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Histoires d'air: le monde merveilleux de l'oxygène et du
dioxygène!
L'oxygène est plein de malentendus: sur sa composition
chimique, son nom, ses propriétés et même sur ses découvreurs! On
parle d'oxygène en place de dioxygène, on pense qu'il génère de l'acide
alors qu'il engendre des oxydes, on pense à Priestley ou à Lavoisier au lieu
du chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele... Tout cela n'a finalement pas
grande importance mais, pour une substance aussi présente et vitale que
l'atome d'oxygène, qui se combinera en molécule de dioxygène, cela en dit
long sur notre méconnaissance des fondamentaux. Faites un petit tour au
niveau atomique ou moléculaire avec air-pur.ch du Centre Oasis à Genève!
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.
Sources (de savoir):
Wikipedia
Air-pur.ch, Centre Oasis
9 rue du Vélodrome 1205 Genève, Suisse
Tél: + 41 (0)22 320 8886 air[at]oasis-centre.ch
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