Hélium - Définition

Données
Hydrogène - Hélium - Lithium - He Ne         2 He                                                                                                                                                                                                                                           Table complète - Table étendue
Général
Nom, Symbole, Numéro	Hélium, He, 2
Série chimique	Gaz rare
Groupe, Période, Bloc	18, 1, s
Masse volumique	0,1785 kg/m3
Couleur	Aucune
Propriétés atomiques
Masse atomique	4,002 602 u
Rayon atomique (calc)	? (31) pm
Rayon de covalence	32 pm
Rayon de van der Waals	140 pm
Configuration électronique	1s2
Électrons par niveau d'énergie	2
État(s) d'oxydation	0
Oxyde	inconnu
Structure cristalline	Hexagonale
Propriétés physiques
État ordinaire	Gaz
Température de fusion	(à 26 atm) 0,95 K
Température de vaporisation	4,216 K
Énergie de fusion	5,23 kJ/mol
Énergie de vaporisation	0,0845 kJ/mol
Volume molaire	21,0×10−3 m3/mol
Pression de la vapeur	?
Vélocité du son	970 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	?
Chaleur massique	5 193 J/(kg·K)
Conductivité électrique	? S/m
Conductivité thermique	0,142 W/(m·K)
1er potentiel d'ionisation	2 372,3 kJ/mol
2e potentiel d'ionisation	5 250,5 kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN période MD Ed MeV PD 3He 0,000 137 % stable avec 1 neutrons 4He 99,999 863 % stable avec 2 neutrons 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 au point lambda de 2,1768 K, vers −271°C (à −270,9732°C exactement) et ceux qui étudient les effets des températures proches du zéro absolu sur d'autres substances (telle que la supraconductivité).

L'hélium est après l'hydrogène le deuxième élément le plus abondant de l'Univers, et le plus léger gaz noble du tableau périodique. Dans l'univers actuel, pratiquement tout l'hélium qui est produit, 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.

Utilisation

L'hélium est utilisé :

• à la pressurisation des réservoirs cryogéniques ;
• à l'état liquide en cryogénie, notamment pour refroidir les aimants supraconducteurs utilisés par exemple en IRM;
• en combinaison avec l'oxygène pour former l'héliox, gaz utilisé pour la plongée sous-marine à grande profondeur.
• ce même mélange est utilisé en médecine pour soulager les victimes de difficultés respiratoires, l'hélium pénétrant plus facilement que l'azote dans les voies respiratoires rétrécies;
• en chirurgie, des faisceaux d'hélium ionisés issus d'un synchrocyclotron sont utilisés pour traiter des tumeurs oculaires^[1] 
• 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 tracteur pour la chromatographie en phase gazeuse ;
• comme gaz de protection pour divers usages industriels (tels que la soudure à l'arc et la croissance des tranches de silicium);
• en association avec le néon dans les lasers He-Ne (qui émettent à 632.8 nm).

Utilisation thérapeutique

L'hélium est administré dans des mélanges contenant un minimum de 20% d'oxygène, à des patients aux prises avec une obstruction des voies respiratoires supérieures ou inférieures. La faible viscosité de l'hélium permet de diminuer le travail respiratoire.

Dangers reliés à l'inhalation

L'inhalation d'un faible volume d'hélium modifie temporairement la voix qui devient plus aigüe 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). On constate également une altération des cordes vocales sur une courte durée après inhalation.

Caractéristiques notables

L'hélium II s'étend le long de toutes les surfaces en contact avec le liquide libre. Ce qui donne une sorte de "système des vases communicants" permanent. Les niveaux de l'Hélium II dans une enceinte s'égalisent en permanence ! Si le récipient externe n'était pas scellé, l'Hélium II superfluide s'échapperait même si l'ouverture était à son sommet, car "mouillé" par le film du liquide superfluide.

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 exceptionnellement 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 soit −233°C ; 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 la tension est inférieure 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 électroluminescente 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.

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 50×10⁶ 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 pression minimale d'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.

État de l'hélium I

En dessous de son point d'ébullition de 4,216 K et au-dessus du point lambda de 2,1768 K, l'isotope ⁴ He 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 ; (devenant de l'hélium II). 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 II 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^e 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.

Histoire

L'existence de l'hélium (du grec ?λιος, 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^[2]. 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. En 1960, ils décidaient de constituer une réserve qui a atteint en 1995 le volume d'un milliard de mètres cube. Soit environ 180 000 tonnes de gaz.

L’Helium Privatization Act de 1996 autorisait d'entamer cette réserve à partir de 2005.

Néanmoins, fin 2006, le monde scientifique et industriel semble en état de pénurie effective d'hélium ce qui en fait une matière première stratégique.