Argon

Description

Le troisième gaz le plus courant dans l’air et totalement indifférent à toute réaction avec celui-ci.

Propriétés physiques

Propriétés atomiques

Découverte et histoire

La découverte et l’histoire de l’argon

L’anomalie de l’azote

La découverte de l’argon a commencé par une anomalie intrigante qui allait tourmenter les scientifiques pendant plus d’un siècle. En 1785, Henry Cavendish (1731-1810), aristocrate et scientifique britannique excentrique, réalisa une expérience remarquable dans son laboratoire privé de Clapham Common. À l’aide d’étincelles électriques pour combiner l’azote atmosphérique avec l’oxygène, il remarqua qu’une minuscule bulle de gaz — environ 1/120 du volume initial — refusait obstinément de réagir.

Cavendish rapporta en 1785 dans les Philosophical Transactions de la Royal Society qu’une petite bulle de gaz, ne représentant pas plus de 1/120 de l’azote de départ, refusait de réagir. Cette observation allait rester inactive pendant plus d’un siècle.

La précision persistante de Lord Rayleigh

John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh (1842-1919) se heurta à une contradiction exaspérante dans son laboratoire privé de Terling Place, dans l’Essex, au cours des années 1890. Alors qu’il tentait de vérifier les masses atomiques avec une grande précision, il constata qu’un ballon de verre rempli d’azote extrait de l’air pesait systématiquement plus que le même ballon rempli d’azote produit à partir de composés chimiques : environ 2,310 grammes de gaz contre 2,299 grammes.

Cette différence d’environ 0,01 gramme — environ 0,5 % — aurait été considérée par la plupart des scientifiques comme une erreur expérimentale. Mais Rayleigh, avec son attention obsessionnelle aux détails, répéta les mesures des dizaines de fois sur trois ans. Il essaya différentes sources : azote provenant du monoxyde d’azote, azote provenant du protoxyde d’azote, azote provenant de composés ammoniacaux — toutes donnaient la masse la plus faible. Seul l’azote atmosphérique restait obstinément plus lourd.

Frustré, Rayleigh publia une lettre dans la revue Nature le 29 septembre 1892 : « Certains résultats récents concernant la masse volumique de l’azote me laissent très perplexe, et je serais reconnaissant à l’un de vos lecteurs chimistes de proposer des explications sur leur cause. »

Le génie chimique de William Ramsay

Sir William Ramsay (1852-1916), brillant chimiste écossais de l’University College London, lut la lettre de Rayleigh avec un vif intérêt. Ramsay possédait l’expertise chimique nécessaire pour compléter les mesures physiques de Rayleigh.

Au début de 1894, Ramsay entreprit des expériences parallèles selon une approche différente. Au lieu de retirer l’oxygène et la vapeur d’eau de l’air, il tenta de retirer l’azote lui-même, en laissant ce qui pouvait subsister. À l’aide de magnésium porté au rouge pour absorber l’azote (3Mg + N₂ → Mg₃N₂), Ramsay consomma progressivement tout l’azote d’un échantillon d’air.

Après des semaines de travail minutieux, un résidu persistant demeurait — environ 1 % du volume initial. Ce gaz refusait de réagir avec tout réactif chimique essayé par Ramsay : sodium, potassium, phosphore, ou les acides et bases les plus agressifs.

La percée collaborative

Comprenant qu’ils étudiaient le même phénomène, Rayleigh et Ramsay commencèrent à collaborer en avril 1894. Leur expertise combinée — les mesures précises de Rayleigh et la synthèse chimique de Ramsay — se révéla décisive.

Travaillant dans des laboratoires parallèles reliés par des lettres et des télégrammes fréquents, ils isolèrent des échantillons purs du gaz mystérieux. Rayleigh mesura sa masse volumique : 19,9 fois plus lourd que l’Hydrogène, contre 14,0 pour l’azote. Ramsay détermina son spectre : complètement différent de celui de tout élément connu, avec des raies rouges et vertes brillantes jamais observées auparavant.

Le gaz était totalement inerte chimiquement — il ne formait absolument aucun composé, défiant les théories contemporaines de la liaison chimique. Ramsay tenta de provoquer des réactions par toutes les méthodes connues : décharges électriques, très hautes températures, puissants agents oxydants, et même du Fluor gazeux. Rien ne fonctionna.

Nommer l’élément « paresseux »

Le 13 août 1894, lors de la réunion de la British Association à Oxford, Rayleigh et Ramsay annoncèrent conjointement leur découverte. Ils proposèrent le nom « argon », issu du grec « argos », signifiant « paresseux » ou « inactif », en référence à son inertie chimique complète.

L’annonce suscita immédiatement la controverse. Dmitri Mendeleev (1834-1907), créateur du tableau périodique, refusa d’abord d’accepter l’existence de l’argon, affirmant qu’aucun élément ne pouvait être totalement inerte. La découverte remettait en cause les hypothèses fondamentales sur les liaisons atomiques et nécessitait d’élargir le tableau périodique pour y intégrer les gaz nobles.

Validation et reconnaissance

Le scepticisme se dissipa progressivement lorsque d’autres scientifiques reproduisirent les expériences. Les tentatives de Moissan pour faire réagir l’argon avec le Fluor échouèrent complètement, confirmant son inertie. L’analyse spectroscopique de William Crookes révéla la signature atomique unique de l’argon.

La Royal Society décerna à Ramsay la médaille Davy en 1895. Rayleigh reçut le prix Nobel de physique en 1904 « pour ses recherches sur les masses volumiques des gaz les plus importants et pour sa découverte de l’argon dans le cadre de ces études », tandis que Ramsay reçut le prix Nobel de chimie en 1904 « en reconnaissance de ses services dans la découverte des éléments gazeux inertes présents dans l’air et de la détermination de leur place dans le système périodique ».

L’ouverture de la famille des gaz nobles

La découverte de l’argon transforma la chimie en révélant une famille entièrement nouvelle d’éléments. Ramsay découvrit ensuite l’ Hélium (1895), le Néon (1898), le Krypton (1898) et le Xénon (1898), établissant le groupe des gaz nobles.

Ces travaux imposèrent une révision complète du tableau périodique, avec l’ajout du groupe 18 (anciennement groupe 0), et démontrèrent que le système de Mendeleev pouvait intégrer des éléments totalement inattendus. La découverte valida également la puissance des mesures de précision : une différence de masse volumique de 0,6 % conduisit à des découvertes fondamentales sur la structure atomique.

Développement industriel

La production commerciale d’argon commença au début du XXe siècle avec le développement de la technologie de liquéfaction de l’air. Les usines de séparation de l’air de Carl von Linde (1842-1934), conçues à l’origine pour produire de l’oxygène, furent adaptées afin d’extraire l’argon comme sous-produit précieux.

Georges Claude (1870-1960) fut un pionnier des applications industrielles, utilisant l’argon dans les premiers éclairages électriques et jetant les bases des industries modernes des gaz industriels. En 1930, des entreprises comme L’Air Liquide et Linde produisaient déjà des milliers de tonnes d’argon par an pour les applications émergentes de soudage et de métallurgie.

Isotopes

Données : IAEA Nuclear Data Section, LiveChart of Nuclides, évaluations des états fondamentaux, consultées le 10 octobre 2026. L’abondance est la part des atomes dans l’élément naturel ; un tiret signifie que l’isotope n’a pas d’abondance naturelle de référence.

Applications et utilisations

Applications industrielles de l’argon

Soudage et fabrication métallique

L’argon domine le soudage sous gaz inerte en tant que gaz de protection le plus utilisé, représentant 70% de la production mondiale d’argon . Ses applications comprennent :

Soudage TIG (Tungsten Inert Gas) : L’argon pur crée des arcs stables pour le soudage de précision de l’acier inoxydable, de l’aluminium et d’alliages spéciaux dans la fabrication aérospatiale

Soudage MIG (Metal Inert Gas) : Les mélanges argon-CO₂ (75-95% Ar) offrent une pénétration et un aspect du cordon optimaux pour l’acier de construction

Découpe au plasma : Le plasma d’argon atteint 20 000°C et découpe avec précision les métaux épais dans la construction navale et les machines lourdes

Soudage orbital : L’argon ultrapur (99,999%) garantit des joints exempts de contamination dans les canalisations des secteurs des semi-conducteurs et pharmaceutique

De grands fournisseurs de gaz industriels comme Air Liquide , Linde et Air Products produisent de l’argon de qualité soudage dans des installations du monde entier, au service de constructeurs automobiles comme Ford, Toyota et BMW.

Acier et métallurgie

L’argon joue des rôles essentiels dans la production d’acier et le traitement des métaux :

Décarburation argon-oxygène (AOD) : Élimine le carbone de l’acier inoxydable en fusion tout en préservant le chrome, ce qui permet de produire des nuances d’acier inoxydable 316L et duplex

Barbotage en poche : L’agitation par l’argon homogénéise la composition de l’acier en fusion et élimine les inclusions

Coulée continue : La protection par l’argon empêche l’oxydation pendant la solidification de l’acier

Production de titane : Les atmosphères d’argon empêchent la contamination pendant la fusion par faisceau d’électrons et la métallurgie des poudres

Refusion à l’arc sous vide (VAR) : Les métaux ultrapurs destinés aux applications aérospatiales nécessitent une fusion protégée par l’argon

ArcelorMittal et Nucor Steel consomment des milliers de tonnes d’argon chaque mois dans leurs aciéries intégrées.

Fabrication électronique et production de semi-conducteurs

L’industrie électronique nécessite de l’argon de très haute pureté (99,9999%+) pour les procédés critiques :

Croissance de cristaux de silicium : Le procédé de Czochralski utilise des atmosphères d’argon pour faire croître des lingots de silicium sans défaut destinés aux puces électroniques

Pulvérisation cathodique : Les ions d’argon bombardent les matériaux cibles afin de déposer des films minces lors de la fabrication des semi-conducteurs

Implantation ionique : L’argon sert de gaz vecteur pour l’introduction de dopants dans les tranches de silicium

Recuit : Le traitement thermique des composants électroniques sous argon empêche l’oxydation

Fabrication de LED : Les atmosphères d’argon utilisées pendant la croissance de l’arséniure de gallium garantissent des diodes électroluminescentes à haut rendement

Intel , TSMC et Samsung exploitent des systèmes de purification de l’argon dans leurs fonderies avancées, consommant de l’argon pur à 99,9999%.

Fabrication du verre et des fenêtres

Les propriétés thermiques de l’argon le rendent idéal pour les vitrages à haute efficacité énergétique :

Fenêtres à double vitrage : Le remplissage à l’argon (concentration de 85-95%) réduit le transfert de chaleur de 30% par rapport à l’air

Systèmes à triple vitrage : Plusieurs cavités remplies d’argon atteignent des valeurs U inférieures à 0,15 Btu/hr·ft²·°F

Production de verre flotté : Une atmosphère d’azote et d’hydrogène (et non d’argon) empêche l’oxydation de l’étain pendant la formation du verre plat

Verres spéciaux : La fabrication de fibres optiques nécessite une fusion de silice ultrapure protégée par l’argon

Guardian Glass et Pilkington remplissent chaque année des millions de vitrages isolants avec de l’argon dans des usines de fabrication en Amérique du Nord et en Europe.

Éclairage et applications du plasma

L’argon permet diverses technologies d’éclairage et procédés au plasma :

Ampoules à incandescence : Le remplissage à l’argon empêche l’évaporation du filament de tungstène et prolonge la durée de vie de l’ampoule

Lampes fluorescentes : Les mélanges argon-mercure créent un rayonnement UV pour l’excitation des luminophores

Écrans à plasma : Des cellules de gaz néon-xénon émettent un rayonnement ultraviolet qui excite des luminophores colorés

Enseignes au néon : L’argon pur crée une lumière bleue, et mélangé au mercure une lumière bleu-blanc

Torches de découpe au plasma : Les plasmas d’argon découpent les métaux non ferreux sans oxydation

Cryogénie et recherche scientifique

L’argon liquide (-185,8°C) est utilisé dans des applications spécialisées :

Conservation cryogénique : Stockage à très basse température d’échantillons biologiques et de matériaux supraconducteurs

Physique des particules : Les chambres à projection temporelle à argon liquide détectent les neutrinos et la matière noire

Refroidissement des supraconducteurs : L’argon fournit une étape intermédiaire de refroidissement pour les supraconducteurs à haute température

Chimie analytique : Gaz vecteur dans la chromatographie en phase gazeuse et la spectroscopie à plasma à couplage inductif

Fermilab et CERN utilisent des milliers de litres d’argon liquide dans les expériences de détection des neutrinos et les composants d’accélérateurs de particules.

Sources naturelles

Séparation de l’air

Abondance