Helium

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Helium

HĂ©lium

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He
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
↑
He
↓
Ne
Table complĂšte ‱ Table Ă©tendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Hélium, He, 2
SĂ©rie chimique Gaz rare
Groupe, PĂ©riode, Bloc 18, 1, s
Masse volumique 0,178 5 kg/m3
Couleur Aucune
N° CAS 7440-59-7
N° EINECS 231-168-5
Propriétés atomiques
Masse atomique 4,002 602 u
Rayon atomique (calc) [rĂ©f. nĂ©cessaire]128 ; (31) pm
Rayon de covalence 32 pm
Rayon de van der Waals 140 pm
Configuration Ă©lectronique 1s2
Électrons par niveau d'Ă©nergie 2
État(s) d'oxydation 0
Oxyde inconnu
Structure cristalline Hexagonale
Propriétés physiques
État ordinaire Gaz
Température de fusion (à 26 atm)
-272,2 Â°C ; 0,95 K
TempĂ©rature d'Ă©bullition -268,9 Â°C ; 4,216 K
Énergie de fusion 5,23 kJ/mol
Énergie de vaporisation 0,0845 kJ/mol
TempĂ©rature critique -268 Â°C ; 5,2 K
Pression critique 2,27×105 Pa
Volume molaire 21,0×10−3 m3/mol
Pression de vapeur —
Vitesse du son 970 m/s à 20 °C
Divers
ÉlectronĂ©gativitĂ© (Pauling) —
Chaleur massique 5193 J/(kg·K)
ConductivitĂ© Ă©lectrique — S/m
Conductivité thermique 0,142 W/(m·K)
1e Énergie d'ionisation 2372,3 kJ/mol
2e Énergie d'ionisation 5250,5 kJ/mol
3e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation3}}} kJ/mol
4e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation4}}} kJ/mol
5e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol
6e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol
7e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol
8e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol
9e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol
10e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation10}}} kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN PĂ©riode MD Ed PD
MeV
3He 0,000 137 % stable avec 1 neutrons
4He 99,999 863 % stable avec 2 neutrons
5He {syn.} 7,6×10-23 s n ? 4He
6He {syn.} 0,806 7 s ÎČ− 3,5 6Li
7He {syn.} 2,9×10-21 s n 0,38 6He
8He {syn.} 0,119 0 s ÎČ− 10,0 8Li
Précautions
NFPA 704
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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Voir « hĂ©lium Â» sur le Wiktionnaire.

L'hĂ©lium est un gaz rare, ou gaz noble pratiquement inerte. De numĂ©ro atomique 2, il dĂ©bute la sĂ©rie des gaz nobles dans le Tableau pĂ©riodique des Ă©lĂ©ments. Son point d'Ă©bullition est le plus bas parmi les corps connus, et il n'existe sous forme solide qu'au-dessus d'une pression de 25 atm. Il possĂšde deux isotopes stables : 4He, le plus abondant, et 3He. Ces deux isotopes, contrairement Ă  la plupart des Ă©lĂ©ments chimiques, diffĂšrent sensiblement dans leurs propriĂ©tĂ©s, car le rapport de leurs masses atomiques est important. D'autre part, les effets quantiques, sensibles Ă  basse Ă©nergie, leur donnent des propriĂ©tĂ©s trĂšs diffĂ©rentes. Le prĂ©sent article traite essentiellement de l'4He. Le lecteur se rĂ©fĂšrera Ă  l'article hĂ©lium 3 pour ce qui concerne les propriĂ©tĂ©s spĂ©cifiques de l'isotope 3He.

L'hélium est, aprÚs l'hydrogÚne, l'élément le plus abondant de l'Univers. Actuellement, pratiquement tout l'hélium a été produit lors de la nucléosynthÚse primordiale. Les autres origines sont discutées ci-aprÚs dans la sous-section Abondance naturelle.

Sommaire

Propriétés physiques

L'hélium est un gaz incolore, inodore, et non toxique. Il est pratiquement inerte chimiquement, et monoatomique en toutes circonstances, et, dans un vaste domaine de températures et de pressions, il se comporte pratiquement comme un gaz idéal.

Isotopes

Article dĂ©taillĂ© : HĂ©lium 3.

On connaĂźt sept isotopes de l'hĂ©lium, mais seuls l'hĂ©lium 3 et l'hĂ©lium 4 sont stables. Dans l'atmosphĂšre terrestre, il n'y a qu'un atome d'hĂ©lium 3 pour un million d'hĂ©lium 4[1]. Contrairement Ă  la plupart des Ă©lĂ©ments, l'abondance isotopique de l'hĂ©lium varie considĂ©rablement selon son origine, en raison des processus de formation diffĂ©rents. L'isotope le plus abondant, l'hĂ©lium 4, est produit sur terre par la radioactivitĂ© α d'Ă©lĂ©ments lourd : les particules α qui y sont produites sont des noyaux d'hĂ©lium 4 complĂštement ionisĂ©s. L'hĂ©lium 4 est un noyau Ă  la stabilitĂ© inhabituelle, parce que ses nuclĂ©ons sont arrangĂ©s en couches complĂštes. Il a par ailleurs Ă©tĂ© formĂ© en quantitĂ©s Ă©normes lors de la nuclĂ©osynthĂšse primordiale[2].

L'hĂ©lium 3 n'est prĂ©sent sur terre qu'en traces ; la plupart date de la formation de la Terre, bien qu'un peu tombe encore dessus, piĂ©gĂ©e dans la poussiĂšre interstellaire[3]. Des traces sont aussi produites encore par la radioactivitĂ© ÎČ du tritium[4]. Les roches de la croĂ»te terrestre ont des rapports isotopiques variant jusqu'Ă  un facteur 10, et ces rapports peuvent ĂȘtre utilisĂ©s pour la dĂ©termination de l'origine des roches et la composition du manteau terrestre[3]. L'hĂ©lium 3 est bien plus abondant dans les Ă©toiles, comme produit de la fusion nuclĂ©aire. Par suite, dans le milieu interstellaire, le rapport isotopique est environ 100 fois plus Ă©levĂ© que sur Terre[5]. Les matĂ©riaux extraplanĂ©taires, comme le rĂ©golithe de la Lune ou des astĂ©roĂŻdes, ont des quantitĂ©s en traces d'hĂ©lium 3 provenant du vent solaire. La surface de la Lune en contient une concentration de l'ordre de 10-8 [6],[7]. Un certain nombre d'auteurs, commençant par Gerald Kulcinski en 1986[8], ont proposĂ© d'explorer la Lune, d'extraire l'hĂ©lium 3 du rĂ©golithe et de l'utiliser pour la fusion nuclĂ©aire.

L'hĂ©lium 4 peut ĂȘtre refroidi jusqu'Ă  environ 1 K par Ă©vaporation. L'hĂ©lium 3, qui a un point d'Ă©bullition infĂ©rieur, peut ĂȘtre refroidi jusqu'Ă  0,2 K par la mĂȘme mĂ©thode. Des mĂ©langes Ă  parts Ă©gales d'hĂ©lium 3 et 4 se sĂ©parent, au-dessous de 0,8 K car ils ne sont plus miscibles, en raison de leurs diffĂ©rences (ils obĂ©issent aux deux statististique quantiques diffĂ©rentes[N 1]). Les rĂ©frigĂ©rateurs Ă  dilution utilisent cette propriĂ©tĂ© pour atteindre quelques millikelvins.

On peut fabriquer par rĂ©actions nuclĂ©aires d'autres isotopes de l'hĂ©lium, qui sont instables, et se dĂ©sintĂšgrent rapidement vers d'autres noyaux. L'isotope de vie la plus courte, si on peut mĂȘme parler d'isotope dans ce cas est l'hĂ©lium 2 (2 protons, sans neutron), qui se dĂ©sintĂšgre en deux protons en 3×10-27 s. L'hĂ©lium 5, et l'hĂ©lium 7 se dĂ©sintĂšgrent par Ă©mission d'un neutron, avec une de demi-vie de 7,6×10-23 s, et 2,9×10-21 s respectivement. L'hĂ©lium 6 et l'hĂ©lium 8 se dĂ©sintĂšgrent par radioactivitĂ© ÎČ, avec une demi-vie de 0,8 s et 0,119 s respectivement. Les isotopes 6 et 8 ont une structure lĂąche, dans laquelle des neutrons orbitent loin du cƓur, ce que l'on appelle halo nuclĂ©aire.

Gaz

La conductivitĂ© thermique de l'hĂ©lium gazeux est supĂ©rieure Ă  celle de tous les gaz, sauf l'hydrogĂšne, et sa chaleur spĂ©cifique est exceptionnellement Ă©levĂ©e. Son coefficient Joule-Thomson est nĂ©gatif Ă  tempĂ©rature ambiante, ce qui signifie que, contrairement Ă  la plupart des gaz, il se rĂ©chauffe lorsqu'il peut se dĂ©tendre librement. La tempĂ©rature d'inversion de Joule-Thomson est d'environ 40 K soit -233,2 Â°C Ă  la pression d'1 atm[9]. Une fois refroidi en dessous de cette tempĂ©rature, l'hĂ©lium peut ĂȘtre liquĂ©fiĂ© par le refroidissement dĂ» Ă  sa dĂ©tente.

L'hĂ©lium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus[10]. En raison de la petite taille de ses atomes, sa vitesse de diffusion Ă  travers les solides est Ă©gale Ă  trois fois celle de l'air et environ 65 % celle de l'hydrogĂšne.

L'indice de réfraction de l'hélium est plus proche de l'unité que celui de n'importe quel autre gaz[11]. La vitesse du son dans l'hélium est supérieure à celle dans tout autre gaz, sauf l'hydrogÚne[12].

Contrairement au plasma, le gaz est un excellent isolant Ă©lectrique.

Plasma

Une lampe à décharge fonctionnant à l'hélium.

La plupart de l'hĂ©lium extraterrestre se trouve dans l'Ă©tat de plasma, dont les propriĂ©tĂ©s diffĂšrent notablement de celles de l'hĂ©lium atomique. Dans le plasma, les Ă©lectrons de l'hĂ©lium ne sont pas liĂ©s au noyau, ce qui conduit Ă  une trĂšs grande conductivitĂ© Ă©lectrique, mĂȘme quand l'ionisation est partielle. Les particules chargĂ©es sont trĂšs sensibles aux champs Ă©lectrique et magnĂ©tique. Par exemple, dans le vent solaire, l'hĂ©lium et l'hydrogĂšne ionisĂ©s interagissent avec la magnĂ©tosphĂšre terrestre, donnant lieu aux phĂ©nomĂšnes de courants de Birkeland et aux aurores polaires[13].

Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester excité dans une décharge électrique dont la tension est inférieure à son potentiel d'ionisation. Ceci permet son utilisation dans les lampes à décharge.

Liquide

Contrairement aux autres Ă©lĂ©ments, l'hĂ©lium reste liquide jusqu'au zĂ©ro absolu, Ă  des pressions infĂ©rieures Ă  25 atm. Ceci est une consĂ©quence directe de la mĂ©canique quantique : plus prĂ©cisĂ©ment l'Ă©nergie des atomes dans l'Ă©tat fondamental du systĂšme est trop Ă©levĂ©e pour permettre la solidification (voir solide). En outre, les phases liquide et solide ont des indices de rĂ©fraction trĂšs voisins, ce qui rend difficile l'observation.

Au dessous du point d'Ă©bullition Ă  4,22 K, et au-dessus du point lambda Ă  2,1768 K, l'hĂ©lium 4 existe sous forme d'un liquide normal incolore, appelĂ© hĂ©lium I[9]. Comme les autres liquides cryogĂ©niques, il bout quand il est chauffĂ©, et se contracte quand sa tempĂ©rature est abaissĂ©e. L'hĂ©lium I a un indice de rĂ©fraction voisin de celui des gaz : 1,026, ce qui rend sa surface tellement difficile Ă  apercevoir que l'on utilise souvent des flotteurs de mousse de polystyrĂšne pour voir son niveau[14]. Ce liquide incolore a une viscositĂ© trĂšs faible, et une densitĂ© 1/8, qui n'est qu'un quart de la valeur prĂ©vue par la physique classique[14]. Il faut recourir Ă  la mĂ©canique quantique pour expliquer cette propriĂ©tĂ©, et donc, l'hĂ©lium liquide sous ses diverses formes est appelĂ© fluide quantique, pour signifier que les effets de la mĂ©canique quantique, normalement sensibles seulement Ă  l'Ă©chelle microscopique, se manifestent Ă  l'Ă©chelle macroscropique. Ceci s'interprĂšte comme un effet du fait que le point d'Ă©bullition est si rapprochĂ© du zĂ©ro absolu que les mouvements thermiques alĂ©atoires ne peuvent plus masquer les propriĂ©tĂ©s atomiques[14].

Superfluide

Article dĂ©taillĂ© : Superfluide.

L'hĂ©lium liquide en-dessous du point lambda commence Ă  prĂ©senter des caractĂšres tout Ă  fait inhabituels, dans un Ă©tat appelĂ© hĂ©lium II.

À la transition de l'hĂ©lium I vers l'hĂ©lium II au point lambda, l'hĂ©lium se dilate. Quand la tempĂ©rature baisse, l'hĂ©lium II continue Ă  se dilater, jusqu'environ 1 K, oĂč il recommence Ă  se contracter comme la plupart des corps.

L'hĂ©lium II peut s'Ă©couler Ă  travers des capillaires de 10-7 Ă  10-8 m, sans viscositĂ© mesurable[1]. Cependant quand on mesure la viscositĂ© entre deux disques tournant l'un par rapport Ă  l'autre, on trouve une viscositĂ© comparable Ă  celle de l'hĂ©lium gazeux. La thĂ©orie actuelle explique ce fait en utilisant un modĂšle Ă  deux fluides de LĂĄszlĂł Tisza pour l'hĂ©lium II. Dans ce modĂšle, l'hĂ©lium liquide, au-dessous du point lambda, consiste en un mĂ©lange d'atomes d'hĂ©lium dans l'Ă©tat fondamental, et d'atomes dans des Ă©tats excitĂ©s, qui se comportent plus comme un fluide ordinaire[15]

Une illustration de cette théorie est donnée par l'effet fontaine. Dans cette expérience, un tube vertical, présentant un petit ajutage à son extrémité supérieure, est plongé par son extrémité inférieure dans un bain d'hélium II. Il y est bouché par un disque fritté, au travers duquel seul le fluide sans viscosité peut circuler. Si l'on chauffe le tube, en l'éclairant par exemple, on va y transformer la partie superfluide en fluide ordinaire. Pour rétablir l'équilibre des deux fluides avec le bain, du superfluide va pénétrer à travers le bouchon fritté, et pour conserver le volume, une partie du contenu du tube sera éjecté par l'ajutage supérieur, formant un jet, que l'on peut interrompre en cessant de chauffer[N 2].

La conductivitĂ© thermique de l'hĂ©lium II est supĂ©rieure Ă  celle de tout autre corps connu. Ceci empĂȘche l'hĂ©lium II de bouillir, car tout apport de chaleur se transporte immĂ©diatement Ă  la surface, oĂč il provoque tout simplement l'Ă©vaporation en gaz. Cette conductivitĂ© est un million de fois supĂ©rieure Ă  celle de l'hĂ©lium I, et plusieurs centaines de fois celle du cuivre[9]. Ceci est dĂ» au fait que la conduction de la chaleur se fait par un mĂ©canisme quantique exceptionnel. La plupart des matĂ©riaux bons conducteurs de la chaleur ont une bande de valence d'Ă©lectrons libres qui servent Ă  conduire la chaleur. L'hĂ©lium II n'a pas de telle bande, et pourtant conduit bien la chaleur. Le flux de chaleur obĂ©it Ă  des Ă©quations semblables aux Ă©quations d'onde de la propagation du son dans l'air. Quand de la chaleur est introduite, elle se dĂ©place Ă  20 m⋅s-1 Ă  1,8 K dans l'hĂ©lium II. On appelle ces ondes deuxiĂšme son[16].

L'hĂ©lium II rampe sur les surfaces de façon Ă  rĂ©tablir l'Ă©quilibre hydrostatique.

Contrairement aux liquides ordinaires, l'hĂ©lium II rampe le long des surfaces, mĂȘme, apparemment, contre la gravitĂ©. Il s'Ă©chappera d'un rĂ©cipient non fermĂ© en rampant sur les cĂŽtĂ©s, Ă  moins qu'il ne rencontre un endroit moins froid oĂč il s'Ă©vapore. Quelle que soit la surface, il se dĂ©place en un film de quelque 30 nm. Ce film est appelĂ© film de Rollin, en souvenir du physicien qui l'a caractĂ©risĂ© le premier, Bernard V. Rollin[16],[17],[18]. Suite Ă  cet effet, et Ă  la capacitĂ© de l'hĂ©lium II de passer rapidement Ă  travers de petites ouvertures, il est difficile de confiner l'hĂ©lium liquide. À moins que le rĂ©cipient ne soit astucieusement construit, l'hĂ©lium II escaladera les parois et passera Ă  travers les vannes jusqu'Ă  ce qu'il atteigne une rĂ©gion plus chaude oĂč il s'Ă©vaporera. Les ondes qui se propagent le long d'un film de Rollin obĂ©issent aux mĂȘmes Ă©quations que les vagues en eau peu profonde, mais la force de rappel est ici la force de van der Waals Ă  la place de la gravitĂ©[19]. Ces ondes sont connues sous le nom de troisiĂšme son[20].

Solide

Article dĂ©taillĂ© : hĂ©lium solide.

L'hĂ©lium ne se solidifie que sous l'effet de fortes pressions. Le solide pratiquement invisible et incolore qui en rĂ©sulte est fortement compressible ; une compression en laboratoire peut rĂ©duire son volume de plus de 30 %[21]. Avec un module d'Ă©lasticitĂ© cubique de l'ordre de 5×107 Pa, il est cinquante fois plus compressible que l'eau. Dans des conditions normales de pression, et Ă  l'inverse des autres Ă©lĂ©ments, l'hĂ©lium ne se solidifie pas et reste liquide jusqu'au zĂ©ro absolu. L'hĂ©lium solide nĂ©cessite une pression minimale d'environ 25 atm. Il est souvent assez difficile de distinguer l'hĂ©lium solide de l'hĂ©lium liquide, leurs indices de rĂ©fraction Ă©tant presque identiques. Le solide a une chaleur latente (chaleur de fusion) Ă©levĂ©e et une structure cristalline hexagonale, comme celle de l'eau.

Propriétés chimiques

Avec le nĂ©on, l'hĂ©lium est chimiquement le moins rĂ©actif de tous les corps dans les conditions normales, en raison de sa valence Ă©gale Ă  0 [21]. Il peut nĂ©anmoins former des composĂ©s instables (excimĂšres) avec le tungstĂšne, l'iode, le fluor, le soufre et le phosphore en phase plasma, par dĂ©charge ou d'une autre maniĂšre. HeNe, HgHe10, WHe2 et les ions molĂ©culaires He2+, He2++, HeH+, HeD+ ont Ă©tĂ© crĂ©Ă©s de cette maniĂšre. Cette technique a aussi permis la production de la molĂ©cule neutre He2, qui possĂšde un plus grand nombre de systĂšmes de bandes, et HgHe, dont la cohĂ©sion ne semble reposer que sur des forces de polarisation. ThĂ©oriquement, d'autres composants comme le fluorohydrure d'hĂ©lium (HHeF) sont Ă©galement possibles.

Il semblerait à l'heure actuelle que les seuls composés stables de l'hélium prouvés soient des complexes endoédriques de fullerÚnes, comme He@C60, qui désigne un atome d'hélium emprisonné dans une cage de fullerÚne C60.

Propriétés biologiques

L'hélium, neutre, dans les conditions standard, est non-toxique, ne joue aucun rÎle biologique, et on en trouve des traces dans le sang humain. Si l'on en inhale assez pour que l'oxygÚne nécessaire à une respiration normale soit déplacé, l'asphyxie devient possible.

Inhalation

Des problĂšmes pour Ă©couter le fichier ? Aidez-moi

La voix d'une personne qui a inhalĂ© de l'hĂ©lium temporairement change de timbre vers les harmoniques Ă©levĂ©s : la vitesse du son dans l'hĂ©lium est presque 3 fois celle dans l'air ; et comme la frĂ©quence fondamentale d'une cavitĂ© remplie de gaz est proportionnelle Ă  la vitesse du son, l'inhalation d'hĂ©lium correspondra Ă  une augmentation des frĂ©quences de rĂ©sonance de l'appareil phonatoire qui modulent la frĂ©quence fondamentale donnĂ©e par les cordes vocales[1],[22], [23]. Un effet opposĂ©, de baisse de timbre, peut ĂȘtre obtenu en inhalant un gaz dense, comme l'hexafluorure de soufre.

L'inhalation d'hĂ©lium Ă  faible dose est normalement sans danger. Cependant l'utilisation d'hĂ©lium du commerce tout venant, comme celui utilisĂ© pour gonfler des ballons, peut ĂȘtre dangereuse en raison des nombreux contaminants qu'il peut contenir, traces d'autres gaz, ou aĂ©rosols d'huile lubrifiante.

L'inhalation d'hĂ©lium en excĂšs peut ĂȘtre dangereuse, puisque l'hĂ©lium est simplement un asphyxiant, qui dĂ©place l'oxygĂšne nĂ©cessaire Ă  une respiration normale[1],[24]. La respiration d'hĂ©lium pur provoque l'asphyxie en quelques minutes. L'inhalation de l'hĂ©lium directement Ă  partir de cylindres sous pression est extrĂȘmement dangereuse, en raison du fort dĂ©bit, qui peut rĂ©sulter en un barotraumatisme qui dĂ©chire le tissu pulmonaire et peut ĂȘtre fatal[24],[25]. Cependant cet accident est assez rare, puisqu'on ne compte que deux dĂ©cĂšs entre 2000 et 2004 aux États-Unis[25].

À haute pression (plus de 20 atm ou 2 Mpa), un mĂ©lange d'hĂ©lium et d'oxygĂšne (hĂ©liox) peut conduire Ă  un syndrome nerveux des hautes pressions, une espĂšce d'effet contre-anesthĂ©sique ; en ajoutant un peu d'azote au mĂ©lange, on peut Ă©viter le problĂšme[26],[27].

Utilisation thérapeutique

L'hĂ©lium est administrĂ© dans des mĂ©langes contenant un minimum de 20 % d'oxygĂšne, Ă  des patients aux prises avec une obstruction des voies respiratoires supĂ©rieures ou infĂ©rieures. La faible viscositĂ© de l'hĂ©lium permet ainsi de diminuer le travail respiratoire.

Sécurité

Les mesures de sĂ©curitĂ© en ce qui concerne l'hĂ©lium cryogĂ©nique sont semblables Ă  celles nĂ©cessaires pour l'azote liquide ; sa tempĂ©rature extrĂȘmement basse peut rĂ©sulter en brĂ»lures par le froid.

Une inhalation en grande quantité en une seule fois, produit une légÚre asphyxie, conduisant à une courte mais dangereuse perte de conscience. On dénombre également certains cas d'embolies cérébrales ou de sérieux problÚmes pulmonaires chez les personnes ayant inhalé de l'hélium sous pression.

Par ailleurs, le taux de dilatation entre la phase liquide et la phase gazeuse est tel qu'il peut provoquer des explosions en cas de vaporisation rapide, si aucun dispositif de limitation de pression n'est installé.

Les rĂ©servoirs d'hĂ©lium gazeux Ă  5–10 K doivent aussi ĂȘtre manipulĂ©s comme s'ils contenaient de l'hĂ©lium liquide, en raison de la dilatation thermique importante et rapide qui a lieu quand de l'hĂ©lium Ă  moins de 10 K est amenĂ© Ă  la tempĂ©rature ordinaire[21].

Usages

MalgrĂ© son prix Ă©levĂ©, l'hĂ©lium est utilisĂ© pour de nombreux usages qui exigent certaines de ses propriĂ©tĂ©s uniques, telles son point d'Ă©bullition bas, sa faible densitĂ©, sa faible solubilitĂ©, sa haute conductivitĂ© thermique, ou son caractĂšre chimiquement et biologiquement inerte. On le trouve dans le commerce sous forme liquide ou gazeuse. Sous forme liquide, on peut trouver des petits rĂ©servoirs appelĂ©s dewars, qui peuvent contenir jusqu'Ă  1 000 l d'hĂ©lium, ou dans des grands rĂ©servoirs ISO de capacitĂ©s nominales jusqu'Ă  40 000 l. Sous forme gazeuse, de petites quantitĂ©s d'hĂ©lium sont fournies dans des cylindres Ă  haute pression contenant jusqu'Ă  8,5 m3 standards, tandis que les grandes quantitĂ©s sont livrĂ©es en camions-citernes sous pression qui peuvent avoir des capacitĂ©s jusqu'Ă  5 000 m3 standards.

Industriels

En raison de son caractÚre inerte, sa grande conductivité thermique, sa transparence aux neutrons, et parce qu'il ne forme pas d'isotope radioactifs au sein des réacteurs, on utilise l'hélium comme fluide de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz[28]

L'hélium est utilisé comme atmosphÚre protectrice lors de la croissance du silicium destiné à la fabrication de circuits intégrés, pour la production de titane et de zirconium, et en chromatographie en phase gazeuse[21], parce qu'il est inerte. Vu son inertie chimique, ses propriétés thermodynamiques et calorifiques idéales, la vitesse du son en son sein élevée, et un grand coefficient de Laplace, il est également utile dans les souffleries supersoniques[29] ou pour les installations d'étude de phénomÚnes transitoires[30].

L'hélium en mélange avec un gaz plus lourd, comme le xénon, est utile pour la réfrigération thermoacoustique, en raison du grand rapport des capacités thermiques et faible nombre de Prandtl[31]. L'inertie chimique de l'hélium a des avantages environnementaux sur d'autres systÚmes de réfrigération, qui contribuent au trou d'ozone ou au réchauffement climatique[32].

Comme il diffuse à travers les solides trois fois plus vite que l'air, l'hélium est utilisé pour détecter les fuites dans les équipements à ultravide ou les réservoirs à haute pression[28]

Il est également utilisé avec des produits alimentaires (additif alimentaire autorisé par l'Union européenne sous la référence E939) pour permettre une vérification de l'étanchéité de l'emballage (voir liste des additifs alimentaires).

Scientifiques

L'hélium liquide est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs des appareil à IRM modernes

L'utilisation de l'hélium réduit les effets de distorsion dus aux variations de température dans l'espace séparant les lentilles de certains télescopes ou lunettes, en raison de son indice de réfraction exceptionnellement bas[9]. Cette méthode est spécialement utilisée pour les télescopes solaires, soumis à des variations importantes de température, mais pour lesquels une enceinte supportant la différence de pression entre l'atmosphÚre et le vide serait trop lourde[33],[34].

L'Ăąge des roches et minĂ©raux qui contiennent de l'uranium et du thorium peut ĂȘtre estimĂ© en mesurant leur contenu en hĂ©lium par un procĂ©dĂ© appelĂ© datation Ă  l'hĂ©lium[1],[9]

L'hĂ©lium liquide est aussi utilisĂ© pour refroidir certains mĂ©taux aux tempĂ©ratures extrĂȘmement basses nĂ©cessitĂ©es pour la supraconductivitĂ©, par exemple pour les aimants supraconducteurs utilisĂ©s notamment pour les dĂ©tecteurs Ă  IRM. Le LHC au CERN utilise 96 t d'hĂ©lium liquide pour maintenir la tempĂ©rature des aimants Ă  1,9 K[35]. De façon plus gĂ©nĂ©rale, l'hĂ©lium Ă  basse tempĂ©rature est utilisĂ© en cryogĂ©nie.

Commerciaux et de loisir

En raison de sa faible solubilitĂ© dans le tissu nerveux, on utilise des mĂ©langes d'hĂ©lium tels que le trimix, l'hĂ©liox et l'hĂ©liair pour la plongĂ©e profonde, afin de rĂ©duire les effets de la narcose Ă  l'azote[36],[37]. Aux profondeurs supĂ©rieures Ă  150 m, de petites quantitĂ©s d'hydrogĂšne sont ajoutĂ©es au mĂ©lange hĂ©lium-oxygĂšne pour contrebalancer le syndrome nerveux des hautes pressions[38]

À ces profondeurs, la faible densitĂ© de l'hĂ©lium diminue considĂ©rablement l'effort respiratoire[39].

Les lasers He-Ne ont diverses applications, en particulier les lecteurs de code-barres[1].

Dirigeables, ballons et fusées

En raison de sa faible densité et de son incombustibilité, l'hélium est le gaz préféré pour gonfler des dirigeables tels que le dirigeable publicitaire Goodyear.

Comme l'hĂ©lium est plus lĂ©ger que l'air, il peut ĂȘtre utilisĂ© pour gonfler des dirigeables et des ballons libres ou captifs. Bien que l'hydrogĂšne ait une force portante approximativement 7 % supĂ©rieure, l'hĂ©lium a l'avantage d'ĂȘtre incombustible (et mĂȘme ignifuge)[40].

L'exploration de l'atmosphÚre, notamment pour la météorologie s'effectue avec des ballons-sondes la plupart du temps gonflés à l'hélium.

En technique des fusĂ©es l'hĂ©lium, est utilisĂ© comme milieu de dĂ©placement pour gĂ©rer par pressurisation le combustible et le comburant dans les rĂ©servoirs en microgravitĂ© et pour assurer le mĂ©lange d'hydrogĂšne et d'oxygĂšne qui alimente les tuyĂšres de propulsion. Il est aussi utilisĂ© pour la purge de ces substances dans l'Ă©quipement au sol avant le lancement, et pour prĂ©-refroidir l'hydrogĂšne liquide des vĂ©hicules spatiaux. Par exemple, la fusĂ©e Saturn V consommait environ 370 000 m3 d'hĂ©lium pour dĂ©coller[21].

Ressources et purification de l'hélium

Abondance naturelle

L'hĂ©lium est le deuxiĂšme Ă©lĂ©ment le plus abondant dans l'Univers connu (aprĂšs l'hydrogĂšne), et en constitue 23 % de la masse baryonique[1]. La grande majoritĂ© de l'hĂ©lium a Ă©tĂ© formĂ© par la nuclĂ©osynthĂšse primordiale, dans les minutes suivant le Big Bang. C'est pourquoi la mesure de son abondance contribue Ă  fixer certains paramĂštres des modĂšles cosmologiques. Dans la majeure partie de l'existence des Ă©toiles, il est formĂ© par la fusion nuclĂ©aire de l'hydrogĂšne. En fin de vie, les Ă©toiles utilisent l'hĂ©lium comme matiĂšre premiĂšre pour la crĂ©ation d'Ă©lĂ©ments plus lourds, par des processus bien plus rapides, voire explosifs. Au total, l'hĂ©lium de l'univers ne provient qu'en trĂšs faible partie des Ă©toiles.

Dans l'atmosphĂšre terrestre, la concentration de l'hĂ©lium est 5,2×10-6 en volume[41],[42]. Cette basse concentration est assez constante dans le temps, en raison d'un Ă©quilibre entre la production continue d'hĂ©lium dans les roches et la fuite vers l'espace par divers mĂ©canismes[43],[44]. Dans l'hĂ©tĂ©rosphĂšre terrestre, une partie de la haute atmosphĂšre, l'hĂ©lium et autres gaz lĂ©gers sont les constituants les plus abondants.

Presque tout l'hĂ©lium sur terre provient de la radioactivitĂ© α. On le trouve principalement dans les composĂ©s d'uranium et de thorium, notamment la pechblende, la carnotite et la monazite, parce qu'ils Ă©mettent des particules α, qui sont des noyaux d'hĂ©lium ionisĂ© He2+, qui se neutralisent immĂ©diatement avec des Ă©lectrons. On estime Ă  3 000 t l'hĂ©lium ainsi produit chaque annĂ©e dans la lithosphĂšre[45],[46],[47]. Dans la croĂ»te terrestre, la concentration d'hĂ©lium est 8×10-9. Dans l'eau de mer, elle n'est que de 4×10-12. Il y en a aussi de petites quantitĂ©s dans les eaux minĂ©rales, le gaz volcanique et le fer mĂ©tĂ©oritique. Comme l'hĂ©lium est piĂ©gĂ© comme le gaz naturel par les couches de roches impermĂ©ables, on trouve les plus hautes concentrations d'hĂ©lium dans les gisements de gaz naturel, d'oĂč l'on extrait la plupart de l'hĂ©lium commercial. La concentration (par rapport au gaz naturel) varie dans une large fourchette de quelques millioniĂšmes, Ă  7 % dans le comtĂ© de San Juan, Nouveau-Mexique[48],[49]

Extraction et purification

Pour l'utilisation Ă  grande Ă©chelle, l'hĂ©lium est extrait par distillation fractionnĂ©e du gaz naturel, qui peut en contenir jusqu'Ă  7%[50]. Comme l'hĂ©lium a un point d'Ă©bullition infĂ©rieur Ă  tout autre corps, on utilise une basse tempĂ©rature et une haute pression pour liquĂ©fier presque tous les autres gaz (principalement l'azote et le mĂ©thane). L'hĂ©lium brut qui en rĂ©sulte est alors purifiĂ© par exposition Ă  des tempĂ©ratures de plus en plus basses, ce qui fait prĂ©cipiter pratiquement tout l'azote et autres gaz restants du mĂ©lange gazeux. On utilise enfin du charbon actif pour une Ă©tape finale de purification, pour obtenir ainsi de l'hĂ©lium de La langue de cette portion d'article est : en grade  â‡”  qualitĂ© A, pur Ă  99,995 %[N 3],[51]. La principale impuretĂ© de l'hĂ©lium de qualitĂ© A est le nĂ©on. Pour terminer la purification, la plupart de l'hĂ©lium produit est liquĂ©fiĂ©, par un processus cryogĂ©nique. La liquĂ©faction est nĂ©cessaire pour les applications utilisant l'hĂ©lium liquide, et permet d'ailleurs aux fournisseurs d'hĂ©lium de rĂ©duire le coĂ»t du transport Ă  distance, car les plus grands rĂ©servoirs Ă  hĂ©lium liquide ont une capacitĂ© au moins cinq fois plus grande que les remorques portant des cylindres d'hĂ©lium gazeux sous pression[52],a.

En 2005, environ 160 millions de m3 d'hĂ©lium ont Ă©tĂ© extraits du gaz naturel, ou puisĂ©s dans les rĂ©serves, avec environ 83 % des États-Unis, 11 % d'AlgĂ©rie, et le reste principalement de Russie et de Pologne[53]. Aux États-Unis, la plupart de l'hĂ©lium est extrait du gaz naturel de Hugoton, et des gisements voisins du Kansas, de l'Oklahoma et du Texas[52].

Une autre méthode de production et de purification de l'hélium est la diffusion du gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables ou d'autres barriÚres[54].

Il est possible de faire la synthÚse de l'hélium en bombardant du lithium ou du bore avec des protons de haute énergie, mais cela ne constitue pas une méthode économiquement viable de production.[55].

Histoire

DĂ©couverte

La premiĂšre indication de l'hĂ©lium est observĂ©e le 18 aoĂ»t 1868, comme une raie jaune brillante Ă  une longueur d'onde de 587,49 nm dans le spectre de la chromosphĂšre du Soleil. Cette raie est dĂ©tectĂ©e par l'astronome français Jules Janssen pendant une Ă©clipse totale Ă  Guntur (Inde)[56],[1]. Au dĂ©but, on pense que cette raie est celle du sodium. Le 20 octobre de la mĂȘme annĂ©e, l'astronome anglais Norman Lockyer observe une raie jaune dans le spectre solaire, qu'il appelle raie de Fraunhofer D3, en raison de sa proximitĂ© avec les raies bien connues D1 et D2 du sodium[57]. Il en conclut qu'elle est provoquĂ©e par un Ă©lĂ©ment du Soleil inconnu sur terre. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland nomment cet Ă©lĂ©ment d'aprĂšs le mot grec pour Soleil, ጄλÎčÎżÏ‚ (hĂ©lios)[58].

En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la premiÚre fois à démontrer la présence d'hélium sur la terre, par l'analyse spectrale de la lave du Vésuve.

Raies spectrales de l'hélium

Le 26 mars 1895, le chimiste britannique Sir William Ramsay isole l'hĂ©lium sur terre en traitant la La langue de cette portion d'article est : en cleveite  â‡”  clĂ©vĂ©ite[N 4] (une variĂ©tĂ© de pechblende, contenant au moins 10 % de terres rares) avec des acides minĂ©raux. Ramsay cherchait de l'argon, mais, aprĂšs avoir sĂ©parĂ© l'azote et l'oxygĂšne du gaz libĂ©rĂ© par l'acide sulfurique, il remarque au spectroscope une raie jaune brillante qui coĂŻncide avec la raie D3 observĂ©e dans le spectre solaire[59],[60],[61],[62].

Ces Ă©chantillons sont identifiĂ©s comme Ă©tant de l'hĂ©lium par Lockyer et le physicien britannique William Crookes. IndĂ©pendamment, il est isolĂ© de la clĂ©vĂ©ite la mĂȘme annĂ©e par les chimistes Per Theodor Cleve et Abraham Langlet Ă  Uppsala, qui accumulent suffisamment de gaz pour pouvoir dĂ©terminer avec prĂ©cision sa masse atomique[1],[63],[64].

L'hélium avait aussi été isolé par le géochimiste états-unien William Francis Hillebrand, quelques années avant la découverte par Ramsay, en remarquant des raies spectrales inhabituelles à l'examen d'un échantillon d'uraninite. Mais Hillebrand attribue ces raies à l'azote. Sa lettre de félicitations à Ramsay présente un cas intéressant de découverte et de presque-découverte en science[65].

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds dĂ©montrent que les particules α sont des noyaux d'hĂ©lium, en permettant aux particules de pĂ©nĂ©trer Ă  travers une fine fenĂȘtre en verre d'un tube oĂč ils ont fait le vide, puis crĂ©ant une dĂ©charge dans le tube pour Ă©tudier le spectre du nouveau gaz qui s'y trouve. En 1908, l'hĂ©lium est liquĂ©fiĂ© pour la premiĂšre fois par le physicien nĂ©erlandais Heike Kamerlingh Onnes, en refroidissant le gaz au-dessous de 1 K[66]. Il essaie de le solidifier en baissant encore la tempĂ©rature, mais Ă©choue, puisque l'hĂ©lium n'a pas de point triple. C'est un Ă©tudiant d'Onnes, Willem Hendrik Keesom, qui arrive Ă  solidifier sous pression 1 cm3 d'hĂ©lium en 1926[67].

En 1938, le physicien soviĂ©tique Pyotr Leonidovitch Kapitsa dĂ©couvre que l'hĂ©lium 4 n'a presque pas de viscositĂ© aux tempĂ©ratures proches du zĂ©ro absolu, phĂ©nomĂšne maintenant nommĂ© superfluiditĂ©[68]. En 1972, le mĂȘme phĂ©nomĂšne est observĂ© dans l'hĂ©lium 3, mais Ă  une tempĂ©rature bien plus proche du zĂ©ro absolu, par les physiciens Ă©tats-uniens Douglas D. Osheroff, David M. Lee, et Robert C. Richardson. Le phĂ©nomĂšne dans l'hĂ©lium 3 est interprĂ©tĂ© comme la formation de paires d'atomes, qui sont des fermions, pour former des bosons, par analogie avec les paires de Cooper d'Ă©lectrons Ă  la base de la supraconductivitĂ©[69].

Production et usages

AprĂšs un forage pĂ©trolier en 1903 Ă  Dexter, Kansas, le jet de gaz produit Ă©tait incombustible. Le gĂ©ologue de l'Ă©tat du Kansas, Erasmus Haworth collecta des Ă©chantillons du gaz produit et les rapporta Ă  l'UniversitĂ© du Kansas, Lawrence. Avec l'aide des chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il dĂ©termina que le gaz Ă©tait, en volume, 72 % d'azote, 15 % de mĂ©thane (un pourcentage combustible seulement avec plus d'oxygĂšne), et 12% de gaz inidentifiable.[1],[70]. Une analyse plus poussĂ©e montre Ă  Cady et McFarland que 1,84 % de l'Ă©chantillon de gaz est de l'hĂ©lium[71] ,[72]. Ceci montre qu'en dĂ©pit de sa raretĂ© globale sur terre, l'hĂ©lium est concentrĂ© en grandes quantitĂ©s sous les Grandes Plaines Ă©tats-uniennes, et disponible pour la production comme sous-produit de l'exploitation du gaz naturel[73]. Les plus grandes rĂ©serves d'hĂ©lium sont dans le gisement d'Hugoton et dans les gisements voisins du Kansas du sud-ouest, et des prolongements du Texas et de l'Oklahoma.

Ceci a permis aux États-Unis de devenir le premier producteur d'hĂ©lium du monde. Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine Ă©tats-unienne subventionne trois petites usines expĂ©rimentales de production d'hĂ©lium pendant la PremiĂšre Guerre mondiale. Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage, avec ce gaz ininflammable et plus lĂ©ger que l'air. Un total de 5 700 m3 d'hĂ©lium Ă  92 % est produit par ce programme, malgrĂ© le fait que prĂ©cĂ©demment, moins de 100 l ait Ă©tĂ© produit au total[59]. Une partie de ce gaz est utilisĂ© pour le premier dirigeable gonflĂ© Ă  l'hĂ©lium dans le monde, le C-7 de la marine Ă©tats-unienne, qui est inaugurĂ© pour son premier voyage de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling Ă  Washington, D.C. le 1er dĂ©cembre 1921[74].

Bien que le procĂ©dĂ© d'extraction par liquĂ©faction du gaz Ă  basse tempĂ©rature ne soit pas mis au point assez tĂŽt pour jouer un rĂŽle significatif pendant la PremiĂšre guerre mondiale, la production va continuer. L'hĂ©lium est utilisĂ© en premier lieu pour gonfler les aĂ©rostats. Cet usage va accroĂźtre la demande pendant la DeuxiĂšme guerre mondiale, de mĂȘme que la demande pour la soudure Ă  l'arc.

Le spectromÚtre de masse à hélium est également vital pour le projet Manhattan de bombe atomique[75].

Le gouvernement des États-Unis crĂ©e en 1925 une RĂ©serve Nationale d'HĂ©lium Ă  Amarillo, Texas dans le but d'approvisionner les aĂ©rostats, militaires en temps de guerre, et civils en temps de paix[9]. En raison de l'embargo militaire contre l'Allemagne des États-Unis, la fourniture d'hĂ©lium a Ă©tĂ© restreinte, et le Hindenburg a dĂ» ĂȘtre gonflĂ© Ă  l'hydrogĂšne, avec les consĂ©quences catastrophiques qui s'ensuivirent de son incendie. La consommation d'hĂ©lium aprĂšs la deuxiĂšme Guerre mondiale diminue, mais la rĂ©serve est augmentĂ©e dans les annĂ©es cinquante pour assurer la fourniture d'hĂ©lium liquide pour le lancement des fusĂ©es pendant la course Ă  l'espace et la guerre froide. En 1965, la consommation d'hĂ©lium des États-Unis dĂ©passe huit fois le maximum qu'elle a atteint pendant le temps de guerre[76].

AprĂšs les Amendements sur les lois de l'hĂ©lium de 1960 (loi publique 86-777), le Bureau des mines des États-Unis met en place cinq usines privĂ©es pour l'extraction de l'hĂ©lium du gaz naturel. Pour ce programme de prĂ©servation de l'hĂ©lium, le Bureau construit un gazoduc de 684 km de Bushton, Kansas Ă  Cliffside, prĂšs d'Amarillo, gisement partiellement Ă©puisĂ©. Le mĂ©lange hĂ©lium-azote ainsi apportĂ© est injectĂ© et stockĂ© jusqu'au moment des besoins, quand il est extrait et purifiĂ©[77].

En 1995, un milliard de m3 de gaz ont Ă©tĂ© rĂ©unis et la rĂ©serve a 1,4 milliards de dollars US de dettes, ce qui conduit le CongrĂšs des États-Unis , en 1996 Ă  cesser progressivement la rĂ©serve[1],[40]. La Loi de privatisation de l'hĂ©lium de 1996 qui s'ensuit (Loi publique 104–273) enjoint le DĂ©partement de l'IntĂ©rieur des États-Unis de commencer Ă  vider la rĂ©serve en 2005[78].

L'hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3% (2% d'azote), ce qui convenait parfaitement pour les aérostats. En 1945, une petite quantité d'hélium à 99,9% était produite pour l'utilisation pour la soudure à l'arc. DÚs 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995%[N 3] étaient disponibles[79].

Pendant plusieurs annĂ©es, les États-Unis produisent plus de 90% de l'hĂ©lium commercialement utilisable dans le monde, les usines d'extraction du Canada, de Pologne, de Russie et d'autres nations produisant le reste. Au milieu des annĂ©es 90, une nouvelle usine commence Ă  produire Ă  Arzew, en AlgĂ©rie. Avec 1,7×107 m3 par an, elle peut couvrir toute la demande europĂ©enne, soit environ 16% de la production mondiale. Pendant ce temps-lĂ , la consommation aux États-Unis a dĂ©passĂ© 15 000 t en 2000[80]. En 2004–2006, deux usines additionnelles sont construites, une Ă  Ras Laffan (Qatar) produisant 9,2 tonnes d'hĂ©lium liquide par jour, et l'autre Ă  Skikda (AlgĂ©rie). L'AlgĂ©rie est rapidement devenue le deuxiĂšme producteur d'hĂ©lium[52]. Au cours de cette pĂ©riode, la consommation d'hĂ©lium et les coĂ»ts de production ont augmentĂ©[81]. Entre 2002 et 2007, les prix de l'hĂ©lium ont doublĂ©[82], et pendant la seule annĂ©e 2008, les principaux fournisseurs ont augmentĂ© leurs prix d'environ 50%[citation nĂ©cessaire]. Ceci est liĂ© Ă  un Ă©tat chronique de pĂ©nurie effective d'hĂ©lium, ce qui en fait une matiĂšre premiĂšre stratĂ©gique, et recherchĂ©e par le monde scientifique et industriel, notamment pour de nouveaux usages comme la fabrication de fibres optiques et de circuits intĂ©grĂ©s.

Notes

  1. ↑ Statistique de Bose-Einstein et statistique de Fermi-Dirac
  2. ↑ Voir un clip sur Youtube par ucilowtemp.
  3. ↑ a  et b  L'article original en anglais cite deux fois le pourcentage d'hĂ©lium de qualitĂ© A, une fois Ă  99,995 %, l'autre Ă  99,95 %. Il doit s'agir d'une erreur de typo. Pour choisir, le traducteur a eu recours Ă  la rĂ©fĂ©rence a, qui donne 99,996 %. La valeur 99,995 % Ă©tant la plus proche a Ă©tĂ© retenue. C'est d'ailleurs celle qui est citĂ©e dans la version allemande.
  4. ↑ La version de Wikipedia anglaise nomme ce minĂ©ral cleveite, la version allemande Cleverit

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