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Si quelqu'un vous demande de nommer les trois gaz les plus abondants dans l'atmosphère terrestre, vous pouvez choisir, dans un ordre quelconque, l'oxygène, le dioxyde de carbone et l'azote. Si oui, vous auriez raison - la plupart du temps. C’est un fait peu connu que derrière l’azote (N2) et d'oxygène (O2), le troisième gaz le plus abondant est l'argon, un gaz rare, représentant un peu moins de 1% de la composition invisible de l'atmosphère.
Les six gaz nobles tirent leur nom du fait que, d’un point de vue chimique, ces éléments sont distants, voire hautains: ils ne réagissent pas avec d’autres éléments, ils ne se lient donc pas à d’autres atomes pour former des composés plus complexes. Plutôt que de les rendre inutiles dans l’industrie, toutefois, cette tendance à se préoccuper de leurs propres affaires nucléaires est ce qui rend certains de ces gaz utiles à des fins spécifiques. Les cinq utilisations principales de l'argon, par exemple, incluent son placement dans des néons, sa capacité à aider à déterminer l'âge de substances très anciennes, son utilisation comme isolant dans la fabrication des métaux, son rôle de gaz de soudage et son utilisation en 3D. ing.
Essentiels des gaz nobles
Les six gaz nobles - hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon - occupent la colonne la plus à droite du tableau périodique des éléments. (Tout examen d'un élément chimique doit être accompagné d'un tableau périodique; voir la section Ressources pour un exemple interactif.) Dans la réalité, cela implique que les gaz rares ne possèdent pas d'électrons partageables. Un peu comme une boîte de casse-tête contenant le nombre exact de pièces, argon et ses cinq cousins ne présentent aucune pénurie subatomique qui doit être corrigée par des dons provenant d’autres éléments, et il n’y a pas d’extras pour faire un don à tour de rôle. Le terme formel pour cette non-réactivité des gaz rares est "inerte".
Comme un puzzle terminé, un gaz rare est très stable chimiquement. Cela signifie que, comparé à d'autres éléments, il est difficile de neutraliser les électrons les plus externes des gaz rares en utilisant un faisceau d'énergie. Cela signifie que ces éléments - les seuls éléments pouvant exister sous forme de gaz à la température ambiante, les autres étant tous des liquides ou des solides - ont ce que l’on appelle une énergie d’ionisation élevée.
L'hélium, avec un proton et un neutron, est le deuxième élément le plus abondant dans l'univers derrière l'hydrogène, qui ne contient qu'un proton. La gigantesque réaction de fusion nucléaire en cours qui explique que les étoiles soient des objets extrêmement brillants n’est rien d’autre que d’innombrables atomes d’hydrogène se heurtant pour former des atomes d’hélium sur une période de milliards d’années.
Lorsque l'énergie électrique passe à travers un gaz rare, de la lumière est émise. C'est la base des enseignes au néon, terme générique désignant tout affichage de ce type créé à l'aide d'un gaz rare.
Propriétés de l'argon
L'argon, en abrégé Ar, est l'élément numéro 18 du tableau périodique, ce qui en fait le troisième plus léger des six gaz rares derrière l'hélium (numéro atomique 2) et le néon (numéro 10). Comme il sied à un élément qui vole sous le radar chimique et physique sauf si provoqué, il est incolore, inodore et sans goût. Il a un poids moléculaire de 39,7 grammes par mole (également appelé daltons) dans sa configuration la plus stable. Vous vous souviendrez peut-être d'une autre lecture que la plupart des éléments sont des isotopes, qui sont des versions du même élément avec un nombre différent de neutrons et donc de masses différentes (le nombre de protons ne change pas ou l'identité de l'élément lui-même devrait changer ). Cela a des implications critiques dans l’un des principaux usages de l’argon.
Usages de l'argon
Néons: Comme décrit, les gaz rares sont utiles pour créer des néons. L'argon, ainsi que le néon et le krypton, est utilisé à cette fin. Lorsque l'électricité passe à travers le gaz d'argon, elle excite temporairement les électrons en orbite les plus à l'extérieur et les fait basculer brièvement vers un "niveau" d'enveloppe, ou niveau d'énergie. Lorsque l'électron revient alors à son niveau d'énergie habituel, il émet un photon - un paquet de lumière sans masse.
Datation par radio-isotope: L'argon peut être utilisé avec le potassium, ou K, élément numéro 19 du tableau périodique, pour dater des objets âgés de 4 milliards d'années. Le processus fonctionne comme ceci:
Le potassium a habituellement 19 protons et 21 neutrons, ce qui lui donne à peu près la même masse atomique que l'argon (un peu moins de 40) mais avec une composition différente de protons et de neutrons. Lorsqu'une particule radioactive connue sous le nom de particule bêta entre en collision avec du potassium, elle peut convertir l'un des protons du noyau de potassium en neutron, transformant l'atome lui-même en argon (18 protons, 22 neutrons). Cela se produit à un taux prévisible et fixe dans le temps et très lentement. Ainsi, si les scientifiques examinent un échantillon de, par exemple, de roche volcanique, ils peuvent comparer le rapport argon-potassium dans l'échantillon (qui augmente progressivement avec le temps) au rapport qui existerait dans un échantillon "flambant neuf", et déterminer comment vieux le rocher est.
Notez que ceci est distinct de "datation au carbone", terme qui est souvent utilisé à tort pour désigner de manière générique l'utilisation de méthodes de décroissance radioactive pour dater des objets anciens. La datation au carbone, qui est juste un type spécifique de datation par radio-isotope, n’est utile que pour des objets dont l’âge connu est de l’ordre de plusieurs milliers d’années.
Gaz de protection en soudage: L'argon est utilisé dans le soudage d'alliages spéciaux ainsi que dans le soudage de châssis d'automobiles, de silencieux et d'autres pièces automobiles. C'est ce qu'on appelle un gaz de protection car il ne réagit pas avec les gaz et les métaux qui flottent à proximité des métaux à souder; il occupe simplement de la place et empêche d'autres réactions indésirables de se produire à proximité en raison de gaz réactifs tels que l'azote et l'oxygène.
Traitement thermique: En tant que gaz inerte, l'argon peut être utilisé pour fournir un réglage sans oxygène ni azote pour les processus de traitement thermique.
3-D ing: L'argon est utilisé dans le domaine en plein essor de l'ingénierie tridimensionnelle. Pendant le chauffage et le refroidissement rapides du matériau ingérant, le gaz empêchera l'oxydation du métal et d'autres réactions et pourra limiter l'impact des contraintes. L'argon peut également être mélangé à d'autres gaz pour créer des mélanges spéciaux au besoin.
Production de métal: Semblable à son rôle dans le soudage, l'argon peut être utilisé dans la synthèse des métaux par d'autres procédés, car il empêche l'oxydation (rouille) et déplace les gaz indésirables tels que le monoxyde de carbone.
Dangers de l'argon
Le fait que l'argon soit chimiquement inerte ne signifie pas, malheureusement, qu'il ne présente aucun risque potentiel pour la santé. Le gaz argon peut irriter la peau et les yeux au contact et, sous sa forme liquide, il peut causer des engelures (il existe relativement peu d'utilisations de l'huile d'argon et "l'huile d'argan", un ingrédient commun des cosmétiques, n'est même pas la même chose argon). Des niveaux élevés de gaz argon dans l'air dans un environnement clos peuvent déplacer l'oxygène et entraîner des problèmes respiratoires allant de légers à graves, en fonction de la quantité d'argon présente. Il en résulte des symptômes de suffocation, notamment des maux de tête, des vertiges, de la confusion, des faiblesses et des tremblements à l'extrémité la plus douce, ainsi que le coma et même la mort dans les cas les plus extrêmes.
En cas d'exposition connue de la peau ou des yeux, le traitement de choix est le rinçage à l'eau tiède. Lorsque l'argon a été inhalé, une assistance respiratoire standard, y compris l'oxygénation au moyen d'un masque, peut être nécessaire pour ramener le taux d'oxygène dans le sang à un niveau normal; sortir la personne touchée de l'environnement riche en argon est également nécessaire.