Gaz nobles

CONCEPT

Sur la colonne d’extrême droite du tableau périodique des éléments se trouve un groupe connu sous le nom de gaz nobles : hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon. Également connus sous le nom de gaz rares, ils étaient autrefois appelés gaz inertes, car les scientifiques les croyaient incapables de réagir avec d’autres éléments. Aussi rares soient-ils, ces gaz font partie de la vie quotidienne, comme en témoignent l’hélium des ballons, le néon des enseignes – et le radon nocif dans certaines maisons américaines.

Comment ça marche

Définir les gaz nobles

Le tableau périodique des éléments est ordonné selon le nombre de protons dans le noyau d’un atome pour un élément donné (le numéro atomique), mais le tableau est aussi organisé de telle sorte que les éléments ayant des caractéristiques similaires sont regroupés. C’est le cas du groupe 8, parfois appelé groupe 18, un ensemble de non-métaux connus sous le nom de gaz rares. Les six gaz nobles sont l’hélium (He), le néon (Ne), l’argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon (Rn). Leurs numéros atomiques sont, respectivement, 2, 10, 18, 36, 54, et 86.

Plusieurs caractéristiques, en dehors de leur placement sur le tableau périodique, définissent les gaz nobles. Évidemment, tous sont des gaz, ce qui signifie qu’ils ne forment des liquides ou des solides qu’à des températures extrêmement basses – des températures qui, sur Terre du moins, ne sont généralement atteintes qu’en laboratoire. Ils sont incolores, inodores et insipides, et monatomiques, ce qui signifie qu’ils existent sous forme d’atomes individuels et non de molécules. (En revanche, les atomes d’oxygène – un autre gaz, bien qu’il ne fasse pas partie de ce groupe – se combinent habituellement pour former une molécule, O2.)

Faible réactivité

Il y a une raison pour laquelle les atomes de gaz rares ont tendance à ne pas se combiner : l’une des caractéristiques déterminantes de la « famille » des gaz rares est leur manque de réactivité chimique. Plutôt que de réagir ou de se lier à d’autres éléments, les gaz nobles ont tendance à rester à part – d’où le nom de « noble », qui implique quelqu’un ou quelque chose qui est à part de la foule, pour ainsi dire. En raison de leur manque apparent de réactivité, les gaz nobles – également connus sous le nom de gaz rares – étaient autrefois appelés les gaz inertes.

En effet, on n’a pas trouvé que l’hélium, le néon et l’argon se combinent avec d’autres éléments pour former des composés. Cependant, en 1962, le chimiste anglais Neil Bartlett (1932-) a réussi à préparer un composé de xénon avec du platine et du fluor (XePtF6), renversant ainsi l’idée que les gaz nobles étaient entièrement « inertes ». Depuis lors, de nombreux composés du xénon avec d’autres éléments, notamment l’oxygène et le fluor, ont été mis au point. Le fluor a également été utilisé pour former des composés simples avec le krypton et le radon.

Néanmoins, une faible réactivité – au lieu d’une réactivité nulle, comme on le pensait auparavant – caractérise les gaz rares. L’un des facteurs régissant la réactivité d’un élément est sa configuration électronique, et les électrons des gaz rares sont disposés de manière à décourager la liaison avec d’autres éléments.

Applications dans la vie réelle

Isolation des gaz nobles

HÉLIUM.

L’hélium est un élément inhabituel à bien des égards – notamment parce qu’il est le seul élément à avoir été identifié pour la première fois dans le système solaire avant d’être découvert sur Terre. Ceci est significatif, car les éléments sur Terre sont les mêmes que ceux que l’on trouve dans l’espace : ainsi, c’est plus qu’une simple tentative de paraître poétique lorsque les scientifiques disent que les humains, ainsi que le monde qui les entoure, sont faits de « l’étoffe des étoiles ».

En 1868, un astronome français nommé Pierre Janssen (1824-1907) était en Inde pour observer une éclipse totale de soleil. Pour l’aider dans ses observations, il a utilisé un spectroscope, un instrument permettant d’analyser le spectre de la lumière émise par un objet. Ce que le spectroscope de Janssen a montré était surprenant : une ligne jaune dans le spectre, jamais vue auparavant, qui semblait indiquer la présence d’un élément non découvert auparavant. Janssen l’a appelé « hélium » d’après le dieu grec Hélios, ou Apollon, que les anciens associaient au Soleil.

Janssen a partagé ses découvertes avec l’astronome anglais Sir Joseph Lockyer (1836-1920), qui avait une réputation mondiale pour ses travaux d’analyse des ondes lumineuses. Lockyer pense lui aussi que ce que Janssen a vu est un nouvel élément, et quelques mois plus tard, il observe les mêmes lignes spectrales inhabituelles. À cette époque, le spectroscope est encore une nouvelle invention, et de nombreux membres de la communauté scientifique mondiale doutent de son utilité. Par conséquent, malgré la réputation de Lockyer, ils mettent en doute l’existence de ce « nouvel » élément. Pourtant, de leur vivant, Janssen et Lockyer ont eu raison.

NEON, ARGON, KRYPTON, ET XENON.

Ils ont cependant dû attendre un quart de siècle. En 1893, le chimiste anglais Sir William Ramsay (1852-1916) fut intrigué par la présence d’une mystérieuse bulle de gaz laissée par la combinaison de l’azote de l’atmosphère avec l’oxygène. Ce phénomène avait également été observé par le physicien anglais Henry Cavendish (1731-1810) plus d’un siècle auparavant, mais Cavendish n’a pu fournir aucune explication. Ramsay, en revanche, bénéficiait des observations du physicien anglais John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919).

Jusqu’à cette époque, les scientifiques pensaient que l’air n’était constitué que d’oxygène, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau. Cependant, Rayleigh avait remarqué que lorsque l’azote était extrait de l’air après un processus d’élimination de ces autres composants, il avait une densité légèrement plus élevée que l’azote préparé à partir d’une réaction chimique. À la lumière de ses propres observations, Ramsay a conclu que, alors que l’azote obtenu à partir de réactions chimiques était pur, l’azote extrait de l’air contenait des traces d’un gaz inconnu.

Ramsay n’avait tort que sur un point : caché avec l’azote ne se trouvait pas un gaz, mais cinq. Afin d’isoler ces gaz, Ramsay et Rayleigh ont soumis l’air à une combinaison de haute pression et de basse température, permettant aux différents gaz de bouillir à différentes températures. L’un des gaz était de l’hélium – la première confirmation de l’existence de cet élément sur Terre – mais les quatre autres gaz étaient inconnus jusqu’alors. Les racines grecques des noms donnés aux quatre gaz reflétaient l’émerveillement des scientifiques à la découverte de ces éléments difficiles à trouver : neos (nouveau), argos (en activité), kryptos (caché) et xénon (étranger).

RADON.

Inspiré par les études de la physicienne et chimiste franco-polonaise Marie Curie (1867-1934) concernant l’élément radium et le phénomène de la radioactivité (elle a découvert l’élément, et inventé ce dernier terme), le physicien allemand Friedrich Dorn (1848-1916) se passionne pour le radium. En étudiant cet élément, il a découvert qu’il émettait un gaz radioactif, qu’il a appelé « émanation de radium ». Il finit par comprendre que ce qui était produit était un nouvel élément. C’était la première preuve claire qu’un élément pouvait devenir un autre par le processus de désintégration radioactive.

Ramsay, qui avec Rayleigh avait reçu le prix Nobel en 1904 pour ses travaux sur les gaz nobles, a pu cartographier les lignes spectrales du nouvel élément et déterminer sa densité et sa masse atomique. Quelques années plus tard, en 1918, un autre scientifique, C. Schmidt, lui donne le nom de « radon ». En raison de son comportement et de la configuration de ses électrons, les chimistes ont classé le radon parmi ce qu’ils ont continué à appeler les « gaz inertes » pendant un autre demi-siècle – jusqu’à la préparation des composés du xénon par Bartlett en 1962.

Présence des gaz rares sur Terre

DANS L’ATMOSPHÈRE.

Bien que les gaz rares se trouvent dans les minéraux et les météorites sur Terre, leur plus grande présence se trouve dans l’atmosphère de la planète. On pense qu’ils ont été libérés dans l’air il y a longtemps comme sous-produit de la désintégration des matériaux radioactifs de la croûte terrestre. Dans l’atmosphère, l’argon est le plus « abondant » – en termes comparatifs, étant donné que les « gaz rares » sont, par définition, rares.

L’azote représente environ 78% de l’atmosphère terrestre et l’oxygène 21%, ce qui signifie que ces deux éléments constituent entièrement 99% de l’air au-dessus de la Terre. L’argon arrive loin en troisième position, avec 0,93 %. Les 0,07 % restants sont constitués de vapeur d’eau, de dioxyde de carbone, d’ozone (O3) et de traces de gaz rares. Ces derniers sont présents en si petites quantités que les chiffres les concernant ne sont généralement pas présentés sous forme de pourcentages, mais plutôt en termes de parties par million (ppm). Les concentrations de néon, d’hélium, de krypton et de xénon dans l’atmosphère sont respectivement de 18, 5, 1 et 0,09 ppm.

Dans le sol.

Le radon dans l’atmosphère est pratiquement négligeable, ce qui est heureux, compte tenu de ses qualités radioactives. En fait, peu d’Américains connaissaient même son existence jusqu’en 1988, lorsque l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) a publié un rapport estimant que quelque dix millions de foyers américains présentaient des niveaux de radon potentiellement dangereux. Ce rapport a déclenché une alerte et, à la fin des années 1980 et dans les années 1990, les ventes de détecteurs de radon domestiques ont explosé. Pendant ce temps, le gouvernement fédéral a accru les inquiétudes avec des rapports supplémentaires, conseillant aux gens de sceller leurs sous-sols et de ventiler leurs maisons si le radon dépassait certains niveaux.

Un certain nombre de scientifiques ont contesté les affirmations du gouvernement, pourtant certaines régions des États-Unis semblent être à un risque relativement élevé en raison de la présence de radon dans le sol. L’élément semble être le plus abondant dans les sols contenant de fortes concentrations d’uranium. Si le radon est présent dans une maison qui a été scellée par les intempéries pour améliorer l’efficacité des systèmes de chauffage et de refroidissement, il est en effet potentiellement dangereux pour les résidents.

Dans les années 1960, des scientifiques chinois ont fait une découverte intéressante concernant le radon et son application à la sismographie, ou le domaine des sciences de la terre consacré à l’étude et à la prévision des tremblements de terre. Les rapports chinois ont montré que les niveaux de radon dans les eaux souterraines augmentent considérablement juste avant un tremblement de terre. Depuis lors, les Chinois surveillent les concentrations de radon dans l’eau et utilisent ces données pour prédire les tremblements de terre.

EXTRACTION DE GAZ RARES.

Le radon, en effet, n’est pas le seul gaz rare que l’on peut obtenir à la suite d’une désintégration radioactive : en 1903, Ramsay et le chimiste britannique Frederick Soddy (1877-1956) ont montré que la décomposition de l’uranium ou du radium entraîne la production d’atomes d’hélium (particules bêta). Quelques années plus tard, le physicien anglais Ernest Rutherford (1871-1937) a démontré que les radiations portant une charge électrique positive (rayons alpha) étaient en fait un flux d’atomes d’hélium dépourvus d’un électron.

Plusieurs des gaz nobles sont extraits en liquéfiant l’air – c’est-à-dire en le réduisant à des températures auxquelles il prend les propriétés d’un liquide plutôt que d’un gaz. En contrôlant les températures de l’air liquéfié, il est possible d’atteindre le point d’ébullition d’un gaz noble particulier et ainsi de l’extraire, un peu comme cela a été fait lorsque ces gaz ont été isolés pour la première fois dans les années 1890.

La situation unique de l’hélium.

L’hélium est remarquable, car il ne se liquéfie qu’à une température de -457,6°F (-272°C), juste au-dessus du zéro absolu. Le zéro absolu est la température à laquelle le mouvement des atomes ou des molécules s’arrête virtuellement, mais le mouvement des atomes d’hélium ne s’arrête jamais complètement. Pour le liquéfier, en effet, même à ces basses températures, il faut le soumettre à des pressions plusieurs fois supérieures à celles exercées par l’atmosphère terrestre.

Compte tenu de ces faits, il est difficile d’extraire l’hélium de l’air. Le plus souvent, il est obtenu à partir des puits de gaz naturel, où il est présent en concentrations relativement importantes – entre 1 et 7 % du gaz naturel. La majorité de la réserve d’hélium de la Terre appartient aux États-Unis, où la plus grande abondance de puits d’hélium se trouve au Texas, en Oklahoma et au Kansas. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les États-Unis ont profité de cette réserve d’hélium relativement peu coûteuse pour assurer la flottabilité d’une flotte de dirigeables utilisés pour la reconnaissance.

Il existe un endroit où l’hélium est abondant, mais aucune expédition minière n’est prévue de sitôt. Cet endroit est le Soleil, où la fusion nucléaire des atomes d’hydrogène crée de l’hélium. En effet, l’hélium semble être l’élément le plus abondant de tous, après l’hydrogène, et constitue 23 % de la masse totale de l’univers. Pourquoi, alors, est-il si difficile à obtenir sur Terre ? Très probablement parce qu’il est si léger par rapport à l’air ; il flotte simplement dans l’espace.

Applications pour les gaz nobles

RADON, ARGON, KRYPTON, ET XÉNON.

Bien que le radon soit connu principalement pour les dangers qu’il représente pour la vie et le bien-être des humains, il a des applications utiles. Comme indiqué ci-dessus, sa présence dans les eaux souterraines semble fournir un moyen possible de prédire les tremblements de terre. En outre, il est utilisé pour détecter les fuites, mesurer les débits et inspecter les soudures métalliques.

Une utilisation intéressante de l’argon et, en particulier, de l’isotope stable argon-40, est dans les techniques de datation utilisées par les géologues, les paléontologues et d’autres scientifiques étudiant le passé lointain. Lorsque les roches volcaniques sont soumises à des températures extrêmement élevées, elles libèrent de l’argon, et lorsque les roches refroidissent, l’argon 40 s’accumule. L’argon 40 étant formé par la désintégration radioactive d’un isotope du potassium, le potassium 40, la quantité d’argon 40 qui se forme est proportionnelle au taux de désintégration du potassium 40. Ce dernier a une demi-vie de 1,3 milliard d’années, ce qui signifie qu’il faut 1,3 milliard d’années pour que la moitié du potassium-40 initialement présent soit converti en argon-40. En utilisant l’argon-40, les paléontologues ont pu estimer l’âge des couches volcaniques au-dessus et au-dessous des restes de fossiles et d’artefacts en Afrique de l’Est.

Le krypton a un certain nombre d’applications spécialisées-par exemple, il est mélangé à l’argon et utilisé dans la fabrication de fenêtres avec un haut niveau d’efficacité thermique. Utilisé dans les lasers, il est souvent mélangé avec un halogène tel que le fluor. En outre, il est aussi parfois utilisé dans les phares halogènes scellés. De nombreux fans de Superman ont sans doute été déçus, à un moment ou à un autre de leur vie, de découvrir que la « kryptonite », l’élément fictif qui faisait perdre à l’homme d’acier sa force légendaire, n’existe pas. Pourtant, le krypton – le véritable élément – a des applications qui sont littéralement hors du commun. Dans le développement du carburant pour l’exploration spatiale, le krypton est en concurrence avec son élément frère, le xénon. Le xénon offre de meilleures performances, mais coûte environ dix fois plus cher à produire ; le krypton est donc devenu plus attrayant en tant que carburant pour les vols spatiaux.

En plus de son potentiel en tant que carburant spatial, le xénon est utilisé dans les lampes à arc pour la projection de films cinématographiques, dans les lampes à rayonnement ultraviolet à haute pression et dans les flashs spécialisés utilisés par les photographes. Un isotope particulier du xénon est utilisé pour retracer le mouvement des sables le long d’un littoral. Le xénon est également appliqué en physique des hautes énergies pour détecter les radiations nucléaires dans les chambres à bulles. En outre, les neuroscientifiques expérimentent l’utilisation du xénon dans les procédures de diagnostic pour clarifier les images à rayons X du cerveau humain.

NEON.

Le néon, bien sûr, est surtout connu pour son application dans les enseignes au néon, qui produisent une lueur accrocheuse lorsqu’elles sont allumées la nuit. Le chimiste français Georges Claude (1870-1960), intrigué par la découverte du néon par Ramsay, a mené des expériences qui ont conduit au développement de la lampe au néon en 1910. Cette première lampe au néon était simplement un tube de verre rempli de gaz néon, qui brillait d’un rouge vif lorsqu’il était chargé en électricité.

Claude a finalement découvert que le mélange d’autres gaz avec le néon produisait différentes couleurs de lumière. Il a également expérimenté des variations dans les formes des tubes de verre pour créer des lettres et des images. Dans les années 1920, la lumière au néon était devenue très populaire, et elle l’est encore aujourd’hui. Les lampes au néon modernes sont généralement fabriquées en plastique plutôt qu’en verre, et la gamme de couleurs est beaucoup plus étendue qu’à l’époque de Claude : non seulement le remplissage de gaz, mais aussi le revêtement à l’intérieur du tube, sont variés, ce qui donne une variété de couleurs de tout le spectre.

Bien que l’enseigne au néon soit son application la plus connue, le néon est utilisé pour beaucoup d’autres choses. Les lampes à incandescence au néon sont souvent utilisées pour indiquer les réglages marche/arrêt sur les tableaux de bord électroniques, et on trouve des lampes au néon légères sur des machines allant des ordinateurs aux régulateurs de tension. En fait, la première télévision couleur pratique, produite en 1928, utilisait un tube au néon pour produire la couleur rouge dans le récepteur. Le vert venait du mercure, mais la lumière bleue de cette première télévision couleur provenait d’un autre gaz noble, l’hélium.

HELIUM.

L’hélium, bien sûr, est largement connu pour son utilisation dans les ballons – à la fois pour les grands dirigeables et pour les ballons qui ont apporté joie et amusement à de nombreux petits enfants. Bien que l’hélium soit beaucoup plus cher que l’hydrogène pour assurer la flottabilité des dirigeables, l’hydrogène est extrêmement inflammable et, après la tristement célèbre explosion du dirigeable Hindenburg en 1937, l’hélium est devenu le moyen privilégié pour les dirigeables. Comme indiqué précédemment, l’armée américaine a largement utilisé des dirigeables remplis d’hélium pendant la Seconde Guerre mondiale.

L’utilisation de l’hélium pour la flottabilité est l’une des applications les plus marquantes de ce gaz noble, mais loin d’être la seule. En fait, non seulement les gens ont utilisé l’hélium pour monter dans des ballons, mais les plongeurs l’utilisent pour descendre sous la surface de l’océan. Dans ce cas, bien sûr, l’hélium n’est pas utilisé pour assurer la flottabilité, mais comme moyen de protection contre la maladie liée à la plongée, connue sous le nom de « bends », qui se produit lorsque l’azote contenu dans le sang fait des bulles lorsque le plongeur remonte à la surface. L’hélium est mélangé à l’oxygène dans les bouteilles d’air des plongeurs car il ne se dissout pas dans le sang aussi facilement que l’azote.

Parmi les applications les plus fascinantes de l’hélium, on trouve son point de congélation extraordinairement bas. L’hélium a joué un rôle important dans la science des basses températures connue sous le nom de cryogénie, et a trouvé une application dans la recherche concernant la supraconductivité : l’utilisation de très basses températures pour développer des matériaux qui conduisent l’énergie électrique avec une efficacité largement supérieure à celle des conducteurs ordinaires. À proximité du zéro absolu, l’hélium se transforme en un liquide très particulier, différent de toute autre substance connue, car il ne présente aucune résistance mesurable à l’écoulement. Cela signifie qu’il pourrait transporter un courant électrique des centaines de fois plus efficacement qu’un fil de cuivre.

Où en savoir plus

« La chimie des gaz rares » (site Web). <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch10/raregas.html&gt ; (13 mai 2001).

« Devoirs : Sciences : Chimie : Gaz » Channelone.com (site Web). <http://www.channelone.com/fasttrack/science/chemistry/gases.html&gt ; (12 mai 2001).

Knapp, Brian J. ; David Woodroffe ; David A. Hardy. Elements. Danbury, CT : Grolier Educational, 2000.

Mebane, Robert C. et Thomas R. Rybolt. Air et autres gaz. Illustrations par Anni Matsick. New York : Twenty-First Century Books, 1995.

« Gaz nobles » Xrefer.com (site Web). <http://www.xrefer.com/entry/643259&gt ; (13 mai 2001).

Gaz rares. Praxair (site Web). <http://www.praxair.com/Praxair.nsf/X1/gase_rarega?openDocument&gt ; (13 mai 2001).

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Taylor, Ron. Faits sur le radon et l’amiante. Illustré par Ian Moores. New York : F. Watts, 1990.