L'oxyg�ne (Z = 8)

L'oxyg�ne fait partie du 16^�me groupe (16^�me colonne) de la classification p�riodique, appel� parfois groupe des chalcog�nes (du grec "chalcos" signifiant "minerai"), auquel appartiennent �galement le soufre, le s�l�nium, le tellure et le polonium.
Il poss�de de nombreux isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons., mais seuls trois d'entre eux sont stables : l'oxyg�ne 16 (¹⁶O), l'oxyg�ne 17 (¹⁷O) et l'oxyg�ne 18 (¹⁸O), l'oxyg�ne 16 occupant de tr�s loin la premi�re place (� 99,76 %). Troisi�me �l�ment le plus abondant de l'univers (environ 0,1% de tous les atomes) apr�s l'hydrog�ne et l'h�lium, il est �galement omnipr�sent sur Terre, puisqu'il repr�sente � lui seul pr�s de 46 % de la masse de la cro�te terrestre (principalement sous forme de dioxyde de silicium, de carbonates, d'oxydes de fer...). Il constitue �galement 21 % de l'air sec et environ 86 % de la masse des oc�ans (pour rappel, la mol�cule d'eau a pour formule H₂O).

La plan�te Terre — La plan�te ~~Terre~~ "Oxyg�ne"
Cr�dit : NASA - Mission Apollo 17

Origine de l'oxyg�ne

A l'instar du carbone, l'oxyg�ne se forme exclusivement au coeur des "vieilles" �toiles, lorsque celles-ci ont �puis� leurs stocks d'hydrog�ne et commencent � fusionner leur h�lium. Ces �toiles appartiennent alors � la famille des g�antes rouges et, pour �tre pr�cis, font partie de ce que l'on appelle le red clump (ou "grumeau rouge"). Dans un premier temps, de l'h�lium est transform� en carbone, puis une partie de ce carbone r�agit � son tour avec l'h�lium pour donner de l'oxyg�ne 16, selon la r�action suivante :

¹²C + ⁴He ---> ¹⁶O + rayons gammas

Quant � l'oxyg�ne 17 et � l'oxyg�ne 18, ils sont produits au cours d'une variante du cycle CNO. Pour rappel, le cycle CNO consiste en une suite de r�actions faisant intervenir le carbone 12 (qui joue le r�le de catalyseur), et qui permet de convertir l'hydrog�ne en h�lium de fa�on plus efficace que la chaine PPLa chaine proton-proton est l'une des principales s�ries de r�actions nucl�aires convertissant l'hydrog�ne en h�lium au coeur des �toiles de masse modeste appartenant � la s�quence principale (le Soleil en fait lui-m�me partie)
. (cha�ne proton-proton).

A la fin de cette phase, le coeur de l'�toile est essentiellement constitu� de carbone et d'oxyg�ne. Quand la temp�rature y atteint le milliard de kelvin, les r�actions de fusion du carbone prennent le relai, donnant naissance � du sodium 23, du n�on 20 et du magn�sium 23 :

¹²C + ¹²C ---> ²³Na + ¹p (proton)

¹²C + ¹²C ---> ²⁰Ne + ⁴He

¹²C + ¹²C ---> ²³Mg + ¹n (neutron)

Sous l'action de rayons gammas tr�s �nerg�tiques, une partie des noyaux de n�on 20 sont bris�s, donnant de l'oxyg�ne 16 et de l'h�lium 4 :

²⁰Ne + rayons gammas ---> ¹⁶O + ⁴He

Une autre r�action, faisant cette fois intervenir le carbone 13, produit de l'oxyg�ne 16 :

¹³C + ⁴He ---> ¹⁶O + neutron

Un peu plus tard, lorsque la temp�rature d�passe les deux milliards de kelvin, la fusion de l'oxyg�ne entre en jeu � son tour, mais nous d�couvrirons cela un peu plus loin.

Un peu d'histoire

Il est difficile d'associer un nom � la d�couverte de l'oxyg�ne, plusieurs savants ayant apport� leur contribution dans ce domaine. En 1772, le chimiste su�dois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) constate qu'en chauffant du salp�tre ou de l'oxyde de mercure, il obtient un gaz qui ravive les combustions, gaz auquel il donne le nom d' "air combustible". En 1774, le pasteur et philosophe anglais Joseph Priestley (1733-1804) d�compose � son tour de l'oxyde de mercure et obtient ce qu'il appelle de "l'air d�phlogistiqu�" (en r�f�rence � la th�orie du phlogistique, sorte de "principe du feu" qui se d�gage lorsque l'on br�le des corps combustibles). Il remarque notamment qu'une souris enferm�e dans un bocal renfermant ce gaz est plus active.

Joseph Priestley,
par Ozias Humphrey (1742-1810)

C'est toutefois le chimiste fran�ais Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) qui, le premier, donne l'explication correcte de ce qui se passe lors d'une combustion et du r�le jou� par le dioxyg�ne, mettant ainsi � mal la th�orie du phlogistique. Il confirme �galement que l'air n'est pas un �l�ment comme on le pensait depuis pr�s de 2000 ans, mais qu'il est en r�alit� constitu� de deux gaz : l'azote (qui tire son nom du grec signifiant "priv� de vie") et l' "air vital", auquel il donne rapidement le nom d'oxyg�ne (du grec "oxys" signifiant acide) car il pense (� tort) qu'il intervient dans la composition de tous les acides (c'est le cas des acides nitrique et sulfurique, mais pas de l'acide chlorhydrique, pour ne prendre que ces exemples).

Propri�t�s de l'oxyg�ne

L'oxyg�ne est avant tout un excellent comburant. Il constitue � ce titre l'un des �l�ments du triangle du feu, ou plus exactement du t�tra�dre du feu, qui doivent �tre r�unis si l'on veut qu'il y ait combustion. Ces �l�ments sont les suivants :

- Le combustible, c'est ce qui br�le (bois, charbon, essence, m�thane...)

- Le comburant est ce qui permet au combustible de br�ler (dioxyg�ne, substances riches en oxyg�ne, halog�nes...)

- L'�nergie d'activation, c'est ce qui permet de d�clancher la combustion. Elle peut �tre apport�e par une flamme, un corps incandescent, une �tincelle...

- Les radicaux libres sont des mol�cules instables et tr�s r�actives, qui r�sultent g�n�ralement de la rupture de liaisons chimiques. Sans eux, les combustions se produiraient sans qu'il y ait de flammes.

Dans les CNTPLes CNTP ou conditions normales de temp�rature et de pression sont consid�r�es de fa�on arbitraire comme �tant les conditions d'exp�rimentation et de mesure en laboratoire, d�finies par une temp�rature de 0�C (273,15 K) et une pression de 1 atmosph�re (soit 101 325 Pa ou 1,013 bars). (conditions normales de temp�rature et de pression), le dioxyg�ne se pr�sente sous forme d'un gaz incolore et inodore, constitu� de mol�cules ayant pour formule O₂. Il se liqu�fie (se condense) � -183�C et se solidifie � -218�C. Sous forme liquide ou solide, il reste transparent, mais pr�sente alors un aspect l�g�rement bleut�.
Il est possible d'obtenir de l'oxyg�ne pur � partir de l'air liquide, en effectuant une distillation fractionn�e (voir les deux premi�res minutes de la vid�o suivante !). A l'�chelle mondiale, ce sont pr�s de 100 millions de tonnes de dioxyg�ne qui sont ainsi produites chaque ann�e.

Oxyg�ne liquide
Cr�dit : Nika Glover, U.S. Air Force

Soluble dans l'eau, le dioxyg�ne permet aux formes de vie aquatiques de se d�velopper et de prosp�rer. Il est d'ailleurs d'autant plus soluble dans l'eau que celle-ci est froide, ce qui explique la plus grande densit� d'esp�ces vivantes dans les eaux polaires.

Enfin l'oxyg�ne est un �l�ment tr�s corrosif, qui a notamment tendance � oxyder de nombreux m�taux (mais pas seulement). L'exemple le plus frappant est celui de la rouille, m�lange d'oxydes et d'hydroxydes de fer r�sultant de l'action combin�e de l'oxyg�ne et de l'eau.

Quelques exemples d'utilisation de l'oxyg�ne

- L'oxyg�ne est utilis� en m�tallurgie, notamment pour produire de l'acier � partir de la fonte sortant des hauts fourneaux. Utilis� � la place de l'air depuis les ann�es 1950, l'oxyg�ne permet en effet de d�carburer la fonte (retirer le carbone en exc�s), et d'�liminer la quasi-totalit� du phosphore et du soufre qu'elle contient.

- L'oxycoupage permet de d�couper des m�taux � l'aide d'un simple jet de dioxyg�ne pur. Le principe en est tr�s simple. Dans un premier temps, une flamme obtenue � l'aide d'un m�lange de dioxyg�ne et d'ac�tyl�ne permet de porter � haute temp�rature (environ 1300�C) l'endroit o� l'on veut commencer la d�coupe. Ensuite, une fois la temp�rature d'amor�age atteinte, le jet d'oxyg�ne pur permet d'auto-entretenir la combustion du m�tal.

- En m�decine, l'oxyg�ne est prescrit aux personnes ayant des insuffisances respiratoires (on parle d'oxyg�noth�rapie).

- Vulcain, le moteur-fus�e des lanceurs Ariane 5, est aliment� par du dihydrog�ne et du dioxyg�ne liquides, tandis que les lanceurs Soyouz utilisent le couple d'ergols dioxyg�ne-k�roz�ne (c'�tait �galement le cas des Saturne V). Les lanceurs du futur utiliseront quant � eux vraissemblablement le couple dioxyg�ne-m�thane.

D�collage d'un lanceur Soyouz en 2006
Cr�dit : NASA - Bill Ingalls

- Le dioxyg�ne est employ� dans les usines de traitement d'eau potable : il permet en effet le d�veloppement de certaines bact�ries qui d�composent les d�chets.

- Il est �galement employ� en chimie dans de tr�s nombreux processus faisant intervenir des oxydations.

- Dans la haute atmosph�re, entre 20 et 40 km d'altitude, les rayons ultraviolets �mis par le Soleil sont absorb�s par les mol�cules de dioxyg�ne (O₂), qui se brisent aussit�t en lib�rant des atomes d'oxyg�ne, qui � leur tour s'unissent � d'autres mol�cules de dioxyg�ne pour donner du trioxyg�ne (O₃), plus connu sous le nom... d'ozone. Celui-ci joue un r�le essentiel puisqu'il filtre la majeure partie des rayons ultraviolets provenant du Soleil.

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