Oxygène

Les premières expériences

L'une des premières expériences connues sur les besoins en air de la combustion a été réalisée par le Grec Philon de Byzance au IIe siècle avant J.-C. Il a écrit dans son ouvrage Pneumatica que le fait de retourner un récipient au-dessus d'une bougie allumée et de mettre de l'eau autour de ce récipient signifiait qu'un peu d'eau y entrait. Philon pensait que cela était dû au fait que l'air était transformé en élément de feu classique. C'était faux. Longtemps après, Léonard de Vinci a correctement compris que l'air était épuisé lors de la combustion, ce qui forçait l'eau à entrer dans le récipient.

À la fin du XVIIe siècle, Robert Boyle a découvert que l'air est nécessaire à la combustion. Le chimiste anglais John Mayow a ajouté à cela en montrant que le feu n'avait besoin que d'une partie de l'air. C'est ce que nous appelons aujourd'hui l'oxygène (sous forme de dioxygène). Lors d'une de ses expériences, il a découvert que le fait de mettre une bougie dans un récipient fermé faisait monter l'eau pour remplacer un quatorzième du volume d'air dans le récipient, avant de s'éteindre. La même chose s'est produite lorsqu'une souris a été mise dans la boîte. Il en a déduit que l'oxygène est utilisé pour la respiration et la combustion.

La théorie du phlogiste

Robert Hooke, Ole Borch, Mikhaïl Lomonosov et Pierre Bayen ont tous fabriqué de l'oxygène dans le cadre d'expériences menées aux 17e et 18e siècles. Aucun d'entre eux ne pensait que c'était un élément chimique. C'était probablement dû à l'idée de la théorie du phlogiston. C'est ce que la plupart des gens croyaient être à l'origine de la combustion et de la corrosion.

J. J. Becher l'a inventé en 1667, et Georg Ernst Stahl l'a complété en 1731. Selon la théorie du phlogiston, tous les matériaux combustibles sont constitués de deux parties. Une partie, appelée phlogiston, était dégagée lorsque la substance qui la contenait était brûlée.

On pensait que les matériaux très combustibles qui ne laissent qu'une petite quantité de résidus, comme le bois ou le charbon, étaient faits de phlogiston. Les objets qui se corrodent, comme le fer, ne contiennent qu'une petite quantité de phlogiston. L'air ne faisait pas partie de cette théorie.

Découverte

L'alchimiste, philosophe et médecin polonais Michael Sendivogius a parlé d'une substance présente dans l'air, qu'il a appelé "la nourriture de la vie", et cette substance est l'oxygène. Sendivogius a découvert, entre les années 1598 et 1604, que cette substance est la même que celle qui est fabriquée lors de la décomposition thermique du nitrate de potassium. Certaines personnes pensent qu'il s'agit de la découverte de l'oxygène, tandis que d'autres ne sont pas d'accord.

On dit aussi souvent que l'oxygène a été découvert pour la première fois par le pharmacien suédois Carl Wilhelm Scheele. Il a fabriqué de l'oxygène en chauffant de l'oxyde mercurique et quelques nitrates en 1771. Scheele appelait le gaz qu'il fabriquait "air de combustion", car c'était le seul gaz connu qui permettait la combustion. Il a publié sa découverte en 1777.

Le 1er août 1774, une expérience menée par le pasteur britannique Joseph Priestley a permis de concentrer la lumière du soleil sur l'oxyde mercurique dans un tube de verre. Cela a produit un gaz qu'il a appelé "air déphosphoré". Il a également découvert que les bougies brûlaient plus fort dans ce gaz et que les souris vivaient plus longtemps en le respirant. Lorsqu'il a respiré le gaz, il a dit (simplifié) "C'était comme de l'air normal, mais mes poumons se sentaient plus légers et plus faciles par la suite". Ses découvertes ont été publiées en 1775. Comme ses découvertes ont été publiées en premier, on dit généralement qu'il est le découvreur de l'oxygène.

Le chimiste français Antoine Lavoisier a déclaré plus tard qu'il avait également découvert la substance. Un prêtre lui a rendu visite en 1774 et lui a parlé de son expérience. Cette année-là, Scheele a également envoyé une lettre à Lavoisier pour lui parler de sa découverte.

La contribution de Lavoisier

Lavoisier a réalisé les premières grandes expériences sur l'oxydation et a donné la première bonne explication sur le fonctionnement de la combustion. Il a utilisé ces expériences et d'autres pour prouver que la théorie du phlogiston était fausse. Il a également essayé de prouver que la substance découverte par Priestley et Scheele était un élément chimique.

Lors d'une expérience, Lavoisier a constaté qu'il n'y avait pas d'augmentation de masse lorsque l'étain et l'air étaient chauffés dans un récipient fermé. Il a également découvert que l'air s'engouffrait dans le récipient lorsqu'il était ouvert. Après cela, il a constaté que la masse de l'étain avait augmenté dans la même proportion que celle de l'air qui s'y était engouffré. Il a publié ses conclusions en 1777. Il a écrit que l'air était composé de deux gaz. L'un qu'il appelait "air vital" (oxygène), nécessaire à la combustion et à la respiration. L'autre qu'il a appelé "azote" (nitrogen), qui signifie "sans vie" en langue grecque. C'est encore le nom de l'azote dans certaines langues, dont le français.

Lavoisier a rebaptisé "air vital" en "oxygène", signifiant "producteur d'acides" en grec. Il l'a appelé ainsi parce qu'il pensait que l'oxygène était présent dans tous les acides, ce qui était faux. De nombreux chimistes ont réalisé que Lavoisier s'était trompé dans son appellation, mais le nom était alors trop courant pour être changé.

"Oxygène" est devenu le nom en langue anglaise, même si les scientifiques anglais étaient contre.

Histoire ultérieure

La théorie des atomes de John Dalton disait que tous les éléments avaient un atome et que les atomes des composés étaient généralement seuls. Par exemple, il pensait à tort que l'eau (_H2O) avait la formule de HO seulement. En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt ont montré que l'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. En 1811, Amedeo Avogadro a correctement déterminé de quoi était faite l'eau en se basant sur la loi d'Avogadro.

À la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont découvert que l'air pouvait être transformé en liquide et que les composés qu'il contient pouvaient être isolés en le comprimant et en le refroidissant. Le chimiste et physicien suisse Raoul Pictet a découvert l'oxygène liquide en évaporant du dioxyde de soufre pour transformer le dioxyde de carbone en liquide. Ce dernier était ensuite également évaporé pour refroidir l'oxygène gazeux afin de le transformer en liquide. Le 22 décembre 1877, il a envoyé un télégramme à l'Académie des sciences française pour lui faire part de sa découverte.

Propriétés et structure moléculaire

À température et pression normales, l'oxygène n'a ni couleur, ni odeur, ni goût et est un gaz dont la formule chimique est O
₂ appelé dioxygène.

Sous forme de dioxygène, deux atomes d'oxygène sont chimiquement liés l'un à l'autre. Cette liaison peut être appelée de nombreuses choses, mais simplement une double liaison covalente. Le dioxygène est très réactif et peut réagir avec de nombreux autres éléments. Les oxydes sont produits lorsque des éléments métalliques réagissent avec le dioxygène, comme l'oxyde de fer, connu sous le nom de rouille. Il y a beaucoup de composés d'oxyde sur Terre.

Allotropes

L'allotrope (type) d'oxygène le plus courant sur Terre est appelé dioxygène (O2). C'est la deuxième plus grande partie de l'atmosphère terrestre, après le dinitrogène (N2). L'O2 a une longueur de liaison de 121 pm et une énergie de liaison de 498 kJ/mol. En raison de son énergie, l'O2 est utilisé par la vie complexe comme les animaux.

L'ozone (O3) est très réactif et endommage les poumons lorsqu'il est inhalé. L'ozone est produit dans la haute atmosphère lorsque l'O2 se combine avec l'oxygène pur produit lorsque l'O2 est séparé par le rayonnement ultraviolet. L'ozone absorbe beaucoup de rayonnement dans la partie UV du spectre électromagnétique et la couche d'ozone de la haute atmosphère protège donc la Terre des radiations.

Le tétraoxygène (O4) a été découvert en 2001. Il n'existe que dans des conditions extrêmes où une forte pression est exercée sur l'O2.

Propriétés physiques

L'oxygène se dissout plus facilement de l'air dans l'eau que l'azote. Lorsqu'il y a la même quantité d'air et d'eau, il y a une molécule d'O2 pour deux molécules de N2 (un rapport de 1:2). C'est différent pour l'air, où il y a un rapport de 1:4 entre l'oxygène et l'azote. Il est également plus facile pour l'O2 de se dissoudre dans l'eau douce que dans l'eau de mer. L'oxygène se condense à 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) et gèle à 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). L'O2 liquide et solide est transparent et de couleur bleu clair.

L'oxygène est très réactif et doit être tenu à l'écart de tout ce qui peut brûler.

Isotopes

Il existe trois isotopes stables de l'oxygène dans la nature. Ils sont ^16O, ^17O et ^18O. Environ 99,7% de l'oxygène est l'isotope ^16O.

Occurrence

L'oxygène est l'élément le plus courant en masse sur Terre. C'est le troisième élément le plus courant dans l'univers, après l'hydrogène et l'hélium. Environ 0,9 % de la masse du Soleil est constituée d'oxygène. L'oxygène représente 49,2 % de la masse de la croûte terrestre sous forme de composés d'oxyde comme le dioxyde de silicium. Il constitue également la majeure partie des océans de la Terre, avec 88,8 % de la masse. L'oxygène gazeux est la deuxième partie la plus commune de l'atmosphère, représentant 20,8 % de sa masse et 23,1 % de son volume. La Terre est étrange par rapport aux autres planètes connues, car une grande partie de son atmosphère est composée d'oxygène. Mars a 0,1% d'O2 en volume, le reste des planètes du système solaire en ayant moins.

La quantité élevée d'oxygène gazeux sur Terre est due au cycle de l'oxygène. Celui-ci est principalement contrôlé par la photosynthèse, qui produit de l'oxygène gazeux à partir du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'énergie du Soleil. La respiration retire ensuite le gaz oxygène de l'atmosphère et le transforme en dioxyde de carbone et en eau. Cela se produit au même rythme, de sorte que la quantité d'oxygène gazeux et de dioxyde de carbone ne change pas à cause de cela.

Médical

L'O2 est une partie très importante de la respiration. C'est pour cette raison qu'il est utilisé en médecine. Il est utilisé pour augmenter la quantité d'oxygène dans le sang d'une personne afin qu'elle puisse mieux respirer. Cela peut leur permettre de se rétablir plus rapidement s'ils sont malades. L'oxygénothérapie est utilisée pour traiter l'emphysème, la pneumonie, certains problèmes cardiaques et toute maladie qui rend l'absorption d'oxygène plus difficile.

Soins de santé

L'O2 à basse pression est utilisé dans les combinaisons spatiales, qui entourent le corps avec le gaz. On utilise de l'oxygène pur, mais à une pression beaucoup plus basse. Si la pression était plus élevée, il serait toxique.

Selon la norme NFPA 704, l'oxygène gazeux comprimé n'est pas dangereux pour la santé et n'est pas inflammable.

Toxicité

À haute pression, l'oxygène gazeux (O2) peut être dangereux pour les animaux, y compris les humains. Il peut provoquer des convulsions et d'autres problèmes de santé. La toxicité de l'oxygène commence généralement à se manifester à des pressions supérieures à 50 kilopascals (kPa), ce qui correspond à environ 50 % de l'oxygène de l'air à la pression standard (l'air sur Terre contient environ 20 % d'oxygène).

Les prématurés étaient autrefois placés dans des boîtes contenant de l'air avec une forte teneur en O2. Cela a cessé lorsque certains bébés sont devenus aveugles à cause de l'oxygène.

Respirer de l'O2 pur dans les combinaisons spatiales ne cause aucun dommage car une pression plus basse est utilisée.

Combustion et autres dangers

Des quantités concentrées d'O2 pur peuvent provoquer un incendie rapide. Lorsque l'oxygène concentré et les combustibles sont rapprochés, une légère inflammation peut provoquer un énorme incendie. L'équipage d'Apollo 1 a tous été tué par un incendie à cause de l'oxygène concentré utilisé dans l'air de la capsule.

Si l'oxygène liquide est déversé sur des composés organiques, comme le bois, il peut exploser.