Introduction
L'oxygène est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre et le troisième de l'univers. Il constitue environ 21% du volume de l'atmosphère terrestre et est un composant essentiel de l'eau (H2O), des minéraux et de toutes les formes de vie complexes. Sa découverte en tant qu'élément distinct est un pilier de la révolution chimique moderne.
Description
L'oxygène (O) est un non-métal du groupe des chalcogènes. Sous forme moléculaire (O2), c'est un gaz diatomique qui constitue l'air que nous respirons. Il existe aussi sous forme d'ozone (O3), une molécule triatomique qui forme une couche protectrice dans la stratosphère. L'oxygène est un oxydant puissant, soutenant la respiration cellulaire aérobie, où il sert d'accepteur final d'électrons dans la chaîne respiratoire, permettant la production efficace d'énergie (ATP). Il est également crucial pour les processus de combustion, où il se combine avec un combustible en dégageant de la chaleur et de la lumière. Dans l'industrie, l'oxygène est utilisé en sidérurgie, en médecine (oxygénothérapie), dans le traitement des eaux et comme comburant pour les fusées.
Histoire
La découverte de l'oxygène est attribuée à plusieurs scientifiques au cours des années 1770, dans un contexte dominé par la théorie erronée du phlogistique (principe inflammable censé être libéré lors de la combustion). Le pharmacien suédois Carl Wilhelm Scheele l'isola probablement le premier vers 1772 en chauffant des oxydes et des nitrates, qu'il appela « air du feu ». Cependant, ses travaux ne furent publiés qu'en 1777. De manière indépendante, le pasteur et chimiste anglais Joseph Priestley produisit de l'oxygène en 1774 en focalisant la lumière du soleil sur de l'oxyde de mercure (II). Il nota que ce « air déphlogistiqué » rendait une bougie plus brillante et permettait à une souris de vivre plus longtemps. C'est le chimiste français Antoine Lavoisier qui, après avoir répété les expériences de Priestley en 1775, comprit la véritable nature du gaz. Il le nomma « oxygène » (du grec 'oxus', acide, et 'gennan', engendrer, car il croyait à tort que c'était un constituant essentiel de tous les acides) et démontra son rôle dans la combustion et la respiration, invalidant définitivement la théorie du phlogistique et posant les bases de la chimie moderne.
Caracteristiques
L'oxygène possède plusieurs caractéristiques fondamentales. C'est un gaz paramagnétique (légèrement attiré par un aimant) à température ambiante. Sa masse atomique est de 15,999 u. Il se liquéfie à -183 °C (90,2 K) et se solidifie à -218,8 °C (54,4 K). Il est peu soluble dans l'eau, mais cette faible solubilité est vitale pour la vie aquatique. L'oxygène existe sous trois isotopes stables : l'oxygène-16 (99,76%), l'oxygène-17 (0,04%) et l'oxygène-18 (0,20%). Le rapport entre ces isotopes, notamment le O-18/O-16, est un paléothermomètre crucial en climatologie pour reconstituer les températures passées. L'élément est hautement réactif et forme des oxydes avec presque tous les autres éléments. Sa forme allotropique, l'ozone (O3), est un gaz bleu pâle, très réactif et toxique à basse altitude, mais bénéfique en haute altitude où il absorbe les rayons UV nocifs.
Importance
L'importance de l'oxygène est multidimensionnelle. Biologiquement, il est la clé de la respiration aérobie, un processus environ 15 fois plus efficace que la fermentation anaérobie pour produire de l'énergie, permettant ainsi l'évolution d'organismes complexes et de grande taille. La « Grande Oxydation », il y a environ 2,4 milliards d'années, causée par les cyanobactéries photosynthétiques, a transformé radicalement l'atmosphère et les océans de la Terre, entraînant une extinction massive d'organismes anaérobies mais ouvrant la voie à la vie aérobie. Sur le plan environnemental, le cycle de l'oxygène, intimement lié à la photosynthèse et à la respiration, est fondamental pour l'équilibre des écosystèmes. En médecine, l'oxygénothérapie sauve des vies dans les cas d'hypoxie, de détresse respiratoire ou lors d'anesthésies. Industriellement, il est indispensable pour la production d'acier (procédé Linz-Donawitz), le découpage au chalumeau, la fabrication de produits chimiques et comme comburant dans les propulseurs de fusées.
