L'oxygène est l'élément chimique de numéro atomique 8, de symbole O. C'est la tête de file du groupe des chalcogènes, souvent appelé groupe de l'oxygène. Découvert indépendamment en 1772 par le Suédois Carl Wilhelm Scheele à Uppsala et en 1774 par le britannique Joseph Priestley en Wiltshire, l'oxygène a été nommé ainsi en 1777 par Antoine Lavoisier à Paris à partir du grec ancien ὀξύς / oxys (« aigu », c'est-à-dire ici « acide »), et γενής / genês (« générateur »), car Lavoisier pensait à tort que :

« Nous avons donné à la base de la portion respirable de l'air le nom d'oxygène, en le dérivant de deux mots grecs ὀξύς, acide et γείνομαι, j'engendre, parce qu'en effet une des propriétés les plus générales de cette base [Lavoisier parle de l'oxygène] 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. »

Une molécule de formule chimique O2, appelée communément « oxygène » et, par les chimistes, dioxygène est constituée de deux atomes d'oxygène reliés par liaison covalente : aux conditions normales de température et de pression, le dioxygène est un gaz, qui constitue 20,8 % du volume de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer.

L'oxygène est un non-métal qui forme très facilement des composés, notamment des oxydes, avec pratiquement tous les autres éléments chimiques. Cette facilité se traduit par des énergies de formation élevées mais, cinétiquement, le dioxygène est souvent peu réactif à température ambiante. Ainsi un mélange de dioxygène et de dihydrogène, de fer ou de soufre, etc., n'évolue qu'extrêmement lentement.

C'est, en masse, le troisième élément le plus abondant de l'Univers après l'hydrogène et l'hélium, et le plus abondant des éléments de l'écorce terrestre ; l'oxygène constitue ainsi sur Terre :

86 % de la masse des océans, sous la forme d'eau ; 46,4 % 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 1,2×10 tonnes, soit 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.

La Terre était à l'origine dépourvue de dioxygène. Celui-ci s'est formé grâce à la photosynthèse réalisée par les végétaux, les algues et les cyanobactéries, ces dernières étant apparues il y a peut-être 2,8 milliards d'années. Le dioxygène O2 est toxique pour les organismes anaérobies, dont faisaient partie les premières formes de vie apparues sur Terre, mais est indispensable à la respiration des organismes aérobies, qui constituent la grande majorité des espèces vivantes actuelles. La respiration cellulaire est l'ensemble des voies métaboliques, telles que le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, alimentées par exemple par la glycolyse et la β-oxydation, par lesquelles une cellule produit de l'énergie sous forme d'ATP et du pouvoir réducteur sous forme de NADH + H et de FADH2.

En s'accumulant dans l'atmosphère terrestre, le dioxygène O2 issu de la photosynthèse a formé une couche d'ozone à la base de la stratosphère sous l'effet du rayonnement solaire. L'ozone est un allotrope de l'oxygène de formule chimique O3 encore plus oxydant que le dioxygène — ce qui en fait un polluant indésirable lorsqu'il est présent dans la troposphère au niveau du sol — mais qui a la particularité d'absorber les rayons ultraviolets du Soleil et donc de protéger la biosphère de ce rayonnement nocif : la couche d'ozone a constitué le bouclier qui a permis aux premières plantes terrestres de quitter les océans il y a près de 475 millions d'années.

Caractéristiques

Structure

Modèle moléculaire compact du dioxygène.

Dans les conditions normales de température et de pression, l'oxygène est sous forme de gaz inodore et incolore, le dioxygène, de formule chimique O2. Au sein de cette molécule, les deux atomes d'oxygène sont liés chimiquement l'un à l'autre dans un état triplet. Cette liaison, ayant un ordre de 2, est souvent représentée de manière simplifiée par une liaison double ou par l'association d'une liaison à deux électrons et de deux liaisons à trois électrons. L'état triplet de l'oxygène est l'état fondamental de la molécule de dioxygène. La configuration électronique de la molécule présente deux électrons non appariés occupant deux orbitales moléculaires dégénérées . Ces orbitales sont dites antiliantes et font baisser l'ordre de liaison de trois à deux si bien que la liaison du dioxygène est plus faible que la triple liaison du diazote pour lequel toutes les orbitales atomiques liantes sont remplies mais plusieurs orbitales antiliantes ne le sont pas.

Dans son état triplet normal, la molécule de dioxygène est paramagnétique, c'est-à-dire qu'elle acquiert une aimantation sous l'effet d'un champ magnétique. Cela est dû au moment magnétique de spin des électrons non appariés de la molécule ainsi qu'à l'interaction d'échange négative entre les molécules voisines de O2. L'oxygène liquide peut être attiré par un aimant si bien que dans des expériences en laboratoire, de l'oxygène liquide peut être maintenu en équilibre contre son propre poids entre les deux pôles d'un aimant puissant.

L'oxygène singulet est le nom donné à plusieurs espèces excitées de la molécule de dioxygène dans laquelle tous les spins sont appariés. Dans la nature, il se forme communément à partir de l'eau, durant la photosynthèse, en utilisant l'énergie des rayons solaires. Il est également produit dans la troposphère grâce à la photolyse de l'ozone par des rayons lumineux de courte longueur d'onde et par le système immunitaire comme une source d'oxygène actif. Les caroténoïdes des organismes photosynthétiques (mais aussi parfois des animaux) jouent un rôle majeur dans l'absorption d'énergie à partir de l'oxygène singulet et dans la conversion de celui-ci vers son état fondamental désexcité avant qu'il ne nuise aux tissus.

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).

Énergie de dissociation des molécules diatomiques O-X à 25 °C en kJ/mol ( ${\displaystyle D_{298}^{o}}$) :

H 429,91 He Li 340,5 Be 437 B 809 C 1 076,38 N 631,62 O 498,36 F 220 Ne Na 270 Mg 358,2 Al 501,9 Si 799,6 P 589 S 517,9 Cl 267,47 Ar K 271,5 Ca 383,3 Sc 671,4 Ti 666,5 V 637 Cr 461 Mn 362 Fe 407 Co 397,4 Ni 366 Cu 287,4 Zn 250 Ga 374 Ge 657,5 As 484 Se 429,7 Br 237,6 Kr 8 Rb 276 Sr 426,3 Y 714,1 Zr 766,1 Nb 726,5 Mo 502 Tc 548 Ru 528 Rh 405 Pd 238,1 Ag 221 Cd 236 In 346 Sn 528 Sb 434 Te 377 I 233,4 Xe 36,4 Cs 293 Ba 562 * Hf 801 Ta 839 W 720 Re 627 Os 575 Ir 414 Pt 418,6 Au 223 Hg 269 Tl 213 Pb 382,4 Bi 337,2 Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo * La 798 Ce 790 Pr 740 Nd 703 Pm Sm 573 Eu 473 Gd 715 Tb 694 Dy 615 Ho 606 Er 606 Tm 514 Yb 387,7 Lu 669 ** Ac 794 Th 877 Pa 792 U 755 Np 731 Pu 656,1 Am 553 Cm 732 Bk 598 Cf 498 Es 460 Fm 443 Md 418 No 268 Lr 665

Allotropes

L'allotrope ordinaire de l'oxygène sur Terre est nommé dioxygène de formule chimique O2. Il présente une longueur de liaison de 121 pm et une énergie de liaison de 498 kJ⋅mol. Il s'agit de la forme utilisée par les formes de vie les plus complexes, comme les animaux, lors de la respiration cellulaire et la forme qui constitue la majeure partie de l'atmosphère terrestre.

Le trioxygène O3, habituellement nommé ozone, est un allotrope très réactif de l'oxygène qui est néfaste pour le tissu pulmonaire. L'ozone est un gaz métastable produit dans les hautes couches de l'atmosphère quand le dioxygène se combine à l'oxygène atomique provenant lui-même de la fragmentation du dioxygène par les rayons ultraviolets. Comme l'ozone absorbe fortement dans le domaine des ultraviolets du spectre électromagnétique, la couche d'ozone contribue à la filtration des ultraviolets qui frappent la Terre. Toutefois, près de la surface de la Terre, c'est un polluant produit par la décomposition lors de journées chaudes des oxydes d'azote issus de la combustion des carburants fossiles sous l'effet des rayons solaires ultraviolets. Depuis les années 1970, la concentration d'ozone dans l'air au niveau du sol augmente du fait des activités humaines.

La molécule métastable nommée tétraoxygène (O4) a été découverte en 2001 et était jusqu'alors supposée exister dans l'une des six phases de l'oxygène solide. Il est prouvé en 2006 que cette phase, obtenue en pressurisant du dioxygène à 20 GPa est en fait constituée d'un cluster rhomboédrique O8. Ce cluster est potentiellement un comburant plus puissant que le dioxygène ou l'ozone et pourrait par conséquent être utilisé dans les propergols pour fusées. Une phase métallique, découverte en 1990, apparaît lorsque l'oxygène solide est soumis à une pression supérieure à 96 GPa et il a été montré en 1998 qu'à des températures très basses, cette phase devenait supraconductrice.

Propriétés physiques

La déviation d'un filet d'oxygène liquide par un champ magnétique illustre sa propriété paramagnétique.

L'oxygène est plus soluble dans l'eau que ne l'est l'azote. L'eau en équilibre avec l'air contient approximativement une molécule de dioxygène dissous pour deux molécules de diazote. Concernant l'atmosphère, le rapport est approximativement d'une molécule de dioxygène pour quatre de diazote. La solubilité de l'oxygène dans l'eau dépend de la température : environ deux fois plus (14,6 mg⋅L) en est dissous à 0 °C qu'à 20 °C (7,6 mg⋅L). À 25 °C et à une pression d'air valant 1 atmosphère, l'eau douce contient environ 6,04 mL d'oxygène par litre alors que l'eau de mer en contient environ 4,95 mL par litre. À 5 °C la solubilité augmente à 9,0 mL par litre d'eau douce soit 50 % de plus qu'à 25 °C et à 7,2 mL par litre d'eau de mer soit 45 % de plus.

L'oxygène se condense à 90,20 K (-182,95 °C) et se solidifie à 54,36 K (-218,79 °C). Les phases liquide et solide du dioxygène sont toutes deux transparentes avec une légère coloration rappelant la couleur bleue du ciel causée par l'absorption dans le rouge . L'oxygène liquide de haute pureté est habituellement obtenu par distillation fractionnée d'air liquide. L'oxygène liquide peut aussi être produit par condensation d'air en utilisant l'azote liquide comme liquide de refroidissement. C'est une substance extrêmement réactive qui doit rester éloignée de matériaux combustibles.

Bien que l'oxygène 17 soit stable, l'oxygène, composé essentiellement d'oxygène 16, présente une section efficace de capture des neutrons thermiques particulièrement basse = 0,267 mb (en moyenne pondérée sur les 3 isotopes stables), ce qui permet son usage dans les réacteurs nucléaires en tant qu'oxyde dans le combustible et dans l'eau en tant que réfrigérant et modérateur. Néanmoins, l'activation de l'oxygène par les neutrons du cœur provoque la formation d'azote 16 émetteur d'une radiation gamma spécialement énergétique (= 10,419 MeV), mais dont la période n'est que de 7,13 s, ce qui fait que ce rayonnement s'éteint rapidement après arrêt du réacteur.

Isotopes et origine stellaire

Vue en coupe d'une étoile évoluée caractérisée par des coquilles concentriques de différents éléments. Tardivement dans la vie d'une étoile, l'oxygène 16 se concentre dans la coquille "O", l'oxygène 17 dans la coquille "H" et l'oxygène 18 dans la coquille "He".

L'oxygène possède dix-sept isotopes dont le nombre de masse varie de 12 à 28. L'oxygène d'origine naturelle est composé de trois isotopes stables : l'oxygène 16 O, l'oxygène 17 O et l'oxygène 18 O. On attribue en outre à l'oxygène une masse atomique standard de 15,9994 u. L'oxygène 16 est le plus abondant, son abondance naturelle étant de 99,762 %.

La majorité de l'oxygène 16 est synthétisée à la fin du processus de fusion de l'hélium au sein d'étoiles massives mais une partie est aussi produite lors des réactions de fusion du néon. L'oxygène 17 est principalement issu de la fusion de l'hydrogène en hélium au cours du cycle CNO. Il s'agit donc d'un isotope courant des zones de combustion de l'hydrogène des étoiles. La majorité de l'oxygène 18 est produite quand l'azote 14 N rendu abondant par le cycle CNO capture un noyau d'hélium 4 He. L'oxygène 18 est donc couramment présent dans les zones riches en hélium des étoiles massives évoluées.

Quatorze radioisotopes ont été mis en évidence. Les plus stables sont l'oxygène 15 O ayant la plus longue demi-vie (122,24 secondes) et l'oxygène 14 O ayant une demi-vie de 70,606 secondes. Tous les autres isotopes radioactifs ont des demi-vies inférieures à 27 s et la majorité d'entre eux a des demi-vies de moins de 83 millisecondes. L'oxygène 12 O à la durée de vie la plus courte (580×10 s). Le type de décroissance radioactive le plus répandu chez les isotopes plus légers que l'oxygène 16 est l'émission de positron produisant de l'azote. Le type de décroissance le plus courant pour les isotopes plus lourds que l'oxygène 18 est la radioactivité β donnant naissance à du fluor.

Importance de sa présence

Liste des dix éléments les plus courants de la Voie lactée (estimation spectroscopique) Z Élément Fraction de masse en parties par million 1 Hydrogène 739 000 2 Hélium 240 000 8 Oxygène 10 400 6 Carbone 4 600 10 Néon 1 340 26 Fer 1 090 7 Azote 960 14 Silicium 650 12 Magnésium 580 16 Soufre 440

L'oxygène est l'élément chimique le plus abondant du point de vue de la masse dans la biosphère, l'air, l'eau et les roches terrestres. Il est aussi le troisième élément le plus abondant de l'univers après l'hydrogène et l'hélium et représente environ 0,9 % de la masse du Soleil. Il constitue 49,2 % de la masse de la croûte terrestre et est le principal constituant de nos océans (88,8 % de leur masse). Le dioxygène est le second composant le plus important de l'atmosphère terrestre, représentant 20,8 % de son volume et 23,1 % de sa masse (soit quelque 10 tonnes) . La Terre, en présentant un taux si important d'oxygène gazeux dans son atmosphère, constitue une exception au sein des planètes du système solaire : l'oxygène des planètes voisines Mars (qui ne représente que 0,1 % du volume de son atmosphère) et Vénus y a des concentrations bien plus faibles. Toutefois, le dioxygène entourant ces autres planètes est seulement produit par les rayons ultraviolets agissant sur les molécules contenant de l'oxygène comme le dioxyde de carbone.

La concentration importante et inhabituelle de dioxygène sur Terre est le résultat des cycles de l'oxygène. Ce cycle biogéochimique décrit les mouvements du dioxygène à l'intérieur et entre ses trois principaux réservoirs sur Terre : l'atmosphère, la biosphère et la lithosphère. Le facteur principal de la réalisation de ces cycles est la photosynthèse qui est le principal responsable de la teneur actuelle en dioxygène sur Terre. Le dioxygène est indispensable à tout écosystème : les êtres vivants photosynthétiques dégagent du dioxygène dans l'atmosphère alors que la respiration et la décomposition des animaux et des plantes en consomme. Dans l'équilibre actuel, la production et la consommation se réalisent dans les mêmes proportions : chacun de ces transferts correspond à environ 1/2000 de la totalité de l'oxygène atmosphérique chaque année. Enfin, l'oxygène est un composant essentiel des molécules qui se retrouvent dans tout être vivant : acides aminés, sucres, etc.

L'oxygène joue également un rôle important dans le milieu aquatique. L'augmentation de la solubilité de l'oxygène à basses températures a un impact notable sur la vie dans les océans. Par exemple, la densité d'espèces vivantes est plus importante dans les eaux polaires en raison de la plus forte concentration d'oxygène. Les eaux polluées contenant des nutriments pour les plantes comme des nitrates ou des phosphates peuvent stimuler la pousse d'algues par un processus appelé eutrophisation et la décomposition de ces organismes et d'autres biomatériaux peut réduire la quantité de de dioxygène dans les eaux eutrophes. Les scientifiques évaluent cet aspect de la qualité de l'eau en mesurant la demande biologique en oxygène de l'eau ou la quantité d'oxygène nécessaire pour revenir à une concentration normale d'O2.

Historique

Premières expériences

John Mayow est l'un des premiers à mener des recherches sur la respiration et l'air.

L'une des premières expériences connues concernant la relation entre la combustion et l'air est menée par Philon de Byzance, écrivain grec du II siècle av. J.-C. Dans son ouvrage intitulé Pneumatiques, Philon observe qu'en faisant brûler une bougie dans un récipient renversé dont l'ouverture est plongée dans l'eau, cela provoque une élévation de l'eau dans le col du récipient contenant la bougie. Philon émet une conjecture incorrecte, affirmant qu'une partie de l'air dans le récipient s'est transformée en l'un des quatre éléments, le feu, qui a pu s'échapper du récipient à cause de la porosité du verre. De nombreux siècles plus tard, Léonard de Vinci s'appuie sur le travail de Philon de Byzance et observe qu'une partie de l'air est consumée pendant la combustion et la respiration.

L'expérience de la bougie réalisée par Philon de Byzance est l'une des premières à mettre en évidence l'existence du dioxygène.

À la fin du XVII siècle, Robert Boyle prouve que l'air est nécessaire à la combustion. Le chimiste anglais John Mayow (en) affine le travail de Boyle en montrant que la combustion a seulement besoin d'une partie de l'air qu'il nomme spiritus nitroaereus ou simplement nitroaereus. Dans une expérience, il constate que lorsqu'il place une souris ou une bougie allumée dans un récipient fermé dont l'ouverture est plongée dans l'eau, le niveau de l'eau augmente dans le récipient et remplace un quatorzième du volume de l'air avant l'extinction des sujets. Dès lors, il conjecture que le nitroaereus est consommé aussi bien par la combustion que par la respiration.

Mayow observe que l'antimoine augmente en masse lorsqu'il est chauffé et en déduit que le nitroaereus doit y être associé. Il pense aussi que les poumons séparent le nitroaereus de l'air et le font passer dans le sang et que la chaleur animale et les mouvements musculaires résultent de la réaction du nitroaereus avec certaines substances du corps. Les comptes-rendus de ces expériences, d'autres expériences et des idées de Mayow sont publiées en 1668 dans Tractatus duo extrait de De respiratione.

Phlogistique

Robert Hooke, Ole Borch, Mikhail Lomonosov et Pierre Bayen parviennent tous à produire de l'oxygène dans des expériences aux XVII siècle et XVIII siècle mais aucun d'entre eux ne le reconnaît comme élément chimique. Cela est probablement dû en partie à la théorie scientifique concernant la combustion et la corrosion et nommée phlogisitique qui était alors l'explication la plus répandue pour expliquer ces phénomènes.

Établie en 1667 par le chimiste allemand Johann Joachim Becher et modifiée par le chimiste Georg Ernst Stahl en 1731, la théorie du phlogistique affirme que tous les matériaux combustibles sont constitués de deux parties : une partie nommée phlogiston qui s'échappe lorsque la substance qui le contient brûle tandis que la partie déphlogistiquée constitue la vraie forme de la substance.

Stahl développa et popularisa la théorie du phlogistique.

Les matériaux hautement combustibles qui laissent très peu de résidus comme le bois ou le charbon sont considérés comme contenant majoritairement du phlogiston alors que les substances non combustibles qui se corrodent comme le métal, en contiennent très peu. L'air ne joue aucun rôle dans la théorie du phlogistique, pas plus que les premières expériences menées à l'origine pour en tester l'idée. Au contraire, la théorie se base sur l'observation de ce qui se produit lorsqu'un objet brûle et sur le fait que la majorité des objets apparaît plus léger et semble avoir perdu quelque chose pendant le processus de combustion. Pour justifier le fait qu'un matériau comme du bois voit en fait sa masse augmenter en brûlant, Stahl affirme que le phlogiston a une masse négative. En effet, le fait que les métaux voient eux aussi leur masse augmenter en rouillant alors qu'ils sont supposés perdre du phlogiston est l'un des premiers indices infirmant la théorie du phlogistique.

Découverte

L'oxygène est découvert en premier par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele. Il produit du dioxygène en chauffant de l'oxyde de mercure et divers nitrates vers 1772. Scheele nomme ce gaz « Feuerluft » (air de feu) car c'est le seul comburant connu et écrit un compte-rendu de sa découverte dans un manuscrit qu'il intitule Traité chimique de l'air et du feu qu'il envoie à son éditeur en 1775 mais qui ne sera pas publié avant 1777.

C'est à Joseph Priestley qu'on attribue généralement la découverte de l'oxygène.

Dans le même temps, le 1 août 1774, une expérience conduit le pasteur britannique Joseph Priestley à faire converger les rayons du Soleil vers un tube en verre contenant de l'oxyde de mercure (HgO). Cela provoque la libération d'un gaz qu'il nomme « air déphlogistiqué ». Il constate que la flamme des bougies est plus brillante dans ce gaz et qu'une souris est plus active et vit plus longtemps en le respirant. Après avoir lui-même respiré le gaz il écrit : « la sensation de [ce gaz] 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 ». Priestley publie ses découvertes en 1775 dans un article intitulé An Account of Further Discoveries in Air inclus dans le second volume de son livre, Experiments and Observations on Different Kinds of Air.

Le chimiste français Antoine Laurent Lavoisier déclare plus tard avoir découvert cette nouvelle substance indépendamment de Priestley. Toutefois, Priestley rend visite à Lavoisier en octobre 1774, lui parle de son expérience et de la façon dont il a libéré le gaz. Scheele envoie également une lettre à Lavoisier le 30 septembre 1774 dans laquelle il décrit sa propre découverte de la substance jusqu'alors inconnue mais Lavoisier déclare ne jamais l'avoir reçu (une copie de la lettre est retrouvée dans les affaires de Scheele après sa mort).

Contribution de Lavoisier

Même si cela est contesté à son époque, la contribution de Lavoisier est incontestablement d'avoir réalisé les premières expériences quantitatives satisfaisantes sur l'oxydation et d'avoir donné la première explication correcte sur la façon dont se déroule une combustion. Ses expériences, toutes commencées en 1774, conduiront à discréditer la théorie du phlogistique et prouver que la substance découverte par Priestley et Scheele est un élément chimique.

Dans une expérience, Lavoisier observe qu'il n'y a généralement pas d'augmentation de masse quand l'étain et l'air sont chauffés dans une enceinte fermée. Il remarque que l'air ambiant s'engouffre dans l'enceinte lorsqu'il l'ouvre ce qui prouve qu'une partie de l'air emprisonné a été consommée. Il constate également que la masse de l'étain a augmenté et que cette augmentation correspond à la même masse d'air qui s'est engouffrée dans l'enceinte lors de son ouverture. D'autres expériences ainsi que celle-ci sont détaillées dans son livre Sur la combustion en général, publié en 1777. Dans cette œuvre, il prouve que l'air est un mélange de deux gaz : l'« air vital » qui est essentiel à la respiration et la combustion et l'azote (du grec ἄζωτον, « privé de vie ») qui leur est inutile.

Lavoisier renomme l'« air vital » en oxygène en 1777 à partir de la racine grecque ὀξύς (oxys) (acide, littéralement "âpre" d'après le goût des acides et -γενής (-genēs) (producteur, littéralement « qui engendre ») car il croit à tort que l'oxygène est un constituant de tous les acides. Des chimistes, notamment Sir Humphry Davy en 1812, prouvent finalement que Lavoisier s'était trompé à cet égard (c'est en réalité l'hydrogène qui est à la base de la chimie des acides) mais le nom est resté.

Histoire récente

La théorie atomique de John Dalton suppose que tous les éléments sont monoatomiques et que les atomes dans les corps composés sont dans des rapports simples. Par exemple, Dalton suppose que la formule chimique de l'eau est HO, donnant à l'oxygène une masse atomique huit fois supérieure à celle de l'hydrogène contrairement à la valeur actuelle qui vaut environ seize fois celle de l'hydrogène. En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt montrent que l'eau est formée de deux volumes d'hydrogène et d'un volume d'oxygène et en 1811 Amedeo Avogadro parvient à interpréter correctement la composition de l'eau sur la base de ce qu'on appelle maintenant la loi d'Avogadro et l'hypothèse des molécules diatomiques élémentaires.

À la fin du XIX siècle, des scientifiques réalisent que l'air peut être liquéfié et ses composants isolés en le compressant et le refroidissant. Utilisant un processus en cascade, le chimiste et physicien suisse Raoul Pictet fait évaporer du dioxyde de soufre liquide afin de liquéfier du dioxyde de carbone qui, à son tour, s'évapore pour refroidir suffisamment du dioxygène, permettant ainsi de le liquéfier. Le 22 décembre 1877, il envoie un télégramme à l'Académie des sciences à Paris dans lequel il annonce sa découverte de l'oxygène liquide. Deux jours après, le physicien français Louis Paul Cailletet décrit sa propre méthode de liquéfaction de l'oxygène. Dans les deux cas, seules quelques gouttes de liquide sont produites donc il est impossible de mener des analyses approfondies. L'oxygène est liquéfié dans un état stable pour la première fois le 29 mars 1883 par le scientifique polonais Zygmunt Wróblewski de l'université jagellonne de Cracovie et par Karol Olszewski.

En 1891, le chimiste écossais James Dewar est capable de produire suffisamment d'oxygène liquide pour pouvoir l'étudier. Le premier processus commercialement viable pour produire de l'oxygène liquide est développé en 1895 indépendamment par l'ingénieur allemand Carl von Linde et l'ingénieur anglais William Hampson. Dans les deux procédés, la température de l'air est abaissée jusqu'à ce que l'air soit liquéfié puis les différents composés gazeux sont distillés en les faisant bouillir les uns après les autres et en les capturant. Plus tard, en 1901, le soudage oxyacétylénique est présenté pour la première fois en brûlant un mélange d'acétylène et de dioxygène comprimé. Cette méthode de soudure et de coupure du métal est devenue courante par la suite. En 1902, Georges Claude imagine un procédé de liquéfaction de l'air qui améliore le rendement de celui imaginé par Linde et où le travail fourni par la détente adiabatique de l'air après sa compression est utilisé dans le compresseur. Le refroidissement qui l'accompagne (effet Joule-Thomson) est mis à profit dans un échangeur de chaleur qui refroidit l'air à la sortie du compresseur. Claude réalise ainsi la séparation par distillation fractionnée de l'oxygène, de l'azote, de l'argon.

En 1923, le scientifique américain Robert H. Goddard est le premier à développer un moteur-fusée utilisant du carburant liquide. Le moteur utilise de l'essence comme carburant et de l'oxygène liquide comme comburant. Goddard fait voler avec succès une petite fusée à carburant liquide. Il lui fait atteindre 56 m et 97 km/h le 16 mars 1926 à Auburn (Massachusetts).

Utilisation de l'oxygène 18

L'oxygène 18 est un indicateur paléoclimatique utilisé pour connaître la température dans une région à une époque donnée : plus le rapport isotopique O / O est élevé et plus la température correspondante est basse. Ce rapport peut être déterminé à partir de carottes de glace, ainsi que de l'aragonite ou de la calcite de certains fossiles.

Ce procédé est très utile pour confirmer ou infirmer une théorie sur les changements climatiques naturels terrestres comme les paramètres de Milanković.

Comme marqueur isotopique stable, il a été utilisé pour mesurer le flux unidirectionnel d'oxygène absorbé, pendant la photosynthèse, par le phénomène de photorespiration. Il a été montré que, avant l'augmentation de CO₂ de l'ère industrielle, la moitié de l'oxygène émis par les feuilles était réabsorbée. Cela réduisait le rendement de la photosynthèse de moitié.(Gerbaud and André, 1979-1980).

氧（IUPAC名：oxygen ），化学符号：O（拉丁语：Oxygenium ），化学元素，氧的原子序数为8，相对原子质量为15.9994。在元素周期表中，氧是氧族元素的一员，它也是一个高反应性的第2周期非金属元素，很容易与几乎所有其它元素形成化合物（主要为氧化物）。在标准状况下，两个氧原子结合形成氧气，是一种无色无臭无味的双原子气体，化学式为O2。如果按质量计算，氧在宇宙中的含量仅次于氢和氦，在地壳中，氧则是含量最丰富的元素。氧不仅占了水质量的89%，也占了空气体积的20.9%。

中文旧译作氱 （拉丁语：Oxygenium），法语：Oxygène，英语：Oxygen)，字源学来说是根源于希腊文的成酸物质（酸oxus+成genes）或「产生酸的东西」。

构成有机体的所有主要化合物都含有氧，包括蛋白质、碳水化合物和脂肪。构成动物壳、牙齿及骨骼的主要无机化合物也含有氧。由蓝藻、藻类和植物经过光合作用所产生的氧气化学式为O2，几乎所有复杂生物的细胞呼吸作用都需要用到氧气。动物中，除了极少数之外，皆无法终身脱离氧气生存。对于厌氧性生物来说，氧气是有毒的。这类生物曾经是早期地球上的主要生物，直到25亿年前氧气(O2)开始在大气层中逐渐积累。目前大气中氧气主要来源有约九成来自水域中的植物所行之光合作用。氧元素的另一个同素异形体是臭氧。在高海拔形成的臭氧层能够隔离来自太阳的紫外线辐射。但是接近地表的臭氧则是一种污染，这些臭氧主要存在于光化学烟雾中。

字源

氧最早被称为生命之气（拉丁语：vital air），拉瓦锡根据其实验结果，在1777年，将其命名为法语：oxygène。这个单字是由希腊语：ὀξύς（oxys，字面意思是尖锐的，因为酸性物质尝起来的味道很尖锐，被引伸为酸），以及-γενής（-genēs，起源于，产生于）组成，因为在当时他误认所有酸性物质都含有氧。这个单字随后进入英文，被拼为英语：oxygen。 在中华民国时期，这个单字曾被译为酸素。随后出现以形声造字，造出新字氱，因其字形复杂，又造出新字，氧。

性质

在自然界中，氧的单质形态一般为双原子分子的氧气（O2），在臭氧层中经紫外线的作用也可以生成三个氧原子组成的臭氧（O3）。除此之外，意大利一所大学的科学家于2001年11月制得了亚稳态的的四氧分子（O4）。氧气在标准状况下是无色无味无臭，能帮助燃烧的的气体。液氧呈淡蓝色，具有顺磁性。氧能跟氢化合成水。臭氧在标准状况下是一种有特殊臭味的蓝色气体。 化学性质 氧的活性很大，除了稀有气体、活性小的金属元素如金、铂、钯之外，大部分的元素都能与氧起反应，这些反应称为氧化反应，而反应产生的化合物称为氧化物。一般而言，非金属氧化物的水溶液呈酸性，而碱金属或碱土金属氧化物则为碱性。此外，几乎所有的有机化合物（CCl4和氢原子数目小于卤原子数目的卤代烃除外），可在氧气中剧烈燃烧生成二氧化碳与水蒸汽。

制备

拉瓦锡曾以汞在空气中加热，产生红色的氧化汞粉末，再加热氧化汞取得纯氧。 实验室中常用氯酸钾晶体与二氧化锰（催化剂）混合加热制取，并以排水集气法或向上排空气法收集： 或利用二氧化锰催化双氧水分解产生氧： 再或者用高锰酸钾加热分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气： 工业上则是利用分离液态空气和电解水制取氧气： （电解水，"+"极产生，"-"极产生。）

发现

氧元素最先由瑞典药剂师及化学家舍勒于1774年独立发现，英国化学家约瑟夫·普利斯特里也在其之后发现，但由于普利斯特里坚持燃素说的理论，他未能成为化学革命的先驱者。 1777年，法国化学家拉瓦锡提出燃烧的氧化学说，指出物质只能在含氧的空气中进行燃烧，燃烧物重量的增加与空气中失去的氧相等，从而推翻了全部的燃素说，并正式确立质量守恒定律。从严格意义上讲，发现氧元素的为瑞典化学家舍勒，而确定氧元素化学性质的为法国化学家拉瓦锡。 而在1771年瑞典的药剂师威廉·舍尔则认为氧是酸产生的根源，并把氧元素命名为酸素，但是这种说法未得到当时大家认可。

同位素

在大质量恒星的晚期，O集中在O层，O在H层，O在He层。 已经测定的氧的同位素有13个，包括O至O。其中，自然产生的氧有三种稳定的同位素，O, O, O，其中O最丰富（占99.762%的自然丰度）。其余的10种氧同位素为放射性同位素。 大多数的O是在大质量恒星的氦聚变过程的末期被合成的。但也有一些是由氖燃烧过程产生的。O则主要是在碳氮氧循环中经由氢燃烧至氦的过程产生，这使得它在恒星的氢燃烧区中很常见。 大多数的O是当N捕获了一个He原子核时产生，因而在进化的大质量恒星的氦燃烧区中很常见。 氧的10种放射性同位素已经被探测过了。最稳定的O的半衰期为122.24秒，而O的半衰期为70.606秒。其余的放射性同位素的半衰期都少于27秒，其中大部分甚至少于83毫秒。轻于O的氧同位素的常见衰变类型是β衰变并产生氮，而重于O的同位素的衰变模式是β衰变并产生氟。 利用医用回旋加速器产生的质子，轰击重氧水之中的氧-18，通过(p,n)核反应，从而获得可以发射正电子的放射性同位素氟-18离子，用于合成正电子发射计算机断层扫描检查所需的示踪剂氟代脱氧葡萄糖。

在地球上的分布

氧元素占整个地壳质量的48.6%，它在地壳中基本上是以氧化物的形式存在的。每一千克的海水中溶解有2.8毫克的氧气，而海水中的氧元素差不多达到了88%.就整个地球而言，氧的质量分数为15.2%。无论是人、动物还是植物，他们的生物细胞都有类似的组成，其中氧元素占到了65%的质量。而在地球大气层中，氧的含量占第二多，有20.946%。

危险性

LCCN: sh85096329

GND: 4051803-6

BNF: cb11977353d（数据）

NDL: 00570181

BNE: XX534245

↑ PubChem Open Chemistry Database, Monooxygen, 美国国家生物技术信息中心, 1995 [May 15, 2015], （原始内容存档于May 17, 2015）

↑ Arun Syamal. Living Science Chemistry 9. Ratna Sagar. : 65. ISBN 978-81-8332-192-1 （英文）.

↑ 夏征农、陈至立 (编). 《辞海》第六版彩图本. 上海: 上海辞书出版社. 2009年: 第3227页. ISBN 9787532628599.

↑ John Ayto. Word Origins. Bloomsbury Publishing. 1 January 2009: 20–. ISBN 978-1-4081-0160-5 （英文）. Etymologically, oxygen means 'acid-former'. The word was coined in French in the late 1780s as oxygène, based on Greek oxus 'sharp, acid' ... and the Greek suffix-genes, denoting 'formation, creation'

↑ 克劳斯. 一颗原子的时空之旅. 中信出版社. 2003: 158. ISBN 978-7-80073-830-2 （中文（中国大陆）‎）. 拉瓦锡将其命名为氧，其字源是希腊文，意思是「产生酸的东西」，因为拉瓦锡认为燃烧后的产物一定是酸性的。

↑ 科学家发现海底无氧环境下生存的动物

↑ NASA Research Indicates Oxygen on Earth 2.5 Billion Years Ago (新闻稿). NASA. 2007-09-27 [2008-03-13].

1 2 3 4 Oxygen Nuclides / Isotopes. EnvironmentalChemistry.com. [2007-12-17].

1 2 3 Meyer, B.S. Nucleosynthesis and Galactic Chemical Evolution of the Isotopes of Oxygen (PDF). Proceedings of the NASA Cosmochemistry Program and the Lunar and Planetary Institute. Workgroup on Oxygen in the Earliest Solar System. Gatlinburg, Tennessee. September 19–21, 2005 [2007-01-22]. 9022.

↑ NUDAT 13O. [2009-07-06].

↑ NUDAT 14O. [2009-07-06].

↑ NUDAT 15O. [2009-07-06].