« Hélium » : différence entre les versions

L’'''hélium''' est l'[[élément chimique]] de [[numéro atomique]] 2, de symbole He. C'est un [[gaz noble]] (ou gaz rare), pratiquement [[inerte (chimie)|inerte]], le premier de la [[Famille d'éléments chimiques|famille]] des gaz nobles dans le [[tableau périodique des éléments]]. Son [[point d'ébullition]] est le plus bas parmi les corps connus, et il n'existe sous forme solide que s'il est soumis à une pression supérieure à {{nombre|25|[[Atmosphère (unité)|atmosphères]]}}.

Le mot ''hélium'' a été construit à partir du grec ''Helios'' ({{grec ancien|Ἥλιος}} / ''{{Lang|grc-Latn|Hếlios}}'', {{citation|le [[Soleil]]}}), cet élément ayant été observé pour la première fois dans le [[Raies de Fraunhofer|spectre solaire]] le {{date-|18 août 1868}}, au cours d'une [[éclipse totale]] de Soleil, par l'astronome [[Jules Janssen]]<ref>{{Ouvrage|auteur1=Paul Depovere |titre=La classification périodique des éléments. La merveille fondamentale de l'Univers |éditeur=[[De Boeck Supérieur]] |année=2002 |passage=103 |isbn=}}.</ref>.

L'hélium est, après l'[[hydrogène]], l'élément le plus abondant dans l'[[Univers]]. L'essentiel de cet hélium a été produit lors de la [[nucléosynthèse primordiale]] mais d'autres processus en produisent, notamment la {{nobr|[[radioactivité α]]}} ({{cf.}} sous-section [[#Abondance naturelle|Abondance naturelle]]). Sur la [[Terre]], selon une estimation du {{Lang|en|[[Bureau of Land Management]]}} des [[États-Unis]] de 2006, les ressources d'hélium totalisent {{Uniténobr|52| milliards}} de mètres cubes<ref name="sciencehand" />.

L'{{nobr|hélium 4}} peut être refroidi jusqu'à environ {{Unité|1|K}} par évaporation. L'{{nobr|hélium 3}}, qui a un point d'ébullition inférieur, peut être refroidi jusqu'à {{Unité|0.2|K}} par la même méthode. Des mélanges à parts égales d'{{nobr|hélium 3}} et 4 se séparent, au-dessous de {{Unité|0.8|K}}, car ils ne sont plus [[Miscibilité|miscibles]], en raison de leurs différences (l'atome d'{{nobr|hélium 4}} étant un [[boson]] tandis que l'atome d'{{nobr|hélium 3}} est un [[fermion]], ils suivent deux statistiques quantiques différentes<ref group="Nn">[[Statistique de Bose-Einstein]] et [[statistique de Fermi-Dirac]].</ref>). Les [[Réfrigérateur à dilution|réfrigérateurs à dilution]] utilisent cette propriété pour atteindre quelques millikelvins.

L'hélium est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est pratiquement [[inerte (chimie)|inerte]] chimiquement, monoatomique en toute circonstance. Dans un vaste domaine de températures et de pressions, il se comporte expérimentalement comme un [[gaz parfait]], ce qui en fait une substance privilégiée pour l'expérimentation des théories physico-chimiques.

[[Fichier:HeTube.jpg| vignette| gauche| redresse=0.87| Une [[lampe à décharge]] fonctionnant à l'hélium.]]

L'{{nobr romains|hélium II}} peut s'écouler à travers des capillaires de {{nobr|10{{exp|-7}} à 10{{exp|-8}} m}}, sans [[viscosité]] mesurable<ref name="nbb" />. Cependant quand on mesure la viscosité entre deux disques tournant l'un par rapport à l'autre, on trouve une viscosité comparable à celle de l'hélium gazeux. La théorie actuelle explique ce fait en utilisant un ''modèle à deux fluides'' de {{lien|trad=[[László Tisza}}]] pour l'{{nobr romains|hélium II}}. Dans ce modèle, l'hélium liquide, au-dessous du point lambda, consiste en un mélange d'atomes d'hélium dans l'état fondamental et d'atomes dans des états excités, qui se comportent davantage comme un fluide ordinaire<ref>{{article | langue =en | prénom1 =P. C. | nom1 =Hohenberg | nom2 =P. C. Martin | titre =Microscopic Theory of Superfluid Helium | périodique ={{lang|en|Annals of Physics}} | volume =281 | numéro =1–2| mois =octobre | année =2000 | pages =636–705 | doi =10.1006/aphy.2000.6019 | commentaire ={{lang|en|Abstract}}. Article disponible pour les abonnés de ScienceDirect.}}</ref>.

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'{{nobr romains|hélium II}}. Il y est bouché par un disque [[Frittage|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<ref group="Nn">Voir {{video}} ucilowtemp, [https://www.youtube.com/watch?v=kCJ24176enM&feature=related Voir unSuperfluid clipFountain], sur [[Youtube par ucilowtemp]].</ref>.

Malgré son prix élevé, l'hélium est utilisé pour de nombreux usages exigeant certaines de ses propriétés uniques, telles son [[point d'ébullition]] bas, sa faible [[densité]], sa faible [[solubilité]], sa haute [[conductivité thermique]] ou son caractère chimiquement et biologiquement [[inerte (chimie)|inerte]]. On le trouve dans le commerce sous forme liquide ou gazeuse. Sous forme liquide, on peut trouver des petits réservoirs appelés [[Vase Dewar|dewars]], qui peuvent contenir jusqu'à {{nombre|1000|[[litre|l]]}} d'hélium, ou dans des grands réservoirs ISO de capacités nominales jusqu'à {{Unité|40000|l}}. Sous forme gazeuse, de petites quantités d'hélium sont fournies dans des cylindres à haute pression contenant jusqu'à {{Unité|8.5|m|3}} standards, tandis que les grandes quantités sont livrées en camions-citernes sous pression qui peuvent avoir des capacités jusqu'à {{Unité|5000|m|3}} standards.

Presque tout l'hélium sur Terre provient de la [[radioactivité α]]. On le trouve principalement dans les composés d'[[uranium]] et de [[thorium]], notamment la [[pechblende]], la [[carnotite]] et la [[monazite]], parce qu'ils émettent des [[particule α|particules α]], qui sont des noyaux d'hélium ionisé He²⁺, qui se neutralisent immédiatement avec des électrons<ref name="sciencehand" />. On estime à {{Unité|3000|[[tonne|t]]}} l'hélium ainsi produit chaque année dans la [[lithosphère]]<ref>{{article | langue =en | prénom1 =Melvine A. | nom1 =Cook | titre =Where is the Earth's Radiogenic Helium? | périodique =Nature | volume =179 | année =1957 | pages =213 | doi =10.1038/179213a0 | consulté le =23 juin 2009 | commentaire ={{lang|en|Abstract}}, article proposé à la vente.}}</ref>{{,}}<ref>{{article | langue =en | prénom1 =L. T. | nom1 =Aldrich | nom2 =Alfred O. Nier | titre =The Occurrence of {{fchim|He|3}} in Natural Sources of Helium | périodique ={{lang|en|Phys. Rev.}} | volume =74 | année =1948 | pages =1590–1594 | doi =10.1103/PhysRev.74.1590 | consulté le =23 juin 2009 | commentaire ={{lang|en|Abstract}}, article sur abonnement PROLA. }}</ref>{{,}}<ref>{{article | langue =en | prénom1 =P. | nom1 =Morrison | nom2 =J. Pine | titre =Radiogenic Origin of the Helium Isotopes in Rock | périodique ={{lang|en|Annals of the New York Academy of Sciences}} | volume =62 | numéro =3 | année =1955 | pages =71–92 | doi =10.1111/j.1749-6632.1955.tb35366.x | consulté le =23 juin 2009 | commentaire =Pas d'{{lang|en|abstract}}, remerciements, article sur abonnement à Wiley InterScience.}}</ref>. Dans la croûte terrestre, la concentration de l'hélium est {{Nombre|8|e=-6}} en volume. Dans l'eau de mer, elle n'est que de {{nombre|4|e=-12}}. Il y en a aussi de petites quantités dans les [[Eau minérale|eaux minérales]], les [[gaz volcaniques]] et le [[fer météorique]]. Comme l'hélium est piégé comme le [[gaz naturel]] par les couches de roches imperméables, on trouve les plus hautes concentrations d'hélium dans les gisements de gaz naturel, d'où l'on extrait la plupart de l'hélium commercial. Sa concentration en volume par rapport au gaz naturel varie de quelques [[parties par million]] à une concentration de 7 % identifiée dans le [[Comté de San Juan (Nouveau-Mexique)|comté de San Juan]], au [[Nouveau-Mexique]]<ref>{{article | langue = en | prénom1 = R. E. | nom1 = Zartman | titre = Helium Argon and Carbon in Natural Gases | périodique = {{lang|en|Journal of Geophysical Research}} | volume = 66 | numéro =1 | année =1961 | pages =277–306 | url texte =http://www.agu.org/journals/jz/v066/i001/JZ066i001p00277/ | doi =10.1029/JZ066i001p00277 | consulté le =21 juillet 2008 | commentaire =Sur abonnement AGU, ou à la vente.}}</ref>{{,}}<ref>{{article | langue =en | prénom1 =Ronald F. | nom1 =Broadhead | titre =Helium in NewMexico – geology distribution resource demandand exploration possibilities | périodique ={{lang|en|New Mexico Geology}} | volume =27 | numéro =4 | année =2005 | pages =93–10 | format =pdf | url texte =http://geoinfo.nmt.edu/publications/periodicals/nmg/27/n4/helium.pdf | consulté le =23 juin 2009}}.</ref>.

Pour l'utilisation à grande échelle, l'hélium est extrait par [[distillation fractionnée]] du [[gaz naturel]], qui peut en contenir jusqu'à 7 %<ref>{{Lien web|langue=en | url =http://www.webelements.com/helium/ | titre =Helium: the essentials | auteur =Mark Winter | année =2008 | éditeur ={{lang|en|University of Sheffield}} | consulté le =23 juin 2009}}.</ref>. Comme l'hélium a un point d'ébullition inférieur à tout autre corps, on utilise une basse température et une haute pression pour liquéfier presque tous les autres gaz (principalement le diazote et le [[méthane]]). L'hélium brut qui en résulte est alors purifié par exposition à des températures de plus en plus basses, ce qui fait précipiter pratiquement tout le diazote et autres gaz restants du mélange gazeux. On utilise enfin du [[charbon actif]] pour une étape finale de purification, pour obtenir ainsi de l'hélium d'une qualité de 99,995 %<ref>{{en}} ''{{lang|en|The Encyclopedia of the Chemical Elements}}'', {{op. cit.}}, {{p.|258}}.</ref>. La principale impureté de l'hélium de qualité A est le [[néon]]. Pour terminer la purification, la plupart de l'hélium produit est liquéfié, par un processus cryogénique. La liquéfaction est nécessaire pour les applications utilisant l'hélium liquide et permet d'ailleurs aux fournisseurs d'hélium de réduire le coût du transport à distance, car les plus grands réservoirs à hélium liquide ont une capacité au moins cinq fois plus grande que les remorques portant des cylindres d'hélium gazeux sous pression<ref name="wwsupply">{{article | langue =en | prénom1 =E.M. | nom1 =Smith | nom2 =T.W. Goodwin, J. Schillinger | périodique ={{lang|en|Advances in Cryogenic Engineering}} | volume =49A | numéro =710 | titre = Challenges to the worldwide suply of helium in the next decade | année =2003 | pages =119–138 | format =pdf | url texte =https://www.airproducts.com/NR/rdonlyres/E44F8293-1CEE-4D80-86EA-F9815927BE7E/0/ChallengestoHeliumSupply111003.pdf | doi =10.1063/1.1774674 | consulté le =23 juin 2009}}.</ref>{{,}}<ref>{{Lien web |langue=en | url =http://www.jbs.cam.ac.uk/programmes/phd/downloads/conference_spring2007/papers/cai.pdf | format=pdf | titre =Modelling Helium Markets | auteurs=Z. Cai, R. Clarke, N. Ward, W. J. Nuttall, B. A. Glowacki | année =2007 | éditeur =[[Université de Cambridge]] | consulté le = 22 juin 2009}}.</ref>.

La première indication de l'hélium est observée le {{date-|18 août 1868}}, comme une raie jaune brillante à une [[longueur d'onde]] de {{unité|587.49|nm}} dans le [[Spectre d'émission|spectre]] de la [[chromosphère]] du [[Soleil]]. Cette raie est détectée par l'astronome français [[Jules Janssen]] pendant une [[Éclipse solaire|éclipse totale]] à [[Guntur (Inde)]]Le mot ''hélium'' a été construit à partir du grec ''Helios'' ({{grec ancien|Ἥλιος}} / ''{{Lang|grc-Latn|Hếlios}}'', {{citation|le [[Soleil]]}}), cet élément ayant été observé pour la première fois dans le [[Raies de Fraunhofer|spectre solaire]] le {{date-|18 août 1868}}, au cours d'une [[éclipse totale]] de Soleil, par l'astronome [[Jules Janssen]]<ref>{{Ouvrage|auteur1=Paul Depovere |titre=La classification périodique des éléments. La merveille fondamentale de l'Univers |éditeur=[[De Boeck Supérieur]] |année=2002 |passage=103 |isbn=}}.</ref>{{,}}<ref name="frnch">{{article | langue =en | prénom1 =R. K. | nom1 =Kochhar | titre =French astronomers in India during the 17th - 19th centuries | périodique ={{lang|en|Journal of the British Astronomical Association}} | volume =101 | numéro =2 | année =1991 | pages =95–100 | url texte =http://articles.adsabs.harvard.edu//full/1991JBAA..101...95K/0000100.000.html | consulté le =23 juin 2009}}.</ref>{{,}}<ref name="nbb" />. Au début, on pense que cette raie est celle du [[sodium]]. Le {{date-|20 octobre 1868-}} de la même année, l'astronome anglais [[Joseph Norman Lockyer|Norman Lockyer]] observe une raie jaune dans le spectre solaire, qu'il appelle [[Raies de Fraunhofer|raie de Fraunhofer]] D{{ind|3}}, en raison de sa proximité avec les raies bien connues D{{ind|1}} et D{{ind|2}} du sodium<ref>{{en}} ''{{lang|en|The Encyclopedia of the Chemical Elements}}'', {{op. cit.}}, {{p.|256}}.</ref>. Il en conclut qu'elle est provoquée par un élément du Soleil inconnu sur Terre. Lockyer et le chimiste anglais [[Edward Frankland]] nomment cet élément d'après le mot grec pour Soleil, {{Lang|grc|ἥλιος}} (''[[hélios]]'')<ref>{{en}} W. Thomson, ''{{lang|en|Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium.}}'', {{lang|en|Rep. Brit. Assoc.}} {{rom-min|xcix|99}}, 1872.</ref>.

Après un forage pétrolier en 1903 à [[Dexter (Kansas)|Dexter]], [[Kansas]], le jet de gaz produit était incombustible. {{lien|trad=Erasmus Haworth}}, le géologue de l'État du Kansas, collecta des échantillons du gaz produit et les rapporta à l'[[université du Kansas]], [[Lawrence (Kansas)|Lawrence]]. Avec l'aide des chimistes {{lien|trad=Hamilton Cady}} et David McFarland, il détermina que le gaz était, en volume, 72 % de diazote, 15 % de méthane (un pourcentage combustible seulement avec plus de dioxygène) et 12 % de gaz non identifiable<ref name="nbb" />{{,}}<ref>{{article | langue =en | prénom1 =D. F. | nom1 =McFarland | titre =Composition of Gas from a Well at Dexter, Kan | périodique ={{lang|en|Transactions of the Kansas Academy of Science}} | volume =19 | année =1903 | pages =60–62 | url texte =https://www.jstor.org/stable/3624173 | doi =10.2307/3624173 | consulté le =23 juin 2009 | commentaire = Première page. Article complet aux conditions JSTOR.}}</ref>. Une analyse plus poussée montre à Cady et McFarland que 1,84 % de l'échantillon de gaz est de l'hélium<ref>{{Lien web |lang=en | url =http://acswebcontent.acs.org/landmarks/landmarks/helium/helium.html | titre =The Discovery of Helium in Natural Gas | année =2004 | éditeur ={{lang|en|American Chemical Society}} | consulté le =23 juin 2009}}.</ref>{{,}}<ref>{{article | langue =en | prénom1 =H.P. | nom1 =Cady | nom2 =D. F. McFarland | titre =Helium in Natural Gas | périodique =Science | volume =24 | année =1906 | pages =344 | doi =10.1126/science.24.611.344 | consulté le =23 juin 2009 | commentaire =Pas d'{{lang|en|abstract}}. Article en vente, ou membres de l'AAAS. }}</ref>. Ceci montre qu'en dépit de sa rareté globale sur Terre, l'hélium est concentré en grandes quantités sous les [[Grandes Plaines]] américaines et disponible pour la production comme sous-produit de l'exploitation du gaz naturel<ref>{{article | langue =en | prénom1 =H.P. | nom1 =Cady | nom2 =D. F. McFarland | titre =Helium in Kansas Natural Gas | périodique ={{lang|en|Transactions of the Kansas Academy of Science}} | volume =20 | année =1906 | pages =80–81 | url texte =http://mc1litvip.jstor.org/stable/3624645 | doi =10.2307/3624645 | consulté le =23 juin 2009 | commentaire =<Pas d'{{lang|en|abstract}}. Article aux conditions JSTOR. | archiveurl =https://archive.is/20120527005227/http://mc1litvip.jstor.org/stable/3624645 | archivedate =27 mai 2012 }}.</ref>. Les plus grandes réserves d'hélium sont dans le gisement d'[[Hugoton]] et dans les gisements voisins du Kansas du sud-ouest avec des prolongements au Texas et en Oklahoma.

CeciCela a permis aux États-Unis de devenir le premier producteur d'hélium du monde. Suivant la suggestion de Sir {{lien|trad=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 [[Albert Caquot#Le constructeur aéronautique|ballons captifs]] de barrage avec ce gaz ininflammable et plus léger que l'air. Un total de {{unité|5700|m|3}} d'hélium à 92 % est produit par ce programme, bien que précédemment, moins de {{Unité|100|l}} ait été produit au total<ref name="Encyc 257" />. Une partie de ce gaz est utilisée pour le premier dirigeable gonflé à l'hélium dans le monde, le C-7<!-- voir « C-class blimp » sur WP:EN ? lien interwiki dans le texte ou via note ? --> de la marine américaine, inauguré pour son premier voyage de {{lang|en|[[Hampton Roads]]}} en [[Virginie (États-Unis)|Virginie]] au terrain de Bolling à [[Washington (district de Columbia)|Washington]] le {{date-|1 décembre 1921}}<ref>{{en}} Eugene M. Emme(éd.), ''{{lang|en|Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960}}'', [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]], Washington, D.C., 1961, {{lire en ligne|lien=http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/Timeline/1920-24.html|date=23 juin 2009}}, {{chap.|« {{lang|en|Aeronautics and Astronautics Chronology, 1920–1924}} »}}, {{p.|11–19}}.</ref>.

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 d'hélium à 99,9 % était produite pour l'utilisation pourdans la soudure à l'arc. Dès 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995 % étaient disponibles<ref>{{en}} P.V. Mullins, R. M. Goodling ''{{lang|en|Helium}}'', {{lang|en|Bureau of Mines / Minerals yearbook}} 1949, 1951, {{lire en ligne|lien=http://digicoll.library.wisc.edu/cgi-bin/EcoNatRes/EcoNatRes-idx?type=div&did=ECONATRES.MINYB1949.PVMULLINS&isize=text|date=21 juin 2009}}, {{p.|599–602}}.</ref>.

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. À ce rythme, selon une étude ({{date-|août 2010}}), les réserves des États-Unis seront épuisées avant 2040<ref name="consom2010">{{en}} étude [http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=12844 {{lang|en|Selling the Nation's Helium Reserve}}], {{date-|août 2010}}.</ref> (près d'un tiers des besoins mondiaux sont fournis par les États-Unis, dont la capacité de production globale est d'environ {{nombrenobr|142| millions}} de mètres cubes (en 2010) alors que la consommation s'est élevée à {{nombre|180|millions}} de mètres cubes<ref name="consom2010" /> et que l'hélium semble {{Citation|indispensable à la plupart de ses applications}})<ref name="consom2010" />.

<references group="Nn"/>

{{=== Références }}===

* {{Liens}}