Dioxygène
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Origine

Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer la teneur de l'air en dioxygène :

  • la plus communément retenue est qu'il s'agit du déchet produit par les cyanobactéries, et plus généralement des végétaux chlorophylliens, extrayant le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est donc un...) et rejetant l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (sous forme de dioxygène) ;
  • une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...) concerne la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) dans la haute atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) depuis des milliards d'années, de molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) en dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions...) et dihydrogène, sous l'effet des rayonnements solaire et cosmique.

Les deux phénomènes étant présents, la réalité doit être une combinaison (Une combinaison peut être :) des deux processus.

Magnétisme

La représentation de Lewis de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus...) de dioxygène la plus proche des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) expérimentales comporte une liaison simple (et pas une liaison double) et fait apparaître un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) célibataire par atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) d'oxygène. En effet, le dioxygène présent dans les conditions naturelles de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...) est paramagnétique, ce qui s'explique par la présence de deux électrons célibataires sur les deux orbitales Π* du diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les...) d'orbitale moléculaire du dioxygène tracé par la méthode CLOA.

Une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe une...) du dioxygène diamagnétisme (Le diamagnétisme est l'un des comportements de la matière lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique. Voir magnétisme.) peut être produite par réaction entre le peroxyde (Un peroxyde est un composé chimique de formule générale R-O-O-R', le groupe -O-O- étant appelé peroxyle (abrégé "peroxo" quand il est mis en préfixe). Ces composés comportent une plus grande...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se...) hypochlorite ou par transfert d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) depuis une molécule excitée photoniquement vers le dioxygène. Il est appelée oxygène singulet (le dioxygène paramagnétique est triplet). Cette forme instable et très réactive de dioxygène comporte une double liaison entre les atomes d'oxygène.

Biologie

La respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz carbonique », et absorption de dioxygène O2, ou...) aérobie (Aérobie désigne la capacité d'un organisme ou micro-organisme de se développer dans l'air ambiant et plus particulièrement dans un milieu saturé en oxygène.) consiste à absorber le dioxygène nécessaire au catabolisme oxydatif et à l'apport d'énergie aux cellules. Les organismes ont une capacité limite d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...), appelée consommation maximale d'oxygène.

La consommation de dioxygène est un indice d'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) cellulaire. Cette remarque est à l'origine d'une caractérisation de la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].) biodégradable d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) d'eau, la demande biologique en oxygène.

Utilisations

Il est utilisé pour la conservation de la viande dans l’industrie agro-alimentaire.

On le livre, en tant que gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) industriel conditionné pur dans des bouteilles (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) sous pression, à deux usages :

  • industriel : pour provoquer des réactions chimiques, ou activer une flamme de chalumeau oxhydrique, ou en tant que comburant ;
  • médical :
    • oxygénothérapie normobare (à pression atmosphérique) : dans l'assistance respiratoire de personne ayant des difficultés respiratoires (maladie telle que l'asthme (L'asthme (phon. : [asm]) du latin asthma signifiant « respiration difficile », est une maladie du système respiratoire touchant les voies aériennes supérieures et notamment les deux bronches,...) ou l'insuffisance respiratoire (En médecine, l'insuffisance respiratoire désigne l'incapacité de l'appareil respiratoire à assumer correctement sa fonction, à savoir oxygéner le sang. Elle peut...) chronique, ou lors d'une anesthésie), pour la ventilation artificielle (arrêt de la respiration);
    • oxygénothérapie hyperbare (à haute pression) : pour le traitement de certaines intoxications au gaz (notamment au monoxyde de carbone), des accidents de décompression en plongée ou de certaines brûlures, de certaines pathologies artéritiques.

Production

En laboratoire

Le dioxygène peut être préparé par électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau, mais cette technique est lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) et couteuse en énergie. Un moyen de libérer rapidement une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de dioxygène est de dissoudre des pastilles d'oxylithe Na2O2. On utilise aujourd'hui le dioxygène à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) pour les applications médicales et industrielles.

Production industrielle

Le dioxygène est obtenu de manière industrielle principalement (à 95 %) par séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...) cryogénique des composés de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...), c'est-à-dire par une liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la transformation inverse de la vaporisation. L'usage vulgaire appelle parfois cette transformation...) de l'air suivie d'une distillation (La distillation est un procédé de séparation de substances, mélangées sous forme liquide. Elle consiste à porter le mélange à ébullition et à recueillir une fraction légère appelée distillat, et une fraction lourde...) fractionnée.

Les températures critiques du diazote N2 (tc = -146,9 °C) et du dioxygène 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 (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers...) sur tamis moléculaire et enfin refroidi par échange thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) entre le gaz entrant et les gaz liquéfiés. Les pertes frigorifiques sont compensées par une détente de 5 à 10 % du débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) gazeux traité, dans une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) 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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....), et mesurent de 15 à 25 m de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Elles sont en acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine, chirurgie, etc. Ce sont des aciers, alliages de fer et de carbone,...) ou en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 %...) et comportent une centaine de plateaux. L'isolation thermique est réalisée avec de la perlite (sable de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) 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.

Dioxygène liquide bleu
Par pure coïncidence, le dioxygène liquide a une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) semblable à celle du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.).
Toutefois, les deux phénomènes sont totalement indépendants : le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle...) du ciel est dû à la diffusion Rayleigh (La diffusion Rayleigh est un mode de diffusion des ondes (par exemple électromagnétiques ou sonores) dont la longueur d'onde est très supérieure à la taille des particules...), celui du dioxygène liquide vient de l'absorption de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge)....) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.).

Environ 5 % du dioxygène industriel est produit par un autre procédé, non cryogénique, appelé VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) ou adsorption par alternance de pression et de vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.).

L'air ambiant est séché et épuré par filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu...), puis passe dans une colonne de zéolithes qui adsorbent plus rapidement le diazote N2 que le dioxygène O2. Les zéolites peuvent fixer 10 litres de diazote par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).). 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 (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique.) à 200 bar ;
  • sous forme liquide, en camions (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier (routière) ou camionneur (camionneuse) a pour profession la conduite d'un camion.) citernes.

En 1995, huit compagnies dans le monde (Le mot monde peut désigner :) fabriquaient la quasi totalité de l'oxygène industriel :

  • Air liquide (Air liquide est un groupe industriel français d'envergure internationale, leader mondial des gaz industriels, c'est-à-dire des gaz pour l'industrie, la santé, l'environnement.) (France) : 17 %
  • BOC (Royaume-Uni) : 14 % (racheté par Linde en 2006)
  • Praxair (États-Unis) : 14 %
  • Air Products (États-Unis) : 8 %
  • Nippon Sanso (Japon) : 7 %
  • AGA (Suède) : 7 % (racheté par Linde en 2000)
  • Messer (Allemagne) : 6 %
  • Linde (Allemagne) : 6 %

Les principaux pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus...) producteurs en 1996, étaient :

  • 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 110 millionième du dioxygène de l'atmosphère.

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