Néon & Cie

Néon, argon, krypton, xénon et radon, éléments du groupe 18 qui terminent chaque ligne du tableau périodique, ont été isolés sur une période de dix ans par Sir Willam Ramsay, avec en prime l’hélium, le plus abondant des gaz rares dans l’Univers, mais pas sur terre (cf. Hélium). Un septième élément est venu s’ajouter à la liste au début des années 2000 : l’élément 118Uuo (cf. Copernicium).

L’appellation gaz rares vient de leur faible prévalence historique comme substance chimique, bien que cela soit plutôt impropre, car l’hélium constitue 24 % de la matière baryonique de l’Univers, et l’argon 0,94 % de l’atmosphère terrestre (plus que le dioxyde de carbone…). Autrefois appelés gaz inertes, cette dénomination est également inexacte depuis que de nombreux composés du xénon ont été synthétisés. Préconisée par l’IUPAC l’appellation gaz nobles, issue de l’allemand Edelgas, semble de plus en plus acceptée… mais on aurait pu aussi parler de gaz précieux par analogie avec Edelmetall, Edelstein, etc.

La difficulté à mettre en évidence une chimie des gaz nobles provient de leur configuration électronique : les sous-couches s et p de leurs couches électroniques les plus externes sont en effet complètes, avec respectivement deux et six électrons, de sorte qu’il ne leur reste pas d’électron de valence disponible pour établir une liaison chimique avec un autre atome, en vertu de la règle de l’octet. C’est ce qui explique leur inertie chimique, inertie totale pour le néon, quasi totale pour l’argon mais plus relative pour le krypton et surtout le xénon, dont on a isolé plusieurs centaines de composés comportant du fluor (cf. Fluor).

La constatation par Lord Rayleigh et Sir William Ramsay d’une différence de masse entre le diazote (cf. Azote) produit à partir de différents composés azotés et le diazote atmosphérique, ce dernier étant plus léger de 0,5 %, les amena en 1894 à éliminer chimiquement le dioxygène (cf. Dioxygène), le dioxyde de carbone (cf. Dioxyde de carbone), l’eau et le diazote d’un échantillon d’air « pur » et à observer la présence d’un gaz résiduel qu’ils appelèrent argon. Celui-ci fut par la suite obtenu par distillation fractionnée de l’air liquide. La distillation de l’air liquide permit Sir William Ramsay et Morris Travers d’obtenir en 1898 le néon et le krypton et de détecter par spectroscopie le xénon dans le« résidu » de la distillation.

Il faut noter que la spectroscopie née avec Robert Bunsen (cf. Robert Bunsen) fut un outil de choix pour caractériser les gaz nobles : hélium en 1868 (Jules Janssen), argon en 1882 (Henry F. Newall et William N. Hartley). Pour la petite histoire, rappelons que le jeune Ramsay étudia avec Bunsen…

Néon

Le second « nouveau » gaz noble, d’où son appellation venant du grec νέον, de numéro atomique 10, est présent à 0,0018 % (18 ppm) dans l’atmosphère terrestre, mais comme l’hélium beaucoup plus abondant dans l’Univers (5e rang). A volume égal, il possède 40 fois la capacité de réfrigération de l’hélium liquide et trois fois celle de l’hydrogène liquide.

Dans la plupart des applications cryogéniques, c’est un réfrigérant moins cher que l’hélium. Toutefois, le domaine du néon liquide est très étroit : c’est en fait le plus étroit de tous les éléments (24,55 K à 27,05 K).

Le néon a la décharge la plus intense de tous les gaz nobles et prend une teinte rouge orangé caractéristique. Cette propriété est largement utilisée pour les signaux publicitaires. « Néon » est devenu le nom donné à ce type de lumière bien qu’en réalité de nombreux autres gaz soient utilisés.

Seul le rouge est possible avec le néon et les autres couleurs sont, soit obtenues avec d’autres composés (hélium/jaune, dioxyde de carbone/blanc, argon/violet, argon,mercure/bleu), soit produites par un revêtement fluorescent excité par un rayonnement ultraviolet. Il s’agit donc d’un abus de langage, en particulier pour l’éclairage domestique qui emploie en réalité des tubes luminescents.

Argon

C’est la première préparation, par attaque chimique de l’air pur, qui donna à l’argon son nom dérivé du grec αργον signifiant « inactif ». De numéro atomique 18, ce n’est pas à proprement parler un gaz « rare » sur Terre : il figure, derrière le diazote et le dioxygène, au troisième rang d’importance des constituants de l’atmosphère terrestre (0,94 % en volume). Cette anomalie est liée à l’origine de l’argon « terrestre » : il existe essentiellement sous forme de l’isotope radiogénique 40Ar (99,6 %), formé dans la croûte terrestre par la désintégration de l’isotope 40K du potassium, radioactif.

Par contre, dans l’Univers, l’isotope le plus commun est 36Ar, qui est l’isotope principal produit par le processus de nucléosynthèse stellaire. Cette propriété ainsi que le rapport entre les sous-produits formés sont employés pour déterminer l’âge de roches par la méthode de la datation au potassium-argon.

Par cette abondance et sa très faible réactivité chimique (on ne connaît qu’un seul adduit, HArF, obtenu par photolyse de l’acide fluorhydrique (cf. Fluor) en matrice d’argon à 4 K), l’argon est le gaz noble le plus utilisé. Obtenu par distillation fractionnée de l’air liquide, il en est produit plus de 700 kt/an.

Ses applications vont de l’éclairage, puisqu’il ne réagit pas avec le filament d’une lampe à incandescence classique même aux températures élevées, à la soudure à l’arc et au découpage, comme gaz de protection, et de manière plus fine comme atmosphère protectrice en chimie de composés sensibles à l’air ou d’élaboration des monocristaux de silicium et germanium pour la microélectronique. Il est également employé pour le remplissage de l’espace libre des doubles vitrages isolants à faible émission, du fait de sa faible conductivité thermique.

Krypton

Caché dans le résidu de distillation de l’air liquide après la séparation du dioxygène et du diazote, d’où son nom dérivé du grec κρυπτός, le krypton, l’élément 36, ne provient pas de la planète de naissance de Superman, mais de l’atmosphère terrestre où il représente environ 1 ppm. Deux de ses isotopes ont des applications en métrologie :

    • la transition entre les niveaux 2p10 et 5d5 correspondant à la raie spectrale orange de 86Kr sert maintenant de définition du mètre. Un véritable travail accompli par des… Bénédictins a permis d’en faire la correspondance 1 m = 1 650 763,73 longueurs d’onde correspondant à cette transition,
    • la datation des eaux souterraines fossiles par le 81Kr, isotope radioactif d’une durée de demie-vie de 230 000 ans

Le krypton réagit avec le difluor (cf. Fluor) pour conduire au composé au difluorure de krypton, KrF2. Des adduits ont été obtenus en matrice de ce gaz, comme HKrCN et HKrC≡CH, mais ne sont stables qu’en dessous de 40 K.

Le coût élevé du krypton (environ cent fois celui de l’argon) le réserve donc pour des applications particulières comme le remplissage de lampes à incandescence ou de certains lasers à excimère, tel que le laser KrF donnant une radiation ultraviolette (λ = 248 nm).

Xénon

Élément 54, le nom de « xénon » dérive du mot grec ξένος, se traduisant par « étranger ». Ce nom vient du fait que le xénon a été découvert sous forme de « gaz inconnu, étranger » dans le krypton, résidu de la distillation de l’argon. Le xénon est le plus rare (0,087±0,001 ppm) et le plus cher des gaz nobles, obtenu par distillation fractionnée de l’air devenu liquide.

L’isotope artificiel 135X e possède une section efficace d’absorption très importante pour les neutrons thermiques, et agit donc comme absorbeur de neutrons, voire comme poison pouvant ralentir ou arrêter la réaction en chaîne. L’isotope naturel et stable 129X e présente une (hyper)polarisation de spin dépassant les 50 % de sa valeur maximale, bien au-dessus de la valeur d’équilibre régie par la distribution de Boltzmann. Du fait de son spin 1/2, ces propriétés sont exploitées comme sonde moléculaire en RMN de matériaux, notamment de catalyseurs solides et en IRM.

La polarisabilité du xénon (3,99.10-24 cm3) laissait entrevoir pour Linus Pauling la possibilité d’obtenir des composés covalents avec le fluor. Il a fallu attendre 1962 et le chimiste anglais Neil Bartlett pour observer les premiers composés du xénon, issus de sa réaction avec l’hexafluorure de platine (cf. Platine), en fait un mélange de [Xe][FPtF6], [X e][FPt2F11] et [X e] 2[F3PtF6] et non X e+PtF6- comme initialement publié.

Depuis cette découverte de nombreux composés du xénon avec le fluor et l’oxygène ont été décrits :

  • XeF2,
  • XeF4 XeF6,
  • XeO3 XeO4,
  • XeOF2,
  • XeO2F2,
  • XeO3F2,
  • XeOF4,
  • XeO2F4,

ainsi que des acides :
H2XeO4 et H4XeO6,
voire un adduit avec l’or, [AuXe4][Sb2F11]2, dication doublement noble si ce n’est précieux !

Bien que le xénon soit peu abondant et relativement cher à extraire de l’atmosphère terrestre, il intervient dans de nombreuses applications : des lampes à décharge du fait de sa température de couleur proche de celle du soleil (projecteurs pour le cinéma, phares de voitures, etc.) aux propulseurs ioniques des engins spatiaux du fait de sa faible énergie d’ionisation par unité de masse atomique, et de la possibilité de le stocker sous forme liquide à des températures proches de la température ambiante, en passant par les écrans plasma. Bref des applications « haut de gamme »…

Pensée du jour
« Sir William Ramsay était écossais : peut-on être aussi avare quand on a isolé tous les éléments naturels du groupe 18 ? »

Sources

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