À quoi servent les gaz rares (gaz nobles) ?

💡 Ce qu'il faut retenir :

• Les gaz rares, aussi appelés gaz nobles (groupe 18), regroupent six éléments naturels : hélium (He), néon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xénon (Xe) et radon (Rn) ; l'oganesson (Og) appartient au groupe 18 mais est synthétique et non utilisé industriellement.
• Leur couche électronique externe saturée explique leur très faible réactivité chimique, ce qui en fait des gaz de protection dans de nombreux procédés industriels.
• L'argon représente environ 0,93 % de l'air, ce qui le rend relativement accessible ; le xénon, présent à seulement 0,087 ppm dans l'air, est le gaz noble le plus coûteux à produire.
• L'hélium liquide refroidit les aimants supraconducteurs des scanners IRM à moins de 10 K, tandis que le xénon sert de propergol pour la propulsion ionique des satellites.
• Les lasers à excimères (ArF à 193 nm, KrF à 248 nm, XeCl à 308 nm) sont utilisés en microlithographie pour la fabrication de circuits intégrés et en chirurgie ophtalmique.
• Le radon est un cancérogène avéré du poumon : il s'accumule dans les espaces confinés et représente la deuxième cause de cancer du poumon après le tabac, avec environ 3 000 décès par an en France.

Les gaz rares, également appelés gaz nobles, regroupent six éléments naturels du groupe 18 du tableau périodique : l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon. Chaque gaz rare possède une couche électronique externe complète, ce qui le rend très peu réactif dans les conditions habituelles. L’oganesson (Og), élément 118, appartient aussi à cette famille, mais il est synthétique, produit en quantités infimes en laboratoire et ne présente actuellement aucune application industrielle connue. Grâce à leur stabilité chimique, les gaz nobles occupent une place particulière parmi les gaz industriels et gaz techniques. Ils sont utilisés pour créer des atmosphères protectrices contre l’oxydation, produire de la lumière par décharge électrique, alimenter des lasers, refroidir des équipements médicaux, améliorer l’isolation des vitrages ou encore assurer certaines opérations d’analyse, de fabrication électronique et de propulsion spatiale. Leur emploi impose toutefois des précautions spécifiques, car ces gaz sont généralement stockés sous pression et le radon présente, en raison de sa radioactivité, un risque sanitaire important.

Les six gaz nobles naturels sont des gaz monoatomiques incolores et inodores dans les conditions normales. Leur structure atomique explique directement leur comportement chimique : la couche de valence est saturée (deux électrons pour l'hélium, huit pour les autres), si bien qu'ils ne forment généralement pas de liaisons covalentes avec d'autres éléments.

L'inertie chimique est réelle mais pas absolue. Le xénon forme des composés stables à température ambiante, notamment des fluorures (XeF₂, XeF₄, XeF₆) et des oxydes. Le krypton peut également former des composés, dont le difluorure de krypton (KrF₂). Cette nuance est importante : on ne doit pas qualifier ces gaz de « totalement inertes ». Pour l'hélium, le néon et l'argon, l'inertie est en revanche très forte dans les conditions industrielles courantes.

Les gaz nobles sont monoatomiques, ce qui signifie qu'ils n'existent pas sous forme de molécules diatomiques. Les interactions entre atomes sont très faibles (forces de van der Waals). Leur point d'ébullition est extrêmement bas : −269 °C pour l'hélium, −186 °C pour l'argon, −108 °C pour le xénon. Ces températures augmentent avec le numéro atomique. Cette propriété ouvre la voie à des applications cryogéniques et à leur séparation par distillation fractionnée de l'air liquide.

Quand un métal chauffé ou un composé chimique réactif entre en contact avec l'air, il peut s'oxyder, se contaminer ou réagir de façon indésirable. Les gaz nobles suppriment ce risque en créant une atmosphère inerte autour du matériau à protéger. Ce principe transversal s'applique dans la métallurgie, la fabrication électronique et la chimie analytique.

En soudage à l'arc (procédés TIG et MIG), l'argon est le gaz de protection le plus utilisé. Il enveloppe le bain de fusion et le cordon refroidissant, empêchant le contact avec l'oxygène et l'azote de l'air. L'inox et l'aluminium sont deux matériaux typiquement soudés sous atmosphère argon. L'hélium est parfois substitué ou mélangé à l'argon lorsqu'une pénétration plus profonde est recherchée, car il génère un arc plus chaud. Le titane et le zirconium, très réactifs à chaud, exigent également une protection par gaz noble.

La fabrication de semi-conducteurs impose des niveaux de contamination extrêmement faibles. L'argon et l'hélium servent à maintenir un environnement sec et inerte lors du traitement des tranches de silicium. L'argon est aussi utilisé comme gaz plasmagène dans la pulvérisation cathodique (sputtering), procédé de dépôt de couches minces sur les composants. Dans ces applications, la pureté du gaz est critique : la présence résiduelle d'oxygène, d'eau ou d'hydrocarbures peut provoquer des défauts dans les couches déposées et compromettre les performances du composant. Les fabricants de semiconducteurs travaillent avec des puretés supérieures à 99,999 % (qualité dite « 5.0 »).

Lorsqu'un courant électrique traverse un gaz noble sous basse pression dans un tube scellé, les atomes se retrouvent dans un état excité. En retombant à leur état fondamental, ils libèrent de l'énergie sous forme de lumière. Chaque gaz émet à des longueurs d'onde caractéristiques, ce qui produit une couleur distincte. Le néon émet une lumière rouge-orangé caractéristique. Par abus de langage, tous les tubes lumineux colorés sont souvent appelés « tubes au néon », alors qu'ils peuvent contenir de l'argon, du krypton ou d'autres mélanges qui produisent d'autres couleurs. Le xénon en lampe à arc donne une lumière blanche à spectre quasi continu, très proche de la lumière du jour. Cette propriété le rend utile pour les projecteurs de cinéma et les lampes flash de haute puissance. L'argon est également utilisé dans certaines ampoules à incandescence, mélangé à l'azote, pour limiter l'oxydation du filament de tungstène. Le krypton améliore les performances des ampoules à halogène en réduisant l'évaporation du filament.

L'industrie spatiale exploite deux propriétés complémentaires des gaz nobles : l'inertie chimique de l'hélium pour les opérations de pressurisation, et la masse atomique élevée du xénon pour la propulsion. Le xénon est le propergol de référence pour les propulseurs ioniques. Dans ces systèmes, les atomes de xénon sont ionisés puis accélérés par un champ électrique pour produire une poussée. La poussée générée est faible mais très efficace sur de longues durées, ce qui convient parfaitement aux missions de satellites en orbite ou aux sondes d'exploration. Le xénon est choisi pour sa masse atomique élevée, sa facilité d'ionisation et son inertie chimique.

Les fenêtres à double ou triple vitrage intègrent une lame de gaz entre les parois pour limiter les échanges thermiques. L'air ordinaire conduit plus la chaleur que les gaz nobles. L'argon est le gaz de remplissage le plus répandu dans ce domaine, car il combine une conductivité thermique faible, une disponibilité élevée (0,93 % de l'air) et un coût modéré. Le krypton offre de meilleures performances isolantes que l'argon et permet de réduire l'épaisseur de la lame de gaz pour un résultat équivalent, ce qui est utile dans des fenêtres à encadrement réduit. Son coût est cependant plus élevé en raison de sa présence plus faible dans l'air (environ 1 ppm). Le xénon présente les meilleures propriétés d'isolation de la série mais reste réservé à des applications très spécifiques en raison de son prix élevé.

Le terme « gaz rares » est hérité de l'histoire de la chimie, lorsque ces éléments étaient difficiles à isoler et à identifier. Il ne reflète pas correctement la réalité de tous ces gaz.
L'argon représente environ 0,93 % du volume de l'air au niveau de la mer, ce qui en fait le troisième gaz le plus abondant de l'atmosphère après l'azote et l'oxygène. Il est tout sauf rare. En revanche, le néon est présent à environ 18 ppm dans l'air, le krypton à 1 ppm et le xénon à seulement 0,087 ppm. L'hélium, très abondant dans l'univers, est faible dans l'atmosphère terrestre car trop léger pour être retenu par la gravité.
La rareté est donc avant tout économique et relative : produire du xénon pur nécessite de traiter des volumes d'air considérables, ce qui explique son coût élevé. L'argon, coproduit courant des unités de séparation d'air, est bien moins onéreux.

La production industrielle de gaz nobles repose sur deux sources principales selon le gaz considéré.

Le néon, l'argon, le krypton et le xénon s'extraient de l'air par distillation cryogénique dans des unités de séparation d'air (ASU). L'air est d'abord comprimé et purifié pour éliminer l'eau, le CO₂ et les hydrocarbures. Il est ensuite refroidi jusqu'à sa liquéfaction (environ −192 °C), puis distillé en plusieurs colonnes. Chaque gaz est recueilli à la température correspondant à son point d'ébullition. L'argon se sépare entre l'azote et l'oxygène. Le krypton et le xénon, dont les points d'ébullition sont plus élevés que celui de l'oxygène, s'accumulent dans le flux riche en oxygène et sont purifiés dans des colonnes dédiées.

L'hélium suit une voie différente. Il provient principalement de la désintégration alpha d'éléments radioactifs (uranium, thorium) dans la croûte terrestre, et s'accumule dans certains gisements de gaz naturel. Il est extrait par séparation cryogénique des autres constituants du gaz naturel, puis purifié. Les principaux gisements exploités se trouvent aux États-Unis, au Qatar et en Russie.