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Le système respiratoire permet l’échange entre deux gaz : l’oxygène et le dioxyde de carbone. L’échange gazeux se produit entre les millions d’alvéoles pulmonaires et les capillaires qui les enveloppent. Comme illustré ci-dessous, l’oxygène inhalé passe des alvéoles au sang des capillaires, et le dioxyde de carbone du sang des capillaires à l’air dans les alvéoles.Échange gazeux entre les espaces alvéolaires et capillaires
Pour que l’oxygène de l’air passe dans le sang circulant dans les poumons, trois processus sont nécessaires : la ventilation, la diffusion et la perfusion.
La ventilation est le processus par lequel l’air est inspiré et expiré par les poumons.
La diffusion est le transfert passif des gaz, qui ne nécessite aucun effort ou énergie de la part de l’organisme, entre les alvéoles et les capillaires dans les poumons.
La perfusion est l’action par laquelle le système cardiovasculaire fait circuler le sang à travers les poumons.
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| Symbole | O |
| Numéro atomique | 8 |
| Famille | Non-métaux |
| Groupe (colonne) | 2 |
| Période (ligne) | 16 |
| Bloc (sous couche électronique) | p |
| Propriétés atomiques | |
| Masse atomique (isotope principal) | 15,9994 u |
| Structure électronique | (K)2(L)6 |
| Configuration électronique | 1s22s22p4 |
| Propriétés physico-chimique | |
| électronégativité | 3,44 |
| Masse molaire atomique (g/mol) | 16 |
L'oxygène est le troisième élément chimique le plus abondant de l'univers (après l'hydrogène et l'hélium).
Sur Terre, il est présent combiné à divers éléments, sous forme d'oxydes minéraux ou au sein de fonctions chimiques des composés organiques (alcool, cétone, acide carboxylique...). Il est présent dans l'air sous forme de dioxygène, dans l'eau combiné avec l'hydrogène et les composés biologiques. Il est vital pour la plupart des organismes vivants sur terre.
En dehors de son rôle biologique, il est également important au développement de la civilisation humaine car est nécessaire à la réalisation de feu.
Attention à ne pas confondre oxygène et dioxygène. En effet, dans le langage courant nous parlons de l'oxygène que nous respirons, mais chimiquement il s'agit de dioxygène (2 atomes d'oxygène). Par exemple, l'oxygène est un constituant de l'eau (H2O, un seul atome d'oxygène), mais du dioxygène existe également dissous dans l'eau (ce qui permet la respiration des organismes aquatiques).
Oxygène : origine et étymologie
Le mot oxygène est formé par association des termes grecs "oxus" et "gennan" ce qui signie le "formeur d'acide".
Ce nom a été proposé par le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier en référence à la théorie de l'époque selon laquelle l'oxygène est l'élément commun à tous les composés acides.
Cette théorie à été invalidée depuis (c'est l'hydrogène et non l'oxygène qui est responsable de l'acidité), mais le nom est resté.
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C'est parti
La découverte de l'oxygène, un peu d'histoire
Si la présence d'oxygène, puis de dioxygène sur terre a toujours été indispensable à la vie, il n'a pas été identifié formellement en tant qu'élément avant la fin du XVIIIe siècle avec Lavoisier.
Avant cela, le dioxygène était confondu avec l'air, qui est en réalité un mélange d'azote, dioxygène et d'hélium :
- Léonard de Vinci, (1452 - 1519) artiste, ingénieur, scientifique, inventeur florentin soutient que l'air est un mélange de gaz et que l'un d'entre eux permet à la fois la respiration humaine et les combustions. Il avait bien identifié le rôle du dioxygène.
- Michal Sedziwoj (1566 - 1636), alchimiste et médecin polonais découvre qu'en chauffant du salpêtre (constitué de nitrate de potassium) on obtient un gaz qui permet la respiration et qu'il nomme "élixir de vie". La réaction peut être décrite par l'équation:
- En 1773, le chimiste suédois Carl Scheele obtient un gaz en chauffant de l'oxyde de mercure. Ce gaz est capable d'entretenir une combustion et il le nomme "air de feu".
- L'année suivante en 1774, Joseph Priestley, théologien britannique ayant effectué de nombreux travaux en chimie et en physique, sans avoir connaissance des travaux de Scheele, effectue une expérience analogue et nomme le gaz qu'il obtient "air déphlogistiqué". Ce terme provient de la phlogistique, théorie selon laquelle le feu trouve son existence grâce à une substance le phlogiston, libéré pendant la combustion. Il publie les résultats obtenus en 1775 soit deux avant Scheele (qui les publie en 1977) il est donc crédité officiellement de la découverte du dioxygène. Cependant, sans l'avoir réellement défini ni identifié.
- Peu après, en 1775 Antoine Laurent de Lavoisier, chimiste français, un des pères de la chimie moderne, montre que le gaz découvert par Priestley représente un cinquième du volume total de l'air et qu'il permet la respiration des êtres vivant. Il propose de le baptiser "oxygène". Il travail également sur l'oxydation des métaux, ce qui permet d'identifier l'oxygène en tant qu'élément.
- En 1883, le dioxygène est liquéfié pour la première fois par les chimistes polonais Zygmunt Wroblewski et Karol Olszewski.
Origine chimique de l'oxygène
L'oxygène est un élément d'origine stellaire. Il en existe plusieurs voies de synthèse, ce qui explique la présence de plusieurs isotopes naturels de l'oxygène :
- Les étoiles âgées et massives possèdent un noyau d'hélium qui en fin de vie s'échauffe et permet la fusion de l'hélium avec lui même, ainsi que d'autres éléments présents.
- Dans des étoiles très lourdes lors du processus de photodésintégration du Néon.
- Toujours dans les étoiles, lors du processus de fusion de l'hydrogène en hélium.
- Plus rarement, dans les étoiles massives évoluées, lorsque l'étoile est assez riche en azote, celui-ci est capable absorber un noyau d'hélium.
Les isotopes de l'oxygène
Isotopes naturels non radioactifs
L'oxygène possède trois isotopes naturels non radioactifs allant des nombres de masse 16 à 18. L'isotope 16 est très largement majoritaire et est présent à 99,762 %, tandis que l'isotope 17, présent à 0,038 % est très largement minoritaire. Ainsi la masse atomique standard assignée à l'oxygène est très proche de 16 (15,9994 U).
Ces pourcentages de présence sont des moyennes sur terre et peuvent varier localement, en raison des flux planétaires qui entraînent plus facilement les isotopes légers. En effet l'isotope 18 s'évaporera plus difficilement et retombera plus facilement que l'isotope 16. Ce phénomène est d'autant plus vrai que les températures sont froides.
Même si cette différence demeure en réalité infime, elle est très largement exploitable pour les scientifiques car les appareillages actuels permettent de mesurer ces écarts assez facilement. Ainsi, l'eau des océans proches des pôles est plus pauvres en O18 que les eaux équatoriales.
L'étude du rapport isotopique O18/O16 par rapport à la moyenne, peut s'avérer très utile pour la compréhension de certains phénomènes.
Radioisotopes naturels
L'oxygène ne possède pas d'isotopes radioactifs naturels.
Les isotopes synthétiques
D'autres isotopes de l'oxygène ont été synthétisés, allant des nombres de masse de 12 à 15 pour les plus légers et de 19 à 28 pour les plus lourds.
Ces isotopes sont tous radioactifs.
Les isotopes les plus légers, se désintègrent principalement selon un processus de radioactivité β+ et les plus lourds principalement selon une désintégration β-.
Les ions de l'oxygène
L'oxygène n'existe pas sous forme d'ion monoatomique stable en solution aqueuse. Par contre, dans un cristal ionique, il forme l'ion oxyde de formule O2- qui possède deux électrons de plus que l'atome.
Corps simples à base d'oxygène
Du fait de la configuration électronique de ses électrons de valence, l'oxygène a six électrons disponibles. Quatre électrons forment deux doublets non liants. Il reste donc deux électrons très disponibles pour réagir avec d'autres éléments chimiques, c'est pourquoi l'oxygène peut se lier à la plupart des autres éléments chimiques.
Ainsi, on ne retrouve pas l'élément oxygène à l'état natif sur terre. Cependant, nous sommes entourés de dioxygène, c'est pourquoi la confusion est fréquente entre oxygène et dioxygène.
Les principaux corps simples formés de d'oxygène sur terre sont :
- Le dioxygène, de formule O2, est une molécule composée de deux atomes d'oxygène. Il s'agit d'un des deux gaz majoritaires constituant l'air (environ 21%). Il permet la respiration animale, intervient dans les combustions, provoque l'oxydation de la plupart des métaux mais ne réagit pas avec l'eau ni les autre constituants de l'air.
- L'ozone de formule O3 est une molécule composée de trois atomes d'oxygène, c'est un oxydant encore plus puissant que le dioxygène. Il est donc très réactif. Au niveau du sol, c'est un polluant nocif, irritant pour les poumons, mais la couche qu'il forme dans la stratosphère (entre 20 et 50 km d'altitude) nous protège des rayonnements ultraviolets les plus nocifs. Ce que l'on appelle communément le "trou" dans la couche d'ozone, est plus précisément un amincissement de cette couche, accentué par l'activité humaine. En effet certains gaz contenant du chlore ou du brome (très utilisés dans les réfrigérateurs dans les années 70-80), relargués dans l'atmosphère se dissocient sous l'effet des rayons solaires (UV), et libèrent du chlore et du brome. Ces éléments sont des catalyseurs de la dégradation de l'ozone.
Les corps composés à base d'oxygène
Pour les mêmes raisons que citées précédemment, il existe de nombreux corps composés à base d'oxygène :
- L'eau de formule H2O est une molécule où l'oxygène est associé à deux atomes d'hydrogène
- Les oxydes sont composés d'oxygène lié à d'autres atomes moins électronégatifs. Ils se forment en particulier avec les métaux (oxyde de fer, oxyde d'aluminium etc)
- De nombreuses fonctions organiques font intervenir l'oxygène : les alcools, les cétones, les aldéhydes, les éthers, les esters, les acides carboxyliques, les anhydrides carboxylique ou encore les amides.
Oxygène et vieillissement
Le dioxygène est source de vie pour la majorité des organismes vivants sur terre, cependant il est également responsable de notre vieillissement.
En effet, l'oxygène a la propriété de former des radicaux libres, éléments très réactifs allant perturber les processus biologiques.
C'est à eux que sont attribués la formation de rides de la peau et certains cancers notamment.
Chimiquement, un radical libre est un atome (ou molécule) qui a perdu ou gagné un électron. Cette entité est par définition très instable car les électrons "veulent" toujours s'apparier (c'est pourquoi les atomes forment des molécules).
L'instabilité des radicaux libres leur confère une grande réactivité avec les molécules du vivants. Ils ont en plus tendance à former de nouveaux radicaux libres par échanges d'électrons, ce qui entraîne de nombreuses réactions en chaîne, perturbant le cycle biochimique normal des cellules.
Ce phénomène est également appelé stress oxydatif.
Ainsi, de nombreuses marques cosmétiques, vantent les mérites de produits anti-oxydants efficaces pour traiter l'apparition des rides.
Ces molécules ont la propriété d'être plus facilement attaquée que la peau, et donc échangent préférentiellement les électrons avec les radicaux libres pour former des éléments stables réduisant le risque de réaction en chaîne.
Cependant, il ne faut pas rêver, il n'y a pas de miracle ! D'autant que souvent les principes actifs dans les produits cosmétiques ne sont pas très concentrés, ce qui limite leur champ d'action.
Utilisation de l oxygène
Mis à part son utilisation naturelle et instinctive des être vivants pour vivre, l'oxygène est utilisé pour comprendre certains phénomènes, notamment en paléoclimatologie.
En effet, à la surface de la Terre nous connaissons la proportion d'oxygène 16 et 18 (Rapport isotopique) moyenne, même si ,nous l'avons vu, cela varie selon les régions du globe.
Il est possible en mesurant le rapport isotopique O18/O16 dans une région donnée à la surface de la terre et en profondeur (qui était en fait en surface à une certaine époque), d'évaluer les tendances climatiques de l'époque à laquelle remonte la couche étudiée.
En effet, si la période était glaciaire, la quantité de O18 est diminuée par rapport à la normale et le rapport O18/O16 est donc plus faible.