Sais-tu pourquoi des gaz comme le néon ou l'hélium n'existent que sous forme monoatomique, alors que d'autres gaz comme l'oxygène ou l'hydrogène n'existent que sous forme diatomique ?
La raison en est que le néon et l'hélium appartiennent tous deux au groupe des gaz rares.
Pour en savoir plus sur les éléments du groupe des gaz nobles et ses raisons de leur faible réactivité, consulte ce résumé de cours.
- Ce résumé de cours traite les gaz nobles en chimie.
- Tout d'abord, nous allons définir les gaz rares et expliquer la stabilité des gaz nobles.
- Nous examinerons ensuite la position des gaz nobles dans le tableau périodique.
- Ensuite, nous présenterons la configuration électronique des gaz nobles et leur détection.
- Pour consolider notre apprentissage, nous verrons les éléments chimiques des gaz nobles avant d'examiner leur utilisation.
- Ensuite, nous explorerons la décharge gazeuse des gaz rares.
- Nous allons couvrir les principales propriétés des gaz nobles, ainsi que leurs tendances au fur et à mesure que tu descends dans le groupe.
- Enfin, nous présenterons la radioactivité et les réactions chimiques des gaz nobles en citant quelques composés des gaz rares.
Gaz rare
Les gaz rares sont situés dans la dernière colonne de droite du tableau périodique des éléments.
Ces atomes sont très stables, leurs électrons présentent une valence entière. Ils ne cherchent pas à réagir avec d'autres atomes, car ils sont satisfaits d'eux-mêmes et ne cherchent pas à changer.
Les gaz rares sont les éléments du groupe \( 0 \) : hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon. Ces éléments ont la particularité de posséder une couche de valence complète d'électrons.
Stabilité des gaz rares
Les gaz rares présentent tous une couche de valence complète, ce qui en fait des éléments très stables. En fait, ils sont si stables que les chimistes pensaient autrefois qu'ils ne pouvaient pas réagir avec d'autres éléments, raison pour laquelle on les appelait les gaz nobles.
Les gaz rares sont également connus sous le nom de gaz inertes. Inerte signifie "inactif" ou "non impliqué". Ce terme a été utilisé pour les éléments du huitième groupe principal, car on a longtemps supposé que les gaz rares ne réagissaient avec aucune autre substance. Le terme de gaz rares, plus souvent utilisé, est dû à l'analogie entre la faible réactivité des métaux précieux et celle des éléments du huitième groupe principal.
Gaz nobles : Tableau périodique
Les gaz rares sont les éléments du huitième groupe principal du tableau périodique. Le groupe des gaz rares comprend donc :
- l'hélium \( He \) ,
- le néon \( Ne \) ,
- l'argon \( Ar \) ,
- le krypton \( Kr \) ,
- le xénon \( Xe \) ,
- le radon \( Rn \) et
- l'oganesson \( Og \) .
Tableau périodique
Chaque groupe du tableau périodique présente des propriétés et des tendances distinctes. Les gaz nobles sont tous les éléments du groupe \( 0 \) du tableau périodique.
Fig.1- Le tableau périodique
Le groupe \( 0 \) signifie que tous les atomes des éléments présentent une couche externe complète.
Tu te demandes peut-être pourquoi il ne s'agit pas du groupe \( 8 \) , puisqu'il passe de \( 1 \) à \( 7 \) , puis soudainement à \( 0 \) ! Alors que tous les éléments sauf un présentent 8 électrons dans leur couche externe, l'hélium n'en présente pas, car il ne possède que \( 2 \) électrons qui remplissent complètement la première couche.
La structure électronique détermine la façon dont les éléments réagissent, et comme l'hélium réagit de la même façon que les autres gaz nobles puisqu'il présente également une couche externe complète, il est plus logique de marquer le groupe entier \( 0 \) , pour indiquer qu'ils présentent tous une couche externe complète.
Gaz noble : configuration électronique
Pour comprendre le comportement des gaz nobles, nous devons examiner leur configuration électronique. Nous allons examiner la configuration électronique des trois premiers gaz rares du tableau périodique : l'hélium \( He \) , le néon \( Ne \) et l'argon \( Ar \) .
Le numéro atomique de l'hélium \( He \) est \( 2 \) . Cela signifie qu'il y a deux protons dans son noyau. Comme nous savons que l'atome est électriquement neutre, il y a autant de protons que d'électrons dans un atome.
Il y a donc deux électrons dans son nuage électronique.
Établissons maintenant la configuration électronique - rappelons qu'une sous-couche s peut contenir jusqu'à \(2 \) électrons tandis qu'une sous-couche p peut en contenir jusqu'à \( 6 \) .
La configuration électronique de l'hélium est donc \( 1s^2 \) .
Cet atome présente \( 2 \) électrons de valence. Note que la couche externe est saturée. Elle est pleine.
Passons au néon \( Ne \) , nous établissons qu'il est composé de \( 10 \) électrons. Sa configuration électronique est \( 1s^2 \space 2s^2 \space 2p^6 \) .
Cet atome présente \( 8 \) électrons de valence. La couche externe de l'atome est la couche \( 2 \) . Nous remarquons à nouveau que la couche externe est saturée,
Regardons l'argon. Il y a \(18 \) électrons. Sa configuration électronique est \( 1s^2 \space 2s^2 \space 2p^6 \space 3s^2 \space 3p^6 \) . Cet atome présente \( 8 \) électrons de valence qui se trouvent dans la couche externe qui est la couche \( 3 \) .
Enfin, nous constatons à nouveau pour ce gaz noble, que la dernière couche est saturée.
Les gaz nobles doivent leur stabilité chimique au fait que leurs couches de valence sont complètes ou saturées.
Détection des gaz rares
La détection des gaz rares n'est pas si simple. En raison de leur faible réactivité, il n'existe pas de réactions de détection caractéristiques que tu puisses facilement réaliser. C'est pourquoi ils n'étaient même pas représentés sur les tout premiers systèmes périodiques.
Le premier gaz rare détecté dans l'air a été l'hélium. Il a été découvert indépendamment par Norman Lockyer et Jules Janssen en \( 1868 \) , lorsque les deux astronomes ont vu dans le spectre solaire une raie spectrale jaune non identifiée jusqu'à présent à la longueur d'onde de \( 587,49 nm \) .
Les lignes spectrales désignent des plages de longueurs d'onde bien délimitées d'un spectre. Ces plages de longueurs d'onde représentent par exemple une certaine couleur lorsqu'elles tombent dans la partie du spectre lumineux qui nous est visible. Le rayonnement émis par le soleil peut également être qualifié de spectre - ce que l'on appelle le spectre solaire.
Gaz noble : élément chimique
Outre l'hélium, il contient également du néon, de l'argon, du krypton et du xénon. Au cours des années qui ont suivi, ces autres gaz rares ont été isolés avec succès de l'air et détectés à l'aide de méthodes spectroscopiques.
Les méthodes spectroscopiques te permettent de détecter clairement des substances en fonction de leur longueur d'onde, de leur énergie ou de leur masse. L'observation des raies spectrales fait également partie des méthodes spectroscopiques.
D'autres gaz rares, comme le néon et l'argon, sont également très présents dans l'univers. Le krypton et le xénon, en revanche, sont peu présents.
Tu trouveras également quelques gaz rares dans l'atmosphère terrestre. L'argon y est le plus fréquent, alors que tous les autres gaz nobles y sont rares. Les gaz rares krypton, xénon et radon sont si rares sur Terre qu'ils sont les éléments chimiques les plus rares sur Terre.
Les gaz rares peuvent également être créés par la désintégration radioactive d'autres éléments.
Hélium
L'hélium est le deuxième élément chimique le plus répandu dans l'univers. Son nom vient du grec hélios qui signifie "soleil". C’est le plus léger des gaz nobles.
Utilisation
L'hélium est utilisé dans les bouteilles de plongée lorsque la profondeur rend l'air comprimé classique inadapté. Il retarde la narcose à l'azote appelée aussi ivresse des profondeurs causée par la pression qui rend l'azote de l'air très soluble dans le sang. Le remplacement de l'azote par de l'hélium corrige ce problème.
Tu connais certainement les ballons à gaz et les dirigeables. Ces deux objets volants sont remplis d'un gaz dit porteur pour pouvoir voler. Comme l'hélium a une densité environ sept fois inférieure à celle de l'air, il peut être utilisé comme gaz porteur pour les ballons à gaz et les dirigeables. En outre, l'hélium utilisé comme gaz porteur présente l'avantage important de ne pas former de mélange gazeux très inflammable avec l'oxygène de l'air, contrairement à l'hydrogène.
Néon
Son nom vient du grec néos qui signifie "nouveau".
Utilisation
- Il est souvent associé aux tubes lumineux, mais il faut savoir qu'un tube au néon ne contient pas nécessairement du gaz néon.
- L'hélium par exemple émet une lumière jaune. Il est également utilisé dans les écrans plasma associés au Xénon dont nous parlerons plus tard.
Argon
Son nom vient du grec argón, qui signifie paresseux.
Utilisation
- Il est couramment utilisé dans les lampes à incandescence du fait qu'il ne réagit pas avec le filament, même à haute température.
- Toujours dans l'éclairage, un tube néon à l'argon brille d'une couleur violette.
- Il est également utilisé sans soudure où il sert à protéger la soudure et la zone d'oxygène, car un métal chauffé a tendance à s'oxyder.
- Il présente le même usage dans la fabrication du silicium pour l'industrie électronique.
- Il est également utilisé dans les doubles vitrages puisqu'il ne laisse pas facilement passer la chaleur.
Krypton
Son nom vient du grec kruptós qui signifie "caché".
Utilisation
- Il est utilisé dans les lampes à incandescence, mais l'argon est moins cher. Il peut également être utilisé comme gaz protecteur pour la soudure. Mais l'argon est moins cher. Heureusement, il existe encore des utilisations intéressantes comme dans les tubes néon où il dégage une lumière très proche du blanc.
Xénon
Son nom vient du grec xenos qui signifie "étranger".
Utilisation
- Lorsqu'il est utilisé pour l'éclairage, il dégage une lumière bleutée.
- Il est très répandu dans les phares des voitures récentes.
- Dans le domaine médical, il est utilisé comme anesthésiant en raison de l'absence d'effets secondaires.
- Il est également très intéressant de l'utiliser dans les moteurs ioniques, car il s'arrête facilement à l'état liquide à température ambiante.
- Malheureusement, sa puissance est faible, mais il peut être utilisé pour propulser des satellites afin de corriger leur orbite.
Le xénon présente une particularité : c'est un gaz noble qui n'est pas inerte.
Il peut se lier assez facilement avec l'oxygène et le fluor pour former par exemple du tétraoxyde de xénon ou du difluorure de xénon.
Radon
Le dernier gaz rare naturel, le radon, a été découvert en \( 1900 \) par Friedrich Ernst Dorn. Il a découvert que la désintégration radioactive du radium produit l'isotope \( 222-Rn \) du radon.
Le radium est un élément instable qui se désintègre en plusieurs atomes plus petits. Comme cette désintégration produit un rayonnement radioactif, on l'appelle aussi désintégration radioactive. Son nom vient de l'élément radium, car ce gaz est un produit de cette décomposition. Le radium qui tire son nom du latin radio, qui signifie "rayons". Ce gaz présente la particularité d'être radioactif. Sa demi-vie de 4 jours le rend intéressant à utiliser comme traceur.
Utilisation
- Notamment dans l'étude des cours d'eau pour vérifier s'il y a un apport d'eau souterraine.
- il est utilisé comme médicament dans certains traitements anticancéreux où les rayonnements peuvent détruire les cellules malades.
- Il est également utile en sismologie où l'on sait que dans certaines régions du monde, une augmentation du taux de radon dans le sol peut signifier qu'un tremblement de terre est proche.
Élément 118 : Oganesson
Contrairement à tous les autres gaz rares, l'oganesson est le seul gaz rare à faire partie des éléments artificiels.
Il s'agit d'un élément théorique dont seuls 3 atomes ont été présentés à ce jour en laboratoire. Il devrait appartenir à la colonne des gaz nobles, mais on ne connaît que peu de choses sur ses propriétés.
L'oganesson, le dernier élément du groupe, n'existe pas à l'état naturel et a d'abord dû être produit artificiellement pour être détecté. Entre \( 2002 \) et \( 2005 \) , ce gaz rare a été produit pour la première fois à l'Institut unifié de recherche nucléaire de Dubna.
Les éléments artificiels sont des éléments chimiques qui n'ont pu être créés qu'artificiellement par l'homme.
Décharge gazeuse des gaz rares
Tu as peut-être déjà entendu parler des lampes à décharge de gaz. Celles-ci utilisent le principe de la décharge gazeuse pour produire de la lumière, comme leur nom l'indique.
On appelle décharge gazeuse un processus au cours duquel la matière gazeuse est traversée par un courant électrique. Lors de la décharge gazeuse de gaz rares, chaque gaz rare émet une couleur caractéristique.
Les couleurs caractéristiques des gaz rares non radioactifs sont les suivantes :
| gaz rares | couleurs caractéristiques |
| hélium | orange rouge |
| néon | rouge |
| argon | violet |
| krypton | bleu |
| xénon | bleu violet |
Les ions de gaz rares tels que l'argon \( Ar^+ \) et le krypton \( Kr^+ \) permettent d'alimenter des lasers à ions de gaz rares. La lumière laser des lasers à ions de gaz rares est produite, comme le nom du laser l'indique par des ions de gaz rares. Le laser à ions argon possède à cet égard l'une des puissances de rayonnement les plus élevées dans le domaine des longueurs d'onde de lumière visibles.
Gaz nobles : Propriétés physiques
Les gaz rares sont des gaz incolores, insipides et inodores. Ils sont en outre très solubles dans l'eau et possèdent des points de fusion et d'ébullition extrêmement bas. Tous les gaz rares possèdent une couche de valence remplie, ce qui les rend très inertes.
L'hélium présente le point d'ébullition le plus bas de tous les éléments, avec \( -268,9 °C \) , et le radon a un point d'ébullition de \( -61,7 °C \) . Les points d'ébullition augmentent à mesure que l'on descend dans le groupe.
La densité augmente à mesure que l'on descend dans le groupe. Par exemple, le radon est plus dense que l'hélium.
Le tableau suivant résume quelques propriétés des sept gaz rares :
| Hélium | Néon | Argon | Krypton | Xénon | Radon | Oganesson |
| Numéro atomique | \( 2 \) | \( 10 \) | \( 18 \) | \( 36 \) | \( 54 \) | \( 86 \) | \( 118 \) |
| Masse atomique | \( 4 \) | \( 20,18 \) | \( 39,95 \) | \( 83,80 \) | \( 131,29 \) | \( 222,02 \) | \( 294 \) |
| Point de fusion en K | \( 0,95 \) | \( 24,48 \) | \( 83,78 \) | \( 120,85 \) | \( 166,1 \) | \( 211,4 \) | \( ? \) |
| Point d'ébullition en K | \( 4,22 \) | \( 27,1 \) | \( 87,29 \) | \( 120,85 \) | \( 166,1 \) | \( 211,4 \) | \( ? \) |
| Densité en | \( 0,17 \) | \( 0,84 \) | \( 1,66 \) | \( 3,48 \) | \( 4,49 \) | \( 9,23 \) | \( ? \) |
Tendances à mesure que l'on descend dans le groupe
Augmentation des points d'ébullition
Les points de fusion et d'ébullition augmentent à mesure que l'on descend dans le groupe. Cela s'explique par le fait que les atomes des éléments deviennent plus gros, ce qui signifie que les forces intermoléculaires entre chacun des atomes se renforcent, et qu'il faut donc plus d'énergie pour briser ces forces.
La densité augmente
En descendant dans le groupe, les atomes des éléments deviennent plus gros et donc plus lourds. Comme tous les gaz occupent la même quantité d'espace, la masse augmente alors que le volume reste le même. (La densité étant égale à la masse/volume). Cela signifie que les gaz nobles deviennent plus denses à mesure que l'on descend dans le groupe.
Gaz nobles : radioactivité
Le radon et l'oganesson sont des éléments radioactifs.
Les éléments radioactifs sont des éléments chimiques qui possèdent un noyau atomique instable.
Le noyau atomique instable se désintègre spontanément en émettant de l'énergie sous forme de rayonnement. Ce rayonnement est appelé couramment "rayonnement radioactif".
Comme un atome d'oganesson se transforme très rapidement en d'autres atomes, il est impossible de déterminer les propriétés de cet élément chimique.
C'est pourquoi, dans le tableau ci-dessus, la plupart des propriétés de l'oganesson sont accompagnées de points d'interrogation.
Gaz noble : Réaction chimique
Les gaz nobles sont tous inertes. Inerte signifie qu'ils sont extrêmement peu réactifs.
Pour comprendre pourquoi, pensons d'abord à ce qui se passe lorsque des substances réagissent.
Dans toutes les réactions, tous les éléments veulent devenir stables. Tu peux penser que c'est le but de leur vie ! La façon dont les atomes deviennent stables est d'obtenir une couche externe complète.
Cependant, les gaz nobles font partie du groupe \( 0 \) du tableau périodique. Cela signifie qu'ils présentent déjà une couche externe complète et qu'ils sont donc déjà stables ! Ils n'ont donc pas besoin de gagner, perdre ou partager des électrons, ce qui entraîne une réaction.
Comme tu le sais maintenant, les gaz rares sont très peu réactifs. Cela est dû au fait que les gaz rares ont une couche de valence pleine.
L'état d'un atome avec une couche de valence complète est appelé configuration des gaz rares. Dans cet état, les atomes et les ions sont très stables. Les gaz nobles possèdent déjà une couche électronique externe pleine, sans absorption ou cession d'électrons.
Comme les atomes à couche de valence pleine sont très stables, les gaz rares ne réagissent pratiquement pas avec d'autres substances. Par conséquent, contrairement à des gaz comme l'oxygène ou l'hydrogène, les gaz rares ne sont pas diatomiques, mais monoatomiques. La grande stabilité des gaz rares est également à l'origine de leur énergie d'ionisation extrêmement élevée.
L'énergie d'ionisation est l'énergie nécessaire pour arracher un électron d'un atome, d'un ion ou d'une molécule. Comme le nombre d'électrons augmente avec le numéro atomique, les électrons de valence des atomes ayant un numéro atomique élevé ne sont plus aussi fortement attirés par le noyau atomique chargé positivement. Ainsi, plus le numéro atomique d'un gaz rare est élevé, plus son énergie d'ionisation est faible et plus, il est réactif.
Composés de gaz rares
Malgré la faible réactivité des gaz rares, il existe quelques rares composés de gaz rares. Pourtant, ces molécules ne sont souvent stables qu'à basse température et n'existent souvent pas très longtemps, car elles se décomposent rapidement. Les composés de gaz rares sont de très bons oxydants, car les atomes de gaz rares s'efforcent toujours de revenir à leur état atomique stable.
Les oxydants sont des substances qui oxydent d'autres substances tout en étant elles-mêmes réduites. Tu en apprendras plus sur les oxydants dans le résumé de cours sur l'oxydation.
En raison de l'énergie d'ionisation évoquée précédemment, il n'existe des composés de gaz rares que de l'argon, du krypton, du xénon et du radon. Le radon est radioactif et n'existe donc pas depuis longtemps. Les composés de gaz rares d'argon et de krypton sont relativement instables, de sorte qu'ils peuvent tout au plus se former à très basses températures.
La plupart des combinaisons de gaz rares sont connues avec le xénon, un gaz rare. Le xénon peut se combiner avec :
- le fluor,
- l'oxygène,
- l'azote ,
- et le carbone.
On connaît en outre quelques combinaisons plus complexes de krypton.
Gaz noble - Points clés
- Les gaz rares sont les éléments du groupe \( 0 \) : hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon.
- Les gaz rares présentent tous une couche de valence complète, ce qui en fait des éléments très stables.
- Les gaz nobles sont les éléments du groupe \( 0 \) du tableau périodique.
- En écrivant la configuration électronique des gaz nobles, on déduit qu'ils présentent tous une couche externe complète d'électrons et sont donc déjà stables.
- Les gaz rares krypton, xénon et radon sont si rares sur Terre qu'ils sont les éléments chimiques les plus rares sur Terre.
- La détection des gaz rares n'est pas si simple, en raison de leur faible réactivité.
- Lors de la décharge gazeuse de gaz rares, chaque gaz rare émet une couleur caractéristique.
- Les gaz rares ne font pratiquement pas de réactions chimiques avec d'autres substances.
- Ce sont des gaz incolores et monoatomiques à température ambiante.
- Au fur et à mesure que l'on descend dans le groupe \( 0 \) , les points d'ébullition augmentent, car les atomes deviennent plus gros, les forces intermoléculaires entre les atomes se renforcent et il faut donc plus d'énergie pour briser ces forces.
- Le radon et l'oganesson sont des éléments radioactifs.
- Les gaz nobles sont tous inertes. Inerte signifie qu'ils sont extrêmement peu réactifs.
- Malgré la faible réactivité des gaz rares, il existe quelques rares composés de gaz rares.
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