HISTOIRES D'AIR: L'OXYGENE

 

La découverte de l'oxygène     L'atome d'oxygène
La molécule de dioxygène


« Oxygène : C’est gène qui me gêne dans oxygène
bien qu’ oxy ne me rassure pas non plus.
»
(Jean-Michel Ribes)

 

La découverte de l'oxygène

 
L'oxygène relève d'entrée de jeu d'un certain nombre de malentendus ce qui, en effet, est quelque peu gênant.

Pour commencer, le nom est inexact: on parle d'oxygène alors qu'il conviendrait le plus souvent de parler de dioxygène. Le gaz, la molécule, qui constitue 20,9 % du volume de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer est en effet constitué de deux atomes d'oxygène reliés par liaison covalente.

    

En second lieu, le terme d'oxygène - du grec oxy "acide" et gène "engendrer" - relève d'une erreur d'appréciation du scientifique Antoine Lavoisier qui nomma ainsi la molécule en 1777: « Nous avons donné à la base de la portion respirable de l'air le nom d'oxygène [...] parce qu'en effet une des propriétés les plus générales de cette base est de former des acides en se combinant avec la plupart des substances. Nous appellerons donc gaz oxygène la réunion de cette base avec le calorique. »

Or l'oxygène n'engendre pas de l'acide mais des oxydes, c'est-à-dire un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif que lui. L'oxygène a capacité à former très facilement des composés avec tous les autres éléments chimiques, sauf le fluor qui possède la plus forte électronégativité.

Très répandus, la plupart des minéraux connus sur Terre sont en réalité des oxydes: oxyde de fer pour la rouille, oxyde d'aluminium pour le corindon ou oxyde d'hydrogène pour... l'eau H2O!

 

Même la parenté de la découverte de l'oxygène est erronée. On l'attribue le plus souvent au pasteur britannique Joseph Priestley (1732-1804). En 1774, il provoque la libération d'un gaz qu'il nomme « air déphlogistiqué » en faisant converger les rayons du Soleil vers un tube en verre contenant de l'oxyde de mercure (HgO). Il constate que la flamme des bougies est plus brillante dans ce gaz et que les souris y gagnent en énergie et en longévité. L'ayant lui-même respiré, il écrit: « la sensation dans mes poumons n'était pas sensiblement différente de celle de l'air ordinaire mais j’eus l'impression que ma respiration était particulièrement légère et facile pendant un certain temps par la suite ».  La première expérience d'oxygénation cellulaire ?

L'oxygène fut en réalité découvert deux ans plus tôt par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) . En 1772, il produisit du dioxygène en chauffant de l'oxyde de mercure avec divers nitrates et nomma nomme ce gaz « Feuerluft » ou « Air de feu », en référence à son rôle de comburant. Son livre Traité chimique de l'air et du feu ne paraît toutefois qu'en 1775.

Le chimiste français Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) déclarera également une découverte indépendante, en dépit d'une visite antérieure de  Priestley et d'une lettre de Scheele... En étudiant plus précisément les phénomènes d'oxydation et de combustion, Lavoisier réfuta la théorie phlogistique (chaleur constituée d'un fluide nommée phlogistique) et classa l'oxygène en élément chimique. Dans son livre Sur la combustion en général publié en 1777, il démontre que l'air est un mélange de deux gaz : l'« air vital » essentiel à la respiration et à la combustion et l'azote. Le nom sera ensuite modifié en "oxygène", Lavoisier pensant à tort que l'oxygène est un constituant de tous les acides. C'est en réalité l'hydrogène. L'oxygène n'est pas acidifiant mais oxydant.


Priestley


Scheele


Lavoisier

 

 

L'atome d'oxygène


Côté chimie, l'oxygène est l'élément de numéro atomique 8 et de symbole O faisant partie des non-métaux et plus  spécifiquement des chalcogènes.

L'oxygène est, en masse, le troisième élément le plus abondant de l'Univers après l'hydrogène et l'hélium mais le plus abondant des éléments de l'écorce terrestre :

  • 88,8 % de la masse des océans, sous la forme d'eau H2O

  • 49,2 % 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 1,2×1015 tonnes, soit 20,9% du volume total de l'atmosphère.

  • 62,5 % de la masse du corps humain

  • jusqu'à 88 % de la masse de certains animaux marins.

L'oxygène est en effet un composant essentiel des molécules qui se retrouvent dans tout être vivant : acides aminés, sucres, etc.

La densité d'espèces vivantes est plus importante dans les eaux polaires en raison de la plus forte concentration d'oxygène (augmentation de la solubilité de l'oxygène à basses températures). Au contraire, les eaux polluées, via notamment le développement des algues, réduiront la teneur en dioxygène et donc la vie aquatique.

Les activités humaines, notamment la combustion de 7 milliards de tonnes de combustibles fossiles chaque année,  ont un impact négligeable sur la quantité de dioxygène dans l'atmosphère. Ce n'est malheureusement pas le cas pour la teneur en composés inorganiques, voir la section "Pollutions de l'air".

 

 

La molécule de dioxygène


A l'origine dépourvue de dioxygène, notre planète à généré celui-ci il y a 2,8 milliards d'années (à quelques années près) grâce à la photosynthèse des végétaux, des algues et des cyanobactéries: absorption de dioxyde de carbone CO2 et production de dioxygène. L'écosystème marin produirait selon les théories de 45% à plus de 70% du dioxygène de l'atmosphère.

Cette photosynthèse peut se décrire de manière très poétique par la formule:

6 CO2 + 6 H2O + photons = C6H12O6 + 6 O2 c'est-à-dire dioxyde de carbone + eau + lumière solaire = glucose + dioxygène. Il fallait y penser!

On estime qu'il faudrait environ 2 000 ans à la photosynthèse pour produire la totalité du dioxygène présent aujourd'hui dans l'atmosphère.

 

Au niveau de la stratosphère et sous l'effet du rayonnement solaire, du dioxygène s'est brisé en deux atomes d'oxygène pour ensuite se recombiner avec une molécule de dioxygène, formant l'ozone et sa fameuse couche, bouclier contre les dangereux ultraviolets. C'est ce qui a permis aux premières plantes de quitter les océans il y a près de 475 millions d'années...

Dans le même temps et sous l'effet des mêmes rayonnements, les molécules d'eau présentes dans l'air sont décomposées en dioxygène et dihydrogène.


Le dioxygène est indispensable à tout écosystème : production de dioxygène via les êtres vivants photosynthétiques et consommation de dioxygène via la respiration et la décomposition des animaux et des plantes. Chacun de ces transferts correspond tous les ans à environ 1/2000 de la totalité de l'oxygène atmosphérique.

Le dioxygène est le carburant nécessaire au fonctionnement des cellules chez tous les organismes aérobies, ce que l'on appelle la "respiration cellulaire".  La consommation de dioxygène est ainsi un indice de bonne activité cellulaire, malheureusement mise à mal par le stress et les différentes pollutions. Voir la section oxygénation cellulaire.

Certaines bactéries sont par contre dites "anaérobiques strictes" c'est-à-dire non résistantes à l'oxygène. C'est par exemple le cas du bacille du Tétanos, raison pour laquelle seules les plaies profondes, sans contact avec l'air ambiant et sans saignement, sont à risque. L'oxygène plus efficace que le vaccin (totalement inefficace puisque le Tétanos est une maladie non-immunisante) ? Chut, surtout ne pas gêner la peur du Tétanos liée au business de la vaccination... Fermons la parenthèse.

Le plus grand carnage à cause de l'oxygène eut lieu (dans la plus grande indifférence) lors de la "Grande Oxydation" il y a environ 2,4 milliards d'années: cette crise écologique majeure mena à l'extinction les organismes anaérobies qui peuplaient alors la planète, permettant aux organismes aérobies de prendre le relais. Tant mieux pour nous!

Chez l'homme et les autres vertébrés, le transport du dioxygène vers l'ensemble de l'organisme est assuré essentiellement par l'hémoglobine, une protéine que l'on trouve essentiellement à l'intérieur des globules rouges du sang. Un litre de sang arrive ainsi à dissoudre et à transporter 200 cm3 de dioxygène.

Un adulte au repos inhale entre 1,8 et 2,4 grammes de dioxygène par minute. Un calcul savant permet ainsi d'extrapoler aux plus de six milliards de tonnes de dioxygène inhalées tous les ans par l'humanité.
 

Juste pour le plaisir des yeux et afin de comprendre que nous nous limitons ici à l'essentiel, voici sur la droite le diagramme des orbitales moléculaires (OM) de O2, c'est-à-dire l'interaction entre deux atomes d'oxygène pour former une molécule de dioxygène.

Déjà un peu plus simple, ci-dessous, à gauche, la représentation courante de Lewis du dioxygène: une liaison double, chaque atome portant également deux doublets d'électrons non partagés. A droite, une structure qui rend compte (si si!) du paramagnétisme de cette molécule. Pour plus de détails, direction Wikipedia!

    


Evoquons juste ici que les deux atomes d'oxygène sont liés chimiquement l'un à l'autre dans un état triplet et que cet "état triplet de l'oxygène", exprimé par 3O2,  est l'état fondamental de la molécule de dioxygène. Dans cet état normal, la molécule est paramagnétique, c'est-à-dire qu'elle acquiert une aimantation sous l'effet d'un champ magnétique.

L'oxygène singulet (Singlet en anglais) est le nom donné à plusieurs espèces excitées de la molécule de dioxygène. Dans la nature, ce type d'oxygène très énergétique et réactif se forme durant la photosynthèse à partir de l'eau et de l'énergie solaire. Il est également produit dans la troposphère grâce à la photolyse de l'ozone par des rayons lumineux de courte longueur d'onde ainsi que par le système immunitaire comme une source d'oxygène actif. Il est enfin produit par la technologie d'oxygénation cellulaire Airnergy afin de lutter contre l'hypoxie, c'est-à-dire le manque d'oxygène au niveau cellulaire.

Sur le paradoxe de l'oxygène, indispensable à la vie mais vecteur d'oxydation et de radicaux libres, voir la section Radicaux libres.

 

Sources (de savoir):
Wikipedia

 

 

www.lemieuxetre.fr
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