Helium

GÉNÉRALITÉS :
Après l'hydrogène, l'hélium est l'élément le plus abondant de l'Univers. Il est présent à 25% en masse dans le Soleil (et des planètes Jupiter et Saturne), et dans la plupart des étoiles.

C'est est un des gaz de l'air atmosphèrique (voir ce lien sur l'air), et il représente 0,00052% (5,2 ppmv) du volume total de l'atmosphère terrestre.
Il appartient au groupe des gaz "rares" (parfois appelé "gaz nobles"), avec l’argon, le néon, le krypton et le xénon.

De formule He, c'est un gaz neutre et incolore comme l'azote N₂, à l'état naturel, sur Terre il est présent dans l'air et on peut également le trouver sous forme fossile dans le sous-sol, dans des poches de gaz naturel de quelques gisements pétroliers dans certaines régions des USA, d'Algérie et de Pologne. On l'extrait alors au moyen de forages profonds.

Masse atomique : 4,0026 g mol^-1 (numéro atomique Z = 2).
Isotopes : ³He, ⁴He et ⁵He, ⁶He, ⁷He et ⁸He, dont 2 stables > ⁴He (99,999863 % sur Terre ) et ³He (0,000137 %) aux propriétés assez différentes.

Propriétés de l'hélium
L'hélium est un un gaz incolore, inodore, pratiquement inerte et ininflammable.
Il est surtout extrait du gaz naturel (qui peut en contenir jusqu'à 7 %), par distillation fractionnée.

C'est est un gaz extrêmement léger et il est par conséquent très volatile.

Très faiblement soluble dans l'eau : 0,0089 vol/vol (8,9 ml dans 1 litre d'eau, à 20 °C et sous 1 bar), donc le moins soluble des gaz connus.

Avec le néon, l'hélium est chimiquement le moins réactif de tous les corps dans les conditions normales, en raison de sa valence égale à 0.
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.

Aux conditions "normales" de pression (1013,25 hPa), c'est un gaz beaucoup plus léger que l'air (masse volumique) : 0,169 kg/m3 à 15 °C et 0,178 à 20°C.

Une fois refroidi en dessous de la température de -233,15 °C (40 K, température d'inversion de Joule-Thomson ), l'hélium peut être liquéfié seulement par le refroidissement dû seulement à sa détente.

Il se liquéfie vers -269°C (4,15 K) sous 1,013 bar (1 atm). Son point d'ébullition est par ailleurs, le plus bas parmi les corps connus.
Nota : l’originalité de l’hélium vient du fait qu’il possède deux phases liquides: une phase liquide normale (He I) et une phase liquide superfluide (He II). L’hélium ne possède donc pas de point triple mais un point dit l ("lambda") à l’intersection des phases gazeuse, liquide et superfluide (quatrième phase).

Le Point l se situe à T = -270,98 °C (2,17 K) et Pression = 50 hPa (0,05 bar), et en dessous de ce point se trouve l'état superfluide qui est caractérisé par une absence totale de viscosité, entre autres propriétés remarquables (voir ce lien et/ou celui-ci).

Le point de fusion de l'hélium solide (hélium congelé) est à -272,2 °C (0,95 K) sous 26 atmosphères, et c'est donc aussi le point approché, de solidification de l'hélium liquide.

Il reste liquide jusqu'au zéro absolu à des pressions inférieures à 25 atm, il n'existe donc sous forme solide qu'au-dessus d'une pression de 25 atm.

Point Critiques : Pression Pc = 0,227 MPa (2,27 bar) et Température Tc = -268 °C [5,15 K].

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Diagramme des phases


(source > bibnum.education.fr)
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Courbe pression = f(T)

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Quelques caractéristiques :

• Phase gazeuse :
  • Masse volumique de la phase gazeuse [1013,25 hPa, au point d'ébullition] : 16,891 kg m3^-1
  • Masse volumique de la phase gazeuse (1,013 bar et 15 °C) : 0,169 kg/m3
  • Equivalent gaz/liquide (1013,25 hPa et 15 °C) : 1 m3 de gaz (0,169 kg) > 1,336 litre de liquide
  • Volume spécifique (1013,25 hPa, à 21 °C ) : 6,037 m3 kg^-1
  • Chaleur spécifique à pression constante (Cp) (1 bar et 25 °C) : 20 J/(mole.K)
  • Chaleur spécifique à volume constant (Cp) (1 bar et 25 °C) : 12 J/(mole.K)
  • Viscosité (1013,25 hPa, à 0 °C ) : 0,0001863 Poise
  • Conductivité thermique (1013,25 hPa, à 0 °C ) : 2,64 mW/(m.K)
    
• Phase liquide :
  • Masse volumique de la phase liquide (1013,25 hPa, au point d'ébullition) : 124,96 kg m3^-1
  • Point d'ébullition (1013,25 hPa) : -269 °C (4,15 K)
  • Equivalent liquide/gaz (1013,25 hPa et 15 °C) : 1 litre de liquide > 748 litre de gaz (0,126 kg)
  • Chaleur latente de vaporisation (1013,25 hPa, au point d'ébullition) : 20,3 kJ kg^-1
    
• Phase solide (hélium congelé) :
  • Pratiquement invisible et incolore
  • Point de fusion : -272,2 °C (0,95 K) sous 26 atmosphères (26 344,5 hPa).

Utilisations.

• Industrielles/scientifiques :
  • L'hélium est utilisé comme atmosphère protectrice lors de la croissance du silicium monocristallin destiné à la fabrication de circuits intégrés et des fibres optiques, pour la production de titane et de zirconium, et en chromatographie en phase gazeuse, parce qu'il est inerte. Vu son inertie chimique, ses propriétés thermodynamiques et calorifiques idéales, sa vitesse du son élevée et un grand coefficient de Laplace, il est également utile dans les souffleries supersoniques ou pour les installations d'étude de phénomènes transitoires.
    
  • Gràce à sa très faible température d'ébullition (-269 °C ), proche du zéro absolu (273,15 °C), l'hélium est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs, et est utilisé comme fluide cryogènique pour les aimants des appareils de IRM, de RMN ou de RPE.
    
  • L'hélium en mélange avec un gaz plus lourd, comme le xénon, est utile pour la réfrigération thermoacoustique, en raison du grand rapport des capacités thermiques et du faible nombre de Prandtl. 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.
    
  • 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.
    
  • 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, on utilise l'hélium comme fluide de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au ga
    
  • Il est utilisé dans les lasers hélium-néon.
    
• Alimentaires / Médicales :
  • Il est 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.
    
  • Utilisation thérapeutique: l'hélium est administré dans des mélanges contenant un minimum de 20 % de dioxygène, à des patients aux prises avec une obstruction des voies respiratoires supérieures ou inférieures. La faible viscosité de l'hélium permet ainsi de diminuer le travail respiratoire.
    
  • En raison de sa faible solubilité dans le tissu nerveux, on utilise des mélanges d'hélium tels que le trimix, l'héliox et l'héliair pour la plongée profonde, afin de réduire les effets de la narcose à l'azote. Aux profondeurs supérieures à 150 m, de petites quantités d'hydrogène sont ajoutées au mélange hélium-dioxygène pour contrebalancer le syndrome nerveux des hautes pressions.
    À ces profondeurs, la faible densité de l'hélium diminue considérablement l'effort respiratoire.

Divers.
Comme l'hélium est plus léger que l'air, il peut être utilisé pour gonfler des dirigeables et des ballons libres ou captifs. Bien que l'hydrogène ait une force portante approximativement 7 % supérieure, l'hélium a l'avantage d'être incombustible (et même ignifuge).
Le réservoir d'oxygène de la nouvelle génération de lanceurs Ariane 5 est pressurisé par un sous-système d'hélium liquide.

Effet sur l'homme.
La voix d'un individu qui a inhalé de l'hélium change temporairement de timbre vers les harmoniques élevés.
Risque de suffocation : une inhalation d’une grande quantité comporte des risques d’asphyxie par privation d’oxygène.

Lien (canadien) sur les dangers des liquides cryogéniques.

A noter que l’atmosphère de la planète Vénus contient 12 ppmv d’hélium (Terre : 5,2 ppmv).

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