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 troisième constituant le plus abondant de l'atmosphère terrestre, avec une fraction massique de 1,288 %, correspondant à une fraction volumique de 0,934 % (soit ), et est le gaz noble le plus abondant de l'écorce terrestre, dont il représente . L'argon de l'atmosphère terrestre est presque entièrement constitué , nucléide radiogénique provenant de la désintégration du potassium 40, tandis que l'argon observé dans l'univers est essentiellement constitué , produit par nucléosynthèse stellaire dans les supernovae.

Le nom argon provient du grec ancien , « oisif,  paresseux » (contraction de , de même sens), 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 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 

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  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 ; stable en dessous de  (), il a été identifié par spectroscopie infrarouge. 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. Il existe par ailleurs des ions polyatomiques contenant de l'argon, comme le cation hydrure d'argon ArH, et des exciplexes, tels qu'* 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.

Isotopes 

Les principaux isotopes d'argon présents dans l'écorce terrestre sont  (Ar) pour 99,6 %,  (Ar) pour 0,34 % et  (Ar) pour 0,06 %. Le potassium 40 (K) se désintègre spontanément à raison de 11,2 % en  par capture électronique ou émission de positron et à raison de 88,8 % en  (Ca) par  avec une période radioactive (demi-vie) de  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.

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

 est produit lors d'essais nucléaires souterrains à partir de  par capture neutronique suivie d'une  ; il présente une période radioactive de .

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  des roches est constitué majoritairement , 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  produit par réaction alpha, ce qui est le cas du Soleil, dont l'argon est à 84,6 % de  selon les mesures du vent solaire. Il en est de même dans les planètes géantes, où l'abondance relative des isotopes Ar : Ar : Ar vaut 8400 : 1600 : 1.

Outre l'atmosphère terrestre, qui présente une fraction volumique de 0,934 % d'argon, soit , l'atmosphère de Mercure en contient , celle de Vénus en contient , et celle de Mars en contient , soit 1,93 %.

La prédominance de  radiogénique dans l'atmosphère terrestre est responsable du fait que la masse atomique de l'argon terrestre, de l'ordre de , est supérieure de  à celle du potassium, qui le suit dans le tableau périodique des éléments et dont la masse atomique est de l'ordre de . Ceci semblait paradoxal lors de la découverte de l'argon en 1894 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  et confondue avec celle de l'argon à  près, alors qu'il y avait une différence de masse atomique de  entre le chlore () et le potassium (). 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 —  d'argon, contre  d'hélium,  de néon,  de krypton et  de xénon — peut aussi être attribuée à  radiogénique :  présente en effet une abondance de seulement  (0,337 % de ), du même ordre de grandeur que celle du néon ().

Composés 
L'atome d'argon présente une couche de valence saturée d'électrons, avec des sous-couches  et  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  ouvrit la voie à la chimie des gaz nobles.

Le premier composé d'argon avec le pentacarbonyle de tungstène, de formule chimique , fut publié en 1975, mais son existence réelle demeura contestée. 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  () identifié par spectroscopie infrarouge. Cette découverte fit accepter l'idée que l'argon puisse former des composés faiblement liés.

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

L'hydrure d'argon solide  est un composé de van der Waals présentant la même structure cristalline que la  . Il se forme à des pressions comprises entre , bien que des résultats obtenus par spectroscopie Raman suggèrent que les molécules  du composé  se dissocient au-dessus de .

Production industrielle et applications 
L'argon est produit industriellement par distillation fractionnée d'air liquéfié dans des unités cryogéniques de , procédé qui permet de séparer l'azote liquide, qui bout à , de l'argon, qui bout à , et de l'oxygène liquide, qui bout à . La production mondiale d'argon est de l'ordre de  par an.

L'argon présente plusieurs propriétés intéressantes qui justifient son utilisation industrielle :
 c'est un gaz chimiquement inerte ;
 c'est une alternative bon marché lorsque l'azote n'est pas suffisamment inerte ;
 il a une faible conductivité thermique (c'est donc un isolant thermique) ;
 ses propriétés électroniques (ionisation, spectre d'émission) sont mises à profit dans certaines applications d'éclairage.

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 utilisé 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 semi-conducteurs 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. Sa nature non réactive le rend compatible avec les produits alimentaires, et le fait qu'il se substitue partiellement à l'oxygène dans les tissus allonge la durée de conservation alimentaire.

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.

Applications médicales 
Des procédures de  telles que la  utilisent l'argon liquide pour détruire des tissus comme des cellules cancéreuses. On a pu l'employer dans une procédure dite , qui est une forme d' par torche à plasma, mais qui présente un risque d'embolie gazeuse matérialisé par la mort d'au moins un patient.

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

L'argon a également été expérimenté pour remplacer l'azote dans le gaz respiratoire appelé  afin d'accélérer l'élimination de l'azote dissous dans le sang.

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 ), 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 , sauf à utiliser de l'argon issu du sous-sol terrestre, appauvri en Ar, dont la période radioactive n'est que de  et dont le stock n'est pas reconstitué par l'interaction Ar(n,2n)Ar du rayonnement cosmique sur l'argon atmosphérique.

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

Conservateur 
L'argon, numéro , 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 

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  sur les spécimens à étudier par microscopie électronique à balayage et pour le nettoyage des  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 violet pâle tirant sur le bleu lavande, qui devient bleue en ajoutant un peu de mercure.

L'argon est également utilisé pour les  bleus et verts.

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 , « oisif, paresseux, stérile », formé du préfixe grec privatif  et du mot , « travail », cette étymologie évoquant le caractère inerte de l'élément.

La présence dans l’air d'un gaz chimiquement inerte fut suspectée par Henry Cavendish dès 1785 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. Ces deux scientifiques firent à la Royal Society la communication officielle de leur découverte le .

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.

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

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

Voir aussi

Articles connexes 
 Chimie des gaz nobles
 Tableau périodique des éléments

Liens externes 
 , avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
  Images de l'argon sous différentes formes

Agent d'extinction