Hélium

Nom	Abond. %	Période radioact.	Mode (%)	E_d MeV	Prod.
³He	10⁻⁴	stable avec 1 neutron(s)
⁴He	100	stable avec 2 neutron(s)
⁶He	syn.	0,806 7 s	β⁻	3,5	⁶Li

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire

L'hélium est un élément chimique monoatomique incolore, inodore, insipide, non toxique et pratiquement inerte. De symbole He et de numéro atomique 2, il initie la série des gaz nobles dans le tableau périodique. Ses points d'ébullition et de fusion sont les plus bas parmi les éléments et il n'existe qu'en tant que gaz, sauf dans des conditions extrêmes. Des conditions extrêmes sont également nécessaires pour créer les quelques composés de l'hélium qui sont tous instables dans des conditions normales de température et de pression. Son isotope stable le plus abondant est l'hélium-4 et le plus rare isotope est l'hélium-3. Le comportement des deux variétés hélium I et hélium II de l'hélium-4 liquide sont importantes pour les chercheurs qui étudient les mécaniques quantiques (en particulier le phénomène de superfluidité, état que l'hélium atteint vers –271°C) et ceux qui étudient les effets des températures proches du zéro absolu sur la matière (telle que la supraconductivité).

L'hélium est après l'hydrogène le deuxième élément le plus abondant de l'univers, et le plus léger du tableau périodique. Dans l'univers actuel, pratiquement tout l'hélium créé est le résultat de la fusion nucléaire de l'hydrogène dans les étoiles. Sur Terre, il est créé par la désintégration radioactive d'éléments plus lourds, (les particules alpha sont des noyaux d'hélium produits par la désintégration de l'uranium ainsi que du Thorium et de leurs éléments fils. Après sa création, une partie est emprisonnée avec le gaz naturel dans des concentrations allant jusqu'à 7 % par volume. Il est extrait du gaz naturel par un procédé de séparation à basse température appelé distillation fractionnée.

[modifier] Utilisation

L'hélium est utilisé :

à la pressurisation des réservoirs cryogéniques ;
à l'état liquide en cryogénie, notamment pour refroidir les aimants supraconducteurs ;
en combinaison avec l'oxygène pour former l'Héliox, gaz utilisé pour la plongée sous-marine à grande profondeur ;
dans la datation radioactive ;
dans la détection des fuites des canalisations ;
comme gaz de sustentation pour le gonflage des ballons de baudruche de surveillance météorologique et des dirigeables ;
comme gaz de protection pour divers usages industriels (tels que la soudure à l'arc et la croissance des tranches de silicium).

L'inhalation d'un faible volume d'hélium modifie temporairement la voix qui devient plus aiguë car les cordes vocales vibrent plus rapidement en présence de ce gaz, à cause de la faible densité relative de l'hélium par rapport à l'air. Cette pratique est inoffensive à petites doses, l'hélium étant un gaz inerte. En revanche, une inhalation en plus grande quantité en une seule fois, produirait une légère asphyxie, conduisant à une courte mais dangereuse perte de conscience. On dénombre également certains cas d'embolies cérébrales ou de sérieux problèmes pulmonaires chez les personnes ayant inhalé de l'hélium sous pression (dans une bonbonne).

[modifier] Caractéristiques notables

[modifier] Phases gazeuses et plasma

L'hélium est un gaz incolore, inodore, et non toxique. C'est le moins réactif des éléments du groupe 18 (les gaz nobles) du tableau périodique et de ce fait virtuellement inerte. Dans des conditions standard de température et de pression, l'hélium se comporte pratiquement comme un gaz idéal. Virtuellement, l'hélium est monoatomique dans toutes les conditions. Sa conductivité thermique est supérieure à tous les gaz, hydrogène excepté, et sa chaleur spécifique est inhabituellement élevée. L'hélium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus et sa vitesse de diffusion à travers les solides est trois fois supérieure à celle de l'air et d'environ 65 % à celle de l'hydrogène. L'indice de réfraction de l'hélium est plus proche de l'unité que celui de n'importe quel autre gaz. Le coefficient Joule-Thomson de ce gaz est négatif à température ambiante, ce qui signifie un réchauffement lorsqu'il peut s'étendre librement. Il ne se refroidit uniquement lorsqu'il peut s'étendre librement quand sa température d'inversion de Joule-Thomson (environ 40 K à une pression de 1 atm). Une fois refroidi en dessous de cette température, l'hélium peut être liquéfié par le refroidissement dû à son expansion.

L'hélium est chimiquement non réactif dans toutes les conditions normales, en raison de sa valence égale à 0. Il est isolant électrique sauf lorsqu'il est ionisé. Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester ionisé dans une décharge électrique dont le voltage est inférieur à son potentiel d'ionisation. L'hélium peut former des composés instables avec le tungstène, l'iode, le fluor, le soufre et le phosphore quand il est sujet à une décharge électro-luminescente par un bombardement d'électrons, ou forme alors un plasma. HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ et les ions moléculaires He₂⁺, He₂⁺⁺, HeH⁺, HeD⁺ ont été créés de cette manière. Cette technique a aussi permis la production de la molécule neutre He₂, qui possède un plus grand nombre de systèmes de bandes, et HgHe, dont la cohésion ne semble reposer que sur des forces de polarisation. Théoriquement, d'autres composants comme le fluorohydride d'hélium (HHeF) sont également possibles.

[modifier] Phases liquides et solides

L'hélium ne se solidifie que sous l'effet de fortes pressions. Le solide pratiquement invisible et incolore qui en résulte est fortement compressible ; une compression en laboratoire peut réduire son volume de plus de 30 %. Avec un module d'élasticité cubique de l'ordre de 5x10⁷ Pa, il est 50 fois plus compressible que l'eau. À l'inverse des autres éléments, l'hélium ne se solidifie pas et reste liquide jusqu'au zéro absolu, dans des conditions normales de pression. L'hélium solide nécessite une température de 1 à 1,5 K et une pression équivalente à environ 26 atm. Il est souvent assez difficile de distinguer l'hélium solide de l'hélium liquide, leur indice de réfraction étant presque identiques. Le solide a une chaleur latente (chaleur de fusion) élevée et une structure cristalline hexagonale, comme celle de l'eau.

[modifier] État de l'hélium I

En dessous de son point d'ébullition de 4,21 K et au-dessus du point lambda de 2,1768 K, l'isotope hélium-4 existe dans un état liquide normal incolore, appelé hélium I. À l'instar d'autres liquides cryogéniques, l'hélium I entre en ébullition lorsqu'il est chauffé. Il se contracte également lorsque la température est abaissée jusqu'à ce qu'il atteigne le point lambda, où il cesse de bouillir et se dilate soudainement. Sa vitesse de dilatation décroît en dessous du point lambda jusqu'à ce qu'une température d'environ 1 K soit atteinte ; à ce moment, l'hélium I cesse complètement de se dilater et recommence à se contracter.

L'indice de réfraction de l'hélium I de 1,026 est similaire à celui des autres gaz, ce qui rend sa surface si difficile à percevoir qu'une fine couche de Styromousse est souvent utilisée pour la mettre en évidence. L'hélium I, liquide incolore, est faiblement visqueux et sa densité correspond à 1/8 de celle de l'eau, soit 1/4 seulement de la valeur prévue par la physique classique. La mécanique quantique est nécessaire pour expliquer cette propriété, et de ce fait, les différents types d'hélium liquide sont appelés fluides quantiques, ce qui signifie qu'ils montrent leurs propriétés atomiques à une échelle macroscopique. Ceci est probablement dû au point d'ébullition si proche du zéro absolu qui empêche le mouvement moléculaire aléatoire (dû à la chaleur) de masquer les propriétés atomiques.

[modifier] Histoire

Le Wiktionnaire possède une entrée pour « hélium ».

Wikimedia Commons propose des documents multimédia sur Hélium.

L'existence de l'hélium (du grec hélios : soleil) a été mise en évidence pour la première fois par Jules Janssen, un astronome français, dans la couronne solaire lors de l'éclipse du 18 août 1868 et simultanément par l'astronome britannique sir Joseph Norman Lockyer, par une raie jaune inconnue dans le spectre. Le nom « hélium » fut proposé, peu de temps après, par ce dernier et le chimiste sir Edward Frankland, en référence au symbole grec du soleil, Hélios ^[1]. Sa présence sur la Terre a été décelée en 1895 par Lord Rayleigh et sir William Ramsay, chimiste. Depuis lors, de grandes réserves d'hélium ont été trouvées dans les champs de gaz naturel des États-Unis d'Amérique, en faisant les plus grands fournisseurs de ce gaz au monde.