L’oxygène, élément atomique n°8 de symbole O : ses caractéristiques, ses isotopes, ses corps simples, ses corps composés et son histoire.

Les principales caractéristiques à connaître sur l’oxygène

L’oxygène fait partie des éléments essentiels à la vie sur Terre. Il est présent sur cette dernière, combiné à d’autres substances, sous forme d’oxydes minéraux ou dans des fonctions chimiques des composés organiques. Il s’agit d’un constituant de l’air et on le retrouve dans l’eau, associé à l’hydrogène et aux composés biologiques. Malgré ses propriétés remarquablement avantageuses, cet élément est également responsable du vieillissement. Il y a beaucoup de choses à savoir à son sujet. C’est pourquoi, afin de satisfaire la curiosité de chacun, le présent article en détaille toutes ses facettes.

L’élément chimique en question porte le numéro atomique « 8 ». Son symbole est « O ». Il s’agit de l’élément principal du groupe des chalcogènes. Ce dernier est d’ailleurs connu sous l’appellation « groupe de l’oxygène ».

Plusieurs scientifiques ont contribué à la découverte de cet élément. Officiellement, le Suédois Carl Wilhelm Scheele est le premier à avoir découvert l’oxygène en 1772. En 1774, Pierre Bayen a par ailleurs fait la découverte de l’élément. C’est en 1777 que le Français Antoine Lavoisier nomme la trouvaille « oxygène ».

La molécule de formule chimique O₂ est principalement connue sous le nom d’« oxygène ». Toutefois, les scientifiques l’appellent plutôt « dioxygène ». En effet, l’élément se compose de deux atomes d’O reliés par une liaison covalente. Dans les conditions normales de température et de pression, le dioxygène est un gaz constituant 20,8 % du volume de l’atmosphère terrestre. Cela s’applique au niveau de la mer. Il ne faut donc pas confondre l’oxygène et le dioxygène. Dans le langage courant, on a tendance à dire qu’on respire le premier, alors qu’en réalité, il s’agit du dioxygène.

Dans l’industrie, cet élément possède une importance capitale en tant qu’oxydant. Dans les centrales électriques, il sert de combustible et est brûlé avec de l’air ou avec de l’oxygène pur. L’oxycraquage de fractions pétrolières lourdes produit des composés précieux. En l’occurrence, l’industrie chimique utilise l’oxygène pour produire de l’acide acrylique. Ce dernier est un monomère très important. L’oxydation catalytique hétérogène est profitable grâce à la production d’acide benzoïque. Cet élément est de plus une matière première prometteuse pour la synthèse électrochimique du peroxyde d’hydrogène. Par ailleurs, l’oxydation par l’air permet une conversion des gaz dangereux tels que le CO ou le méthane en CO₂ moins nuisible.

Dans l’industrie, cet élément possède une importance capitale en tant qu’oxydant. Dans les centrales électriques, il sert de combustible et est brûlé avec de l’air ou avec de l’oxygène pur. L’oxycraquage de fractions pétrolières lourdes produit des composés précieux. En l’occurrence, l’industrie chimique utilise l’oxygène pour produire de l’acide acrylique. Ce dernier est un monomère très important. L’oxydation catalytique hétérogène est profitable grâce à la production d’acide benzoïque. Cet élément est de plus une matière première prometteuse pour la synthèse électrochimique du peroxyde d’hydrogène. Par ailleurs, l’oxydation par l’air permet une conversion des gaz dangereux tels que le CO ou le méthane en CO₂ moins nuisible.

Les corps simples

Plusieurs éléments sont à considérer ici. Il s’agit des allotropes, de la structure et des propriétés physiques de l’élément.

Les allotropes de l’élément

Le dioxygène (O₂) est l’allotrope ordinaire de l’oxygène sur la planète. On lui attribue une longueur de liaison équivalente à 121 pm et son énergie de liaison est de 498 kJ/mol. Cette forme constitue la majeure partie de l’atmosphère terrestre. Elle sert aux formes de vie les plus complexes telles que les animaux dans la respiration cellulaire. 

Le trioxygène (O₃), aussi connu sous l’appellation « ozone », est un allotrope très réactif de l’O. Il n’est pas bon pour le tissu pulmonaire. Ce gaz métastable se forme dans les hautes couches de l’atmosphère. Il s’agit du produit de la combinaison du dioxygène à l’oxygène atomique. Ce dernier provient de la fragmentation du premier par les rayons ultraviolets. L’O₃ absorbe considérablement en termes d’ultraviolets du spectre électromagnétique. À cet effet, la couche d’ozone sert de filtre contre les ultraviolets qui frappent la Terre. En revanche, une fois à proximité de la surface de la planète, cet allotrope de l’oxygène constitue un polluant. On l’obtient par la décomposition durant les journées chaudes des oxydes d’azote issus de la combustion des carburants fossiles. Cela se fait sous l’effet des rayons solaires ultraviolets. Depuis les années 70, les activités humaines font augmenter la concentration d’ozone dans l’air et au niveau du sol. Les scientifiques ont découvert une molécule métastable du nom de « tétraoxygène » (O₄) en 2001. Ils supposent que celle-ci existe dans l’une des six phases de l’oxygène solide. En 2006, les chercheurs ont prouvé qu’en pressurisant du dioxygène à 20 GPa constitué d’un cluster rhomboédrique O₈, on aboutit à cette phase. Il s’agit d’un comburant potentiellement plus puissant que le dioxygène. Ainsi, il est possible de l’utiliser dans les propergols pour fusées. On a découvert la phase métallique en 1990. En l’occurrence, elle arrive lorsque l’oxygène solide est soumis à une pression supérieure à 96 GPa. On a également pu montrer en 1998 qu’une fois exposée à des températures très basses, la phase devient supraconductrice.

La structure du dioxygène

Dans les conditions normales de température et de pression, cet élément se présente sous forme de gaz inodore et incolore en tant qu’O₂. Cette molécule se compose de deux atomes d’oxygène liés chimiquement l’un à l’autre dans un état triplet. On représente la liaison, d’un ordre de deux, de manière simplifiée par une liaison double et de deux liaisons à trois électrons.

L’état triplet représente l’état fondamental de la molécule de dioxygène. La configuration électronique de la molécule comprend deux électrons non appariés qui occupent deux orbitales moléculaires dégénérées. Considérées comme « antiliantes », ces orbitales font baisser l’ordre de liaison de trois à deux. La liaison du dioxygène est plus faible que celle du diazote (triple liaison). On considère toutes les orbitales atomiques liantes de ce dernier remplies. En revanche, plusieurs orbitales antiliantes ne le sont pas.

La molécule de dioxygène est paramagnétique lorsqu’elle est dans son état triplet normal. En d’autres termes, elle acquiert une aimantation une fois exposée à un champ magnétique. Cela s’explique par le moment magnétique de spin des électrons non appariés de la molécule. La cause en est également l’interaction d’échange négative entre les molécules voisines d’O₂. Il est possible d’attirer l’oxygène par un aimant. Ainsi, des chercheurs ont mené des expériences en laboratoire. Cela a montré que l’on peut maintenir l’élément en équilibre contre son propre poids lorsqu’on le place entre deux pôles d’un aimant puissant.

L’O singulet concerne plusieurs espèces excitées de la molécule d’O₂ dans laquelle tous les spins sont appariés. On l’obtient à partir de l’eau pendant la photosynthèse grâce à l’énergie des rayons solaires. Il peut de plus se former dans la troposphère avec photolyse de l’ozone par des rayons lumineux de courte longueur d’onde. Il est aussi issu du système immunitaire comme une source d’O actif. Les caroténoïdes des organismes photosynthétiques sont des facteurs principaux de l’absorption d’énergie à partir de l’oxygène singulet. Ils jouent également un rôle crucial dans la conversion de celui-ci vers son état fondamental désexcité avant qu’il n’affecte négativement les tissus.

Les propriétés physiques du dioxygène

Le dioxygène est plus soluble dans l’eau par rapport au diazote. L’eau, en équilibre avec l’air, contient environ une molécule d’O₂ dissous pour deux molécules de N₂. En revanche, dans l’atmosphère, le rapport est d’une molécule d’O₂ pour quatre de N₂. La solubilité du dioxygène dans l’eau dépend de la température de celle-ci. Ainsi, on peut en dissoudre à peu près deux fois plus (14,6 mg/l) à 0 °C qu’à 20 °C (7,6 mg/l).

À 25 °C et avec une pression de l’air valant une atmosphère, l’eau douce contient presque 6,04 ml d’oxygène par litre. L’eau de mer, elle, en contient approximativement 4,95 ml/l. À 5 °C, la solubilité atteint les 9,0 ml/l d’eau douce, soit 50 % de plus qu’à 25 °C. Pour l’eau de mer, on compte 7,2 ml/l, soit 45 % de plus.

Arrivé à une température de 182,95 °C, le dioxygène se condense. Pour se solidifier, il doit atteindre une température de -218,79 °C. L’O₂ reste généralement transparent, mais prend une légère couleur bleu ciel dans sa phase liquide et solide. Cette coloration s’explique par l’absorption du rouge.

Il est possible d’obtenir de l’oxygène liquide pur par la distillation fractionnée d’air liquide. On peut également l’obtenir par condensation d’air en utilisant l’azote liquide en guise de liquide de refroidissement. Attention, il faut préciser que la substance est extrêmement réactive. Il est donc préférable de l’éloigner le plus possible des matériaux combustibles.

Le ¹⁷O est stable, mais le dioxygène, généralement constitué de ¹⁶O, dispose d’une section efficace de capture des neutrons thermiques relativement basse. Il s’agit d’une moyenne pondérée sur les trois isotopes stables. Voilà pourquoi on l’utilise souvent dans les réacteurs nucléaires ou en tant qu’oxyde dans le combustible. On s’en sert de même dans l’eau en guise de réfrigérant et de modérateur.

L’activation de l’oxygène par les neutrons du cœur produit de l’azote 16. Celui-ci émet une radiation gamma spécialement énergétique (10 419 MeV). Sa période se limite à 7,13 s. Son rayonnement s’éteint donc rapidement suite à l’arrêt du réacteur.

Les corps composés

Cet élément chimique est très électronégatif. Il forme aisément plusieurs composés ioniques avec des métaux tels que des oxydes et des hydroxydes. L’oxygène peut aussi former des composés ionocovalents tels que le dioxyde de carbone, le trioxyde de soufre. Il entre également dans la composition de nombreuses classes de molécules organiques. Cela concerne notamment les alcools (R-OH), les carbonylés (R-CHO ou R₂CO) et les acides carboxyliques (R-COOH).

L’histoire de l’oxygène

Plusieurs personnes ont contribué à la découverte de cet élément. Ces chercheurs ont mené de nombreuses expériences avant d’y parvenir. Voici quelques détails.

Les premières expériences menées sur l’oxygène

Ces expériences constituent des bases qui ont permis plus tard d’identifier l’oxygène. À cet effet, John Mayow figure parmi les premiers à étudier la respiration et l’air. Cependant, Philon de Byzance est celui qui a mené les premières expériences connues sur la relation entre l’air et la combustion. Il s’agit d’un écrivain grec du II^e siècle av. J.-C. Dans son ouvrage intitulé « Pneumatiques », il raconte une expérience qu’il a menée. Il s’agit du phénomène qui se produit lorsque l’on fait brûler une bougie dans un récipient inversé dont l’ouverture est immergée dans l’eau. Philon constate alors une élévation de l’eau dans le col du récipient contenant la bougie. Il aboutit alors à une conclusion qui s’avère être incorrecte. En l’occurrence, une partie de l’air dans le récipient s’est transformée en l’un des quatre éléments qui est le feu. Il présume que celui-ci a pu s’échapper à cause de la porosité du verre. Ce n’est qu’après plusieurs siècles que Léonard de Vinci, sur la base du travail de Philon, arrive à une autre conclusion. Il observe notamment qu’une partie de l’air est consumée durant la combustion et la respiration. L’expérience de la bougie est une des premières à prouver l’existence du dioxygène.

Vers la fin du XVII^e siècle, Robert Boyle démontre que l’air est nécessaire à la combustion. Le chimiste anglais John Mayow s’inspire du travail de Boyle et arrive à une conclusion. Ainsi, la combustion n’a besoin que d’une partie de l’air. Il nomme cette dernière « spiritus nitro aereus » ou simplement « nitro aereus ». Dans une expérience, il place une souris ou une bougie allumée dans un récipient fermé, l’ouverture étant plongée dans l’eau. Le niveau de l’eau augmente dans le récipient et remplace un quatorzième du volume de l’air avant le décès de l’animal. Il suppose donc que la combustion qui se produit par la respiration consomment le nitro aereus.

Mayow constate que l’antimoine augmente grandement une fois chauffé. Il en conclut que nitro aereus doit y être associé. Selon lui, les poumons séparent le nitro aereus de l’air et le font passer dans le sang. Il pense aussi que la chaleur animale, les mouvements musculaires sont issus de la réaction du nitro aereus avec certaines substances du corps. « Tractatus duo », extrait de « De respiratione » est rendu public en 1668. Il relate les comptes-rendus de ces expériences avec d’autres et diverses idées de Mayow.

Le phlogistique

Stahl est celui qui développe et popularise la théorie du phlogistique. Robert Hooke, Ole Borch, Mikhaïl Lomonosov et Pierre Bayen ont réussi à produire de l’oxygène par des expériences réalisées au XVII^e et au XVIII^e siècle. Cependant, aucun d’entre eux ne le reconnaît comme un élément chimique. La raison est en partie la théorie scientifique de la combustion et la corrosion du nom de « phlogistique ». Il s’agit de l’explication la plus répandue pour expliquer ces phénomènes.

La théorie phlogistique est établie en 1667 par le chimiste allemand Johann Joachim Becher. Le chimiste Georg Ernst Stahl l’a ensuite modifiée en 1731. Elle affirme notamment que les matériaux combustibles se composent de deux parties. D’un côté, on a le « phlogiston » qui s’échappe lorsque la substance qui le contient brûle. De l’autre, on a la partie déphlogistiquée qui est la vraie forme de la substance.

Les matériaux hautement combustibles qui laissent très peu de résidus tels que le bois ou le charbon contiennent majoritairement du phlogiston. En revanche, les substances non combustibles qui se corrodent comme le métal en disposent très peu.

Il faut noter que la théorie du phlogistique ne s’appuie aucunement sur le rôle de l’air. Les idées se basent notamment sur l’observation des objets lorsqu’ils brûlent. La majorité apparaît plus légère et semble avoir perdu quelque chose durant la combustion. Pour justifier l’augmentation de la masse de certains matériaux en brûlant, Stahl affirme que le phlogiston a une masse négative. C’est le cas du bois. Par ailleurs, les métaux voient aussi leur masse augmenter en rouillant alors qu’ils sont supposés perdre du phlogiston. Cela constitue un des premiers indices appuyant la théorie du phlogistique.

La découverte de l’élément

Michał Sędziwój, un alchimiste et médecin polonais (1566 – 1636), fait partie de ceux qui ont découvert cet élément. Il a notamment réussi à obtenir de l’oxygène en chauffant du salpêtre (composé de nitrate de potassium). Il constata que le gaz permettait la respiration et le nomma « élixir de vie ». La réaction chimique qui a permis cette découverte est la suivante : ²KNO₃ → O₂ + ²KNO₃

Officiellement, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele est le premier à avoir identifié cet élément. Il s’agit du produit de l’O² en chauffant de l’oxyde de mercure et des nitrates en 1772. Le scientifique appela la découverte « Feuerluft » qui veut dire « air de feu ». La raison à cela est qu’il s’agit du seul comburant connu à l’époque. Carl a alors écrit un compte rendu de son exploit dans un manuscrit qu’il intitule « Traité chimique de l’air et du feu ». Il l’a envoyé à son éditeur en 1775, mais le livre n’a fait l’objet d’une publication qu’en 1777.

Le pasteur britannique Joseph Priestley est également un de ceux qui ont découvert l’oxygène. Il a notamment trouvé l’élément par le biais d’une expérience réalisée le 1er août 1774. Celle-ci consiste à converger les rayons du Soleil vers un tube en verre contenant de l’oxyde de mercure (HgO). Le résultat issu de cette expérience est la libération d’un gaz que le pasteur nomme « air déphlogistiqué ». Il constate par ailleurs que la flamme des bougies est plus brillante une fois exposée à ce gaz. De plus, les souris sont plus actives et vivent plus longtemps en le respirant. Il a aussi respiré le gaz et affirme que sa sensation dans ses poumons n’est presque pas différente de celle de l’air ordinaire. Il dit également que sa respiration est légère et facile avec l’oxygène. Plus tard, vers 1775, il publie ses découvertes dans un article intitulé « An Account of Further Discoveries in Air ». Celui-ci se trouve notamment dans le second volume de son livre intitulé « Experiments and Observations on Different Kinds of Air ».

Mis à part Priestley, le chimiste français Antoine Laurent Lavoisier a aussi découvert cette nouvelle substance. En rendant visite à ce dernier, Priestley lui parle de son expérience et de la manière dont il a réussi à libérer le gaz en question. Scheele envoie aussi une lettre à Lavoisier le 30 septembre 1774 qui décrit sa propre découverte, encore inconnue à l’époque. Cependant, Lavoisier déclare ne jamais l’avoir reçu. On a quand même pu trouver une copie de la lettre dans les affaires de Scheele après sa mort.

La contribution de Lavoisier

Même si beaucoup l’ont contesté à l’époque, la contribution de Lavoisier dans la découverte de l’oxygène est certaine. En effet, il a réalisé les premières expériences quantitatives satisfaisantes sur l’oxydation. Il a également donné la première explication correcte sur le processus de combustion.

Ses expériences ont commencé en 1774. Elles ont discrédité la théorie du phlogistique. Elles ont aussi permis de prouver que la découverte de Priestley et de Scheele constitue bel et bien un élément chimique.

Lavoisier a de même mené une expérience. Cela a permis de constater qu’aucune augmentation de masse ne se produit lorsque l’étain et l’air sont chauffés dans une enceinte fermée. Il observe que l’air ambiant s’engouffre dans l’enceinte lorsqu’il l’ouvre. Cela affirme que le processus fait consommer une partie de l’air emprisonné. Il a aussi pu voir que la masse de l’étain s’est multipliée. Cette augmentation représente la même masse d’air qui s’est engouffrée dans l’enceinte lors de son ouverture.

Il réalise d’autres expériences qu’il relate en détail dans son livre intitulé « Sur la combustion en général », publié en 1777. Dans cet ouvrage, l’auteur démontre que l’air est un mélange de deux gaz. Il s’agit tout d’abord de l’« air vital » qui est indispensable à la respiration et la combustion. On a également l’azote (du grec ἄζωτον signifiant « privé de vie ») qui leur est inutile.

Lavoisier renomme l’« air vital » en oxygène en 1777. Premièrement, cela est issu de la racine grecque ὀξύς (oxys) (signifiant acide ou littéralement « âpre ») sur la base du goût des acides. Deuxièmement, on a le mot -γενής (-genēs) (qui veut dire producteur ou littéralement « qui engendre »). En effet, le chimiste croyait à tort que l’élément est un constituant de tous les acides. En 1812, sir Humphry Davy prouve que Lavoisier s’est trompé concernant cela. L’hydrogène est en fait l’élément à la base de la chimie des acides. Cependant, l’oxygène a gardé son nom.

L’oxygène au XIXe siècle et après

Selon la théorie atomique de John Dalton, on suppose que tous les éléments sont monoatomiques. On croit également que les atomes dans les corps composés sont dans des rapports simples.

En l’occurrence, Dalton suppose que la formule chimique de l’eau est HO. Cela donne à l’oxygène une masse atomique huit fois supérieure à celle de l’hydrogène. En revanche, la valeur actuelle est environ 16 fois supérieure à cette dernière.

En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt ont affirmé que l’eau se compose de deux volumes d’hydrogène. Amedeo Avogadro est de même celui qui a pu interpréter correctement la composition de l’eau. Cela s’est fait grâce à la « loi d’Avogadro » et à l’hypothèse des molécules diatomiques élémentaires.

Vers décembre 1877, Louis Paul Cailletet en France et Raoul Pictet en Suisse produisent par des procédés différents les premières gouttes d’oxygène. Les deux chercheurs ont réalisé les expériences de manière indépendante.