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 liquéfié. 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
vignette|gauche|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 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 J. Emsley, Nature's Building Blocks, Oxford University Press, 2001, . ..
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 The Science Case for Ar as a Monitor for Underground Nuclear Explosions, page 1, 2010.
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 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..
vignette|Bouteilles d'argon d'une installation d'extinction automatique à gaz pour salles de serveurs informatiques.
Applications médicales Des procédures de telles que la cryoablation 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.