Hélium Hélios ?

 

L'hélium est, après l'hydrogène, l'élément le plus abondant de l'Univers. Actuellement, pratiquement tout l'hélium a été produit lors de la nucléosynthèse primordiale. Les autres origines sont discutées ci-après dans la sous-section abondance naturelle.

Son étymologie provient du grec Hélios (Ἥλιος / Hếlios), le Soleil, ce gaz ayant été observé pour la première fois dans le spectre solaire.

Propriétés physiques

L'hélium est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est pratiquement 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. Les 2 isotopes stables de l'hélium sont les seuls composés chimiques à ne pas posséder de point triple[9].

On connait sept isotopes de l'hélium, mais seuls l'hélium 3 et l'hélium 4 sont stables, tout les autres sont extrêmement instables, certains n'existant virtuellement que lors de leur formation. Dans l'atmosphère terrestre, il n'y a (environ) qu'un atome d'hélium 3 pour un million d'hélium 4 [10]. Contrairement à la plupart des éléments, l'abondance isotopique de l'hélium varie considérablement selon son origine, en raison des processus de formation différents. L'isotope le plus abondant, l'hélium 4, est produit sur Terre par la radioactivité α d'éléments lourds : les particules α qui y sont produites sont des noyaux d'hélium 4 complètement ionisés. L'hélium 4 est un noyau à la stabilité inhabituelle, parce que ses nucléons sont arrangés en couches complètes.
A l'échelle de l'Univers, la grande partie de l'hélium présent a été formé (en quantités énormes, environ 25 % de toute la matière) lors de la nucléosynthèse primordiale[11]. Quasiment tout le reste de l'hélium produit, dans l'Univers, l'est (ou l'a été) lors de la nucléosynthèse stellaire.

Gaz

La conductivité thermique de l'hélium gazeux est supérieure à celle de tous les gaz, sauf l'hydrogène, et sa chaleur spécifique est exceptionnellement élevée. Son coefficient Joule-Thomson est négatif à température ambiante, ce qui signifie que, contrairement à la plupart des gaz, il se réchauffe lorsqu'il peut se détendre librement. La température d'inversion de Joule-Thomson est d'environ 40 K soit -233,15 °C à la pression d'1 atm[18]. Une fois refroidi en dessous de cette température, l'hélium peut être liquéfié par le refroidissement dû à sa détente.

L'hélium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus[19]. En raison de la petite taille de ses atomes, sa vitesse de diffusion à travers les solides est égale à trois fois celle de l'air et environ 65 % 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[20]. La vitesse du son dans l'hélium est supérieure à celle dans tout autre gaz, sauf l'hydrogène[21].

 

Plasma

Une lampe à décharge fonctionnant à l'hélium.

La plupart de l'hélium extraterrestre se trouve dans l'état de plasma, dont les propriétés diffèrent notablement de celles de l'hélium atomique. Dans le plasma, les électrons de l'hélium ne sont pas liés au noyau, ce qui conduit à une très grande conductivité électrique, même quand l'ionisation est partielle. Les particules chargées sont très sensibles aux champs électrique et magnétique. Par exemple, dans le vent solaire, l'hélium et l'hydrogène ionisés interagissent avec la magnétosphère terrestre, donnant lieu aux phénomènes de courants de Birkeland et aux aurores polaires[22].

Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester excité dans une décharge électrique dont la tension est inférieure à son potentiel d'ionisation. Ceci permet son utilisation dans les lampes à décharge.

 

Il faut recourir à la mécanique quantique pour expliquer cette propriété et donc l'hélium liquide sous ses diverses formes est appelé fluide quantique, pour signifier que les effets de la mécanique quantique, normalement sensibles seulement à l'échelle microscopique, se manifestent à l'échelle macroscopique car l'atome d'hélium 4 est un boson. Ceci s'interprète comme une conséquence du fait que le point d'ébullition est si rapproché du zéro absolu que les mouvements thermiques aléatoires ne peuvent plus masquer les propriétés atomiques[23].

Superfluide

Article détaillé : Superfluide.

L'hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractères tout à fait inhabituels, dans un état appelé hélium II.

À la transition de l'hélium I vers l'hélium II au point lambda, l'hélium se dilate. Quand la température baisse, l'hélium II continue à se dilater, jusqu'environ 1 K, où il recommence à se contracter comme la plupart des corps.

L'hélium II peut s'écouler à travers des capillaires de 10-7 à 10-8 m, sans viscosité mesurable[10]. 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 László Tisza pour l'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[24].

 

La conductivité thermique de l'hélium II est supérieure à celle de tout autre corps connu. Ceci empêche l'hélium II de bouillir, car tout apport de chaleur se transporte immédiatement à la surface, où il provoque tout simplement l'évaporation en gaz. Cette conductivité est un million de fois supérieure à celle de l'hélium I, et plusieurs centaines de fois celle du cuivre[18]. Ceci est dû au fait que la conduction de la chaleur se fait par un mécanisme quantique exceptionnel. La plupart des matériaux bons conducteurs de la chaleur ont une bande de valence d'électrons libres qui servent à conduire la chaleur. L'hélium II n'a pas de telle bande et pourtant conduit bien la chaleur. Le flux de chaleur obéit à des équations semblables aux équations d'onde de la propagation du son dans l'air. Quand de la chaleur est introduite, elle se déplace à 20 m⋅s-1 à 1,8 K dans l'hélium II. On appelle ces ondes deuxième son[25].

L'hélium II rampe sur les surfaces de façon à rétablir l'équilibre hydrostatique.

Contrairement aux liquides ordinaires, l'hélium II rampe le long des surfaces, même, apparemment, contre la gravité. Il s'échappera d'un récipient non fermé en rampant sur les côtés, à moins qu'il ne rencontre un endroit moins froid où il s'évapore. Quelle que soit la surface, il se déplace en un film de quelque 30 nm. Ce film est appelé film de Rollin, en souvenir du physicien qui l'a caractérisé le premier, Bernard V. Rollin[25],[26],[27]. Suite à cet effet et à la capacité de l'hélium II de passer rapidement à travers de petites ouvertures, il est difficile de confiner l'hélium liquide. À moins que le récipient ne soit astucieusement construit, l'hélium II escaladera les parois et passera à travers les vannes jusqu'à ce qu'il atteigne une région plus chaude où il s'évaporera. Les ondes qui se propagent le long d'un film de Rollin obéissent aux mêmes équations que les vagues en eau peu profonde, mais la force de rappel est ici la force de van der Waals à la place de la gravité[28]. Ces ondes sont connues sous le nom de troisième son[29].

 

L'inertie chimique de l'hélium a des avantages environnementaux sur d'autres systèmes de réfrigération, qui contribuent au trou d'ozone ou au réchauffement climatique[41].

Comme il diffuse à travers les solides trois fois plus vite que l'air, l'hélium est utilisé pour détecter les fuites dans les équipements à ultravide ou les réservoirs à haute pression[37].

Il est également utilisé avec des produits alimentaires (additif alimentaire autorisé par l'Union européenne sous la référence E939) pour permettre une vérification de l'étanchéité de l'emballage (voir liste des additifs alimentaires).

Scientifiques

L'hélium liquide est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs des appareils à IRM modernes

L'utilisation de l'hélium réduit les effets de distorsion dus aux variations de température dans l'espace séparant les lentilles de certains télescopes ou lunettes, en raison de son indice de réfraction exceptionnellement bas[18]. Cette méthode est spécialement utilisée pour les télescopes solaires, soumis à des variations importantes de température, mais pour lesquels une enceinte supportant la différence de pression entre l'atmosphère et le vide serait trop lourde[42],[43].

L'âge des roches et minéraux qui contiennent de l'uranium et du thorium peut être estimé en mesurant leur contenu en hélium par un procédé appelé datation à l'hélium[10],[18].

L'hélium liquide est aussi utilisé pour refroidir certains métaux aux températures extrêmement basses nécessitées pour la supraconductivité, par exemple pour les aimants supraconducteurs utilisés notamment pour les détecteurs à IRM. Le LHC au CERN utilise 96 t d'hélium liquide pour maintenir la température des aimants à 1,9 K[44]. De façon plus générale, l'hélium à basse température est utilisé en cryogénie.

 http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lium

 

En 2005, environ 160 millions de m3 d'hélium ont été extraits du gaz naturel, ou puisés dans les réserves, avec environ 83 % des États-Unis, 11 % d'Algérie et le reste principalement de Russie et de Pologne[62]. Aux États-Unis, la plupart de l'hélium est extrait du gaz naturel de Hugoton et des gisements voisins du Kansas, de l'Oklahoma et du Texas[61].

Une autre méthode de production et de purification de l'hélium est la diffusion du gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables ou d'autres barrières[63].

L'hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractères tout à fait inhabituels, dans un état appelé hélium II.

La conductivité thermique de l'hélium II est supérieure à celle de tout autre corps connu. Ceci empêche l'hélium II de bouillir, car tout apport de chaleur se transporte immédiatement à la surface, où il provoque tout simplement l'évaporation en gaz. Cette conductivité est un million de fois supérieure à celle de l'hélium I, et plusieurs centaines de fois celle du cuivre[18]. Ceci est dû au fait que la conduction de la chaleur se fait par un mécanisme quantique exceptionnel. La plupart des matériaux bons conducteurs de la chaleur ont une bande de valence d'électrons libres qui servent à conduire la chaleur. L'hélium II n'a pas de telle bande et pourtant conduit bien la chaleur. Le flux de chaleur obéit à des équations semblables aux équations d'onde de la propagation du son dans l'air. Quand de la chaleur est introduite, elle se déplace à 20 m⋅s-1 à 1,8 K dans l'hélium II. On appelle ces ondes deuxième son[25].

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 français Jules Janssen pendant une éclipse totale à Guntur (Inde)[65],[10]. Au début, on pense que cette raie est celle du sodium. Le 20 octobre de la même année, l'astronome anglais Norman Lockyer observe une raie jaune 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[66]. 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, ἥλιος (hélios)[67].

 

 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 pour le lancement des fusées pendant la course 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[86].

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 de 684 km de Bushton, Kansas, à Cliffside, près d'Amarillo, gisement partiellement épuisé. Le mélange hélium-diazote ainsi apporté est injecté et stocké jusqu'au moment des besoins, quand il est extrait et purifié[87].

En 1995, un milliard 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[10],[49]. 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[88].

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 pour la soudure à l'arc. Dès 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995 % étaient disponibles[89].

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[90]. En 2004–2006, deux usines additionnelles sont construites, une à Ras Laffan (Qatar) produisant 9,2 tonnes d'hélium liquide par jour, soit 1,88×107 m3 par an, et l'autre à Skikda (Algérie). L'Algérie est rapidement devenue le deuxième producteur d'hélium[61]. Au cours de cette période, la consommation d'hélium et les coûts de production ont augmenté[91]. Entre 2002 et 2007, les prix de l'hélium ont doublé[92] 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 première stratégique et recherchée par le monde scientifique et industriel, notamment pour de nouveaux usages comme la fabrication de fibres optiques et de circuits intégrés.

 

Dans le système international d'unités, la conductivité thermique est exprimée en watts par mètre par kelvin, (W·m-1·K-1) où :

  • le watt est l’unité de puissance
  • le mètre est l’unité de longueur (épaisseur/surface, m-1 = m/m2)
  • le kelvin est l’unité de température

La conductivité dépend principalement de :

  • La nature du matériau,
  • la température.
  • D’autres paramètres comme l’humidité, la pression interviennent également.

En général, la conductivité thermique va de pair avec la conductivité électrique. Par exemple, les métaux, bons conducteurs d'électricité sont aussi de bons conducteurs thermiques. Il y a des exceptions, la plus exceptionnelle étant celle du diamant, qui a une conductivité thermique élevée (entre 1000 et 2 600 W·m-1·K-1) alors que sa conductivité électrique est basse.

D’un point de vue atomique, la conductivité thermique est liée à deux types de comportements :

  • le mouvement des porteurs de charges, électrons ou trous.
  • l’oscillation des atomes autour de leur position d’équilibre.

 L'hélium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus[19]. En raison de la petite taille de ses atomes, sa vitesse de diffusion à travers les solides est égale à trois fois celle de l'air et environ 65 % celle de l'hydrogène.

Plasma

Une lampe à décharge fonctionnant à l'hélium.

La plupart de l'hélium extraterrestre se trouve dans l'état de plasma, dont les propriétés diffèrent notablement de celles de l'hélium atomique. Dans le plasma, les électrons de l'hélium ne sont pas liés au noyau, ce qui conduit à une très grande conductivité électrique, même quand l'ionisation est partielle. Les particules chargées sont très sensibles aux champs électrique et magnétique. Par exemple, dans le vent solaire, l'hélium et l'hydrogène ionisés interagissent avec la magnétosphère terrestre, donnant lieu aux phénomènes de courants de Birkeland et aux aurores polaires[22].

Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester excité dans une décharge électrique dont la tension est inférieure à son potentiel d'ionisation.

 

 Suite !!

 

 

 

Créer un site gratuit avec e-monsite - Signaler un contenu illicite sur ce site