Oxygène
> NUMÉRO ATOMIQUE 8
> MASSE ATOMIQUE 16u
Groupe
16
Famille
Non-métaux
État physique naturel
Gaz, incolore et inodore, présent sous forme de dioxygène O2
Étymologie
Son nom lui a été donné par Antoine Lavoisier en 1777 à partir du grec oxys (acide) et genês (générateur). Lavoisier pensait en effet, à tort, que l’oxygène formait des acides avec la plupart des autres éléments avec lesquels il se liait.
Découverte
En 1772 par le suédois Carl Wilhelm Scheele et, indépendamment, en 1774 par l’anglais Joseph Priestley.
Propriétés et généralités
L’oxygène forme facilement des composés avec de nombreux éléments, en particulier des oxydes, comme l’oxyde de fer, d’aluminium, etc. Le plus connu de ces oxydes est le monoxyde de dihydrogène, plus connu sous le nom d’eau ! L’oxygène est le troisième élément le plus abondant, en masse, dans l’Univers, après l’hydrogène et l’hélium. Il constitue par exemple plus de 80% de la masse des océans (H2O), plus de 60% de la masse du corps humain, plus de 45% de la masse de l’écorce terrestre et plus de 20% de la masse de l’air (O2 et O3). L’oxygène, ou plutôt le dioxygène, terrestre s’est formé grâce à la photosynthèse des végétaux, algues et cyanobactéries de la Terre primitive, il y a plus de 2,5 milliards d’années. Toxique pour les organismes anaérobies, majoritaires à cette période, il est indispensable à la respiration des organismes aérobies, très majoritaires sur Terre actuellement. L’oxygène a donc été déterminant dans le développement de la vie sur la planète.
Utilisations
Désinfection de l’eau (piscines, égouts) ; stérilisation du matériel médical ; blanchiment du textile ou de la pâte à papier.
Quoi de neuf dans les labos ?
Une étude montre que des catalyseurs structurellement désordonnés possèdent une activité catalytique très élevée pour la conversion du dioxygène atmosphérique en eau (ORR, Oxygen Reduction Reaction), le processus catalytique clé pour un avenir décarboné.
Chez l’organisme modèle Escherichia coli, en condition de stress oxydant, certains dommages (mort cellulaire, augmentation de certaines lésions sur l’ADN, fréquence des mutations…) augmentent en fonction de la teneur atmosphérique en CO2. La gamme de concentration en CO2 étudiée va de 40 ppm aux prévisions attendues pour 2100 (1000 ppm). D’après ces résultats, l’augmentation prédite en CO2 atmosphérique devrait avoir des effets directs sur des organismes vivants.
Les piles à combustible offrent une alternative aux énergies fossiles pour la production d’électricité. La nécessité d’utiliser des métaux rares et trop facilement contaminés pour accélérer les réactions de conversion de l’énergie chimique en énergie électrique reste néanmoins un frein à un développement à large échelle. Pourquoi ne pas s’inspirer de la nature pour trouver des solutions moins couteuses et plus durables?
Les hydrogénases sont des métalloenzymes complexes qui catalysent l’oxydation réversible du dihydrogène. Une part importante de la littérature traite de leur inactivation par l’oxygène qui est un obstacle majeur pour leur utilisation dans des biopiles à combustibles, des cellules photoélectrochimiques ou des « fermes à hydrogène » qui exploitent des organismes photosynthétiques comme les algues ou les cyanobactéries.
Pour comprendre quand, comment et à quelle vitesse l’oxygène est devenu un composant de notre atmosphère entre environ 2,5 et 2,2 milliards d’années, une équipe internationale a étudié la systématique des quatre isotopes du soufre dans plus de 700 mètres de dépôts sédimentaires australiens. Les résultats obtenus montrent que l’oxygénation de la planète a commencé bien plus tôt que traditionnellement admis et que son enregistrement n’a pas été synchrone d’un continent à l’autre (Australie, Afrique du Sud, Amérique du Nord) mais étalé dans le temps sur presque 300 millions d’années. Ce décalage apparent reflète un effet local lié à l’altération en conditions oxydantes de surfaces continentales plus anciennes.
Le bacille de la tuberculose, Mycobacterium tuberculosis, peut persister pendant des décennies dans les poumons des individus infectés avant qu’il ne se réactive et déclenche la maladie. Cette étape « dormante » de la vie du bacille se déroule dans un environnement très pauvre en oxygène: le granulome. Des chercheurs ont découvert que cette capacité à survivre en absence d’oxygène a été acquise grâce à un événement de transfert horizontal de gènes depuis des bactéries du sol vers l’ancêtre de M. tuberculosis, quand celui-ci vivait dans l’environnement.
De nouvelles mesures d’une variante isotopique très rare de l’oxygène dans l’air contraignent les variations de l’ozone dans l’ensemble de la basse atmosphère depuis la période préindustrielle. Cela constitue une information importante sur le rôle joué par l’ozone dans le réchauffement climatique, qui aurait contribué à un accroissement de l’énergie conservée à la surface de la planète de 0,33 Watts/m2 (moins de 0,4 Watts/m2) entre les années 1850 et 2005.
Dans le milieu interstellaire, l’oxygène moléculaire est formé facilement par la réaction entre un atome d’oxygène et un radical d’hydroxyle, ces deux composés étant abondants. Pendant de nombreuses années, la molécule O2 a donc été activement recherchée mais détectée uniquement dans deux régions particulières du milieu interstellaire. A partir d’une nouvelle génération de modèles, les chercheurs ont montré que le piégeage de l’oxygène (sous la forme d’eau) sur la surface des grains de poussière interstellaire l’emporte sur la formation de O2 dans le gaz pour une grande majorité de conditions, expliquant sa rareté.
Le bombardement radiolytique des grains de glace d’eau dans la nébuleuse protosolaire est insuffisant pour expliquer la grande quantité d’oxygène moléculaire détectée par la mission Rosetta dans la chevelure de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Ce résultat implique que l’oxygène cométaire a forcément été produit dans le milieu interstellaire, à une époque antérieure à la genèse de la nébuleuse protosolaire et des planétésimaux à partir desquels les corps du système solaire se sont formés.
Ayant analysé des données IAGOS, des chercheurs provenant de plusieurs laboratoires français ont pu mettre en évidence les cycles saisonniers de l’ozone (août 1994 – décembre 2013) et du monoxyde de carbone (décembre 2001 – décembre 2013), lesquels diffèrent selon que l’on considère la haute troposphère ou la basse stratosphère. Les chercheurs ont également pu montrer que les concentrations en ozone ont tendance à augmenter dans la haute troposphère, alors que celles en monoxyde de carbone ont tendance à baisser dans la haute troposphère et la basse stratosphère.
Au cours des 50 dernières années, la proportion de zones de haute mer dépourvues de tout oxygène a plus que quadruplé. Quant aux sites à faible teneur en oxygène situés près des côtes, y compris les estuaires et les mers, ils ont été multipliés par 10 depuis 1950. Les scientifiques estiment que la teneur en oxygène va continuer à chuter dans ces deux types de zones au fur et à mesure que la Terre se réchauffera.
Une équipe internationale a étudié la réactivité des micro-organismes présents dans de profondes coulées basaltiques islandaises lors d’injections de dioxyde de carbone (CO2). La dissolution du basalte provoquerait un développement biologique accru qui ne serait pas sans conséquence sur le devenir du gaz injecté et la capacité de la roche à convertir ce gaz à effet de serre sous forme minérale en carbonates solides.
Le protocole de Montréal sur la protection de la couche d’ozone stratosphérique a conduit, depuis la fin des années 90, à une diminution significative des concentrations des gaz halogénés d’origine industrielle, responsables de la dégradation de la couche au cours des décennies précédentes. L’analyse conjointe de mesures et de résultats de modèles réalisée par une équipe internationale montre que, comme prévu, la reconstitution de la couche d’ozone a bien lieu, mais qu’elle est encore largement masquée par la variabilité naturelle, principalement d’origine dynamique, dans la plupart des régions du globe. Les signes manifestes de ce rétablissement se trouvent dans la haute stratosphère et, dans une moindre mesure, en Antarctique. À plus long terme, le devenir de la couche d’ozone va de plus en plus dépendre des émissions des gaz à effet de serre.
Le CO2 atmosphérique est le facteur principal du réchauffement climatique actuel. Mais ce forçage opère-t-il à toutes les échelles de temps ? Une équipe de chercheurs a montré que si le CO2atmosphérique est un moteur majeur des variations de température à l’échelle du millier ou de la dizaine de milliers d’années, il n’en est pas de même à l’échelle du million d’années durant le Crétacé (-145 à -66 millions d’années).
Dans de larges régions des océans tropicaux appauvries en oxygène (les zones de minimum d’oxygène ou OMZ), une variation, même faible, de la concentration en oxygène induit d’importants changements de la diversité microbienne et des cycles biogéochimiques. Dans le cade du projet AMOP (Activités de recherche dédiées au minimum d’oxygène dans le Pacifique), une équipe internationale a montré pour la première fois, à partir de campagnes dans le Pacifique oriental (Pérou, Mexique), que de l’oxygène était produit à quelques dizaines de mètres sous la surface sans être néanmoins directement observable. En effet, l’oxygène ne s’accumule pas, car il active des processus microbiens qui le consomment aussitôt.