Quels sont les gaz naturels rares (gaz nobles) ?

💡 L'essentiel à retenir :

• Les gaz naturels rares, aujourd'hui appelés gaz nobles, forment le groupe 18 du tableau périodique et regroupent six éléments présents naturellement sur Terre.
• Les six gaz nobles naturels sont l'hélium (He), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon (Rn).
• L'argon n'est pas rare : il représente environ 0,93 % de l'atmosphère terrestre, ce qui en fait le troisième composant de l'air.
• L'oganesson (Og) appartient aussi au groupe 18 mais il est artificiel, extrêmement instable et probablement solide à température ambiante : il n'est pas un gaz naturel.
• Le terme "gaz inertes" est une simplification : le xénon et le krypton forment des composés chimiques dans certaines conditions, notamment des fluorures.
• Le radon est le seul gaz noble radioactif d'origine naturelle ; il s'accumule dans les bâtiments construits sur sols granitiques et constitue la deuxième cause de cancer du poumon en France.

Le terme gaz rares désigne les éléments chimiques du groupe 18 du tableau périodique, aujourd’hui également appelés gaz nobles. Chaque gaz rare se caractérise par une très faible réactivité chimique dans les conditions normales, en raison de la stabilité de sa couche électronique externe. Six de ces éléments sont naturellement présents sur Terre : l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon. Leur abondance, leur mode de production et leurs propriétés varient fortement, ce qui explique la diversité de leurs usages. Certains sont employés comme gaz industriel et gaz technique dans le soudage, l’éclairage, la cryogénie, l’électronique ou encore les analyses de laboratoire. Ce guide présente leur origine, leur présence dans la nature et leurs principales applications industrielles et scientifiques.

Le terme "gaz rares" est historique. Il a été introduit à la fin du XIXe siècle, à une époque où ces éléments semblaient difficiles à isoler et peu abondants. Depuis, le terme a été largement remis en cause pour deux raisons. D'abord, l'argon représente environ 0,93 % de l'atmosphère terrestre. C'est le troisième composant de l'air, après l'azote et l'oxygène. Le qualifier de "rare" est donc inexact. Ensuite, les termes "gaz inertes" et "gaz rares" ont tous deux été nuancés depuis que des chercheurs ont démontré, à partir des années 1960, que certains de ces éléments forment bel et bien des composés chimiques dans des conditions spécifiques. Le terme recommandé aujourd'hui est "gaz nobles", traduction directe de l'allemand Edelgas, un terme attribué au chimiste Hugo Erdmann. Cette dénomination reflète leur faible réactivité sans affirmer qu'ils sont absolument inertes ni nécessairement rares.

L'hélium est le plus léger des gaz nobles. Il est trop léger pour rester durablement dans l'atmosphère terrestre. Sur Terre, il provient principalement de la désintégration radioactive alpha d'éléments comme l'uranium et le thorium dans la croûte terrestre. Il s'accumule dans certaines poches de gaz naturel, en particulier aux États-Unis et au Qatar, d'où il est extrait industriellement par séparation cryogénique. Son usage le plus connu en milieu professionnel est le refroidissement des aimants supraconducteurs des appareils d'IRM, où l'hélium liquide à -269 °C maintient les bobines en état supraconducteur.

Le néon est présent à l'état de traces dans l'atmosphère. Il est extrait par distillation fractionnée de l'air liquéfié. En dehors de son usage emblématique dans les tubes à décharge qui produisent une lueur rouge-orangé caractéristique, le néon liquide est utilisé en cryogénie pour des applications de refroidissement spécialisées.

L'argon est de loin le gaz noble le plus abondant sur Terre. Il représente 0,93 % de l'atmosphère et s'extrait massivement par distillation cryogénique de l'air. Son coût de production est bas comparé aux autres gaz nobles. Il est largement utilisé comme gaz de protection en soudage à l'arc pour protéger les métaux de l'oxydation, ainsi que comme gaz de remplissage dans les doubles et triples vitrages pour améliorer l'isolation thermique.

Le krypton est présent dans l'atmosphère à des concentrations bien inférieures à l'argon. Il s'obtient lui aussi par distillation de l'air, mais sa séparation nécessite plusieurs étapes supplémentaires. Son coût est donc plus élevé que celui de l'argon. Il est utilisé dans des lampes à haute performance et dans certains vitrages isolants où ses propriétés d'isolation thermique dépassent celles de l'argon. Il entre également dans la composition de lasers à excimères (KrF, longueur d'onde 248 nm) utilisés en microlithographie pour la fabrication de circuits intégrés.

Le xénon est l'un des gaz nobles les plus coûteux en raison de sa très faible concentration atmosphérique. Son extraction par distillation de l'air exige des installations importantes pour des rendements faibles. En industrie spatiale, il est utilisé comme propergol dans les moteurs ioniques des satellites, en raison de sa masse atomique élevée qui génère une poussée efficace sur de longues durées. En médecine, il est étudié pour des applications d'anesthésie et d'imagerie pulmonaire par IRM hyperpolarisée. Le xénon est aussi le seul gaz noble à former un nombre significatif de composés chimiques stables, notamment des fluorures (XeF₂, XeF₄, XeF₆) et des oxydes.

Le radon ne s'extrait pas de l'air : il naît directement de la désintégration radioactive du radium, lui-même issu de la chaîne de désintégration de l'uranium. Son isotope le plus stable, le Rn-222, a une période de seulement 3,8 jours. Le radon n'a pas d'usage industriel courant en raison de sa radioactivité. Il représente en revanche un enjeu de sécurité sanitaire documenté, notamment dans les bâtiments construits sur des sous-sols granitiques ou volcaniques.

Le terme "gaz inerte" est souvent utilisé en contexte industriel pour désigner tout gaz servant à créer une atmosphère sans réaction chimique. En pratique, ce terme inclut l'azote (N₂) et parfois le CO₂, qui ne sont pas des gaz nobles. Les gaz nobles constituent donc un sous-ensemble des gaz inertes au sens industriel. À ne pas confondre non plus avec l'hydrogène naturel (H₂) parfois extrait du sous-sol : l'hydrogène est un gaz combustible, réactif et inflammable. Il n'appartient pas au groupe 18 et n'a aucun lien avec les gaz nobles. Enfin, qualifier les gaz nobles d"inertes" de manière absolue est une simplification. Le xénon forme plusieurs centaines de composés connus. Le krypton forme également des composés comme le KrF₂. Cette réactivité reste marginale et requiert des conditions particulières, mais elle suffit à invalider le terme "inerte" pris au sens strict.

La production des gaz nobles suit deux grandes filières selon leur origine. Pour l'argon, le néon, le krypton et le xénon, la source est l'air atmosphérique. La filière repose sur une unité de séparation de l'air (ASU) : l'air est refroidi jusqu'à liquéfaction, puis les composants sont séparés par distillation fractionnée en exploitant leurs différences de températures d'ébullition. Le krypton et le xénon, présents en quantités très faibles, nécessitent plusieurs colonnes de distillation supplémentaires pour être isolés avec une pureté suffisante. L'hélium suit un parcours différent. Sa faible densité l'empêche de s'accumuler durablement dans l'atmosphère. Il est extrait à partir de gisements de gaz naturel dans lesquels il s'est accumulé sur des millions d'années. Le procédé combine refroidissement profond et adsorption sur charbon actif pour séparer l'hélium des autres composants. Le radon, quant à lui, n'est pas produit industriellement. Il se génère naturellement en continu à partir de la désintégration du radium présent dans les roches et sols.