L'oxygène est l'élément chimique de numéro atomique 8, de symbole O. C'est la tête de file du groupe des chalcogènes, souvent appelé groupe de l'oxygène.
Découvert indépendamment en 1772 par le Suédois Carl Wilhelm Scheele à Uppsala, et en 1774 par Pierre Bayen à Châlons-en-Champagne ainsi que par le Britannique Joseph Priestley dans le Wiltshire en 1775, l'oxygène a été nommé ainsi en 1777 par le Français Antoine Lavoisier.
Une molécule de formule chimique , appelée communément « oxygène » mais « dioxygène » par les chimistes, est constituée de deux atomes d'oxygène reliés par liaison covalente : aux conditions normales de température et de pression, le dioxygène est un gaz, qui constitue 20,8 % du volume de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer.
L'oxygène est un non-métal qui forme très facilement des composés, notamment des oxydes, avec pratiquement tous les autres éléments chimiques. Cette facilité se traduit par des énergies de formation élevées mais, cinétiquement, le dioxygène est souvent peu réactif à température ambiante. Ainsi un mélange de dioxygène et de dihydrogène, de fer ou de soufre, n'évolue qu'extrêmement lentement.
C'est, en masse, le troisième élément le plus abondant de l'Univers après l'hydrogène et l'hélium, et le plus abondant des éléments de l'écorce terrestre ; l'oxygène constitue ainsi sur Terre : 86 % de la masse des océans, sous la forme d'eau ; 46,4 % de la masse de l'écorce terrestre, en particulier sous forme d'oxydes et de silicates ; 23,1 % de la masse de l'air, sous forme de dioxygène ou d'ozone, soit , soit près de 21 % du volume total de l'atmosphère ; 62,5 % de la masse du corps humain ; jusqu'à 88 % de la masse de certains animaux marins.
La Terre était à l'origine dépourvue de dioxygène. Celui-ci s'est formé grâce à la photosynthèse réalisée par les végétaux, les algues et les cyanobactéries, ces dernières étant apparues il y a peut-être d'années. Le dioxygène est toxique pour les organismes anaérobies, dont faisaient partie les premières formes de vie apparues sur Terre, mais est indispensable à la respiration des organismes aérobies, qui constituent la grande majorité des espèces vivantes actuelles. La respiration cellulaire est l'ensemble des voies métaboliques, telles que le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, alimentées par exemple par la glycolyse et la β-oxydation, par lesquelles une cellule produit de l'énergie sous forme d'ATP et du pouvoir réducteur sous forme de et de .
En s'accumulant dans l'atmosphère terrestre, le dioxygène issu de la photosynthèse a formé une couche d'ozone à la base de la stratosphère sous l'effet du rayonnement solaire. L'ozone est un allotrope de l'oxygène de formule chimique encore plus oxydant que le dioxygène mais qui a la particularité d'absorber les rayons ultraviolets du Soleil et donc de protéger la biosphère de ce rayonnement nocif : la couche d'ozone a constitué le bouclier qui a permis aux premières plantes terrestres de quitter les océans il y a près de d'années.
La teneur en oxygène des océans chute significativement depuis plusieurs années. Cette désoxygénation de l’océan affecte la biodiversité marine. Les océans ont perdu de tonnes d’oxygène au cours des cinquante dernières années.
Dans l'industrie, il a une énorme importance en tant qu'oxydant. Dans les centrales électriques, le combustible est brûlé soit avec de l'air, soit avec de l'oxygène pur (procédé oxy-fuel). L'oxy-craquage de fractions pétrolières lourdes produit des composés précieux. Par exemple, l'industrie chimique l'utilise pour la production d'acide acrylique, un monomère très important. L'oxydation catalytique hétérogène est prometteuse pour la production d'acide benzoïque. C'est également une matière première prometteuse pour la synthèse électrochimique du peroxyde d'hydrogène. L'oxydation par l'air joue un rôle très important dans la conversion des gaz dangereux (CO, méthane) en moins nocif.
Élément Isotopes et origine stellaire
vignette|Vue en coupe d'une étoile évoluée caractérisée par des coquilles concentriques de différents éléments. Tardivement dans la vie d'une étoile, l' se concentre dans la coquille « O », l' dans la coquille « H » et l' dans la coquille « He ». L'oxygène possède dix-sept isotopes dont le nombre de masse varie de 12 à 28. L'oxygène d'origine naturelle est composé de trois isotopes stables : l' O, l' O et l' O. On attribue en outre à l'oxygène une masse atomique standard de .
La majorité de l'oxygène 16 est synthétisée à la fin du processus de fusion de l'hélium au sein d'étoiles massives mais une partie est aussi produite lors des réactions de fusion du néon. L' est principalement issu de la fusion de l'hydrogène en hélium au cours du cycle CNO. Il s'agit donc d'un isotope courant des zones de combustion de l'hydrogène des étoiles. La majorité de l' est produite quand l' N rendu abondant par le cycle CNO capture un noyau d' He. L' est donc couramment présent dans les zones riches en hélium des étoiles massives évoluées.
Quatorze radioisotopes ont été mis en évidence. Les plus stables sont l'oxygène 15 O ayant la plus longue demi-vie () et l' O ayant une demi-vie de . Tous les autres isotopes radioactifs ont des demi-vies inférieures à et la majorité d'entre eux a des demi-vies de moins de . L' 12O a la durée de vie la plus courte ().. Le type de décroissance radioactive le plus répandu chez les isotopes plus légers que l' est l'émission de positron... produisant de l'azote. Le type de décroissance le plus courant pour les isotopes plus lourds que l' est la radioactivité β donnant naissance à du fluor.
Utilisation de l'oxygène 18
L'oxygène 18 est un indicateur paléoclimatique utilisé pour connaître la température dans une région à une époque donnée : plus le rapport isotopique 18O/16O est élevé et plus la température correspondante est basse. Ce rapport peut être déterminé à partir de carottes de glace, ainsi que de l'aragonite ou de la calcite de certains fossiles.
Ce procédé est très utile pour confirmer ou infirmer une théorie sur les changements climatiques naturels terrestres comme les paramètres de Milanković.
Comme marqueur isotopique stable, il a été utilisé pour mesurer le flux unidirectionnel d'oxygène absorbé, pendant la photosynthèse, par le phénomène de photorespiration. Il a été montré que, avant l'augmentation de de l'ère industrielle, la moitié de l'oxygène émis par les feuilles était réabsorbée. Cela réduisait le rendement de la photosynthèse de moitié (Gerbaud et André, 1979-1980)Gerbaud, A. et André, M., 1979, « Photosynthesis and photorespiration in whole plants of wheat », Plant Physiol., 64, 735-738.Gerbaud, A. et André, M., 1980, « Effect of , , and light on photosynthesis and photorespiration in wheat », Plant Physiol., 66, 1032-1036..
Importance de la présence de l'oxygène thumb|Abondance relative de l'oxygène (en rouge) par rapport à l'hydrogène et l'hélium et les autres éléments dans la Voie lactée..
L'oxygène est l'élément chimique le plus abondant du point de vue de la masse dans la biosphère, l'air, l'eau et les roches terrestres. Il est aussi le troisième élément le plus abondant de l'univers après l'hydrogène et l'hélium et représente environ 0,9 % de la masse du Soleil. Il constitue 49,2 % de la masse de la croûte terrestre. et est le principal constituant de nos océans (88,8 % de leur masse). Le dioxygène est le second composant le plus important de l'atmosphère terrestre, représentant 20,8 % de son volume et 23,1 % de sa masse (soit quelque )Les chiffres ci-contre sont valables pour des altitudes allant jusqu'à au-dessus de la surface terrestre.. La Terre, en présentant un taux si important de dioxygène dans son atmosphère, constitue une exception au sein des planètes du système solaire : le dioxygène des planètes voisines Mars (qui ne représente que 0,1 % du volume de son atmosphère) et Vénus y a des concentrations bien plus faibles (il y est essentiellement produit par les rayons ultraviolets agissant sur les molécules contenant de l'oxygène comme le dioxyde de carbone).
La concentration importante et inhabituelle de dioxygène sur Terre est le résultat des cycles de l'oxygène. Ce cycle biogéochimique décrit les mouvements de cet élément entre ses trois principaux réservoirs sur Terre : l'atmosphère, la biosphère et la lithosphère. Le facteur principal de la réalisation de ces cycles est la photosynthèse qui est le principal responsable de la teneur actuelle en dioxygène sur Terre. Le dioxygène est indispensable à la plupart des écosystèmes : les êtres vivants photosynthétiques dégagent du dioxygène dans l'atmosphère alors que la respiration et la décomposition des animaux et des plantes en consomme. Dans l'équilibre actuel, la production et la consommation se réalisent dans les mêmes proportions : chacun de ces transferts correspond à environ 1/2000 de la totalité de l'oxygène atmosphérique chaque année.. Enfin, l'oxygène est un composant essentiel des molécules qui se retrouvent dans tout être vivant : acides aminés, sucres..
Le dioxygène joue également un rôle important dans le milieu aquatique. L'augmentation de sa solubilité à basse température a un impact notable sur la vie dans les océans. Par exemple, la densité d'espèces vivantes est plus importante dans les eaux polaires en raison de la plus forte concentration du dioxygèneH. W. Harvey, The Chemistry and Fertility of Sea Waters, 1955, citant C. J. J. Fox, On the coefficients of absorption of the atmospheric gases in distilled water and sea water, ICES Journal of Marine Science, , 1907, . Harvey note cependant que d'après de récents articles de Nature, les valeurs semblent être trop élevées de 3 %.. Les eaux polluées contenant des nutriments pour les plantes comme des nitrates ou des phosphates peuvent stimuler la pousse d'algues par un processus appelé « eutrophisation » et la décomposition de ces organismes et d'autres biomatériaux peut réduire la quantité de dioxygène dans les eaux eutrophes. Les scientifiques évaluent cet aspect de la qualité de l'eau en mesurant la demande biochimique en oxygène de l'eau ou la quantité d'oxygène nécessaire pour revenir à une concentration normale d'.
Le dioxygène, à une pression partielle d'au moins 18 % dans l'atmosphère, est l'une des technosignatures ou une signature de la présence de vie recherchée sur les exoplanètes que l'on peut observer. Sur Terre, ce gaz a été essentiel à la respiration des organismes multicellulaires et à la combustion à ciel ouvert nécessaire aux technologies comme la métallurgie, et pourrait être une condition préalable à l'émergence de civilisations technologiques détectables sur d'autres planètes..
Corps simples Allotropes
L'allotrope ordinaire de l'oxygène sur Terre est nommé « dioxygène », de formule chimique . Il présente une longueur de liaison de et une énergie de liaison de . Il s'agit de la forme utilisée par les formes de vie les plus complexes, comme les animaux, lors de la respiration cellulaire et la forme qui constitue la majeure partie de l'atmosphère terrestre.
Le trioxygène O, habituellement nommé « ozone », est un allotrope très réactif de l'oxygène qui est néfaste pour le tissu pulmonaire. L'ozone est un gaz métastable produit dans les hautes couches de l'atmosphère quand le dioxygène se combine à l'oxygène atomique provenant lui-même de la fragmentation du dioxygène par les rayons ultraviolets. Comme l'ozone absorbe fortement dans le domaine des ultraviolets du spectre électromagnétique, la couche d'ozone contribue à la filtration des ultraviolets qui frappent la Terre. Toutefois, près de la surface de la Terre, c'est un polluant produit par la décomposition lors de journées chaudes des oxydes d'azote issus de la combustion des carburants fossiles sous l'effet des rayons solaires ultraviolets.. Depuis les années 1970, la concentration d'ozone dans l'air au niveau du sol augmente du fait des activités humaines.