Argon

L'argon est l'élément chimique de numéro atomique 18 et de symbole Ar. Il appartient au groupe 18 du tableau périodique et fait partie de la famille des gaz nobles, également appelés « gaz rares », qui regroupe également l'hélium, le néon, le krypton, le xénon et le radon. L'argon est le 3e constituant le plus abondant de l'atmosphère terrestre, avec une fraction massique de 1,288 %, correspondant à une fraction volumique de 0,934 % (soit 9 340 ppm), et est le gaz noble le plus abondant de l'écorce terrestre, dont il représente 1,5 ppm. L'argon de l'atmosphère terrestre est presque entièrement constitué d'argon 40, nucléide radiogénique provenant de la désintégration du potassium 40, tandis que l'argon observé dans l'univers est essentiellement constitué d'argon 36, produit par nucléosynthèse stellaire dans les supernovae.

Cet article concerne l'élément chimique. Pour le personnage de J. R. R. Tolkien, voir Argon (Terre du Milieu). Pour la fonction de dérivation de clé, voir Argon2.

Argon

Argon solide et liquide.
Chlore ← Argon → Potassium
Ne
 
 
18		 Ar
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
↑
Ar
↓
Kr
Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Ar
Nom Argon
Numéro atomique 18
Groupe 18
Période 3e période
Bloc Bloc p
Famille d'éléments Gaz noble
Configuration électronique [Ne] 3s2 3p6
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 8
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 39,948 ± 0,001 u
Rayon atomique (calc) (71 pm)
Rayon de covalence 106 ± 10 pm[1]
Rayon de van der Waals 188 pm
État d’oxydation 0
Oxyde inconnu
Énergies d’ionisation[2]
1re : 15,759610 eV 2e : 27,62966 eV
3e : 40,74 eV 4e : 59,81 eV
5e : 75,02 eV 6e : 91,009 eV
7e : 124,323 eV 8e : 143,460 eV
9e : 422,45 eV 10e : 478,69 eV
11e : 538,96 eV 12e : 618,26 eV
13e : 686,10 eV 14e : 755,74 eV
15e : 854,77 eV 16e : 918,03 eV
17e : 4 120,8857 eV 18e : 4 426,2296 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
36Ar0,336 %stable avec 18 neutrons
37Artraces (?)
{syn.}		35,04 jε37Cl
38Ar0,063 %stable avec 20 neutrons
39Artraces (?)
{syn.}		269 ansβ-0,56539K
40Ar99,6 %stable avec 22 neutrons
42Ar{syn.}32,9 ansβ-0,60042K
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire Gaz (non magnétique)
Masse volumique 1,7837 g·L-1

(0 °C, 1 atm)[3]
Système cristallin Cubique à faces centrées
Couleur incolore
Point de fusion −189,36 °C[3]
Point d’ébullition −185,85 °C[3]
Énergie de fusion 1,188 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 6,43 kJ·mol-1 (1 atm, −185,85 °C)[3]
Température critique −122,3 °C
Point triple −189,3442 °C[5]
Volume molaire 22,414×10-3 m3·mol-1
Pression de vapeur
Vitesse du son 319 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique 520 J·kg-1·K-1
Conductivité thermique 0,01772 W·m-1·K-1
Divers
No CAS 7440-37-1[6]
No ECHA 100.028.315
No CE 231-147-0
Précautions
SGH[7]

Attention
H280 et P403
SIMDUT[8]

A,
Transport[7]
20
   1006   

22
   1951   
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le nom argon provient du grec ancien ἀργόν, signifiant « oisif », « paresseux » [dérivé du mot grec ἀεργός, formé de ἀ-εργός, signifiant « sans travail », « oisif »], en référence au fait que cet élément est chimiquement inerte. Sa configuration électronique présente une couche de valence saturée à l'origine de sa stabilité et de la quasi impossibilité d'établir des liaisons covalentes. La température de 83,805 8 K de son point triple est l'un des points de référence de l'Échelle internationale de température de 1990 (ITS-90).

L'argon est produit industriellement par distillation fractionnée d'air liquiéfié. Il est utilisé essentiellement comme atmosphère inerte pour le soudage et divers procédés industriels à haute température faisant intervenir des substances réactives. On utilise ainsi une atmosphère d'argon dans les fours à arc électrique au graphite pour éviter la combustion de ce dernier. On emploie également l'argon dans l'éclairage par lampes à incandescence, tubes fluorescents et tubes à gaz. Il permet de réaliser des lasers à gaz bleu-vert.

Propriétés principales
Raies d’émission de l'argon.

L'argon est incolore, inodore, ininflammable et non toxique aussi bien à l'état gazeux que liquide ou solide. Sa solubilité dans l'eau est à peu près comparable à celle de l'oxygène et vaut 2,5 fois celle de l'azote. Il est chimiquement inerte dans à peu près toutes les conditions et ne forme aucun composé chimique confirmé à température ambiante.

L'argon est cependant susceptible de former des composés chimiques dans certaines conditions extrêmes hors équilibre. Le fluorohydrure d'argon HArF a ainsi été obtenu par photolyse ultraviolette de fluorure d'hydrogène HF dans une matrice cryogénique d'iodure de césium CsI et d'argon Ar[9] ; stable en dessous de 27 K (−246,15 °C), il a été identifié par spectroscopie infrarouge[10]. Le fluorohydrure d'argon est le seul composé connu de l'argon qui soit neutre et stable à l'état fondamental.

L'argon peut également former des clathrates dans l'eau lorsque ses atomes sont emprisonnés dans le réseau tridimensionnel formé par la glace[11]. Il existe par ailleurs des ions polyatomiques contenant de l'argon, comme le cation hydrure d'argon ArH+, et des exciplexes, tels qu'Ar2* et ArF*. Divers composés présentant des liaisons Ar–C et Ar–Si stables ont été prédits par simulation numérique mais n'ont pas été synthétisés en laboratoire[12].

Isotopes

Les principaux isotopes d'argon présents dans l'écorce terrestre sont l'argon 40 (40Ar) pour 99,6 %, l'argon 36 (36Ar) pour 0,34 % et l'argon 38 (38Ar) pour 0,06 %. Le potassium 40 (40K) se désintègre spontanément à raison de 11,2 % en argon 40 par capture électronique ou émission de positron et à raison de 88,8 % en calcium 40 (40Ca) par désintégration β- avec une période radioactive (demi-vie) de 1,25 milliard d'années. Cette durée et le rapport entre les sous-produits formés permettent de déterminer l'âge de roches par la méthode de la datation au potassium-argon[13].

Dans l'atmosphère terrestre, l'argon 39 est produit essentiellement par l'interaction du rayonnement cosmique sur l'argon 40 par capture neutronique suivie par une double émission de neutron[14]. Dans le sous-sol, il peut être également produit à partir de potassium 39 par capture neutronique suivie par une émission de proton.

L'argon 37 est produit lors d'essais nucléaires souterrains à partir de calcium 40 par capture neutronique suivie d'une désintégration α ; il présente une période radioactive de 35 jours[15].

L'argon est remarquable par le fait que sa composition isotopique varie sensiblement d'une région du Système solaire à l'autre. L'argon dont la source principale est la désintégration radioactive du potassium 40 des roches est constitué majoritairement d'argon 40, comme sur les planètes telluriques retenant une atmosphère : Vénus, la Terre et Mars. En revanche, l'argon formé directement par nucléosynthèse stellaire est essentiellement constitué d'argon 36 produit par réaction alpha, ce qui est le cas du Soleil, dont l'argon est à 84,6 % de l'argon 36 selon les mesures du vent solaire[16]. Il en est de même dans les planètes géantes, où l'abondance relative des isotopes 36Ar : 38Ar : 40Ar vaut 8400 : 1600 : 1[17].

Outre l'atmosphère terrestre, qui présente une fraction volumique de 0,934 % d'argon, soit 9 340 ppm, l'atmosphère de Mercure en contient 0,07 ppm, celle de Vénus en contient 70 ppm, et celle de Mars en contient 19 300 ppm, soit 1,93 %[18].

La prédominance de l'argon 40 radiogénique dans l'atmosphère terrestre est responsable du fait que la masse atomique de l'argon terrestre, de l'ordre de 39,95 u, est supérieure de 0,85 u à celle du potassium, qui le suit dans le tableau périodique des éléments et dont la masse atomique est de l'ordre de 39,10 u. Ceci semblait paradoxal lors de la découverte de l'argon en 1894[19] car Dmitri Mendeleïev avait rangé son tableau périodique par ordre de masse atomique croissante, ce qui conduisait à devoir placer l'argon entre le potassium et le calcium, de masse atomique voisine de 40,08 u et confondue avec celle de l'argon à 0,13 u près, alors qu'il y avait une différence de masse atomique de 3,65 u entre le chlore (35,45 u) et le potassium (39,10 u). Ce problème fut résolu par Henry Moseley, qui démontra en 1913 que le tableau périodique devait être rangé par ordre de numéro atomique croissant, et non par masse atomique croissante, ce qui classait les éléments dans le bon ordre.

L'abondance atmosphérique relative de l'argon par rapport aux autres gaz nobles — 9 340 ppm d'argon, contre 5,24 ppm d'hélium, 18,18 ppm de néon, 1,14 ppm de krypton et 0,087 ppm de xénon — peut aussi être attribuée à l'argon 40 radiogénique : l'argon 36 présente en effet une abondance de seulement 31,5 ppm (0,337 % de 9 340 ppm), du même ordre de grandeur que celle du néon (18,18 ppm).

Composés

L'atome d'argon présente une couche de valence saturée d'électrons, avec des sous-couches s et p complètes. Ceci rend cet élément chimiquement inerte et très stable, c'est-à-dire qu'il ne forme de liaison chimique avec d'autres atomes que très difficilement. Jusqu'en 1962, les gaz nobles étaient considérés comme totalement inertes et impropres à la formation de composés chimiques ; à cette date cependant, la synthèse de l'hexafluoroplatinate de xénon[20] XePtF6 ouvrit la voie à la chimie des gaz nobles.

Le premier composé d'argon avec le pentacarbonyle de tungstène, de formule chimique W(CO)5Ar, fut publié en 1975, mais son existence réelle demeura contestée[21]. En août 1962 fut synthétisé à l'Université d'Helsinki le fluorohydrure d'argon HArF par photolyse ultraviolette de fluorure d'hydrogène HF dans une matrice cryogénique d'iodure de césium CsI et d'argon Ar, composé stable en dessous de 27 K (−246,15 °C) identifié par spectroscopie infrarouge[10]. Cette découverte fit accepter l'idée que l'argon puisse former des composés faiblement liés[22].

Le dication métastable ArCF22+, isoélectronique avec le fluorure de carbonyle COF2 et le phosgène COCl2 du point de vue des électrons de valence, a été observé en 2009[23], mettant en œuvre une liaison carbone–argon. L'ion moléculaire 36ArH+, correspondant au cation hydrure d'argon 36 (argonium), a été détecté dans le milieu interstellaire au niveau de la nébuleuse du Crabe[24] ; c'est le premier composé de gaz noble détecté dans l'espace.

L'hydrure d'argon solide Ar(H2)2 est un composé de van der Waals présentant la même structure cristalline que la phase de Laves (en) MgZn2. Il se forme à des pressions comprises entre 4,3 et 220 GPa, bien que des résultats obtenus par spectroscopie Raman suggèrent que les molécules H2 du composé Ar(H2)2 se dissocient au-dessus de 175 GPa[25].

Production industrielle et applications

L'argon est produit industriellement par distillation fractionnée d'air liquéfié dans des unités cryogéniques de distillation de l'air (en), procédé qui permet de séparer l'azote liquide, qui bout à 77,3 K, de l'argon, qui bout à 87,3 K, et de l'oxygène liquide, qui bout à 90,2 K. La production mondiale d'argon est de l'ordre de 700 000 tonnes par an[13],[26].

L'argon présente plusieurs propriétés intéressantes qui justifient son utilisation industrielle :

D'autres gaz nobles présentent des propriétés semblables et pourraient être également utilisés, mais l'argon est de loin le moins cher de tous, étant obtenu comme sous-produit de l'extraction de l'oxygène et de l'azote de l'air par distillation fractionnée cryogénique.

Applications industrielles

L'argon est utilisés dans certains procédés industriels à haute température au cours desquels des substances chimiquement inertes tendent à devenir réactives. Une atmosphère d'argon est ainsi utilisée dans les fours électriques à électrodes de graphite afin de prévenir la combustion de ce matériau.

Pour certains de ces procédés, la présence d'azote ou d'oxygène provoquerait des défauts dans le matériau. L'argon est utilisé dans certains types de soudage à l'arc comme le soudage MIG-MAG et le soudage TIG, ainsi que dans le traitement du titane et d'autres éléments réactifs. On fait également croître les cristaux de silicium et de germanium destinés à l'industrie des semiconducteurs sous atmosphère d'argon pour en assurer la qualité cristalline.

L'argon est utilisé dans l'industrie avicole comme méthode d'abattage par atmosphère contrôlée pour asphyxier les volailles, que ce soit pour un abattage de masse après l'apparition d'une maladie ou comme moyen d'abattage alternatif à l'électronarcose. La densité relative de l'argon par rapport à l'air le fait rester près du sol lors du gazage[27]. Sa nature non réactive le rend compatible avec les produits alimentaires[28], et le fait qu'il se substitue partiellement à l'oxygène dans les tissus allonge la durée de conservation alimentaire[29].

L'argon est parfois utilisé pour éteindre des incendies en préservant les équipements de valeur, comme des serveurs informatiques, qui seraient endommagés par l'utilisation d'eau ou de mousses[30].

Bouteilles d'argon d'une installation d'extinction automatique à gaz pour salles de serveurs informatiques.

Applications médicales

Des procédures de cryochirurgie (en) telles que la cryoablation (en) utilisent l'argon liquide pour détruire des tissus comme des cellules cancéreuses. On a pu l'employer dans une procédure dite argon-enhanced coagulation, qui est une forme d'électrochirurgie (en) par torche à plasma, mais qui présente un risque d'embolie gazeuse matérialisé par la mort d'au moins un patient[31].

Des lasers bleus à argon sont utilisés en chirurgie pour la suture des artères, détruire des tumeurs, en chirurgie oculaire[13], ou encore pour l'électrocoagulation par voie endoscopique de lésions responsables de saignements digestifs[32].

L'argon a également été expérimenté pour remplacer l'azote dans le gaz respiratoire appelé Argox (en) afin d'accélérer l'élimination de l'azote dissous dans le sang[33].

Recherche scientifique

L'argon liquide est utilisé comme cible pour la détection des neutrinos et les recherches sur la matière noire. Les interactions entre les hypothétiques WIMPs et les noyaux des atomes d'argon devrait produire une scintillation observable à travers des tubes photomultiplicateurs. Les détecteurs à deux phases contenant de l'argon gazeux sont utilisés pour détecter les électrons produits par ionisation lors des interactions WIMP-noyaux d'argon.

Comme les autres gaz nobles liquéfiés, l'argon liquide a un taux de scintillation élevé (environ 51 photons/keV[34]), est transparent pour sa propre scintillation, et est relativement facile à purifier. Il est moins cher que le xénon et présente un profil temporel de scintillation différent, ce qui permet de distinguer les interactions électroniques des interactions nucléaires. Il présente en revanche une plus forte radioactivité β en raison de sa contamination par l'argon 39, sauf à utiliser de l'argon issu du sous-sol terrestre, appauvri en 39Ar, dont la période radioactive n'est que de 269 ans et dont le stock n'est pas reconstitué par l'interaction 40Ar(n,2n)39Ar du rayonnement cosmique sur l'argon atmosphérique[35].

Dans un autre registre, l'argon 39 a été employé notamment pour dater des eaux souterraines et des carottes de glace en Antarctique[14]. La datation par le potassium-argon et la datation argon-argon sont également employées pour la datation radiométrique de roches sédimentaires, métamorphiques et ignées[13].

Conservateur

L'argon, numéro E938, est utilisé comme conservateur alimentaire afin d'éliminer l'oxygène et l'humidité de l'atmosphère contenue dans les emballages et retarder leur date limite de consommation. L'oxydation par l'air, l'hydrolyse et les autres réactions qui dégradent les produits sont ainsi retardées ou entièrement bloquées. Les réactifs chimiques et les molécules pharmaceutiques sont parfois emballés sous atmosphère d'argon. Ce gaz noble est également utilisé comme conservateur pour les vernis, le polyuréthane ou encore les peintures.

L'argon est également utilisé en vinification pour protéger le vin de l'oxygène et prévenir son oxydation ainsi que les interactions bactériennes indésirables (notamment les bactéries acétiques, qui produisent de l'acide acétique et font tourner le vin en vinaigre). Il peut également être utilisé comme gaz propulseur pour sprays.

Équipements de laboratoire
Boîte à gants.

L'argon peut être utilisé comme gaz inerte pour rampe à vide et boîte à gants ; il est préféré à l'azote, moins cher, car l'azote est susceptible de réagir avec des composés particulièrement réactifs, ainsi qu'avec certains équipements. De plus, l'argon présente l'avantage d'être plus dense que l'air, contrairement à l'azote, ce qui le rend plus simple à utiliser en pratique.

L'argon peut être utilisé comme gaz porteur en chromatographie en phase gazeuse et en ionisation par électronébuliseur. C'est le gaz de prédilection pour le plasma utilisé en spectrométrie à plasma à couplage inductif. L'argon est utilisé préférentiellement en dépôt par pulvérisation cathodique (en) sur les spécimens à étudier par microscopie électronique à balayage et pour le nettoyage des wafers en microfabrication.

Éclairage

Une lampe à incandescence est généralement remplie d'argon afin de préserver son filament de l'oxydation à haute température. L'argon est également utilisé pour son rayonnement par ionisation, comme dans les lampes à plasma et les calorimètres en physique des particules. Les lampes à décharge remplies d'argon pur produisent une lumière violette pâle tirant sur lebleu lavande, qui devient bleue en ajoutant un peu de mercure.

L'argon est également utilisé pour les lasers ioniques (en) bleus et verts.

Lampe à décharge remplie d'argon.

Applications diverses

L'argon est utilisé comme isolant thermique pour double vitrage. On l'utilise également pour le remplissage des combinaisons étanches pour plongée en scaphandre autonome en raison de son inertie chimique et de sa faible conductivité thermique.

L'argon est l'un des gaz pouvant être utilisé en astronautique comme propulseur des VASIMR. Dans le domaine de l'armement aérien, il est utilisé sous pression pour refroidir, en se détendant, la tête de certains missiles air-air, dont des missiles AIM-9 Sidewinder.

L'argon a été utilisé en athlétisme comme dopant simulant l'hypoxie. Il a de ce fait été inclus, avec le xénon, à la liste des méthodes et des substances interdites par l'Agence mondiale antidopage en 2014 avant d'en être retiré en 2020.

Histoire et étymologie

Le mot argon dérive du grec ancien ἀργός / argós (« oisif », « paresseux », « stérile »), formé du préfixe grec privatif ἀ et du mot ἔργον / ergon (« travail »), cette étymologie évoquant le caractère inerte de l'élément[36].

La présence dans l’air d'un gaz chimiquement inerte fut suspectée par Henry Cavendish dès 1785[37] mais sa découverte par Lord Rayleigh et Sir William Ramsay à l'University College de Londres attendit 1894. Ils procédèrent en éliminant d'un échantillon d'air pur son oxygène, son dioxyde de carbone, sa vapeur d'eau et son azote, ce qui laissait un gaz inerte qu'ils appelèrent argon[38],[39],[40]. Ces deux scientifiques firent à la Royal Society la communication officielle de leur découverte le [41].

Ils furent mis sur la piste par le fait que l’azote produit chimiquement était 0,5 % plus léger que celui extrait de l’air par élimination des autres gaz atmosphériques connus à l'époque. La distillation fractionnée d’air liquéfié leur permit de produire une quantité notable d’argon en 1898 et par la même occasion d’isoler deux autres gaz nobles le néon et le xénon.

L’argon fut également observé en 1882 au cours de travaux indépendants par H. F. Newall et W. N. Hartley, qui notèrent des raies spectrales dans le spectre d'émission de l'air ne correspondant à aucun élément chimique connu[42].

Le symbole chimique de l’argon fut A jusqu'en 1957, date à laquelle il devint Ar[43].

Dangers

Tout comme l’hélium, l’argon n’est pas dangereux à faible concentration. Toutefois, il est 38 % plus dense que l'air, et l'inhalation d’une grande quantité d'argon comporte des risques d’asphyxie par privation d’oxygène (anoxie) ; ceci peut se produire par exemple lors d'opérations de soudage dans un espace confiné.

Notes et références
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  2. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, , 87e éd. (ISBN 0849304873), p. 10-202
  3. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
  4. (en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, USA, McGraw-Hill, , 7e éd., 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5), p. 2-50
  5. Procès-verbaux du Comité international des poids et mesures, 78e session, 1989, pp. T1-T21 (et pp. T23-T42, version anglaise).
  6. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  7. Entrée du numéro CAS « 7440-37-1 » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 30 janvier 2009 (JavaScript nécessaire)
  8. « Argon » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
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