Gaz rare - Noble gas

gaz nobles
Hydrogène Hélium
Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Le fer Cobalt Nickel Le cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium Fermium Mendélévie nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flérovium Moscou Livermorium Tennessine Oganesson
Numéro de groupe IUPAC 18
Nom par élément groupe hélium ou
groupe néon
Nom trivial gaz nobles
Numéro de groupe CAS
(US, modèle ABA)
VIIIA
ancien numéro IUPAC
(Europe, modèle AB)
0

↓  Période
1
Image : tube à décharge à l'hélium
Hélium (He)
2
2
Image : tube à décharge au néon
Néon (Ne)
10
3
Image : tube à décharge d'argon
Argon (Ar)
18
4
Image : tube à décharge Krypton
Krypton (Kr)
36
5
Image : tube à décharge au xénon
Xénon (Xe)
54
6 Radon (Rn)
86
7 Oganesson (Og)
118

Légende

élément primordial
élément par désintégration radioactive
Couleur du numéro atomique : rouge=gaz

Les gaz rares (historiquement aussi les gaz inertes ; parfois appelés aérogènes ) constituent une classe d' éléments chimiques aux propriétés similaires ; dans des conditions standard , ce sont tous des gaz inodores, incolores, monoatomiques à très faible réactivité chimique . Les six gaz rares naturels sont l' hélium (He), le néon (Ne), l' argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon radioactif (Rn).

L'Oganesson (Og) est un élément hautement radioactif produit de manière synthétique, qui est diversement prédit comme un autre gaz noble, ou comme un autre gaz noble, ou pour briser la tendance et être réactif, en raison d' effets relativistes . En partie à cause de la demi-vie extrêmement courte de 0,7 ms de son seul isotope connu , sa chimie n'a pas encore été étudiée.

Pour les six premières périodes du tableau périodique , les gaz rares sont exactement les membres du groupe 0 . Les gaz nobles sont généralement très peu réactifs, sauf dans des conditions extrêmes particulières. L' inertie des gaz rares les rend très appropriés dans les applications où les réactions ne sont pas souhaitées. Par exemple, l'argon est utilisé dans les lampes à incandescence pour empêcher le filament de tungstène chaud de s'oxyder ; De plus, l'hélium est utilisé dans les gaz respiratoires par les plongeurs en eaux profondes pour empêcher la toxicité de l' oxygène, de l'azote et du dioxyde de carbone (hypercapnie) .

Les propriétés des gaz rares peuvent être bien expliquées par les théories modernes de la structure atomique : leur enveloppe externe d' électrons de valence est considérée comme "pleine", ce qui leur donne peu de tendance à participer à des réactions chimiques, et il n'a été possible de préparer qu'un quelques centaines de composés de gaz rares . Les points de fusion et d' ébullition pour un gaz noble donné sont proches, différant de moins de 10 °C (18 °F); c'est-à-dire qu'il s'agit de liquides sur une petite plage de température seulement.

Le néon, l'argon, le krypton et le xénon sont obtenus à partir de l' air dans une unité de séparation d'air utilisant les méthodes de liquéfaction des gaz et de distillation fractionnée . L'hélium provient de gisements de gaz naturel qui ont des concentrations élevées d'hélium dans le gaz naturel , en utilisant des techniques de séparation cryogénique du gaz , et le radon est généralement isolé de la désintégration radioactive des composés dissous du radium , du thorium ou de l' uranium . Les gaz nobles ont plusieurs applications importantes dans des industries telles que l'éclairage, le soudage et l'exploration spatiale. Un gaz respiratoire hélium-oxygène est souvent utilisé par les plongeurs sous-marins à des profondeurs d'eau de mer supérieures à 55 m (180 pi). Après les risques causés par l'inflammabilité de l' hydrogène sont apparus dans la catastrophe du Hindenburg , il a été remplacé par l' hélium dans dirigeables et des ballons .

Histoire

Le gaz noble est traduit du nom allemand Edelgas , utilisé pour la première fois en 1898 par Hugo Erdmann pour indiquer leur niveau de réactivité extrêmement faible. Le nom fait une analogie avec le terme « métaux nobles », qui ont également une faible réactivité. Les gaz rares ont également été appelés gaz inertes , mais cette étiquette est déconseillée car de nombreux composés de gaz rares sont maintenant connus. Les gaz rares sont un autre terme qui a été utilisé, mais c'est également inexact car l' argon constitue une partie assez considérable (0,94 % en volume, 1,3 % en masse) de l' atmosphère terrestre en raison de la désintégration du potassium 40 radioactif .

Un graphique du spectre de lignes du spectre visible montrant des lignes nettes sur le dessus.
L'hélium a été détecté pour la première fois dans le Soleil en raison de ses raies spectrales caractéristiques .

Pierre Janssen et Joseph Norman Lockyer avait découvert un nouvel élément , le 18 Août 1868 tout en regardant la chromosphère du Soleil , et l'a nommé l' hélium après le mot grec pour le Soleil, ἥλιος ( HELIOS ). Aucune analyse chimique n'était possible à l'époque, mais l'hélium s'est avéré plus tard être un gaz noble. Avant eux, en 1784, le chimiste et physicien anglais Henry Cavendish avait découvert que l'air contient une faible proportion d'une substance moins réactive que l' azote . Un siècle plus tard, en 1895, Lord Rayleigh découvrit que les échantillons d'azote de l'air étaient d'une densité différente de celle de l'azote résultant de réactions chimiques . Avec le scientifique écossais William Ramsay de l' University College de Londres , Lord Rayleigh a émis l'hypothèse que l'azote extrait de l'air était mélangé à un autre gaz, ce qui a conduit à une expérience qui a réussi à isoler un nouvel élément, l'argon, du mot grec ἀργός ( argós , « inactif " ou " paresseux "). Avec cette découverte, ils ont réalisé qu'une classe entière de gaz manquait dans le tableau périodique. Au cours de sa recherche d'argon, Ramsay a également réussi à isoler l'hélium pour la première fois en chauffant la cleveite , un minéral. En 1902, après avoir accepté les preuves des éléments hélium et argon, Dmitri Mendeleev a inclus ces gaz rares en tant que groupe 0 dans son arrangement des éléments, qui deviendra plus tard le tableau périodique.

Ramsay a poursuivi sa recherche de ces gaz en utilisant la méthode de distillation fractionnée pour séparer l' air liquide en plusieurs composants. En 1898, il découvrit les éléments krypton , néon et xénon , et les nomma d'après les mots grecs κρυπτός ( kryptós , "caché"), νέος ( néos , " nouveau ") et ξένος ( ksénos , " étranger"), respectivement . Le radon a été identifié pour la première fois en 1898 par Friedrich Ernst Dorn , et a été nommé émanation de radium , mais n'a pas été considéré comme un gaz noble jusqu'en 1904, lorsque ses caractéristiques se sont avérées similaires à celles d'autres gaz nobles. Rayleigh et Ramsay ont reçu les prix Nobel de physique et de chimie en 1904 , respectivement, pour leur découverte des gaz rares ; selon les mots de JE Cederblom, alors président de l' Académie royale suédoise des sciences , « la découverte d'un groupe entièrement nouveau d'éléments, dont aucun représentant n'avait été connu avec certitude, est quelque chose de tout à fait unique dans l'histoire de la chimie, étant intrinsèquement une avancée scientifique d'une importance particulière ».

La découverte des gaz rares a aidé au développement d'une compréhension générale de la structure atomique . En 1895, le chimiste français Henri Moissan a tenté de former une réaction entre le fluor , l' élément le plus électronégatif , et l'argon, l'un des gaz rares, mais a échoué. Les scientifiques ont été incapables de préparer des composés d'argon jusqu'à la fin du 20e siècle, mais ces tentatives ont permis de développer de nouvelles théories de la structure atomique. Tirant les leçons de ces expériences, le physicien danois Niels Bohr a proposé en 1913 que les électrons des atomes sont disposés dans des couches entourant le noyau et que pour tous les gaz rares, à l'exception de l'hélium, la couche la plus externe contient toujours huit électrons. En 1916, Gilbert N. Lewis a formulé la règle de l' octet , qui a conclu qu'un octet d'électrons dans la couche externe était l'arrangement le plus stable pour n'importe quel atome ; cet arrangement les a rendus non réactifs avec d'autres éléments car ils n'avaient plus besoin d'électrons pour compléter leur enveloppe externe.

En 1962, Neil Bartlett a découvert le premier composé chimique d'un gaz rare , l'hexafluoroplatinate de xénon . Des composés d'autres gaz rares ont été découverts peu après : en 1962 pour le radon, le difluorure de radon ( RnF
2
), qui a été identifié par des techniques de radiotraceurs et en 1963 pour le krypton, le difluorure de krypton ( KrF
2
). Le premier composé stable de l'argon a été signalé en 2000 lorsque du fluorohydrure d'argon (HArF) s'est formé à une température de 40 K (-233,2 °C ; -387,7 °F).

En octobre 2006, des scientifiques du Joint Institute for Nuclear Research et du Lawrence Livermore National Laboratory ont réussi à créer synthétiquement l' oganesson , le septième élément du groupe 18, en bombardant du californium avec du calcium.

Propriétés physiques et atomiques

Biens Hélium Néon Argon Krypton Xénon Radon Oganesson
Densité (g/ dm 3 ) 0,1786 0.9002 1.7818 3.708 5.851 9,97 7200 (prévu)
Point d'ébullition (K) 4.4 27,3 87,4 121,5 166,6 211,5 450±10 (prévu)
Point de fusion (K) 24,7 83,6 115,8 161,7 202.2 325±15 (prédit)
Enthalpie de vaporisation (kJ/mol) 0,08 1,74 6,52 9.05 12.65 18.1
Solubilité dans l'eau à 20 °C (cm 3 /kg) 8.61 10.5 33,6 59,4 108,1 230
Numéro atomique 2 dix 18 36 54 86 118
Rayon atomique (calculé) ( pm ) 31 38 71 88 108 120
Énergie d'ionisation (kJ/mol) 2372 2080 1520 1351 1170 1037 839 (prévu)
Électronégativité 4.16 4.79 3.24 2,97 2,58 2,60

Les gaz rares ont une force interatomique faible et, par conséquent , des points de fusion et d' ébullition très bas . Ce sont tous des gaz monoatomiques dans des conditions standard , y compris les éléments avec des masses atomiques plus grandes que de nombreux éléments normalement solides. L'hélium a plusieurs qualités uniques par rapport à d'autres éléments : son point d'ébullition à 1 atm est inférieur à celui de toute autre substance connue ; c'est le seul élément connu pour présenter de la superfluidité ; et, c'est le seul élément qui ne peut pas être solidifié par refroidissement à pression atmosphérique (un effet expliqué par la mécanique quantique car son énergie du point zéro est trop élevée pour permettre la congélation) - une pression de 25 atmosphères standard (2 500  kPa ; 370  psi ) doit être appliqué à une température de 0,95 K (−272.200 °C; −457.960 °F) pour le convertir en un solide alors qu'une pression d'environ 115 kbar est requise à température ambiante. Les gaz rares jusqu'au xénon ont de multiples isotopes stables . Le radon n'a pas d'isotopes stables ; son isotope le plus ancien, le 222 Rn , a une demi-vie de 3,8 jours et se désintègre pour former de l'hélium et du polonium , qui se désintègrent finalement en plomb . Les points de fusion et d'ébullition augmentent dans le groupe.

Un graphique de l'énergie d'ionisation par rapport au numéro atomique montrant des pics nets pour les atomes de gaz noble.
Il s'agit d'un graphique du potentiel d'ionisation en fonction du numéro atomique. Les gaz rares, qui sont marqués, ont le plus grand potentiel d'ionisation pour chaque période.

Les atomes de gaz rares, comme les atomes dans la plupart des groupes, augmentent régulièrement en rayon atomique d'une période à l'autre en raison du nombre croissant d'électrons. La taille de l'atome est liée à plusieurs propriétés. Par exemple, le potentiel d'ionisation diminue avec un rayon croissant parce que les électrons de valence dans les plus gros gaz nobles sont plus éloignés du noyau et ne sont donc pas maintenus aussi étroitement ensemble par l'atome. Les gaz nobles ont le plus grand potentiel d'ionisation parmi les éléments de chaque période, ce qui reflète la stabilité de leur configuration électronique et est lié à leur manque relatif de réactivité chimique. Certains des gaz nobles les plus lourds, cependant, ont des potentiels d'ionisation suffisamment petits pour être comparables à ceux d'autres éléments et molécules . C'est l'idée que le xénon a un potentiel d'ionisation similaire à celui de la molécule d' oxygène qui a conduit Bartlett à tenter d'oxyder le xénon en utilisant de l' hexafluorure de platine , un agent oxydant connu pour être suffisamment puissant pour réagir avec l'oxygène. Les gaz nobles ne peuvent accepter un électron pour former des anions stables ; c'est-à-dire qu'ils ont une affinité électronique négative .

Les propriétés physiques macroscopiques des gaz rares sont dominées par les faibles forces de van der Waals entre les atomes. La force d'attraction augmente avec la taille de l'atome en raison de l'augmentation de la polarisabilité et de la diminution du potentiel d'ionisation. Cela se traduit par des tendances de groupe systématiques : à mesure que l'on descend dans le groupe 18, le rayon atomique, et avec lui les forces interatomiques, augmente, ce qui entraîne une augmentation du point de fusion, du point d'ébullition, de l' enthalpie de vaporisation et de la solubilité . L'augmentation de la densité est due à l'augmentation de la masse atomique .

Les gaz rares sont presque des gaz idéaux dans des conditions standard, mais leurs écarts par rapport à la loi des gaz idéaux ont fourni des indices importants pour l'étude des interactions intermoléculaires . Le potentiel de Lennard-Jones , souvent utilisé pour modéliser les interactions intermoléculaires, a été déduit en 1924 par John Lennard-Jones à partir de données expérimentales sur l'argon avant que le développement de la mécanique quantique ne fournisse les outils pour comprendre les forces intermoléculaires à partir de principes premiers . L'analyse théorique de ces interactions est devenue traitable car les gaz rares sont monoatomiques et les atomes sphériques, ce qui signifie que l'interaction entre les atomes est indépendante de la direction, ou isotrope .

Propriétés chimiques

Un diagramme de coque atomique avec un noyau de néon, 2 électrons dans la coque interne et 8 dans la coque externe.
Le néon, comme tous les gaz rares, a une coquille de valence complète . Les gaz nobles ont huit électrons dans leur enveloppe la plus externe, sauf dans le cas de l'hélium, qui en a deux.

Les gaz rares sont incolores, inodores, insipides et ininflammables dans des conditions standard. Ils étaient autrefois étiquetés groupe 0 dans le tableau périodique car on croyait qu'ils avaient une valence de zéro, ce qui signifie que leurs atomes ne peuvent pas se combiner avec ceux d'autres éléments pour former des composés . Cependant, il a été découvert plus tard que certains forment effectivement des composés, ce qui fait tomber cette étiquette en désuétude.

Configuration électronique

Comme d'autres groupes, les membres de cette famille présentent des modèles dans sa configuration électronique , en particulier les coquilles les plus externes, ce qui entraîne des tendances dans le comportement chimique :

Z Élément Nombre d'électrons/ coque
2 hélium 2
dix néon 2, 8
18 argon 2, 8, 8
36 krypton 2, 8, 18, 8
54 xénon 2, 8, 18, 18, 8
86 radon 2, 8, 18, 32, 18, 8
118 oganesson 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (prédit)

Les gaz rares ont des couches d' électrons à valence complète . Les électrons de valence sont les plus à l' extérieur des électrons d'un atome et sont normalement les seuls électrons qui participent à la liaison chimique . Les atomes avec des couches d'électrons à valence complète sont extrêmement stables et n'ont donc pas tendance à former des liaisons chimiques et ont peu tendance à gagner ou à perdre des électrons. Cependant, les gaz nobles plus lourds tels que le radon sont maintenus moins fermement ensemble par la force électromagnétique que les gaz nobles plus légers tels que l'hélium, ce qui facilite l'élimination des électrons externes des gaz nobles lourds.

En raison d'une coquille pleine, les gaz rares peuvent être utilisés en conjonction avec la notation de configuration électronique pour former la notation de gaz noble . Pour ce faire, le gaz noble le plus proche qui précède l'élément en question est écrit en premier, puis la configuration électronique se poursuit à partir de ce point. Par exemple, la notation électronique du phosphore est 1s 2  2s 2  2p 6  3s 2  3p 3 , tandis que la notation des gaz rares est [Ne] 3s 2  3p 3 . Cette notation plus compacte facilite l'identification des éléments et est plus courte que l'écriture de la notation complète des orbitales atomiques .

Les gaz rares traversent la frontière entre les blocs - l' hélium est un élément s tandis que le reste des membres sont des éléments p - ce qui est inhabituel parmi les groupes IUPAC. La plupart, sinon tous les autres groupes IUPAC contiennent des éléments d' un bloc chacun.

Composés

Un modèle de molécule chimique plane avec un atome central bleu (Xe) lié symétriquement à quatre atomes périphériques (fluor).
Structure de XeF
4
, l'un des premiers composés de gaz rares à être découvert

Les gaz rares présentent une réactivité chimique extrêmement faible ; par conséquent, seules quelques centaines de composés de gaz rares ont été formés. Des composés neutres dans lesquels l'hélium et le néon sont impliqués dans des liaisons chimiques n'ont pas été formés (bien que certains ions contenant de l'hélium existent et qu'il existe des preuves théoriques de quelques-uns contenant de l'hélium neutre), tandis que le xénon, le krypton et l'argon n'ont montré que réactivité mineure. La réactivité suit l'ordre Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn Og.

En 1933, Linus Pauling a prédit que les gaz rares plus lourds pourraient former des composés avec du fluor et de l'oxygène. Il a prédit l'existence de l'hexafluorure de krypton ( KrF
6
) et l'hexafluorure de xénon ( XeF
6
), a supposé que XeF
8
pourrait exister en tant que composé instable, et a suggéré que l' acide xénique pourrait former des sels de perxénate . Ces prédictions se sont avérées généralement exactes, sauf que XeF
8
est maintenant considérée comme thermodynamiquement et cinétiquement instable.

Les composés du xénon sont les plus nombreux des composés de gaz rares qui ont été formés. La plupart d'entre eux ont l'atome de xénon à l' état d'oxydation de +2, +4, +6 ou +8 lié à des atomes hautement électronégatifs tels que le fluor ou l'oxygène, comme dans le difluorure de xénon ( XeF
2
), tétrafluorure de xénon ( XeF
4
), l'hexafluorure de xénon ( XeF
6
), le tétroxyde de xénon ( XeO
4
), et le perxénate de sodium ( Na
4
XeO
6
). Le xénon réagit avec le fluor pour former de nombreux fluorures de xénon selon les équations suivantes :

Xe + F 2 → XeF 2
Xe + 2F 2 → XeF 4
Xe + 3F 2 → XeF 6

Certains de ces composés ont été utilisés en synthèse chimique comme agents oxydants ; XeF
2
, en particulier, est disponible dans le commerce et peut être utilisé comme agent de fluoration . En 2007, environ cinq cents composés de xénon liés à d'autres éléments ont été identifiés, notamment des composés organoxénon (contenant du xénon lié au carbone) et du xénon lié à l'azote, au chlore, à l'or, au mercure et au xénon lui-même. Des composés de xénon liés au bore, à l'hydrogène, au brome, à l'iode, au béryllium, au soufre, au titane, au cuivre et à l'argent ont également été observés mais uniquement à basse température dans des matrices de gaz rares ou dans des jets de gaz rares supersoniques.

Le radon est plus réactif que le xénon et forme des liaisons chimiques plus facilement que le xénon. Cependant, en raison de la radioactivité élevée et de la courte demi-vie des isotopes du radon , seuls quelques fluorures et oxydes de radon se sont formés dans la pratique. Le radon va plus loin vers un comportement métallique que le xénon ; le difluorure RnF 2 est fortement ionique, et le Rn 2+ cationique est formé dans les solutions de fluorure d'halogène. Pour cette raison, l'obstacle cinétique rend difficile l'oxydation du radon au-delà de l'état +2. Seules des expériences de traceurs semblent avoir réussi à le faire, formant probablement RnF 4 , RnF 6 et RnO 3 .

Le krypton est moins réactif que le xénon, mais plusieurs composés ont été rapportés avec le krypton à l' état d'oxydation +2. Le difluorure de krypton est le plus remarquable et le plus facilement caractérisé. Dans des conditions extrêmes, le krypton réagit avec le fluor pour former KrF 2 selon l'équation suivante :

Kr + F 2 → KrF 2

Des composés dans lesquels le krypton forme une liaison simple avec l'azote et l'oxygène ont également été caractérisés, mais ne sont stables qu'en dessous de -60 °C (-76 °F) et -90 °C (-130 °F) respectivement.

Des atomes de krypton liés chimiquement à d'autres non-métaux (hydrogène, chlore, carbone) ainsi qu'à certains métaux de transition tardive (cuivre, argent, or) ont également été observés, mais uniquement soit à basse température dans des matrices de gaz rares, soit dans des jets de gaz rares supersoniques. . Des conditions similaires ont été utilisées pour obtenir les premiers composés de l'argon en 2000, tels que le fluorohydrure d'argon (HArF) et certains liés aux métaux de transition tardifs, le cuivre, l'argent et l'or. En 2007, aucune molécule neutre stable impliquant de l'hélium ou du néon lié de manière covalente n'est connue.

L'extrapolation des tendances périodiques prédit que l'oganesson devrait être le plus réactif des gaz rares ; des traitements théoriques plus sophistiqués indiquent une plus grande réactivité que ne le suggèrent de telles extrapolations, au point que l'applicabilité du descripteur « gaz noble » a été remise en question. Oganesson devrait être un peu comme le silicium ou l' étain dans le groupe 14 : un élément réactif avec un état commun +4 et un état moins commun +2, qui à température et pression ambiantes n'est pas un gaz mais plutôt un semi-conducteur solide. Des tests empiriques/expérimentaux seront nécessaires pour valider ces prédictions.

Les gaz rares, y compris l'hélium, peuvent former des ions moléculaires stables en phase gazeuse. Le plus simple est l' ion moléculaire hydrure d'hélium , HeH + , découvert en 1925. Parce qu'il est composé des deux éléments les plus abondants dans l'univers, l'hydrogène et l'hélium, on pense qu'il se produit naturellement dans le milieu interstellaire , bien qu'il n'ait pas été encore détecté. En plus de ces ions, il existe de nombreux excimères neutres connus des gaz rares. Ce sont des composés tels que ArF et KrF qui ne sont stables que lorsqu'ils sont dans un état électronique excité ; certains d'entre eux trouvent une application dans les lasers excimères .

En plus des composés où un atome de gaz noble est impliqué dans une liaison covalente , les gaz nobles forment également des composés non covalents . Les clathrates , décrits pour la première fois en 1949, consistent en un atome de gaz noble piégé dans des cavités de réseaux cristallins de certaines substances organiques et inorganiques. La condition essentielle pour leur formation est que les atomes invités (gaz nobles) doivent être de taille appropriée pour s'adapter aux cavités du réseau cristallin hôte. Par exemple, l'argon, le krypton et le xénon forment des clathrates avec l' hydroquinone , mais pas l'hélium et le néon car ils sont trop petits ou insuffisamment polarisables pour être retenus. Le néon, l'argon, le krypton et le xénon forment également des hydrates de clathrate, où le gaz noble est piégé dans la glace.

Une structure squelettique de buckminsterfullerene avec un atome supplémentaire en son centre.
Composé fullerène endoédrique contenant un atome de gaz noble

Les gaz nobles peuvent former des composés de fullerène endoédriques , dans lesquels l'atome de gaz noble est piégé à l'intérieur d'une molécule de fullerène . En 1993, on a découvert que lorsque C
60
, une molécule sphérique constituée de 60  atomes de  carbone, est exposée à des gaz rares à haute pression, des complexes tels que He@C
60
peut être formé (la notation @ indique qu'il est contenu dans C
60
mais pas lié de manière covalente à celui-ci). En 2008, des complexes endoédriques avec l'hélium, le néon, l'argon, le krypton et le xénon ont été créés. Ces composés ont trouvé une utilisation dans l'étude de la structure et de la réactivité des fullerènes au moyen de la résonance magnétique nucléaire de l'atome de gaz noble.

Illustration schématique des orbitales de liaison et antiliaison (voir texte)
Collage dans XeF
2
selon le modèle de liaison 3-centre-4-électrons

Composés de gaz nobles tels que le difluorure de xénon ( XeF
2
) sont considérés comme hypervalents car ils violent la règle de l' octet . La liaison dans de tels composés peut être expliquée à l'aide d'un modèle de liaison à trois centres et à quatre électrons . Ce modèle, proposé pour la première fois en 1951, considère la liaison de trois atomes colinéaires. Par exemple, la liaison dans XeF
2
est décrit par un ensemble de trois orbitales moléculaires (MO) dérivées des orbitales p sur chaque atome. Résultats de collage à partir de la combinaison d'un p-orbital rempli de xénon avec une p-orbital rempli à moitié de chaque F atome, résultant en une liaison rempli orbitale, une liaison non rempli orbital, et un vide antiliantes orbital. L' orbitale moléculaire occupée la plus élevée est localisée sur les deux atomes terminaux. Ceci représente une localisation de charge qui est facilitée par la forte électronégativité du fluor.

La chimie des gaz nobles les plus lourds, le krypton et le xénon, est bien établie. La chimie des plus légers, l'argon et l'hélium, en est encore à ses débuts, tandis qu'un composé néon n'a pas encore été identifié.

Occurrence et production

L'abondance des gaz rares dans l'univers diminue à mesure que leur nombre atomique augmente. L'hélium est l'élément le plus répandu dans l' univers après l'hydrogène, avec une fraction massique d'environ 24%. La majeure partie de l'hélium dans l'univers s'est formée lors de la nucléosynthèse du Big Bang , mais la quantité d'hélium augmente régulièrement en raison de la fusion de l'hydrogène dans la nucléosynthèse stellaire (et, dans une très faible mesure, de la désintégration alpha des éléments lourds). Les abondances sur Terre suivent des tendances différentes ; par exemple, l'hélium n'est que le troisième gaz noble le plus abondant dans l'atmosphère. La raison en est qu'il n'y a pas d' hélium primordial dans l'atmosphère ; en raison de la faible masse de l'atome, l'hélium ne peut pas être retenu par le champ gravitationnel de la Terre . L'hélium sur Terre provient de la désintégration alpha d'éléments lourds tels que l' uranium et le thorium présents dans la croûte terrestre , et a tendance à s'accumuler dans les gisements de gaz naturel . L'abondance de l'argon, d'autre part, est augmentée en raison de la désintégration bêta du potassium-40 , également présent dans la croûte terrestre, pour former l' argon-40 , qui est l'isotope de l'argon le plus abondant sur Terre bien qu'il soit relativement rare dans le système solaire . Ce processus est à la base de la méthode de datation potassium-argon . Le xénon a une abondance étonnamment faible dans l'atmosphère, dans ce qu'on a appelé le problème du xénon manquant ; une théorie est que le xénon manquant peut être piégé dans des minéraux à l'intérieur de la croûte terrestre. Après la découverte du dioxyde de xénon , les recherches ont montré que le Xe peut se substituer au Si dans le quartz . Le radon est formé dans la lithosphère par la désintégration alpha du radium. Il peut s'infiltrer dans les bâtiments par les fissures de leurs fondations et s'accumuler dans les zones mal ventilées. En raison de sa radioactivité élevée, le radon présente un risque sanitaire important ; il est impliqué dans environ 21 000 décès par cancer du poumon par an aux États-Unis seulement. Oganesson ne se produit pas dans la nature et est plutôt créé manuellement par des scientifiques.

Abondance Hélium Néon Argon Krypton Xénon Radon
Système solaire (pour chaque atome de silicium) 2343 2.148 0,1025 5.515 × 10 −5 5,391 × 10 −6
Atmosphère terrestre (fraction volumique en ppm ) 5.20 18.20 9340.00 1.10 0,09 (0,06–18) × 10 −19
Roche ignée (fraction massique en ppm) 3 × 10 −3 7 × 10 −5 4 × 10 -2 1,7 × 10 −10
Gaz Prix ​​2004 ( USD /m 3 )
Hélium (qualité industrielle) 4.20-4.90
Hélium (qualité laboratoire) 22.30–44.90
Argon 2,70-8,50
Néon 60–120
Krypton 400–500
Xénon 4000-5000

Pour une utilisation à grande échelle, l'hélium est extrait par distillation fractionnée du gaz naturel, qui peut contenir jusqu'à 7 % d'hélium.

Le néon, l'argon, le krypton et le xénon sont obtenus à partir de l'air en utilisant les méthodes de liquéfaction des gaz , pour convertir les éléments à l'état liquide, et la distillation fractionnée , pour séparer les mélanges en composants. L'hélium est généralement produit en le séparant du gaz naturel et le radon est isolé de la désintégration radioactive des composés du radium. Les prix des gaz rares sont influencés par leur abondance naturelle, l'argon étant le moins cher et le xénon le plus cher. À titre d'exemple, le tableau ci-contre répertorie les prix de 2004 aux États-Unis pour les quantités de laboratoire de chaque gaz.

Applications

Un grand cylindre solide avec un trou en son centre et un rail attaché à son côté.
L'hélium liquide est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs dans les scanners IRM modernes

Les gaz nobles ont des points d'ébullition et de fusion très bas, ce qui les rend utiles comme réfrigérants cryogéniques . En particulier, l' hélium liquide , qui bout à 4,2 K (-268,95 °C ; -452,11 °F), est utilisé pour les aimants supraconducteurs , tels que ceux nécessaires à l'imagerie par résonance magnétique nucléaire et à la résonance magnétique nucléaire . Le néon liquide, bien qu'il n'atteigne pas des températures aussi basses que l'hélium liquide, trouve également une utilisation en cryogénie car il a une capacité de réfrigération plus de 40 fois supérieure à celle de l'hélium liquide et plus de trois fois supérieure à celle de l'hydrogène liquide.

L'hélium est utilisé comme composant des gaz respiratoires pour remplacer l'azote, en raison de sa faible solubilité dans les fluides, en particulier dans les lipides . Les gaz sont absorbés par le sang et les tissus corporels lorsqu'ils sont sous pression comme en plongée sous-marine , ce qui provoque un effet anesthésique connu sous le nom de narcose à l'azote . En raison de sa solubilité réduite, peu d'hélium est absorbé dans les membranes cellulaires , et lorsque l'hélium est utilisé pour remplacer une partie des mélanges respiratoires, comme dans le trimix ou l' héliox , une diminution de l'effet narcotique du gaz en profondeur est obtenue. La solubilité réduite de l'hélium offre d'autres avantages pour la maladie connue sous le nom de maladie de décompression , ou les virages . La quantité réduite de gaz dissous dans le corps signifie que moins de bulles de gaz se forment lors de la diminution de la pression de l'ascension. Un autre gaz noble, l'argon, est considéré comme la meilleure option pour une utilisation comme gaz de gonflage de combinaison étanche pour la plongée sous-marine. L'hélium est également utilisé comme gaz de remplissage dans les barres de combustible nucléaire pour les réacteurs nucléaires.

Dirigeable en forme de cigare avec « Good Year » écrit sur le côté.
Dirigeable Goodyear

Depuis la Hindenburg catastrophe en 1937, l' hélium a remplacé l' hydrogène comme gaz de levage dans dirigeables et des ballons en raison de sa légèreté et sa combustibilité, malgré une baisse de 8,6% de flottabilité.

Dans de nombreuses applications, les gaz rares sont utilisés pour fournir une atmosphère inerte. L'argon est utilisé dans la synthèse de composés sensibles à l' air qui sont sensibles à l'azote. L'argon solide est également utilisé pour l'étude de composés très instables, tels que les intermédiaires réactifs , en les piégeant dans une matrice inerte à très basse température. L'hélium est utilisé comme support dans la chromatographie en phase gazeuse , comme gaz de remplissage pour les thermomètres et dans les appareils de mesure du rayonnement, tels que le compteur Geiger et la chambre à bulles . L'hélium et l'argon sont tous deux couramment utilisés pour protéger les arcs de soudage et le métal de base environnant de l'atmosphère pendant le soudage et le coupage, ainsi que dans d'autres procédés métallurgiques et dans la production de silicium pour l'industrie des semi-conducteurs.

Sphère de verre allongée avec deux électrodes en tige métallique à l'intérieur, se faisant face.  Une électrode est émoussée et une autre est affûtée.
Lampe à arc court au xénon de 15 000 watts utilisée dans les projecteurs IMAX

Les gaz nobles sont couramment utilisés dans l' éclairage en raison de leur manque de réactivité chimique. L'argon, mélangé à de l'azote, est utilisé comme gaz de remplissage pour les ampoules à incandescence . Le krypton est utilisé dans les ampoules hautes performances, qui ont des températures de couleur plus élevées et une plus grande efficacité, car il réduit davantage le taux d'évaporation du filament que l'argon ; les lampes halogènes , en particulier, utilisent du krypton mélangé à de petites quantités de composés d' iode ou de brome . Les gaz nobles brillent dans des couleurs distinctives lorsqu'ils sont utilisés à l'intérieur de lampes à décharge de gaz , telles que les " néons ". Ces lumières portent le nom de néon, mais contiennent souvent d'autres gaz et phosphores , qui ajoutent diverses teintes à la couleur rouge orangé du néon. Le xénon est couramment utilisé dans les lampes à arc au xénon , qui, en raison de leur spectre presque continu qui ressemble à la lumière du jour, trouvent une application dans les projecteurs de films et comme phares d'automobile.

Les gaz rares sont utilisés dans les lasers excimères , qui sont basés sur des molécules excitées électroniquement à courte durée de vie appelées excimères . Les excimères utilisés pour les lasers peuvent être des dimères de gaz noble tels que Ar 2 , Kr 2 ou Xe 2 , ou plus communément, le gaz noble est associé à un halogène dans des excimères tels que ArF, KrF, XeF ou XeCl. Ces lasers produisent une lumière ultraviolette qui, de par sa courte longueur d'onde (193 nm pour ArF et 248 nm pour KrF), permet une imagerie de haute précision. Les lasers à excimère ont de nombreuses applications industrielles, médicales et scientifiques. Ils sont utilisés pour la microlithographie et la microfabrication , qui sont essentielles pour la fabrication de circuits intégrés , et pour la chirurgie au laser , y compris l' angioplastie au laser et la chirurgie oculaire .

Certains gaz rares ont une application directe en médecine. L'hélium est parfois utilisé pour améliorer la facilité de respiration des asthmatiques . Le xénon est utilisé comme anesthésique en raison de sa haute solubilité dans les lipides, ce qui le rend plus puissant que le protoxyde d'azote habituel , et parce qu'il est facilement éliminé de l'organisme, ce qui permet une récupération plus rapide. Le xénon trouve une application dans l'imagerie médicale des poumons grâce à l'IRM hyperpolarisée. Le radon, qui est hautement radioactif et n'est disponible qu'en quantités infimes, est utilisé en radiothérapie .

Les gaz nobles, en particulier le xénon, sont principalement utilisés dans les moteurs ioniques en raison de leur inertie. Étant donné que les moteurs ioniques ne sont pas entraînés par des réactions chimiques, des carburants chimiquement inertes sont souhaités pour empêcher une réaction indésirable entre le carburant et tout autre élément du moteur.

Oganesson est trop instable pour travailler avec et n'a aucune application connue autre que la recherche.

Couleur de décharge

Couleurs et spectres (rangée du bas) de décharge électrique dans les gaz rares ; seule la deuxième rangée représente les gaz purs.
Tube de verre brillant lumière violette avec un fil enroulé dessus Tube de verre orange brillant avec un fil enroulé dessus Tube de verre brillant lumière violette avec un fil enroulé dessus Tube de verre brillant de lumière blanche avec un fil enroulé dessus Tube de verre brillant de lumière bleue avec un fil enroulé dessus
Tube de verre brillant rouge clair Tube de verre brillant orange rougeâtre Tube de verre violet brillant Tube de verre brillant blanc bleuté Tube de verre brillant bleu-violet
Tubes à décharge de gaz rouge clair lumineux en forme de lettres H et e Tubes à décharge à gaz orange lumineux en forme de lettres N et e Tubes à décharge de gaz bleu clair lumineux en forme de lettres A et r Tubes à décharge à gaz blancs lumineux en forme de lettres K et r Tubes à décharge à gaz violet lumineux en forme de lettres X et e
Spectre des raies de l'hélium Spectre de raies néon Spectre de raie d'argon Spectre de raies Krypton Spectre de raies xénon
Hélium Néon Argon Krypton Xénon

La couleur des émissions de décharge de gaz dépend de plusieurs facteurs, dont les suivants :

  • paramètres de décharge (valeur locale de la densité de courant et du champ électrique , température, etc. – noter la variation de couleur le long de la décharge dans la rangée supérieure) ;
  • pureté du gaz (même une petite fraction de certains gaz peut affecter la couleur);
  • matériau de l'enveloppe du tube à décharge - noter la suppression des composants UV et bleu dans les tubes de la rangée inférieure en verre domestique épais.

Voir également

Remarques

Les références