utilisent le dioxygène pour « brûler » le glucose et en tirer de l’énergie, en rejetant du dioxyde de carbone et de l’eau (voir respiration cellulaire). Le dioxygène est capté dans les poumons par l’hémoglobine des globules rouges (voir respiration). Privé d’oxygène, le cerveau subit des lésions en quelques minutes.
L’air expiré contient encore environ 16 % de dioxygène, ce qui rend efficace le bouche-à-bouche.
La combustion
Le dioxygène est le comburant de presque toutes les combustions (voir combustion). Dans un air enrichi en oxygène, les matériaux brûlent beaucoup plus vivement : une allumette incandescente se rallume dans du dioxygène pur, test classique de ce gaz.
L’oxydation
L’oxygène réagit avec la plupart des éléments pour former des oxydes : la rouille (oxyde de fer), l’alumine, le dioxyde de carbone. On parle d’oxydation, terme qui a été généralisé à toute perte d’électrons (voir oxydoréduction).
D’où vient l’oxygène de l’air ?
L’atmosphère primitive de la Terre ne contenait presque pas de dioxygène. Il a été produit par la photosynthèse, d’abord celle des cyanobactéries, qui libèrent l’oxygène de l’eau en utilisant l’énergie du Soleil. Il y a environ 2,4 milliards d’années, le dioxygène commence à s’accumuler dans l’atmosphère : c’est la Grande Oxydation, qui bouleverse la chimie des océans et de la vie. Aujourd’hui, les océans (phytoplancton) et les forêts produisent ensemble l’oxygène, consommé en quantité comparable par la respiration et la décomposition. La teneur de l’air reste ainsi stable (voir atmosphère).
L’ozone
L'ozone (O₃) est une autre forme moléculaire de l’oxygène, faite de trois atomes. Son effet dépend de l’endroit où il se trouve :
- dans la stratosphère (entre 15 et 35 km environ), la couche d’ozone absorbe la majeure partie des ultraviolets du Soleil et protège la vie. Elle a été endommagée par les CFC, interdits par le protocole de Montréal (1987), et se reconstitue lentement ;
- près du sol, l’ozone est un polluant formé par l’action du soleil sur les gaz d’échappement ; il irrite les voies respiratoires lors des pics estivaux.
Les usages
- Médecine : oxygénothérapie, anesthésie, réanimation, caissons hyperbares.
- Sidérurgie : soufflé dans la fonte, il élimine le carbone excédentaire pour produire l’acier ; c’est le principal usage industriel.
- Soudage et découpe : chalumeau oxyacétylénique, dont la flamme dépasse 3 000 °C.
- Spatial : l’oxygène liquide est le comburant de nombreux moteurs de fusées, associé à l’hydrogène liquide ou au kérosène.
- Traitement de l’eau : oxygénation, ozonation pour désinfecter.
- Plongée : en mélange avec d’autres gaz ; respiré pur sous forte pression, il devient toxique.
Le dioxygène industriel est obtenu par distillation fractionnée de l’air liquide, procédé développé au début du XXe siècle, notamment par Carl von Linde et Georges Claude, cofondateur d’Air Liquide.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre oxygène et dioxygène ?
L’oxygène est l’élément chimique (atome O) ; le dioxygène est la molécule O₂, formée de deux atomes d’oxygène, que nous respirons. Dans le langage courant, on dit « oxygène » pour les deux.
Quel pourcentage d’oxygène y a-t-il dans l’air ?
Environ 21 % en volume (20,9 %). Le reste est surtout du diazote (78 %) et de l’argon (0,9 %).
Respirer de l’oxygène pur est-il dangereux ?
Sur de longues durées ou sous pression élevée, oui : il peut léser les poumons et le système nerveux. L’oxygène médical est donc dosé et prescrit. Il présente aussi un risque d’incendie.
Les arbres produisent-ils tout l’oxygène de l’air ?
Non. Environ la moitié de la photosynthèse mondiale est réalisée par le phytoplancton marin. Et l’oxygène produit par une forêt mature est en grande partie consommé par la respiration de ses propres organismes.