Oxygène

Oxygène
n.., pluriel : oxygènes

Définition : l’élément gazeux incolore et inodore représenté par le symbole « O », dont le numéro atomique est 8

Définition de l’oxygène

En biochimie, l’oxygène est l’élément gazeux incolore, inodore, élément gazeux représenté par le symbole « O », de numéro atomique 8, et constitue environ 21% en volume de l’atmosphère, et biologiquement important pour son rôle dans divers processus biochimiques et physiologiques, notamment des organismes aérobies. Étymologie : Grec ancien ὀξύς (oxús, signifiant  » aigu « ) + γενής (-genēs, signifiant  » producteur « ). Symbole : O.

L’oxygène est l’un des éléments chimiques présents dans la nature. Un élément chimique désigne la substance pure d’un type d’atome. Actuellement, 94 sont des éléments naturels tandis que 24 sont synthétiques. L’oxygène est l’un des éléments les plus courants dans les êtres vivants, avec le carbone, l’hydrogène et l’azote. C’est aussi le troisième élément le plus abondant dans l’univers, après l’hydrogène et l’hélium.

Propriétés de l’oxygène

L’oxygène est un élément naturel gazeux dont le numéro atomique est 8 et le poids atomique 15,96. Dans le tableau périodique, il fait partie des chalcogènes. C’est un non-métal réactif dont la configuration électronique est He 2s2 2p4. Il est capable de se combiner avec tous les éléments, à l’exception du fluor, pour former des oxydes, des bases, des anhydrides d’oxyacides, etc. À température ambiante, l’oxygène n’est que modérément actif avec la plupart des substances. Cependant, à des températures plus élevées, il devient très actif et est considéré comme l’un des agents chimiques les plus puissants. Le point de fusion de l’oxygène est de -218,79 °C. Sa densité à STP est de 1,49 g/L à 0°C et à une pression de 760 mm.

Au cours des 18e et 19e siècles, les scientifiques ont appris que les composants de l’air pouvaient être liquéfiés en comprimant et en refroidissant l’air. En 1883, l’oxygène a été liquéfié dans un état stable pour la première fois.1 L’oxygène liquide est de couleur bleu pâle, la densité de 1,141 g/cm3, le point d’ébullition de -182,96 °C à 101,325 kPa (760 mmHg), et le point de congélation de -218,79 °C. Actuellement, il est utilisé dans les avions militaires et les industries gazières.

L’oxygène solide est un autre état physique de l’oxygène qui se forme à la pression atmosphérique normale à une température inférieure à -218,79 °C. Il a également une couleur bleu pâle. Il a une densité de 21 cm3/mol dans la phase α à 23,5 cm3/mol dans la phase γ.2

Isotopes de l’oxygène

Les isotopes naturels de l’oxygène sont l’oxygène-16, l’oxygène-17 et l’oxygène-18. Ces trois isotopes sont stables. L’oxygène-16 (16O) possède 8 neutrons et 8 protons dans son noyau. C’est l’isotope de l’oxygène le plus abondant et il représente 99,762 % de l’abondance naturelle (NA, c’est-à-dire l’abondance de l’isotope dans la nature). L’oxygène-17 (17O) possède 9 neutrons et 8 protons dans son noyau. Son AN est de 0,0373 % dans l’eau de mer et de 0,0377421 % dans l’eau de mer. L’oxygène-18 (18O) possède 10 neutrons et 8 protons dans son noyau. Son AN est de 0,2%.

Allotropes de l’oxygène

Un allotrope d’un élément se rapporte à l’une des multiples substances formées par un seul type d’élément. Des exemples d’allotropes de l’oxygène sont l’oxygène atomique, le dioxygène, l’ozone et le tétraoxygène. L’oxygène atomique (O1) est un allotrope très réactif de l’oxygène. Il a tendance à se lier rapidement aux molécules voisines. Le dioxygène (O2) (oxygène libre) se présente sous deux formes principales : triplet et singlet. L’oxygène triplet 3O2 est l’état fondamental triplet du dioxygène. Il est plus connu sous le nom d’oxygène moléculaire.

Ses deux atomes d’oxygène sont attachés par une liaison σ complète plus deux demi-liaisons π. C’est l’allotrope d’oxygène le plus commun et le plus stable sur Terre. C’est cette forme qui est utilisée par les organismes, par exemple dans la respiration cellulaire. Il est également libéré comme sous-produit de la photosynthèse par les photoautotrophes.

L’oxygène singlet 1O2 est un dioxygène dont la formule est O=O. Il est plus réactif vis-à-vis des composés organiques que l’oxygène triplet. Il peut être distingué de l’oxygène triplet sur la base du nombre de spins électroniques. L’oxygène singulet n’a qu’un seul arrangement possible de spins électroniques alors que l’oxygène triplet en a trois. L’oxygène singulet est l’une des espèces réactives de l’oxygène (ROS).

Dans les photoautotrophes, l’oxygène singulet est produit par les molécules de chlorophylle pendant la photosynthèse. Les plantes contrent l’effet oxydatif néfaste par l’action des caroténoïdes. Les herbivores qui ingèrent des parties de plantes riches en pigments chlorophylliens produisant de l’oxygène singulet sont sujets à la photosensibilité.

Les humains, par exemple, qui s’en tiennent à un régime végétalien peuvent devenir plus sensibles à la lumière et être prédisposés à la photodermatite. Chez les mammifères, les ROS sont associés à l’oxydation du cholestérol LDL, qui est à l’origine des effets délétères sur le système cardiovasculaire. En médecine, c’est l’espèce oxygénée active dans la thérapie photodynamique.

L’ozone (O3) est une molécule présente dans la couche d’ozone de la stratosphère. Elle est capable d’absorber la majeure partie du rayonnement ultraviolet du Soleil. Le tétraoxygène (O4) était également appelé oxozone.

Composés oxygénés

L’eau (H2O) est l’un des oxydes d’hydrogène et l’oxyde le plus courant. Les atomes d’hydrogène sont liés à l’oxygène par des liaisons covalentes. L’eau est une molécule polaire en raison de son oxygène qui a une légère charge négative alors que ses hydrogènes ont une légère charge positive. La polarité de l’eau en fait un excellent solvant. L’oxygène légèrement négatif attire les cations tandis que l’hydrogène légèrement positif attire les anions. L’eau a donc la capacité de dissocier et d’ioniser les molécules. L’eau, le CO2, le MgO, l’Al2O3, le Na2O, le CaO, le BaO et le ZnO sont des exemples d’oxydes, qui sont aussi des exemples de composés inorganiques contenant de l’oxygène.

Les composés organiques sont fondamentalement définis comme les substances contenant des atomes de carbone et des liaisons Carbone-Carbone (C-C) et Carbone-Hydrogène (C-H). Des exemples de composés organiques courants contenant de l’oxygène et R (le groupe fonctionnel organique) sont les alcools (R-OH), les aldéhydes (R-CO-H), les amides R-C(O)-NR2, les esters (R-COO-R), les éthers (R-O-R) et les cétones (R-CO-R). D’autres composés organiques importants qui ont de l’oxygène sont l’acide citrique, le formaldéhyde, le glycérol, l’acétamide, le formaldéhyde et le glutaraldéhyde.

Découverte de l’oxygène

Au 17ème et 18ème siècle, les premières expériences de scientifiques tels que Robert Hooke, Ole Borch et Pierre Bayen ont conduit à la production d’oxygène. Cependant, il n’était pas reconnu comme un élément chimique à l’époque. La pensée prédominante pendant de nombreux siècles était que les quatre éléments principaux étaient l’air, le feu, l’eau et la terre. On ne savait pas encore que chacun d’entre eux était composé de constituants plus simples, qui ont été appelés plus tard des éléments chimiques.
Joseph Priestley 1733 – 1804, l’ecclésiastique britannique, a contesté cette croyance et a affirmé que l’air était composé de substances telles que le gaz qu’il a observé avoir été libéré de l’oxyde mercurique (HgO) dans ses expériences. Il appelait ce gaz l’air déphlogistiqué. Plus tard, le gaz a reçu le nom d’oxygène en 1777 par Antoine Lavoisier 1743 – 1794, chimiste français.3 Priestley a été le premier à publier sur l’oxygène et, en tant que tel, a été généralement attribué comme le découvreur de l’oxygène.

Le nom anglais oxygen a été adopté à partir de l’oxygène de Lavoisier, qui à son tour était dérivé du grec ὀξύς (oxús, signifiant « aigu ») et -γενής (-genēs, signifiant « producteur »). Il s’agissait cependant d’une appellation erronée, car on pensait que l’élément était un constituant de la formation de tous les acides. Le nom était bien établi qu’il est resté jusqu’à maintenant, même après qu’on ait découvert qu’il n’était pas vrai.

Importance biologique

En biologie, l’oxygène joue un rôle crucial dans divers processus biochimiques et physiologiques. Il est l’élément le plus abondant (65% en masse) dans le corps humain, suivi par : le carbone (18,5%), l’hydrogène (9,5%), l’azote (3,2%), le calcium (1,5%) et le phosphore (1%).

Respiration

Chez l’homme et les autres vertébrés terrestres, le dioxygène (O2) pénètre dans le corps par les poumons, puis se lie à l’hémoglobine des globules rouges pour être acheminé vers les différentes parties du corps. Le dioxygène se détache de l’hémoglobine et pénètre dans les tissus par diffusion. A son tour, le dioxyde de carbone est capté pour être amené aux poumons afin d’être rejeté à l’extérieur.

L’oxygène entre dans la cellule pour être utilisé par les mitochondries afin de générer de l’ATP par la respiration cellulaire. Il agit comme accepteur final d’électrons dans la chaîne de transport d’électrons pendant la phosphorylation oxydative. La réaction globale de la respiration cellulaire est la suivante : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Puisqu’il utilise de l’oxygène, le processus est décrit comme étant aérobie. La présence d’oxygène rend la respiration cellulaire environ dix fois plus efficace pour produire de l’ATP.

Fonction immunitaire

Chez les humains, le peroxyde d’hydrogène (H2O2), l’oxygène singulet et les ions superoxyde sont quelques-uns des ROS qui se produisent naturellement comme sous-produits de l’utilisation de l’oxygène. Ils sont utilisés pour détruire les agents pathogènes et ont donc une fonction immunitaire.

Photosynthèse

Les photo-autotrophes, comme les cyanobactéries, les algues vertes et les plantes, produisent de l’oxygène par photosynthèse. La formule globale du processus est :
6 CO2 + 6 H2O + photons → C6H12O6 + 6 O2
Le dioxyde de carbone, l’eau et les photons sont nécessaires pour produire du glucose et de l’O2. L’oxygène est finalement rejeté dans l’atmosphère.

Oxygénothérapie

On pense également que l’oxygène a un rôle thérapeutique notamment dans le traitement ou la prise en charge des tissus ischémiques. L’oxygénothérapie, c’est-à-dire l’utilisation de l’oxygène dans le cadre d’un traitement médical, est utilisée pour traiter les affections dont l’absorption d’oxygène est altérée, comme la pneumonie et l’emphysème. L’oxygène (O2) peut cependant être toxique à des pressions partielles élevées (<50 kilopascals). Il peut entraîner des problèmes de santé et des convulsions.

Histoire géologique de l’oxygène

Il y a 3,85 à 2,45 milliards d’années, il n’y avait pas encore d’oxygène libre dans l’atmosphère terrestre et la plupart des parties océaniques étaient anoxiques. L’oxygène libre a commencé à exister dans l’atmosphère lorsque les organismes photosynthétiques ont évolué. On pense que cela s’est produit il y a environ 3,5 milliards d’années. Par la photosynthèse, ils utilisaient le dioxyde de carbone, l’eau et les photons pour produire des sucres. L’oxygène produit par la photosynthèse était également rejeté comme un déchet.
En 2,45 à 1,85 millions d’années, le niveau d’oxygène a commencé à augmenter de manière significative. Une grande partie de l’oxygène libre produit par les organismes a été absorbée par les océans et les fonds marins. L’accumulation d’oxygène d’origine biologique a été appelée le Grand événement d’oxygénation. On suppose qu’il s’est produit pendant la période sidérienne (il y a 2,5 à 2,3 milliards d’années) de l’ère paléoprotérozoïque. L’accumulation importante d’oxygène libre a provoqué l’extinction de nombreux anaérobies obligatoires.

L’oxygène libre a commencé à sortir des océans il y a 1,85 à 0,85 milliard d’années. Les surfaces terrestres en ont absorbé une grande partie. Depuis lors et jusqu’à aujourd’hui, l’oxygène libre a fini par s’accumuler dans l’atmosphère, notamment lorsque les réservoirs d’oxygène étaient remplis. L’évolution d’organismes capables de métaboliser l’oxygène a freiné l’augmentation de l’oxygène libre disponible.

Au Carbonifère (358,9 à 298,9 millions d’années) de l’ère paléozoïque, le taux d’oxygène dans l’atmosphère est passé à 35% en volume. On pense que cela a été un facteur dans l’évolution des insectes et des amphibiens de grande taille. On a également émis l’hypothèse que la disponibilité de l’oxygène a conduit à la diversité des organismes aérobies.4

Cycle de l’oxygène

L’oxygène est le troisième élément le plus abondant dans l’univers, après l’hydrogène et l’hélium. Il est donc très répandu sur la Terre et fait l’objet d’un cycle. Le cycle de l’oxygène est l’un des cycles biogéochimiques sur Terre, étant converti d’une forme à une autre.

Les quatre principaux réservoirs d’oxygène sont l’atmosphère, l’hydrosphère, la lithosphère et la biosphère. La lithosphère est le plus grand réservoir, notamment au sein des minéraux silicatés et oxydés de la croûte terrestre et du manteau. Dans l’atmosphère, l’oxygène se présente principalement sous forme de dioxygène. On y trouve également d’autres molécules oxygénées, telles que l’ozone (O3), le CO2, H2O (sous forme de vapeur d’eau) et d’autres oxydes. La forte concentration d’ozone explique la formation du bouclier UV, appelé couche d’ozone, dans la stratosphère. Dans l’hydrosphère, l’oxygène est présent dans les molécules d’eau, dans les acides carboniques et sous forme d’oxygène libre. Une source importante d’oxygène provient de la biosphère en tant que sous-produit du processus biologique de la photosynthèse. La photolyse forme également de l’oxygène. Elle décompose l’eau et le protoxyde d’azote pour libérer l’oxygène libre dans l’atmosphère, tandis que l’hydrogène et l’azote sont libérés dans l’espace. Les animaux marins dont la coquille contient du carbonate de calcium servent également de source biologique. Lorsqu’ils meurent, le carbonate de calcium de leur coquille s’incorpore dans les roches sédimentaires calcaires.

L’oxygène libre de l’atmosphère est métabolisé par les animaux aérobies pour la respiration. Et ce faisant, ils libèrent du dioxyde de carbone.

La lithosphère absorbe l’oxygène libre de l’atmosphère lors de l’altération chimique, comme dans la formation de la rouille.

Lire :

• Transport de l’oxygène dans la photosynthèse sanguine
• Respiration cellulaire – Tutoriel de biologie en ligne

1. Papanelopoulou, F. (2013).  » Louis Paul Cailletet : La liquéfaction de l’oxygène et l’émergence de la recherche à basse température ». Notes et archives de la Royal Society of London. 67 (4) : 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). « Le volume molaire (densité) de l’oxygène solide en équilibre avec la vapeur ». Journal des données de référence physiques et chimiques. 7 (3) : 949. doi:10.1063/1.555582
3. Joseph Priestley, découvreur de l’oxygène National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, 1 janvier). Récupéré de www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, 1 janvier). L’oxygène a fourni le souffle de vie qui a permis aux animaux d’évoluer. Récupéré de www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

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