Argon

L’argon, élément atomique n°18 de symbole Ar : ses propriétés principales, ses isotopes, ses composés, sa production, son histoire et ses dangers.

Incolore, inodore et insipide, l’argon est un gaz inerte. Il se trouve naturellement dans l’atmosphère à raison de 0,93 % en volume. Il constitue le troisième gaz le plus abondant dans l’atmosphère. Il est couramment utilisé dans diverses applications industrielles. Cela concerne la fabrication de tubes fluorescents, de lampes à néon et de systèmes de climatisation. Il est également utilisé dans l’industrie alimentaire. Il sert à remplir les bouteilles de vin et dans le conditionnement sous vide. On le retrouve, par ailleurs, dans les fours à arc électrique au graphite. Ce matériau est préservé de la combustion.

Représenté par le symbole Ar, il figure dans le tableau périodique. Il porte le numéro atomique 18. L’argon a également la particularité d’appartenir à la famille des gaz rares ou gaz nobles. Cette catégorie regroupe, entre autres, le néon, l’hélium, le krypton, le radon et le xénon.

L’argon se décline en plusieurs types. L’argon 36 compose en grande partie l’univers. Il est produit dans les supernovas via le processus de nucléosynthèse stellaire. Quant à l’écorce terrestre, elle contient essentiellement de l’argon 40. Il s’agit d’un nucléide radiogénique. Cet élément chimique résulte de la désintégration du potassium 40.

Le nom de l’élément chimique argon vient du grec ancien, argos. Il signifie « inactif » ou « inerte », en référence au fait que l’argon est un gaz inerte. Sa composition électronique est 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6, soit une couche de valence saturée. Celle-ci rend cet halogène stable, l’empêchant de former des liaisons covalentes. Sa température de point triple est de 83,805 8 K. Elle est utilisée comme point de référence dans l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90).

La production industrielle de l’argon commence par le traitement thermique de l’air. Il a pour but de séparer les différents gaz qui le composent. Ces derniers sont ensuite séparés à l’aide d’une technique d’adsorption cryogénique. Elle permet de séparer l’argon des autres gaz lorsqu’il est à des températures très basses. Il est comprimé et refroidi pour être transformé en fluide liquide. Celui-ci est distillé et purifié à l’aide de filtres spéciaux afin d’enlever les impuretés. Le fluide liquide est à nouveau comprimé et transformé en gaz sous pression. Il peut être utilisé dans diverses applications industrielles.

Propriétés principales de l’argon

L’argon est un gaz noble inerte et non toxique à l’état naturel. Il est présent à l’état de trace dans l’atmosphère terrestre. Cela signifie qu’il ne réagit pas facilement avec d’autres éléments. L’argon a de nombreuses propriétés intéressantes. Il a, par exemple, une densité relativement faible et est très stable à des températures élevées. De plus, il constitue un très bon isolant thermique et possède une conductivité thermique faible. Il est un excellent matériau pour l’isolation et la protection thermique.

La solubilité de l’argon dans l’eau est presque équivalente à celle de l’oxygène. En revanche, elle est 2,5 fois plus importante que celle de l’azote.

Des expériences montrent que l’argon peut former des composés chimiques sous certaines conditions hors équilibre. Par exemple, le fluorohydrure d’argon, HArF, a été synthétisé par photolyse de HF. Celle-ci est effectuée dans une matrice cryogénique d’iodure de césium et d’argon. Cette molécule reste stable à des températures inférieures à 27 K (−246,15 °C).

De l’argon, il est possible de former des structures appelées « clathrates » dans l’eau. Ce processus est possible quand ses atomes sont piégés dans le réseau tridimensionnel de la glace. Par ailleurs, des ions polyatomiques contenant de l’argon existent. Cela concerne le cation hydrure ArH⁺, ainsi que des exciplexes entre les mêmes atomes d’argon. Il s’agit notamment des atomes Ar2* et ArF*. Des composés présentant des liaisons stables entre l’argon et le carbone sont susceptibles d’être synthétisés.

Isotopes de l’argon

L’argon 40 (40Ar) représente 99,6 % de tous les isotopes d’argon présents dans l’écorce terrestre. Il s’agit de l’argon 36 (³⁶Ar) 0,34 % et de l’argon 38 (³⁸Ar) 0,06 %. La désintégration spontanée du potassium 40 (⁴⁰K) produit 11,2 % d’argon 40 par émission de positron. Il est aussi obtenu par capture électronique. Ce processus permet aussi de produire 88,8 % de calcium 40 (⁴⁰Ca) par désintégration β−. La période radioactive de cet élément est de 1,25 milliard d’années.

La datation au potassium-argon permet de déterminer l’âge des roches. Ce procédé s’appuie sur la durée et le rapport entre les sous-produits formés. Dans le sous-sol, vous avez l’argon 39 à partir du potassium 39. Il est produit par capture neutronique, suivie d’une émission de proton. Dans l’atmosphère terrestre, l’argon 39 est principalement généré par l’interaction du rayonnement cosmique avec l’argon 40. Il se termine par une double émission de neutron.

Les composés isotopiques de l’argon diffèrent selon le système solaire. Dans les roches, le potassium 40 se désintègre radioactivement et produit de l’argon 40. Il s’agit de la principale substance dans les atmosphères telluriques sur Vénus, la Terre et Mars. Par contre, le vent solaire a montré que dans les planètes géantes, l’abondance relative des isotopes ³⁶Ar : ³⁸Ar : ⁴⁰Ar vaut 8 400 : 1 600 : 1. Ils sont formés par nucléosynthèse stellaire, principalement à partir de l’argon 36. Celui-ci est créé par capture neutronique suivie d’une désintégration alpha. De plus, l’argon 37 est produit lors d’essais nucléaires souterrains à partir de calcium 40. Il a une période radioactive de 35 jours.

La concentration d’argon de l’atmosphère terrestre s’élève à 9 340 ppm. Il représente 0,934 % de la totalité de la fraction volumique. L’atmosphère de Mercure en contient une faible quantité, seulement 0,07 ppm. La concentration dans celle de Vénus est plus élevée, à 70 ppm. Cependant, Mars affiche la plus grande proportion, avec 19 300 ppm, soit 1,93 % de l’atmosphère.

L’argon 40 radiogénique est le principal composant de l’atmosphère terrestre. Cela explique pourquoi sa masse atomique de 39,95 u est supérieure de 0,85 u à celle du potassium. Dimitri Mendeleïev a établi son tableau périodique des éléments en 1894. Il s’est aperçu que l’argon se situe entre le potassium et le calcium. La différence de masse atomique entre le chlore et le potassium était pourtant de 3,65 u. Cette énigme a été résolue plus tard par Henry Moseley. Il a longuement étudié les différents éléments chimiques. Il a démontré en 1913 qu’il fallait tenir compte du numéro atomique croissant plutôt que de la masse atomique croissante.

L’argon est présent en grande quantité dans l’atmosphère par rapport aux autres gaz nobles. Il y a 9 340 ppm d’argon, alors que la quantité d’hélium s’élève à 5,24 ppm. Pour le néon, il est de 18,18 ppm. En ce qui concerne le krypton et le xénon, leur quantité est de 1,14 ppm et de 0,087 ppm. Cette abondance peut être expliquée par l’argon 40 radiogénique. L’abondance de cet élément est de 31,5 ppm (soit 0,337 % de ce qui est contenu dans l’atmosphère). Cette quantité est comparable à celle du néon.

Composés de l’argon

L’argon est doté d’un atome, dont la couche de valence est saturée d’électrons. Il est également composé de sous-couches p et s complètes. Ces caractéristiques sont à l’origine de la stabilité de cet élément chimique. Ils le rendent également inerte, puisqu’il ne peut former aucune liaison chimique avec d’autres atomes. Jusqu’en 1962, la formation de composés chimiques à partir des gaz nobles était considérée comme impropre. Cependant, la même période voit apparaître la chimie des gaz nobles. Celle-ci est due à la synthèse de l’hexafluoroplatinate de xénon²⁰ XePtF₆.

En 1975, les chercheurs ont publié leur découverte concernant l’argon. Il s’agissait de son premier composé, le pentacarbonyle de tungstène. Sa formule chimique est le W(CO)₅Ar. Cependant, d’autres études contestent l’existence réelle de ce composé.

Il a été découvert lors d’une synthèse de fluorohydrure d’argon HArF à l’Université d’Helsinki. Le processus a été réalisé via une photolyse ultraviolette de fluorure d’hydrogène HF. Elle s’est déroulée dans une matrice cryogénique d’argon Ar et d’iodure de césium CsI. Le fluorohydrure d’argon HArF est stable lorsqu’il est exposé à une température inférieure à 27 K ou (- 246,15 °C). Il a également été identifié par spectroscopie infrarouge. Les scientifiques ont ainsi déterminé la possibilité de former des composants faiblement liés à partir de l’argon.

Il a été observé, en 2009, que le dianion métastable ArCF₂²⁺ équivaut au fluorure de carbonyle COF₂. Il en va de même pour le phosgène COCI2. Ce corps isoélectronique peut, de ce fait, permettre de créer une liaison carbone-argon. L’ion moléculaire ₃₆ArH⁺ correspond au cation hydrure de l’argon 36 (argonium). Sa présence a été détectée au niveau de la nébuleuse du Crabe, notamment dans le milieu interstellaire. Il a la particularité d’être le premier composé de gaz noble détecté dans l’espace.

La formule de l’hydrure d’argon solide Ar (H₂)₂. Ce composé de van der Waals possède une structure cristalline similaire à la phase de Laves MgZn₂. Pour se former, il a besoin de pressions comprises entre 4,3 et 220 GPa. Cependant, des tests à spectroscopie Raman montrent la dissociation des molécules H2 du composé Ar(H₂)₂. Celles-ci sont au-dessus de 175 GPa.

Production industrielle et applications

La production de l’argon se fait via un processus industriel. Il s’agit notamment d’une distillation fractionnée d’air liquéfié. Ce processus est réalisé dans des unités cryogéniques spécifiques. Il a pour but de séparer l’azote liquide. Cet élément bout à 77,3 K le point d’ébullition de l’argon est de 87,3 K. En ce qui concerne l’oxygène liquide, il n’entre en ébullition qu’à 90,2 K. À titre informatif, la production moyenne d’argon est de 700 000 tonnes par an à travers le monde.

De nombreuses propriétés de l’argon expliquent l’utilisation de l’argon dans différentes applications industrielles :

il constitue une alternative économique de l’azote ;
il est considéré comme un gaz inerte sur le plan chimique ;
il a de nombreuses propriétés électroniques, dont le spectre d’émission et l’ionisation ;
il a une faible conductivité thermique.

De nombreux autres gaz possèdent les mêmes propriétés. Les industriels peuvent donc les utiliser. Cependant, l’argon reste le produit le moins cher sur le marché. Il est d’ailleurs considéré comme un sous-produit par rapport à l’azote et à l’oxygène.

Applications industrielles de l’argon

De nombreux procédés industriels requièrent une haute température élevée. Cependant, la plupart des substances chimiques inertes deviennent réactives lorsqu’elles atteignent leur seuil limite. De ce fait, il est préférable d’utiliser de l’argon. Ce gaz inodore permet effectivement de créer une atmosphère sécurisée dans les fours électriques à électrodes de graphite. Ce matériau pourrait effectivement prendre feu.

Dans d’autres cas, l’oxygène ou l’azote pourrait endommager le matériau. Les industriels préfèrent ainsi utiliser de l’argon. Cet élément chimique est plus adapté pour réaliser des travaux de soudage à l’arc. Cela concerne, entre autres, le soudage TIG et le soudage MIG-MAG. L’argon convient également au traitement d’éléments réactifs tels que le titane. Il sert aussi à produire des cristallines de qualité. L’atmosphère d’argon favorise la croissance des cristaux de germanium et de silicium.

L’argon trouve sa place dans l’industrie avicole, en l’occurrence dans le processus d’abattage des volailles. Ce gaz permet de créer une atmosphère contrôlée permettant d’asphyxier les bêtes dans le cadre d’un abattage de masse. Ce procédé est principalement utilisé après la détection d’une maladie qui affecte plusieurs individus. Il constitue, par ailleurs, une excellente alternative à l’électronarcose. En effet, l’argon reste près du sol en raison de sa densité par rapport à l’air. Par ailleurs, il contribue à la conservation des aliments en se substituant partiellement à l’oxygène. Il ne présente aucun risque sanitaire, car il n’est pas nocif.

De nombreuses recherches ont été effectuées pour trouver des applications utiles à l’argon. De cette manière, les scientifiques ont pu mettre au point un extincteur fiable et performant. L’argon constitue effectivement un des principaux composants du liquide contenu dans les extincteurs. Ceux-ci sont généralement utilisés pour éteindre les incendies efficacement. Ils contribuent ainsi à la protection des équipements fragiles et de valeur. Cela concerne, entre autres, les serveurs informatiques. Les extincteurs standards à base de mousse ou d’eau risqueraient de les endommager.

Applications médicales de l’argon

L’argon trouve sa place dans le secteur médical, notamment dans les procédures de cryochirurgie. La cryoablation consiste à utiliser de l’argon liquide. Il sert à détruire les cellules endommagées telles que les cellules cancéreuses. Ce gaz est également utilisé en électrochirurgie. Elle fait partie de la procédure d’argon-enhanced coagulation. Cependant, les médecins ne la pratiquent que très rarement. Elle peut effectivement entraîner un risque d’embolie gazeuse. Un décès a été enregistré depuis l’utilisation de cette méthode.

La suture des artères requiert, par ailleurs, la maîtrise des techniques appropriées. Les médecins peuvent utiliser des lasers bleus à argon. Ce type de matériel sert également à éliminer les tumeurs en chirurgie oculaire. Il peut aussi être utilisé dans le cadre de l’électrocoagulation par voie endoscopique. Ce procédé permet de suturer les lésions à l’origine des saignements digestifs.

Des recherches ont été effectuées dans le but de remplacer l’azote par l’argon dans le gaz respiratoire, qui est l’Arfox. Il favorise l’élimination de l’azote qui s’est dissous dans le sang.

Recherche scientifique

Les scientifiques ont besoin de l’argon liquide pour effectuer des recherches sur la matière noire. Ils en ont aussi besoin dans la détection des neutrinos. En interagissant avec les noyaux des atomes d’argon, les hypothétiques WIMPs produisent de la scintillation. Cette réaction peut être observée à l’aide de tubes photomultiplicateurs.

Des électrons sont également produits par ionisation au cours de ces interactions. Il faut utiliser des détecteurs à deux phases pour détecter ces éléments. Les outils utilisés contiennent de l’argon gazeux.

Le taux de scintillation de l’argon liquide est aussi élevé que pour les autres gaz nobles liquéfiés. Celui-ci est de 51 photons/keV environ. De ce fait, il est plus facile de le purifier. Son coût est relativement plus abordable que celui du xénon. Il facilite la différenciation entre les interactions nucléaires et les interactions électroniques.

En revanche, la radioactivité β est élevée à cause de la présence de l’argon 39. Seul l’argon provenant du sous-sol terrestre en contient une faible quantité. De ce fait, sa durée de radioactivité est de seulement 269 ans.

L’argon 39 a entre autres rendu possible la datation des carottes de glace et des eaux souterraines en Antarctique. Quant à la datation radiométrique, elle est effectuée avec un mélange d’argon-argon ou potassium argon. Cette technique est surtout utilisée pour dater des ignées, des métamorphiques et des roches sédimentaires.

Conservateur

Connu sous le nom de E398, l’argon est utilisé dans l’industrie alimentaire en tant que conservateur. Il sert à éliminer l’humidité et l’oxygène présents dans l’emballage. De cette manière, la date limite de consommation est plus longue. L’hydrolyse ainsi que l’oxydation de l’air constituent les principales réactions à l’origine de la dégradation des produits alimentaires. Ce gaz inerte est également utilisé comme agent de conservateur pour le polyuréthane, les vernis et les peintures.

L’argon entre également dans le processus de vinification. Il prévient l’oxydation du vin en le protégeant de l’oxygène. Cet élément chimique empêche, entre autres, la formation de bactéries, en l’occurrence les bactéries acétiques. Leur interaction transforme effectivement le vin en vinaigre.

Équipements de laboratoire

En raison de son coût abordable, l’argon est souvent choisi comme gaz inerte pour boîte à gants et rampe à vide. Par rapport à l’azote, il a aussi l’avantage d’être plus dense que l’air. Son utilisation est, par ailleurs, plus simple et plus pratique.

L’argon est également utilisé comme gaz porteur dans le processus de chromatographie. Il en va de même pour l’ionisation par électronébuliseur et la spectrométrie à plasma à couplage inductif.

Éclairage

Le filament d’une lampe à incandescence peut s’oxyder au contact de l’air à haute température. L’ampoule est donc remplie d’argon afin d’éviter ce genre d’interaction. Ce gaz noble est aussi présent dans les calorimètres en physique des particules et dans les lampes à plasma. Il est effectivement utilisé à cause de son rayonnement par ionisation.

L’argon pur est présent dans les lampes à décharge. De ce fait, vous obtenez une lumière violet pâle. Celle-ci devient bleue lorsque du mercure est ajouté à l’argon. Le même procédé est utilisé dans la fabrication des lasers ioniques verts et bleus.

Applications diverses

Ayant une bonne performance thermique, l’argon est utilisé dans le processus de fabrication d’une menuiserie à double vitrage. Il permet, entre autres, de remplir les combinaisons étanches. Ces équipements s’avèrent indispensables pour la plongée en scaphandre.

Dans le secteur de l’astronomie, l’argon sert de propulseur pour les VASIMR. Il trouve aussi sa place dans l’armement aérien. En effet, il permet de refroidir la tête des missiles, dont l’AIM-9.

En athlétisme, l’argon simule l’hypoxie. Il est considéré comme un dopant au même titre que le xénon. De ce fait, il a figuré sur la liste des substances interdites entre 2014 et 2020 établie par l’Agence mondiale antidopage.

Histoire et étymologie de l’argon

Le mot argon est dérivé du grec ancien Argos. Le préfixe « a » signifie « sans » et le mot « ergon » se traduit par « travail ». Le nom de ce gaz se rapporte donc à son caractère inerte.

Henry Cavendish avait déjà suspecté sa présence dans l’atmosphère en 1785. Cependant, ce sont Sir William Ramsay et Lord Rayleigh qui l’ont découvert en 1894. Ces chercheurs de l’University College ont fait publiquement part de leur découverte le 31 janvier 1895. L’argon avait le symbole chimique A jusqu’en 1957.

Ils ont procédé à une distillation fractionnée de l’air liquéfié. Ils ont constaté que l’azote produit chimiquement était plus léger que l’argon à raison de 0,5 %. Grâce à leurs études, ils ont pu produire de l’argon en grande quantité en 1898. Celles-ci leur ont également permis de découvrir le xénon et le néon. W.N. Hartley et H.F. Newall ont aussi observé la présence de l’argon en 1882. Le spectre d’émission de l’air extrait leur était inconnu.

Dangers

À l’instar de l’hélium, l’utilisation de l’argon en faible quantité est sans danger. En revanche, il est 38 fois plus dense que l’air. Une inhalation en grande quantité provoquerait de l’asphyxie.

Caractéristiques de l’argon