Oxygène

Oxygène

O (Z = 8)

 dossier rédigé par Michel Verdaguer

Un élément répandu et paradoxal

L'oxygène est un élément aux propriétés chimiques paradoxales. Très électronégatif, il forme des composés avec la plupart des éléments avec des réactions souvent très exothermiques. Cependant le dioxygène gazeux (la molécule O2) ne réagit que très lentement sauf si la réaction est activée. Produit il y a 3,5 milliards d'années par des cyanobactéries photosynthétiques d'abord rudimentaires comme sous produit toxique dans un monde anaérobie, il est devenu, très lentement (3,5 milliards d'années ...) mais sûrement, indispensable à l'évolution de la Terre, au développement de la vie et à la mort ...

 

Structure électronique, configuration de l'état fondamental.

La configuration électronique de l'état fondamental est (1s)2(2s)2(2p)4. C'est un triplet de spin, terme : 3P2.

 

Place dans la classification périodique

L'oxygène appartient au bloc des éléments p, colonne 16 (np2, np4) et à la 2ème période. La quatrième colonne du bloc p s'appelle la famille de l'oxygène ou la famille des chalcogènes.

 

Abondance dans la nature

L'oxygène constitue 21% de l'atmosphère, 89% de l'eau et des océans, 43% (en masse) et élément le plus abondant de la croute terrestre (60% en atomes) ... C'est le troisième élément le plus abondant dans l'univers après l'hydrogène et l'hélium.

 

Principaux composés

Ce sont le dioxygène O2 et son allotrope, l'ozone O3, l'eau H2O, le peroxyde d'hydrogène ou eau oxygénée H2O2 et les peroxydes, le dioxyde de carbone CO2, les dérivés des carbonates, silicates, nitrates, phosphates, sulfates etc. et les oxydes métalliques, de stœchiométries très variables et de propriétés extrêmement variées et étendues : de basique à acide, (supra)conducteurs, ferroélectriques, magnétiques ... La non stœchiométrie en oxygène est souvent cruciale pour les propriétés (supraconducteurs à haute température ...).

L'eau sera envisagée dans le dossier hydrogène. Le dioxyde de carbone a été abordé dans le dossier carbone.

Le dioxygène est un gaz incolore et inodore. Il réagit avec tous les éléments sauf avec les gaz rares. Il est paramagnétique, spin S = 1. La théorie des orbitales moléculaires explique simplement la présence de deux électrons non appariés dans les orbitales moléculaires ∏x, y dégénérées en énergie, orthogonales et antiliantes. Ce n'est pas le cas du modèle de Lewis dans sa forme la plus simple. L'explication du paramagnétisme du dioxygène a pu être qualifié de triomphe de la théorie des orbitales moléculaires ... Les deux modèles sont évidemment très utiles.

 

Propriétés chimiques (en deux phrases)

Très électronégatif, l'oxygène est surtout présent sous forme d'oxyde à l'état d'oxydation (-II) (H2O et oxydes). Le dioxygène de l'air est pourtant peu réactif - contrairement à ce que l'on lit ou entend ici ou là -. Ses réactions sont fortement exothermiques et exoergiques, mais doivent être activées pour se déclencher. L'énergie d'activation correspondante est liée au paramagnétisme du dioxygène (les réactions avec changement de spin sont interdites). Elle permet aux espèces qui évoluent loin de leur état d'équilibre (dont les organismes vivants) d'éviter d'être spontanément transformées en eau, dioxyde de carbone et oxydes métalliques ...

 

Principaux états d'oxydation

L'oxygène présente tous les degrés d'oxydation de -II à +(II) : -(II) (H2O), -I (H2O2 et peroxydes) , 0 (O2), -I (O2F2) et +II (O2F2)

  

Principales propriétés physicochimiques

Les données sur les énergies d'ionisation, l'électronégativité, la nature des liaisons figurent dans les adresses données dans la sitographie.

 

Propriétés atomiques et isotopes

L'oxygène comporte 8 isotopes qui vont de 13 à 20 en masse isotopique. Les isotopes principaux sont 16O, 17O, 18O. Ils sont utilisés dans des études de R.M.N. par exemple. Les cinétiques de réaction du dioxygène dépendent de la masse atomique et donc des isotopes. L'oxygène 18O et le rapport 18O / 16O dans les fossiles ou les roches sont des indicateurs précieux pour l'étude paléoclimatique de la terre.

 

Importance industrielle et économique

Le dioxygène est produit industriellement à partir de la distillation de l'air liquide. Il est utilisé comme comburant (chalumeau, fusées) et à des fins médicales. Une grande partie de la métallurgie comporte comme étape essentielle la réduction des oxydes métalliques pour obtenir métaux et alliages. Le dioxygène (pur ou de l'air) contribue à de très nombreuses réactions de combustion, domestiques ou industrielles (énergie thermique ...).

 

Importance biologique

L'oxygène est un des éléments indispensables à la vie. C'est un constituant de nombreuses molécules d'intérêt biologique (acides aminés, etc ..). Le dioxygène, produit par la photosynthèse, qui récupère l'énergie solaire, est réutilisé dans les processus de respiration (plantes, animaux, homme) et de combustion. Il est central dans la vie de toutes les espèces aérobies, par exemple pour la respiration de l'homme et des mammifères (Voir hémoglobine dans le dossier sur le fer). Il est utile pour réanimer les malades (trousses de secours). Dans le même temps, il produit des radicaux (radicaux superoxyde O2•- et hydroxyle HO ) qui mettent à mal les molécules biologiques et les cellules, entrainent des mutations, déclenchent des maladies, nous conduisent vers la vieillesse et finalement vers la mort. Magnifique Janus chimique donc. Les antioxydants (vitamine C, les 5 légumes et fruits par jour, etc ..) freinent évidemment ces processus, mais tous les hommes sont ... mortels.

L'ozone est toxique , au niveau du sol, où nous vivons ... mais joue un rôle essentiel pour absorber le rayonnement ultraviolet qui émane du soleil et pour protéger la vie sur terre. Le cycle de formation de l'ozone (dit de Chapman) est perturbé par des radicaux notamment d'origine humaine - "chlorofluorocarbones", NOx produit par les avions à très haute altitude - (d'où l'élargissement du trou d'ozone). La prise de conscience de ce problème et les solutions qui y ont été apportées est sûrement le premier exemple, en matière de chimie, de la manière dont l'humanité peut savoir corriger ses excès et ses erreurs au niveau de la planète. (Susan Solomon, prix Nobel de la Paix 2007 avec le GIEC)

 

Histoire, Date de la mise en évidence :

Découverte en 1774 par J. Priestley à Leeds (Angleterre) et par Scheele à Uppsala (Suède). L'histoire de la découverte et de la part qu'a pris Lavoisier dans son baptême est aimablement traité dans la pièce de théâtre de C. Djerassi et R. Hoffmann, "Oxygène". Le travail de Lavoisier sur la combustion et sur le rôle du dioxygène est une étape décisive dans la fin de la théorie du phlogistique - pourtant première grande théorie unificatrice de la chimie -, et dans l'évolution de la notion d'élément - du concept d'Aristote - l'air, l'eau - à la conception moderne. Après Lavoisier, l'air et l'eau ne sont plus des éléments aristotéliciens puisque on peut les séparer avec obtention d'oxygène. Voir le dossier Eléments.

 

Origine du nom et du symbole :

Le nom provient du grec oxy genes (génère l'acide). Il a été proposé par Lavoisier sur la base de l'idée (qui s'est révélée fausse par la suite, cf. HCl) que l'oxygène était indispensable à l'obtention des acides que nous connaissons aujourd'hui comme HNO3, H2SO4 , H3PO4 ......

 

L'oxygène en un clin d'œil :

Table : Informations essentielles sur l'élément oxygène.

 Nom : Oxygène

 Symbole : O

 Numéro atomique : 8

 Masse atomique : 15.9994

 Etat à 298 K : gaz

 Couleur O2: incolore (gaz), bleu pâle (liquide)

     dans la classification périodique

     Groupe : 16

     Nom du groupe : chalcogènes

     Période : 2

     Bloc : bloc des éléments p

     Classification : non-métallique

    

 

 Pour en savoir davantage :

Sitographie

Bibliographie

Activités : Expériences

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