Gaz nobles

La terminologie de ces gaz

Auparavant, on appelait ces éléments les « gaz rares » en raison de leur faible prévalence historique comme substances chimiques. Cette désignation est devenue inappropriée après que l’on a découvert que l’hélium constitue 24 % de la matière baryonique de l’Univers. En outre, l’argon représente 0,93 % de l’atmosphère terrestre au niveau de la mer. Ces gaz ne sont donc pas rares.

On a également arrêté d’appeler ces éléments « gaz inertes » depuis la synthétisation d’un millier de composés et d’espèces chimiques contenant chacun des six gaz nobles. Malgré cela, l’existence de ces espèces nécessite souvent des conditions hors équilibre spécifiques.

L’IUPAC et le Bulletin officiel du ministère français de l’Éducation nationale préconisent alors l’appellation « gaz rares ». Cette désignation est issue du mot allemand « Edelgas ». Le chimiste Hugo Erdmann a inventé ce terme en 1908 par analogie avec les métaux nobles.

Les propriétés des gaz nobles

Les interactions interatomiques des gaz nobles sont faibles. Leur température d’ébullition est aussi relativement basse. Ces éléments sont tous des gaz monoatomiques dans les conditions normales de température et de pression. Par ailleurs, le radon est un gaz, mais sa masse atomique dépasse celle du plomb et du bismuth.

Les températures de fusion et d’ébullition plus basses que celles des autres gaz nobles de l’hélium le rendent unique. Il s’agit également du seul élément qui ne peut pas se solidifier à pression atmosphérique. Dans son cas, une pression supérieure à 2,5 MPa à -272,2 °C est requise. Cette substance est également la seule à présenter le phénomène de superfluidité.

Les températures de fusion et d’ébullition des éléments du groupe 18 augmentent en fonction de leur numéro atomique. En d’autres termes, cela se constate en descendant le long de leur colonne du tableau périodique.

La configuration électronique des gaz nobles est assez spéciale. Elle se distingue par leurs sous-couches s et p externes qui sont complètes et qui disposent respectivement de deux et de six électrons. Aucun électron de valence n’est disponible. À cet effet, la liaison chimique avec un autre atome est impossible en vertu de la règle de l’octet. Cela justifie leur inertie chimique. Cette dernière est plus relative pour le krypton et plus encore pour le xénon. On a isolé plusieurs centaines de composés de ces éléments. Certains sont stables à température ambiante. Le radon s’avère aussi assez réactif, ce qui a freiné les recherches menées dessus.

Selon les simulations numériques, la configuration électronique de l’oganesson est affectée par des couplages spin-orbite. Cela lui procure une réactivité chimique similaire à celle de la majorité des autres éléments. Voici notamment des données numériques concernant cet élément portant le numéro atomique 118. Elles proviennent d’explorations numériques présentées à titre indicatif.

Les gaz nobles allant jusqu’au xénon disposent de plusieurs isotopes stables. Par contre, le radon n’en possède aucun. Il s’agit d’un élément radioactif. Le ₂₂₂Rn est son isotope le plus stable avec une période radioactive de 3,8 jours. Par désintégration α de celui-ci, on peut obtenir du polonium 218 qui donne finalement du plomb.

Au fur et à mesure qu’on descend le long de la 18^e colonne du tableau périodique, le rayon atomique des gaz nobles augmente. Cela s’explique par le nombre croissant de sous-couches électroniques. Grâce à la taille de ces atomes, il est possible de déterminer plusieurs de leurs propriétés. À cet effet, lorsque le rayon atomique augmente, le potentiel d’ionisation décroît. Comme les électrons de valence s’écartent du noyau, ils interagissent donc de moins en moins profondément avec celui-ci.

Parmi les éléments de chaque période, le potentiel d’ionisation de ceux du groupe 18 est le plus grand. Cela reflète la stabilité de leur configuration électronique qui se distingue par la saturation de leur couche de valence.

La faible réactivité chimique de ces éléments explique la valeur de leur potentiel d’ionisation. L’énergie d’ionisation des gaz nobles les plus lourds devient similaire à celle des autres éléments de certaines molécules.

Cette observation se base sur le fait que l’énergie d’ionisation du xénon est du même ordre que celle de la molécule d’oxygène O₂. Cela conduit Neil Bartlett à tenter d’oxyder le xénon avec de l’hexafluorure de platine (PtF₆). En effet, ce dernier est connu pour sa capacité à oxyder l’oxygène. L’expérience a permis de synthétiser l’hexafluoroplatinate de xénon qui est le tout premier composé du xénon connu.

Les gaz nobles ne sont pas capables de former des anions stables. En effet, il ne s’agit pas d’accepteurs d’électrons. En outre, leur affinité électronique est négative.

Les faibles forces de van der Waals entre les atomes dominent les propriétés macroscopiques de ce type gaz. Cette force attractive grandit au fur et à mesure que la taille des atomes augmente. En effet, leur polarisabilité s’accroît et leur potentiel d’ionisation diminue. Par ailleurs, plus on descend le long de la colonne, plus les températures de fusion et d’ébullition augmentent. Il en va de même pour l’enthalpie de vaporisation et pour la solubilité.

Dans les conditions normales de température et de pression, on peut considérer les gaz nobles comme des gaz parfaits. Cependant, on a pu obtenir des informations essentielles pour l’étude des interactions intermoléculaires. Cela s’est fait avec les écarts observés par rapport à la loi des gaz parfaits. John Lennard-Jones a déduit leur potentiel de Lennard-Jones, servant à modéliser les interactions intermoléculaires. Les données expérimentales sur de l’argon ont notamment joué un rôle important dans ce cadre. Cela s’est passé avant que la mécanique quantique ne se développe et ne fournisse des outils permettant de les comprendre. Les analyses de ces interactions se sont avérées relativement faciles. Les gaz nobles sont surtout monoatomiques avec des atomes sphériques. Ainsi, les interactions entre atomes sont indépendantes de leurs directions. Elles sont donc « isotropes ».

Les gaz nobles et leurs composés

Les scientifiques étudient expérimentalement la chimie des gaz nobles depuis les années soixante. En addition à cela, on a les travaux de Neil Bartlett sur l’hexafluoroplatinate de xénon. Parmi tous les gaz du groupe 18, le Xe est le plus réactif si l’on ne compte pas le Rn. En effet, ce dernier est trop radioactif, ce qui empêche son étude en détail. Il forme une multitude d’oxydes et de fluorures de xénon avec des états d’oxydation 2, 4, 6 et 8 :

•  Avec l’état d’oxydation +2, on a du difluorure de xénon (XeF₂).
• Avec l’état d’oxydation +4, on obtient du tétrafluorure de xénon (XeF₄), de l’oxydifluorure de xénon (XeOF₂) et du dioxyde de xénon (XeO₂).
• Avec l’état d’oxydation +6, on peut avoir de l’hexafluorure de xénon (XeF₆) ou de l’oxytétrafluorure de xénon (XeOF₄). Il convient aussi de citer le dioxydifluorure de xénon (XeO₂F₂) et le trioxyde de xénon (XeO₃).
• Avec l’état d’oxydation +8, on a du dioxytétrafluorure de xénon (XeO₂F₄), du trioxydifluorure de xénon (XeO₃F₂) ou du tétraoxyde de xénon (XeO₄).

Les trioxyde (XeO₃) et tétraoxyde (XeO₄) ont la propriété d’être solubles dans l’eau. Dans ce cadre, ils peuvent donner deux oxoacides. Il s’agit de l’acide xénique (H₂XeO₄) et de l’acide perxénique (H₄XeO₆). Grâce à ce dernier, on peut obtenir des perxénates. On a notamment le perxénate de sodium (Na₄XeO₆), le perxénate de potassium (K₄XeO₆) et le perxénate de baryum (Ba₄XeO₆).

Jusqu’aux années quatre-vingt, la plupart des composés du Xe produit combinaient le fluor, l’oxygène et le xénon. Cependant, d’autres éléments tels que l’hydrogène et le carbone étaient aussi présents. En général, ceux-ci étaient associés à des atomes électronégatifs d’oxygène ou de fluor.

À l’Université d’Helsinki, Markku Räsänen anime une équipe et publie en 1995 la synthèse de divers composés du xénon. Il s’agit du dihydrure de xénon (XeH₂), de l’hydroxyhydrure de xénon HXeOH, de l’hydroxénoacétylène HXeCCH, etc.

Suite à cela, Khriatchev a publié la synthèse du composé HXeOXeH. Cela s’est fait grâce à une photolyse d’eau dans une matrice de xénon cryogénique. Il a également déclaré les deutérées HXeOD et DXeOD.

On compte plus d’un millier de composants du Xe. Ils présentent des liaisons entre ce dernier et le carbone, le chlore, l’azote, le mercure ou l’or. On a aussi pu observer cela avec d’autres éléments dans des conditions extrêmes. En l’occurrence, entre le xénon et l’hydrogène, le bore, le béryllium, l’iode, le soufre, le brome, le titane, l’argent ou le cuivre. Parmi les composés les plus exceptionnels du xénon, on peut trouver le complexe qu’il forme avec l’or.

L’équipe allemande de Konrad Seppelt caractérise le cation tétraxénon-or AuXe₄²⁺ dans le complexe AuXe₄²⁺(Sb₂F₁₁^–)₂.

En général, la chimie des gaz nobles concerne celle du xénon. Cependant, on peut trouver des composés chimiques avec divers autres gaz. D’une part, le trioxyde de radon RnO₃ et le difluorure de radon RnF₂ en font partie. D’autre part, le krypton peut former du difluorure de krypton KrF₂ et donner des cations KrF⁺ et Kr₂F₃⁺. Les gaz plus légers du groupe 18 peuvent, par contre, former des exciplexes. Ces molécules sont stables, uniquement à l’état excité. On les utilise dans les lasers (notamment les lasers à excimère). Il existe aussi une multitude d’ions moléculaires de gaz nobles. Certains sont moins réactifs entre eux tels que le néon avec ses ions HNe⁺, HeNe⁺, Ne²⁺ et NeAr⁺.

On se sert aussi des gaz nobles dans différentes situations requérant une atmosphère chimiquement inerte. Par exemple, l’argon s’utilise dans la synthèse de composés sensibles à l’azote atmosphérique. L’argon solide immobilise les molécules très instables dans une matrice solide à température relativement basse. Cela empêche aussi les contacts et les réactions de décomposition. Il devient alors plus facile d’étudier les molécules. On utilise l’hélium en chromatographie en phase gazeuse pour remplir les thermomètres à gaz et les appareils de mesure de la radioactivité. Il s’agit notamment des compteurs Geiger et des chambres à bulles. L’hélium et l’argon contribuent principalement à isoler les métaux de l’atmosphère dans la découpe ou le soudage à l’arc électrique. On les sollicite également dans la production de silicium par l’industrie des semiconducteurs et pour de nombreux autres procédés métallurgiques.

En raison de leur inertie chimique, les gaz nobles servent aussi fréquemment dans l’éclairage. On mélange notamment l’argon à l’azote pour remplir les ampoules des lampes à incandescence. Il prévient l’oxydation du filament en tungstène. En parallèle, il réduit la redéposition de ce dernier sublimé sur les parois de l’ampoule.

Le krypton, quant à lui, réduit le taux d’évaporation du filament des ampoules à haute performance. Ainsi, on peut obtenir une température de couleur plus élevée et un meilleur rendement énergétique. Les lampes à halogène se servent d’un mélange en petites quantités de krypton ainsi que de composés de brome et d’iode.

Comme les gaz nobles luisent avec des couleurs particulières, on les utilise dans les lampes à décharge, dont les tubes au néon. Malgré leur appellation, ces lampes se composent principalement de divers autres gaz que du Ne en guise de substance phosphorescente. Cela ajoute de nombreuses teintes à la couleur rouge orangé du néon.

On utilise le Xe dans les lampes à xénon, car son spectre quasiment continu est semblable à la lumière du jour. Ce type de lampe sert alors de projecteur de cinéma et de phare automobile.

Les gaz nobles s’utilisent aussi pour la réalisation des lasers à excimères. Le principe repose sur l’excitation électronique de molécules. Cela permet de former des excimères. Il s’agit souvent de dimères tels que l’Ar₂, le Kr₂ et le Xe₂. Cela peut aussi être des espèces halogènes, dont l’ArF, le KrF, le XeF ou le XeCl. Les lumières produites par ces lasers sont de couleur ultraviolette. Elles disposent d’une faible longueur d’onde (193 nm pour ArF et 248 nm pour KrF). Cela permet de réaliser des images à haute résolution.

Dans l’industrie, en médecine et dans la science, on utilise les lasers à excimères à de nombreuses fins. Ces derniers peuvent par exemple être la microlithographie ou la microfabrication. Dans ce cadre, les lasers aident à réaliser des circuits intégrés et contribuent à la chirurgie au laser (angioplastie et chirurgie oculaire). En médecine, il est possible de profiter d’une applicabilité directe de certains gaz nobles. L’hélium facilite la respiration des personnes asthmatiques. Le xénon sert d’anesthésie en raison de sa solubilité élevée dans les lipides. Il est notamment plus efficace que le protoxyde d’azote N₂O. L’organisme peut l’éliminer aisément et la récupération est plus rapide. On se sert aussi du xénon en imagerie médicale des poumons par IRM hyperpolarisée. Quant au radon, il n’est disponible qu’en petites quantités, mais on s’en sert en radiothérapie.