Oxygène

L’oxygène est l'élément chimique portant le symbole O et le numéro atomique 8. C’est un membre du groupe des chalcogènes du tableau périodique, un non métallique hautement réactif et un agent oxydant qui forme facilement des oxydes avec la plupart des éléments ainsi qu’avec d’autres composés. En masse, l’oxygène est le troisième élément le plus abondant dans l’univers, après l’hydrogène et l’hélium. À température et pression normales, deux atomes de l'élément se lient pour former du dioxygène, un gaz diatomique incolore et inodore de formule O2. Le gaz diatomique oxygène constitue 20,8 % de l’atmosphère terrestre. Sous forme de composés comprenant des oxydes, l'élément constitue près de la moitié de la croûte terrestre.

Le dioxygène fournit l'énergie libérée lors de la combustion et de la respiration cellulaire aérobie, et de nombreuses grandes classes de molécules organiques dans les organismes vivants contiennent des atomes d’oxygène, comme les protéines, les acides nucléiques, les glucides et les graisses, tout comme les principaux composés inorganiques constitutifs des coquilles, des dents et des os des animaux. La plus grande partie de la masse des organismes vivants est constituée d’oxygène en tant que composante de l’eau, le principal constituant des formes de vie. L’oxygène est continuellement renouvelé dans l’atmosphère terrestre par la photosynthèse, qui utilise l'énergie de la lumière du soleil pour produire de l’oxygène à partir de l’eau et du dioxyde de carbone. L’oxygène est trop réactif chimiquement pour rester un élément libre dans l’air sans être continuellement reconstitué par l’action photosynthétique des organismes vivants. Une autre forme (allotrope) d’oxygène, l’ozone (O 3), absorbe fortement le rayonnement ultraviolet UVB et la couche d’ozone de haute altitude contribue à protéger la biosphère du rayonnement ultraviolet. Cependant, l’ozone présent à la surface est un sous-produit du smog et donc un polluant.

L’oxygène a été isolé par Michael Sendivogius avant 1604, mais on pense généralement que l'élément a été découvert indépendamment par Carl Wilhelm Scheele, à Uppsala, en 1773 ou avant, et Joseph Priestley dans le Wiltshire, en 1774. La priorité est souvent donnée à Priestley parce que ses travaux ont été publiés en premier. Priestley, cependant, a appelé l’oxygène “air déphalogéné”, et ne l’a pas reconnu comme un élément chimique. Le nom d’oxygène a été inventé en 1777 par Antoine Lavoisier, qui a été le premier à reconnaître l’oxygène comme un élément chimique et à caractériser correctement le rôle qu’il joue dans la combustion.

Les utilisations courantes de l’oxygène comprennent la production d’acier, de plastiques et de textiles, le brasage, le soudage et le découpage des aciers et autres métaux, le propergol pour fusées, l’oxygénothérapie et les systèmes de survie dans les avions, les sous-marins, les vols spatiaux et la plongée.

Histoire

Les premières expériences

L’une des premières expériences connues sur la relation entre la combustion et l’air a été menée par l'écrivain grec du IIe siècle avant Jésus-Christ, Philon de Byzance, sur la mécanique. Dans son ouvrage Pneumatica, Philon a observé que le fait de renverser un récipient sur une bougie allumée et d’entourer le cou du récipient avec de l’eau faisait monter de l’eau dans le cou. Philon a supposé à tort que des parties de l’air dans le récipient étaient converties en feu d'élément classique et pouvaient ainsi s'échapper par les pores du verre. Plusieurs siècles plus tard, Léonard de Vinci s’est appuyé sur les travaux de Philon en observant qu’une partie de l’air est consommée pendant la combustion et la respiration.

À la fin du XVIIe siècle, Robert Boyle a prouvé que l’air est nécessaire à la combustion. Le chimiste anglais John Mayow (1641-1679) a affiné ce travail en montrant que le feu ne nécessite qu’une partie de l’air qu’il a appelé spiritus nitroaereus. Lors d’une expérience, il a découvert que le fait de placer une souris ou une bougie allumée dans un récipient fermé au-dessus de l’eau faisait monter l’eau et remplaçait un quart du volume de l’air avant d'éteindre les sujets. Il en a déduit que le nitroaereus est consommé à la fois par la respiration et par la combustion.

Mayow observa que l’antimoine augmentait de poids lorsqu’il était chauffé, et en déduisit que le nitroaereus devait se combiner avec lui. Il pensait également que les poumons séparent le nitroaereus de l’air et le font passer dans le sang et que la chaleur animale et le mouvement des muscles résultent de la réaction du nitroaereus avec certaines substances du corps. Des comptes rendus de ces expériences et idées, ainsi que d’autres, ont été publiés en 1668 dans son ouvrage Tractatus duo dans le tractus “De respiratione”.

Théorie du phlogiston

Robert Hooke, Ole Borch, Mikhaïl Lomonosov et Pierre Bayen ont tous produit de l’oxygène lors d’expériences menées aux XVIIe et XVIIIe siècles, mais aucun d’entre eux ne l’a reconnu comme un élément chimique. Cela est peut-être dû en partie à la prédominance de la philosophie de la combustion et de la corrosion appelée théorie du phlogiston, qui était alors l’explication privilégiée de ces processus.

Établie en 1667 par l’alchimiste allemand J. J. Becher, et modifiée par le chimiste Georg Ernst Stahl en 1731, la théorie du phlogiston affirmait que tous les matériaux combustibles étaient constitués de deux parties. Une partie, appelée phlogiston, se dégageait lorsque la substance qui la contenait était brûlée, tandis que la partie déphlogistique était considérée comme sa véritable forme, ou calice.

Les matériaux hautement combustibles qui laissent peu de résidus, tels que le bois ou le charbon, étaient considérés comme étant principalement constitués de phlogiston ; les substances non combustibles qui se corrodent, telles que le fer, en contenaient très peu. L’air n’a pas joué de rôle dans la théorie du phlogiston, et aucune expérience quantitative initiale n’a été menée pour tester l’idée ; elle était plutôt basée sur des observations de ce qui se passe quand quelque chose brûle, que les objets les plus courants semblent devenir plus légers et semblent perdre quelque chose dans le processus.

Découverte

L’alchimiste, philosophe et médecin polonais Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) a décrit dans son ouvrage De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti (1604) une substance contenue dans l’air, appelée “cibus vitae” (nourriture de la vie), et cette substance est identique à l’oxygène. Sendivogius, lors de ses expériences réalisées entre 1598 et 1604, a reconnu à juste titre que cette substance est équivalente au sous-produit gazeux libéré par la décomposition thermique du nitrate de potassium. Selon Bugaj, l’isolement de l’oxygène et l’association correcte de la substance à la partie de l’air nécessaire à la vie, donne suffisamment de poids à la découverte de l’oxygène par Sendivogius. Cette découverte de Sendivogius a cependant été fréquemment démentie par les générations de scientifiques et de chimistes qui lui ont succédé.

Il est également communément affirmé que l’oxygène a été découvert pour la première fois par le pharmacien suédois Carl Wilhelm Scheele. Il avait produit de l’oxygène gazeux en chauffant de l’oxyde mercurique et divers nitrates en 1771-1772. Scheele a appelé ce gaz “air de feu” parce qu’il était alors le seul agent connu pour favoriser la combustion. Il a écrit un compte-rendu de cette découverte dans un manuscrit intitulé Treatise on Air and Fire, qu’il a envoyé à son éditeur en 1775. Ce document a été publié en 1777.

Entre-temps, le 1er août 1774, une expérience menée par l’ecclésiastique britannique Joseph Priestley a focalisé la lumière du soleil sur l’oxyde mercurique (HgO) contenu dans un tube de verre, qui a libéré un gaz qu’il a appelé “air déphlogistiqué”. Il a constaté que les bougies brûlaient plus intensément dans ce gaz et qu’une souris était plus active et vivait plus longtemps en le respirant. Après avoir lui-même respiré le gaz, Priestley écrivit : “La sensation qu’il procurait à mes poumons n'était pas sensiblement différente de celle de l’air ordinaire, mais j’imaginais que ma poitrine était particulièrement légère et facile pendant un certain temps après”. Priestley a publié ses découvertes en 1775 dans un article intitulé “An Account of Further Discoveries in Air”, qui a été inclus dans le deuxième volume de son livre intitulé Experiments and Observations on Different Kinds of Air. Parce qu’il a publié ses découvertes en premier, Priestley est généralement considéré comme prioritaire dans la découverte.

Le chimiste français Antoine Laurent Lavoisier a par la suite affirmé avoir découvert la nouvelle substance de manière indépendante. Priestley a rendu visite à Lavoisier en octobre 1774 et lui a parlé de son expérience et de la façon dont il a libéré le nouveau gaz. Scheele avait également envoyé une lettre à Lavoisier le 30 septembre 1774, qui décrivait sa découverte de la substance précédemment inconnue, mais Lavoisier n’a jamais accusé réception. (Une copie de la lettre a été trouvée dans les affaires de Scheele après sa mort).

La contribution de Lavoisier

Lavoisier a mené les premières expériences quantitatives adéquates sur l’oxydation et a donné la première explication correcte du fonctionnement de la combustion. Il a utilisé ces expériences et d’autres similaires, toutes commencées en 1774, pour discréditer la théorie du phlogiston et pour prouver que la substance découverte par Priestley et Scheele était un élément chimique.

Dans une expérience, Lavoisier a observé qu’il n’y avait pas d’augmentation globale de poids lorsque l'étain et l’air étaient chauffés dans un récipient fermé. Il a noté que l’air s’engouffrait à l’intérieur lorsqu’il ouvrait le récipient, ce qui indiquait qu’une partie de l’air emprisonné avait été consommée. Il a également noté que le poids de l'étain avait augmenté et que cette augmentation était la même que le poids de l’air qui s'était engouffré à l’intérieur. Cette expérience et d’autres expériences sur la combustion ont été documentées dans son livre “Sur la combustion en général”, publié en 1777. Dans cet ouvrage, il a prouvé que l’air est un mélange de deux gaz : “l’air vital”, qui est essentiel à la combustion et à la respiration, et l’azote (Gk. ἄζωτον “lifeless”), qui ne supporte ni l’un ni l’autre. L’Azote est devenu plus tard l’azote en anglais, bien qu’il ait conservé son nom antérieur en français et dans plusieurs autres langues européennes.

Lavoisier a rebaptisé “air vital” en oxygène en 1777 à partir des racines grecques ὀξύς (oxys) (acide, littéralement “aigu”, du goût des acides) et -γενής (-genēs) (producteur, littéralement “engendreur”), car il croyait à tort que l’oxygène était un constituant de tous les acides. Les chimistes (comme Sir Humphry Davy en 1812) ont fini par déterminer que Lavoisier se trompait à cet égard (l’hydrogène est à la base de la chimie des acides), mais à l'époque, le nom était trop bien établi.

L’oxygène est entré dans la langue anglaise malgré l’opposition des scientifiques anglais et le fait que l’Anglais Priestley avait d’abord isolé le gaz et écrit à ce sujet. Ceci est dû en partie à un poème faisant l'éloge du gaz intitulé “Oxygène” dans le livre populaire Le Jardin Botanique (1791) d’Erasmus Darwin, grand-père de Charles Darwin.

Histoire ultérieure

L’hypothèse atomique originale de John Dalton présumait que tous les éléments étaient monatomiques et que les atomes des composés auraient normalement les rapports atomiques les plus simples les uns par rapport aux autres. Par exemple, Dalton a supposé que la formule de l’eau était HO, ce qui a conduit à la conclusion que la masse atomique de l’oxygène était 8 fois supérieure à celle de l’hydrogène, au lieu de la valeur moderne d’environ 16. En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt ont montré que l’eau est formée de deux volumes d’hydrogène et d’un volume d’oxygène ; et en 1811, Amedeo Avogadro était parvenu à une interprétation correcte de la composition de l’eau, basée sur ce que l’on appelle aujourd’hui la loi d’Avogadro et les molécules élémentaires diatomiques de ces gaz.

À la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont réalisé que l’air pouvait être liquéfié et ses composants isolés en le comprimant et en le refroidissant. En utilisant une méthode en cascade, le chimiste et physicien suisse Raoul Pierre Pictet a fait évaporer du dioxyde de soufre liquide afin de liquéfier le dioxyde de carbone, qui à son tour a été évaporé pour refroidir suffisamment l’oxygène gazeux pour le liquéfier. Il a envoyé un télégramme le 22 décembre 1877 à l’Académie française des sciences à Paris pour annoncer sa découverte de l’oxygène liquide. Deux jours plus tard, le physicien français Louis Paul Cailletet annonçait sa propre méthode de liquéfaction de l’oxygène moléculaire. Seules quelques gouttes du liquide ont été produites dans chaque cas et aucune analyse significative n’a pu être effectuée. L’oxygène a été liquéfié pour la première fois dans un état stable le 29 mars 1883 par des scientifiques polonais de l’Université Jagellon, Zygmunt Wróblewski et Karol Olszewski.

En 1891, le chimiste écossais James Dewar a réussi à produire suffisamment d’oxygène liquide pour l'étude. Le premier procédé commercialement viable pour la production d’oxygène liquide a été développé indépendamment en 1895 par l’ingénieur allemand Carl von Linde et l’ingénieur britannique William Hampson. Les deux hommes ont abaissé la température de l’air jusqu'à sa liquéfaction, puis ont distillé les gaz composants en les faisant bouillir un à la fois et en les capturant séparément. Plus tard, en 1901, le soudage à l’oxyacétylène a été démontré pour la première fois en brûlant un mélange d’acétylène et d’O2 comprimé. Cette méthode de soudage et de découpage du métal est devenue courante par la suite.

En 1923, le scientifique américain Robert H. Goddard fut le premier à développer un moteur de fusée qui brûlait du carburant liquide ; le moteur utilisait de l’essence comme carburant et de l’oxygène liquide comme oxydant. Goddard a réussi à faire voler une petite fusée à carburant liquide de 56 m à 97 km/h le 16 mars 1926 à Auburn, dans le Massachusetts, aux États-Unis.

Dans les laboratoires universitaires, l’oxygène peut être préparé en chauffant ensemble du chlorate de potassium mélangé à une petite proportion de dioxyde de manganèse.

Les niveaux d’oxygène dans l’atmosphère ont tendance à diminuer légèrement à l'échelle mondiale, peut-être en raison de la combustion de combustibles fossiles.

Présence naturelle

L’oxygène est l'élément chimique le plus abondant en masse dans la biosphère, l’air, la mer et la terre de la Terre. L’oxygène est le troisième élément chimique le plus abondant dans l’univers, après l’hydrogène et l’hélium. Environ 0,9 % de la masse du Soleil est constituée d’oxygène. L’oxygène constitue 49,2 % de la masse de la croûte terrestre en tant que partie des composés d’oxyde tels que le dioxyde de silicium et est l'élément le plus abondant en masse dans la croûte terrestre. Il est également le principal composant des océans du monde (88,8 % en masse). L’oxygène gazeux est le deuxième composant le plus courant de l’atmosphère terrestre, occupant 20,8 % de son volume et 23,1 % de sa masse (environ 1015 tonnes). La Terre est inhabituelle parmi les planètes du système solaire en raison de la concentration élevée d’oxygène gazeux dans son atmosphère : Mars (avec 0,1 % d’O2 en volume) et Vénus en ont beaucoup moins. L’O2 qui entoure ces planètes est produit uniquement par l’action du rayonnement ultraviolet sur les molécules contenant de l’oxygène comme le dioxyde de carbone. Carte du monde montrant que l’oxygène à la surface de la mer s’appauvrit autour de l'équateur et augmente vers les pôles.

La concentration exceptionnellement élevée d’oxygène gazeux sur Terre est le résultat du cycle de l’oxygène. Ce cycle biogéochimique décrit le mouvement de l’oxygène dans et entre ses trois principaux réservoirs sur Terre : l’atmosphère, la biosphère et la lithosphère. Le principal facteur déterminant du cycle de l’oxygène est la photosynthèse, qui est responsable de l’atmosphère terrestre moderne. La photosynthèse libère l’oxygène dans l’atmosphère, tandis que la respiration, la décomposition et la combustion l’enlèvent de l’atmosphère. Dans l'équilibre actuel, la production et la consommation se font au même rythme.

L’oxygène libre est également présent en solution dans les masses d’eau du monde. La solubilité accrue de l’O2 à des températures plus basses (voir Propriétés physiques) a des implications importantes pour la vie océanique, car les océans polaires supportent une densité de vie beaucoup plus élevée en raison de leur teneur plus élevée en oxygène. L’eau polluée par des nutriments végétaux tels que les nitrates ou les phosphates peut stimuler la croissance des algues par un processus appelé eutrophisation et la décomposition de ces organismes et d’autres biomatériaux peut réduire la teneur en O2 dans les masses d’eau 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’O2 nécessaire pour la ramener à une concentration normale.

Analyse

Évolution temporelle de la concentration en oxygène 18 à l'échelle de 500 millions d’années montrant de nombreux pics locaux.

Les paléoclimatologues mesurent le rapport entre l’oxygène 18 et l’oxygène 16 dans les coquilles et les squelettes des organismes marins pour déterminer le climat d’il y a des millions d’années (voir le cycle du rapport isotopique de l’oxygène). Les molécules d’eau de mer qui contiennent l’isotope le plus léger, l’oxygène-16, s'évaporent à un rythme légèrement plus rapide que les molécules d’eau qui contiennent l’oxygène-18, 12% plus lourd, et cette disparité augmente à des températures plus basses. Pendant les périodes où les températures mondiales sont plus basses, la neige et la pluie provenant de cette eau évaporée ont tendance à avoir une teneur plus élevée en oxygène-16, et l’eau de mer laissée sur place a tendance à avoir une teneur plus élevée en oxygène-18. Les organismes marins incorporent alors plus d’oxygène 18 dans leur squelette et leur coquille qu’ils ne le feraient dans un climat plus chaud. Les paléoclimatologues mesurent aussi directement ce rapport dans les molécules d’eau des échantillons de carottes de glace vieilles de centaines de milliers d’années.

Les géologues planétaires ont mesuré les quantités relatives d’isotopes de l’oxygène dans des échantillons provenant de la Terre, de la Lune, de Mars et de météorites, mais ont longtemps été incapables d’obtenir des valeurs de référence pour les rapports isotopiques dans le Soleil, que l’on croit être les mêmes que ceux de la nébuleuse solaire primordiale. L’analyse d’une plaquette de silicium exposée au vent solaire dans l’espace et renvoyée par le vaisseau spatial Genesis qui s’est écrasé a montré que le Soleil contient une plus grande proportion d’oxygène-16 que la Terre. La mesure implique qu’un processus inconnu a épuisé l’oxygène-16 du disque solaire de matière protoplanétaire avant la coalescence des grains de poussière qui ont formé la Terre.

L’oxygène présente deux bandes d’absorption spectrophotométriques culminant aux longueurs d’onde 687 et 760 nm. Certains scientifiques de la télédétection ont proposé d’utiliser la mesure de la radiance provenant des couverts végétaux dans ces bandes pour caractériser l'état sanitaire des plantes à partir d’une plate-forme satellite. Cette approche exploite le fait que dans ces bandes, il est possible de distinguer la réflectance de la végétation de sa fluorescence, qui est beaucoup plus faible. La mesure est techniquement difficile en raison du faible rapport signal/bruit et de la structure physique de la végétation ; mais elle a été proposée comme une méthode possible de surveillance du cycle du carbone à partir de satellites à l'échelle mondiale.

Production

Cent millions de tonnes d’O2 sont extraites chaque année de l’air à des fins industrielles par deux méthodes principales. La méthode la plus courante est la distillation fractionnée de l’air liquéfié, le N2 étant distillé sous forme de vapeur tandis que l’O2 est laissé sous forme liquide.

L’autre méthode primaire de production d’O2 consiste à faire passer un flux d’air propre et sec à travers un lit d’une paire de tamis moléculaires zéolitiques identiques, qui absorbe l’azote et délivre un flux gazeux contenant 90 à 93 % d’O2. Simultanément, de l’azote gazeux est libéré de l’autre lit de zéolithe saturée en azote, en réduisant la pression de fonctionnement de la chambre et en détournant une partie de l’oxygène gazeux du lit producteur à travers celle-ci, dans le sens inverse de l'écoulement. Après une durée de cycle déterminée, le fonctionnement des deux lits est échangé, ce qui permet de pomper un approvisionnement continu en oxygène gazeux par un pipeline. C’est ce qu’on appelle l’adsorption à pression alternée. L’oxygène gazeux est de plus en plus obtenu par ces technologies non cryogéniques (voir également l’adsorption modulée en pression sous vide correspondante).

L’oxygène gazeux peut également être produit par l'électrolyse de l’eau en oxygène moléculaire et en hydrogène. Il faut utiliser de l'électricité en courant continu : si l’on utilise du courant alternatif, les gaz de chaque membre sont constitués d’hydrogène et d’oxygène dans un rapport explosif de 2:1. Une méthode similaire est l'évolution électrocatalytique de l’O2 à partir d’oxydes et d’oxoacides. Les catalyseurs chimiques peuvent également être utilisés, par exemple dans les générateurs chimiques d’oxygène ou les bougies à oxygène qui font partie de l'équipement de survie des sous-marins, et font toujours partie de l'équipement standard des avions de ligne commerciaux en cas d’urgence de dépressurisation. Une autre méthode de séparation de l’air consiste à forcer l’air à se dissoudre à travers des membranes céramiques à base de dioxyde de zirconium, soit par haute pression, soit par un courant électrique, pour produire du gaz O2 presque pur.

Stockage

Les méthodes de stockage de l’oxygène comprennent les réservoirs d’oxygène à haute pression, la cryogénie et les composés chimiques. Pour des raisons d'économie, l’oxygène est souvent transporté en vrac sous forme liquide dans des camions-citernes spécialement isolés, car un litre d’oxygène liquéfié équivaut à 840 litres d’oxygène gazeux à la pression atmosphérique et à 20 °C (68 °F). Ces navires-citernes sont utilisés pour remplir les conteneurs de stockage d’oxygène liquide en vrac, qui se trouvent en dehors des hôpitaux et autres institutions qui ont besoin de grands volumes d’oxygène gazeux pur. L’oxygène liquide passe par des échangeurs de chaleur, qui convertissent le liquide cryogénique en gaz avant qu’il n’entre dans le bâtiment. L’oxygène est également stocké et expédié dans des bouteilles plus petites contenant le gaz comprimé, une forme qui est utile dans certaines applications médicales portables et dans le soudage et le coupage oxy-combustible.

Usage économique

Medizin

L’absorption de l’O2 de l’air est le but essentiel de la respiration, c’est pourquoi la médecine utilise la supplémentation en oxygène. Le traitement n’augmente pas seulement le niveau d’oxygène dans le sang du patient, mais a pour effet secondaire de diminuer la résistance au flux sanguin dans de nombreux types de poumons malades, ce qui allège la charge de travail du cœur. L’oxygénothérapie est utilisée pour traiter l’emphysème, la pneumonie, certains troubles cardiaques (insuffisance cardiaque congestive), certains troubles qui provoquent une augmentation de la pression dans les artères pulmonaires, et toute maladie qui entrave la capacité de l’organisme à absorber et à utiliser l’oxygène gazeux.

Les traitements sont suffisamment souples pour être utilisés dans les hôpitaux, au domicile du patient ou, de plus en plus, au moyen d’appareils portables. Les tentes à oxygène étaient autrefois couramment utilisées pour la supplémentation en oxygène, mais elles ont depuis été remplacées principalement par l’utilisation de masques à oxygène ou de canules nasales.

La médecine hyperbare (haute pression) utilise des chambres à oxygène spéciales pour augmenter la pression partielle de l’O2 autour du patient et, si nécessaire, du personnel médical. L’empoisonnement au monoxyde de carbone, la gangrène gazeuse et le mal de décompression (les “coudes”) sont parfois traités par cette thérapie. L’augmentation de la concentration d’O2 dans les poumons contribue à déplacer le monoxyde de carbone du groupe hémoglobine. L’oxygène gazeux est un poison pour les bactéries anaérobies qui causent la gangrène gazeuse, donc l’augmentation de sa pression partielle aide à les tuer. Le mal de décompression se produit chez les plongeurs qui décompressent trop rapidement après une plongée, ce qui entraîne la formation de bulles de gaz inerte, principalement d’azote et d’hélium, dans le sang. Augmenter la pression de l’O2 le plus tôt possible aide à redissoudre les bulles dans le sang afin que ces gaz en excès puissent être expirés naturellement par les poumons. L’administration d’oxygène normobarique à la plus haute concentration disponible est fréquemment utilisée comme premier secours pour toute blessure de plongée pouvant entraîner la formation de bulles de gaz inerte dans les tissus. Son utilisation est étayée par des données épidémiologiques provenant d’une étude statistique des cas enregistrés dans une base de données à long terme.

Maintien des fonctions vitales et utilisation à des fins récréatives

L’O2 est utilisé comme gaz respiratoire à basse pression dans les combinaisons spatiales modernes, qui entourent le corps de leurs occupants avec le gaz respiratoire. Ces appareils utilisent de l’oxygène presque pur à environ un tiers de la pression normale, ce qui donne une pression partielle sanguine normale d’O2. Ce compromis entre une concentration d’oxygène plus élevée et une pression plus basse est nécessaire pour maintenir la souplesse des combinaisons.

Les plongeurs sous-marins et les sous-mariniers approvisionnés en surface et en profondeur ont également besoin d’O2 délivré artificiellement. Les sous-marins, les submersibles et les combinaisons de plongée atmosphérique fonctionnent généralement à une pression atmosphérique normale. L’air respirable est débarrassé du dioxyde de carbone par extraction chimique et l’oxygène est remplacé pour maintenir une pression partielle constante. Les plongeurs à pression atmosphérique respirent de l’air ou des mélanges de gaz avec une fraction d’oxygène adaptée à la profondeur d’opération. L’utilisation d’O2 pur ou presque pur en plongée à des pressions supérieures à la pression atmosphérique est généralement limitée aux recycleurs, ou à la décompression à des profondeurs relativement faibles (~6 mètres de profondeur, ou moins), ou au traitement médical dans des chambres de recompression à des pressions allant jusqu'à 2,8 bars, où la toxicité aiguë de l’oxygène peut être gérée sans risque de noyade. La plongée plus profonde nécessite une dilution importante de l’O2 avec d’autres gaz, tels que l’azote ou l’hélium, pour éviter la toxicité de l’oxygène.

Les personnes qui escaladent des montagnes ou qui volent dans des avions non pressurisés disposent parfois de réserves d’O2 supplémentaires. Les avions commerciaux pressurisés disposent d’une réserve d’urgence d’O2 fournie automatiquement aux passagers en cas de dépressurisation de la cabine. Une perte soudaine de pression dans la cabine active des générateurs chimiques d’oxygène au-dessus de chaque siège, ce qui fait tomber les masques à oxygène. Le fait de tirer sur les masques “pour démarrer le flux d’oxygène”, comme l’indiquent les instructions de sécurité de la cabine, force la limaille de fer à pénétrer dans le chlorate de sodium à l’intérieur du bidon. Un flux continu d’oxygène gazeux est alors produit par la réaction exothermique.

L’oxygène, en tant qu’euphorisant léger, est utilisé depuis longtemps dans les bars à oxygène et dans les sports. Les bars à oxygène sont des établissements que l’on trouve aux États-Unis depuis la fin des années 1990 et qui offrent une exposition à l’O2 supérieure à la normale pour un prix minime. Les athlètes professionnels, notamment dans le football américain, sortent parfois du terrain entre les matchs pour enfiler des masques à oxygène afin d’améliorer leurs performances. L’effet pharmacologique est douteux ; un effet placebo est une explication plus probable. Les études disponibles soutiennent que les mélanges enrichis en oxygène n’améliorent les performances que s’ils sont respirés pendant un exercice d’aérobic.

Parmi les autres utilisations récréatives qui n’impliquent pas la respiration, on peut citer les applications pyrotechniques, comme l’allumage en cinq secondes des grilles de barbecue de George Goble.

Industrie

La fusion du minerai de fer en acier consomme 55 % de l’oxygène produit commercialement. Dans ce processus, l’O2 est injecté dans le fer en fusion par une lance à haute pression, qui élimine les impuretés de soufre et l’excès de carbone sous forme d’oxydes respectifs, le SO2 et le CO2. Les réactions sont exothermiques, de sorte que la température augmente jusqu'à 1 700 °C.

Un autre quart de l’oxygène produit commercialement est utilisé par l’industrie chimique. L'éthylène réagit avec l’O2 pour créer de l’oxyde d'éthylène qui, à son tour, est converti en éthylène glycol ; le principal matériau d’alimentation utilisé pour fabriquer une foule de produits, notamment des antigels et des polymères de polyester (les précurseurs de nombreux plastiques et tissus).

La majeure partie des 20 % restants de l’oxygène produit commercialement est utilisée dans des applications médicales, le découpage et le soudage des métaux, comme oxydant dans le carburant pour fusée et dans le traitement de l’eau. L’oxygène est utilisé dans le soudage oxyacétylénique en brûlant de l’acétylène avec de l’O2 pour produire une flamme très chaude. Dans ce processus, le métal d’une épaisseur maximale de 60 cm est d’abord chauffé avec une petite flamme d’oxyacétylène, puis rapidement coupé par un grand flux d’O2.

Biologie

Photosynthèse et respiration

Dans la nature, l’oxygène libre est produit par la division de l’eau par la lumière au cours de la photosynthèse oxygénée. Selon certaines estimations, les algues vertes et les cyanobactéries des milieux marins fournissent environ 70 % de l’oxygène libre produit sur Terre, et le reste est produit par les plantes terrestres. D’autres estimations de la contribution océanique à l’oxygène atmosphérique sont plus élevées, tandis que certaines estimations sont plus basses, suggérant que les océans produisent ~45 % de l’oxygène atmosphérique de la Terre chaque année.

L'évolution photolytique de l’oxygène se produit dans les membranes thylacoïdes des organismes photosynthétiques et nécessite l'énergie de quatre photons. De nombreuses étapes sont impliquées, mais le résultat est la formation d’un gradient de protons à travers la membrane thylakoïde, qui est utilisé pour synthétiser l’adénosine triphosphate (ATP) par photophosphorylation. L’O2 restant (après production de la molécule d’eau) est libéré dans l’atmosphère.

L'énergie chimique de l’oxygène est libérée dans les mitochondries pour générer de l’ATP lors de la phosphorylation oxydative. Chez les vertébrés, l’O2 se diffuse à travers les membranes des poumons et dans les globules rouges. L’hémoglobine se lie à l’O2, changeant de couleur et passant du rouge bleuté au rouge vif (le CO2 est libéré par une autre partie de l’hémoglobine par l’effet Bohr). D’autres animaux utilisent l’hémocyanine (mollusques et certains arthropodes) ou l’hémythrine (araignées et homards). Un litre de sang peut dissoudre 200 cm3 d’O2.

Jusqu'à la découverte des métazoaires anaérobies, on pensait que l’oxygène était nécessaire à toute vie complexe.

Certaines parties du système immunitaire des organismes supérieurs créent du peroxyde, du superoxyde et de l’oxygène singulet pour détruire les microbes envahisseurs. Les espèces réactives de l’oxygène jouent également un rôle important dans la réponse hypersensible des plantes contre l’attaque des pathogènes. L’oxygène est nuisible aux organismes obligatoirement anaérobies, qui étaient la forme dominante de la vie primitive sur Terre jusqu'à ce que l’O2 commence à s’accumuler dans l’atmosphère il y a environ 2,5 milliards d’années lors du Grand événement d’oxygénation, soit environ un milliard d’années après la première apparition de ces organismes.

Un humain adulte au repos inhale 1,8 à 2,4 grammes d’oxygène par minute. Cela équivaut à plus de 6 milliards de tonnes d’oxygène inhalé par l’humanité par an.

Les organismes vivants

La pression partielle d’oxygène libre dans le corps d’un organisme vertébré vivant est la plus élevée dans le système respiratoire et diminue le long de tout système artériel, des tissus périphériques et du système veineux, respectivement. La pression partielle est la pression que l’oxygène aurait s’il occupait seul le volume.

Atmosphère

Le gaz oxygène libre était presque inexistant dans l’atmosphère terrestre avant que les archées et les bactéries photosynthétiques n’apparaissent, probablement il y a environ 3,5 milliards d’années. L’oxygène libre est apparu pour la première fois en quantités importantes au cours de l'éon paléoprotérozoïque (entre 3,0 et 2,3 milliards d’années). Même s’il y avait beaucoup de fer dissous dans les océans lorsque la photosynthèse oxygénée devenait plus courante, il semble que les formations de fer rubané aient été créées par des bactéries oxydant le fer anoxyéniques ou micro-aérophiles qui dominaient les zones profondes de la zone photique, tandis que les cyanobactéries productrices d’oxygène couvraient les hauts-fonds. L’oxygène libre a commencé à s'échapper des océans il y a 3 à 2,7 milliards d’années, pour atteindre 10 % de son niveau actuel il y a environ 1,7 milliard d’années.

La présence de grandes quantités d’oxygène dissous et libre dans les océans et l’atmosphère pourrait avoir conduit la plupart des organismes anaérobies existants à l’extinction lors du Grand événement d’oxygénation (catastrophe de l’oxygène) il y a environ 2,4 milliards d’années. La respiration cellulaire à l’aide d’O2 permet aux organismes aérobies de produire beaucoup plus d’ATP que les organismes anaérobies. La respiration cellulaire de l’O2 se produit chez tous les eucaryotes, y compris tous les organismes multicellulaires complexes tels que les plantes et les animaux.

Depuis le début de la période cambrienne, il y a 540 millions d’années, les niveaux d’O2 atmosphérique ont fluctué entre 15 et 30 % en volume. Vers la fin de la période du Carbonifère (il y a environ 300 millions d’années), les niveaux d’O2 atmosphérique ont atteint un maximum de 35 % en volume, ce qui peut avoir contribué à la grande taille des insectes et des amphibiens à cette époque.

Les variations de la concentration d’oxygène atmosphérique ont façonné les climats du passé. Lorsque l’oxygène a diminué, la densité atmosphérique a baissé, ce qui a augmenté l'évaporation de surface, entraînant une augmentation des précipitations et des températures plus élevées.

Au rythme actuel de la photosynthèse, il faudrait environ 2 000 ans pour régénérer la totalité de l’O2 dans l’atmosphère actuelle.

Sécurité

La norme NFPA 704 classe l’oxygène gazeux comprimé comme non dangereux pour la santé, ininflammable et non réactif, mais comme un oxydant. L’oxygène liquide réfrigéré (LOX) a une cote de danger pour la santé de 3 (pour un risque accru d’hyperoxie par les vapeurs condensées et pour les dangers communs aux liquides cryogéniques tels que les gelures), et toutes les autres cotes sont les mêmes que pour la forme gazeuse comprimée.

L’oxygène gazeux (O2) peut être toxique à des pressions partielles élevées, entraînant des convulsions et d’autres problèmes de santé. La toxicité de l’oxygène commence généralement à se manifester à des pressions partielles supérieures à 50 kilopascals (kPa), ce qui correspond à environ 50 % de la composition de l’oxygène à la pression standard ou à 2,5 fois la pression partielle normale de l’O2 au niveau de la mer, qui est d’environ 21 kPa. Ce n’est pas un problème, sauf pour les patients sous respirateur mécanique, car le gaz fourni par les masques à oxygène dans les applications médicales n’est généralement composé que de 30 à 50 % d’O2 en volume (environ 30 kPa à la pression standard).

À une époque, les prématurés étaient placés dans des incubateurs contenant de l’air riche en O2, mais cette pratique a été abandonnée après que certains bébés aient été rendus aveugles par une teneur en oxygène trop élevée.

Respirer de l’O2 pur dans les applications spatiales, comme dans certaines combinaisons spatiales modernes, ou dans les premiers engins spatiaux comme Apollo, ne cause aucun dommage en raison des faibles pressions totales utilisées. Dans le cas des combinaisons spatiales, la pression partielle d’O2 dans le gaz respiratoire est, en général, d’environ 30 kPa (1,4 fois la normale), et la pression partielle d’O2 qui en résulte dans le sang artériel de l’astronaute n’est que légèrement supérieure à la pression partielle d’O2 normale au niveau de la mer.

La toxicité de l’oxygène pour les poumons et le système nerveux central peut également se produire en plongée profonde et en plongée avec alimentation de surface. La respiration prolongée d’un mélange d’air dont la pression partielle d’O2 est supérieure à 60 kPa peut éventuellement entraîner une fibrose pulmonaire permanente. L’exposition à une pression partielle d’O2 supérieure à 160 kPa (environ 1,6 atm) peut entraîner des convulsions (normalement mortelles pour les plongeurs). Une toxicité aiguë de l’oxygène (provoquant des convulsions, son effet le plus redouté pour les plongeurs) peut se produire en respirant un mélange d’air contenant 21% d’O2 à 66 m (217 ft) ou plus de profondeur ; la même chose peut se produire en respirant 100% d’O2 à seulement 6 m (20 ft).

Combustion et autres dangers

Les sources d’oxygène très concentrées favorisent une combustion rapide. Les risques d’incendie et d’explosion existent lorsque des oxydants et des combustibles concentrés sont amenés à proximité immédiate ; un événement d’allumage, tel que la chaleur ou une étincelle, est nécessaire pour déclencher la combustion. L’oxygène est l’oxydant, et non le combustible, mais néanmoins la source de la plus grande partie de l'énergie chimique libérée lors de la combustion.

L’O2 concentré permet à la combustion de se dérouler rapidement et avec énergie. Les tuyaux en acier et les récipients de stockage utilisés pour stocker et transmettre l’oxygène gazeux et liquide agiront comme un combustible ; et par conséquent, la conception et la fabrication des systèmes d’O2 nécessitent une formation spéciale pour s’assurer que les sources d’inflammation sont réduites au minimum. L’incendie qui a tué l'équipage d’Apollo 1 lors d’un test sur la rampe de lancement s’est propagé si rapidement parce que la capsule était pressurisée avec de l’O2 pur mais à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, au lieu de la pression normale 1 qui serait utilisée lors d’une mission.

Les déversements d’oxygène liquide, s’ils s’imbibent de matières organiques, telles que le bois, les produits pétrochimiques et l’asphalte, peuvent faire exploser ces matériaux de manière imprévisible lors d’un impact mécanique ultérieur.