GAZ RARES ou GAZ NOBLES

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Les autres gaz rares

L'argon, le krypton, le xénon et le néon ont été découverts dans l'atmosphère terrestre : l'argon par William Ramsay et lord Rayleigh en 1894 ; le krypton, le xénon et le néon par W. Ramsay et Morris Williams Travers en 1898. Le radon a été découvert par Ernst Dorn en 1900 dans les produits de désintégration du radium.

Propriétés physiques

Ce sont des gaz incolores, inodores et sans saveur, très difficiles à liquéfier. Leurs principales propriétés physiques sont données dans le tableau. La conductivité thermique de l'argon, plus faible que celle de l'azote, le fait utiliser dans les lampes électriques à filament incandescent : la température étant plus élevée, la lumière est plus blanche qu'avec une atmosphère d'azote. Cette qualité est encore renforcée avec un mélange, plus coûteux, de krypton et de xénon. Les tubes dits « au néon » sont des tubes à décharge à haute tension renfermant des mélanges de gaz rares sous une très faible pression (quelques millièmes de millimètre de mercure). Ce sont alors les propriétés spectrales des gaz qui interviennent. La couleur obtenue dépend du gaz : bleu verdâtre pour l'argon associé à de la vapeur de mercure, rose pour l'hélium, rouge orangé pour le néon, bleu pâle pour le krypton, bleu vert pour le xénon ; ces teintes peuvent être modifiées en mélangeant les gaz. Enfin, les tubes dits fluorescents, de plus en plus employés pour l'éclairage, renferment une atmosphère d'argon.

Gaz rares : propriétés physiques

Tableau : Gaz rares : propriétés physiques

Propriétés physiques des gaz rares. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Propriétés chimiques

Dès la découverte de l'argon, Ramsay et Rayleigh tentèrent sans succès de combiner cet élément. De nombreux chercheurs, refusant d'admettre la théorie de l'octet, essayèrent, par l'expérience ou le calcul, de réaliser et de prévoir des réactions avec les autres éléments.

A. von Antropoff, en 1924, fut l'un des premiers à suggérer l'existence possible de composés de gaz rares en les considérant comme ayant une valence maximale égale à huit. C'est ensuite Linus Pauling qui, en 1933, envisagea l'éventualité de former des fluorures et des sels oxygénés. Cette même année, D. Yost et A. L. Kaye furent tout près de réussir en irradiant un mélange de xénon et de chlore, mais malheureusement ils n'étendirent pas leur méthode au fluor, lequel était, à l'époque, d'une manipulation très délicate.

Finalement, excepté quelques clathrates et de nombreuses combinaisons métalliques, aucun composé vrai ne fut isolé et, en 1962, les gaz rares devaient encore être considérés comme vraiment « inertes ».

C'est alors que N. Bartlett obtint le premier composé vrai du xénon, l'hexafluoroplatinate, qui fut à l'origine de la chimie des gaz rares. Mis à part le radon, qui est radioactif, et le krypton, qui a quelques composés (KrF2 ; KrF4 ; KrF2, 2 SbF5 ; Kr2O4Ba ; HKrCCH), cette chimie est entièrement celle du xénon ; en effet, toutes les tentatives pour faire entrer l'hélium et le néon dans une combinaison chimique se sont soldées par un échec, et un seul composé stable de l’argon est actuellement connu, le fluorohydrate d’argon HArF, synthétisé en 2000 à basse température (environ 10 K) par une équipe de l’université d’Helsinski.

La conséquence principale de la découverte de ces composés a été une évolution et une adaptation de la théorie de la « liaison chimique ». En ce qui concerne leurs utilisations, on a eu quelques espoirs : l'existence de fluorures de xénon indiquait une technique possible pour séparer le xénon du krypton, et extraire le xénon radioactif qui prend naissance dans les piles atomiques ; par ailleurs, certains composés (XeO3 ; XeO4) sont doués de propriétés explosives. Mais la relative rareté du xénon et par suite le prix de revient de ses composés, alliés à la difficulté de leur manipulation, ruinèrent beaucoup de ces espoirs. L'intérêt essentiel réside dans leurs importantes propriétés oxydantes, qui leur permettent un certain avenir dans le domaine de la chimie analytique.

La chimie du xénon

Trois types de composés furent essentiellement isolés : des fluorures, un oxyde, des sels.

La synthèse des fluorures, produit de base de toute cette chimie, s'avère particulièrement simple puisqu'elle est possible à partir d'un mélange de xénon et de fluor, soit par irradiation ultraviolette, soit par décharge électrique, soit par simple chauffage vers 350 0C.

En fonction des conditions opératoires, quatre fluorures ont été synthétisés, le di-, le tétra-, l'hexa- et l'octofluorure de xénon. Par hydrolyse aqueuse neutre ou acide du tétra- ou de l'hexafluorure, on obtient le trioxyde XeO3 :

Les sels, ou perxénates, sont formés par hydrolyse basique des mêmes fluorures ou par action d'une base sur une solution de trioxyde :

Tous ces composés, à l'état pur, sont des solides blancs cristallisés.

Les fluorures sont des oxydants et des fluorants puissants. Ils réagissent sur la majorité des solvants. Le difluorure de xénon possède une certaine solubilité dans l'eau, mais se décompose lentement :

Ils réagissent avec l'hydrogène et donnent, avec les fluorures métalliques, de nombreux composés d'addition tels XeF2, 2 SbF5 ou XeF6,2 NaF et un fluorure mixte XeF2, XeF4.

Mais c'est en milieu aqueux qu'interviennent les réactions essentielles qui conduisent à la chimie des composés oxygénés du xénon, comme l'ont montré les préparations. Le trioxyde de xénon est obtenu en solution ; celle-ci, exempte de tout corps oxydable, est parfaitement stable. Par contre, sec, ce composé présente des propriétés explosives, comparables à celles du trinitrotoluène, dont les manifestations s'observent à la moindre sollicitation mécanique ou électrique.

Des composés d'addition avec les fluorures alcalins (XeO3, 2 MF) ont été isolés et sont thermiquement plus stables puisqu'ils ne se décomposent qu'au-dessus de 200 0C, contre 70 0C pour le trioxyde pur.

Stable en milieu neutre ou acide, en milieu basique il conduit aux perxénates, sels où le xénon se trouve à sa valence maximale VIII. On connaît principalement les perxénates de métaux alcalins et alcalino-terreux. Certains auteurs signalent l'existence de perxénates d'argent, de plomb, de cuivre..., mais ceux-ci ne semblent pas parfaitement définis.

Tous ces sels sont obtenus sous diverses formes hydratées [Na4XeO6, 8 H2O ; Na4XeO6, 2 H2O ; K4XeO6, 6 H2O ; Ba2XeO6, (3/2) H2O]. Rendus anhydres vers 150 0C, ils se décomposent rapidement en milieu acide pour redonner le trioxyde de xénon.

Dans des conditions particulières de synthèse, deux composés d'addition ont été obtenus : Na4XeO6, 2 NaF, qui présente un domaine de stabilité très supérieur aux perxénates purs puisqu'il ne se décompose qu'à 500 0C ; et K4XeO6, 2 XeO3, qui est un explosif puissant de couleur jaune orangé.

Enfin, on peut mentionner un certain nombre d'autres composés : des oxyfluorures tels l'oxydifluorure XeOF2, le dioxydifluorure XeO2F2, l'oxytétrafluorure XeOF4 ; [...]

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Gaz rares : propriétés physiques

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Écrit par :

  • : chef de service au département recherches et applications d'Air liquide
  • : professeur à l'université scientifique et médicale de Grenoble
  • : doctorat d'État, sous-directeur adjoint à l'Impact sanitaire, Office de protection contre les rayonnements ionisants

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Pour citer l’article

Paul ALLAMAGNY, Albert LACAZE, Nathalie LEMAITRE, « GAZ RARES ou GAZ NOBLES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/gaz-rares/