Hélium

S’il existe en abondance dans l’atmosphère du Soleil, d’où son nom qui provient du grec ἥλιος (helios) « le soleil », on ne le trouve qu’à l’état de traces dans l’atmosphère terrestre. Gaz extrêmement léger, il est par conséquent très volatil mais pas au point de généraliser le rêve d’Icare

Premier élément de la famille des gaz rares, l’hélium est pratiquement inerte chimiquement et monoatomique en toute circonstance, reflet de sa structure électronique dite saturée. Dans un vaste domaine de températures et de pressions, il se comporte expérimentalement comme un gaz parfait, ce qui en fait un outil privilégié pour l’expérimentation des théories physico-chimiques. Il possède deux isotopes stables : 3He et 4He qui présentent des propriétés physiques différentes, liées à leur différence de masse.

A l’échelle de l’Univers, la plus grande partie de l’hélium présent a été formé lors de la nucléosynthèse primordiale aux premiers instants du Big Bang, en quantités énormes (23 % de toute la matière). Sur la Terre, presque tout l’hélium provient de la radioactivité α. On le trouve principalement dans les minerais d’uranium et de thorium, émetteurs de particules α, qui sont des noyaux d’hélium ionisé He2+, qui se neutralisent immédiatement avec des électrons. On estime à 3 000 t l’hélium ainsi produit chaque année dans la lithosphère. Toutefois, on le trouve essentiellement sous forme fossile dans des poches de gaz naturel de quelques gisements pétroliers d’Algérie, des États-Unis, de Pologne et de Russie. On l’extrait alors au moyen de forages profonds dans le sous-sol. On estime sa production annuelle à 200 Mm3.

Contrairement aux autres éléments, l’hélium reste liquide jusqu’au (presque) zéro absolu, à des pressions inférieures à 25 bar. Au-dessous du point d’ébullition à 4,22K et au-dessus du point lambda à 2,1768K, l’hélium 4 existe sous forme d’un liquide normal incolore, appelé hélium I. L’hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractéristiques tout à fait inhabituelles, dans un état appelé hélium II. Contrairement aux liquides ordinaires, l’hélium II rampe le long des surfaces, apparemment, contre la gravité. Il s’échappe ainsi d’un récipient non fermé ! L’hélium 3 présente également ce comportement.

Avec le néon, l’hélium est chimiquement le moins réactif de tous les corps dans les conditions normales. Il semblerait à l’heure actuelle que les seuls composés stables de l’hélium prouvés soient des complexes endoédriques de fullerènes, comme He@C60, qui désigne un atome d’hélium emprisonné dans une cage de fullerène C60.

Malgré son prix élevé, l’hélium est utilisé pour de nombreux usages qui mettent à profit certaines de ses propriétés uniques, telles son bas point d’ébullition, sa faible densité, sa faible solubilité, sa haute conductivité thermique ou son caractère chimiquement et biologiquement inerte.

A l’état liquide, l’hélium est utilisé

  • pour refroidir certains métaux et alliages aux températures extrêmement basses nécessitées par la supraconductivité : les aimants supraconducteurs sont employés dans les appareils d’imagerie médicale IRM, pour les spectromètres de RMN ou de RPE ; les aimants du collisionneur LHC du CERN utilise pas moins de 96 t d’hélium liquide pour maintenir leur température à 1,9 K…
  • pour pressuriser les réservoirs de dihydrogène et de dioxygène des réservoirs de fusée (Ariane 5 par exemple).
    A l’état gazeux, l’hélium est utilisé
  • en raison de son caractère inerte, sa grande conductivité thermique, sa transparence aux neutrons et parce qu’il ne forme pas d’isotope radioactifs au sein des réacteurs, comme fluide de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz,
  • en tant que gaz vecteur en chromatographie en phase gazeuse, outil universel d’analyse chimique,
  • en détection de fuites dans les conduites de gaz sous pression,
  • en raison de sa faible solubilité dans le tissu nerveux, en mélange tels que le trimix, l’héliox et l’héliair pour la plongée sous-marine profonde, afin de réduire les effets de la narcose à l’azote,
  • et bien entendu pour le gonflage de dirigeables… et de ballons, d’où

La pensée chimique du jour :
« l’hélium donne des ailes aux ballons ! »

Sources :

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