L'oxygène
L'oxygène est un élément chimique (symbole O) indispensable à la vie sous sa forme moléculaire (dioxygène O2). En termes d'abondance, il pointe en 3ème position dans l’Univers (1 %) et en première position dans la croûte terrestre (46%). C’est bien évidemment l’élément le plus abondant dans l'eau de mer et il représente 20% de l’air que nous respirons. Il rafle également la pole position dans le corps humain dont il représente 65%.
Caractéristiques physicochimiques
L'oxygène est un élément de la deuxième rangée du tableau périodique des éléments. Son numéro atomique est 8. C'est un chalcogène, comme le soufre, le sélénium ou le tellure. Il existe 17 isotopes connus de l'oxygène mais seuls trois sont stables, le 16O (plus de 99,7 % de la quantité totale d'oxygène sur Terre), le 17O et le 18O. Le 15O a une demi-vie de 2 minutes et le 14O de 70 secondes. Les autres ont une demi-vie inférieure à 30 secondes.
Dans les conditions normales de température et de pression, l'oxygène existe sous forme gazeuse (dioxygène). Sa température d'ébullition est de -182,9° C et sa température de fusion de -218,8° C. A l'état solide, sa structure cristalline est cubique. Son potentiel de première ionisation vaut 13,56 eV. Son électronégativité de 3,44 est supérieure à celle de nombreux éléments mais inférieure à celle du fluor (3,98).
L'oxygène possède 8 électrons (1s2, 2s2, 2p4). A l'image de tous les chalcogènes, il possède quatre électrons sur sa sous-couche 2p. Sa valence est égale à 2. Le degré d'oxydation de l'oxygène peut varier entre -2, comme dans le dioxyde de carbone CO2, et +2, comme dans le fluorure d’oxygène OF2.
Les longueurs sont en pm et les énergies en kJ/mol.
Oxygène moléculaire
L’oxygène gazeux existe sur Terre sous forme moléculaire, et principalement de dioxygène O2. Il est apparu il y a 2,5 milliards d'années. Il a été produit par des microorganisme, les cyanobactéries, capables de transformer le dioxyde de carbone ambiant en dioxygène par photosynthèse (voir le post sur la formation de la Terre). Cette production s'est accompagnée d'une séquestration massive de CO2 sous la forme de stromatolithes, des sortes de gros coussins calcaires de structure laminaire. L'oxygénation de l'atmosphère a tout d'abord conduit à une oxydation généralisée des matériaux en surface de la Terre. Une fois ces minéraux saturés, le dioxygène s'est diffusé dans l'atmosphère et a pris la place du CO2. Dans le dioxygène les atomes d’oxygène sont reliés entre eux par une liaison double sigma-pi.
Dans la haute atmosphère, des photo-réactions permettent la formation d’ozone O3. Dans la molécule d’ozone, l’atome central est porteur d’une charge positive. Les atomes en position latérale se partagent la charge négative qui assure la neutralité électrique. Ils entretiennent chacun une liaison sigma avec l’atome central ainsi qu’une liaison pi délocalisée qui s’étend à toute la molécule. L’ozone protège les couches basses de l’atmosphère et la surface terrestre de l’effet délétère du rayonnement ultraviolet.
Il existe également un composé moléculaire appelé tétra oxygène qui est instable et dont la structure est encore mal connue.
Oxydes
Un oxyde est un composé chimique formé d’un ou plusieurs atomes d’oxygène associé à un élément moins électronégatif que lui. L’oxygène forme des oxydes avec presque tous les éléments chimiques à l’exception notable du fluor qui est plus électronégatif que lui. (C’est en effet le fluor qui oxyde l’oxygène pour former le fluorure d’oxygène F2O.) Il existe des oxydes métalliques et non métalliques. Les oxydes peuvent exister sous forme moléculaire (comme le dioxyde d’azote NO2) ou cristalline (comme l’hématite Fe2O3).
Parmi les oxydes métalliques, on trouve :
- Des oxydes de métaux alcalins (oxyde de lithium Li2O, de sodium Na2O, de potassium K2O) qui partagent tous la même structure cristalline.
- Des oxydes de métaux alcalinoterreux (oxyde de béryllium BeO, de magnésium MgO, autrement appelé magnésie, de calcium CaO, la fameuse chaux vive) qui partagent également tous la même structure cristalline,
- De très nombreux oxydes de métaux de transition, avec le plus souvent plusieurs degrés d’oxydation possibles pour le même métal. C’est ainsi qu’il existe un oxyde de fer II FeO, un oxyde de fer (II,III) Fe3O4 et un oxyde de fer III Fe2O3. Leur structure cristalline est variée.
- Des oxydes de métaux pauvres comme l’oxyde de zinc ZnO ou l’alumine Al2O3.
Au titre des oxydes non métalliques, on peut citer le dioxyde de carbone CO2 (gazeux), la silice SiO2 (cristalline ou amorphe), le dioxyde d’azote NO2, les multiples oxydes de soufre, du monoxyde SO au tétroxyde SO4 en passant par le dioxyde de disoufre S2O2 ou les sulfuryles, comme le chlorure de sulfuryle S(O2)Cl2, les différents oxydes de phosphore ou les oxydes d’halogène hors fluor, comme le dioxyde de chlore Cl2O.
Les peroxydes sont des composés incomplètement oxydés. C’est le cas par exemple du peroxyde d’hydrogène H2O2, du peroxyde d’azote N2O4 ou du peroxyde de chlore Cl2O2. Ils sont le plus souvent très réactifs.
Citons également l’ion superoxyde O2-, qui n’est pas un oxyde à proprement parler mais un composé radicalaire. Dans l’ion superoxyde, les atomes d’oxygène ne partagent qu’un seul doublet. L’un d’entre eux complète son octet avec la charge de l’ion cependant que l’autre possède un électron célibataire. L’ion superoxyde est instable et très réactif.
Certains de ces oxydes ont des propriétés acides, d’autres des propriétés basiques, on reviendra sur ce sujet un peu plus bas.
Les différences de potentiel d’oxydation entre oxydes métalliques conduisent à former des couples redox dont les propriétés sont intéressantes. C’est ainsi que l’oxydation de l’aluminium par l’oxyde de fer III, qui est fortement exothermique, permet de réaliser des opérations de soudure dites par aluminothermie :
Le monoxyde de carbone est quant à lui un réducteur puissant utilisé par l’industrie métallurgique pour extraire le fer du minerai.
Oxydes acides et oxacides
Comme on l’a indiqué plus haut, certains oxydes ont des propriétés acides. On les appelle également anhydrides d’acide. En présence d’eau, ils forment des oxacides :
La plupart des oxydes non métalliques ont des propriétés acides mais pas exclusivement. L’acide permanganique HMnO4 par exemple est un oxacide de manganèse.
Sels d’oxacides
La réaction d’un oxacides avec une base donne un sel d’oxacide. Les sels d’oxacides sont l’une des formes les plus courantes des minéraux dans la croûte terrestre. Les plus abondants sont les carbonates (CO32-), les sulfates (SO42-), les phosphates (PO43-) et les nitrates (NO3-). Les silicates peuvent être considérés comme des sels de l’acide silicique H4SiO4, l’oxacide formé à partir de la silice SiO2.
Oxydes basiques
Les oxydes basiques, ou anhydrides basiques, sont des oxydes qui forment des bases en présence d’eau :
L’oxygène en chimie organique
L’oxygène est un élément essentiel en chimie organique. Il intervient dans la composition de nombreuses molécules organiques mais également en tant que solvant. La plupart des composés cités ci-après font l’objet d’un post plus détaillé.
Acides carboxyliques
Les acides carboxyliques sont des molécules organiques porteuses d’un groupe terminal -C(=O)OH. Dans ce groupe, l’oxygène relié à l’atome de carbone de carbone par une double liaison a tendance à attirer vers lui les deux doublets liants. Le carbone en déficit d’électrons va, de ce fait, renforcer son lien avec l’oxygène du groupe hydroxyle OH. C’est ce qui explique le caractère acide de ce groupe.
Exemple : acide éthanoïque C2H4O2 (formule semi-développée CH3-C(=O)0H)
Acide gras
Un acide gras est un acide carboxylique dont le corps est constitué par un hydrocarbure à chaîne aliphatique comportant au moins quatre atomes de carbone.
Exemple : acide caprylique (aussi appelé acide octanoïque) CH3-(CH2)6-C(=O)OH
Acide aminé
Un acide aminé est un acide carboxylique porteur d’un groupe amine. Un acide alpha-aminé porte ce groupe amine sur son carbone alpha, c’est-à-dire sur le carbone lié au groupe carboxylique. Les acides aminés protéinogènes sont les composants élémentaires des protéines.
<>Exemple : glycine : C2H5O2N (formule semi développée H2N-CH2-C(=O)OH)Alcool
Un alcool est une molécule organique porteuse d’un groupe hydroxyle OH sur l’un de ses carbone en configuration tétraédrique (donc non porteur d’une double liaison).
Exemples :
- éthanol : CH3-CH2-OH
- glycérol : HOH2C–CHOH–CH2OH
Le groupe alcool confère à la molécule des propriétés diverses en fonction du milieu avec lequel il réagit : acide faible, base, nucléophilie... Ils ont de très nombreuses applications, alimentaires ou non.
Aldéhyde, cétone
Un aldéhyde est une molécule organique dont l’une des extrémités est occupée par un groupe carbonyle C=O. Une cétone est une molécule organique dont l’un des atomes de carbone est porteur d’un groupe carbonyle.
Exemple d’aldéhyde : propionaldéhyde :
CH3-CH2-C(=O)H
Exemple de cétone : propanone CH3-C(=O)H-CH3
Glucide
Un glucide est un composé organique qui comporte un groupe fonctionnel aldéhyde ou cétone et plusieurs groupes hydroxyles. Les oses sont les plus simples des glucides. Ils ne sont pas hydrolysables (exemples : glucose, pentose). Les osides sont des polymères d’oses. Ils sont hydrolysables (exemple : saccharose). Les hétérosides sont des polymères d’oses et d’autres molécules.
Les oses sont facilement cyclisables. C’est d’ailleurs la forme cyclique qui domine pour les oses les plus simples.
Ester
Un ester est un composé produit par l’action d’un alcool sur un acide carboxylique. La formule générique d’un ester est R-C(=O)-O-R’, R et R’ étant deux chaînes organiques.
Exemple : propanoate de méthyle : CH3-CH2-C(=O)-O-CH3
Par extension, on appelle liaison ester toute liaison entre un atome porteur d’une double liaison avec un atome d’oxygène et un groupe alcoxyle. Un groupe alcoxyle est un groupe dont la formule générique est -O-R, R étant une chaîne organique. Il existe en particulier des esters nitriques, des esters sulfoniques ou des esters phosphoriques.
Exemples :
- nitrate de méthyle CH3-O-N(=O)
- trinitrate de glycérol (nitroglycérine) : CH2(ONO2)-CH(ONO2)-CH2(ONO2)
- benzènesulfonate de méthyle C6H5-S(=O)2-O-CH3
La nitroglycérine est un triester (trois liaisons ester).
La liaison phosphodiester joue un rôle particulier dans la chimie du vivant. C’est grâce à la liaison phosphodiester que les nucléotides sont chaînés entre eux dans les molécules d’ADN et d’ARN.
Ether-oxyde
Un éther-oxyde est un composé organiques constitué par deux groupes alkyles relié entre eux par un atome d’oxygène (formule générale R-O-R’).
Exemples : éther diéthylique CH3-CH2-O-CH2-CH3.
La liaison éther peut également joindre les deux extrémités de la même chaîne. On parle alors d’éther cyclique.
Exemple : tétrahydropyrane C5H10O.
et tous les autres...
La liste de familles de composés citées ci-dessus n’épuise pas toute la richesse de la chimie de l’oxygène. De nombreux composés organophosphorés comportent une liaison oxygène -O- comme le montre la figure ci-dessous.
Il en va de même pour les composés organosulfurés comme les sulfoxydes ou les esters sulfoniques (aussi appelés sulfones). Les sulfoxydes sont caractérisés par la présence d'un groupe sulfinyle -S(=O)-. La particularité des sulfoxydes est qu'ils sont polaires (S+=O-) et que l'atome de soufre est porteur d'un doublet non liant (base de Lewis). Les esters sulfoniques sont quant à eux porteurs d'un groupe sulfonyle -S(=O)2-.
Exemple de sulfoxyde : diméthylsulfoxyde H3C-S(=O)-CH3
Exemple de sulfone : diméthylsulfone H3C-S(=O)2-CH3
Remarque : sulfoxydes et sulfones peuvent être considérés comme des thioéthers (liaison C-S-C) oxydés.
Un même composé peut combiner les caractéristiques de plusieurs familles. L’aspirine (acide acétylsalicylique C9H8O4) en est un parfait exemple. C’est un acide carboxylique (dérivé de l’acide benzoïque) et un ester de l’acide acétique !
Quelques règles de nommage des composés oxygénés
