Ce sont les seuls gaz monoatomiques, tous les autres gaz ont des molécules diatomiques c'est-à-dire qu'il y a deux atomes d'un même élément qui composent la molécule. Les gaz nobles ont une masse moléculaire identique à leur masse atomique. Sauf l'hélium, tous les gaz nobles ont huit électrons à leur couche externe, ils sont donc comblés et ils ne sont pas intéressés à donner ou à recevoir des électrons, car huit est le maximum à obtenir. Leur potentiel d'ionisation est très élevé et s'oppose à la formation d'ions positifs stables. La source des gaz rares est l'air.

L'hélium fut le premier gaz rare à être découvert. Le Français Janssen et l'Anglais Lockyer le découvrirent simultanément en 1868. Il est extrait des gaz naturels par liquéfaction et distillation fractionnée ou par désintégration radioactive de l'uranium. Le mot hélium vient de "hélios" qui veut dire soleil, car c'est là qu'il fut d'abord découvert. Il s'en forme continuellement dans l'atmosphère, mais sa faible densité fait qu'il ne s'accumule au-delà de 0,0005 % . Son point d'ébullition est de -269 degrés C et il se liquéfie à -272 degrés C. Une fois solide, il présente une conductibilité thermique très élevée. L'hélium est utilisé dans le gonflement de ballons d'enfants, car il est plus léger que l'air et le ballon ainsi rempli garde sa forme plus longtemps. L'hélium a même remplacé l'azote dans les bonbonnes d'oxygène de plongée sous-marine. Sa solubilité dans le sang est beaucoup plus faible que celle de l'azote. On l'utilise également dans la cryogénie. L'hélium est aussi utilisé, en mélange avec l'oxygène pour traiter l'asthme, car il diffuse plus rapidement que l'air à travers les bronchioles contractées. L'air chaud, l'hydrogène et l'hélium sont utilisés dans les ballons dirigeables, car ils sont plus légers que l'air. Tout volume gonflé avec l'un de ces gaz s'élève donc jusqu'à un point d'équilibre correspondant à l'égalité entre la force ascensionnelle et le poids de l'engin. L'air chaud ne coûte pas cher, par contre, il n'est pas très efficace. L'hydrogène n'est pas cher non plus, mais il a tendance à virer en mélange explosif quand le ballon arrive à 2000 mètres d'altitude. L'hélium est donc le plus utilisé grâce à son ininflammabilité. Par contre, il est moins porteur et surtout beaucoup plus cher que l'hydrogène. L'hélium donne une couleur rose pâle quand il est enfermé dans un tube et qu'on fait passer un courant électrique à l'intérieur.

L'hélium a deux isotopes : l'hélium-3 et l'hélium-4. Le noyau de l'hélium-3 possède deux protons et un neutron tandis que celui de l'hélium-4 possède deux protons et deux neutrons. L'hélium-4 est l'isotope le plus abondant de l'hélium et l'hélium-3 le plus rare.
Comme un liquide ordinaire, l'hélium-3 superfluide (écoulement d'un fluide sans frottement à des températures ultra-basses) est composé d'atomes identiques et chimiquement inertes, mais son comportement est très complexe. À haute température, la matière est à l'état gazeux ; les atomes qui la constituent se déplacent au hasard. Quand la matière se refroidit, elle se condense en devenant d'abord liquide puis solide quand les atomes s'immobilisent. Or, les atomes d'hélium sont légers et agissent peu les uns avec les autres et, même à la température du zéro absolu, l'incertitude sur la position est notable. À faible pression, les atomes ne sont pas assez immobiles pour former un solide. Or à de très basses températures, l'hélium reste liquide et, contrairement aux liquides ordinaires, ses atomes demeurent parfaitement ordonnés mais d'une façon subtile. Jusqu'ici, les chercheurs ont tenté d'atteindre un niveau de température basse jamais égalé avec un laser sur des atomes d'hélium. En voici le principe : Les photons des faisceaux lasers foncent pour refroidir les atomes d'une vapeur d'hélium. Ils les assaillent en salves régulières et ordonnées. L'atome subit l'effet reculé, absorbant ou mettant un photon. Sous les coups des lasers, sa vitesse varie alors d'une manière aléatoire jusqu'à ce qu'elle prenne la valeur nulle. L'atome est alors piégé et ne répond plus aux salves des lasers. Sa vitesse ne variera plus. Il ne bouge plus. Au fur et à mesure que l'attaque des lasers continue, les atomes piégés par une vitesse nulle se font de plus en plus nombreux et la température continue à baisser. C'est ainsi qu'ils ont réussi à descendre la température jusqu'à deux millionièmes de degrés Kelvin au-dessus de la température limite.

L'argon fut découvert par le physicien anglais Rayleigh et le chimiste Ramsay en 1894. Il est relativement abondant dans l'air, ce qui explique son coût peu élevé. L'argon, comme tous les autres gaz nobles, ne réagit pas avec l'air, l'eau, le HCl, le HNO₃. L'argon est assez soluble dans l'eau.
Il est utilisé dans les laboratoires pour créer une atmosphère inerte bon marché. Dans les tubes au néon il est utilisé pour donner une teinte différente, car le néon donne une lumière rouge et l'argon plutôt blanche ou mauve. C'est un très bon isolant thermique, il est donc utilisé comme isolant, avec le krypton, dans la construction de fenêtres. Les industries qui l'utilisent, mettent environ 10 % de krypton et 90 % d'argon dans les fenêtres à cause de son coût moindre. L'argon tend à remplacer l'hélium dans la soudure à l'arc et les soudures de l'acier inoxydable.

L'argon est utilisé dans les lasers (light amplification by simulated emission of radiation). Le laser à l'argon émet dans les longueurs d'ondes du bleu et du vert. Chaque type de laser agit sur les tissus de façon particulière. Le laser à l'argon a un effet de coagulation sur les tissus. Il possède trois isotopes naturels. Il s'agit de Ar-36,Ar-38 et Ar-40. L'argon-40 est toujours trouvé dans des minéraux contenant du potassium et sert à mesurer l'âge des minéraux et des météorites.

Il est aussi utilisé dans la pyrolyse (décomposition chimique d'une substance par la chaleur). La pyrolyse est plus efficace si on se sert d'un cylindre de métal chauffé électriquement et dans lequel on fait circuler des gaz inertes comme l'argon. Après le fractionnement des différents produits, les gaz inertes entraînent les molécules et permettent de récupérer des sous-produits. Cependant, certaines molécules demeurent trop longtemps dans le réacteur. Elles se combinent avec d'autres molécules, se collent aux parois du réacteur et limitent les possibilités de récupération. C'est là qu'on utilise la pyrolyse sous vide. Après avoir été fractionnés, les produits ne restent pas longtemps dans le réacteur. Les éléments qui étaient soudés au début sont maintenant dissociés doucement sans destruction. Ce procédé est utilisé dans la décomposition des BPC. Les BPC subissent une pyrolyse dans une atmosphère d'argon.

On emploie aussi l'argon dans la purification du titane puisqu'il ne réagit pas du tout au contact de l'oxygène et de l'azote de l'air. Si le titane entrait en contact avec un de ces deux gaz, cela pourrait le faire changer de nature.
L'air contient 0,933 % d'argon, car c'est le gaz rare le plus abondant dans la matière. Il devient liquide à -189 degrés C et s'évapore à -186 degrés C. Sa solubilité dans l'eau à 0 degré C est de soixante millilitres par mille grammes de H₂O.

Le 30 mai 1898, Ramsay et Travers ont découvert le krypton. Le krypton tient son nom du mot "kryptos" qui signifie "the hidden one". Il est utilisé dans certaines ampoules électriques incandescentes et fluorescentes. Les détecteurs de radiation et les lasers ultra-violets utilisent ce gaz. Le krypton est utilisé dans l'enregistrement d'une image holographique. Ce procédé repose sur l'utilisation d'un laser au krypton. Le laser émet de la lumière très pure qui permet d'obtenir une image en trois dimensions sur une plage photosensible qui représentera un objet très fidèlement. Le krypton est le gaz rare le plus lourd après le radon et le xénon. Il possède six isotopes naturels. Il s'agit du krypton-78 jusqu'au krypton-86. Ces isotopes n'ont pas de fonctions particulières.

Le krypton donne une couleur brun-vert quand il est enfermé dans un tube et traversé par un courant électrique. La longueur d'ondes orange du krypton-86 détermine la longueur du mètre. Son point de fusion est beaucoup plus haut que celui de l'hélium, soit -157 degrés C et son point d'ébullition à -153 degrés C. Sa concentration dans l'air est de 0,00011 %.

Le néon fut découvert en juin 1898 par Ramsay et Travers. Le terme néon signifie "undiscovered gas". Ce gaz rare est très utilisé dans les enseignes commerciales au néon. Quand un tube au néon est parcouru par un courant électrique, le tube jusqu'alors d'apparence transparente, prend rapidement une teinte rouge. Cela est dû au fait que le néon, soumis à une tension électrique, est excité et active des parois fluorescentes : l'énergie alors non visible se transforme en énergie visible.

Le néon est le gaz le plus léger après l'hélium. Il possède 3 isotopes naturels : le néon-20, le néon-21 et le néon-22. On ne connaît pas d'utilisations comme telles pour ces isotopes. Les premiers lasers au gaz nécessitaient un mélange d'hélium et de néon comme médium. Le médium est une partie très importante du laser. La fréquence de la lumière du laser dépend de la nature des atomes et des molécules qui constituent le médium. Ce laser produisait une énergie égale à 15 milliwatts. Maintenant, pour obtenir plus de puissance, ils prennent du dioxyde de carbone. Ces lasers peuvent dégager une énergie pouvant aller jusqu'à 100 000 watts. Le néon est présent dans l'air avec une proportion de 0,0018 %. Il a la deuxième plus forte concentration dans l'air après l'argon.

Étant inerte, il ne réagit pas du tout avec l'eau et l'air. Son point de fusion se trouve à 24,5 K. Il bout à 27,1 K. Il peut facilement être séparé de mélanges avec d'autres gaz inertes, car il s'absorbe aisément sur le charbon actif, surtout à basse température.

Le xénon a lui aussi été découvert par Ramsay et Travers, un mois après la découverte du néon, en juillet 1898. Son nom signifie "the stranger". Puisque qu'il est plus soluble dans les graisses que dans l'eau, il a été employé comme anesthésique général. Le xénon est le gaz noble ayant les deuxièmes plus hauts points de fusion et d'ébullition qui sont respectivement -112 degrés C et -108 degrés C. Il est le moins abondant dans l'air avec 0,000009 %.
Il est également le plus soluble de tous les gaz nobles dans l'eau. Une fois mis dans un tube sous vide et soumis à un très grand courant électrique, le xénon présente une lumière bleue presque noire. Le xénon est maintenant employé dans les tubes de flash électronique pour les photographies ultra-rapides.

Le xénon peut être utilisé dans des lampadaires ou pour l'illumination des stades. On mélange du xénon, du mercure et du sodium ensemble dans une lampe à décharge. La tension électrique à laquelle est soumis le mélange de gaz provoque un réchauffement qui produit directement de la lumière. Après avoir été soumis à une très forte tension (de 8 000 à 12 000 watts), le mélange se comporte comme une résistance électrique. Il devient ensuite conducteur par l'établissement d'un arc et il produit finalement de la lumière. Lorsque le montage fonctionne, il suffit de baisser la tension à une centaine de volts pour l'entretenir.

Le xénon possède neuf isotopes naturels. Il s'agit des Xe-124 à Xe-136. Le xénon-133 est utilisé pour étudier les fonctions cardiaques, respiratoires et circulatoires. Il est à noter que le xénon peut se combiner à un autre élément pour former un composé chimique stable. Il s'agit là du tétrafluorure de xénon (XeF₄). Le xénon est le gaz noble le plus lourd après le radon.

Le radon pour sa part est un élément radioactif et il provient d'émanations du radium. Il fut la dernière découverte de Ramsay et Rayleigh peu après le xénon. Le radon, quand il est enfermé dans un tube et qu'on fait passer un courant électrique dedans, donne une couleur blanche tirant sur le vert. Le radon possède 3 isotopes naturels radioactifs. Il s'agit de Rn-219, Rn-220 et et Rn-222. Le radon est utilisé pour imiter et influencer des réactions chimiques. Il sert aussi à vérifier l'état des filtres et également comme une bonne source de neutrons. Il est aussi utilisé dans les appareils servant à prévoir les tremblements de terre. Une certaine toxicité est causée par ses rayons ionisants.

On dit que le taux de radon dans les maisons varie en fonction de la température de ces dernières. Dans les belles journées chaudes, le taux de concentration de radon est beaucoup plus élevé. Dans les journées nuageuses et venteuses, la concentration en radon tend à diminuer. Des statistiques ont démontré que le radon-222 entre à 25 % par les joints des murs et des planchers et le 75 % qui reste pénètre par les murs et les planchers mais, cette fois-ci, par diffusion. A cause de sa radioactivité, le radon est très utilisé en radiographie et en radiothérapie. Son point d'ébullition est - 61,8 degrés C et celui de fusion -71 degrés C.

Le radon est un gaz assez dangereux, mais comme c'est un gaz inerte, on peut le respirer sans subir de graves dommages. Néanmoins, les sous-produits du radon peuvent se fixer à des particules de poussière qui, une fois dans notre corps, se déposent dans les bronches et les particules alpha que ces sous-produits dégagent peuvent leur causer des dommages.

Malgré toutes les études qui ont été faites sur le radon et ses descendants, il existe encore beaucoup d'incertitudes quant aux dommages que pourraient engendrer ce produit radioactif. Le radon se retrouve partout dans la nature et s'infiltre dans les édifices par les fissures, les joints des murs, les planchers en terre, les canalisations de drainage, les pompes et les puisards. La concentration de ce gaz dépend de la ventilation de l'immeuble.
Aux États-Unis, en 1988, l'Assistant Surgeon General a obligé les Américains à faire vérifier le taux de radon dans leurs habitations à cause d'un danger possible de cancer. Le Canada n'a pas fait subir de tels tests à ses habitants, car le ministère fédéral de la Santé et du Bien-être social a conclu qu'il n'y avait aucun rapport entre le cancer du poumon et la concentration de radon.

En raison de l'incertitude quant aux dangers du radon, les normes quant à la concentration maximale acceptable pour la population varient d'un pays à l'autre. Au Canada, on estime que moins d'un dixième d'un pour-cent, c'est-à-dire moins de 8 000 habitations, ont un niveau de concentration en radon suffisamment élevé pour nécessiter des mesures correctives.

En résumé, les six gaz rares ne réagissent pas entre eux ou avec d'autres gaz. C'est pour cela qu'ils sont dits inertes. Ils ne sont pas nocifs pour nous, c'est pourquoi ils ont plusieurs utilités. Les gaz rares se ressemblent beaucoup d'une certaine manière, car ce sont les seuls à posséder huit électrons à leur dernière couche, à part l'hélium qui en possède deux. Ils sont utilisés surtout dans les enseignes commerciales et les lasers. Un jour, nous découvrirons peut-être qu'ils ne sont pas si rares que ça, mais, pour l'instant, ils sont les seuls dans leur catégorie.

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Recherche : Chantal Bourassa, École secondaire Le Ber, Sherbrooke, QC

Gaz inertes par C. Bourassa Familles chimiques Carrefour atomique Le monde de Mendeleïev Les mondes de CyberScol CyberScol