Pourquoi la masse atomique de l’argon est-elle un intervalle ?
L’IUPAC donne la masse atomique standard de l’argon comme [39,792 ; 39,963]. Cet intervalle couvre 0,17 unité — l’un des plus larges du tableau périodique, et étonnamment large pour un élément léger.
La cause est la même que pour le plomb, et elle est radiogénique. L’argon naturel est très majoritairement de l’argon 40, avec de faibles quantités d’argon 36 et d’argon 38. Or l’argon 40 n’est pas primordial : presque tout provient de la désintégration du potassium 40, décrite en détail sur la page du potassium.
La composition isotopique d’un échantillon dépend donc entièrement de l’histoire en potassium de sa provenance. L’argon atmosphérique, accumulé depuis toute la croûte sur des milliards d’années, est à environ 99,6 % de l’argon 40. L’argon piégé dans de vieux minéraux riches en potassium peut être presque pur en argon 40. L’argon du vent solaire ou des météorites, qui n’a jamais connu de croûte potassique, est au contraire dominé par l’argon 36 — le rapport y est quasiment inverse.
La composition variant tellement selon l’origine, une valeur unique tabulée n’a pas de sens, et l’IUPAC donne l’intervalle.
Cette même variation rend possible la datation argon-argon, et permet aux géochimistes de distinguer l’argon venu du manteau de celui venu de la croûte.
Pourquoi l’argon est-il si abondant dans l’atmosphère ?
L’argon représente 0,93 % de l’atmosphère en volume — plus que le dioxyde de carbone, et troisième après l’azote et l’oxygène. Pourtant, cosmiquement, il est bien plus rare que le néon, qui ne compte que 18 parties par million dans l’air.
La Terre fabrique de l’argon et ne fabrique pas de néon.
Le potassium 40 des roches crustales se désintègre avec une demi-vie d’environ 1,25 milliard d’années, et près de 11 % de ces désintégrations produisent de l’argon 40. Sur l’âge de la planète, cet argon a diffusé hors des minéraux, migré à travers la croûte et s’est accumulé dans l’atmosphère où — inerte et assez lourd pour ne pas s’échapper — il est resté.
Le néon n’avait aucune source de ce genre. Ce que la jeune Terre en possédait fut perdu, et rien ne l’a remplacé.
C’est un cas où une tendance du tableau périodique donne la mauvaise réponse et où la raison est nucléaire plutôt que chimique. Quiconque raisonnerait à partir de la seule abondance cosmique prédirait un argon plus rare que le néon dans l’air. La prédiction échoue parce que l’un des deux est un produit de désintégration.
Comment lire la configuration électronique de l’argon ?
L’état fondamental de l’argon est [Ne] 3s² 3p⁶ : un cœur de néon, une sous-couche 3s saturée et une sous-couche 3p saturée. Électrons par couche : 2, 8, 8.
Tous les électrons sont appariés, le terme spectroscopique est ¹S₀, et la première énergie d’ionisation vaut 1 521 kJ/mol.
L’argon clôt la période 3, et c’est le point où l’ordre de remplissage devient non évident : l’électron suivant, chez le potassium, entre en 4s plutôt qu’en 3d, pour les raisons exposées sur la page du potassium.
La chimie de l’argon est presque, mais pas totalement, inexistante. Un unique composé neutre est connu — le fluorohydrure d’argon, HArF, synthétisé en 2000 — et il n’est stable que sous 17 K environ en matrice solide. C’est un composé de plus que le néon et infiniment moins que le xénon.
La tendance en descendant le groupe 18 est instructive : plus le gaz noble est lourd, plus l’atome est gros et polarisable, plus ses électrons externes sont faiblement retenus, et plus la chimie devient possible. Hélium et néon n’en ont aucune, l’argon un composé aux températures cryogéniques, le krypton une poignée, le xénon des centaines.
Pourquoi l’argon est-il le gaz de protection standard en soudage ?
Le métal fondu réagit avec l’air. L’oxygène l’oxyde, l’azote forme des nitrures fragiles, et l’hydrogène issu de la vapeur d’eau provoque porosités et fissurations. Un cordon réalisé à l’air libre est faible.
Le gaz de protection chasse l’atmosphère du bain de fusion pendant la solidification, et l’argon le fait mieux que les alternatives pour trois raisons.
Il est réellement inerte à toute température, contrairement à l’azote ou au dioxyde de carbone qui réagissent tous deux avec le métal chaud. Il est plus dense que l’air, donc il se dépose sur la pièce au lieu de se disperser. Et il est assez bon marché pour un usage en volume, étant un sous-produit d’unités de séparation d’air qui produisent déjà oxygène et azote.
Ce sont les cas exigeants qui tranchent. Le soudage TIG de l’aluminium, du titane, du magnésium et de l’acier inoxydable réclame tous de l’argon ; y substituer de l’azote ou du CO₂ ruine l’assemblage. Le soudage MIG de l’acier emploie souvent des mélanges argon-CO₂, où une réactivité contrôlée améliore en réalité la stabilité de l’arc et la pénétration.
La même logique dépasse le soudage. L’argon remplit les ampoules à incandescence pour empêcher l’oxydation du filament de tungstène, couvre les métaux fondus en fonderie, protège les réactions sensibles au laboratoire, et conserve le vin en bouteille entamée en déplaçant l’oxygène.
Comment obtient-on l’argon ?
L’argon est séparé de l’air, et il sort des mêmes installations qui produisent l’oxygène et l’azote industriels.
L’air est comprimé, refroidi jusqu’à liquéfaction, puis distillé fractionnellement. Les trois composants principaux se séparent par point d’ébullition : l’azote part le premier à 77 K, l’argon à 87 K, et l’oxygène en dernier à 90 K. Le point d’ébullition de l’argon se situe de façon peu commode entre les deux autres, si bien qu’il est soutiré en flux latéral et purifié dans une colonne dédiée.
Cette position intermédiaire fonde toute l’économie de l’argon. Il ne peut être produit isolément — une unité argon est une section d’une unité oxygène — de sorte que l’offre est liée à la demande d’oxygène et d’azote plutôt qu’à celle d’argon. Quand la sidérurgie ralentit et que la demande d’oxygène recule, l’argon se raréfie quelle que soit l’envie qu’en ont les soudeurs.
À 0,93 % de l’air, la matière première est assez abondante pour que l’argon coûte une fraction du prix du néon ou du krypton, présents à quelques parties par million et exigeant bien plus d’air traité par unité récupérée.