Hélium
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Histoire

Découverte

La première indication de l'hélium est observée le 18 août 1868, comme une raie jaune brillante à une longueur d'onde de 587,49 nm dans le spectre de la chromosphère du Soleil. Cette raie est détectée par l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) français Jules Janssen pendant une éclipse (Une éclipse correspond à l'occultation d'une source de lumière par un objet physique. En astronomie, une éclipse se produit lorsqu'un objet (comme une planète ou un satellite naturel) occulte une source de lumière (comme une...) totale à Guntur (Inde). Au début, on pense que cette raie est celle du sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve...). Le 20 octobre de la même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), l'astronome anglais Norman Lockyer observe une raie jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) dans le spectre solaire, qu'il appelle raie de Fraunhofer D3, en raison de sa proximité avec les raies bien connues D1 et D2 du sodium. Il en conclut qu'elle est provoquée par un élément du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) inconnu sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...). Lockyer et le chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique ("supra-atomique"). Le mot...) anglais Edward Frankland nomment cet élément d'après le mot grec pour Soleil, ἥλιος (hélios).

En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la première fois à démontrer la présence d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments....) sur la Terre, par l'analyse spectrale (L'analyse spectrale est une méthode utilisée en physique pour déterminer les caractéristiques d'un phénomène observé. L'intensité du phénomène en...) de la lave (La lave est une roche en fusion, plus ou moins fluide, émise par un volcan lors d’une éruption. La lave est issue d'un magma,...) du Vésuve.

Raies spectrales de l'hélium

Le 26 mars 1895, le chimiste britannique Sir William Ramsay isole l'hélium sur Terre en traitant la clévéite (une variété de pechblende, contenant au moins 10 % de terres rares) avec des acides minéraux. Ramsay cherchait de l'argon, mais, après avoir séparé le diazote et le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions...) du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) libéré par l'acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé chimique corrosif de formule H2SO4.), il remarque au spectroscope une raie jaune brillante qui coïncide avec la raie D3 observée dans le spectre solaire.

Ces échantillons sont identifiés comme étant de l'hélium par Lockyer et le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) britannique William Crookes. Indépendamment, il est isolé de la clévéite la même année par les chimistes Per Theodor Cleve et Abraham Langlet à Uppsala, qui accumulent suffisamment de gaz pour pouvoir déterminer avec précision sa masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le...).

L'hélium avait aussi été isolé par le géochimiste américain William Francis Hillebrand, quelques années avant la découverte par Ramsay, en remarquant des raies spectrales inhabituelles à l'examen d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) d'uraninite. Mais Hillebrand attribue ces raies au diazote. Sa lettre de félicitations à Ramsay présente un cas intéressant de découverte et de presque-découverte en science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble...).

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds démontrent que les particules α sont des noyaux d'hélium, en permettant aux particules de pénétrer à travers une fine fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de...) d'un tube où ils ont fait le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), puis créant une décharge dans le tube pour étudier le spectre du nouveau gaz qui s'y trouve. En 1908, l'hélium est liquéfié pour la première fois par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, en refroidissant le gaz au-dessous de 1 K. Il essaie de le solidifier en baissant encore la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...), mais échoue, puisque l'hélium n'a pas de point (Graphie) triple. C'est un étudiant d'Onnes, Willem Hendrik Keesom, qui arrive à solidifier sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 1 cm3 d'hélium en 1926.

En 1938, le physicien soviétique Pyotr Leonidovitch Kapitsa découvre que l'hélium 4 n'a presque pas de viscosité aux températures proches du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans...) absolu, phénomène maintenant nommé superfluidité. En 1972, le même phénomène est observé dans l'hélium 3, mais à une température bien plus proche du zéro absolu, par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee, et Robert C. Richardson. Le phénomène dans l'hélium 3 est interprété comme la formation de paires d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...), qui sont des fermions, pour former des bosons, par analogie avec les paires de Cooper d'électrons à la base de la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et...).

Production et usages

Après un forage pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses dérivés (essence). Pour le transport d'autres liquides, les navires ont...) en 1903 à Dexter, Kansas, le jet de gaz produit était incombustible. Erasmus (Erasmus (European Region Action Scheme for the Mobility of University Students) est le nom donné au programme d'échange d'étudiants et d'enseignants entre les universités et les grandes écoles européennes. C'est un...) Haworth, le géologue de l'État du Kansas, collecta des échantillons du gaz produit et les rapporta à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) du Kansas, Lawrence. Avec l'aide des chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il détermina que le gaz était, en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.), 72 % de diazote, 15 % de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est principalement...) (un pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la sténographie pour la fraction 45/100 dont l'écriture...) combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant...) seulement avec plus de dioxygène) et 12 % de gaz non identifiable. Une analyse plus poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) montre à Cady et McFarland que 1,84 % de l'échantillon de gaz est de l'hélium. Ceci montre qu'en dépit de sa rareté globale sur Terre, l'hélium est concentré en grandes quantités sous les Grandes Plaines américaines et est disponible pour la production comme sous-produit de l'exploitation du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.). Les plus grandes réserves d'hélium sont dans le gisement d'Hugoton et dans les gisements voisins du Kansas du sud-ouest (Le sud-ouest est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et ouest. Le sud-ouest est opposé au nord-est.) avec des prolongements au Texas et en Oklahoma.

Ceci a permis aux États-Unis de devenir le premier producteur d'hélium du monde (Le mot monde peut désigner :). Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine des États-Unis subventionne trois petites usines expérimentales de production d'hélium pendant la Première Guerre mondiale. Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage (Un barrage est un ouvrage d'art construit en travers d'un cours d'eau et destiné à réguler l'écoulement naturel de l'eau pour permettre l'écoulement recherché.) avec ce gaz ininflammable et plus léger que l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...). Un total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes"....) de 5 700 m3 d'hélium à 92 % est produit par ce programme, malgré le fait que précédemment, moins de 100 l ait été produit au total. Une partie de ce gaz est utilisé pour le premier dirigeable gonflé à l'hélium dans le monde, le C-7 de la marine américaine, qui est inauguré pour son premier voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est...) de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling à Washington le 1er décembre 1921.

Bien que le procédé d'extraction par liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la transformation inverse de la vaporisation. L'usage vulgaire appelle parfois cette...) du gaz à basse température ne soit pas mis au point assez tôt pour jouer un rôle significatif pendant la Première Guerre mondiale, la production se poursuivra. L'hélium est utilisé en premier lieu pour gonfler les aérostats. Cet usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) va accroître la demande pendant la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...) Guerre mondiale, de même que la demande pour la soudure à l'arc.

Le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses...) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) à hélium est également vital pour le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) Manhattan (Manhattan est l'une des cinq circonscriptions (borough) de la ville de New York (les quatre autres étant The Bronx, Queens, Brooklyn et Staten Island). La circonscription de Manhattan se superpose avec le...) de bombe atomique.

Le gouvernement des États-Unis crée en 1925 une Réserve Nationale d'Hélium à Amarillo, Texas, dans le but d'approvisionner les aérostats, militaires en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de guerre, et civils en temps de paix. En raison de l'embargo militaire des États-Unis contre l'Allemagne, la fourniture d'hélium y a été restreinte et le Hindenburg a dû être gonflé à l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), avec les conséquences catastrophiques qui s'ensuivirent lors de son incendie. La consommation d'hélium après la Seconde Guerre mondiale diminue, mais la réserve est augmentée dans les années 1950 pour assurer la fourniture d'hélium liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) pour le lancement des fusées pendant la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à l'espace et la guerre froide. En 1965, la consommation d'hélium des États-Unis dépasse huit fois le maximum qu'elle a atteint pendant le temps de guerre.

Après les Amendements sur les lois de l'hélium de 1960 (loi publique 86-777), le Bureau des mines des États-Unis met en place cinq usines privées pour l'extraction de l'hélium du gaz naturel. Pour ce programme de préservation de l'hélium, le Bureau construit un gazoduc (Un gazoduc est une canalisation destinée au transport de matières gazeuses sous pression, la plupart du temps des hydrocarbures, sur de longues distances.) de 684 km de Bushton, Kansas, à Cliffside, près d'Amarillo, gisement partiellement épuisé. Le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange....) hélium-diazote ainsi apporté est injecté et stocké jusqu'au moment des besoins, quand il est extrait et purifié.

En 1995, un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de m3 de gaz ont été réunis mais la réserve a 1,4 milliard de dollars US de dettes, ce qui conduit le Congrès des États-Unis, en 1996, à faire cesser progressivement son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.). La Loi de privatisation de l'hélium de 1996 qui s'ensuit (Loi publique 104–273) enjoint le Département de l'Intérieur des États-Unis de commencer à vider la réserve en 2005.

L'hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3 % (~ 2 % de diazote), ce qui convenait parfaitement pour les aérostats. En 1945, une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'hélium à 99,9 % était produite pour l'utilisation pour la soudure à l'arc. Dès 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995 % étaient disponibles.

Pendant plusieurs années, les États-Unis produisent plus de 90 % de l'hélium commercialement disponible dans le monde, les usines d'extraction du Canada, de Pologne, de Russie et d'autres nations produisant le reste. Au milieu des années 1990, une nouvelle usine commence à produire à Arzew, en Algérie. Avec 1,7×107 m3 par an, elle peut couvrir toute la demande européenne, soit environ 16 % de la production mondiale. Pendant ce temps-là, la consommation aux États-Unis a dépassé 15 000 t en 2000. En 2004–2006, deux usines additionnelles sont construites, une à Ras Laffan (Qatar) produisant 9,2 tonnes d'hélium liquide par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...), soit 1,88×107 m3 par an, et l'autre à Skikda (Algérie). L'Algérie est rapidement devenue le deuxième producteur d'hélium. Au cours de cette période, la consommation d'hélium et les coûts de production ont augmenté. Entre 2002 et 2007, les prix de l'hélium ont doublé et pendant la seule année 2008, les principaux fournisseurs ont augmenté leurs prix d'environ 50 %[citation nécessaire]. Ceci est lié à un état effectif de pénurie chronique d'hélium, ce qui en fait une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et possède...) première stratégique et recherchée par le monde scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) et industriel, notamment pour de nouveaux usages comme la fabrication de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optiques et de circuits intégrés.

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