Isotopes de l'oxygène

L'oxygène (O, numéro atomique 8) possède 17 isotopes connus de nombre de masse variant de 12 à 28. Trois d'entre eux sont stables, 16O, 17O et 18O, le premier étant ultra-majoritaire dans la nature (plus de 99,75 % de l'oxygène naturel). On attribue à l'oxygène une masse atomique standard de 15,9994(3) u.

Les 10 autres isotopes sont radioactifs, tous à courte durée de vie, 15O étant celui avec la plus longue demi-vie (122,24 secondes) et 12O celui à la plus courte (580(30)×10−24 seconde).

Histoire des isotopes de l'oxygène Les premières tentatives de séparation isotopique de 16O et 18O remontent à 1935 quand Harold Clayton Urey a cherché à séparer les différentes formes isotopiques de l'eau avec une colonne de distillation à bande tournanteMilton H. Wahl and Harold C. Urey (1935). J. Chem. Phys. 3, 411. The Vapor Pressures of the Isotopic Forms of Water. ..

Parmi les premières utilisations de ces isotopes ont été l'étude des mécanismes en chimie organique, en particulier pour les mécanismes d'estérification et d'hydrolyse.

Isotopes stables Oxygène naturel L'oxygène naturel est constitué des trois isotopes stables 16O, 17O et 18O, 16O étant le plus abondant. L'importante abondance relative et absolue de 16O s'explique par le fait qu'il est un produit principal de l'évolution des étoiles ainsi qu'un isotope primaire, c'est-à-dire qu'il peut être produit par des étoiles qui étaient initialement uniquement composées d'hydrogène. La plupart de l' est synthétisé à la fin du processus de fusion de l'hélium dans les étoiles ; la réaction triple alpha crée du carbone 12 (12C) qui capture un noyau supplémentaire d'hélium 4 (4He) pour produire 16O. La fusion du néon produit aussi 16O. 17O et 18O sont tous les deux des isotopes secondaires, c'est-à-dire que leur nucléosynthèse requiert un « noyau graine ». L' est principalement produit par la fusion de l'hydrogène en hélium lors du cycle CNO, faisant de lui un isotope commun dans les zones de l'étoile brûlant de l'hydrogène. L' est lui principalement produit quand 14N (abondant lors du cycle CNO) capture un noyau de 4He (autrement dit, une particule α) faisant de 18O un isotope commun dans les zones de l'étoile riches en hélium. Environ un milliard de degrés Celsius sont nécessaires pour que deux noyaux d'oxygène subissent une fusion nucléaire pour former des isotopes plus lourds de soufreEmsley, John (2001). "Oxygen". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. pp. 297–304. ..

IsotopeAbondance (pourcentage molaire)Gamme de variations16O99,757 (16) %99,738 – 99,77617O0,038 (1) %0,037 – 0,0418O0,205 (14) %0,188 – 0,222

La variation des proportions des trois isotopes stables est due à une différence de comportement dans les transitions de phase (fusion/cristallisation, évaporation/condensation) et dans les réactions chimiques ou minéralogiques. Ce phénomène, appelé fractionnement isotopique, est plus important pour les transformations fortement irréversibles que pour les transformations proches de l'équilibre. Les différences de comportement étant directement liées à la masse des isotopes (via les vitesses de vibration), les écarts à la moyenne du rapport O/O sont le double des écarts de O/O.

Notamment, les molécules d'eau contenant l'isotope le plus léger sont plus susceptibles de s'évaporer et de retomber sous la forme de précipitationsDansgaard, W (1964) Stable isotopes in precipitation. Tellus 16, 436-468, ainsi l'eau de glacier et la glace polaire contiennent légèrement moins (0,1981 %) de l'isotope lourd 18O que l'air (0,204 %) ou l'eau de mer (0,1995 %). Cette disparité permet des analyses de températures anciennes via l'étude de carottes de glace ou la détermination d' pour le traçage géographique de matériel archéologique, accès libre..

Oxygène 16

L'oxygène 16 (16O) est l'isotope de l'oxygène dont le noyau est constitué de 8 protons et de 8 neutrons. C'est l'isotope le plus abondant (99,8 %) ce qui fait qu'en pratique, lorsqu'on parle d'oxygène, on parle de cet isotope, en particulier chez les physiciens qui s'y réfèrent systématiquement, alors que les chimistes désignent sous le terme oxygène le mélange d'isotopes naturellement abondant, ce qui menait à des échelles de masse légèrement différentes dans les deux disciplines à l'époque (jusqu'en 1959) où l'unité de masse atomique était définie comme de la masse d'un atome d'« oxygène ». Cette dualité a disparu en 1959/1960 lorsque l'UICPA et l'UIPPA se sont mises d'accord pour prendre comme unité de masse atomique unifiée, ou dalton, la douzième partie de la masse atomique du carbone 12 (12C)BIPM, Brochure sur le SI (texte en français) (PDF), annexe 4 (« Notes historiques »), p. 104 (consulté le ).

Oxygène 17

L'oxygène 17 (17O) est l'isotope de l'oxygène dont le noyau est constitué de 8 protons et de 9 neutrons. C'est un isotope peu abondant (0,0373 % dans l'eau de mer, approximativement deux fois plus que le deutérium). Son spin de 5/2+ fait qu'il est le seul isotope stable pouvant être utilisé en études RMN.

Oxygène 18

L'oxygène 18 (18O) est l'isotope de l'oxygène dont le noyau est constitué de 8 protons et de 10 neutrons. C'est un isotope peu abondant (0,204 %). Il est utilisé en radiopharmacologie sous forme d'eau enrichie en espèces pour produire, par bombardement de protons — ions hydrogène H+ — accélérés dans un cyclotron ou dans un accélérateur linéaire, du fluor 18, lequel est, par exemple, utilisé sous forme de (18F-FDG) dans le cadre de la tomographie par émission de positons. En paléoclimatologie, le ratio noté δ18O, correspondant au rapport 18O/16O, permet, relevé dans les carottes de glace en Arctique ou en Antarctique, de déterminer la température des précipitations à travers les âges.

Radioisotopes 14 radioisotopes ont été caractérisés, les plus stables étant 15O avec une demi-vie de et 14O avec une demi-vie de .. Tous les autres isotopes ont des demi-vies inférieures à et la majorité d'entre eux inférieure à .

Les isotopes plus légers que les isotopes stables se désintègrent principalement par désintégration β+ en isotopes de l'azote, les plus lourds principalement par désintégration β− en isotopes du fluor. Les isotopes à nombre de masse supérieur à 24 (25O, 26O, 27O et 28O) sont au-delà de la limite de stabilité neutron et sont donc particulièrement instables, se désintégrant par émission de neutron en l'isotope avec un neutron de moins, avec une demi-vie de quelques dizaines de nanosecondes.

Oxygène 11 L'isotope le plus léger connu de l'oxygène est O, avec seulement trois neutrons pour huit protons. Sa découverte est annoncée en par une équipe de l'Université de Washington (États-Unis)...

Oxygène 13 L'oxygène 13 (13O) est l'isotope de l'oxygène dont le noyau est constitué de 8 protons et de 5 neutrons. C'est un isotope instable de spin 3/2−. Sa masse atomique est de 13,0248 uma. Il se désintègre en azote 13 par capture électronique avec une demi-vie de 8,58 ms et une énergie de désintégration de 17,765 MeV.. Il est produit par désintégration du fluor 14..

Oxygène 15 L'oxygène 15 (15O) est l'isotope de l'oxygène dont le noyau est constitué de 8 protons et de 7 neutrons et une masse atomique de 15,0030654 uma. Sa demi-vie est de .. Il est fréquemment utilisé en tomographie par émission de positons. L'oxygène 15 (15O) est aussi un des produits intermédiaires du Cycle carbone-azote-oxygène principal qui est une des réactions de fusion nucléaire par lesquelles les étoiles convertissent de l'hydrogène en hélium.

Oxygène 27 et oxygène 28 Des noyaux d'oxygène 28, ainsi que d'oxygène 27, ont été observés pour la première fois en 2022. O et O n'existent que sous la forme de résonances éphémères (avec une demi-vie de l'ordre de , mais qui n'a pas pu être mesurée exactement), et se décomposent en O par émission de neutrons. Le nucléide O présente un intérêt particulier car  8 et  20 sont tous deux des nombres magiques, mais il n'exhibe aucune stabilisation et les mesures montrent que les neutrons ne constituent pas une couche complète...

Tableau des isotopes

Symbole Z N Masse atomique(u) Demi-vie Mode(s) dedésintégration Universal Nuclide Chart Isotope(s)-filsIsotopes stables en gras. Spin nucléaire O 8 3 2p C 3/2−12O 8 412,034405(20)580(30)×10−24 s[0,40(25) MeV] 2p (60,0 %) 10C0+ p (40,0 %) 11N13O 8 513,024812(10)8,58(5) ms β+ (89,1 %) 13N(3/2-) β+, p (10,9 %) 12C 14O 8 6 14,00859625(12) 70,598(18) s β+ 14N 0+ 15O 8 7 15,0030656(5) 122,24(16) s β+ 15N 1/2- 16OLe ratio 16O /18O est utilisé pour déduire des températures anciennes. 8 8 15,99491461956(16)Stable 0+ 17OPeut être utilisé pour des études RMN de voies métaboliques. 8 9 16,99913170(12)Stable 5/2+ 18OPeut être utilisé dans l'étude de certaines voies métaboliques. 8 10 17,9991610(7)Stable 0+ 19O 8 11 19,003580(3) 26,464(9) s β− 19F 5/2+ 20O 8 12 20,0040767(12) 13,51(5) s β− 20F 0+ 21O 8 13 21,008656(13) 3,42(10) s β− 21F (1/2,3/2,5/2)+22O 8 1422,00997(6)2,25(15) s β− (78,0 %) 22F0+ β−, n (22,0 %) 21F23O 8 1523,01569(13)82(37) ms β−, n (57,99 %) 22F1/2+# β− (42,0 %) 21F24O 8 1624,02047(25)65(5) ms β−, n (57,99 %) 23F0+ β− (42,01 %) 24F 25O 8 17 25,02946(28)# 5,2×10−8s n 24O(3/2+)#26O 8 18 26,03834(28)# 4,0×10−8 s β− 26F0+ n 25O 27O 8 19 27,04826(54)# ~ 3n O(3/2+)# 28O 8 20 28,05781(64)# ~ 4n O 0+

Remarques La précision de l'abondance isotopique et de la masse atomique est limitée par des variations. Les échelles de variations données sont normalement valables pour tout matériel terrestre normal. Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses. Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies.

Notes et références

Sources Pour le tableau Masse des isotopes depuis :

Compositions isotopiques et masses atomiques standards :

Demi-vie, spin et données sur les isomères sélectionnés depuis les sources suivantes :

Pour la partie texte

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