À quoi servent les gaz rares (gaz nobles) ?

💡 Ce qu'il faut retenir :

• Les gaz rares, aussi appelĂ©s gaz nobles (groupe 18), regroupent six Ă©lĂ©ments naturels : hĂ©lium (He), nĂ©on (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xĂ©non (Xe) et radon (Rn) ; l'oganesson (Og) appartient au groupe 18 mais est synthĂ©tique et non utilisĂ© industriellement.
• Leur couche Ă©lectronique externe saturĂ©e explique leur trĂšs faible rĂ©activitĂ© chimique, ce qui en fait des gaz de protection dans de nombreux procĂ©dĂ©s industriels.
• L'argon reprĂ©sente environ 0,93 % de l'air, ce qui le rend relativement accessible ; le xĂ©non, prĂ©sent Ă  seulement 0,087 ppm dans l'air, est le gaz noble le plus coĂ»teux Ă  produire.
• L'hĂ©lium liquide refroidit les aimants supraconducteurs des scanners IRM Ă  moins de 10 K, tandis que le xĂ©non sert de propergol pour la propulsion ionique des satellites.
• Les lasers Ă  excimĂšres (ArF Ă  193 nm, KrF Ă  248 nm, XeCl Ă  308 nm) sont utilisĂ©s en microlithographie pour la fabrication de circuits intĂ©grĂ©s et en chirurgie ophtalmique.
• Le radon est un cancĂ©rogĂšne avĂ©rĂ© du poumon : il s'accumule dans les espaces confinĂ©s et reprĂ©sente la deuxiĂšme cause de cancer du poumon aprĂšs le tabac, avec environ 3 000 dĂ©cĂšs par an en France.

Les gaz rares, Ă©galement appelĂ©s gaz nobles, regroupent six Ă©lĂ©ments naturels du groupe 18 du tableau pĂ©riodique : l’hĂ©lium, le nĂ©on, l’argon, le krypton, le xĂ©non et le radon. Chaque gaz rare possĂšde une couche Ă©lectronique externe complĂšte, ce qui le rend trĂšs peu rĂ©actif dans les conditions habituelles. L’oganesson (Og), Ă©lĂ©ment 118, appartient aussi Ă  cette famille, mais il est synthĂ©tique, produit en quantitĂ©s infimes en laboratoire et ne prĂ©sente actuellement aucune application industrielle connue. GrĂące Ă  leur stabilitĂ© chimique, les gaz nobles occupent une place particuliĂšre parmi les gaz industriels et gaz techniques. Ils sont utilisĂ©s pour crĂ©er des atmosphĂšres protectrices contre l’oxydation, produire de la lumiĂšre par dĂ©charge Ă©lectrique, alimenter des lasers, refroidir des Ă©quipements mĂ©dicaux, amĂ©liorer l’isolation des vitrages ou encore assurer certaines opĂ©rations d’analyse, de fabrication Ă©lectronique et de propulsion spatiale. Leur emploi impose toutefois des prĂ©cautions spĂ©cifiques, car ces gaz sont gĂ©nĂ©ralement stockĂ©s sous pression et le radon prĂ©sente, en raison de sa radioactivitĂ©, 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 rĂ©elle mais pas absolue. Le xĂ©non forme des composĂ©s stables Ă  tempĂ©rature ambiante, notamment des fluorures (XeF₂, XeF₄, XeF₆) et des oxydes. Le krypton peut Ă©galement former des composĂ©s, dont le difluorure de krypton (KrF₂). Cette nuance est importante : on ne doit pas qualifier ces gaz de « totalement inertes ». Pour l'hĂ©lium, le nĂ©on et l'argon, l'inertie est en revanche trĂšs forte dans les conditions industrielles courantes.

Les gaz nobles sont monoatomiques, ce qui signifie qu'ils n'existent pas sous forme de molĂ©cules diatomiques. Les interactions entre atomes sont trĂšs faibles (forces de van der Waals). Leur point d'Ă©bullition est extrĂȘmement bas : −269 °C pour l'hĂ©lium, −186 °C pour l'argon, −108 °C pour le xĂ©non. Ces tempĂ©ratures augmentent avec le numĂ©ro atomique. Cette propriĂ©tĂ© ouvre la voie Ă  des applications cryogĂ©niques et Ă  leur sĂ©paration par distillation fractionnĂ©e 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 atmosphÚre inerte autour du matériau à protéger. Ce principe transversal s'applique dans la métallurgie, la fabrication électronique et la chimie analytique.

En soudage Ă  l'arc (procĂ©dĂ©s TIG et MIG), l'argon est le gaz de protection le plus utilisĂ©. Il enveloppe le bain de fusion et le cordon refroidissant, empĂȘchant le contact avec l'oxygĂšne et l'azote de l'air. L'inox et l'aluminium sont deux matĂ©riaux typiquement soudĂ©s sous atmosphĂšre argon. L'hĂ©lium est parfois substituĂ© ou mĂ©langĂ© Ă  l'argon lorsqu'une pĂ©nĂ©tration plus profonde est recherchĂ©e, car il gĂ©nĂšre un arc plus chaud. Le titane et le zirconium, trĂšs rĂ©actifs Ă  chaud, exigent Ă©galement une protection par gaz noble.

La fabrication de semi-conducteurs impose des niveaux de contamination extrĂȘmement faibles. L'argon et l'hĂ©lium servent Ă  maintenir un environnement sec et inerte lors du traitement des tranches de silicium. L'argon est aussi utilisĂ© comme gaz plasmagĂšne dans la pulvĂ©risation cathodique (sputtering), procĂ©dĂ© de dĂ©pĂŽt de couches minces sur les composants. Dans ces applications, la puretĂ© du gaz est critique : la prĂ©sence rĂ©siduelle d'oxygĂšne, d'eau ou d'hydrocarbures peut provoquer des dĂ©fauts dans les couches dĂ©posĂ©es et compromettre les performances du composant. Les fabricants de semiconducteurs travaillent avec des puretĂ©s supĂ©rieures Ă  99,999 % (qualitĂ© 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 libÚrent de l'énergie sous forme de lumiÚre. Chaque gaz émet à des longueurs d'onde caractéristiques, ce qui produit une couleur distincte. Le néon émet une lumiÚre 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 lumiÚre blanche à spectre quasi continu, trÚs proche de la lumiÚre 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 tungstÚne. Le krypton améliore les performances des ampoules à halogÚne 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 systÚmes, les atomes de xénon sont ionisés puis accélérés par un champ électrique pour produire une poussée. La poussée générée est faible mais trÚs 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 fenĂȘtres Ă  double ou triple vitrage intĂšgrent une lame de gaz entre les parois pour limiter les Ă©changes thermiques. L'air ordinaire conduit plus la chaleur que les gaz nobles. L'argon est le gaz de remplissage le plus rĂ©pandu dans ce domaine, car il combine une conductivitĂ© thermique faible, une disponibilitĂ© Ă©levĂ©e (0,93 % de l'air) et un coĂ»t modĂ©rĂ©. Le krypton offre de meilleures performances isolantes que l'argon et permet de rĂ©duire l'Ă©paisseur de la lame de gaz pour un rĂ©sultat Ă©quivalent, ce qui est utile dans des fenĂȘtres Ă  encadrement rĂ©duit. Son coĂ»t est cependant plus Ă©levĂ© en raison de sa prĂ©sence plus faible dans l'air (environ 1 ppm). Le xĂ©non prĂ©sente les meilleures propriĂ©tĂ©s d'isolation de la sĂ©rie mais reste rĂ©servĂ© Ă  des applications trĂšs spĂ©cifiques en raison de son prix Ă©levĂ©.

Le terme « gaz rares » est hérité de l'histoire de la chimie, lorsque ces éléments étaient difficiles à isoler et à identifier. Il ne reflÚte pas correctement la réalité de tous ces gaz.
L'argon reprĂ©sente environ 0,93 % du volume de l'air au niveau de la mer, ce qui en fait le troisiĂšme gaz le plus abondant de l'atmosphĂšre aprĂšs l'azote et l'oxygĂšne. Il est tout sauf rare. En revanche, le nĂ©on est prĂ©sent Ă  environ 18 ppm dans l'air, le krypton Ă  1 ppm et le xĂ©non Ă  seulement 0,087 ppm. L'hĂ©lium, trĂšs abondant dans l'univers, est faible dans l'atmosphĂšre terrestre car trop lĂ©ger pour ĂȘtre retenu par la gravitĂ©.
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 nĂ©on, l'argon, le krypton et le xĂ©non s'extraient de l'air par distillation cryogĂ©nique dans des unitĂ©s de sĂ©paration d'air (ASU). L'air est d'abord comprimĂ© et purifiĂ© pour Ă©liminer l'eau, le CO₂ et les hydrocarbures. Il est ensuite refroidi jusqu'Ă  sa liquĂ©faction (environ −192 °C), puis distillĂ© en plusieurs colonnes. Chaque gaz est recueilli Ă  la tempĂ©rature correspondant Ă  son point d'Ă©bullition. L'argon se sĂ©pare entre l'azote et l'oxygĂšne. Le krypton et le xĂ©non, dont les points d'Ă©bullition sont plus Ă©levĂ©s que celui de l'oxygĂšne, s'accumulent dans le flux riche en oxygĂšne et sont purifiĂ©s dans des colonnes dĂ©diĂ©es.

L'hĂ©lium suit une voie diffĂ©rente. Il provient principalement de la dĂ©sintĂ©gration alpha d'Ă©lĂ©ments radioactifs (uranium, thorium) dans la croĂ»te terrestre, et s'accumule dans certains gisements de gaz naturel. Il est extrait par sĂ©paration cryogĂ©nique des autres constituants du gaz naturel, puis purifiĂ©. Les principaux gisements exploitĂ©s se trouvent aux États-Unis, au Qatar et en Russie.