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Oxygène

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Cet article concerne l'élément chimique. Pour le corps simple O2,voirDioxygène.Pour les autres significations, voirOxygène (homonymie).

Oxygène
Image illustrative de l’article Oxygène
Oxygène liquidedans un bécher.
Azote←Oxygène→Fluor
—

8		 O
↑
O
↓
S
Tableau complet•Tableau étendu
Position dans letableau périodique
Symbole O
Nom Oxygène
Numéro atomique 8
Groupe 16
Période 2epériode
Bloc Bloc p
Famille d'éléments Non-métal
Configuration électronique [He] 2s22p4
Électronsparniveau d’énergie 2, 6
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 15,999 4± 0,000 3u[1](atome O)
Rayon atomique(calc) 60pm(48pm)
Rayon de covalence 66± 2pm[2]
Rayon de van der Waals 140pm[3]
État d’oxydation -2, -1
Électronégativité(Pauling) 3,44
Énergies d’ionisation[4]
1re:13,618 05eV 2e:35,121 1eV
3e:54,935 5eV 4e:77,413 53eV
5e:113,899 0eV 6e:138,119 7eV
7e:739,29eV 8e:871,410 1eV
Isotopes les plus stables
IsoANPériodeMDEdPD
MeV
14O{syn.}1,176 77minβ+1,7214N
15O{syn.}2,035 7minβ+1,7215N
16O99,762%stableavec 8neutrons
17O0,038%stableavec 9neutrons
18O0,2%stableavec 10neutrons
19O{syn.}26,91sβ–4,82119F
20O{syn.}13,51sβ–3,81420F
Propriétés physiques ducorps simple
État ordinaire gazparamagnétique
Allotropeà l'état standard DioxygèneO2
Autres allotropes OzoneO3,oxygène singuletO2*,ozone cycliqueO3,tétraoxygèneO4,octaoxygèneO8
Masse volumique 1,427 63kg·m-3T.P.N. (molécule O2)
Système cristallin Cubique
Couleur incolore
Point de fusion −218,79°C
Point d’ébullition −182,95°C
Énergie de fusion 0,222 59kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 3,409 9kJ·mol-1
Température critique −118,56°C[1]
Pression critique 5,043MPa[5]
Point triple −218,79°C[1]
Volume molaire 22,414×10-3m3·mol-1
Vitesse du son 317m·s-1à20°C,5
Chaleur massique 920J·kg-1·K-1
Conductivité thermique 0,026 74W·m-1·K-1
Divers
NoCAS 17778-80-2
Précautions
SGH[6]
DioxygèneO2:
SGH03 : ComburantSGH04 : Gaz sous pression
Danger
H270,H280,P220,P244,P370+P376etP403
SIMDUT
Transport[6]
DioxygèneO2:
Unités duSI&CNTP,sauf indication contraire.
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L'oxygèneest l'élément chimiquedenuméro atomique8, desymboleO. C'est la tête de file dugroupedeschalcogènes,souvent appelégroupe de l'oxygène.Découvert indépendamment en 1772 par leSuédoisCarl Wilhelm ScheeleàUppsala,et en 1774 parPierre BayenàChâlons-en-Champagneainsi que par leBritanniqueJoseph Priestleydans leWiltshire,l'oxygène a été nommé ainsi en 1777 par leFrançaisAntoine Lavoisierdugrec ancienὀξύς/oxús(« aigu », c'est-à-dire ici « acide »), etγενής/genḗs(« générateur »), car Lavoisier pensait à tort que oxydation et acidification étaient reliées[7]:

« Nous avons donné à la base de la portion respirable de l'air le nom d'oxygène, en le dérivant de deux mots grecsὀξύς,acideetγείνομαι,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. »

Unemoléculedeformule chimiqueO2,appelée communément « oxygène » mais «dioxygène» par les chimistes, est constituée de deuxatomesd'oxygène reliés parliaison covalente:auxconditions normales de température et de pression,le dioxygène est ungaz,qui constitue 20,8 % du volume de l'atmosphère terrestreauniveau de la mer.

L'oxygène est unnon-métalqui 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'Universaprès l'hydrogèneet l'hélium,et le plus abondant des éléments de l'écorce terrestre;l'oxygène constitue ainsi surTerre[8]:

  • 86 % de la masse desocéans,sous la forme d'eau;
  • 46,4 % de la masse de l'écorce terrestre,en particulier sous forme d'oxydeset desilicates;
  • 23,1 % de la masse de l'air,sous forme dedioxygèneou d'ozone,soit 1,2 × 1015tonnes, 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 laphotosynthèseréalisée par lesvégétaux,lesalgueset lescyanobactéries,ces dernières étant apparues il y a peut-être2,8 milliardsd'années[9].LedioxygèneO2est toxique pour les organismesanaérobies,dont faisaient partie les premières formes de vie apparues sur Terre, mais est indispensable à larespirationdes organismesaérobies,qui constituent la grande majorité des espèces vivantes actuelles. Larespiration cellulaireest l'ensemble desvoies métaboliques,telles que lecycle de Krebset lachaîne respiratoire,alimentées par exemple par laglycolyseet laβ-oxydation,par lesquelles unecelluleproduit de l'énergie sous forme d'ATPet du pouvoir réducteur sous forme deNADH + H+et deFADH2.

En s'accumulant dans l'atmosphère terrestre,le dioxygène O2issu de la photosynthèse a formé unecouche d'ozoneà la base de lastratosphèresous l'effet durayonnement solaire.L'ozoneest unallotropede l'oxygène deformule chimiqueO3encore plusoxydantque le dioxygène — ce qui en fait unpolluantindésirable lorsqu'il est présent dans latroposphèreau niveau du sol — mais qui a la particularité d'absorber lesrayons ultravioletsduSoleilet donc de protéger labiosphèrede ce rayonnement nocif: la couche d'ozone a constitué le bouclier qui a permis aux premièresplantesterrestres de quitter les océans il y a près de475 millionsd'années.

La teneur en oxygène des océans chute significativement depuis plusieurs années. Cette désoxygénation de l’océan — due auréchauffement climatiqueet aux rejets d’engrais agricoles — affecte la biodiversité marine. Les océans ont perdu77 milliardsde 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 chimiquel'utilise pour la production d'acide acrylique[12],unmonomèretrès important. L'oxydationcatalytique hétérogèneest prometteuse pour la production d'acide benzoïque[13].C'est également une matière première prometteuse pour la synthèseélectrochimiqueduperoxyde d'hydrogène[14].L'oxydation par l'air joue un rôle très important dans la conversion des gaz dangereux (CO,méthane) en CO2moins nocif[15],[16].

Élément

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Isotopes et origine stellaire

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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 16se concentre dans la coquille « O », l'oxygène 17dans la coquille « H » et l'oxygène 18dans la coquille « He ».

L'oxygène possède dix-septisotopesdont lenombre de massevarie de 12 à 28. L'oxygène d'origine naturelle est composé de troisisotopes stables:l'oxygène 1616O, l'oxygène 1717O et l'oxygène 1818O. On attribue en outre à l'oxygène unemasse atomique standardde 15,999 4u[17].

La majorité de l'oxygène 16 estsynthétiséeà la fin du processus defusion de l'héliumau sein d'étoilesmassives mais une partie est aussi produite lors des réactions defusion du néon[18].L'oxygène 17est principalement issu de la fusion de l'hydrogène enhéliumau 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 18est produite quand l'azote 1414N rendu abondant par le cycle CNO capture un noyau d'hélium 44He. L'oxygène 18est donc couramment présent dans les zones riches en hélium desétoiles massives évoluées[18].

Quatorzeradioisotopesont été mis en évidence. Les plus stables sont l'oxygène 1515O ayant la plus longuedemi-vie(122,24s) et l'oxygène 1414O ayant une demi-vie de 70,606s[19].Tous les autres isotopes radioactifs ont des demi-vies inférieures à 27set la majorité d'entre eux a des demi-vies de moins de 83ms[19].L'oxygène 1212O a la durée de vie la plus courte (580 × 10−24s)[20].Le type dedécroissance radioactivele plus répandu chez les isotopes plus légers que l'oxygène 16est l'émission de positron[21],[22],[23]produisant de l'azote. Le type de décroissance le plus courant pour les isotopes plus lourds que l'oxygène 18est laradioactivité βdonnant naissance à dufluor[19].

Utilisation de l'oxygène 18

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Article détaillé:Oxygène 18.

L'oxygène 18 est un indicateurpaléoclimatiqueutilisé 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'aragoniteou de lacalcitede 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 CO2de 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].

Importance de la présence de l'oxygène

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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 1015tonnes)[28],[27],[a].La Terre, en présentant un taux si important d'oxygène gazeux dans son atmosphère, constitue une exception au sein des planètes dusystème solaire:l'oxygène des planètes voisinesMars(qui ne représente que 0,1 % du volume de son atmosphère) etVénusy 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 ledioxyde de carbone.

La concentration importante et inhabituelle de dioxygène sur Terre est le résultat descycles de l'oxygène.Cecycle biogéochimiquedécrit les mouvements de cet élément entre ses trois principaux réservoirs sur Terre: l'atmosphère, labiosphèreet lalithosphère.Le facteur principal de la réalisation de ces cycles est laphotosynthèsequi est le principal responsable de la teneur actuelle en dioxygène sur Terre[30].Le dioxygène est indispensable à toutécosystème:les êtres vivants photosynthétiques dégagent du dioxygène dans l'atmosphère alors que larespirationet ladécompositiondesanimauxet desplantesen 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 desmoléculesqui se retrouvent dans tout être vivant:acides aminés,sucres,etc.[32].

L'oxygène joue également un rôle important dans le milieu aquatique. L'augmentation de la solubilité du dioxygène 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 du dioxygène[33].Leseaux polluéescontenant des nutriments pour les plantes comme desnitratesou desphosphatespeuvent 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 biologique en oxygènede l'eau ou la quantité d'oxygène nécessaire pour revenir à une concentration normale d'O2[27].

Corps simples

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Allotropes

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Article détaillé:Formes allotropiques de l'oxygène.

L'allotropeordinaire de l'oxygène sur Terre est nommé «dioxygène», de formule chimique O2.Il présente unelongueur de liaisonde 121pmet uneénergie de liaisonde498kJ/mol[34].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[35].L'ozone est un gaz métastable produit dans les hautes couches de l'atmosphèrequand le dioxygène se combine à l'oxygène atomique provenant lui-même de la fragmentation du dioxygène par les rayonsultraviolets[36].Comme l'ozone absorbe fortement dans le domaine des ultraviolets duspectre électromagnétique,lacouche d'ozonecontribue à la filtration des ultraviolets qui frappent la Terre[36].Toutefois, près de la surface de la Terre, c'est unpolluantproduit par la décomposition lors de journées chaudes desoxydes d'azoteissus de la combustion descarburantsfossiles sous l'effet des rayons solaires ultraviolets[35],[37].Depuis les années 1970, la concentration d'ozonedans l'air au niveau du sol augmente du fait des activités humaines[38].

La moléculemétastablenommée «tétraoxygène» (O4) a été découverte en2001[39],[40]et était jusqu'alors supposée exister dans l'une des six phases de l'oxygène solide.Il est prouvé en2006que cette phase, obtenue en pressurisant du dioxygène à20GPaest en fait constituée d'unclusterrhomboédrique O8[41].Ce cluster est potentiellement uncomburantplus puissant que le dioxygène ou l'ozone et pourrait par conséquent être utilisé dans lespropergolspour fusées[39],[40].Une phase métallique, découverte en1990,apparaît lorsque l'oxygène solide est soumis à une pression supérieure à96GPaet il a été montré en1998qu'à des températures très basses, cette phase devenaitsupraconductrice[42].

Structure du dioxygène

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Modèle moléculaire compact du dioxygène.

Dans lesconditions normales de température et de pression,l'oxygène est sous forme de gaz inodore et incolore, ledioxygène,deformule chimiqueO2.Au sein de cette molécule, les deux atomes d'oxygène sontliés chimiquementl'un à l'autre dans unétat triplet.Cette liaison, ayant unordrede 2, est souvent représentée de manière simplifiée par uneliaison double[43]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 fondamentalde la molécule de dioxygène[44].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 dudiazotepour lequel toutes les orbitales atomiques liantes sont remplies mais plusieurs orbitales antiliantes ne le sont pas[45].

Dans son état triplet normal, la molécule de dioxygène estparamagnétique,c'est-à-dire qu'elle acquiert uneaimantationsous l'effet d'unchamp magnétique.Cela est dû aumoment magnétique de spindes électrons non appariés de la molécule ainsi qu'à l'interaction d'échangenégative entre les molécules voisines de O2[27].L'oxygène liquidepeut être attiré par unaimantsi 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[46],[c].

L'oxygène singuletest 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[47].Il est également produit dans latroposphèregrâce à la photolyse de l'ozone par des rayons lumineux de courte longueur d'onde[48]et par le système immunitaire comme une source d'oxygène actif[49].Lescaroténoïdesdes 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[50].

Propriétés physiques du dioxygène

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Articles connexes:Oxygène liquideetOxygène solide.
La déviation d'un filet d'oxygène liquide par un champ magnétique illustre sa propriété paramagnétique.

Le dioxygène est plussolubledans l'eau que ne l'est le diazote. L'eau en équilibre avec l'air contient approximativement une molécule de dioxygène dissous pour deux molécules dediazote,alors que dans l'atmosphère, le rapport est approximativement d'une molécule de dioxygène pour quatre de diazote. La solubilité du dioxygène dans l'eau dépend de la température: environ deux fois plus (14,6mg/L) en est dissous à0°Cqu'à20°C(7,6mg/L)[27],[51].À25°Cet à une pression d'air valant1atmosphère,l'eau douce contient environ6,04mLd'oxygène par litre alors que l'eau de meren contient environ 4,95mL/L[52].À5°C,la solubilité augmente à 9,0mL/Ld'eau douce soit 50 % de plus qu'à25°Cet à 7,2mL/Ld'eau de mer, soit 45 % de plus.

Le dioxygène secondenseà−182,95°Cet sesolidifieà−218,79°C[53].Les phases liquide et solide du dioxygène sont toutes deux transparentes avec une légère coloration rappelant lacouleur bleue du cielcausée par l'absorption dans le rouge[d].L'oxygène liquide de haute pureté est habituellement obtenu pardistillation fractionnéed'air liquide[54].L'oxygène liquide peut aussi être produit par condensation d'air en utilisant l'azote liquidecomme liquide de refroidissement. C'est une substance extrêmement réactive qui doit rester éloignée de matériaux combustibles[55].

Bien que l'oxygène 17 soit stable, le dioxygène, composé essentiellement d'oxygène 16, présente unesection efficacede capture des neutrons thermiques particulièrement basse:0,267 mb(en moyenne pondérée sur les trois isotopes stables), ce qui permet son usage dans lesréacteurs nucléairesen tant qu'oxyde dans le combustible, et dans l'eau en tant que réfrigérant etmodérateur.

Néanmoins, l'activation de l'oxygène par les neutrons du cœur provoque la formation d'azote 16émetteur d'uneradiation gammaspécialement énergétique (10,419MeV), mais dont la période n'est que de 7,13s,ce qui fait que ce rayonnement s'éteint rapidement après arrêt du réacteur.

Corps composés

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L'oxygène est trèsélectronégatif.Il forme facilement de nombreuxcomposés ioniquesavec les métaux (oxydes,hydroxydes). Il forme aussi des composés ionocovalents avec les non-métaux (exemples: ledioxyde de carbone,letrioxyde de soufre) et entre dans la composition de nombreuses classes de molécules organiques, par exemple, lesalcools(R-OH), lescarbonylésR-CHO ou R2CO et lesacides carboxyliques(R-COOH).

Énergie de dissociation des molécules diatomiques O-X à25°Cen kJ/mol ()[56]:

H
429,91 		He
Li
340,5 		Be
437 		B
809 		C
1 076,38 		N
631,62 		O
498,36 		F
220 		Ne
Na
270 		Mg
358,2 		Al
501,9 		Si
799,6 		P
589 		S
517,9 		Cl
267,47 		Ar
K
271,5 		Ca
383,3 		Sc
671,4 		Ti
666,5 		V
637 		Cr
461 		Mn
362 		Fe
407 		Co
397,4 		Ni
366 		Cu
287,4 		Zn
250 		Ga
374 		Ge
657,5 		As
484 		Se
429,7 		Br
237,6 		Kr
8
Rb
276 		Sr
426,3 		Y
714,1 		Zr
766,1 		Nb
726,5 		Mo
502 		Tc
548 		Ru
528 		Rh
405 		Pd
238,1 		Ag
221 		Cd
236 		In
346 		Sn
528 		Sb
434 		Te
377 		I
233,4 		Xe
36,4
Cs
293 		Ba
562 		*
 Lu
669 		Hf
801 		Ta
839 		W
720 		Re
627 		Os
575 		Ir
414 		Pt
418,6 		Au
223 		Hg
269 		Tl
213 		Pb
382,4 		Bi
337,2 		Po At Rn
Fr Ra **
 Lr
665 		Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
↓
*
 La
798 		Ce
790 		Pr
740 		Nd
703 		Pm Sm
573 		Eu
473 		Gd
715 		Tb
694 		Dy
615 		Ho
606 		Er
606 		Tm
514 		Yb
387,7
**
 Ac
794 		Th
877 		Pa
792 		U
755 		Np
731 		Pu
656,1 		Am
553 		Cm
732 		Bk
598 		Cf
498 		Es
460 		Fm
443 		Md
418 		No
268

Historique

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Premières expériences

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John Mayow est l'un des premiers à mener des recherches sur la respiration et l'air.

L'une des premières expériences connues concernant la relation entre lacombustionet l'air est menée parPhilon de Byzance,écrivain grec duIIesiècleav. J.-C.Dans son ouvrage intituléPneumatiques,Philon observe qu'en faisant brûler une bougie dans un récipient renversé dont l'ouverture est plongée dans l'eau, cela provoque une élévation de l'eau dans le col du récipient contenant la bougie[57].Philon émet une conjecture incorrecte, affirmant qu'une partie de l'air dans le récipient s'est transformée en l'un desquatre éléments,lefeu,qui a pu s'échapper du récipient à cause de la porosité du verre. De nombreux siècles plus tard,Léonard de Vincis'appuie sur le travail de Philon de Byzance et observe qu'une partie de l'air est consumée pendant la combustion et la respiration[28].

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 duXVIIesiècle,Robert Boyleprouve que l'air est nécessaire à la combustion. Le chimiste anglaisJohn Mayowaffine le travail de Boyle en montrant que la combustion a seulement besoin d'une partie de l'air qu'il nommespiritus nitroaereusou simplementnitroaereus[58].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[59].Dès lors, il conjecture que lenitroaereusest consommé aussi bien par la combustion que par la respiration.

Mayow observe que l'antimoineaugmente en masse lorsqu'il est chauffé et en déduit que lenitroaereusdoit y être associé[58].Il pense aussi que les poumons séparent lenitroaereusde l'air et le font passer dans le sang et que la chaleur animale et les mouvements musculaires résultent de la réaction dunitroaereusavec certaines substances du corps[58].Les comptes-rendus de ces expériences, d'autres expériences et des idées de Mayow sont publiées en 1668 dansTractatus duoextrait deDe respiratione[59].

Phlogistique

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Article détaillé:Phlogistique.
Stahl développa et popularisa la théorie du phlogistique.

Robert Hooke,Ole Borch,Mikhail LomonosovetPierre Bayenparviennent tous à produire de l'oxygène dans des expériences auxXVIIesiècle etXVIIIesiècle mais aucun d'entre eux ne le reconnaît commeélément chimique[27].Cela est probablement dû en partie à la théorie scientifique concernant la combustion et lacorrosionet nommée « phlogisitique » qui était alors l'explication la plus répandue pour expliquer ces phénomènes[60].

Établie en 1667 par le chimiste allemandJohann Joachim Becheret modifiée par le chimisteGeorg Ernst Stahlen 1731[61],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 derésiduscomme 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[62].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.

Découverte

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L'oxygène est découvert en premier par le chimiste suédoisCarl Wilhelm Scheele.Il produit du dioxygène en chauffant de l'oxyde de mercureet diversnitratesvers 1772[28].Scheele nomme ce gaz«Feuerluft»(air de feu)[63]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 feuqu'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 Priestleyà 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 Airinclus dans le second volume de son livre,Experiments and Observations on Different Kinds of Air[28],[64].

Le chimiste françaisAntoine Laurent Lavoisierdéclare 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 ledans 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].

Contribution de Lavoisier

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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[65].

Dans une expérience, Lavoisier observe qu'il n'y a généralement pas d'augmentation de masse quand l'étainet 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 »enoxygèneen 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[36].Des chimistes, notamment SirHumphry Davyen 1812, prouvent finalement que Lavoisier s'était trompé à cet égard (c'est en réalité l'hydrogènequi est à la base de la chimie des acides) mais le nom est resté.

XIXesiècle et après

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Lathéorie atomiquedeJohn Daltonsuppose 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 atomiquehuit fois supérieure à celle de l'hydrogène contrairement à la valeur actuelle qui vaut environ seize fois celle de l'hydrogène[66].En 1805,Joseph Louis Gay-LussacetAlexander von Humboldtmontrent que l'eau est formée de deux volumes d'hydrogène et d'un volume d'oxygène et en 1811Amedeo Avogadroparvient à interpréter correctement la composition de l'eau sur la base de ce qu'on appelle maintenant laloi d'Avogadroet l'hypothèse des molécules diatomiques élémentaires[67],[e].

En,Louis Paul Cailleteten France etRaoul Picteten Suisse réussissent à produire, par deux procédés différents et indépendamment l'un de l'autre, les premières gouttes d'oxygène liquide[68].

Notes et références

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Notes

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  1. ↑Les chiffres ci-contre sont valables pour des altitudes allant jusqu'à 80kmau-dessus de la surface terrestre.
  2. ↑L'orbitale est un concept issu de lamécanique quantiquequi modélise l'électron comme uneparticule ondulatoireayant une distribution spatiale autour d'un atome ou d'une molécule.
  3. ↑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)).
  4. ↑La couleur du ciel est due quant à elle à ladiffusion Rayleighde la lumière bleue.
  5. ↑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 chimiqueavec 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.

Références

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Voir aussi

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Sur les autres projets Wikimedia:

Bibliographie

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Articles connexes

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Liens externes

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