Hélium : Propriétés et utilisations de l'élément
Description de l'hélium
L'hélium est un gaz rare qui joue un rôle essentiel dans diverses applications scientifiques et industrielles. Cet article de blog traite de ses propriétés, de ses utilisations courantes et de ses méthodes de préparation.
Présentation de l'élément
L'hélium est un gaz monatomique incolore, inodore, insipide, non toxique et inerte qui se trouve à la tête du groupe des gaz rares dans le tableau périodique. C'est le deuxième élément le plus léger de l'univers, après l'hydrogène, et on le trouve principalement dans les étoiles, dont notre soleil. L'hélium est largement utilisé dans divers domaines en raison de ses propriétés uniques, notamment ses faibles points d'ébullition et de fusion, qui le rendent idéal pour les applications cryogéniques et de haute technologie.
Description des propriétés chimiques
L'hélium est chimiquement inerte en raison de sa couche externe d'électrons complète, ce qui le rend extrêmement stable. En tant que gaz noble, il ne forme pas facilement de composés avec d'autres éléments dans des conditions normales. Son absence de réactivité le rend très précieux dans les applications où la stabilité chimique est cruciale. L'hélium ne réagit pas avec l'oxygène, l'azote ou d'autres gaz à température ambiante et reste ininflammable même en présence de chaleur ou de feu.
L'hélium est également incolore et inodore, ce qui ajoute à sa sécurité et à son utilité dans diverses applications industrielles et scientifiques. Bien qu'il soit le plus souvent chimiquement inerte, il peut former des composés avec des éléments tels que le sodium, le potassium et le lithium dans des conditions de laboratoire contrôlées, à des pressions et des températures élevées.
Propriétés physiques
L'hélium possède plusieurs propriétés physiques remarquables qui le rendent utile dans divers domaines. Le tableau ci-dessous résume les propriétés physiques de l'hélium :
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Propriété |
Valeur |
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Nombre atomique |
2 |
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Poids atomique |
4.002602 u |
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Point d'ébullition |
-268.93°C |
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Point de fusion |
-272.2°C |
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Densité |
0,1786 g/L (à 0°C et 1 atm) |
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Couleur |
Incolore |
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Odeur |
Inodore |
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Symbole chimique |
He |
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Point d'ébullition (à 1 atm) |
4.22 K |
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Capacité thermique spécifique |
5,19 J/mol-K |
Les faibles points d'ébullition et de fusion de l'hélium en font le seul élément qui reste liquide à des températures proches du zéro absolu, ce qui lui confère des applications uniques dans les domaines de la cryogénie et de la surfusion. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).
Utilisations courantes
L'hélium a un large éventail d'utilisations dans diverses industries, des applications médicales aux technologies aérospatiales. Voici quelques-unes des utilisations les plus courantes :
- Cryogénie: l'hélium est essentiel pour refroidir les aimants supraconducteurs utilisés dans les appareils d'IRM et les accélérateurs de particules. Son faible point d'ébullition lui permet d'atteindre des températures extrêmement basses.
- Ballons et dirigeables: L'hélium est utilisé pour remplir les ballons et les dirigeables parce qu'il est plus léger que l'air et ininflammable, contrairement à l'hydrogène qui est hautement inflammable.
- Mélanges respiratoires: En plongée sous-marine, l'hélium est utilisé dans les mélanges gazeux (comme le Trimix) pour éviter la narcose à l'azote à haute pression.
- Détection des fuites: L'hélium est utilisé pour détecter les fuites dans les systèmes à vide poussé, en raison de sa petite taille atomique et de son faible poids moléculaire.
- Soudage: l'hélium sert de gaz protecteur dans le soudage à l'arc, car il empêche l'oxydation des matériaux, ce qui garantit des soudures de haute qualité.
Méthodes de préparation
L'hélium est principalement extrait des gisements de gaz naturel où il s'accumule en petites quantités. Le processus d'extraction comprend généralement les étapes suivantes
- Distillation cryogénique: Dans cette méthode, le gaz naturel est refroidi à très basse température, ce qui permet à l'hélium de se séparer des autres gaz.
- Adsorption par variation de pression: Cette méthode utilise des matériaux adsorbants pour séparer l'hélium des autres composants du gaz naturel.
L'hélium peut également être obtenu comme sous-produit lors du raffinage du minerai d'uranium ou de la désintégration radioactive d'éléments plus lourds comme le thorium et l'uranium, qui émettent de l'hélium dans le cadre de leur processus de désintégration.
Produits industriels connexes
Plusieurs produits dépendent de l'hélium ou sont produits en utilisant l'hélium dans leur processus de fabrication. Il s'agit notamment des produits suivants
- Les congélateurs cryogéniques: Utilisés dans des applications médicales et scientifiques, ces systèmes dépendent de l'hélium pour le refroidissement.
- Les aimants supraconducteurs: Utilisés dans les appareils IRM et d'autres équipements de haute technologie, ces aimants nécessitent de l'hélium liquide pour maintenir de basses températures.
- Lasers à hélium-néon: Ces lasers, couramment utilisés dans la recherche scientifique et les lecteurs de codes-barres, dépendent de l'hélium pour leur fonctionnement.
- Fabrication de semi-conducteurs: L'hélium est utilisé dans la production de semi-conducteurs, en particulier pour les processus qui nécessitent des températures très basses ou des atmosphères contrôlées.
Questions fréquemment posées
Pourquoi utilise-t-on de l'hélium plutôt que de l'hydrogène dans les ballons ?
L'hélium est ininflammable, alors que l'hydrogène est hautement inflammable et présente un risque important pour la sécurité, en particulier dans les situations où une explosion pourrait se produire.
Peut-on fabriquer de l'hélium sur Terre ?
L'hélium est généralement extrait des réserves de gaz naturel, mais il peut également être produit par des réactions nucléaires, telles que la désintégration d'éléments radioactifs.
L'hélium est-il nocif pour l'homme ?
L'hélium n'est pas toxique et est généralement considéré comme sûr. Toutefois, l'inhalation de grandes quantités d'hélium peut déplacer l'oxygène dans les poumons et entraîner la suffocation.
Pourquoi l'hélium est-il si cher ?
L'hélium est relativement rare et coûteux à extraire, nécessitant des équipements spécialisés pour sa séparation et sa purification du gaz naturel.
Comment l'hélium est-il utilisé en médecine ?
L'hélium est utilisé en cryogénie pour refroidir les aimants supraconducteurs des appareils d'IRM et entre également dans la composition des mélanges de gaz respiratoires pour les patients souffrant de problèmes respiratoires.
