Sciences · Éléments chimiques
Hélium
L’hélium (He, numéro atomique 2) est un gaz noble incolore, inodore et ininflammable. Deuxième élément le plus abondant de l’Univers, il reste rare sur Terre et sert surtout à refroidir les aimants des IRM.
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L'hélium est le deuxième élément du tableau périodique et le plus léger des gaz nobles. Il est le seul élément découvert dans le Soleil avant de l’être sur Terre, et le seul qui reste liquide jusqu’au zéro absolu sous pression atmosphérique. Abondant dans les étoiles, il est rare et non renouvelable sur Terre.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | He |
| Numéro atomique | 2 |
| Masse atomique | 4,0026 u |
| Famille | Gaz noble (groupe 18, période 1) |
| État à 20 °C | Gaz |
| Fusion | aucune sous 1 atm (solide seulement sous environ 25 atm) |
| Ébullition | −268,93 °C (4,22 K) |
| Découverte | 1868 dans le spectre solaire (Janssen, Lockyer) ; isolé sur Terre en 1895 (Ramsay) |
| Abondance | environ 24 % de la masse de la matière ordinaire de l’Univers ; 5,2 ppm dans l’air |
Propriétés
L’atome d’hélium possède deux protons, généralement deux neutrons et deux électrons qui remplissent sa seule couche électronique. Cette couche complète le rend chimiquement inerte : on ne lui connaît aucun composé stable dans les conditions ordinaires (voir gaz nobles).
C’est le gaz le plus léger après l’hydrogène, environ sept fois moins dense que l’air, mais il ne brûle pas. Son point d’ébullition est le plus bas de tous les éléments. En dessous de 2,17 K, l’hélium 4 liquide devient superfluide : il s’écoule sans aucune viscosité, remonte le long des parois des récipients et conduit la chaleur de façon exceptionnelle. Ce comportement est un effet direct de la mécanique quantique à l’échelle macroscopique.
Le son se propage presque trois fois plus vite dans l’hélium que dans l’air, d’où la voix aiguë de celui qui l’inhale.
Isotopes
| Isotope | Composition du noyau | Part naturelle | Remarque |
|---|---|---|---|
| Hélium 4 | 2 protons, 2 neutrons | plus de 99,99 % | noyau identique à la particule alpha |
| Hélium 3 | 2 protons, 1 neutron | environ 0,0001 % sur Terre | utilisé en cryogénie extrême et détection de neutrons |
L’hélium 3 est très recherché pour les réfrigérateurs à dilution, qui descendent à quelques millièmes de kelvin, et pour les détecteurs de neutrons. Sa rareté en fait l’une des substances les plus chères au monde.
Où trouve-t-on l’hélium ?
Presque tout l’hélium de l’Univers a été formé dans les premières minutes après le Big Bang, avec l’hydrogène. Les étoiles en fabriquent en permanence : la fusion nucléaire de l’hydrogène en hélium est la source d’énergie du Soleil.
Sur Terre, l’hélium provient de la désintégration alpha de l’uranium et du thorium contenus dans les roches. Il migre lentement et s’accumule dans certains gisements de gaz naturel, piégé sous des couches imperméables. Dans l’atmosphère, il ne reste pas : trop léger, il finit par s’échapper dans l’espace.
Production
L’hélium est extrait du gaz naturel par refroidissement : à très basse température, tous les autres constituants se liquéfient avant lui. Seuls les gisements qui en contiennent quelques dixièmes de pour cent sont rentables. Les principaux producteurs sont les États-Unis, le Qatar, l’Algérie et la Russie.
Usages
- Cryogénie : l’hélium liquide refroidit les aimants supraconducteurs des IRM, des spectromètres RMN et des accélérateurs de particules comme le LHC. C’est le premier usage.
- Gaz de levage : ballons-sondes météorologiques, dirigeables et ballons de fête, car il est ininflammable contrairement à l’hydrogène.
- Plongée profonde : mélangé à l’oxygène (héliox) ou à l’oxygène et l’azote (trimix), il évite la narcose et réduit l’effort respiratoire.
- Industrie : atmosphère protectrice pour le soudage, fabrication de fibres optiques et de semi-conducteurs, détection de fuites (ses atomes minuscules traversent les moindres fissures).
- Lasers : le laser hélium-néon, longtemps utilisé dans les lecteurs de codes-barres (voir laser).
Rôle biologique et dangers
L’hélium n’a aucun rôle biologique et n’est pas toxique. Le danger est l'asphyxie : inhaler de l’hélium pur chasse l’oxygène des poumons. Respirer directement à une bouteille sous pression peut provoquer une perte de connaissance, une embolie gazeuse ou un décès. Le stockage d’hélium liquide expose aussi à des brûlures par le froid.
Histoire du nom
Le 18 août 1868, pendant une éclipse totale observée en Inde, le Français Jules Janssen relève dans le spectre de la chromosphère solaire une raie jaune inconnue. Le Britannique Norman Lockyer l’attribue à un nouvel élément et le nomme hélium, du grec hêlios, « soleil ». En 1895, William Ramsay isole le gaz sur Terre à partir d’un minerai d’uranium, la clévéite ; les Suédois Per Teodor Cleve et Nils Abraham Langlet font la même observation presque simultanément.
Questions fréquentes
Pourquoi l’hélium fait-il monter les ballons ?
Un litre d’hélium pèse environ 0,18 g contre 1,2 g pour l’air. La poussée d’Archimède exercée par l’air déplacé dépasse le poids du ballon et du gaz.
Va-t-on manquer d’hélium ?
Les réserves exploitables existent encore, mais elles sont concentrées dans peu de pays et l’hélium gaspillé ne se récupère pas. Les pénuries ponctuelles et la hausse des prix sont déjà une réalité.
L’hélium est-il dangereux à respirer ?
Il n’est pas toxique mais il prive l’organisme d’oxygène. Une seule inhalation profonde peut suffire à provoquer un malaise ; c’est un jeu à proscrire, surtout chez les enfants.
Comment fabrique-t-on de l’hélium ?
On ne le fabrique pas industriellement : on l’extrait du gaz naturel. Les réactions nucléaires en produisent, mais en quantités infimes.