Fiche de révision : L’hélium : propriétés et usages

📋 Plan du Cours

1. Découverte historique de l’hélium
2. Origine et présence terrestre
3. Production et purification industrielle
4. Propriétés fondamentales de l’hélium
5. Comparaison avec l’air
6. Applications médicales et techniques

📖 1. Découverte historique de l’hélium

★ À maîtriser

• Le 18 août 1868, Jules Janssen observe à Guntur, en Inde, une raie spectrale inhabituelle dans la lumière solaire pendant une éclipse totale et découvre ainsi un gaz inconnu ensuite nommé hélium.

• Jules Janssen et Joseph Norman Lockyer sont crédités de la découverte de l’hélium en 1868, et le nom « hélium » vient du grec hélios, qui signifie Soleil et renvoie au dieu grec du Soleil.

Compléments

• En 1861, l’astronome français Pierre Janssen observe pour la première fois la raie spectrale inhabituelle correspondant à l’hélium lors d’une observation solaire, sans en comprendre la signification.

💡 Astuce mémo

1861 : observation de la raie, 1868 : identification et nom hélium

📖 2. Origine et présence terrestre

★ À maîtriser

• L’hélium terrestre est produit par la désintégration radioactive de l’uranium et de nombreux autres éléments présents dans la croûte terrestre.

• L’hélium exploité provient essentiellement de poches de gaz naturel piégées par des roches imperméables, notamment au Texas, en Oklahoma, au Kansas et sur le flanc est des montagnes Rocheuses.

Compléments

• Une grande partie de l’hélium produit dans la croûte terrestre s’échappe vers l’atmosphère puis l’espace, car ses atomes très légers se déplacent facilement vers les hautes couches.

💡 Astuce mémo

Désintégration radioactive → hélium piégé dans des poches de gaz

📖 3. Production et purification industrielle

★ À maîtriser

• La plupart de l’hélium commercial est extrait de gisements de gaz naturel souterrains, principalement en Russie, en Algérie et aux États-Unis.

• 🔄 La récupération industrielle suit plusieurs étapes:

  1. Refroidir le gaz naturel
  2. Liquéfier les autres gaz présents
  3. Séparer le méthane et le dioxyde de carbone par distillation
  4. Extraire l’hélium par des séparations supplémentaires

Compléments

• La production d’hélium par réactions nucléaires artificielles est possible, mais elle est très coûteuse et n’est pas utilisée pour la production commerciale.

💡 Astuce mémo

Extraire → refroidir → liquéfier les autres gaz → distiller → séparer l’hélium

📖 4. Propriétés fondamentales de l’hélium

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélium : Gaz noble ou gaz rare, c’est-à-dire un gaz peu réactif ou inerte, incolore, inodore et non toxique.

★ À maîtriser

• L’hélium est l’élément le plus abondant de l’Univers après l’hydrogène.

• Grâce à sa faible densité, l’hélium est plus léger que l’air et environ 1 m³ d’hélium permet de soulever 1 kg, selon la pression atmosphérique et d’autres facteurs.

Compléments

• L’hélium est incombustible et ignifuge, ne devient pas radioactif en cas d’irradiation et ne joue aucun rôle biologique, même s’il existe à l’état de traces dans le sang humain.

• L’hélium possède le point d’ébullition le plus bas de tous les éléments et reste liquide jusqu’au zéro absolu, soit −273,15 °C.

💡 Astuce mémo

Gaz léger, inerte et incombustible, contrairement à un gaz réactif et inflammable

📖 5. Comparaison avec l’air

★ À maîtriser

• À 25 °C et 1 atm, la densité de l’hélium est de 0,1785 g/L, tandis que celle de l’air est d’environ 1,2 g/L, soit plus de six fois supérieure.

• L’air est principalement composé de 78 % de diazote et de 21 % de dioxygène, alors que l’hélium est un élément unique et chimiquement peu réactif.

Compléments

• L’hélium est six fois plus léger que l’air, cinquante fois plus compressible que l’eau, se diffuse à travers les solides trois fois plus rapidement que l’air et possède une conductivité thermique cinq fois plus élevée que celle de l’air.

💡 Astuce mémo

Hélium : 0,1785 g/L ; air : 1,2 g/L à 25 °C et 1 atm

📖 6. Applications médicales et techniques

★ À maîtriser

📌 Dans les obstructions des voies respiratoires supérieures ou inférieures, l’hélium est administré avec un mélange contenant au minimum 20 % de dioxygène afin que sa faible viscosité diminue le travail respiratoire.

• L’hélium liquide refroidit les aimants supraconducteurs utilisés notamment dans les IRM et le LHC, et l’hélium à basse température est utilisé en cryogénie.

Compléments

• L’hélium sert de fluide de transfert dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz et permet de pré-refroidir l’hydrogène liquide des véhicules spatiaux.

• L’hélium fournit une atmosphère protectrice pour fabriquer des circuits électroniques, des fibres optiques et certains métaux, et il permet de contrôler l’étanchéité des réservoirs et des emballages alimentaires.

• Les autres usages cités sont: la datation de roches et de minéraux, la plongée profonde avec les mélanges trimix, héliar ou hélior, les lasers hélium-néon des lecteurs de codes-barres, les ballons-sondes météorologiques, la publicité gonflable, la photographie aérienne par ballon captif

📊 Tableaux de synthèse

Hélium et air