Oxygène

GÉNÉRALITÉS :
L'oxygène gazeux ou dioxygène est le résultat de la combinaison de deux atomes d'oxygène O, soit la formule moléculaire O₂ , ou O=O;
(aux conditions normales de température et de pression)

Masse atomique de ¹⁶O : 15,9994 ± 0,0003 u (atome O).
Masse molaire de ¹⁶O₂ : 31,9988 g mol^-1.

Isotopes : 13, dont 3 stables > ¹⁶O (99,762 % d'Abondance Naturelle), ¹⁸O (0,2 % d'AN), et ¹⁷O (0,038 % d'AN);
et ¹⁴O, ¹⁵O et ¹⁹O, ²⁰O , radioisotopes synthétiques de courtes périodes (n'existe pas pas à l'état naturel).

Nota : l'isotope 18 est utilisé pour connaître la température dans une région à un moment donné (plus le rapport isotopique ¹⁸O / ¹⁶O est élevé, et plus la température correspondante est basse).

Autres allotropes : Ozone O₃, oxygène singulet O₂*, ozone cyclique O₃, tétraoxygène O₄, octaoxygène O₈ .
NB : l’allotropie (du grec allos autre et tropos manière) est, en chimie, en minéralogie et en science des matériaux, la faculté de certains corps simples d’exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.

C'est, en masse, le troisième élément le plus abondant de l'Univers après l'hydrogène et l'hélium.

Par ailleurs, le gaz oxygène O₂ sur Terre, représente 23,1% de la masse de l'air, sous forme de dioxygène O₂ et d'ozone O₃, soit 1,2.10¹⁵ tonnes environ, (20,95 % du volume total de l'atmosphère terrestre, voir ce lien sur l'air).

L'élément oxygène O représente environ :

• 88,8 % de la masse des océans,
• 46,4 % de la masse de la croûte terrestre, en particulier sous forme d'oxydes et de silicates,
• 62,5 % de la masse du corps humain,
• jusqu'à 88 % de la masse de certains animaux marins.

L'oxygène gazeux (O₂) est indispensable au cycle de la vie : les végétaux dégagent du dioxygène par photosynthèse alors que la respiration des animaux et des plantes en consomme.
De plus, l'oxygène est un composant essentiel des molécules qui se retrouvent dans tout être vivant: acides aminés, sucres, etc.
Il n'est en revanche pas nécessaire à certaines bactéries dites anaérobies facultatives, et est mortel pour les bactéries anaérobies strictes.

Rappel : c'est la photosynthèse qui maintient constant le taux d'oxygène O=O dans l'atmosphère terrestre et fournit toute la matière organique ainsi que l'essentiel de l'énergie utilisées par la vie sur Terre. Ce processus bioénergétique permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries, dites photoautotrophes, de synthétiser de la matière organique en utilisant la lumière du soleil. Des glucides, par exemple des oses tels que le glucose, sont synthétisés à partir du CO₂ et de l'eau H₂O avec libération d'oxygène O₂ comme sous-produit de l'oxydation de l'eau.

Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer sur Terre, la teneur de l'air en O₂ :

• la plus communément retenue est qu'il s'agit du déchet produit jadis par les algues bleues, extrayant le carbone du dioxyde de carbone et rejetant l'oxygène (sous forme O₂),
• également, la décomposition en altitude depuis des millions d'années, de molécules d'eau en O₂ (et dihydrogène H₂) sous l'effet des rayonnements solaire et cosmique. Le dioxygène est en effet retenu par la gravitation terrestre, ce qui n'est pas le cas de H₂,
• enfin, l'oxygène aurait été libéré du manteau terrestre qui se refroidissait il y a 2.5 milliard d'années, puis la mise en route du processus de la tectonique des plaques (à la transition entre l’Archéen et le Protérozoïque). Un régime de convection du magma se serait alors installé libérant l'excés d'O2 initialement piégé dans le magma profond (Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand, OPGC).

La consommation d'oxygène est un indice d'activité cellulaire. Ce fait est à l'origine d'une caractérisation de la pollution biodégradable d'un échantillon d'eau, la demande biologique en oxygène ou DBO (voir ce lien interne).

Il participe à des réactions d'oxydo-réduction, essentiellement dans la combustion et la corrosion.

Le dioxygène est un corps paramagnétique (il est attiré par un aimant). Cette propriété est due à la présence de deux électrons non-appariés dans sa structure électronique.

Nota : l'oxygène monoatomique est très électronégatif. Il forme facilement de nombreux composés ioniques avec les métaux (oxydes, hydroxydes). Il forme aussi des composés ionocovalents avec les non-métaux (exemples : le dioxyde de carbone, le trioxyde de soufre) et entre dans la composition de nombreuses classes de molécules organiques, par exemple, les alcools (R-OH), les carbonylés R-CHO ou R2CO et les acides carboxyliques (R-COOH).
État(s) d'oxydation -2, -1 .

Propriétés de l'oxygène diatomique O₂ ou dioxygène.

• L'oxygène est un un gaz incolore, inodore et insipide.
  C'est un gaz très réactif et à cause de son indice d'électronégativité élevé (5), il réagit avec l'ensemble des éléments du tableau périodique (à l’exception des gaz rares) et beaucoup de composés, pour former des oxydes.
  Exemple : combustion de l'heptane dans un moteur d'automobile,
  • C₇H₁₆ + 4O₂ > 7C + 8H₂O
    2C₇H₁₆ + 15O₂ > 14CO + 16H₂O
    C₇H₁₆ + 11O₂ > 7CO₂ + 8H₂O

  Les deux premières réactions produisent respectivement du carbone et du monoxyde de carbone CO. Le carbone formé à l'intérieur du moteur forme des dépôts sur la calotte et les pistons. Le monoxyde de carbone contenu dans les gaz d'échappement est très dangereux pour la santé.

  ------------------------

  Aux conditions "normales" de pression (à 1013,25 hPa et 15 °C), c'est un gaz plus lourd que l'air : 1,354 kg/m3.
  
  Solubilité dans l'eau :
  Solubilité de l’oxygène de l’air dans l’eau. Elle est déterminée à la pression atmosphérique, sous la pression partielle de l’oxygène de l’air (qui contient donc 20,9 % d’oxygène en volume, soit PO₂= 0,209 bar ou 209 hPa) et en fonction de la température.
  et :

  
  Rappel : 1 kPa = 10 hPa)

  --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  

  NOTA : au niveau de la mer, on peut appliquer avec suffisamment de précision ce polynôme du second degré (valable entre 0 et 30°C) :

  Cs = 14,6 - 0,3818 t + 0,00488 t²

  avec Cs concentration en O₂ dissous à saturation sous la pression atmosphérique (en mg·L^{- 1}) et t température (en °C).
  
  Par ailleurs, une excellente approximation peut également être obtenue à partir de la formule de Mortimer (1981) qui présente l’avantage de s’appliquer entre 0 et 50°C :

  Cs = 2234,34 (t + 45,93)^-1,31403

  Et avec les formules de Gameson et Robertson :

  Eau "douce" > Cs = (468,41 / (31,64+t))
  Eau salée > Cs = (475 - (2,65s)) / (33,5 + t)
  ......(avec s = salinité en g/L et t entre 3 et 25°C )..........

  ^{Téléchargement d'une feuille de tableur pour calculs de la teneur en oxygène > ici}
  
  --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  Il se liquéfie à T = -183 °C [90 K] (P = 1atm). C'est aussi le point d'ébullition de l'oxygène liquide.
  
  Le point de fusion de l'O₂ solide (oxygène congelé) est de -219 °C (54 K), et donc c'est aussi le point de solidification de l'O2 liquide.
  
  Le point triple se situe à T = -218,8 °C (54,35 K) et Pression = 1,52 hPa (1,52 mbar), et se trouve bien inférieur à la pression atmosphérique ("normale" à 1013,25 hPa ou 1013 mbar), donc l'oxygène liquide (et solide) ne peut exister aux pressions et températures classiques sur Terre.
  
  Le Point Critique se situe à Pc = 5,043 MPa ( 50,43 bar ) et Tc = -118,6 °C [154,55 K] .
  

------------------------------
Diagramme des phases
Diagramme des phases gaz/liquide :


Diagramme des phases liquide/solide :

Dans son état triplet normal, la molécule de dioxygène est paramagnétique, c'est-à-dire qu'elle acquiert une aimantation sous l'effet d'un champ magnétique.
L'oxygène liquide par exemple peut être attiré par un aimant !

Quelques caractéristiques :

• Phase gazeuse :
  • Masse volumique de la phase gazeuse (1013,25 hPa, à 15 °C ) : 1,354 kg.m3^-1 , et 1,42763 kg·Nm^-3 T.P.N.
    Nota : en chimie, la température et la pression normales (TPN) sont 1 013,25 hPa et 0 °C (ou 273 K)
  • Équivalent gaz/liquide (1013,25 hPa et 15 °C) : 1 m3 de gaz (1,36 kg) > 1,17 litre de liquide
  • Volume spécifique (1013,25 hPa, à 21 °C ) : 0,755 m3 kg^-1
  • Chaleur spécifique à pression constante (Cp) (1000 hPa et 25 °C) : 29 J/(mole.K)
  • Viscosité (1013,25 hPa, à 0 °C ) : 0,0001909 Poise
  • Conductivité thermique (1013,25 hPa, à 0 °C ) : 24,24 mW/(m.K)
    
• Phase liquide :
  • Liquide bleuté
  • Masse volumique de la phase liquide (1013,25 hPa, au point d'ébullition) : 1141 kg m3^-1
  • Équivalent liquide/gaz (1013,25 hPa et 15 °C) : 1 m3 d'O₂ liquide > 854 m3 de gaz [1156,3 kg] )
  • Point d'ébullition (1013,25 hPa) : -183 °C (90 K)
  • Chaleur latente de vaporisation (1013,25 hPa, au point d'ébullition de -183 °C) : 212,98 kJ kg^-1
    
• Phase solide (oxygène congelé) :
  • Point de fusion : -219 °C (54 K)
  • Chaleur latente de fusion (1013,25 hPa, au point triple) : 13,9 kJ/kg
    

Normalisation.
Norme sur les produits utilisés pour la production d’eau potable : bulletin officiel - Oxygène : pr NF EN 12876.

Utilisation.

• Industrielle :
  • provoquer des réactions chimiques (industrie du fer et de l'acier, oxydation de certains matériaux, fabrication d'ozone pour l'oxydation ou le nettoyage, blanchiment, craquage catalytique en raffinerie,
  • comburant (par exemple : propulsion des étages cryogéniques des fusées Ariane),
  • tout procédé de combustion à l'oxygène,
  • calibrage les analyseurs et détecteurs de sécurité, analyseurs de contrôle de l'environnement, analyseurs de contrôle des atmosphères de travail,
  • purification biologique de l'eau, incinération propre des déchets,
  • activation de flamme des chalumeaux oxhydriques.
    
• Médicale :
  • oxygénothérapie normobare (à pression atmosphérique) : dans l'assistance respiratoire de personne ayant des difficultés respiratoires (maladie telle que l'asthme ou l'insuffisance respiratoire chronique, ou lors d'une anesthésie), pour la ventilation artificielle (arrêt de la respiration),
  • oxygénothérapie hyperbare (à haute pression) : pour le traitement de certaines intoxications au gaz (notamment au monoxyde de carbone), des accidents de décompression en plongée ou de certaines brûlures, de certaines pathologies artéritiques.

Divers.
L'exposition prolongée au feu des récipients peut entraîner la rupture et l'explosion.

Effet sur l'homme.
L'inhalation continue de concentrations supérieures à 75% peut causer des nausées, des étourdissements, des difficultés respiratoires et des convulsions.

Téléchargement des Fiches Techniques de Sécurité - Air Liquide (fichiers pdf) : O2 comprimé et O2 liquide (réfrigéré).

---

(utilisez votre navigateur)