gaz inertes (suite)

État naturel

L’hélium est beaucoup moins abondant sur la Terre que dans les étoiles et même sur certaines planètes de grande taille. On le trouve en faible teneur dans l’air et on le retire industriellement de certains gaz naturels constitués surtout de méthane et d’hydrocarbures, mais qui se trouvent dans quelques rares cas avoir une teneur appréciable en hélium allant jusqu’à 8 p. 100. Comme le montre l’analyse de l’air, l’argon est le gaz inerte le plus abondant sur la Terre. Quant aux isotopes principaux du radon, ils sont tous les trois émetteurs de particules et se trouvent en très faibles teneurs dans les produits de transformations radio-actives naturelles des minerais d’uranium et de thorium selon les trois réactions nucléaires spontanées suivantes :

(la période de cet isotope²²²Rn est de 3,8 j),

(la période de l’isotope²²⁰Rn est de 54,5 s),

(la période de cet isotope²¹⁹Rn n’est que de 3,9 s).

Atome

Les numéros atomiques Z de ces éléments et leurs structures électroniques respectives dans l’état fondamental des atomes sont indiqués dans le tableau suivant :

On voit que la couche électronique externe est complète avec les deux électrons de l’hélium ou formée de l’ensemble particulièrement inerte et saturé de 8 électrons (2s et 6p).

Les énergies respectives de première ionisation ont les valeurs données dans le tableau suivant en électrons-volts :

L’énergie nécessaire pour la deuxième ionisation de l’hélium est de 54,5 eV.

Les rayons atomiques sont en angströms :

Les propriétés nucléaires de l’hélium sont particulièrement remarquables.

On connaît à l’état naturel deux isotopes non radio-actifs : l’isotope de nombre de masse 4, qui représente la quasi-totalité de l’hélium, et l’isotope 3, qui ne constitue que 13 . 10^–5 p. 100 de l’hélium. Le noyau de l’isotope 4 constitue les particules α. Des noyaux d’hélium prendraient naissance dans les étoiles et le Soleil par fusion nucléaire. Bethe* a proposé une description de cette formation très exo-énergétique d’hélium dans les étoiles. Le bilan global s’écrirait :

La conversion de l’hélium 4 en¹²C,¹⁶O et²⁰Ne se produit dans les étoiles dont la température est voisine de 10⁸ °C selon des bilans tels que :⁴He + 4He → ⁸Be ;
⁸Be + ⁴He → ¹²C, que l’on peut encore écrire⁸Be(α, γ)¹²C ;
¹²C + ⁴He → ¹⁶O, que l’on peut encore écrire¹²C(α, γ)¹⁶O ;
¹⁶O + ⁴He → ²⁰Ne, que l’on peut encore écrire¹⁶O(α, γ)²⁰Ne.

À des températures d’environ 2 . 10⁸ °C, un processus de réactions nucléaires, appelé processus α, devient possible, car les rayons γ produits au cours des réactions de consommation d’hélium qui ont été présentées dans les lignes précédentes peuvent provoquer la transformation :
²⁰Ne + γ → ¹⁶O + ⁴He.

Dans cette dernière transformation nucléaire, le noyau d’hélium 4 est émis avec une telle énergie que les réactions d’addition de particules α peuvent se poursuivre selon²⁰Ne(α, γ)²⁴Mg ;²⁴Mg(α, γ)²⁸Si... jusqu’à⁴⁰Ca et vraisemblablement⁴⁸Ti. Les éléments de la deuxième ligne du tableau de classification périodique prendraient naissance vers 3 . 10⁹ °C. Deux types de réactions nucléaires mettant en jeu la capture des neutrons sont actuellement considérés comme responsables de la production de la majorité des nucléides que ne produit pas le processus α.

On considère que la rareté de²H et des éléments Li, Be et B dans l’Univers, comparée à la teneur en noyau¹H et en éléments He, C, N et O, est due pour une part à la faible efficacité des réactions nucléaires de formation de ces premiers noyaux et pour une autre part à leur consommation dans des processus de conversion en hélium tels que
²H(p, γ)³He,⁶Li(p, α)³He et¹¹B(p, α)⁸Be → 2 ⁴He.

On considère actuellement que l’Univers est formé pour 90 p. 100 d’hydrogène et pour 9 p. 100 d’hélium.

C’est une réaction nucléaire induite par les particules α qui permit en 1919 à Rutherford de découvrir l’existence des transformations nucléaires induites ; cette transformation était la suivante :

Avec des noyaux d’hélium 4 portés à une haute énergie (égale et même supérieure à 300 MeV) dans un accélérateur, on a produit des réactions nucléaires (α, n) telles que ⁷⁵As(α, n)⁷⁸Br.

C’est encore en analysant l’effet du bombardement de noyaux par des particules α que F. et I. Joliot-Curie découvrirent en 1934 des noyaux radio-actifs artificiels ; ainsi :

le silicium est stable, mais le phosphore 30 est radio-actif et émetteur de rayons β⁺.

Corps simples et composés

La structure saturée de la couche électronique externe explique que les atomes de ces éléments ne s’associent pratiquement jamais à d’autres atomes et qu’en conséquence les corps simples soient toujours à l’état de molécules monoatomiques sous tous les états physiques, d’où des corps ne se liquéfiant qu’à basse température et ayant des points de fusion particulièrement faibles.

L’hélium ne se solidifie que sous pression (à 0,9 K sous 26 atm). Refroidi à 2,18 K sous 1 atm, l’hélium liquide prend des propriétés particulières et constitue l’hélium II, qui a une très forte conductivité thermique (600 fois celle du cuivre à température ordinaire), une très basse viscosité et, dans certaines circonstances, une tendance à s’écouler le long des parois du récipient qui le contient correspondant à l’« effet fontaine » : ces propriétés anormales appartiennent à l’isotope 4 de l’hélium et ont été expliquées par la statistique de Bose - Einstein.

On ne connaît pratiquement que les fluorures de xénon et de radon, en particulier XeF₂, XeF₄ et XeF₆, comme composés mettant en jeu une liaison de covalence.