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18.12 : Présence, préparation et propriétés des gaz rares

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    Objectifs d'apprentissage
    • Décrire les propriétés, la préparation et les utilisations des gaz rares

    Les éléments du groupe 18 sont les gaz rares (hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon). Ils ont mérité le nom de « nobles » parce qu'ils étaient supposés non réactifs puisqu'ils remplissaient des coquilles de valence. En 1962, le Dr Neil Bartlett de l'Université de la Colombie-Britannique a prouvé que cette hypothèse était fausse.

    Ces éléments sont présents dans l'atmosphère en petites quantités. Certains gaz naturels contiennent 1 à 2 % d'hélium en masse. L'hélium est isolé du gaz naturel en liquéfiant les composants condensables, ne laissant que de l'hélium sous forme de gaz. Les États-Unis possèdent la majeure partie de l'approvisionnement commercial mondial en cet élément dans leurs champs de gaz contenant de l'hélium. L'argon, le néon, le krypton et le xénon proviennent de la distillation fractionnée de l'air liquide. Le radon provient d'autres éléments radioactifs. Plus récemment, il a été observé que ce gaz radioactif est présent en très petites quantités dans les sols et les minéraux. Son accumulation dans des bâtiments bien isolés et hermétiquement fermés constitue toutefois un danger pour la santé, principalement le cancer du poumon.

    Les points d'ébullition et de fusion des gaz rares sont extrêmement bas par rapport à ceux d'autres substances de masses atomiques ou moléculaires comparables. En effet, seules de faibles forces de dispersion de Londres sont présentes, et ces forces ne peuvent maintenir les atomes ensemble que lorsque le mouvement moléculaire est très faible, comme c'est le cas à de très basses températures. L'hélium est la seule substance connue qui ne se solidifie pas lors du refroidissement à pression normale. Il reste liquide proche du zéro absolu (0,001 K) aux pressions ordinaires, mais il se solidifie sous une pression élevée.

    L'hélium est utilisé pour le remplissage de ballons et d'engins plus légers que l'air, car il ne brûle pas, ce qui le rend plus sûr à utiliser que l'hydrogène. L'hélium à haute pression n'est pas un narcotique comme l'azote. Les mélanges d'oxygène et d'hélium sont donc importants pour les plongeurs travaillant sous des pressions élevées. L'utilisation d'un mélange d'hélium et d'oxygène permet d'éviter l'état mental désorienté connu sous le nom de narcose azotée, appelée ravissement des profondeurs. L'hélium joue un rôle important en tant qu'atmosphère inerte pour la fusion et le soudage de métaux facilement oxydables et pour de nombreux procédés chimiques sensibles à l'air.

    L'hélium liquide (point d'ébullition, 4,2 K) est un réfrigérant important pour atteindre les basses températures nécessaires à la recherche cryogénique, et il est essentiel pour atteindre les basses températures nécessaires à la production de supraconducteurs dans les matériaux supraconducteurs traditionnels utilisés dans les puissants aimants et autres dispositifs. Cette capacité de refroidissement est nécessaire pour les aimants utilisés pour l'imagerie par résonance magnétique, une procédure de diagnostic médical courante. L'autre liquide de refroidissement courant est l'azote liquide (point d'ébullition, 77 K), qui est nettement moins cher.

    Le néon est un composant des lampes et des enseignes au néon. Faire passer 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 de verre d'une couleur spéciale.

    L'argon était utile dans la fabrication d'ampoules électriques à gaz, où sa faible conductivité thermique et son inertie chimique le rendaient préférable à l'azote pour empêcher la vaporisation du filament de 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.

    Les tubes flash au krypton-xénon sont utilisés pour prendre des photos à haute vitesse. Une décharge électrique à travers un tel tube produit une lumière très intense qui ne dure qu'\(\dfrac{1}{50,000}\)une seconde. Le krypton forme un difluorure, le KrF 2, qui est thermiquement instable à température ambiante.

    Des composés stables du xénon se forment lorsque le xénon réagit avec le fluor. Le difluorure de xénon, XeF 2, se forme après avoir chauffé un excès de gaz xénon avec du fluor puis refroidi. Le matériau forme des cristaux incolores qui sont stables à température ambiante dans une atmosphère sèche. Le tétrafluorure de xénon, XeF 4, (Figure\(\PageIndex{1}\)) et l'hexafluorure de xénon, XeF 6, sont préparés de manière analogue, avec une quantité stœchiométrique de fluor et un excès de fluor, respectivement. Les composés contenant de l'oxygène sont préparés en remplaçant les atomes de fluor des fluorures de xénon par de l'oxygène.

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    Figure\(\PageIndex{1}\) : Le 2 octobre 1962, Argonne a annoncé la création du tétrafluorure de xénon, le premier composé simple du xénon, un gaz noble généralement considéré comme chimiquement inerte. Cette création a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des liaisons chimiques. (Domaine public ; laboratoire national d'Argonne)

    Lorsque le XeF 6 réagit avec l'eau, il en résulte une solution de XEO 3 et le xénon reste dans l'état d'oxydation 6+ :

    \[\ce{XeF6}(s)+\ce{3H2O}(l)⟶\ce{XeO3}(aq)+\ce{6HF}(aq) \nonumber \]

    Le trioxyde de xénon sec et solide, XeO 3, est extrêmement explosif : il explose spontanément. Le XeF 6 et le XeO 3 sont tous deux disproportionnés en solution basique, produisant du xénon, de l'oxygène et des sels de l'ion perxénate\(\ce{XeO6^4-}\), dans lesquels le xénon atteint son degré d'oxydation maximal de 8+.

    Le radon forme apparemment du RnF 2 ; la présence de ce composé provient de techniques de traceurs radiochimiques.

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

    Résumé

    La propriété la plus significative des gaz rares (groupe 18) est leur inactivité. Ils sont présents en faibles concentrations dans l'atmosphère. Ils sont utilisés comme atmosphères inertes, enseignes au néon et comme réfrigérants. Les trois gaz rares les plus lourds réagissent avec le fluor pour former des fluorures. Les fluorures de xénon sont les mieux caractérisés en tant que matières premières pour quelques autres composés de gaz rares.

    Lexique

    halogénure
    composé contenant un anion d'un élément du groupe 17 à l'état d'oxydation 1− (fluorure, F − ; chlorure, Cl − ; bromure, Br − ; et iodure, I −)
    interhalogène
    composé formé à partir de deux halogènes différents ou plus