8.8: Gaz rares

Les éléments du groupe 18 sont les gaz nobles (hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon). Ils bénéficient du nom de “ noble ” parce qu'ils étaient considérés comme étant non réactifs, puisqu'ils ont rempli les couches de valence. En 1962, le Dr Neil Bartlett de l'Université de la Colombie-Britannique a prouvé que cette supposition était fausse.

Ces éléments sont présents dans l'atmosphère en petites quantités. Certains gaz naturel contiennent 1–2 % d'hélium en masse. L'hélium est isolé à partir du gaz naturel en liquéfiant les composants condensables, ne laissant que l'hélium comme gaz. Le radon provient d'autres éléments radioactifs. Plus récemment, on a observé que ce gaz radioactif est présent en très petites quantités dans les sols et les minéraux. Toutefois, son accumulation dans des bâtiments bien isolés et hermétiquement fermés constitue un danger pour la santé, provoquant principalement le cancer du poumon.

Les points d'ébullition et de fusion des gaz nobles sont extrêmement bas par rapport à ceux d'autres substances de masses atomiques ou moléculaires comparables. En effet, seules des forces de dispersion de London de faible intensité sont présentes, et ces forces ne peuvent maintenir les atomes ensemble que lorsque le mouvement moléculaire est très faible, car il s'agit d'une température très basse.

Les orbitales s et p pleines de la couche de valence ajoutent de la stabilité aux gaz nobles. Ces éléments ont les plus grandes énergies de première ionisation, ce qui indique que l'arrachement d'un électron est difficile. En descendant dans le groupe, le rayon atomique augmente et l'énergie d'ionisation diminue. Les valeurs positives de l'affinité électronique de ces éléments révèlent qu'ils sont également peu susceptibles de gagner des électrons. Le tableau 1 résume les propriétés des gaz nobles.

Tableau 1 : propriétés des gaz nobles.

L'argon est utile pour la fabrication d'ampoules électriques remplies de gaz, où sa faible conductivité thermique et son inertie chimique font qu'il est préféré à l'azote pour inhiber la vaporisation du filament en tungstène et prolonger la durée de vie de l'ampoule. Les tubes fluorescents contiennent généralement un mélange d'argon et de vapeur de mercure. L'argon est le troisième gaz le plus abondant dans l'air sec.

L'hélium est utilisé pour remplir les ballons et les aérostats plus légers que l'air car il ne brûle pas, ce qui le rend plus sûr à utiliser que l'hydrogène. L'hélium liquide (point d'ébullition de 4,2 K) est un liquide de refroidissement important pour atteindre les basses températures nécessaires à la recherche cryogénique, et il est essentiel pour atteindre les basses températures nécessaires pour produire la supraconduction dans les matériaux supraconducteurs traditionnels utilisés dans les aimants puissants et autres dispositifs.

Le néon est un composant des lampes et enseignes au néon.  Le passage d'une étincelle électrique à travers un tube contenant du néon à basse pression génère la lueur rouge familière du néon. Il est possible de changer la couleur de la lumière en mélangeant de l'argon ou de la vapeur de mercure avec le néon, ou en utilisant des tubes en verre d'une couleur spéciale.

Les stroboscopes krypton-xénon sont utilisés pour prendre des photos à grande vitesse. Une décharge électrique à travers un tel tube donne une lumière très intense qui ne dure que 1/50000 de seconde. Le krypton forme un difluorure qui est thermiquement instable à température ambiante.

Des composés stables de xénon se forment lorsque le xénon réagit avec le fluor. Le difluorure de xénon, XeF₂, se forme après qu'un excès de xénon gazeux ait été chauffé avec du fluor gazeux et ensuite refroidi. Le matériau forme des cristaux incolores, qui sont stables à température ambiante dans une atmosphère sèche. Le tétrafluorure de xénon, XeF₄, et l'hexafluorure de xénon, XeF₆, sont préparés de manière analogue avec, respectivement, une quantité stœchiométrique de fluor et un excès de fluor. Les composés avec l'oxygène sont préparés en remplaçant les atomes de fluor dans les fluorures de xénon par de l'oxygène.

Lorsque XeF₆ réagit avec l'eau, une solution de XeO₃ est produite et le xénon reste à l'état d'oxydation +6. Le trioxyde de xénon, XeO₃, sec, solide est extrêmement explosif — il explosera spontanément.

Des composés instables d'argon se forment à basses températures, mais on ne connaît pas de composés stables d'hélium et de néon.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 18.2 : Présence, préparation, et propriétés des gaz nobles.

Les éléments non métalliques classés dans le groupe 18 hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon sont appelés gaz rares. Ces éléments se produisent sous forme d'espèces monatomiques et existent sous forme de gaz à température ambiante. Le radon est le seul élément radioactif du groupe 18.

En descendant le groupe, les éléments présentent une augmentation des points d'ébullition, des densités et des rayons atomiques, ce qui conduit par conséquent au déclin des énergies d'ionisation de chaque élément successif. Pourtant, les gaz rares ont des énergies de première ionisation élevées par rapport à tous les autres éléments du tableau périodique. C'est parce que ces éléments ont des configurations d'électrons stables avec des octets complets.

La suppression d'un électron nécessite la saisie d'une grande quantité d'énergie, ce qui est défavorable. Les gaz rares ont également des valeurs d'affinité électronique positives. Cela signifie qu'il faut de l'énergie pour ajouter un électron supplémentaire à un atome gazeux.

Les gaz nobles résistent aux additions d'électrons car leurs shells de valence sont déjà complètes, et l'électron entrant doit entrer dans une couche quantique principale plus élevée. La grande stabilité des gaz nobles témoigne de leur inertie chimique, qui trouve de nombreuses applications industrielles. Par exemple, l'argon est utilisé pour fabriquer des ampoules électriques remplies de gaz pour empêcher l'oxydation des filaments de tungstène, prolongeant la vie de l'ampoule.

L'hélium est utilisé pour créer une atmosphère inerte lors de la fusion et du soudage de métaux facilement oxydables. On pensait initialement que les gaz rares étaient entièrement chimiquement non réactifs et étaient appelés gaz inertes. Cependant, au début des années soixante, Neil Barlett a découvert quelques exceptions.

Par exemple, le xénon, avec la plus faible énergie d'ionisation des gaz rares, réagit avec l'élément le plus électronégatif, le fluor. Le difluorure de xénon, obtenu en chauffant un excès de gaz xénon avec du fluor, est un matériau cristallin stable. D'autres composés, comme le tétrafluorure de xénon et l'hexafluorure de xénon, peuvent également être préparés de manière similaire.

Les composés du xénon avec l'élément électro-négatif oxygène peuvent être produits en remplaçant les atomes de fluor dans les fluorures de xénon par de l'oxygène. Par exemple, l'hexafluorure de xénon réagit avec l'eau, donnant une solution de trioxyde de xénon.