Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer la teneur de l'air en dioxygène :
Les deux phénomènes étant présents, la réalité doit être une combinaison des deux processus.
La représentation de Lewis de la molécule de dioxygène la plus proche des observations expérimentales comporte une liaison simple (et pas une liaison double) et fait apparaître un électron célibataire par atome d'oxygène. En effet, le dioxygène présent dans les conditions naturelles de pression et de température est paramagnétique, ce qui s'explique par la présence de deux électrons célibataires sur les deux orbitales Π* du diagramme d'orbitale moléculaire du dioxygène tracé par la méthode CLOA.
Une espèce du dioxygène diamagnétisme peut être produite par réaction entre le peroxyde d'hydrogène et l'ion hypochlorite ou par transfert d'énergie 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.
La respiration aérobie 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, appelée consommation maximale d'oxygène.
La consommation de dioxygène est un indice d'activité cellulaire. Cette remarque est à l'origine d'une caractérisation de la pollution biodégradable d'un échantillon d'eau, la demande biologique en oxygène.
Il est utilisé pour la conservation de la viande dans l’industrie agro-alimentaire.
On le livre, en tant que gaz industriel conditionné pur dans des bouteilles sous pression, à deux usages :
Le dioxygène peut être préparé par électrolyse de l'eau, mais cette technique est lente et couteuse en énergie. Un moyen de libérer rapidement une grande quantité de dioxygène est de dissoudre des pastilles d'oxylithe Na2O2. On utilise aujourd'hui le dioxygène à l'état liquide pour les applications médicales et industrielles.
Le dioxygène est obtenu de manière industrielle principalement (à 95 %) par séparation cryogénique des composés de l'air, c'est-à-dire par une liquéfaction de l'air suivie d'une distillation 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 sur tamis moléculaire et enfin refroidi par échange thermique entre le gaz entrant et les gaz liquéfiés. Les pertes frigorifiques sont compensées par une détente de 5 à 10 % du débit gazeux traité, dans une turbine 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, et mesurent de 15 à 25 m de hauteur. Elles sont en acier inoxydable ou en aluminium et comportent une centaine de plateaux. L'isolation thermique est réalisée avec de la perlite (sable de silice 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.
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.
L'air ambiant est séché et épuré par filtration, 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. 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 :
En 1995, huit compagnies dans le monde fabriquaient la quasi totalité de l'oxygène industriel :
Les principaux pays producteurs en 1996, étaient :
Dans le monde, la production totale était de l'ordre de 100 millions de tonnes en 1996, soit 1⁄10 millionième du dioxygène de l'atmosphère.