Quel élément de gaz noble « rare » utilisé dans l'éclairage a été découvert en 1898 et nommé d'après le « nouveau » grec ?
néon
Les gaz rares constituent un groupe d’éléments chimiques ayant des propriétés similaires. Dans des conditions standard, ce sont tous des gaz monoatomiques inodores, incolores et présentant une très faible réactivité chimique. Les six gaz rares présents naturellement sont l'hélium (He), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon radioactif (Rn). L'Ununoctium (Uuo), qui a été reconnu comme élément en décembre 2015, devrait également être un gaz rare, mais cette théorie n'est pas confirmée. Le néon, l'argon, le krypton et le xénon sont obtenus à partir de l'air dans une unité de séparation d'air en utilisant les méthodes de liquéfaction des gaz et de distillation fractionnée. L'hélium provient de champs de gaz naturel qui ont de fortes concentrations d'hélium dans le gaz naturel, en utilisant des techniques de séparation des gaz cryogéniques, et le radon est généralement isolé de la désintégration radioactive de composés dissous du radium, du thorium ou de l'uranium (puisque ces composés dégagent des particules alpha). ). Les gaz rares 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 en haute mer à des profondeurs d'eau de mer supérieures à 55 m pour empêcher le plongeur de souffrir de toxémie à l'oxygène, l'effet mortel de l'oxygène à haute pression, et de narcose à l'azote, l'effet narcotique distrayant de l'azote. dans l'air au-delà de ce seuil de pression partielle. Après que les risques liés à l’inflammabilité de l’hydrogène soient devenus évidents, celui-ci a été remplacé par l’hélium dans les dirigeables et les ballons. Ramsay a continué à rechercher 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 (« caché »), (« nouveau ») et (« 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 été considéré comme un gaz rare qu'en 1904, lorsque ses caractéristiques se sont révélées similaires à celles d'autres gaz rares. Rayleigh et Ramsay ont reçu respectivement les prix Nobel de physique et de chimie en 1904 pour leur découverte des gaz rares ; Selon les mots de J. E. Cederblom, alors président de l'Académie royale des sciences de Suède, « 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 un progrès scientifique d’une importance particulière ». Les gaz rares présentent une réactivité chimique extrêmement faible ; par conséquent, seuls quelques centaines de composés de gaz rares se sont formés. Les composés neutres dans lesquels l'hélium et le néon sont impliqués dans des liaisons chimiques n'ont pas été formés (bien qu'il existe des preuves théoriques de quelques composés de l'hélium), tandis que le xénon, le krypton et l'argon n'ont montré qu'une réactivité mineure. La réactivité suit l'ordre Ne 2 → XeF2 Des atomes de krypton liés chimiquement à d'autres non-métaux (hydrogène, chlore, carbone) ainsi qu'à certains métaux de transition tardifs (cuivre, argent, or) ont également été observés, mais uniquement soit à basse température dans des matrices de gaz rares, soit dans des jets supersoniques de gaz rares. . Des conditions similaires ont été utilisées pour obtenir les premiers composés de l'argon en 2000, tels que le fluorhydrure d'argon (HArF), et certains liés aux métaux de transition tardifs, le cuivre, l'argent et l'or. Depuis 2007, aucune molécule neutre stable impliquant de l'hélium ou du néon liés de manière covalente n'est connue. En plus des composés dans lesquels un atome de gaz rare est impliqué dans une liaison covalente, les gaz rares forment également des composés non covalents. Les clathrates, décrits pour la première fois en 1949, sont constitués d'un atome de gaz rare piégé dans des cavités de réseaux cristallins de certaines substances organiques et inorganiques. La condition essentielle à leur formation est que les atomes invités (gaz rares) doivent être de taille appropriée pour s'insérer dans les 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 clathrates hydratés, où le gaz rare est piégé dans la glace. Les gaz rares peuvent former des composés de fullerène endoédriques, dans lesquels l'atome de gaz rare est piégé à l'intérieur d'une molécule de fullerène. En 1993, il a été découvert que lorsque , une molécule sphérique composée de 60 atomes de carbone, est exposée à des gaz rares à haute pression, des complexes tels que peuvent se former (la notation @ indique qu'He est contenu à l'intérieur mais n'y est pas lié de manière covalente). Depuis 2008, des complexes endoédriques avec de l'hélium, du néon, de l'argon, du krypton et du xénon ont été obtenus. Ces composés ont été utilisés dans l'étude de la structure et de la réactivité des fullerènes grâce à la résonance magnétique nucléaire de l'atome de gaz rare. La chimie des gaz rares 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 du néon n’a pas encore été identifié. 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 de 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 de droite répertorie les prix de 2004 aux États-Unis pour les quantités de laboratoire de chaque gaz. Les gaz rares 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 , 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, est également utilisé en cryogénie car il a une capacité frigorifique plus de 40 fois supérieure à celle de l'hélium liquide et plus de trois fois supérieure à celle de l'hydrogène liquide. Les gaz rares 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 à haute performance, 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 rares brillent dans des couleurs distinctives lorsqu'ils sont utilisés à l'intérieur de lampes à décharge, telles que les « néons ». Ces lumières portent le nom du 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 des applications dans les projecteurs de films et comme phares d'automobiles.
Les gaz rares constituent un groupe d’éléments chimiques ayant des propriétés similaires. Dans des conditions standard, ce sont tous des gaz monoatomiques inodores, incolores et présentant une très faible réactivité chimique. Les six gaz rares présents naturellement sont l'hélium (He), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon radioactif (Rn). L'Ununoctium (Uuo), qui a été reconnu comme élément en décembre 2015, devrait également être un gaz rare, mais cette théorie n'est pas confirmée.
Pour les six premières périodes du tableau périodique, les gaz rares sont exactement les membres du groupe 18 du tableau périodique. Il est possible qu'en raison d'effets relativistes, l'élément flerovium du groupe 14 présente des propriétés semblables à celles d'un gaz noble, au lieu de l'élément ununoctium du groupe 18. Les gaz rares sont généralement très peu réactifs, sauf dans des conditions extrêmes particulières. L'inertie des gaz rares les rend très adaptés aux applications où les réactions ne sont pas souhaitées. Par exemple, l'argon est utilisé dans les ampoules pour empêcher le filament de tungstène chaud de s'oxyder ; de plus, l'hélium est utilisé dans les gaz respiratoires par les plongeurs en haute mer pour prévenir la toxicité de l'oxygène et de l'azote.
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 a été possible de préparer seulement un quelques centaines de composés de gaz rares. Les points de fusion et d'ébullition d'un gaz rare donné sont proches les uns des autres, différant de moins de 10 C-changement ; c'est-à-dire qu'ils sont liquides sur une petite plage de températures seulement.
Le néon, l'argon, le krypton et le xénon sont obtenus à partir de l'air dans une unité de séparation d'air en utilisant les méthodes de liquéfaction des gaz et de distillation fractionnée. L'hélium provient de champs de gaz naturel qui ont de fortes concentrations d'hélium dans le gaz naturel, en utilisant des techniques de séparation des gaz cryogéniques, et le radon est généralement isolé de la désintégration radioactive de composés dissous du radium, du thorium ou de l'uranium (puisque ces composés dégagent des particules alpha). ). Les gaz rares 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 en haute mer à des profondeurs d'eau de mer supérieures à 55 m pour empêcher le plongeur de souffrir de toxémie à l'oxygène, l'effet mortel de l'oxygène à haute pression, et de narcose à l'azote, l'effet narcotique distrayant de l'azote. dans l'air au-delà de ce seuil de pression partielle. Après que les risques liés à l’inflammabilité de l’hydrogène soient devenus évidents, celui-ci a été remplacé par l’hélium dans les dirigeables et les ballons.
Histoire
Les gaz nobles sont traduits du nom allemand, 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 obsolète car de nombreux composés de gaz rares sont désormais connus. Les gaz rares sont un autre terme utilisé, mais il 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.
Pierre Janssen et Joseph Norman Lockyer ont découvert un nouvel élément le 18 août 1868 en observant la chromosphère du Soleil et l'ont nommé hélium d'après le mot grec signifiant Soleil (« ou »). Aucune analyse chimique n’était possible à l’époque, mais l’hélium s’est avéré plus tard être un gaz rare. 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 provenant de l'air avaient 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 (« inactif » ). Avec cette découverte, ils ont réalisé qu’une classe entière de gaz manquait dans le tableau périodique. Lors de sa recherche de l'argon, Ramsay a également réussi à isoler pour la première fois de l'hélium en chauffant de la clévéite, un minéral. En 1902, après avoir accepté les preuves de l'existence des éléments hélium et argon, Dmitri Mendeleev a inclus ces gaz rares dans le groupe 0 dans son arrangement des éléments, qui deviendra plus tard le tableau périodique.
Ramsay a continué à rechercher 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 (« caché »), (« nouveau ») et (« 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 été considéré comme un gaz rare qu'en 1904, lorsque ses caractéristiques se sont révélées similaires à celles d'autres gaz rares. Rayleigh et Ramsay ont reçu respectivement les prix Nobel de physique et de chimie en 1904 pour leur découverte des gaz rares ; Selon les mots de J. E. Cederblom, alors président de l'Académie royale des sciences de Suède, « 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 un progrès scientifique d’une importance particulière ».
La découverte des gaz rares a contribué au développement d'une compréhension générale de la structure atomique. En 1895, le chimiste français Henri Moissan a tenté de faire réagir entre le fluor, l'élément le plus électronégatif, et l'argon, l'un des gaz rares, mais a échoué. Les scientifiques n'ont pas pu préparer de composés d'argon jusqu'à la fin du 20e siècle, mais ces tentatives ont contribué à développer de nouvelles théories sur 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 coquilles 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, selon laquelle un octet d'électrons dans la couche externe était l'arrangement le plus stable pour n'importe quel atome ; cet arrangement les rendait insensibles aux autres éléments puisqu’ils n’avaient plus besoin d’électrons pour compléter leur coque externe.
En 1962, Neil Bartlett découvre 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, qui a été identifié par des techniques de radiotracage et en 1963 pour le krypton, le difluorure de krypton (). Le premier composé stable de l'argon a été signalé en 2000 lorsque le fluorohydrure d'argon (HArF) s'est formé à une température de 40 K.
En décembre 1998, des scientifiques de l'Institut commun de recherche nucléaire travaillant à Doubna, en Russie, ont bombardé du plutonium (Pu) avec du calcium (Ca) pour produire un seul atome d'élément 114, le flérovium (Fl). Des expériences chimiques préliminaires ont indiqué que cet élément pourrait être le premier élément super-lourd à présenter des propriétés anormales semblables à celles d'un gaz rare, même s'il fait partie du groupe 14 du tableau périodique. En octobre 2006, des scientifiques de l'Institut commun de recherche nucléaire et du Laboratoire national Lawrence Livermore ont réussi à créer synthétiquement de l'ununoctium (Uuo), le septième élément du groupe 18, en bombardant du californium (Cf) avec du calcium (Ca).
Propriétés physiques et atomiques
Pour plus de données, voir Gaz noble (page de données).
Les gaz rares ont une faible force interatomique et ont par conséquent des points de fusion et d'ébullition très bas. Ce sont tous des gaz monoatomiques dans des conditions standard, y compris des éléments ayant des masses atomiques plus grandes que de nombreux éléments normalement solides. L'hélium possède plusieurs qualités uniques par rapport aux autres éléments : ses points d'ébullition et de fusion sont inférieurs à ceux de toute autre substance connue ; c'est le seul élément connu pour présenter une superfluidité ; c'est le seul élément qui ne peut pas être solidifié par refroidissement dans des conditions standard : une pression de 25 atm doit être appliquée à une température de pour le convertir en solide. Les gaz rares jusqu'au xénon possèdent plusieurs isotopes stables. Le radon n'a pas d'isotopes stables ; son isotope à vie la plus longue, le 222Rn, a une demi-vie de 3,8 jours et se désintègre pour former de l'hélium et du polonium, qui finissent par se désintégrer pour donner du plomb. Les points de fusion et d’ébullition augmentent généralement en descendant dans le groupe.
Les atomes de gaz rares, comme les atomes de la plupart des groupes, voient leur rayon atomique augmenter régulièrement 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 l'augmentation du rayon parce que les électrons de valence dans les gaz rares les plus gros sont plus éloignés du noyau et ne sont donc pas aussi étroitement liés par l'atome. Les gaz rares 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 rares les plus lourds ont cependant des potentiels d’ionisation suffisamment faibles 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 rares ne peuvent pas 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, entraînant 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 des gaz presque parfaits dans des conditions standard, mais leurs écarts par rapport à la loi des gaz parfaits 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 permettant de comprendre les forces intermoléculaires à partir des premiers principes. L'analyse théorique de ces interactions est devenue réalisable 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
Les gaz rares sont incolores, inodores, insipides et ininflammables dans des conditions standard. Ils étaient autrefois classés dans le groupe 0 dans le tableau périodique, car on pensait qu'ils avaient une valence nulle, 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 formaient effectivement des composés, ce qui a fait tomber cette étiquette en désuétude.
Configuration
Comme d'autres groupes, les membres de cette famille présentent des modèles dans leur configuration électronique, en particulier les couches les plus externes, ce qui entraîne des tendances dans leur comportement chimique :
Les gaz rares ont des couches électroniques à pleine valence. Les électrons de Valence sont les électrons les plus externes d'un atome et sont normalement les seuls électrons qui participent à la liaison chimique. Les atomes dotés de couches électroniques à valence complète sont extrêmement stables et n'ont donc pas tendance à former de liaisons chimiques et ont peu tendance à gagner ou à perdre des électrons. Cependant, les gaz rares plus lourds tels que le radon sont moins fermement retenus par la force électromagnétique que les gaz rares plus légers tels que l'hélium, ce qui facilite l'élimination des électrons externes des gaz rares lourds.
Grâce à une coque complète, les gaz rares peuvent être utilisés conjointement avec la notation de configuration électronique pour former la notation de gaz rares. Pour ce faire, le gaz rare 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 de
le phosphore est 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3, tandis que la notation des gaz rares est [Ne] 3s2 3p3. Cette notation plus compacte facilite l'identification des éléments et est plus courte que l'écriture de la notation complète des orbitales atomiques.
Composés
Les gaz rares présentent une réactivité chimique extrêmement faible ; par conséquent, seuls quelques centaines de composés de gaz rares se sont formés. Les composés neutres dans lesquels l'hélium et le néon sont impliqués dans des liaisons chimiques n'ont pas été formés (bien qu'il existe des preuves théoriques de quelques composés de l'hélium), tandis que le xénon, le krypton et l'argon n'ont montré qu'une réactivité mineure. La réactivité suit l'ordre Ne 2 → XeF2
:Xe + 2F2 → XeF4
:Xe + 3F2 → XeF6
Certains de ces composés ont été utilisés en synthèse chimique comme agents oxydants ; , en particulier, est disponible dans le commerce et peut être utilisé comme agent fluorant. 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.
En théorie, le radon est plus réactif que le xénon et devrait donc former 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 krypton est moins réactif que le xénon, mais plusieurs composés ont été signalés avec le krypton à l'état d'oxydation de +2. Le difluorure de krypton est le plus remarquable et le plus facile à caractériser. Dans des conditions extrêmes, le krypton réagit avec le fluor pour former KrF2 selon l'équation suivante :
:Kr + F2 → KrF2
Des composés dans lesquels le krypton forme une simple liaison avec l'azote et l'oxygène ont également été caractérisés, mais ne sont stables qu'en dessous et respectivement.
Des atomes de krypton liés chimiquement à d'autres non-métaux (hydrogène, chlore, carbone) ainsi qu'à certains métaux de transition tardifs (cuivre, argent, or) ont également été observés, mais uniquement soit à basse température dans des matrices de gaz rares, soit dans des jets supersoniques de gaz rares. . Des conditions similaires ont été utilisées pour obtenir les premiers composés de l'argon en 2000, tels que le fluorhydrure d'argon (HArF), et certains liés aux métaux de transition tardifs, le cuivre, l'argent et l'or. Depuis 2007, aucune molécule neutre stable impliquant de l'hélium ou du néon liés de manière covalente n'est connue.
Les gaz rares, dont 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 est présent naturellement dans le milieu interstellaire, bien qu'il n'ait pas été détecté. encore. En plus de ces ions, il existe de nombreux excimères neutres connus des gaz rares. Il s'agit de composés tels que ArF et KrF qui ne sont stables que lorsqu'ils se trouvent dans un état électronique excité ; certains d'entre eux trouvent une application dans les lasers excimer.
En plus des composés dans lesquels un atome de gaz rare est impliqué dans une liaison covalente, les gaz rares forment également des composés non covalents. Les clathrates, décrits pour la première fois en 1949, sont constitués d'un atome de gaz rare piégé dans des cavités de réseaux cristallins de certaines substances organiques et inorganiques. La condition essentielle à leur formation est que les atomes invités (gaz rares) doivent être de taille appropriée pour s'insérer dans les 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 clathrates hydratés, où le gaz rare est piégé dans la glace.
Les gaz rares peuvent former des composés de fullerène endoédriques, dans lesquels l'atome de gaz rare est piégé à l'intérieur d'une molécule de fullerène. En 1993, il a été découvert que lorsque , une molécule sphérique composée de 60 atomes de carbone, est exposée à des gaz rares à haute pression, des complexes tels que peuvent se former (la notation @ indique qu'He est contenu à l'intérieur mais n'y est pas lié de manière covalente). Depuis 2008, des complexes endoédriques avec de l'hélium, du néon, de l'argon, du krypton et du xénon ont été obtenus. Ces composés ont été utilisés dans l'étude de la structure et de la réactivité des fullerènes grâce à la résonance magnétique nucléaire de l'atome de gaz rare.
Les composés de gaz nobles tels que le difluorure de xénon () 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 est décrite par un ensemble de trois orbitales moléculaires (MO) dérivées des orbitales p sur chaque atome. La liaison résulte de la combinaison d'une orbitale p remplie de Xe avec une orbitale p à moitié remplie de chaque atome F, ce qui donne une orbitale de liaison remplie, une orbitale remplie de non-liaison et une orbitale anti-liante vide. L'orbitale moléculaire occupée la plus élevée est localisée sur les deux atomes terminaux. Cela représente une localisation de charge facilitée par la forte électronégativité du fluor.
La chimie des gaz rares 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 du néon n’a pas encore été identifié.
Occurrence et production
L’abondance des gaz rares dans l’univers diminue à mesure que leur numéro 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 lors de la nucléosynthèse stellaire (et, dans une très légère 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 rare 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 petite masse de l’atome, l’hélium ne peut pas être retenu par le champ gravitationnel terrestre. 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, en revanche, augmente 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 faible. rare dans le système solaire. Ce processus est à la base de la méthode de datation potassium-argon. Le xénon est étonnamment faible en abondance dans l'atmosphère, dans ce qu'on appelle le problème du xénon manquant ; une théorie est que le xénon manquant pourrait être piégé dans des minéraux à l'intérieur de la croûte terrestre. Après la découverte du dioxyde de xénon, une recherche a montré que le Xe pouvait remplacer le Si dans le quartz. Le radon se forme dans la lithosphère à partir de 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 forte radioactivité, le radon présente un risque important pour la santé ; il est impliqué dans environ 21 000 décès par an par cancer du poumon rien qu'aux États-Unis.
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 de 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 de droite répertorie les prix de 2004 aux États-Unis pour les quantités de laboratoire de chaque gaz.
Applications
Les gaz rares 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 , 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, est également utilisé en cryogénie car il a une capacité frigorifique 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, notamment 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 appelé 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, on obtient une diminution de l'effet narcotique du gaz en profondeur. La solubilité réduite de l'hélium offre d'autres avantages pour la maladie connue sous le nom d'accident de décompression ou de 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 lors de la remontée. Un autre gaz rare, l’argon, est considéré comme la meilleure option pour être utilisé 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 des réacteurs nucléaires.
Depuis la catastrophe de Hindenburg en 1937, l'hélium a remplacé l'hydrogène comme gaz de levage dans les dirigeables et les ballons en raison de sa légèreté et de son incombustibilité, malgré une diminution de 8,6 % de la flottabilité.
Dans de nombreuses applications, les gaz rares sont utilisés pour créer une atmosphère inerte. L'argon est utilisé dans la synthèse de composés sensibles à l'air et à l'azote. L'argon solide est également utilisé pour l'étude de composés très instables, comme les intermédiaires réactifs, en les piégeant dans une matrice inerte à très basse température. L'hélium est utilisé comme milieu porteur en chromatographie en phase gazeuse, comme gaz de remplissage pour les thermomètres et dans les appareils de mesure des rayonnements, 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.
Les gaz rares 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 à haute performance, 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 rares brillent dans des couleurs distinctives lorsqu'ils sont utilisés à l'intérieur de lampes à décharge, telles que les « néons ». Ces lumières portent le nom du 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 des applications dans les projecteurs de films et comme phares d'automobiles.
Les gaz rares sont utilisés dans les lasers excimers, qui sont basés sur des molécules à courte durée de vie excitées électroniquement appelées excimères. Les excimères utilisés pour les lasers peuvent être des dimères de gaz rares tels que Ar2, Kr2 ou Xe2, ou plus communément, le gaz rare est combiné avec un halogène dans des excimères tels que ArF, KrF, XeF ou XeCl. Ces lasers produisent de la lumière ultraviolette qui, grâce à sa courte longueur d'onde (193 nm pour ArF et 248 nm pour KrF), permet une imagerie de haute précision. Les lasers Excimer ont de nombreuses applications industrielles, médicales et scientifiques. Ils sont utilisés pour la microlithographie et la microfabrication, essentielles à la fabrication de circuits intégrés, ainsi que pour la chirurgie au laser, notamment 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 respiration des personnes 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 entraîne 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 disponible uniquement en quantités infimes, est utilisé en radiothérapie.
Couleur de décharge
La couleur des émissions 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. – notez 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 – notez la suppression des composants UV et bleus dans les tubes de la rangée inférieure en verre domestique épais.