Tétraoxygène (O4)

Définition

Le tétraoxygène (O₄, oxozone) est un allotrope rare et instable de l'oxygène composé de quatre atomes. À l'état solide, il se caractérise par une coloration rouge vif. Il n'est pas présent naturellement dans des conditions environnementales standard, mais peut se former dans des situations extrêmes, notamment sous des phases à haute pression comme l'ε-oxygène (oxygène rouge) ou brièvement lors d'expériences de spectrométrie de masse.

Les structures du tétratoxygène :

Le tétraoxygène O₄ est composé de quatre atomes d'oxygène, avec différentes structures possibles. Les modèles informatiques suggèrent plusieurs structures possibles, comme un carré plissé ou un réseau en moulinet.

Explications

Le composé tétraoxygène, aussi appelé oxygène rouge, est extrêmement instable et rarement observé dans des conditions normales. En fait, il ne se crée que sous des pressions supérieures à 10 GPa, formant une phase solide rouge, ou identifié de manière fugitive dans des dispositifs expérimentaux.

Des études théoriques ont proposé divers arrangements moléculaires pour l'O₄, notamment un carré plissé ou un moulinet, bien que des données expérimentales suggèrent qu'il pourrait se matérialiser sous la forme d'un complexe avec des liaisons de van der Waals comprenant deux molécules d'O₂.

✅ Le tétraoxygène est supposé posséder une densité énergétique supérieure à celle de l'oxygène liquide, ce qui pourrait constituer un avantage pour les technologies de propulsion des fusées.

Mécanisme

L'étude du mécanisme de réaction entre CO₂ et le trioxygène O₃ (ozone) sur la surface d'énergie potentielle singulet a été menée à l'aide du cadre théorique CBS-QB3//B3LYP/6–311++G(3df, 3pd). Cette étude a révélé que les réactifs forment initialement les adduits IN1 (OOO–OCO) et IN2 (OC–O₄ cyclique) par un processus sans barrière.

Par la suite, ces adduits subissent une isomérisation et une dissociation, conduisant à la formation des produits P1 (CO + 2³O₂) et P2 (CO₃ + 3O₂) par deux mécanismes distincts. Cependant, les données calculées suggèrent qu'aucune de ces voies n'est favorable à la formation de produits dans des conditions atmosphériques impliquant la réaction du CO₂ avec l'O₃.

Histoire

Le tétraoxygène a été conceptualisé pour la première fois en 1924 par Gilbert N. Lewis pour expliquer les particularités observées dans le comportement de l'oxygène liquide. Des preuves indirectes de l'existence du tétraoxygène ont été obtenues grâce à des analyses de spectrométrie de masse et à des recherches sur les processus de transfert d'électrons.

Des simulations numériques ont depuis démontré que les molécules d'O₂ s'associent souvent par paires avec des alignements de spin antiparallèles, créant des structures O₄ transitoires. En 1999, des chercheurs ont émis l'hypothèse que l'oxygène solide pourrait exister en phase ε (à des pressions supérieures à 10 GPa) sous forme d'O₄.

Au contraire, la cristallographie aux rayons X a ultérieurement confirmé que cette phase ε stable, également appelée oxygène rouge, est en réalité constituée de molécules d'O₈. Malgré cette clarification, le tétraoxygène reste une espèce chimique reconnue à courte durée de vie détectable dans les expériences de spectrométrie de masse.

En rapport avec "tétraoxygène"

• espèces réactives de l'oxygène

  

  Les espèces réactives de l'oxygène (ROS, ERO) sont des molécules instables et hautement réactives contenant de l'oxygène, formées naturellement...

• force de van der Waals

  

  La force de van der Waals est une force à courte portée existant à la fois dans les phases gazeuse et liquide en raison de la fluctuation des nuages...

• oxygène

  

  L'oxygène est un élément chimique (symbole O, numéro atomique 8) très réactif se liant facilement à d'autres éléments pour former, par exemple...

• oxygène singulet

  

  L'oxygène singulet (¹O₂) est une forme d'oxygène moléculaire (O₂) hautement réactive et excitée électroniquement.