Oxygène : Propriétés et utilisations de l'élément

L'oxygène est un élément vital de l'atmosphère terrestre, indispensable aux processus vitaux et à diverses applications industrielles. Il est largement utilisé en médecine, dans la fabrication et dans les processus chimiques.

Présentation de l'élément

L'oxygène est un élément chimique de symbole O et de numéro atomique 8. Il appartient au groupe des chalcogènes du tableau périodique et est classé parmi les non-métaux. Sous sa forme la plus familière, l'oxygène existe sous la forme d'un gaz diatomique (O₂) qui constitue environ 21 % de l'atmosphère terrestre, ce qui en fait le deuxième composant le plus abondant après l'azote. L'oxygène est essentiel à la respiration aérobie de la plupart des organismes vivants et est profondément impliqué dans les réactions d'oxydo-réduction qui libèrent de l'énergie dans les systèmes biologiques.

Histoire et dénomination

Bien que l'oxygène existe sur Terre depuis des milliards d'années, il n'a été reconnu comme un élément distinct qu'à la fin des années 1700. En 1772, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele a produit de l'oxygène en chauffant de l'oxyde de mercure et d'autres composés, mais ses résultats ont été publiés plus tard. Indépendamment, en 1774, le scientifique anglais Joseph Priestley a produit le même gaz et l'a décrit comme de l'"air déphlogistiqué", reflétant la théorie dominante de la combustion du phlogiston.

La véritable nature de l'oxygène a été clarifiée par Antoine-Laurent Lavoisier, qui l'a reconnu comme un élément et a démontré son rôle central dans la combustion et la respiration. Lavoisier a nommé l'élément "oxygène", dérivé des mots grecs oxys (acide) et genes (former), parce qu'il pensait que l'oxygène était un composant universel des acides. Bien que cette hypothèse se soit révélée incorrecte par la suite, le nom a perduré et reste l'un des plus connus en chimie.

Présence et propriétés générales

L'oxygène est extraordinairement abondant dans la nature. C'est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre en termes de masse, principalement sous la forme d'oxydes et de silicates, et l'élément dominant dans l'eau de mer si l'on exclut l'hydrogène. Dans l'atmosphère, l'oxygène existe principalement sous forme d'O₂, une petite fraction étant présente sous forme d'ozone (O₃) dans la stratosphère, où elle absorbe les rayons ultraviolets nocifs.

D'un point de vue chimique, l'oxygène est un agent oxydant très réactif. Il accepte facilement les électrons d'autres éléments, formant des oxydes stables et libérant de grandes quantités d'énergie. Cette propriété est à la base des processus contrôlés, tels que la respiration et la combustion industrielle, et des processus non contrôlés, tels que la corrosion et les incendies.

Physiquement, l'oxygène est un gaz incolore, inodore et insipide à température ambiante. Lorsqu'il est refroidi à une température inférieure à -183 °C, il se condense en un liquide bleu pâle, et à -218,8 °C, il se solidifie. L'oxygène liquide est fortement paramagnétique, une propriété qui lui permet d'être attiré par un champ magnétique.

Production commerciale et utilisation industrielle

Lorsque de grandes quantités d'oxygène sont nécessaires, la méthode de production la plus courante est la distillation fractionnée de l'air liquide. Ce processus tire parti des différents points d'ébullition des principaux composants de l'air. L'oxygène ayant un point d'ébullition plus élevé que l'azote et l'argon, il est moins volatil et peut être séparé efficacement.

Le processus industriel comporte généralement plusieurs étapes : l'air est d'abord filtré pour éliminer les poussières et les particules ; l'humidité et le dioxyde de carbone sont absorbés à l'aide de solutions alcalines ; l'air purifié est ensuite comprimé et refroidi pour éliminer la chaleur de compression. On laisse une partie de l'air comprimé se dilater, ce qui abaisse encore la température jusqu'à ce que le mélange se liquéfie à environ -196 °C. L'air liquide est progressivement réchauffé et distillé : les gaz nobles plus légers sont d'abord éliminés, l'azote est ensuite séparé, et l'on obtient enfin de l'oxygène liquide de grande pureté. Un fractionnement répété permet d'obtenir de l'oxygène d'une pureté allant jusqu'à 99,5 %, ce qui convient à la plupart des applications industrielles.

L'industrie sidérurgique est le plus grand consommateur d'oxygène pur. Dans les fours à oxygène de base, l'oxygène est soufflé à travers du fer fondu à haute teneur en carbone pour éliminer le carbone et d'autres impuretés plus rapidement et plus facilement qu'avec de l'air ordinaire. L'oxygène est également largement utilisé dans le traitement des eaux usées, où il améliore la décomposition biologique, et dans les systèmes fermés d'incinération des déchets.

Dans l'ingénierie aérospatiale, l'oxygène liquide (LOX) sert de puissant oxydant dans les systèmes de propulsion des fusées. Sa consommation dépend de l'ampleur et de la fréquence des missions spatiales. L'oxygène pur est également essentiel dans les sous-marins et les cloches de plongée, où il permet la vie dans des environnements étanches.

Dans l'industrie chimique, l'air enrichi en oxygène ou l'oxygène commercial a remplacé l'air ordinaire dans la fabrication de l'acétylène, de l'oxyde d'éthylène, du méthanol et d'autres produits chimiques à oxydation contrôlée. En médecine, l'oxygène est indispensable dans les tentes à oxygène, les inhalateurs, les couveuses néonatales et les systèmes d'anesthésie, pour soutenir les patients pendant les opérations chirurgicales et la thérapie respiratoire. L'oxygène joue également un rôle crucial dans les industries utilisant des fours, telles que la verrerie, la production de ciment et la céramique, où il améliore l'efficacité de la combustion et le contrôle de la température.

Questions fréquemment posées

À quoi ressemble l'oxygène et où se trouve-t-il ?
L'oxygène est un gaz incolore et inodore à température ambiante. On le trouve dans l'atmosphère, dissous dans l'eau, lié aux minéraux et incorporé dans presque tous les organismes vivants.

Pourquoi l'oxygène est-il si important pour les organismes vivants ?
L'oxygène permet la respiration aérobie, ce qui permet aux cellules de convertir les nutriments en énergie utilisable sous forme d'ATP. Sans oxygène, la plupart des formes de vie complexes ne peuvent pas survivre.

Comment les plantes et les animaux utilisent-ils l'oxygène ?
Les animaux inhalent de l'oxygène pour alimenter la respiration, tandis que les plantes libèrent de l'oxygène comme sous-produit de la photosynthèse et consomment également de l'oxygène au cours de leur propre respiration cellulaire.

Comment l'oxygène est-il produit et utilisé dans l'industrie et la médecine ?
Dans l'industrie, l'oxygène est principalement produit par distillation fractionnée de l'air liquide et utilisé dans la sidérurgie, la synthèse chimique, le traitement de l'eau et la propulsion des fusées. Sur le plan médical, il aide les patients souffrant de difficultés respiratoires, soutient l'anesthésie et maintient la vie dans les environnements de soins intensifs.