HÉLIUM

HÉLIUM

Numéro CAS : 7440-59-7
Numéro CE : 231-168-5

L'hélium (du grec : ἥλιος, romanisé : helios, allumé « soleil ») est un élément chimique avec le symbole He et le numéro atomique 2.
L'hélium est un gaz monoatomique incolore, inodore, insipide, non toxique, inerte et le premier du groupe des gaz rares dans le tableau périodique.

Les points d'ébullition et de fusion de l'hélium sont les plus bas de tous les éléments.
L'hélium est le deuxième élément le plus léger et le plus abondant de l'univers observable (l'hydrogène est le plus léger et le plus abondant).

L'hélium est présent à environ 24% de la masse élémentaire totale, soit plus de 12 fois la masse de tous les éléments plus lourds combinés.
L'abondance de l'hélium est similaire à celle-ci dans le Soleil et dans Jupiter, en raison de l'énergie de liaison nucléaire très élevée (par nucléon) de l'hélium-4, par rapport aux trois éléments suivants après l'hélium.

Cette énergie de liaison à l'hélium-4 explique également pourquoi l'hélium est un produit à la fois de la fusion nucléaire et de la désintégration radioactive.
La plupart de l'hélium dans l'univers est de l'hélium-4, dont la grande majorité s'est formée pendant le Big Bang.
De grandes quantités de nouvel hélium sont créées par la fusion nucléaire de l'hydrogène dans les étoiles.

L'hélium a été détecté pour la première fois comme une signature de raie spectrale jaune inconnue dans la lumière du soleil lors d'une éclipse solaire en 1868 par Georges Rayet, le capitaine CT Haig, Norman R. Pogson et le lieutenant John Herschel, et a ensuite été confirmé par l'astronome français Jules Janssen.

Janssen est souvent conjointement crédité de la détection de l'élément, avec Norman Lockyer.
Janssen a enregistré la raie spectrale de l'hélium lors de l'éclipse solaire de 1868, tandis que Lockyer a observé l'hélium de Grande-Bretagne.
Lockyer a été le premier à proposer que la ligne était due à un nouvel élément, qu'il a nommé.

La découverte officielle de l'élément a été faite en 1895 par les chimistes Sir William Ramsay, Per Teodor Cleve et Nils Abraham Langlet, qui ont trouvé de l'hélium émanant du minerai d'uranium, la cleveite, qui n'est plus considérée comme une espèce minérale distincte, mais comme un variété d'uraninite.
En 1903, d'importantes réserves d'hélium ont été découvertes dans des gisements de gaz naturel dans certaines parties des États-Unis, de loin le plus grand fournisseur de gaz aujourd'hui.

Sur Terre, l'hélium est relativement rare - 5,2 ppm en volume dans l'atmosphère.
La plupart de l'hélium terrestre présent aujourd'hui est créé par la désintégration radioactive naturelle d'éléments radioactifs lourds (thorium et uranium, bien qu'il existe d'autres exemples), car les particules alpha émises par de telles désintégrations sont constituées de noyaux d'hélium-4.

Cet hélium radiogénique est piégé avec du gaz naturel à des concentrations pouvant atteindre 7 % en volume, dont l'hélium est extrait commercialement par un procédé de séparation à basse température appelé distillation fractionnée.
L'hélium terrestre est une ressource non renouvelable car une fois libéré dans l'atmosphère, l'hélium s'échappe rapidement dans l'espace.

On pense que l'approvisionnement en hélium diminue rapidement.
Cependant, certaines études suggèrent que l'hélium produit profondément dans la terre par désintégration radioactive peut s'accumuler dans les réserves de gaz naturel en quantités plus importantes que prévu, dans certains cas, après avoir été libéré par l'activité volcanique.

L'hélium tire son nom de « helios », le mot grec désignant le soleil.
L'hélium a été détecté dans le soleil par ses raies spectrales de nombreuses années avant d'être trouvé sur Terre.
Un gaz incolore, inodore et totalement non réactif.

En dessous du point d'ébullition de l'hélium de 4,22 K (-268,93 ° C; -452,07 ° F) et au-dessus du point lambda de 2,1768 K (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F), l'isotope hélium-4 existe dans un état liquide incolore normal , appelé hélium I.
L'hélium-4 est unique en ayant deux formes liquides.

La forme liquide normale est appelée hélium I et existe à des températures allant du point d'ébullition de l'hélium I de 4,21 K (-268,9 ° C) à environ 2,18 K (-271 ° C).
En dessous de 2,18 K, la conductivité thermique de l'hélium-4 devient plus de 1 000 fois supérieure à celle du cuivre.

Cette forme liquide est appelée hélium II pour la distinguer de l'hélium liquide normal I.
L'hélium II présente la propriété appelée superfluidité : sa viscosité, ou résistance à l'écoulement, est si faible qu'elle n'a pas été mesurée.

Ce liquide se répand en un film mince sur la surface de toute substance qu'il touche, et ce film s'écoule sans frottement même contre la force de gravité.
En revanche, l'hélium-3, moins abondant, forme trois phases liquides distinctes dont deux sont superfluides.

La superfluidité dans l'hélium-4 a été découverte par le physicien russe Pyotr Leonidovich Kapitsa au milieu des années 1930, et le même phénomène dans l'hélium-3 a été observé pour la première fois par Douglas D. Osheroff, David M. Lee et Robert C. Richardson des États-Unis. États-Unis en 1972.

Un mélange liquide des deux isotopes hélium-3 et hélium-4 se sépare à des températures inférieures à environ 0,8 K (-272,4 ° C ou -458,2 ° F) en deux couches.
Une couche est pratiquement de l'hélium-3 pur ; l'autre est principalement composé d'hélium-4 mais conserve environ 6% d'hélium-3 même aux températures les plus basses atteintes.

La dissolution de l'hélium-3 dans l'hélium-4 s'accompagne d'un effet de refroidissement qui a été utilisé dans la construction de cryostats (dispositifs de production de très basses températures) pouvant atteindre et maintenir pendant des jours des températures aussi basses que 0,01 K ( −273,14 °C ou −459,65 °F).

HÉLIUM I
En dessous du point d'ébullition de l'hélium I de 4,22 K (-268,93 ° C; -452,07 ° F) et au-dessus du point lambda de 2,1768 K (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F), l'isotope hélium-4 existe dans un liquide incolore normal état, appelé hélium I.

Comme les autres liquides cryogéniques, l'hélium I bout lorsque l'hélium I est chauffé et se contracte lorsque la température de l'hélium I est abaissée.
En dessous du point lambda, cependant, l'hélium ne bout pas et l'hélium se dilate à mesure que la température diminue davantage.

L'hélium I a un indice de réfraction semblable à celui d'un gaz de 1,026, ce qui rend sa surface si difficile à voir que des flotteurs en polystyrène sont souvent utilisés pour montrer où se trouve la surface.
Ce liquide incolore a une très faible viscosité et une densité de 0,145 à 0,125 g/mL (entre environ 0 et 4 K), soit seulement le quart de la valeur attendue de la physique classique.

La mécanique quantique est nécessaire pour expliquer cette propriété et donc les deux états de l'hélium liquide (hélium I et hélium II) sont appelés fluides quantiques, ce qui signifie qu'ils présentent des propriétés atomiques à l'échelle macroscopique.
Cela peut être dû au fait que son point d'ébullition est si proche du zéro absolu, empêchant le mouvement moléculaire aléatoire (énergie thermique) de masquer les propriétés atomiques.

HÉLIUM II
L'hélium liquide sous le point lambda de l'hélium liquide (appelé hélium II) présente des caractéristiques très inhabituelles.
En raison de la conductivité thermique élevée de l'hélium liquide, lorsqu'il bout, l'hélium liquide ne bouillonne pas mais s'évapore directement de sa surface.

L'hélium-3 a également une phase superfluide, mais seulement à des températures beaucoup plus basses ; par conséquent, on en sait moins sur les propriétés de l'isotope.

L'hélium II est un superfluide, un état mécanique quantique (voir : phénomènes quantiques macroscopiques) de la matière aux propriétés étranges. Par exemple, lorsqu'il s'écoule à travers des capillaires aussi fins que 10−7 à 10−8 m, il n'a pas de viscosité mesurable.

Cependant, lorsque des mesures ont été faites entre deux disques en mouvement, une viscosité comparable à celle de l'hélium gazeux a été observée.
La théorie actuelle explique cela en utilisant le modèle à deux fluides pour l'hélium II.

Dans ce modèle, l'hélium liquide en dessous du point lambda est considéré comme contenant une proportion d'atomes d'hélium dans un état fondamental, qui sont superfluides et s'écoulent avec une viscosité exactement nulle, et une proportion d'atomes d'hélium dans un état excité, qui se comportent plus comme un liquide ordinaire.

Dans l'effet fontaine, on construit une chambre qui est reliée à un réservoir d'hélium II par un disque fritté à travers lequel l'hélium superfluide fuit facilement mais à travers lequel l'hélium non superfluide ne peut pas passer.

Si l'intérieur du récipient est chauffé, l'hélium superfluide se transforme en hélium non superfluide.
Afin de maintenir la fraction d'équilibre de l'hélium superfluide, l'hélium superfluide fuit et augmente la pression, provoquant la fontaine de liquide hors du récipient.

La conductivité thermique de l'hélium II est supérieure à celle de toute autre substance connue, un million de fois celle de l'hélium I et plusieurs centaines de fois celle du cuivre.
En effet, la conduction de la chaleur se produit par un mécanisme quantique exceptionnel.

La plupart des matériaux qui conduisent bien la chaleur ont une bande de valence d'électrons libres qui servent à transférer la chaleur.
L'hélium II n'a pas une telle bande de valence mais conduit néanmoins bien la chaleur.
Le flux de chaleur est régi par des équations similaires à l'équation d'onde utilisée pour caractériser la propagation du son dans l'air.

Lorsque la chaleur est introduite, elle se déplace à 20 mètres par seconde à 1,8 K à travers l'hélium II sous forme d'ondes dans un phénomène connu sous le nom de second son.
L'hélium II présente également un effet de fluage.

Lorsqu'une surface s'étend au-delà du niveau de l'hélium II, l'hélium II se déplace le long de la surface, contre la force de gravité. L'hélium II s'échappera d'un récipient qui n'est pas scellé en rampant le long des côtés jusqu'à ce que l'hélium II atteigne une région plus chaude où il s'évapore.

L'hélium II se déplace dans un film de 30 nm d'épaisseur quel que soit le matériau de surface.
Ce film s'appelle un film Rollin et porte le nom de l'homme qui a le premier caractérisé ce trait, Bernard V. Rollin.
En raison de ce comportement rampant et de la capacité de l'hélium II à fuir rapidement à travers de minuscules ouvertures, l'hélium II est très difficile à confiner.

À moins que le conteneur ne soit construit avec soin, l'hélium II se glissera le long des surfaces et à travers les vannes jusqu'à ce que l'hélium II atteigne un endroit plus chaud, où l'hélium II s'évaporera.

Les ondes se propageant à travers un film de Rollin sont régies par la même équation que les ondes de gravité en eau peu profonde, mais plutôt que la gravité, la force de rappel est la force de van der Waals.
Ces ondes sont connues sous le nom de troisième son.

ISOTOPES de l'HÉLIUM :
Il existe neuf isotopes connus de l'hélium, mais seuls l'hélium-3 et l'hélium-4 sont stables.
Dans l'atmosphère terrestre, un atome vaut 3
Hélium pour chaque million qui sont 4 He.

Contrairement à la plupart des éléments, l'abondance isotopique de l'hélium varie considérablement selon l'origine, en raison des différents processus de formation.
L'isotope le plus courant, l'hélium-4, est produit sur Terre par désintégration alpha d'éléments radioactifs plus lourds ; les particules alpha qui émergent sont des noyaux d'hélium-4 entièrement ionisés.

L'hélium-4 est un noyau exceptionnellement stable car les nucléons d'hélium-4 sont disposés en coquilles complètes.
L'hélium-4 s'est également formé en quantités énormes lors de la nucléosynthèse du Big Bang.
L'hélium-3 n'est présent sur Terre qu'à l'état de traces.

La majeure partie de l'hélium-4 est présente depuis la formation de la Terre, bien que certaines chutes sur Terre soient piégées dans la poussière cosmique. Des quantités infimes sont également produites par la désintégration bêta du tritium.
Les roches de la croûte terrestre ont des rapports isotopiques variant jusqu'à un facteur de dix, et ces rapports peuvent être utilisés pour étudier l'origine des roches et la composition du manteau terrestre.

3 L'hélium est beaucoup plus abondant dans les étoiles en tant que produit de la fusion nucléaire.
Ainsi dans le milieu interstellaire, la proportion de 3 Hélium à 4 Hélium est environ 100 fois plus élevée que sur Terre.

Les matériaux extraplanétaires, tels que les régolithes lunaires et astéroïdes, contiennent des traces d'hélium-3 du fait d'être bombardés par les vents solaires.
La surface de la Lune contient de l'hélium-3 à des concentrations de l'ordre de 10 ppb, bien supérieures aux 5 ppt environ trouvés dans l'atmosphère terrestre.

Un certain nombre de personnes, à commencer par Gerald Kulcinski en 1986, ont proposé d'explorer la lune, d'exploiter le régolithe lunaire et d'utiliser l'hélium-3 pour la fusion.
L'hélium-4 liquide peut être refroidi à environ 1 K (-272,15 ° C; -457,87 ° F) en utilisant le refroidissement par évaporation dans un pot 1-K.

Un refroidissement similaire de l'hélium-3, qui a un point d'ébullition inférieur, peut atteindre environ 0,2 kelvin dans un réfrigérateur à l'hélium-3.
Des mélanges égaux de 3 He et 4 He liquides en dessous de 0,8 K se séparent en deux phases non miscibles en raison de leur dissemblance (ils suivent des statistiques quantiques différentes : les atomes d'hélium-4 sont des bosons tandis que les atomes d'hélium-3 sont des fermions).

Les réfrigérateurs à dilution utilisent cette immiscibilité pour atteindre des températures de quelques millikelvins.
Il est possible de produire des isotopes d'hélium exotiques, qui se désintègrent rapidement en d'autres substances.
L'isotope de l'hélium lourd à durée de vie la plus courte est l'hélium-10 non lié avec une demi-vie de 2,6 (4) × 10−22 s.

L'hélium-6 se désintègre en émettant une particule bêta et a une demi-vie de 0,8 seconde.
L'hélium-7 émet également une particule bêta ainsi qu'un rayon gamma.

L'hélium-7 et l'hélium-8 sont créés dans certaines réactions nucléaires.
L'hélium-6 et l'hélium-8 sont connus pour présenter un halo nucléaire.

COMPOSÉSd'HÉLIUM :
L'hélium a une valence de zéro et est chimiquement non réactif dans toutes les conditions normales.
L'hélium est un isolant électrique à moins qu'il ne soit ionisé.
Comme pour les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui permettent à l'hélium de rester ionisé dans une décharge électrique avec une tension inférieure au potentiel d'ionisation de l'hélium.

L'hélium peut former des composés instables, connus sous le nom d'excimères, avec le tungstène, l'iode, le fluor, le soufre et le phosphore lorsque l'hélium est soumis à une décharge luminescente, à un bombardement électronique ou réduit en plasma par d'autres moyens.
Les composés moléculaires HeNe, HgHe10 et WHe2, et les ions moléculaires He+ 2, He2+ 2, HeH+ et HeD+ ont été créés de cette façon.

HeH + est également stable dans son état fondamental, mais est extrêmement réactif - c'est l'acide de Brønsted le plus fort connu, et ne peut donc exister qu'isolément, car il protonera toute molécule ou contre-anion avec lequel il entre en contact.
Cette technique a également produit la molécule neutre He2, qui possède un grand nombre de systèmes de bandes, et HgHe, qui n'est apparemment maintenu ensemble que par des forces de polarisation.

Les composés d'hélium de Van der Waals peuvent également être formés avec du gaz d'hélium cryogénique et des atomes d'une autre substance, telle que LiHe et He2.
Théoriquement, d'autres vrais composés pourraient être possibles, comme le fluorohydrure d'hélium (HHeF) qui serait analogue au HArF, découvert en 2000.

Les calculs montrent que deux nouveaux composés contenant une liaison hélium-oxygène pourraient être stables.
Deux nouvelles espèces moléculaires, prédites à l'aide de la théorie, CsFHeO et N(CH3)4FHeO, sont des dérivés d'un anion métastable FHeO− théorisé pour la première fois en 2005 par un groupe de Taiwan.
Si confirmé par l'expérience, le seul élément restant sans composés stables connus serait le néon.

Des atomes d'hélium ont été insérés dans les molécules creuses de la cage de carbone (les fullerènes) par chauffage sous haute pression.
Les molécules endohédriques de fullerène formées sont stables à haute température.
Lorsque des dérivés chimiques de ces fullerènes se forment, l'hélium reste à l'intérieur.

Si l'hélium-3 est utilisé, il peut être facilement observé par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l'hélium.
De nombreux fullerènes contenant de l'hélium-3 ont été signalés.

Bien que les atomes d'hélium ne soient pas liés par des liaisons covalentes ou ioniques, ces substances ont des propriétés distinctes et une composition définie, comme tous les composés chimiques stoechiométriques.

Sous haute pression, l'hélium peut former des composés avec divers autres éléments.
Des cristaux de clathrate d'hélium-azote (He(N2)11) ont été cultivés à température ambiante à des pressions d'env. 10 GPa dans une cellule à enclume en diamant.

L'électride isolant Na2He s'est avéré thermodynamiquement stable à des pressions supérieures à 113 GPa.
Il a une structure fluorite.

L'hélium tire son nom de « helios », le mot grec désignant le soleil.
L'hélium a été détecté dans le soleil par les raies spectrales de l'hélium plusieurs années avant que l'hélium ne soit trouvé sur Terre.
Un gaz incolore, inodore et totalement non réactif.

L'hélium a été une ressource à bas prix pendant de nombreuses années, ce qui a conduit à une utilisation inefficace de l'hélium.
L'hélium est désormais une ressource rare et les prix de l'hélium augmentent considérablement.
Par conséquent, des solutions pour la récupération et la purification de l'hélium sont nécessaires.

La récupération d'hélium seule n'est pas la réponse à ce problème, car la pureté de l'hélium diminue à chaque cycle de traitement et doit être libérée lorsque le niveau de pureté minimum est atteint.
Hélium (He), élément chimique, gaz inerte du groupe 18 (gaz nobles) du tableau périodique.

Deuxième élément le plus léger (seul l'hydrogène est plus léger), l'hélium est un gaz incolore, inodore et insipide qui devient liquide à -268,9 ° C (-452 ° F).
Les points d'ébullition et de congélation de l'hélium sont inférieurs à ceux de toute autre substance connue.

L'hélium est le seul élément qui ne peut pas être solidifié par un refroidissement suffisant à la pression atmosphérique normale ; L'hélium est nécessaire pour appliquer une pression de 25 atmosphères à une température de 1 K (-272 ° C ou -458 ° F) pour convertir l'hélium en sa forme solide.
L'hélium est le deuxième élément le plus léger.

Bien que l'hélium soit rare sur Terre, vous l'avez probablement rencontré dans des ballons remplis d'hélium.
En plus d'être rare, l'hélium n'est (pour la plupart) pas une ressource renouvelable.
L'hélium que nous avons a été produit par la désintégration radioactive de la roche, il y a longtemps.

Au cours de centaines de millions d'années, l'hélium s'est accumulé et a été libéré par le mouvement des plaques tectoniques, où l'hélium a trouvé son chemin dans les gisements de gaz naturel et sous forme de gaz dissous dans les eaux souterraines.

Une fois que le gaz s'est échappé dans l'atmosphère, l'hélium est suffisamment léger pour échapper au champ gravitationnel de la Terre, de sorte qu'il se répand dans l'espace, pour ne jamais revenir.
Nous pourrions manquer d'hélium d'ici 25 à 30 ans parce que l'hélium est consommé si librement.

Tous sauf deux à dix millièmes d'un pour cent de l'approvisionnement de la Terre en atomes d'hélium naturels sont du type connu sous le nom d'hélium-4.
Ils contiennent 2 protons et 2 neutrons.
Mais les 0,0002% restants sont connus sous le nom d'hélium 3.

Ces rares exemples de l'élément ne contiennent qu'un seul neutron.
L'hélium 3 peut aider à refroidir les choses au-delà de la limite de 4 Kelvin de l'hélium-4, permettant aux scientifiques d'étudier les propriétés fondamentales des matériaux à quelques millièmes de Kelvin au-dessus du zéro absolu.

Pratiquement tout l'hélium-3 utilisé aujourd'hui est produit dans des réacteurs nucléaires.
L'hélium 3 n'est pas bon marché.
Seulement environ 6 000 litres, soit à peine 1,5 livre d'hélium-3, sont produits aux États-Unis chaque année.
Le prix de l'hélium s'élève à 2 000 dollars le litre, soit plus de 400 fois le prix de l'or en poids aujourd'hui.

Le matériau est si précieux que les scientifiques ont proposé de l'exploiter sur la lune, à partir de gisements amenés là-bas pendant des milliards d'années via le vent solaire.
Le processus a été décrit de manière fictive dans le film de 2009, "Moon".

L'astronaute et géologue de la NASA Harrison Schmidt a lui-même suggéré d'exploiter des gisements d'hélium-3 lunaires ; d'autres chercheurs ont désigné Saturne, Jupiter et des astéroïdes lointains comme d'éventuelles sources supplémentaires d'hélium-3.
Plusieurs pays, dont la Chine et l'Inde, élaborent des plans pour envoyer des engins spatiaux sur la Lune pour étudier les opportunités minières.

Mais l'extraction d'hélium n'est pas nécessairement la priorité absolue des États-Unis
"La NASA est très intéressée à retourner sur la surface lunaire", a déclaré Noah Petro, géologue lunaire et chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.
"Mais jusqu'à présent", a-t-il poursuivi, "l'extraction d'hélium-3 n'est pas l'un des principaux objectifs de notre retour immédiat".

En 1908, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes réussit pour la première fois à liquéfier l'hélium.
L'hélium est aussi le premier superfluide jamais découvert.
Lorsqu'il est refroidi en dessous de 2,17 Kelvin, sa viscosité - paramètre de mesure de l'épaisseur d'un liquide - devient nulle.

Cela donne à l'hélium des propriétés bizarres et superfluides, telles que la capacité de maintenir un vortex pour toujours et de remonter la surface d'un bol et de couler sur ses côtés.

"C'était un spectacle merveilleux lorsque le liquide, qui semblait presque irréel, a été vu pour la première fois.
Il n'a pas été remarqué quand il a coulé.
Sa présence n'a pas pu être confirmée tant qu'il n'avait pas déjà rempli le navire.
Sa surface se dressait brusquement contre le vaisseau comme le tranchant d'un couteau", a déclaré Onnes lors de la conférence qu'il a donnée en 1913 après avoir reçu le prix Nobel de physique 1913.

Élément chimique gazeux, symbole : He, numéro atomique : 2 et masse atomique 4,0026 g/mol.
L'hélium est l'un des gaz nobles du groupe O du tableau périodique.
L'hélium est le deuxième élément le plus léger.
La principale source d'hélium dans le monde est une série de gisements de gaz naturel aux États-Unis.

L'hélium est un gaz incolore, inodore, insipide et non toxique.
L'hélium est moins soluble dans l'eau que tout autre gaz.
L'hélium est l'élément le moins réactif et ne forme pas essentiellement de composés chimiques.

La densité et la viscosité de la vapeur d'hélium sont très faibles.
La conductivité thermique et le contenu calorique sont exceptionnellement élevés.
L'hélium peut être liquéfié, mais la température de condensation de l'hélium est la plus basse de toutes les substances connues.

L'hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l'univers connu, après l'hydrogène.
L'hélium constitue 23% de toute la matière élémentaire mesurée en masse.
L'hélium se forme sur la Terre par désintégration radioactive naturelle d'éléments plus lourds.

La majeure partie de cet hélium migre vers la surface et pénètre dans l'atmosphère.
L'hélium pourrait être logique de penser que la concentration d'hélium dans l'atmosphère était plus élevée que l'hélium (5,25 parties par million au niveau de la mer).
Néanmoins, le faible poids moléculaire de l'hélium permet à l'hélium de s'échapper dans l'espace au même rythme de sa formation.

Il y a une couche d'environ 1000 km dans l'hétérosphère à 600 miles où l'hélium est le gaz dominant (bien que la pression totale soit très faible).
Les gaz naturels contiennent des concentrations d'hélium plus élevées que l'atmosphère.
L'hélium est le 71e élément le plus abondant de la croûte terrestre où l'hélium se trouve en 8 parties par milliard.

Les atomes d'hélium ont 2 électrons et la structure de la coquille est 2.
La configuration électronique de l'état fondamental de l'hélium neutre est 1s2 et le terme symbole de l'hélium est 1S0.
L'hélium fait partie des gaz dits nobles.
L'hélium gazeux est un gaz monoatomique non réactif, incolore et inodore.

L'hélium est disponible dans des réservoirs sous pression.
L'hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l'univers après l'hydrogène. Les particules α sont des atomes d'hélium doublement ionisés, He2+.
L'hélium est utilisé dans des ballons plus légers que l'air et bien qu'il soit plus lourd que l'hydrogène, il est beaucoup plus sûr car l'hélium ne brûle pas.

Parler après avoir respiré une atmosphère riche en hélium se traduit par une voix grinçante (n'essayez pas !).
L'hélium est présent dans l'atmosphère à environ 0,0005 % (1 partie sur 200 000) en volume et est un composant important des gaz d'hydrocarbures aux États-Unis.
L'origine de l'hélium dans ces gaz remonte à la désintégration des éléments radioactifs dans les roches.

Isolement : il y a très peu d'hélium sur terre car presque tout présent pendant et immédiatement après la formation de la terre a depuis longtemps été perdu car l'hélium est si léger.
Presque tout l'hélium restant sur la planète est le résultat de la désintégration radioactive.

Bien qu'il y ait de l'hélium dans l'atmosphère, actuellement son isolement de cette source par liquéfaction et séparation de l'air n'est normalement pas économique.
C'est parce que l'hélium est plus facile et moins cher pour isoler le gaz de certains gaz naturels.

Les concentrations d'hélium dans le gaz naturel aux États-Unis atteignent 7 % et d'autres bonnes sources incluent le gaz naturel provenant de certaines sources en Pologne.
L'hélium peut être isolé de ces gaz par liquéfaction et séparation du gaz naturel.
Cela ne serait normalement pas effectué en laboratoire et l'hélium est disponible dans le commerce dans des bouteilles sous pression.

L'hélium se trouve en proportions infimes dans l'atmosphère, moins de 0,001% dans l'air.
L'hélium est également présent dans un certain nombre de gisements de gaz naturel, où l'hélium résulte de la décroissance radioactive naturelle des éléments lourds de la croûte terrestre, notamment l'uranium et le thorium.

C'est l'hélium extrait des gisements de gaz naturel dont la concentration est supérieure à 0,1 % qui est aujourd'hui commercialisé sous forme liquide et gazeuse.
L'hélium gazeux (pur à 98,2 %) est isolé du gaz naturel en liquéfiant les autres composants à basse température et sous haute pression.

L'adsorption d'autres gaz sur du charbon actif refroidi donne de l'hélium pur à 99,995 %.
Une partie de l'hélium provient de la liquéfaction de l'air à grande échelle ; la quantité d'hélium pouvant être obtenue à partir de 1 000 tonnes (900 tonnes métriques) d'air est d'environ 112 pieds cubes (3,17 mètres cubes), mesurée à température ambiante et à pression atmosphérique normale.

La principale source d'hélium provient des puits de gaz naturel.
L'hélium est obtenu par une opération de liquéfaction et de stripage.
En raison de la pénurie mondiale d'hélium, de nombreuses applications disposent de systèmes de récupération pour récupérer l'hélium.

En 2008, environ 169 millions de mètres cubes standard (SCM) d'hélium ont été extraits du gaz naturel ou retirés des réserves d'hélium, dont environ 78% des États-Unis, 10% de l'Algérie et la plupart du reste de la Russie, de la Pologne et du Qatar.

En 2013, l'augmentation de la production d'hélium au Qatar avait augmenté la part du Qatar dans la production mondiale d'hélium à 25% et en avait fait le deuxième exportateur après les États-Unis.
Un dépôt d'hélium estimé à 54 milliards de pieds cubes (1,5 × 109 m3) a été découvert en Tanzanie en 2016.
Une usine d'hélium à grande échelle a été ouverte à Ningxia, en Chine, en 2020.

Aux États-Unis, la majeure partie de l'hélium est extraite du gaz naturel des gisements de gaz Hugoton et voisins au Kansas, en Oklahoma, et du champ Panhandle au Texas.

Une grande partie de ce gaz était autrefois envoyée par pipeline à la réserve nationale d'hélium, mais depuis 2005, cette réserve est épuisée et vendue, et devrait être largement épuisée d'ici 2021, en vertu de la loi d'octobre 2013 sur l'administration et la gérance responsables de l'hélium.

La diffusion de gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables spéciales et d'autres barrières est une autre méthode pour récupérer et purifier l'hélium.
En 1996, les États-Unis avaient des réserves d'hélium prouvées, dans de tels complexes de puits de gaz, d'environ 147 milliards de pieds cubes standard (4,2 milliards de SCM).

Aux taux d'utilisation à cette époque (72 millions de SCM par an aux États-Unis ; voir le graphique ci-dessous), cela aurait été assez d'hélium pour environ 58 ans d'utilisation aux États-Unis, et moins que cela (peut-être 80 % du temps) dans le monde. les taux d'utilisation, bien que les facteurs d'épargne et de transformation aient une incidence sur le nombre effectif de réserves.

L'hélium doit être extrait du gaz naturel car l'hélium est présent dans l'air à une fraction seulement de celle du néon, mais la demande d'hélium est bien plus élevée.
Heliumis a estimé que si toute la production de néon était réorganisée pour économiser l'hélium, 0,1 % de la demande mondiale d'hélium serait satisfaite.

De même, seulement 1 % des besoins mondiaux en hélium pourraient être satisfaits en rééquipant toutes les usines de distillation d'air.
L'hélium peut être synthétisé par bombardement de lithium ou de bore avec des protons à grande vitesse, ou par bombardement de lithium avec des deutérons, mais ces procédés sont une méthode de production totalement non économique.

UTILISATIONS et APPLICATIONS de l'HÉLIUM :
- L'hélium liquide est utilisé en cryogénie (le plus grand usage unique d'Helium, absorbant environ un quart de la production) et dans le refroidissement des aimants supraconducteurs, avec la principale application commerciale d'Helium dans les scanners IRM.
-Bien que les ballons soient peut-être l'utilisation la plus connue de l'hélium, ils ne représentent qu'une partie mineure de toute l'utilisation de l'hélium.

-Les autres utilisations industrielles de l'hélium - comme gaz de pressurisation et de purge, comme atmosphère protectrice pour le soudage à l'arc et dans des processus tels que la croissance de cristaux pour fabriquer des plaquettes de silicium - représentent la moitié du gaz produit.
-Une utilisation bien connue mais mineure est comme gaz de levage dans les ballons et les dirigeables.

-Dans la recherche scientifique, le comportement des deux phases fluides de l'hélium-4 (hélium I et hélium II) est important pour les chercheurs qui étudient la mécanique quantique (en particulier la propriété de superfluidité) et pour ceux qui étudient les phénomènes, tels que la supraconductivité, produit dans la matière proche du zéro absolu.

-L'hélium est utilisé comme milieu de refroidissement pour le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et les aimants supraconducteurs dans les scanners IRM et les spectromètres RMN.
-L'hélium est également utilisé pour refroidir les instruments satellites et a été utilisé pour refroidir l'oxygène et l'hydrogène liquides qui alimentaient les véhicules spatiaux Apollo.

-En raison de la faible densité de l'hélium, l'hélium est souvent utilisé pour remplir des ballons décoratifs, des ballons météorologiques et des dirigeables.
L'hydrogène était autrefois utilisé pour remplir des ballons.
-Parce que l'hélium est très peu réactif, l'hélium est utilisé pour fournir une atmosphère protectrice inerte pour la fabrication de fibres optiques et de semi-conducteurs, et pour le soudage à l'arc.

-L'hélium est également utilisé pour détecter les fuites, comme dans les systèmes de climatisation des voitures, et parce que l'hélium se diffuse rapidement, il est utilisé pour gonfler l'air de la voiture.
-L'hélium est utilisé à de nombreuses fins qui nécessitent certaines des propriétés uniques de l'hélium, telles que le bas point d'ébullition, la faible densité, la faible solubilité, la conductivité thermique élevée ou l'inertie de l'hélium.

-Sur la production totale d'hélium mondiale en 2014 d'environ 32 millions de kg (180 millions de mètres cubes standard) d'hélium par an, la plus grande utilisation (environ 32% du total en 2014) est dans les applications cryogéniques, dont la plupart impliquent le refroidissement des aimants supraconducteurs dans les scanners IRM médicaux et les spectromètres RMN.

-Atmosphères contrôlées :
L'hélium est utilisé comme gaz protecteur dans la croissance des cristaux de silicium et de germanium, dans la production de titane et de zirconium et dans la chromatographie en phase gazeuse, car l'hélium est inerte.
En raison de l'inertie de l'hélium, de sa nature thermiquement et caloriquement parfaite, de la vitesse élevée du son et de la valeur élevée du rapport de capacité calorifique, l'hélium est également utile dans les souffleries supersoniques et les installations d'impulsion.

- Soudage à l'arc sous gaz tungstène :
L'hélium est utilisé comme gaz de protection dans les procédés de soudage à l'arc sur des matériaux qui, aux températures de soudage, sont contaminés et affaiblis par l'air ou l'azote.
Un certain nombre de gaz de protection inertes sont utilisés dans le soudage à l'arc au tungstène, mais l'hélium est utilisé à la place de l'argon moins cher, en particulier pour les matériaux de soudage qui ont une conductivité thermique plus élevée, comme l'aluminium ou le cuivre.

-Utilisations mineures :
Une application industrielle de l'hélium est la détection de fuites.
Parce que l'hélium se diffuse à travers les solides trois fois plus vite que l'air, l'hélium est utilisé comme gaz traceur pour détecter les fuites dans les équipements à vide poussé (tels que les réservoirs cryogéniques) et les conteneurs à haute pression.

L'objet testé est placé dans une chambre, qui est ensuite évacuée et remplie d'hélium.
L'hélium qui s'échappe par les fuites est détecté par un appareil sensible (spectromètre de masse à l'hélium), même à des débits de fuite aussi faibles que 10−9 mbar•L/s (10−10 Pa•m3/s).

La procédure de mesure est normalement automatique et est appelée test intégral à l'hélium.
Une procédure plus simple consiste à remplir l'objet testé d'hélium et à rechercher manuellement les fuites à l'aide d'un appareil portatif.

Les fuites d'hélium à travers les fissures ne doivent pas être confondues avec la perméation de gaz à travers un matériau en vrac.
Alors que l'hélium a documenté des constantes de perméation (donc un taux de perméation calculable) à travers les verres, les céramiques et les matériaux synthétiques, les gaz inertes tels que l'hélium ne pénétreront pas la plupart des métaux en vrac.

-Voyage en avion:
Parce que l'hélium est plus léger que l'air, les dirigeables et les ballons sont gonflés à l'hélium pour la portance.
Alors que l'hydrogène gazeux est plus flottant et s'échappe en s'infiltrant à travers une membrane à un taux inférieur, l'hélium a l'avantage d'être ininflammable et même ignifuge.

Une autre utilisation mineure est la fusée, où l'hélium est utilisé comme moyen de remplissage pour déplacer le carburant et les oxydants dans les réservoirs de stockage et pour condenser l'hydrogène et l'oxygène pour fabriquer du carburant pour fusée.

L'hélium est également utilisé pour purger le carburant et le comburant des équipements de soutien au sol avant le lancement et pour pré-refroidir l'hydrogène liquide dans les véhicules spatiaux.
Par exemple, la fusée Saturn V utilisée dans le programme Apollo avait besoin d'environ 370 000 m3 (13 millions de pieds cubes) d'hélium pour être lancée.

-Utilisations commerciales et récréatives mineures :
L'hélium en tant que gaz respiratoire n'a pas de propriétés narcotiques, de sorte que des mélanges d'hélium tels que le trimix, l'héliox et l'héliair sont utilisés pour la plongée profonde afin de réduire les effets de la narcose, qui s'aggravent avec l'augmentation de la profondeur.

Lorsque la pression augmente avec la profondeur, la densité du gaz respiratoire augmente également, et le faible poids moléculaire de l'hélium réduit considérablement l'effort respiratoire en abaissant la densité du mélange.

Cela réduit le nombre de Reynolds du flux, entraînant une réduction du flux turbulent et une augmentation du flux laminaire, ce qui nécessite moins de travail respiratoire.

-Les lasers hélium-néon, un type de laser à gaz de faible puissance produisant un faisceau rouge, avaient diverses applications pratiques, notamment des lecteurs de codes-barres et des pointeurs laser, avant d'être presque universellement remplacés par des lasers à diode moins chers.
-Pour l'inertie et la conductivité thermique élevée de l'hélium, la transparence des neutrons et parce que l'hélium ne forme pas d'isotopes radioactifs dans les conditions du réacteur, l'hélium est utilisé comme moyen de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz.

-L'hélium, mélangé à un gaz plus lourd tel que le xénon, est utile pour la réfrigération thermoacoustique en raison du rapport de capacité calorifique élevé qui en résulte et du faible nombre de Prandtl.
L'inertie de l'hélium présente des avantages environnementaux par rapport aux systèmes de réfrigération conventionnels qui contribuent à l'appauvrissement de la couche d'ozone ou au réchauffement climatique.

-L'hélium est également utilisé dans certains disques durs.
-Comme pour tout gaz dont la densité diffère de celle de l'air, l'inhalation d'un petit volume d'hélium modifie temporairement le timbre et la qualité de la voix humaine.

-Utilisations scientifiques :
L'utilisation de l'hélium réduit les effets de distorsion des variations de température dans l'espace entre les lentilles de certains télescopes, en raison de l'indice de réfraction extrêmement faible de l'hélium.
Cette méthode est surtout utilisée dans les télescopes solaires où un tube de télescope étanche au vide serait trop lourd.

-L'hélium est un gaz vecteur couramment utilisé pour la chromatographie en phase gazeuse.
-L'âge des roches et des minéraux qui contiennent de l'uranium et du thorium peut être estimé en mesurant le niveau d'hélium avec un processus connu sous le nom de datation à l'hélium.

-L'hélium à basse température est utilisé en cryogénie, et dans certaines applications cryogéniques.
Comme exemples d'applications, l'hélium liquide est utilisé pour refroidir certains métaux aux températures extrêmement basses requises pour la supraconductivité, comme dans les aimants supraconducteurs pour l'imagerie par résonance magnétique.

Le Grand collisionneur de hadrons du CERN utilise 96 tonnes métriques d'hélium liquide pour maintenir la température à 1,9 K (-271,25 ° C; -456,25 ° F).
-Les autres utilisations principales étaient les systèmes de pressurisation et de purge, le soudage, le maintien des atmosphères contrôlées et la détection de fuites. Les autres utilisations par catégorie étaient des fractions relativement mineures.

-L'hélium est utilisé comme milieu de refroidissement pour le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et les aimants supraconducteurs dans les scanners IRM et les spectromètres RMN.
L'hélium est également utilisé pour refroidir les instruments des satellites et a été utilisé pour refroidir l'oxygène et l'hydrogène liquides qui alimentaient les véhicules spatiaux Apollo.

-En raison de la faible densité de l'hélium, l'hélium est souvent utilisé pour remplir des ballons décoratifs, des ballons météorologiques et des dirigeables.
-Parce que l'hélium est très peu réactif, l'hélium est utilisé pour fournir une atmosphère protectrice inerte pour la fabrication de fibres optiques et de semi-conducteurs, et pour le soudage à l'arc.

-L'hélium est également utilisé pour détecter les fuites, comme dans les systèmes de climatisation des voitures, et parce que l'hélium se diffuse rapidement, l'hélium est utilisé pour gonfler les airbags des voitures après un impact.
-Utilisations médicales :
L'hélium a été approuvé pour un usage médical aux États-Unis en avril 2020 pour les humains et les animaux.

-Un mélange de 80% d'hélium et de 20% d'oxygène est utilisé comme atmosphère artificielle pour les plongeurs en eaux profondes et autres travaillant dans des conditions sous pression.
-Les lasers à gaz hélium-néon sont utilisés pour scanner les codes-barres dans les caisses des supermarchés.
Une nouvelle utilisation de l'hélium est un microscope hélium-ion qui donne une meilleure résolution d'image qu'un microscope électronique à balayage.

-L'hélium est le gaz inerte le plus largement utilisé, utilisé dans le soudage à l'arc, la plongée, la croissance des cristaux de silicium et comme liquide de refroidissement dans les scanners IRM (imagerie par résonance magnétique).
-L'hélium-3 peut également être utilisé pour détecter les neutrons à distance.
Cela peut être utile pour attraper les contrebandiers trafiquant illégalement des matières radioactives.

-L'hélium est également utilisé dans certains types d'imagerie pulmonaire médicale et a été proposé comme combustible candidat pour la fusion nucléaire.
-Mélanges de gaz de protection de soudage contenant de l'hélium.
-Bouteilles de gaz médical fournies comme mélanges respiratoires uniquement par des installations accréditées.

-Pour les aimants supraconducteurs en IRM et RMN, le produit en phase liquide fournit les températures cryogéniques les plus basses possibles.
-Les applications spéciales sont diverses : mélanges d'air respirable, refroidissement de fibres optiques extrudées, détection de fuites en système fermé, ballons météorologiques, etc.

-Avec un point d'ébullition de seulement 4 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu, l'hélium liquide est utilisé pour tout refroidir, des nouveaux matériaux dans les laboratoires de recherche aux aimants supraconducteurs dans les scanners IRM.
En fait, il s'agit de la plus grande utilisation d'hélium aujourd'hui, représentant environ un quart de toute la production.

-Applications laser utilisées.
-L'hélium effectue des tâches aussi diverses que le refroidissement des aimants supraconducteurs dans les scanners IRM, l'aide à la fabrication de puces semi-conductrices et la recherche de fuites dans les navires.

-L'hélium possède de nombreuses propriétés uniques : point d'ébullition bas, faible densité, faible solubilité, conductivité thermique et inertie élevées. L'hélium est donc utilisé pour toute application pouvant exploiter ces propriétés.
-L'hélium fut le premier gaz utilisé pour le remplissage des ballons et des dirigeables.
Cette application se poursuit dans la recherche d'altitude et pour les ballons météorologiques.

-L'hélium est le seul refroidisseur capable d'atteindre des températures inférieures à 15 K (-434ºF).
La principale application de la température ultrabasse est dans le développement de l'état de supraconductivité, dans lequel la résistance au flux électrique est presque nulle.

-D'autres applications sont l'utilisation de l'hélium comme gaz de pressurisation dans les propulseurs liquides pour les fusées, dans les mélanges hélium-oxygène pour les plongeurs, comme fluide de travail dans les réacteurs nucléaires refroidis par le gaz et comme vecteur de gaz dans l'analyse chimique par chromatographie en phase gazeuse.

-Airbags :
L'hélium est également utilisé comme gaz de gonflage des airbags dans les capsules à haute pression.
- L'hélium est principalement utilisé comme gaz de protection inerte dans le soudage autogène.
-Le plus grand potentiel de l'hélium se trouve dans les applications à très basse température.

-Gaz d'étalonnage :
L'hélium est utilisé comme gaz d'étalonnage et gaz d'équilibre dans les mélanges d'étalonnage.
L'hélium est également utilisé comme gaz porteur en chromatographie en phase gazeuse.
L'hélium est utilisé comme gaz de purge et gaz zéro (span) pour les instruments d'analyse.

-Médical:
L'hélium liquide est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs en RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) à des fins analytiques ou médicales et en R&D pour étudier les processus autour du Zéro absolu.

-Réaction nucléaire:
L'hélium est utilisé pour le refroidissement des barres d'uranium dans les réacteurs nucléaires.
-Fibre optique:
L'hélium est utilisé comme moyen combiné de refroidissement et de protection pour le tirage des fibres optiques.

-Semi-conducteurs :
L'hélium est utilisé comme gaz porteur ou comme gaz de purge pour une variété de processus de semi-conducteurs.
L'hélium est également utilisé pour la croissance épitaxiale des cristaux (atmosphère inerte).

-Travaux de tunnel :
L'hélium est utilisé comme propulseur dans le "canon à hélium" utilisé dans les tunnels de tir de modèles réduits.
L'hélium est également utilisé comme gaz de travail dans certaines souffleries hypersoniques.

-Recherche Atmosphérique :
L'hélium est utilisé pour remplir de grands ballons pour les études de la haute atmosphère et des rayons cosmiques.
De petits ballons à hélium sont utilisés par les météorologues pour transporter des instruments météorologiques.

-Traitement thermique:
L'hélium est également utilisé pour casser le vide dans les fours de traitement thermique.
-L'hélium se combine également avec l'oxygène pour créer des mélanges de gaz respiratoires pour les plongeurs.

-Avec le point d'ébullition le plus bas de tous les gaz (4,2 Kelvin ou -269° Celsius), l'hélium liquide est la matière la plus froide sur Terre.
Cela le rend idéal comme agent cryogénique pour un certain nombre d'applications médicales et physiques de pointe.
Par exemple, l'hélium est utilisé pour refroidir les bobines magnétiques supraconductrices dans les équipements médicaux d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de résonance magnétique nucléaire (RMN).

-En fait, l'hélium est indispensable dans un large éventail d'industries.
Par exemple, l'hélium est utilisé pour pressuriser le carburant des fusées ; créer des atmosphères inertes pour le soudage, le traitement thermique et la croissance cristalline épitaxiale ; purger les atmosphères semi-conductrices ; calibrer les instruments d'analyse; gonfler les pneus d'avion et les airbags ; tester les fuites ; gonfler de gros ballons pour des études météorologiques ; et remplissez des tubes électroniques dans des enseignes au néon.

-Les propriétés ininflammables et à faible densité de l'hélium font de l'hélium un choix sûr pour l'industrie du divertissement, où l'hélium est utilisé pour gonfler des ballons lors de fêtes et d'événements spéciaux.
-Le gaz inerte pour vos applications cryogéniques, de transfert de chaleur, de blindage, de détection de fuites, d'analyse et de levage.

-L'hélium gazeux est utilisé comme gaz de protection inerte dans le soudage à l'arc et au laser.
L'hélium est également utilisé comme fluide caloporteur pour transférer efficacement la chaleur, grâce à sa conductivité thermique élevée, dans les industries de la fibre optique et de l'électronique.

- Étant à la fois plus léger que l'air et ininflammable, l'hélium est utilisé pour gonfler les ballons et les dirigeables.
-La température extrêmement basse de l'hélium liquide est utilisée pour maintenir les propriétés supraconductrices des aimants dans des applications telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) et la recherche en physique des particules.

- L'hélium est utilisé comme atmosphère de gaz inerte pour le soudage de métaux tels que l'aluminium ; en propulsion de fusée (pour pressuriser les réservoirs de carburant, notamment ceux d'hydrogène liquide, car seul l'hélium est encore un gaz à la température de l'hydrogène liquide) ; en météorologie (comme gaz porteur pour ballons porte-instruments) ; en cryogénie (comme fluide caloporteur car l'hélium liquide est la substance la plus froide) ; et dans les opérations de respiration à haute pression (mélangée à de l'oxygène, comme dans la plongée sous-marine et le travail en caisson, notamment en raison de sa faible solubilité dans la circulation sanguine).

-L'hélium sert de gaz porteur pour la chromatographie en phase gazeuse (GC) dans les laboratoires d'analyse et de gaz de détection de fuites dans un large éventail d'industries.
-Les météorites et les roches ont été analysées pour leur teneur en hélium comme moyen de datation.

-L'hélium est inerte et le moins soluble de tous les gaz dans les liquides et est donc utilisé comme pressurisation.
-Etant inerte, l'hélium est utilisé comme constituant dans des atmosphères neutres, par exemple dans des applications de traitement thermique nécessitant une atmosphère protectrice.

-L'hélium est largement utilisé dans l'industrie du soudage comme gaz de protection inerte pour le soudage à l'arc.
-L'hélium est également utilisé en conjonction avec des détecteurs d'hélium ("fuite") pour tester l'intégrité des composants et des systèmes fabriqués.

EXTRACTION d'HÉLIUM :
Après une opération de forage pétrolier en 1903 à Dexter, le Kansas a produit un geyser de gaz qui ne brûlerait pas, le géologue de l'État du Kansas, Erasmus Haworth, a recueilli des échantillons du gaz qui s'échappait et les a ramenés à l'Université du Kansas à Lawrence où, avec l'aide des chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il a découvert que le gaz se composait, en volume, de 72% d'azote, 15% de méthane (un pourcentage combustible uniquement avec suffisamment d'oxygène), 1% d'hydrogène et 12% d'un gaz non identifiable.

Après une analyse plus approfondie, Cady et McFarland ont découvert que 1,84% de l'échantillon de gaz était de l'hélium.
Cela a montré que malgré sa rareté globale sur Terre, l'hélium était concentré en grande quantité sous les Grandes Plaines américaines, disponible pour l'extraction en tant que sous-produit du gaz naturel.

Cela a permis aux États-Unis de devenir le premier fournisseur mondial d'hélium.
Suite à une suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine américaine a parrainé trois petites usines expérimentales d'hélium pendant la Première Guerre mondiale.

L'objectif était de fournir aux ballons de barrage le gaz ininflammable et plus léger que l'air.
Un total de 5 700 m3 (200 000 pieds cubes) d'hélium à 92% a été produit dans le cadre du programme, même si moins d'un mètre cube de gaz avait déjà été obtenu.

Une partie de l'hélium a été utilisée dans le premier dirigeable rempli d'hélium au monde, le dirigeable de classe C C-7 de l'US Navy, qui a effectué le voyage inaugural d'Helium de Hampton Roads, en Virginie, à Bolling Field à Washington, DC, le 1er décembre 1921, près de deux ans avant que le premier dirigeable rigide rempli d'hélium de la Marine, le USS Shenandoah construit en usine d'avions navals, ne vole en septembre 1923.

Bien que le processus d'extraction utilisant la liquéfaction du gaz à basse température n'ait pas été développé à temps pour être significatif pendant la Première Guerre mondiale, la production s'est poursuivie.
L'hélium était principalement utilisé comme gaz de levage dans les engins plus légers que l'air.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, la demande d'hélium pour le gaz de levage et pour le soudage à l'arc sous protection a augmenté.
Le spectromètre de masse à l'hélium était également vital dans le projet de bombe atomique Manhattan.

Le gouvernement des États-Unis a créé la réserve nationale d'hélium en 1925 à Amarillo, au Texas, dans le but de fournir des dirigeables militaires en temps de guerre et des dirigeables commerciaux en temps de paix.

En raison de la loi sur l'hélium de 1925, qui interdisait l'exportation de l'hélium rare sur lequel les États-Unis avaient alors un monopole de production, ainsi que du coût prohibitif du gaz, le Hindenburg, comme tous les Zeppelins allemands, a été contraint d'utiliser l'hydrogène comme ascenseur. gaz.

Le marché de l'hélium après la Seconde Guerre mondiale a été déprimé, mais la réserve a été élargie dans les années 1950 pour assurer un approvisionnement en hélium liquide comme liquide de refroidissement pour créer du carburant de fusée oxygène / hydrogène (entre autres utilisations) pendant la course à l'espace et la guerre froide.
L'utilisation d'hélium aux États-Unis en 1965 était plus de huit fois supérieure à la consommation maximale en temps de guerre.

Après les "Helium Acts Amendments of 1960" (Public Law 86–777), le US Bureau of Mines a pris des dispositions pour que cinq usines privées récupèrent l'hélium du gaz naturel.

Pour ce programme de conservation de l'hélium, le Bureau a construit un pipeline de 425 milles (684 km) à partir de Bushton, au Kansas, pour relier ces usines au champ gazier Cliffside partiellement épuisé du gouvernement près d'Amarillo, au Texas.

Ce mélange hélium-azote a été injecté et stocké dans le champ gazier de Cliffside jusqu'à ce qu'il soit nécessaire, moment auquel l'hélium a été purifié davantage.

En 1995, un milliard de mètres cubes de gaz avaient été collectés et la réserve était endettée de 1,4 milliard de dollars américains, ce qui a incité le Congrès des États-Unis en 1996 à éliminer progressivement la réserve.

La loi de 1996 sur la privatisation de l'hélium (loi publique 104-273) qui en a résulté a ordonné au département de l'Intérieur des États-Unis de vider la réserve, les ventes commençant en 2005.

L'hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3 % (2 % d'azote), ce qui était suffisant pour les dirigeables.
En 1945, une petite quantité d'hélium à 99,9% a été produite pour le soudage.
En 1949, des quantités commerciales d'hélium de grade A à 99,95% étaient disponibles.

Pendant de nombreuses années, les États-Unis ont produit plus de 90 % de l'hélium commercialement utilisable dans le monde, tandis que les usines d'extraction au Canada, en Pologne, en Russie et dans d'autres pays produisaient le reste.

Au milieu des années 1990, une nouvelle usine à Arzew, en Algérie, produisant 17 millions de mètres cubes (600 millions de pieds cubes) a été mise en service, avec une production suffisante pour couvrir toute la demande européenne.

Pendant ce temps, en 2000, la consommation d'hélium aux États-Unis était passée à plus de 15 millions de kg par an. En 2004–2006, des usines supplémentaires à Ras Laffan, au Qatar, et à Skikda, en Algérie, ont été construites.

L'Algérie est rapidement devenue le deuxième producteur d'hélium.
Pendant cette période, la consommation d'hélium et les coûts de production de l'hélium ont augmenté.
De 2002 à 2007, les prix de l'hélium ont doublé.

En 2012, la réserve nationale d'hélium des États-Unis représentait 30 % de l'hélium mondial.
La réserve devait manquer d'hélium en 2018.

Malgré cela, un projet de loi proposé au Sénat américain permettrait à la réserve de continuer à vendre le gaz.
D'autres grandes réserves se trouvaient dans le Hugoton au Kansas, aux États-Unis, et dans les champs gaziers voisins du Kansas et dans les mendiants du Texas et de l'Oklahoma.

De nouvelles usines d'hélium devaient ouvrir en 2012 au Qatar, en Russie et dans l'État américain du Wyoming, mais elles ne devraient pas atténuer la pénurie.

En 2013, le Qatar a démarré la plus grande unité d'hélium au monde, bien que la crise diplomatique de 2017 au Qatar ait gravement affecté la production d'hélium dans ce pays.
2014 a été largement reconnue comme une année d'offre excédentaire dans le secteur de l'hélium, après des années de pénuries bien connues.

Le Nasdaq a rapporté (2015) que pour Air Products, une société internationale qui vend des gaz à usage industriel, les volumes d'hélium restent sous pression économique en raison des contraintes d'approvisionnement en matières premières.

OCCURRENCE et PRODUCTION d'HÉLIUM :
ABONDANCE NATURELLE :
Bien que l'hélium soit rare sur Terre, l'hélium est le deuxième élément le plus abondant de l'Univers connu, constituant 23% de sa masse baryonique.
Seul l'hydrogène est plus abondant.
La grande majorité de l'hélium a été formée par la nucléosynthèse du Big Bang une à trois minutes après le Big Bang.

Ainsi, les mesures de l'abondance d'hélium contribuent aux modèles cosmologiques.
Dans les étoiles, l'hélium est formé par la fusion nucléaire de l'hydrogène dans les réactions en chaîne proton-proton et le cycle CNO, qui fait partie de la nucléosynthèse stellaire.

Dans l'atmosphère terrestre, la concentration d'hélium en volume n'est que de 5,2 parties par million.
La concentration est faible et assez constante malgré la production continue de nouvel hélium car la plupart de l'hélium dans le
L'atmosphère terrestre s'échappe dans l'espace par plusieurs processus.
Dans l'hétérosphère terrestre, une partie de la haute atmosphère, l'hélium et d'autres gaz plus légers sont les éléments les plus abondants.

La plupart de l'hélium sur Terre est le résultat de la désintégration radioactive.
L'hélium se trouve en grande quantité dans les minéraux d'uranium et de thorium, y compris l'uraninite et ses variétés cleveite et pechblende, carnotite et monazite (un nom de groupe ; "monazite" fait généralement référence à la monazite-(Ce)), car ils émettent des particules alpha (hélium noyaux, He2+) auxquels les électrons se combinent immédiatement dès que la particule est arrêtée par la roche.

De cette manière, environ 3000 tonnes métriques d'hélium sont générées par an dans la lithosphère.
Dans la croûte terrestre, la concentration d'hélium est de 8 parties par milliard.

Dans l'eau de mer, la concentration n'est que de 4 parties par billion.
Il y a aussi de petites quantités dans les sources minérales, le gaz volcanique et le fer météorique.

Étant donné que l'hélium est piégé dans le sous-sol dans des conditions qui piègent également le gaz naturel, les plus grandes concentrations naturelles d'hélium sur la planète se trouvent dans le gaz naturel, à partir duquel la plupart de l'hélium commercial est extrait.
La concentration varie dans une large gamme allant de quelques ppm à plus de 7 % dans un petit gisement de gaz du comté de San Juan, au Nouveau-Mexique.

En 2021, les réserves mondiales d'hélium étaient estimées à 31 milliards de mètres cubes, dont un tiers au Qatar.
En 2015 et 2016, des réserves probables supplémentaires ont été annoncées sous les montagnes Rocheuses en Amérique du Nord et dans le rift est-africain.

EXTRACTION ET DISTRIBUTION MODERNES d'HÉLIUM :
Pour une utilisation à grande échelle, l'hélium est extrait par distillation fractionnée du gaz naturel, qui peut contenir jusqu'à 7 % d'hélium.
Étant donné que l'hélium a un point d'ébullition inférieur à tout autre élément, la basse température et la haute pression sont utilisées pour liquéfier presque tous les autres gaz (principalement l'azote et le méthane).

Le gaz d'hélium brut résultant est purifié par des expositions successives à des températures abaissées, au cours desquelles presque tout l'azote restant et d'autres gaz sont précipités hors du mélange gazeux.
Le charbon actif est utilisé comme étape de purification finale, ce qui donne généralement de l'hélium de grade A pur à 99,995 %.

La principale impureté de l'hélium de grade A est le néon.
Dans une dernière étape de production, la majeure partie de l'hélium produit est liquéfiée via un procédé cryogénique.

Ceci est nécessaire pour les applications nécessitant de l'hélium liquide et permet également aux fournisseurs d'hélium de réduire le coût du transport longue distance, car les plus grands conteneurs d'hélium liquide ont plus de cinq fois la capacité des plus grandes remorques à tubes d'hélium gazeux.

L'hélium est disponible dans le commerce sous forme liquide ou gazeuse. Sous forme liquide, il peut être fourni dans de petits conteneurs isolés appelés dewars qui contiennent jusqu'à 1 000 litres d'hélium, ou dans de grands conteneurs ISO d'une capacité nominale pouvant atteindre 42 m3 (environ 11 000 gallons américains).

Sous forme gazeuse, de petites quantités d'hélium sont fournies dans des bouteilles à haute pression pouvant contenir jusqu'à 8 m3 (environ 282 pieds cubes standard), tandis que de grandes quantités de gaz à haute pression sont fournies dans des remorques tubulaires qui ont des capacités allant jusqu'à 4 860 m3 (environ 172 000 pieds cubes standard).

FABRICATION D'HÉLIUM :
Bien que l'hélium soit désormais potentiellement disponible en grande quantité, il est resté une curiosité de laboratoire pendant près de 10 ans, et tout l'approvisionnement américain reposait dans trois tubes de verre, poussiéreux et presque oubliés sur l'étagère du Bailey Hall de l'Université du Kansas.

Lorsque Clifford W. Siebel est venu au Kansas pour travailler sur un diplôme supérieur, Cady a suggéré qu'il devrait réexaminer la teneur en hélium du gaz naturel pour sa recherche de thèse.

Siebel a abordé le problème à contrecœur et sans enthousiasme.
Lorsqu'il lit ses résultats devant un public scientifique à Kansas City en 1917, il conclut en regrettant "que le travail n'ait pas eu d'application pratique".

Un représentant du US Bureau of Mines "a immédiatement contesté cette remarque, et ... a lu une partie d'une lettre de [Sir] William Ramsay en Angleterre dans laquelle il était suggéré que les États-Unis produisent suffisamment d'hélium pour gonfler le briquet. des engins plus qu'aériens pour les Alliés."

L'hélium ininflammable et non réactif était souhaitable car il avait presque le même pouvoir élévateur que l'hydrogène gazeux, dangereux à manipuler car inflammable.

Siebel vendait de maigres quantités d'hélium pour 2 500 $ le pied cube. Il a rapidement calculé qu'à ce rythme, le coût de remplissage d'un petit dirigeable était de plus de 100 millions de dollars.

Dix ans plus tard, après que le gouvernement américain a établi des usines à Fort Worth et à Amarillo, au Texas, le coût était tombé à trois cents par pied cube.

La production à grande échelle d'hélium est arrivée trop tard pour avoir beaucoup de valeur pendant la Première Guerre mondiale, mais elle a joué un rôle majeur pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque les États-Unis remplis d'hélium

Les dirigeables de patrouille de la marine ont escorté en toute sécurité des milliers de navires transportant des troupes et des fournitures.
Les dirigeables utilisaient des dispositifs d'écoute sensibles qui, une fois abaissés dans l'eau, pouvaient détecter des sous-marins jusqu'à cinq miles de distance.

À l'époque, les Alliés avaient un quasi-monopole sur l'hélium, car les seuls puits de gaz connus capables de produire de l'hélium en grande quantité se trouvaient aux États-Unis et au Canada.

Une fois que l'hélium est devenu facilement disponible en grande quantité, d'autres utilisations ont rapidement suivi.
Aujourd'hui, le Bureau of Land Management des États-Unis gère les réserves de gaz d'hélium, la location et le stockage.

Selon le bureau, "l'hélium joue un rôle de premier plan dans les programmes spatiaux, de défense et énergétiques du gouvernement, tels que la pressurisation des propulseurs liquides utilisés par la navette spatiale, le développement d'armes et les expériences de réacteurs à fusion nucléaire.

Les utilisations de l'hélium liquide comprennent le refroidissement des détecteurs infrarouges, les simulations spatiales, les essais de matériaux et la recherche biologique et supraconductrice.

Les utilisations de l'hélium gazeux comprennent diverses activités plus légères que l'air, les lasers hélium-néon, la détection de fuites de gaz, le mélange hélium-oxygène pour la plongée sous-marine et le soudage à grande vitesse de métaux spéciaux."

L'hélium a également été utilisé pour produire des vitesses extrêmement élevées dans les souffleries et dans les hôpitaux. L'hélium sert de liquide cryogénique pour l'imagerie par résonance magnétique.
L'hélium est toujours considéré comme un matériau de réserve stratégique.

ABONDANCE et ISOTOPES de l'HÉLIUM :
L'hélium constitue environ 23% de la masse de l'univers et est donc le deuxième en abondance après l'hydrogène dans le cosmos. L'hélium est concentré dans les étoiles, où il est synthétisé à partir d'hydrogène par fusion nucléaire.

Bien que l'hélium ne soit présent dans l'atmosphère terrestre qu'à hauteur de 1 partie sur 200 000 (0,0005 %) et que de petites quantités se produisent dans les minéraux radioactifs, le fer météorique et les sources minérales, de grands volumes d'hélium se trouvent en tant que composant (jusqu'à 7,6 %) dans gaz naturel aux États-Unis (en particulier au Texas, au Nouveau-Mexique, au Kansas, en Oklahoma, en Arizona et en Utah).

De plus petites quantités ont été découvertes en Algérie, en Australie, en Pologne, au Qatar et en Russie.
L'air ordinaire contient environ 5 parties par million d'hélium, et la croûte terrestre n'en contient qu'environ 8 parties par milliard.

Le noyau de chaque atome d'hélium contient deux protons, mais, comme c'est le cas pour tous les éléments, il existe des isotopes d'hélium.
Les isotopes connus de l'hélium contiennent de un à six neutrons, de sorte que leurs nombres de masse varient de trois à huit.

De ces six isotopes, seuls ceux dont les nombres de masse sont trois (hélium-3 ou 3He) et quatre (hélium-4 ou 4He) sont stables; tous les autres sont radioactifs et se désintègrent très rapidement en d'autres substances.

L'hélium présent sur Terre n'est pas un composant primordial mais a été généré par désintégration radioactive.
Les particules alpha, éjectées des noyaux de substances radioactives plus lourdes, sont des noyaux de l'isotope hélium-4.

L'hélium ne s'accumule pas en grande quantité dans l'atmosphère car la gravité terrestre n'est pas suffisante pour empêcher sa fuite progressive dans l'espace.

La trace de l'isotope hélium-3 sur Terre est attribuable à la désintégration bêta négative de l'isotope rare de l'hydrogène-3 (tritium).

L'hélium-4 est de loin le plus abondant des isotopes stables : les atomes d'hélium-4 sont plus nombreux que ceux de l'hélium-3 d'environ 700 000 : 1 dans l'hélium atmosphérique et d'environ 7 000 000 : 1 dans certains minéraux contenant de l'hélium.

L'ATOME EN MECANIQUE QUANTIQUE de l'HELIUM :
Dans la perspective de la mécanique quantique, l'hélium est le deuxième atome le plus simple à modéliser, après l'atome d'hydrogène.
L'hélium est composé de deux électrons dans des orbitales atomiques entourant un noyau contenant deux protons et (généralement) deux neutrons.

Comme en mécanique newtonienne, aucun système composé de plus de deux particules ne peut être résolu avec une approche mathématique analytique exacte (voir problème à 3 corps) et l'hélium ne fait pas exception.

Ainsi, des méthodes mathématiques numériques sont nécessaires, même pour résoudre le système d'un noyau et de deux électrons.
De telles méthodes de chimie computationnelle ont été utilisées pour créer une image mécanique quantique de la liaison des électrons à l'hélium qui est précise à < 2% de la valeur correcte, en quelques étapes de calcul.

De tels modèles montrent que chaque électron dans l'hélium masque en partie le noyau de l'autre, de sorte que la charge nucléaire effective Z que chaque électron voit est d'environ 1,69 unités, et non les 2 charges d'un noyau d'hélium "nu" classique.

Stabilité associée du noyau d'hélium-4 et de la couche d'électrons
Le noyau de l'atome d'hélium-4 est identique à une particule alpha.

Des expériences de diffusion d'électrons à haute énergie montrent que sa charge diminue de façon exponentielle à partir d'un maximum en un point central, exactement comme le fait la densité de charge du propre nuage d'électrons de l'hélium.

Cette symétrie reflète une physique sous-jacente similaire : la paire de neutrons et la paire de protons dans le noyau de l'hélium obéissent aux mêmes règles de mécanique quantique que la paire d'électrons de l'hélium (bien que les particules nucléaires soient soumises à un potentiel de liaison nucléaire différent), de sorte que toutes ces les fermions occupent entièrement les orbitales 1s par paires, aucun d'eux ne possédant de moment cinétique orbital, et chacun annulant le spin intrinsèque de l'autre.

L'ajout d'une autre de l'une de ces particules nécessiterait un moment cinétique et libérerait beaucoup moins d'énergie (en fait, aucun noyau à cinq nucléons n'est stable).

Cet arrangement est donc énergétiquement extrêmement stable pour toutes ces particules, et cette stabilité explique de nombreux faits cruciaux concernant l'hélium dans la nature.

Par exemple, la stabilité et la faible énergie de l'état de nuage d'électrons dans l'hélium expliquent l'inertie chimique de l'élément, ainsi que le manque d'interaction des atomes d'hélium entre eux, produisant les points de fusion et d'ébullition les plus bas de tous les éléments.

De la même manière, la stabilité énergétique particulière du noyau d'hélium-4, produite par des effets similaires, explique la facilité de production d'hélium-4 dans les réactions atomiques impliquant soit l'émission de particules lourdes, soit la fusion.

De l'hélium-3 stable (2 protons et 1 neutron) est produit dans les réactions de fusion à partir d'hydrogène, mais il s'agit d'une très petite fraction par rapport à l'hélium-4 très favorable.

La stabilité inhabituelle du noyau d'hélium-4 est également importante sur le plan cosmologique : elle explique le fait que dans les premières minutes après le Big Bang, comme la "soupe" de protons et de neutrons libres qui avait initialement été créée dans un rapport d'environ 6:1 refroidi au point que la liaison nucléaire était possible, presque tous les premiers noyaux atomiques composés à se former étaient des noyaux d'hélium-4.

La liaison à l'hélium-4 était si étroite que la production d'hélium-4 a consommé presque tous les neutrons libres en quelques minutes, avant qu'ils ne puissent se désintégrer bêta, et en laissant également quelques-uns pour former des atomes plus lourds tels que le lithium, le béryllium ou le bore.

La liaison nucléaire de l'hélium-4 par nucléon est plus forte que dans n'importe lequel de ces éléments (voir nucléogenèse et énergie de liaison) et donc, une fois l'hélium formé, aucune énergie n'était disponible pour fabriquer les éléments 3, 4 et 5.

Il était à peine énergétiquement favorable que l'hélium fusionne avec l'élément suivant avec une énergie inférieure par nucléon, le carbone.
Cependant, en raison du manque d'éléments intermédiaires, ce processus nécessite que trois noyaux d'hélium se frappent presque simultanément.

Il n'y avait donc pas de temps pour qu'une quantité importante de carbone se forme dans les quelques minutes qui ont suivi le Big Bang, avant que le premier univers en expansion ne se refroidisse à la température et à la pression où la fusion de l'hélium au carbone n'était plus possible.

Cela a laissé l'univers primitif avec un rapport hydrogène/hélium très similaire à celui observé aujourd'hui (3 parties d'hydrogène pour 1 partie d'hélium-4 en masse), avec presque tous les neutrons de l'univers piégés dans l'hélium-4.

Tous les éléments plus lourds (y compris ceux nécessaires aux planètes rocheuses comme la Terre, et à la vie à base de carbone ou autre) ont ainsi été créés depuis le Big Bang dans des étoiles suffisamment chaudes pour fusionner l'hélium lui-même.

Tous les éléments autres que l'hydrogène et l'hélium ne représentent aujourd'hui que 2 % de la masse de matière atomique dans l'univers.
L'hélium-4, en revanche, représente environ 23 % de la matière ordinaire de l'univers, soit presque toute la matière ordinaire qui n'est pas de l'hydrogène.

PHASES GAZ et PLASMA de l'HÉLIUM :
L'hélium est le deuxième gaz noble le moins réactif après le néon, et donc le deuxième moins réactif de tous les éléments.
L'hélium est chimiquement inerte et monoatomique dans toutes les conditions standard.

En raison de la masse molaire (atomique) relativement faible de l'hélium, la conductivité thermique, la chaleur spécifique et la vitesse du son en phase gazeuse de l'hélium sont toutes supérieures à celles de tout autre gaz, à l'exception de l'hydrogène.

Pour ces raisons et la petite taille des molécules monoatomiques d'hélium, l'hélium diffuse à travers les solides à un taux trois fois celui de l'air et environ 65% de celui de l'hydrogène.

L'hélium est le gaz monoatomique le moins soluble dans l'eau et l'un des gaz les moins solubles dans l'eau (CF4, SF6 et C4F8 ont des solubilités de fraction molaire inférieures : 0,3802, 0,4394 et 0,2372 x2/10−5, respectivement, par rapport à l'hélium. 0,70797 x2/10−5), et l'indice de réfraction de l'hélium est plus proche de l'unité que celui de tout autre gaz.

L'hélium a un coefficient Joule-Thomson négatif à des températures ambiantes normales, ce qui signifie que l'hélium se réchauffe lorsqu'il est autorisé à se dilater librement.

Ce n'est qu'en dessous de la température d'inversion Joule – Thomson de l'hélium (d'environ 32 à 50 K à 1 atmosphère) que l'hélium se refroidit lors de la libre expansion.
Une fois prérefroidi en dessous de cette température, l'hélium peut être liquéfié par refroidissement par expansion.

La plupart de l'hélium extraterrestre se trouve à l'état de plasma, avec des propriétés très différentes de celles de l'hélium atomique.
Dans un plasma, les électrons de l'hélium ne sont pas liés au noyau de l'hélium, ce qui se traduit par une conductivité électrique très élevée, même lorsque le gaz n'est que partiellement ionisé.

Les particules chargées sont fortement influencées par les champs magnétiques et électriques.
Par exemple, dans le vent solaire avec l'hydrogène ionisé, les particules interagissent avec la magnétosphère terrestre, donnant naissance aux courants de Birkeland et aux aurores boréales.

PHASE LIQUIDE de l'HÉLIUM :
Contrairement à tout autre élément, l'hélium restera liquide jusqu'au zéro absolu à des pressions normales.
C'est un effet direct de la mécanique quantique : plus précisément, l'énergie du point zéro du système est trop élevée pour permettre le gel.

L'hélium solide nécessite une température de 1 à 1,5 K (environ -272 ° C ou -457 ° F) à environ 25 bars (2,5 MPa) de pression.
L'hélium est souvent difficile à distinguer de l'hélium solide de l'hélium liquide puisque l'indice de réfraction des deux phases est presque le même.

L'hélium solide a un point de fusion pointu et a une structure cristalline, mais l'hélium est hautement compressible ; appliquer une pression dans un laboratoire peut diminuer son volume de plus de 30 %.

Avec un module de masse d'environ 27 MPa, il est environ 100 fois plus compressible que l'eau.
L'hélium solide a une densité de 0,214 ± 0,006 g/cm3 à 1,15 K et 66 atm ; la masse volumique projetée à 0 K et 25 bar (2,5 MPa) est de 0,187±0,009 g/cm3.

À des températures plus élevées, l'hélium se solidifiera avec une pression suffisante.
A température ambiante, cela nécessite environ 114 000 atm.

POURQUOI NOUS POURRIONS MANQUER D'HÉLIUM :
Pourquoi une ressource aussi précieuse serait-elle gaspillée ?
Fondamentalement, l'hélium est parce que le prix de l'hélium ne reflète pas sa valeur.

La majeure partie de l'approvisionnement mondial en hélium est détenue par la Réserve nationale d'hélium des États-Unis, qui a été mandatée pour vendre tous les stocks d'hélium d'ici 2015, quel que soit le prix.

Cela était basé sur une loi de 1996, la loi sur la privatisation de l'hélium, qui visait à aider le gouvernement à récupérer le coût de la constitution de la réserve.

Bien que les utilisations de l'hélium se soient multipliées, la loi n'avait pas été revisitée, de sorte qu'en 2013, une grande partie du stock d'hélium de la planète était vendue à un prix extrêmement bas.

En 2013, le Congrès américain a réexaminé la loi, adoptant finalement un projet de loi, l'Helium Stewardship Act, visant à maintenir les réserves d'hélium.

IL Y A PLUS D'HÉLIUM QUE NOUS LE PENSIONS
Des recherches récentes indiquent qu'il y a plus d'hélium, en particulier dans les eaux souterraines, que les scientifiques ne l'avaient précédemment estimé.
De plus, bien que le processus soit extrêmement lent, la désintégration radioactive continue de l'uranium naturel et d'autres radio-isotopes génère de l'hélium supplémentaire.

C'est la bonne nouvelle.
La mauvaise nouvelle est qu'il faudra plus d'argent et de nouvelles technologies pour récupérer l'élément.

L'autre mauvaise nouvelle est qu'il n'y aura pas d'hélium que nous pourrons obtenir des planètes proches de nous, car ces planètes exercent également trop peu de gravité pour retenir le gaz.
Peut-être qu'à un moment donné, nous pourrons trouver un moyen d'"extraire" l'élément des géantes gazeuses plus loin dans le système solaire.

POURQUOI NOUS NE MANQUONS PAS D'HYDROGÈNE
Si l'hélium est si léger qu'il échappe à la gravité terrestre, vous vous demandez peut-être si nous ne manquerons pas d'hydrogène.
Même si l'hydrogène forme des liaisons chimiques avec lui-même pour fabriquer du gaz H2, il est toujours plus léger qu'un seul atome d'hélium.

La raison pour laquelle nous n'en manquerons pas est que l'hydrogène forme des liaisons avec d'autres atomes que lui-même.
L'élément est lié aux molécules d'eau et aux composés organiques.

L'hélium, d'autre part, est un gaz noble avec une structure stable en coquille d'électrons.
Puisque l'hélium ne forme pas de liaisons chimiques, l'hélium n'est pas conservé dans les composés.

DÉCOUVERTE de l'HÉLIUM, LE GAZ QUI NE BRÛLE PAS
Loin des grands centres scientifiques européens, une foule en liesse se rassemble dans la petite ville de Dexter, Kansas, en mai 1903.
Situé dans les vastes Grandes Plaines, Dexter plaçait ses espoirs de prospérité économique sur un puits nouvellement foré qui avait déclenché «un gazeur hurlant».

Alors que neuf millions de pieds cubes de gaz s'échappaient chaque jour avant que l'équipement ne puisse être trouvé pour boucher le puits, la société de forage n'a pas perdu de temps pour vendre des stocks et planifier des puits supplémentaires.

Les citoyens de Dexter envisageaient de nouvelles industries telles que des fonderies de minerai et des usines de briques et de verre dans leur petite ville.
Pour célébrer leur bonne fortune, les habitants de Dexter ont organisé une grande fête, avec de la musique de groupe, des discours patriotiques et des jeux.

L'allumage du gaz qui s'échappe était prévu comme point culminant spectaculaire des événements de la journée.
Des circulaires promotionnelles promettaient qu'"un grand pilier de flammes du puits brûlant éclairera toute la campagne pendant un jour et une nuit".

Après une allocution exaltante appropriée du maire, le rassemblement excité a regardé avec impatience une balle de foin brûlante être lentement déplacée en contact avec le jaillisseur.
Au lieu de la conflagration attendue, cependant, les flammes de la balle en feu ont été rapidement éteintes.

Imperturbable, le maire a répété le processus plusieurs fois, mais avec les mêmes résultats.
Déçue et intriguée, la foule se dispersa lentement, qualifiant cette étrange émanation du puits de « gaz éolien ».
D'autres disaient qu'il s'agissait d'un puits « d'air chaud ». Naturellement, l'entreprise "ne souhaitait pas qu'on lui fasse une grande publicité".

La consternation suscitée par l'échec du puits de gaz s'est répandue dans tout Dexter, mais Erasmus Haworth, le géologue officiel de l'État, a été intrigué par cet événement inhabituel.

Haworth, membre de la faculté de géologie de l'Université du Kansas à Lawrence, s'est arrangé pour qu'un grand cylindre en acier soit rempli de gaz Dexter.

À son retour à Lawrence, Haworth a discuté du gaz avec le professeur de chimie David F. McFarland, qui a commencé une analyse de routine du contenu de la bouteille.
Les résultats ont facilement donné une explication scientifique au puzzle de Dexter.

Le gaz ne contenait que 15 % de méthane combustible, qui ne brûlerait pas en présence de près de 72 % d'azote ininflammable.
Haworth et McFarland ont rapporté leurs résultats lors d'une réunion de la Geological Society of America à Philadelphie le 30 décembre 1904.

Ils ont révélé que le gaz Dexter contenait également 12% d'un "résidu inerte" et ont promis que l'investigation de ce résidu serait "effectuée dès que le temps le permettrait".

Aujourd'hui, nous rendons hommage à l'hélium, ce gaz le plus noble, découvert il y a 150 ans.
Vous connaissez peut-être le deuxième élément du tableau périodique comme ce qui remplit les ballons de fête et fait sonner votre voix comme Alvin le Chipmunk, mais ce n'est pas que du plaisir et des jeux pour le gaz incolore et inodore.
L'hélium est une bête de somme pour les industries scientifiques et technologiques.

Malgré ses nombreuses utilisations terrestres, l'hélium porte en fait le nom du Titan grec du soleil - Hélios.
C'est parce que la première preuve de son existence a été découverte à la lumière du soleil.

Lors d'une éclipse solaire en Inde le 18 août 1868, le scientifique français Jules Janssen a observé l'atmosphère du soleil à travers un instrument qui séparait les couleurs de la lumière en un spectre.

Il s'est rendu compte plus tard qu'il pouvait observer même sans éclipse, et il a trouvé une mystérieuse ligne jaune dans les données.
Travaillant séparément, le scientifique anglais Norman Lockyer a également observé la ligne jaune vif quelques mois plus tard.

C'est Lockyer qui a proposé que la ligne mystérieuse soit la preuve d'un nouvel élément, que lui et le chimiste Edward Frankland ont baptisé hélium.

Il a fallu encore 27 ans avant que l'hélium ne soit découvert sur Terre à l'intérieur d'un minéral appelé cleveite.
Comme cela arrive souvent en science, la découverte a de nouveau été faite à peu près au même moment par plusieurs personnes, en l'occurrence le chimiste écossais William Ramsay et les chimistes suédois Per Teodor Cleve et Nils Abraham Langlet.

Au cours des 123 années qui ont suivi, les scientifiques et les amateurs ont continué à explorer et à exploiter les propriétés uniques de cet élément important.

HISTOIRE de l'HÉLIUM :
La première preuve d'hélium a été observée le 18 août 1868, sous la forme d'une ligne jaune vif avec une longueur d'onde de 587,49 nanomètres dans le spectre de la chromosphère du Soleil.
La ligne a été détectée par l'astronome français Jules Janssen lors d'une éclipse solaire totale à Guntur, en Inde.

Cette ligne était initialement supposée être du sodium. Le 20 octobre de la même année, l'astronome anglais Norman Lockyer a observé une raie jaune dans le spectre solaire, qu'il a nommée D3 parce que l'hélium était proche des raies connues D1 et D2 de Fraunhofer du sodium.

Il en a conclu qu'elle était causée par un élément du Soleil inconnu sur Terre. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland ont nommé l'élément avec le mot grec pour le Soleil, ἥλιος (hélios).

En 1881, le physicien italien Luigi Palmieri a détecté pour la première fois de l'hélium sur Terre à travers sa raie spectrale D3, lorsqu'il a analysé un matériau qui avait été sublimé lors d'une récente éruption du Vésuve.

Le 26 mars 1895, le chimiste écossais Sir William Ramsay a isolé l'hélium sur Terre en traitant le minéral cleveite (une variété d'uraninite contenant au moins 10% d'éléments de terres rares) avec des acides minéraux.

Ramsay cherchait de l'argon mais, après avoir séparé l'azote et l'oxygène du gaz, libéré par l'acide sulfurique, il a remarqué une raie jaune vif qui correspondait à la raie D3 observée dans le spectre du Soleil.

Ces échantillons ont été identifiés comme de l'hélium par Lockyer et le physicien britannique William Crookes.
L'hélium a été indépendamment isolé de la cleveite, la même année, par des chimistes, Per Teodor Cleve et Abraham Langlet, à Uppsala, en Suède, qui ont collecté suffisamment de gaz pour déterminer avec précision son poids atomique.

L'hélium a également été isolé par le géochimiste américain, William Francis Hillebrand, avant la découverte de Ramsay, lorsqu'il a remarqué des raies spectrales inhabituelles en testant un échantillon d'uraninite minérale.

Hillebrand, cependant, a attribué les lignes à l'azote.
Sa lettre de félicitations à Ramsay offre un cas intéressant de découverte et de quasi-découverte en science.

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds ont démontré que les particules alpha sont des noyaux d'hélium, en permettant aux particules de pénétrer dans la fine paroi de verre d'un tube sous vide, puis en créant une décharge dans le tube, pour étudier le spectre du nouveau gaz à l'intérieur.

En 1908, l'hélium a été liquéfié pour la première fois par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes en refroidissant le gaz à moins de 5 K (-268,15 ° C; -450,67 ° F).
Il a essayé de le solidifier, en réduisant encore la température, mais a échoué, car l'hélium ne se solidifie pas à la pression atmosphérique.

L'étudiant d'Onnes Willem Hendrik Keesom a finalement pu solidifier 1 cm3 d'hélium en 1926 en appliquant une pression externe supplémentaire.

En 1913, Niels Bohr a publié sa "trilogie" sur la structure atomique qui comprenait un réexamen de la série Pickering-Fowler comme preuve centrale à l'appui de son modèle de l'atome.

Cette série porte le nom d' Edward Charles Pickering , qui en 1896 a publié des observations de raies jusque-là inconnues dans le spectre de l'étoile ζ Puppis (on sait maintenant que celles-ci se produisent avec Wolf – Rayet et d'autres étoiles chaudes).

Pickering a attribué l'observation (raies à 4551, 5411 et 10123 Å) à une nouvelle forme d'hydrogène avec des niveaux de transition demi-entiers.

En 1912, Alfred Fowler a réussi à produire des lignes similaires à partir d'un mélange hydrogène-hélium et a soutenu la conclusion de Pickering quant à leur origine.

Le modèle de Bohr ne permet pas les transitions demi-entières (ni la mécanique quantique) et Bohr a conclu que Pickering et Fowler avaient tort et ont plutôt attribué ces raies spectrales à l'hélium ionisé, He+.

Fowler était initialement sceptique mais a finalement été convaincu que Bohr avait raison, et en 1915 "les spectroscopistes avaient transféré [la série Pickering-Fowler] définitivement [de l'hydrogène] à l'hélium.

" Les travaux théoriques de Bohr sur la série de Pickering avaient démontré la nécessité "d'un réexamen des problèmes qui semblaient déjà avoir été résolus dans les théories classiques" et fourni une confirmation importante de sa théorie atomique.

En 1938, le physicien russe Pyotr Leonidovich Kapitsa a découvert que l'hélium-4 n'a presque pas de viscosité à des températures proches du zéro absolu, un phénomène maintenant appelé superfluidité.

Ce phénomène est lié à la condensation de Bose-Einstein.
En 1972, le même phénomène a été observé dans l'hélium-3, mais à des températures beaucoup plus proches du zéro absolu, par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee et Robert C. Richardson.

On pense que le phénomène dans l'hélium-3 est lié à l'appariement des fermions de l'hélium-3 pour former des bosons, par analogie avec les paires d'électrons de Cooper produisant la supraconductivité.

L'hélium a été découvert dans l'atmosphère gazeuse entourant le Soleil par l'astronome français Pierre Janssen, qui a détecté une raie jaune vif dans le spectre de la chromosphère solaire lors d'une éclipse en 1868 ; cette ligne était initialement supposée représenter l'élément sodium.

Cette même année, l'astronome anglais Joseph Norman Lockyer a observé une raie jaune dans le spectre solaire qui ne correspondait pas aux raies connues D1 et D2 du sodium, et il l'a donc nommée raie D3.

Lockyer a conclu que la ligne D3 était causée par un élément du Soleil inconnu sur Terre; lui et le chimiste Edward Frankland ont utilisé le mot grec pour soleil, hēlios, pour nommer l'élément.
Le chimiste britannique Sir William Ramsay a découvert l'existence de l'hélium sur Terre en 1895.

Ramsay a obtenu un échantillon de la clévéite minérale uranifère et, après avoir étudié le gaz produit en chauffant l'échantillon, il a découvert qu'une ligne jaune vif unique dans son spectre correspondait à celle de la ligne D3 observée dans le spectre du Soleil. le nouvel élément de l'hélium a ainsi été définitivement identifié.

En 1903, Ramsay et Frederick Soddy ont en outre déterminé que l'hélium est un produit de la désintégration spontanée de substances radioactives.

L'hélium, le deuxième élément le plus abondant dans l'univers, a été découvert sur le soleil avant d'être trouvé sur la terre.
Pierre-Jules-César Janssen, un astronome français, a remarqué une ligne jaune dans le spectre du soleil lors de l'étude d'une éclipse solaire totale en 1868.

Sir Norman Lockyer, un astronome anglais, s'est rendu compte que cette raie, d'une longueur d'onde de 587,49 nanomètres, ne pouvait être produite par aucun élément connu à l'époque.

On a émis l'hypothèse qu'un nouvel élément sur le soleil était responsable de cette mystérieuse émission jaune.
Cet élément inconnu a été nommé hélium par Lockyer.

La chasse pour trouver de l'hélium sur terre a pris fin en 1895.
Sir William Ramsay, un chimiste écossais, a mené une expérience avec un minéral contenant de l'uranium appelé clevite.

Il a exposé la clevite à des acides minéraux et a recueilli les gaz qui ont été produits.
Il a ensuite envoyé un échantillon de ces gaz à deux scientifiques, Lockyer et Sir William Crookes, qui ont pu identifier l'hélium qu'il contenait.

Deux chimistes suédois, Nils Langlet et Per Theodor Cleve, ont indépendamment trouvé de l'hélium dans la clevite à peu près au même moment que Ramsay.

L'hélium représente environ 0,0005 % de l'atmosphère terrestre.
Cette trace d'hélium n'est pas gravitationnellement liée à la terre et est constamment perdue dans l'espace.

L'hélium atmosphérique terrestre est remplacé par la désintégration d'éléments radioactifs dans la croûte terrestre.
La désintégration alpha, un type de désintégration radioactive, produit des particules appelées particules alpha.

Une particule alpha peut devenir un atome d'hélium une fois qu'elle a capturé deux électrons de son environnement.
Cet hélium nouvellement formé peut éventuellement se frayer un chemin vers l'atmosphère à travers des fissures dans la croûte.

L'hélium est extrait commercialement des gisements de gaz naturel, principalement du Texas, de l'Oklahoma et du Kansas.
Le gaz hélium est utilisé pour gonfler les dirigeables, les ballons scientifiques et les ballons de fête.

L'hélium est utilisé comme bouclier inerte pour le soudage à l'arc, pour pressuriser les réservoirs de carburant des fusées à carburant liquide et dans les souffleries supersoniques.

L'hélium est combiné avec de l'oxygène pour créer une atmosphère sans azote pour les plongeurs en haute mer afin qu'ils ne souffrent pas d'une maladie connue sous le nom de narcose à l'azote.

L'hélium liquide est un matériau cryogénique important et est utilisé pour étudier la supraconductivité et créer des aimants supraconducteurs.

Le laboratoire Jefferson du ministère de l'Énergie utilise de grandes quantités d'hélium liquide pour faire fonctionner l'accélérateur d'électrons supraconducteur d'Helium.

L'hélium est un gaz inerte et ne se combine pas facilement avec d'autres éléments.
Il n'y a pas de composés connus qui contiennent de l'hélium, bien que des tentatives soient faites pour produire du difluorure d'hélium (HeF2).

PROPRIÉTÉS PHYSIQUES et CHIMIQUES de l'HÉLIUM :
Poids moléculaire : 4,00260    
Nombre de donneurs d'obligations hydrogène : 0    
Nombre d'accepteurs de liaison hydrogène : 0    
Nombre d'obligations rotatives : 0    
Masse exacte : 4,002603254    
Masse monoisotopique : 4,002603254    
Surface polaire topologique : 0 Å ²    
Nombre d'atomes lourds : 1    

Charge formelle : 0    
Complexité : 0    
Nombre d'atomes isotopiques : 0    
Nombre de stéréocentres atomiques définis : 0    
Nombre de stéréocentres d'atomes non définis : 0    
Nombre de stéréocentres de liaison définis : 0    
Nombre de stéréocentres de liaison indéfinis : 0    
Nombre d'unités liées par covalence : 1    
Le composé est canonisé : Oui

Numéro atomique : 2
Masse atomique : 4,00260 g.mol -1
Electronégativité selon Pauling : inconnue
Densité : 0,178*10 -3 g.cm -3 à 20 °C
Point de fusion : - 272,2 (26 atmosphères) °C
Point d'ébullition : - 268,9 °C
Rayon de Vanderwaals : 0,118 nm
Rayon ionique : inconnu

Isotopes : 2
Coque électronique : 1s 2
Energie de première ionisation : 2372 kJ.mol -1
Découvert par : Sir Ramsey en 1895
Nom : hélium
Symbole : Il
Numéro atomique : 2
Masse atomique relative (Ar) : 4,002602
Etat standard : gaz à 298 K

Aspect : incolore
Classification : Non métallique
Groupe dans le tableau périodique : 18
Nom du groupe : Gaz rares
Période dans le tableau périodique : 1
Bloc dans le tableau périodique : p
Structure de la coque : 2
Forme d'aspect : Gaz comprimé

Odeur : Aucune donnée disponible
Seuil olfactif : Aucune donnée disponible
pH : Aucune donnée disponible
Point de fusion/point de congélation :
Point/intervalle de fusion : -272,19 °C à 26 hPa
Point initial d'ébullition et intervalle d'ébullition : -268,89 °C à 1,013 hPa
Point d'éclair : Non applicable

Taux d'évaporation : Aucune donnée disponible
Inflammabilité (solide, gaz): Aucune donnée disponible
Limites supérieures/inférieures d'inflammabilité ou d'explosivité : Aucune donnée disponible
Pression de vapeur : Aucune donnée disponible
Densité de vapeur : 0,14 - (Air = 1.0)
Densité relative : Aucune donnée disponible
Solubilité dans l'eau : 0,0015 g/l

Coefficient de partage : n-octanol/eau : aucune donnée disponible
Température d'auto-inflammation : Aucune donnée disponible
Température de décomposition : Aucune donnée disponible
Viscosité : Aucune donnée disponible
Propriétés explosives : Aucune donnée disponible
Propriétés comburantes : Aucune donnée disponible
Autres informations de sécurité :
Densité de vapeur relative : 0,14 - (Air = 1.0)

PREMIERS SECOURS de l'HÉLIUM :
-Description des premiers secours :
*Conseils généraux :
Consultez un médecin.
Montrer cette fiche de données de sécurité au médecin traitant.

*En cas d'inhalation :
En cas d'inhalation, transporter la personne à l'air frais.
Consultez un médecin.

*En cas de contact avec la peau :
Laver avec du savon et beaucoup d'eau.
Consultez un médecin.

*En cas de contact avec les yeux :
Rincer les yeux avec de l'eau par mesure de précaution.

*En cas d'ingestion:
Rincer la bouche avec de l'eau.
Consultez un médecin.

-Indication de toute attention médicale immédiate et traitement spécial nécessaire :
Pas de données disponibles

MESURES À PRENDRE EN CAS DE DISPERSION ACCIDENTELLE D'HÉLIUM :
-Précautions individuelles, équipement de protection et procédures d'urgence :
Assurer une ventilation adéquate.
Évacuer le personnel vers des zones sûres.

-Précautions environnementales:
Ne laissez par le produit entrer dans des canalisations.

-Méthodes et matériel de confinement et de nettoyage :
Nettoyez rapidement en balayant ou en aspirant.

MESURES DE LUTTE CONTRE L'INCENDIE de l'HÉLIUM :
-Moyens d'extinction:
* Moyens d'extinction appropriés :
Utiliser de l'eau pulvérisée, de la mousse résistant à l'alcool, de la poudre chimique sèche ou du dioxyde de carbone.

-Plus d'informations :
Utiliser de l'eau pulvérisée pour refroidir les contenants non ouverts.

CONTRÔLES D'EXPOSITION/PROTECTION PERSONNELLE de l'HÉLIUM :
-Paramètres de contrôle:
--Composants avec paramètres de contrôle du lieu de travail :
-Contrôles d'exposition:
--Contrôles techniques appropriés :
Manipuler conformément aux bonnes pratiques d'hygiène industrielle et aux consignes de sécurité.
Se laver les mains avant les pauses et à la fin de la journée de travail.

--Équipement de protection individuelle:
*Protection des yeux/du visage :
Utiliser un équipement de protection des yeux.

*Protection de la peau :
Manipuler avec des gants.
Se laver et se sécher les mains.

-Contrôle de l'exposition environnementale :
Ne laissez par le produit entrer dans des canalisations.

MANUTENTION et STOCKAGE de l'HÉLIUM :
-Conditions d'un stockage sûr, y compris d'éventuelles incompatibilités:
Conserver dans un endroit frais.
Conserver le récipient bien fermé dans un endroit sec et bien ventilé.
Contenu sous pression.

STABILITÉ et RÉACTIVITÉ de l'HÉLIUM :
-Réactivité:
Pas de données disponibles

-Stabilité chimique:
Stable dans les conditions de stockage recommandées.

-Possibilité de réactions dangereuses:
Pas de données disponibles

-Conditions à éviter :
Pas de données disponibles

-Produits de décomposition dangereux:
Autres produits de décomposition - Aucune donnée disponible

SYNONYMES :
Il
Hélium
Hélium atomique
Hélium-4
p-Hélium
O-Hélium
hélio
[Il]
hélium(0)
UNII-206GF3GB41
Hélium (USP)
Hélium [USP]
E939
CHEBI:30217
206GF3GB41
E-939
HSDB 553
UN1046
ONU1963
atome d'hélium
Hélium comprimé
Hélium comprimé [UN1046] [Gaz ininflammable]
N° SIN 939
Hélium, >=99.995%
Hélium, >=99,999 %
CHEMBL1796997
DTXSID7036402
CHEBI:33681
INS-939
DB09155
71086-78-7
Hélium, Messer(R) CANGas, 99,999 %
E-939
D04420
Hélium, liquide réfrigéré (liquide cryogénique)
Hélium comprimé [UN1046] [Gaz ininflammable]
Hélium, liquide réfrigéré (liquide cryogénique) [UN1963] [Gaz ininflammable]