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Oxygène
Cet article concerne l'élément chimique. Pour les autres significations du mot « oxygène », voir Oxygène (homonymie).L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.
Nom masculin, formé du grec ancien ὀξύς / oxys « acide » et γεννάω / gennaô « engendrer ».
L'oxygène représente environ[2]:
- 87 % de la masse des océans, sous la forme d'eau.
- 46,4 % de la masse de la croûte 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. Cela représente près de 21 % du volume total de l'atmosphère.
- 62,5 % de la masse du corps humain.
- Jusqu'à 88 % de la masse de certains animaux marins.
Au total, la masse de l'oxygène représente presque la moitié de celle de la Terre[3].
Sommaire
Dans l'atmosphère terrestre
Dans des conditions normales de température et de pression, l'oxygène se présente sous la forme d'un gaz diatomique : le dioxygène, de formule chimique O2. C'est le cas de « l'oxygène » dans l'atmosphère terrestre.
La molécule d'ozone (trioxygène) est un gaz métastable qui se trouve principalement dans les hautes couches de l'atmosphère où il contribue à la filtration des ultraviolets qui frappent la Terre. Depuis les années 1970, la concentration d'ozone dans l'air au niveau du sol augmente du fait des activités humaines. L'ozone est essentiellement produit par décomposition lors de journées chaudes des oxydes d'azote issus de la combustion des carburants fossiles sous l'effet des rayons solaires ultraviolets. L'ozone est très oxydant et toxique.
Si le dioxygène représente aujourd'hui quasiment 21 % de l'air (en volume), au Carbonifère, il aurait atteint 30 %. Cette culmination de sa proportion dans l'atmosphère terrestre à cette époque est due à l'expansion massive des forêts de fougères géantes sur la Pangée, et à l'enfouissement progressif des produits organiques qui sont devenus les gisements de charbons.
L'apparition de la photosynthèse par les cyanobactéries remonte aux éons les plus anciens, et introduisit le dioxygène dans l'atmosphère de l'ordre de 1 % (à quelques %) durant le précambrien.
Il est indispensable au cycle de la vie : les végétaux photosynthétiques dégagent du dioxygène par photosynthèse alors que la respiration des animaux (et des plantes !) en consomme. De plus, l'oxygène est un composant essentiel des molécules qui se retrouvent dans tout être vivant : acides aminés, sucres, etc.
Découverte
L'oxygène fut découvert par le pharmacien suédois Carl Wilhelm Scheele en 1771, mais cette découverte ne fut pas reconnue immédiatement. Aussi, la découverte indépendante faite par Joseph Priestley est plus connue. Antoine Laurent Lavoisier l'a nommé en 1774.
Propriétés
L'oxygène est très électronégatif. Il forme facilement de nombreux composés ioniques avec les métaux (oxydes, hydroxydes). Il forme aussi des composés ionocovalents avec les non-métaux (exemples : le dioxyde de carbone, le trioxyde de soufre) et entre dans la composition de nombreuses classes de molécules organiques, par exemple, les alcools (R-OH), les carbonylés R-CHO ou R2CO et les acides carboxyliques (R-COOH).
Industrie
L'oxygène est obtenu de manière industrielle principalement (à 95 %) par séparation cryogénique des composés de l'air, c'est à dire par une liquéfaction de l'air suivie d'une distillation fractionnée.
Les températures critiques de l'azote moléculaire N2 (tc = -146,9°C) et de l'oxygène moléculaire O2 (tc = -118,4°C) ne permettent pas la liquéfaction de l'air par simple compression. L'air doit donc être comprimé entre 5 et 7 bar, puis filtré, séché, décarbonaté par adsorption sur tamis moléculaires et enfin refroidi par échange thermique entre le gaz entrant et les gaz liquéfiés. Les pertes frigorifiques sont compensées par une détente de 5 à 10 % du débit gazeux traité, dans une turbine dont le travail extérieur est récupérable.
La distillation, dans le procédé le plus utilisé, est effectuée dans une double colonne qui permet d'obtenir, en continu, des gaz purs. La première colonne (moyenne pression, 5 bar) réalise une première séparation de l'air en diazote gazeux pur (à 99,999 %) au sommet et un liquide riche en dioxygène (environ 40 %), à la base. Ce liquide est alors envoyé à mi-hauteur de la deuxième colonne de distillation (basse pression, 1,3 bar). Le dioxygène O2 entre 99,5 % et 99,7 % est récupéré à la base de cette deuxième colonne. Il contient moins de 1 ppm de diazote, la principale impureté est l'argon.
Les colonnes de distillation ont entre 1 et 6 m de diamètre, et mesurent de 15 à 25 m de hauteur. Elles sont en acier inoxydable ou en aluminium et comportent une centaine de plateaux. L'isolation thermique est réalisée avec de la perlite (sable de silice expansé). Le maintien en température des colonnes ne consomme que 6 à 7 % de l'énergie totale dépensée.
La consommation en énergie est de 0,4 kWh⋅m-3 de dioxygène O2 gazeux, soit de 50 à 60 % du prix de revient.
Environ 5 % de l'oxygène industriel est produit par un autre procédé, non cryogénique, appelé VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) ou adsorption par alternance de pression et vide :
L'air est pris dans l'air ambiant à la pression atmosphérique. Après séchage et épuration par filtration, cet air passe dans une colonne de zéolites qui adsorbent plus rapidement le diazote N2 que le dioxygène O2. Les zéolites peuvent fixer 10 litres de diazote par kilogramme. Lorsqu'elles sont saturées, l'air est envoyé sur une seconde colonne, pendant que le diazote de la première colonne désorbe sous vide. La pureté de dioxygène obtenu ainsi par élimination du diazote de l'air peut atteindre 90 à 95 %. Ce dioxygène contient encore 4,5 % d'argon qui comme le dioxygène n'est pas adsorbé. La consommation d'énergie est de 0,4 à 0,5 kWh⋅m-3 de dioxygène. Cette méthode est de plus en plus employée dans les procédés industriels dont les besoins sont inférieurs à 100 tonnes/jour, ainsi que dans les respirateurs utilisés à domicile.
L'oxygène produit est transporté :
- sous forme liquide ou gazeuse par des canalisations appelées oxyducs ou oxygénoducs ;
- sous forme gazeuse comprimée dans des bouteilles ou réservoirs en acier à 200 bar ;
- sous forme liquide, en camions citernes.
En 1995, huit compagnies dans le monde fabriquaient la quasi totalité de l'oxygène industriel :
- Air Liquide (France) : 17 %
- BOC (Royaume-Uni) : 14 %
- Praxair (États-Unis) : 14 %
- Air Products (États-Unis) : 8 %
- Nippon Sanso (Japon) : 7 %
- AGA (Suède) : 7 %
- Messer (Allemagne) : 6 %
- Linde (Allemagne) : 6 %
Les principaux pays producteurs en 1996, était :
- États-Unis : 27 millions de tonnes
- Japon : 12,7 millions de tonnes
- France : 3,23 millions de tonnes
Dans le monde, la production totale était de l'ordre de 100 millions de tonnes en 1996, soit 1⁄10 millionième du dioxygène de l'atmosphère.
Utilisation de l'oxygène 18
L'isotope 18O est utilisé pour connaitre la température dans une région à un moment donné.
Il faut savoir que la composition isotopique de l'eau (H2O) varie en fonction de la température de l'atmosphère. En effet, l'atome 18O étant plus lourd que l'atome 16O, H218O va se condenser plus rapidement en eau ou en glace que le H216O (dans le nuage). Plus le rapport H218O / H216O est grand, plus la température est basse.
Les scientifiques peuvent connaitre le rapport H218O / H216O en étudiant les glaces (principalement en Arctique et en Antarctique) à l'aide de carottes de glace et en déduire ainsi la température qu'il régnait lors de la formation de cette couche de glace.
Ce procédé est très utile pour confirmer ou infirmer une théorie sur les changements climatiques naturels terrestres comme les paramètres de Milanković.
Références
- ↑ a et b (fr) Paul Arnaud, Brigitte Jamart, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Chimie Organique 1er cycle/Licence, PCEM, Pharmacie , Cours, QCM et applications, Dunod, 8 juillet 2004, Broché, 710 p. (ISBN 2100070355)
- ↑ Oxygène
- ↑ Lumières sur le mystère de l'oxygène, Futura Sciences, 18 septembre 2008.
Voir aussi
Articles connexes
- Combustion
- Dioxygène
- Ozone
- Oxygène liquide
- Oxygène solide
- Macro-élément
- Médecine hyperbare
- Oxyduc
- Oxygénothérapie normobare
- Oxydation
- Tableau périodique des éléments
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