OXYGÈNE

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L'oxygène (symbole O, numéro atomique 8) peut être considéré comme un des éléments fondamentaux de la chimie et de la biochimie (avec l'azote, le carbone et l'hydrogène), tant en raison de son rôle capital dans la respiration et la nutrition du règne animal et du règne végétal qu'en raison de celui de ses composés (l'eau, les sucres, l'anhydride carbonique).

L'ensemble de la croûte terrestre, de l'hydrosphère et de l'atmosphère en contient environ 50 p. 100. La croûte terrestre en contient 46,4 p. 100, principalement sous forme d'oxydes et de silicates. La masse d'oxygène atmosphérique est estimée à 1,2 × 1015 tonnes pour une masse totale de 5 × 1015 tonnes. Au niveau de la mer, les analyses les plus précises (0,005 p. 100) de la composition de l'air fournissent comme concentrations moyennes en volume 20,94 p. 100 pour le dioxygène et 78,03 p. 100 pour le diazote et, en masse, respectivement 23,14 et 75,63 p. 100.

Ces concentrations sont à peu près constantes jusqu'à une altitude de 100 kilomètres en dépit de la différence de densité vis-à-vis du diazote, du fait du brassage permanent dû à la convection et à la turbulence. Au-delà, la concentration en dioxygène décroît au profit de l'ozone et de l'oxygène atomique, et même de celle des ions O+ et O+2. L'oxygène est également présent dans les végétaux sous forme de cellulose, d'amidon, d'inuline, et le corps humain en contient 62,84 p. 100.

La consommation de dioxygène atmosphérique est équilibrée par l'assimilation chlorophyllienne des végétaux qui, sous l'action de la lumière, rejettent le gaz et absorbent l'anhydride carbonique.

Bien que la présence d'un constituant privilégié dans l'air ait été entrevue dès le xviie siècle, la découverte de l'oxygène est communément attribuée à Joseph Priestley et Carl Wilhelm Scheele, qui l'obtinrent par décomposition thermique de l'oxyde de mercure et du nitrate de potassium (1771-1772). Lavoisier l'identifia comme un nouvel élément en démontrant qu'il se combinait à la majorité des corps et il vérifia son rôle dans la respiration et les combustions (1772-1775). Constatant sa présence en de nombreux acides, il proposa le terme oxygène, littéralement : propre à engendrer les acides, d'après les mots grecs oxus « aigre, acide » et genos, « origine ».

Caractéristiques physiques de l'oxygène

Isotopes, problème de la référence des masses atomiques

L'oxygène a été choisi, dès 1860, comme base de référence (O = 16) des masses atomiques ; on ignorait à l'époque l'existence des isotopes. Or l'oxygène atmosphérique est un mélange de trois isotopes, 16O, 17O et 18O, dont les concentrations moyennes sont respectivement égales à : 99,758 p. 100 ; 0,037 4 p. 100 et 0,203 9 p. 100.

Ces concentrations varient d'ailleurs suivant la provenance des échantillons (tabl. 1). L'isotope 18 peut être obtenu assez difficilement par distillation fractionnée ou par réactions d'échanges. Des mélanges contenant 97 p. 100 d'oxygène 18 et 60 p. 100 d'oxygène 17 peuvent être obtenus en conjuguant plusieurs méthodes.

Concentrations en isotope 18

Tableau : Concentrations en isotope 18

Concentrations en isotope 18 suivant les milieux (%). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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En dépit du fait que les êtres vivants consomment plus particulièrement de l'oxygène 16, la teneur en oxygène 16 de l'atmosphère est maintenue à peu près constante grâce à la production préférentielle d'oxygène 16 par l'assimilation chlorophyllienne.

La découverte des isotopes naturels de l'oxygène par William Francis Giauque et Herrick L. Johnston, en 1929, a eu pour conséquence de déplacer l'échelle des masses atomiques, basée arbitrairement sur l'oxygène naturel. Jusqu'en 1961, les deux échelles (O = 16,000 0 et 16O = 16,000 0) ont été utilisées ; à cette date, on a choisi comme base l'isotope 12 du carbone (12C = 12,000 00). Le tableau 2 donne, suivant les échelles, les masses atomiques de l'oxygène et de ses isotopes.

Masse atomique

Tableau : Masse atomique

Masse atomique de l'oxygène et des isotopes suivant le système de référence. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Outre ces isotopes, on a synthétisé douze isotopes radioactifs. Le tableau 3 donne les caractéristiques des trois isotopes radioactifs de l'oxygène dont la demi-vie est la plus longue.

Oxygène : isotopes radioactifs

Tableau : Oxygène : isotopes radioactifs

Isotopes radioactifs de l'oxygène. 

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Structure de la molécule d'oxygène

Si la configuration 1s2s2p4 est la plus stable qu [...]

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Concentrations en isotope 18

Concentrations en isotope 18
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Masse atomique

Masse atomique
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Oxygène : isotopes radioactifs

Oxygène : isotopes radioactifs
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Molécule : structure

Molécule : structure
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Écrit par :

  • : chef du service information et gestion, direction des centres de recherche et de développement de la société Air liquide
  • : médecin-colonel, anesthésiste-réanimateur, chargé de l'enseignement de la médecine d'urgence et de la médecine de catastrophe au service de santé des armées

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Pour citer l’article

Robert CREUSE, René NOTO, « OXYGÈNE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 21 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/oxygene/