Le xénon est un élément rare dans l'univers, produit principalement par nucléosynthèse stellaire lors des phases avancées de l'évolution stellaire. Contrairement aux éléments légers formés peu après le Big Bang, le xénon est créé par des processus de capture neutronique dans les étoiles massives et lors d'événements cataclysmiques.
Le xénon est produit principalement par deux processus de nucléosynthèse : le processus s (slow, capture lente de neutrons) dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB) et le processus r (rapid, capture rapide de neutrons) lors des explosions de supernovae et des fusions d'étoiles à neutrons. Ces processus créent les neuf isotopes stables du xénon observés naturellement. Les vents stellaires des étoiles AGB et les éjectas de supernovae enrichissent ensuite le milieu interstellaire en xénon.
Dans le système solaire, le xénon présente une anomalie intrigante connue sous le nom d'« anomalie du xénon manquant ». L'atmosphère terrestre est appauvrie en xénon par rapport aux prévisions basées sur les abondances solaires et météoritiques. Cette énigme suggère que le xénon a pu être piégé dans les minéraux terrestres profonds sous haute pression ou perdu dans l'espace durant les phases précoces de formation de la Terre. L'étude des rapports isotopiques du xénon dans les météorites, les atmosphères planétaires et les gaz nobles piégés dans les roches fournit des informations cruciales sur l'histoire du système solaire.
Les neuf isotopes stables du xénon (\(\,^{124}\mathrm{Xe}\) à \(\,^{136}\mathrm{Xe}\)) ont des abondances distinctes reflétant leurs origines nucléosynthétiques variées. Le \(\,^{129}\mathrm{Xe}\) est particulièrement intéressant car il provient en partie de la décroissance radioactive de l'\(\,^{129}\mathrm{I}\) éteint (demi-vie de 15,7 millions d'années), offrant des contraintes temporelles précieuses sur la formation du système solaire. Le \(\,^{136}\mathrm{Xe}\) peut subir une double désintégration bêta, un processus nucléaire extrêmement rare étudié en physique des particules fondamentales.
Le xénon joue un rôle central dans la recherche moderne en physique fondamentale. Des détecteurs utilisant plusieurs tonnes de xénon ultra-pur à l'état liquide, installés dans des laboratoires souterrains profonds, sont employés pour détecter les hypothétiques particules de matière noire (WIMPs) et étudier les propriétés des neutrinos. La pureté exceptionnelle, la densité élevée et les propriétés de scintillation du xénon en font un candidat idéal pour ces expériences de physique fondamentale cherchant à percer les mystères de l'univers invisible.
Le xénon fut découvert en 1898 par les chimistes britanniques William Ramsay (1852-1916) et Morris Travers (1872-1961) à l'University College de Londres. Cette découverte survint peu après celle du krypton et du néon, dans le cadre de leurs recherches systématiques sur les gaz rares de l'atmosphère. Ramsay et Travers isolèrent le xénon par distillation fractionnée de l'air liquide, séparant les composants selon leurs différents points d'ébullition. Après avoir évaporé le krypton, ils découvrirent un résidu gazeux encore plus lourd qui émettait une lumière bleue brillante lorsqu'il était excité électriquement dans un tube à décharge.
Le nom xénon provient du grec xenos (ξένος) signifiant « étranger » ou « inconnu », reflétant la surprise des découvreurs face à ce gaz inattendu. Ramsay reçut le prix Nobel de chimie en 1904 pour sa découverte des gaz nobles (hélium, néon, argon, krypton, xénon). Pendant plusieurs décennies, le xénon fut considéré comme totalement inerte chimiquement. Cette certitude fut bouleversée en 1962 lorsque le chimiste britannique Neil Bartlett synthétisa le premier composé du xénon, l'hexafluoroplatinate de xénon, révolutionnant notre compréhension de la réactivité des gaz nobles et ouvrant un nouveau chapitre en chimie.
N.B. :
Les lampes au xénon ont révolutionné l'éclairage automobile et cinématographique depuis les années 1990. Leur lumière blanche brillante, proche du spectre solaire, offre une meilleure visibilité nocturne et un rendu des couleurs supérieur aux lampes halogènes traditionnelles. Les projecteurs de cinéma IMAX utilisent des lampes au xénon de très haute puissance pour projeter sur des écrans géants avec une luminosité exceptionnelle. Cependant, la rareté du xénon (seulement 0,087 parties par million dans l'air) en fait l'un des gaz les plus chers au monde, avec un prix pouvant atteindre plusieurs milliers d'euros par kilogramme. Cette rareté pousse l'industrie à développer des technologies alternatives comme les LED tout en cherchant à recycler le xénon des lampes usagées pour préserver cette ressource précieuse.
Le xénon (symbole Xe, numéro atomique 54) est un gaz noble du groupe 18 du tableau périodique, constitué de cinquante-quatre protons, généralement soixante-dix-huit neutrons (pour l'isotope le plus courant) et cinquante-quatre électrons. Il possède neuf isotopes stables naturels : \(\,^{124}\mathrm{Xe}\) (0,095 %), \(\,^{126}\mathrm{Xe}\) (0,089 %), \(\,^{128}\mathrm{Xe}\) (1,910 %), \(\,^{129}\mathrm{Xe}\) (26,401 %), \(\,^{130}\mathrm{Xe}\) (4,071 %), \(\,^{131}\mathrm{Xe}\) (21,232 %), \(\,^{132}\mathrm{Xe}\) (26,909 %), \(\,^{134}\mathrm{Xe}\) (10,436 %), et \(\,^{136}\mathrm{Xe}\) (8,857 %).
À température ambiante, le xénon se présente sous forme de gaz monoatomique, incolore, inodore et généralement inerte chimiquement. Cependant, contrairement aux gaz nobles plus légers (hélium, néon, argon, krypton), le xénon peut former des composés chimiques dans certaines conditions, notamment avec le fluor et l'oxygène. Le xénon est le gaz noble naturel le plus dense, avec une concentration atmosphérique d'environ 0,087 parties par million en volume. Le gaz Xe a une densité d'environ 5,894 g/L à température et pression standard, ce qui le rend environ 4,5 fois plus dense que l'air. La température à laquelle les états liquide et solide peuvent coexister (point de fusion) : 161,40 K (-111,75 °C). La température à partir de laquelle il passe de l'état liquide à l'état gazeux (point d'ébullition) : 165,051 K (-108,099 °C).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Décroissance / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Xénon-124 — \(\,^{124}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 70 | 123.905893 u | ˜ 0.095 % | Stable (théoriquement radioactif) | Isotope le plus léger ; double capture électronique théorique avec demi-vie > 10¹⁴ ans. |
| Xénon-126 — \(\,^{126}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 72 | 125.904274 u | ˜ 0.089 % | Stable | Isotope rare produit par le processus s de nucléosynthèse stellaire. |
| Xénon-128 — \(\,^{128}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 74 | 127.903531 u | ˜ 1.910 % | Stable | Produit principalement par le processus s dans les étoiles AGB. |
| Xénon-129 — \(\,^{129}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 75 | 128.904779 u | ˜ 26.401 % | Stable | Isotope très abondant ; produit en partie par décroissance de \(\,^{129}\mathrm{I}\) éteint ; traceur important en géochronologie et cosmochimie. |
| Xénon-130 — \(\,^{130}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 76 | 129.903508 u | ˜ 4.071 % | Stable | Utilisé dans les détecteurs de matière noire et de neutrinos. |
| Xénon-131 — \(\,^{131}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 77 | 130.905082 u | ˜ 21.232 % | Stable | Deuxième isotope le plus abondant ; utilisé en IRM du xénon hyperpolarisé pour l'imagerie pulmonaire. |
| Xénon-132 — \(\,^{132}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 78 | 131.904153 u | ˜ 26.909 % | Stable | Isotope le plus abondant ; produit de fission commun dans les réacteurs nucléaires. |
| Xénon-133 — \(\,^{133}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 79 | 132.905910 u | Non naturel | 5.243 jours | Radioactif ß\(^-\) donnant \(\,^{133}\mathrm{Cs}\) ; utilisé en imagerie médicale pulmonaire et pour détecter les essais nucléaires clandestins. |
| Xénon-134 — \(\,^{134}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 80 | 133.905394 u | ˜ 10.436 % | Stable | Isotope abondant produit par le processus s de capture neutronique. |
| Xénon-135 — \(\,^{135}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 81 | 134.907227 u | Non naturel | 9.14 heures | Radioactif ß\(^-\) ; produit de fission important ; fort absorbeur de neutrons (« poison » neutronique dans les réacteurs). |
| Xénon-136 — \(\,^{136}\mathrm{Xe}\,\) | 54 | 82 | 135.907219 u | ˜ 8.857 % | Stable (théoriquement radioactif) | Peut subir une double désintégration bêta (demi-vie mesurée > 10²¹ ans) ; étudié en physique des neutrinos. |
| Autres isotopes — \(\,^{110}\mathrm{Xe}-\,^{123}\mathrm{Xe},\,^{125}\mathrm{Xe},\,^{127}\mathrm{Xe},\,^{137}\mathrm{Xe}-\,^{147}\mathrm{Xe}\) | 54 | 56-69, 71, 73, 83-93 | — | Non naturels | millisecondes — plusieurs jours | Isotopes radioactifs produits artificiellement ; utilisés en recherche nucléaire, médicale et pour la détection de tests nucléaires. |
N.B. :
Les couches électroniques : Comment les électrons s'organisent autour du noyau.
Le xénon possède 54 électrons répartis sur cinq couches électroniques. Sa configuration électronique complète est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶, ou de manière simplifiée : [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶. Cette configuration peut aussi s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(8).
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶, formant une couche complète et stable.
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰, formant une couche complète.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰, formant une couche complète.
Couche O (n=5) : contient 8 électrons répartis en 5s² 5p⁶. Cette couche externe est complète avec 8 électrons de valence (configuration d'octet), conférant au xénon la stabilité caractéristique des gaz nobles.
Le xénon, membre du groupe 18 (gaz nobles), possède 8 électrons de valence (5s² 5p⁶) formant une configuration électronique stable de type octet. Cette configuration explique traditionnellement l'inertie chimique des gaz nobles. Cependant, le xénon, étant le gaz noble naturel le plus lourd, possède des électrons externes relativement éloignés du noyau (rayon atomique important) et donc moins fortement liés, ce qui lui permet de former des composés chimiques, contrairement aux gaz nobles plus légers comme l'hélium, le néon et l'argon. La polarisabilité élevée du xénon facilite les interactions avec des éléments très électronégatifs comme le fluor et l'oxygène.
Le xénon est extrêmement rare dans l'atmosphère terrestre (0,087 ppm) mais trouve des applications remarquables et diversifiées. Son utilisation dans les lampes au xénon pour l'éclairage automobile haute intensité et les projecteurs de cinéma exploite sa capacité à produire une lumière brillante proche du spectre solaire. En médecine, il sert d'anesthésique général avec des propriétés neuroprotectrices. Dans l'exploration spatiale, le xénon est le propergol privilégié pour les moteurs ioniques des satellites et sondes. En physique fondamentale, des détecteurs au xénon liquide ultra-pur recherchent la matière noire et étudient les neutrinos. Sa capacité unique à former des composés chimiques (fluorures, oxydes) a révolutionné la chimie des gaz nobles depuis 1962.
Le xénon possède huit électrons de valence (5s² 5p⁶) formant une couche externe complète (octet). Cette configuration stable explique son inertie chimique dans des conditions normales. Pendant plus de soixante ans après sa découverte, le xénon fut considéré comme totalement inerte, incapable de former des liaisons chimiques. Cette conviction fut spectaculairement réfutée en 1962 lorsque Neil Bartlett synthétisa le premier composé du xénon, l'hexafluoroplatinate de xénon (Xe[PtF₆]), démontrant que les gaz nobles pouvaient réagir. Contrairement aux gaz nobles plus légers, le xénon possède des électrons de valence relativement accessibles en raison de leur éloignement du noyau, de l'effet d'écran des nombreuses couches électroniques internes et de sa polarisabilité élevée.
Le xénon forme principalement des composés avec le fluor (l'élément le plus électronégatif) et l'oxygène. Les fluorures de xénon incluent XeF₂ (difluorure), XeF₄ (tétrafluorure) et XeF₆ (hexafluorure), où le xénon présente des degrés d'oxydation de +2, +4 et +6 respectivement. Ces composés sont de puissants agents oxydants et fluorants utilisés en synthèse chimique. Le xénon forme également des oxydes comme XeO₃ (trioxyde) et XeO₄ (tétroxyde), ainsi que des oxyfluorures (XeOF₂, XeOF₄, XeO₂F₂) et l'acide perxénique (H₄XeO₆), bien que ces composés soient thermodynamiquement instables et potentiellement explosifs. Des composés organométalliques du xénon, des complexes de coordination et même des liaisons xénon-azote, xénon-carbone et xénon-or ont été synthétisés dans des conditions spéciales (basses températures, matrices inertes), élargissant constamment le domaine fascinant de la chimie du xénon.
Malgré sa capacité surprenante à former des composés, le xénon reste chimiquement inerte dans des conditions normales de température et de pression, ce qui le rend précieux pour de nombreuses applications technologiques exploitant cette stabilité. Sa densité élevée (environ 5,9 fois celle de l'air), sa faible conductivité thermique et son inertie en font un excellent gaz de remplissage pour les fenêtres à isolation thermique haute performance et les ampoules à incandescence. Le xénon ionisé dans un champ électrique produit une lumière intense et brillante de spectre proche de la lumière solaire, utilisée dans les lampes à décharge haute intensité pour l'éclairage automobile (phares au xénon), les projecteurs de cinéma IMAX, les systèmes de flash photographique professionnels et les projecteurs architecturaux.
