Hélium

Hélium
2 Il
- ↑ Il ↓ Ne Tableau périodique l'hydrogène ← → hélium lithium
Apparence
gaz incolore, présentant une lueur rouge-orange lorsqu'il est placé dans un champ électrique à haute tension Raies spectrales de l'hélium
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	hélium, Il, 2
Prononciation	/ h Je l Je ə m / -Əm de HEE
Catégorie Metallic	gaz nobles
Groupe, période, bloc	18 (gaz rares) , 1, s
Poids atomique standard	4.002602 (2)
Configuration électronique	1s 2 2
Histoire
Découverte	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
Premier isolement	William Ramsay, Par Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Propriétés physiques
Phase	gaz
Densité	(0 ° C, 101,325 kPa) 0,1786 g / L
Liquid densité au mp	0,145 g · cm -3
Liquid densité à BP	0,125 g · cm -3
Point de fusion	(À 2,5 MPa) 0,95 K , -272,20 ° C, -457,96 ° F
Point d'ébullition	4,22 K, -268,93 ° C, -452,07 ° F
Point critique	5,19 K, 0,227 MPa
La chaleur de fusion	0,0138 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	0,0829 kJ · mol -1
Capacité thermique molaire	5 R / 2 = 20,786 J · mol -1 · K -1
Pression de vapeur (défini par ITS-90)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k à T (K) 1,23 1,67 2,48 4,21
Propriétés atomiques
États d'oxydation	0
Électronégativité	aucune donnée (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1er: 2372,3 kJ · mol -1
	2ème: 5250,5 kJ · mol -1
Rayon covalente	28 h
Rayon de Van der Waals	140 h
Miscellanées
Crystal structure	hexagonale compacte
Ordre magnétique	diamagnétique
Conductivité thermique	0,1513 W · m -1 · K -1
Vitesse du son	972 m · s -1
Numéro de registre CAS	7440-59-7
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de l'hélium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 3 Il 0.000137% * 3 Il est stable avec une neutrons 4 Il 99.999863% * 4 Il est stable avec deux neutrons * Valeur atmosphérique, l'abondance peut différer ailleurs.

Hélium (He) est un gaz incolore, inodore, insipide, non-toxique, inerte monoatomique élément chimique qui dirige le gaz noble série dans le tableau périodique et dont le numéro atomique est 2. Ses ébullition et de fusion des points sont les plus bas parmi les éléments et il ne existe que comme un gaz , sauf dans des conditions extrêmes. Les conditions extrêmes sont également nécessaires pour créer la petite poignée de hélium composés , qui sont tous instables à température et pression normales. Dans sa forme la plus commune, hélium-4, il a deux neutrons dans son noyau, tandis qu'une seconde, plus rares, isotopes stables appelée hélium-3 contient juste un neutron. Le comportement de l'hélium liquide-4 deux phases fluides de l'hélium I et II de l'hélium, est important pour les chercheurs qui étudient la mécanique quantique (en particulier le phénomène de superfluidité) et à ceux qui recherchent les effets que les températures proches du zéro absolu ont sur la matière (comme la supraconductivité ).

En 1868, l'astronome français Pierre Janssen détecté pour la première hélium comme un inconnu jaune raie spectrale signature à la lumière d'une éclipse solaire . Depuis de grandes réserves d'hélium ont été trouvés dans le champs de gaz naturel de la Etats-Unis , qui est de loin le plus grand fournisseur du gaz. Il est utilisé dans cryogénie, dans les systèmes de respiration profonde-mer, pour refroidir aimants supraconducteurs, dans hélium datant, pour gonfler ballons, pour fournir ascenseur dans dirigeables et comme gaz de protection pour de nombreux usages industriels (tels que soudage à l'arc et en croissance silicium plaquettes). Une utilisation beaucoup moins grave est de changer temporairement le timbre et la qualité de la voix de l'un par l'inhalation d'un petit volume de du gaz (voir la section précautions ci-dessous).

L'hélium est le deuxième plus élément abondant et le second plus léger dans l'univers connu, et est l'un des éléments qui auraient été créés dans le Big Bang . Dans l'univers moderne presque tous les nouveaux hélium est créé à la suite de la la fusion nucléaire de l'hydrogène dans étoiles . Sur la Terre de l'hélium est rare, et presque tous de ce qui existe a été créé par le la désintégration radioactive des éléments beaucoup plus lourds ( particules alpha sont des noyaux d'hélium). Après sa création, une partie a été piégé avec du gaz naturel dans des concentrations allant jusqu'à 7% en volume, d'où il est extrait commercialement par distillation fractionnée. D'importantes réserves d'hélium ont été trouvés dans le champs de gaz naturel des États-Unis (le plus grand fournisseur), mais l'hélium est connu dans les réserves de gaz de quelques autres pays.

Caractéristiques notables

Gaz et de plasma phases

L'hélium est l'élément le moins réactif des gaz rares éléments, et donc aussi la moins réactive de tous les éléments; il est inerte et monoatomique dans pratiquement toutes les conditions. En raison molaire relativement faible de l'hélium (moléculaire) de masse, en phase gazeuse, il a un conductivité thermique, chaleur spécifique, et la vitesse de conduction qui sont toutes supérieures à ne importe quel gaz, sauf paraître hydrogène . Pour des raisons similaires, et aussi en raison de la petite taille de ses molécules, l'hélium de taux de diffusion à travers les solides est trois fois celle de l'air et autour de 65% celle de l'hydrogène.

L'hélium est moins d'eau soluble que tout autre gaz connu, et l'hélium de indice de réfraction est plus proche de l'unité que celle de tout autre gaz. Hélium a un effet négatif Coefficient de Joule-Thomson à des températures ambiantes normales, ce qui signifie qu'il se échauffe quand on les laisse se dilater librement. Seulement en dessous de son Joule-Thomson température d'inversion (de l'ordre de 40 K à 1 atmosphère) ne refroidir lors de l'expansion libre. Une fois pré-refroidi en dessous de cette température, l'hélium peut être liquéfié par refroidissement d'expansion.

Tube à décharge en forme d'hélium symbole atomique de l'élément

Tout au long de l'univers, l'hélium se trouve surtout dans un plasma Etat dont les propriétés sont très différentes de l'hélium atomique. Dans un plasma, les électrons et les protons de l'hélium ne sont pas liées ensemble, ce qui entraîne une conductivité électrique très élevée, même quand le gaz ne est que partiellement ionisé. Les particules chargées sont fortement influencés par les champs magnétiques et électriques. Par exemple, dans le vent solaire avec de l'hydrogène ionisé, ils interagir avec celle de la Terre magnétosphère donnant lieu à Courants de Birkeland et la aurora.

Les phases solides et liquides

Helium solidifie seulement sous une grande pression. Le résultant incolore, presque invisible solide est très compressible; application d'une pression dans un laboratoire peut diminuer son volume par plus de 30%. Avec un module de compression de l'ordre de 5 x 10 ⁷ Pa il est 50 fois plus compressible que l'eau. Contrairement à tout autre élément, l'hélium ne parviendra pas à se solidifier et rester liquide jusqu'à zéro absolu à des pressions normales. Ce est un effet direct de la mécanique quantique: spécifiquement, le énergie du point zéro du système est trop élevée pour permettre la congélation. Hélium solide exige une température de 1 à 1,5 K (environ -272 ° C ou -457 ° F) et environ 25 bars (2,5 MPa) de pression. Il est souvent difficile de distinguer solide à partir de l'hélium liquide depuis le indice de réfraction des deux phases sont à peu près les mêmes. Le solide a une forte point de fusion et a un cristallin structure.

Hélium solide a une densité de 0,214 ± 0,006 g / ml (1,15 K, 66 atm) avec une compressibilité isotherme moyenne du solide à 1,15 K entre le solidus et 66 atm de 0,0031 ± 0,0008 / atm. En outre, aucune différence de densité a été noté des projets entre 1,8 K et 1,5 K. Cette données que T = 0 hélium solide de moins de 25 bars de pression (le minimum requis pour geler l'hélium) a une densité de 0,187 ± 0,009 g / ml.

Etat hélium I

Dessous de son point d'ébullition de 4,22 kelvin et au-dessus du point de 2,1768 kelvin lambda, l' isotope de l'hélium-4 existe dans une normale incolore liquide Etat, appelé l'hélium I. Comme les autres liquides cryogéniques, l'hélium I furoncles lorsqu'il est chauffé. Il se contracte également lorsque sa température est abaissée jusqu'à ce qu'elle atteigne la Point lambda, quand il se arrête ébullition et soudain se développe. Le taux d'expansion diminue au-dessous du point de lambda jusqu'à environ 1 K soit atteinte; à laquelle l'expansion du point se arrête complètement et d'hélium, je commence à contracter à nouveau.

Hélium I a un gaz comme indice de réfraction de 1,026 ce qui rend sa surface si difficile de voir qui flotte de styromousse sont souvent utilisés pour montrer où la surface est. Ce liquide incolore a une très faible viscosité et une densité d'un huitième celle de l'eau, qui est seulement un quart de la valeur attendue de la physique classique. Mécanique quantique est nécessaire pour expliquer cette propriété et donc deux types d'hélium liquide sont appelés fluides quantiques, ce qui signifie qu'ils présentent des propriétés atomiques sur une échelle macroscopique. Ce est probablement en raison de son point d'ébullition étant si proche du zéro absolu, ce qui empêche le mouvement moléculaire aléatoire ( de chaleur ) à partir de masquer les propriétés atomiques.

Helium état II

Hélium liquide en dessous de son point de lambda commence à présenter des caractéristiques très inhabituelles, dans un état appelé l'hélium II. D'ébullition de l'hélium II ne est pas possible en raison de sa haute conductivité thermique; apport de chaleur provoque place évaporation du liquide directement au gaz. L'isotope hélium-3 a également un la phase superfluide, mais seulement à des températures beaucoup plus basses; par conséquent, on en sait moins sur de telles propriétés dans l'isotope de l'hélium-3.

Hélium II se glissera le long des surfaces afin de trouver son propre niveau; après un court moment, les niveaux dans les deux conteneurs seront égaliser. Le Film Rollin couvre également l'intérieur du récipient plus grand; si elle ne était pas scellé, l'hélium II se glissait sortir et échapper.

L'hélium II est un superfluide, un état de la matière avec des propriétés étranges de la mécanique quantique. Par exemple, quand il se écoule à travers les capillaires de la même 10 ^-7 à 10 ^-8 m de largeur, il ne est pas mesurable viscosité. Cependant, lorsque les mesures ont été réalisées entre deux disques mobiles, une viscosité comparable à celle de l'hélium gazeux a été observé. La théorie actuelle explique cela en utilisant le modèle à deux fluides pour l'hélium II. Dans ce modèle, l'hélium liquide inférieure au point de lambda est considérée comme contenant une proportion d'atomes d'hélium dans un état fondamental, qui sont superfluide et de débit avec une viscosité exactement zéro, et une proportion d'atomes d'hélium dans un état excité, qui se comportent plus comme un fluide ordinaire.

Hélium II présente également un effet rampante. Quand une surface se étend au-delà du niveau de l'hélium II, de l'hélium II se déplace le long de la surface, apparemment encontre de la force de gravité . Hélium II se échapper d'un navire qui ne est pas scellé en rampant le long des côtés jusqu'à ce qu'il atteigne une région chaude où elle se évapore. Il se déplace dans un 30 film-nm d'épaisseur quel matériau de surface. Ce film est appelé Rollin cinéma et est nommé d'après l'homme qui le premier caractérise ce trait, Bernard V. Rollin. En raison de ce comportement rampante et la capacité de fuite à l'hélium II rapidement à travers de minuscules ouvertures, il est très difficile de limiter l'hélium liquide. À moins que le récipient est réalisé avec soin, l'hélium II se glissera le long des surfaces et à travers les soupapes jusqu'à ce qu'il atteigne un endroit plus chaud, où elle se évapore. Ondes se propageant à travers un film Rollin sont régis par la même équation que 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 connus comme troisième bruit.

En effet fontaine, une chambre qui est construit est connecté à un réservoir d'hélium par une II disque fritté à travers lequel les fuites d'hélium superfluide facilement, mais à travers lequel l'hélium superfluide non ne peuvent pas passer. Si l'intérieur du récipient est chauffé, les hélium superfluide changements à l'hélium superfluide non. Afin de maintenir l'équilibre de la fraction d'hélium superfluide, les fuites d'hélium superfluide à travers et augmente la pression, ce qui provoque liquide de fontaine hors du récipient.

La conductivité thermique de l'hélium II est plus grand que celui de toute autre substance connue, un million de fois celle de l'hélium I et plusieurs centaines de fois celle du cuivre . Ce est parce que la conduction de chaleur se produit par un mécanisme de mécanique quantique exceptionnel. La plupart des matériaux qui conduisent bien la chaleur ont une bande de valence électrons libres qui servent à transférer la chaleur. Hélium II n'a pas une telle bande de valence, mais effectue néanmoins bien la chaleur. Le flux de chaleur est régie par les équations qui sont similaires à la équation d'onde utilisée pour caractériser la propagation du son dans l'air. Alors, quand la chaleur est introduit, il se déplacera à 20 mètres par seconde à 1,8 K par l'hélium II sous forme d'ondes dans un phénomène appelé deuxième son.

Applications

En raison de sa faible densité et incombustibility, l'hélium est le gaz de choix pour remplir dirigeables comme le Goodyear dirigeable, par opposition à l'hydrogène

L'hélium est utilisé à de nombreuses fins qui nécessitent certaines de ses propriétés uniques, comme son faible point d'ébullition , à faible densité , à faible solubilité , haute conductivité thermique, ou inertie. L'hélium est disponible dans le commerce soit sous forme liquide ou gazeuse. En tant que liquide, il peut être fourni dans de petits récipients appelés dewars qui contiennent jusqu'à 1000 litres d'hélium, ou dans de grands conteneurs ISO qui ont des capacités nominales aussi grand que 11.000 gallons (41 637 litres). Sous forme gazeuse, de petites quantités d'hélium sont fournis dans des bouteilles à haute pression pouvant accueillir jusqu'à 300 pieds cubes standard, tandis que de grandes quantités de gaz à haute pression sont fournis dans des remorques de tubes qui ont des capacités allant jusqu'à 180 000 pieds cubes standard.

• Parce qu'il est plus léger que l'air, dirigeables et ballons sont gonflés à l'hélium pour l'ascenseur. Dans dirigeables, l'hélium est préférable à l'hydrogène, car il ne est pas inflammable et 92,64% de la flottabilité (ou puissance de levage) de l'alternative de l'hydrogène (voir calcul.)

• Pour sa faible solubilité dans l'eau, la majeure partie de l'homme de sang , des mélanges d'hélium avec l'oxygène et l'azote ( trimix), d'oxygène exclusivement ( héliox), avec de l'air commune ( Heliair), et avec de l'hydrogène et de l'oxygène ( hydréliox), sont utilisés dans les systèmes de respiration profonde à réduire le risque de haute pression de narcose à l'azote.

• A des températures extrêmement basses, de l'hélium liquide est utilisé pour refroidir certains métaux pour produire supraconductivité , comme dans aimants supraconducteurs utilisés dans imagerie par résonance magnétique. L'hélium à basse température est également utilisé dans cryogénie.

• Pour son inertie et de haute conductivité thermique, neutrons transparence, et parce qu'il ne se forme pas d'isotopes radioactifs dans des conditions de réacteur, de l'hélium est utilisé comme fluide de refroidissement dans certaines les réacteurs nucléaires, tels que réacteurs à lit de boulets.

• L'hélium est utilisé en tant que gaz de protection dans procédés de soudage à l'arc sur des matériaux qui sont contaminés facilement par voie aérienne. Il est particulièrement utile dans soudage au plafond, car il est plus léger que l'air et flotte ainsi, alors que d'autres gaz de protection se enfoncent.

• Parce qu'il est inerte, de l'hélium est utilisé comme gaz de protection dans la croissance de silicium et germanium de cristaux, en titane et zirconium production, Chromatographie en phase gazeuse, et comme atmosphère pour protéger les documents historiques. Cette propriété rend également utile dans supersonique souffleries.

• En fusées, l'hélium est utilisé comme un support creux de déplacer carburant et les oxydants dans des réservoirs de stockage et de condenser l'hydrogène et de l'oxygène pour faire carburant de fusée. Il est également utilisé pour purger le carburant et le comburant de l'équipement de soutien au sol avant le lancement et pré-cool hydrogène liquide dans véhicules spatiaux. Par exemple, la Saturn V utilisé dans le servomoteur Programme Apollo besoin d'environ 13 millions de pieds cubes (370 000 m³) d'hélium à lancer.

• Le gagner moyen de la laser hélium-néon est un mélange d'hélium et le néon .

• Parce que ça diffuse à travers les solides à une vitesse trois fois celle de l'air, de l'hélium est utilisé comme gaz traceur pour détecter les fuites dans l'équipement à vide poussé et des conteneurs à haute pression, ainsi que dans d'autres applications avec des exigences moins strictes, tels que des échangeurs de chaleur, vannes, panneaux de gaz, etc.

• En raison de sa très faible indice de réfraction, l'utilisation d'hélium permet de réduire les effets de distorsion des variations de température dans l'espace entre lentilles dans certains télescopes .

• L'âge des roches et des minéraux qui contiennent de l'uranium et du thorium , éléments radioactifs qui émettent des noyaux d'hélium appelés les particules alpha, peuvent être découverts par la mesure du niveau de l'hélium avec un processus connu sous le nom hélium datation.

• La conductivité thermique élevée et une vitesse du son de l'hélium est également souhaitable réfrigération thermoacoustique. L'inertie de l'hélium ajoute à l'avantage environnemental de cette technologie par rapport aux systèmes de réfrigération classiques qui peuvent contribuer à la couche d'ozone et les effets du réchauffement climatique.

• Parce que l'hélium seul est moins dense que l'air atmosphérique, il va changer la timbre (non hauteur) de la voix d'une personne en cas d'inhalation. Cependant, son inhalation d'une source commerciale typique, telle que celle utilisée pour remplir des ballons, peut être dangereux en raison du risque de asphyxie par manque d'oxygène, et le nombre de contaminants qui peuvent être présents. Celles-ci pourraient inclure des traces d'autres gaz, en plus de l'huile de lubrification sous forme d'aérosol.

Histoire

Les découvertes scientifiques

La preuve de l'hélium a été détecté sur 18 août 1868 comme une ligne jaune vif avec un longueur d'onde de 587,49 nm de la spectre de la chromosphère du Soleil , par l'astronome français Pierre Janssen lors d'une totale éclipse solaire dans Guntur, Inde . Cette ligne a été initialement supposé être sodium . Le 20 Octobre de la même année, l'astronome anglais Norman Lockyer a observé une ligne jaune dans le spectre solaire, qu'il nomma la D ₃ ligne, car il était près des connus D ₁ et D ₂ lignes de sodium, et a conclu qu'il a été causé par un élément dans l'inconnu Soleil sur Terre. Lui et chimiste anglais Edward Frankland nommé l'élément avec le mot grec pour le Sun, ἥλιος (Helios)

Sur 26 Mars 1895 du chimiste britannique William Ramsay isolé hélium sur Terre en traitant le minerai cleveite avec minéraux acides . Ramsay cherchait argon mais, après séparation de l'azote et de l'oxygène à partir du gaz libéré par l'acide sulfurique , remarqué une ligne jaune vif qui correspondent à la ligne D ₃ observé dans le spectre du Soleil Ces échantillons ont été identifiés comme l'hélium par Lockyer et physicien britannique William Crookes. Il a été isolé indépendamment de cleveite la même année par les chimistes Par Teodor Cleve et Abraham dans Langlet Uppsala, en Suède, qui a recueilli suffisamment de gaz pour déterminer avec précision son poids atomique. Helium a également été isolé par le géochimiste américain William Hillebrand avant la découverte de Ramsay quand il a remarqué raies spectrales inhabituelles tout en testant un échantillon de la matière minérale uraninite. 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 dans la science.

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds démontré que particules alpha sont hélium noyaux , en leur permettant de pénétrer le mur de verre mince d'un tube sous vide, puis la création d'une décharge dans le tube pour étudier les spectres de la nouvelle gaz à l'intérieur. En 1908, l'hélium a été liquéfié par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes par refroidissement du gaz à moins d'un kelvin . Il a essayé de le solidifier en réduisant davantage la température mais a échoué parce que l'hélium ne est pas un triple température du point où les solides, liquides, et des phases de gaz sont à l'équilibre. Il a été solidifié en 1926 par son élève Hendrik Willem Keesom en soumettant hélium à 25 atmosphères de pression.

En 1938, le physicien russe Pyotr Leonidovitch Kapitsa découvert que hélium-4 (un boson) n'a presque pas viscosité à des températures proches du zéro absolu , un phénomène appelle maintenant superfluidité. Ce phénomène est lié à Condensation de Bose-Einstein. En 1972, le même phénomène a été observé dans hélium-3, mais à des températures beaucoup plus proche de zéro absolu , par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, M. David Lee, et Robert C. Richardson. Le phénomène à l'hélium-3 est considérée comme étant liée à la liaison de l'hélium-3 fermions à faire bosons, par analogie avec Paires de Cooper d'électrons produisant la supraconductivité .

Extraction et utilisations

Après une opération de forage pétrolier en 1903 Dexter, Kansas, États-Unis produit un geyser de gaz qui ne brûle pas, Kansas Etat géologue Erasmus Haworth a prélevé des échantillons du gaz se échapper et les a ramenés à l'Université du Kansas à Lawrence, où, avec l'aide de chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il a découvert que le gaz contient, en volume, 72% d'azote, 15% de méthane-insuffisante pour rendre le gaz combustible, 1% d'hydrogène et 12% d'un gaz non identifiable. Avec une analyse plus approfondie, Cady et McFarland découvert que 1,84% de l'échantillon de gaz est de l'hélium. Loin d'être un élément rare, l'hélium était présent en grandes quantités dans les Grandes Plaines américaines, disponibles pour l'extraction du gaz naturel.

Cela a mis du États-Unis dans une excellente position pour devenir le premier fournisseur mondial d'hélium. Suite à une suggestion de Sir Richard Threlfall, le United States Navy a parrainé trois petites usines de production d'hélium expérimentales pendant la Première Guerre mondiale . L'objectif était de fournir ballons de barrage avec le gaz de levage non-inflammable. Un total de 200 000 pieds cubes (5700 m³) de 92% d'hélium a été produit dans le programme même si seulement quelques pieds cubes (moins de 100 litres) de gaz avaient déjà été obtenus. Certains de ce gaz a été utilisé dans la première hélium du monde dirigeable , le C-7 de l'US Navy, qui a volé son voyage inaugural de Hampton Roads, Virginie Bolling Field à Washington, DC sur 1 Décembre 1921 .

Bien que le processus d'extraction, en utilisant la liquéfaction du gaz à basse température, n'a pas été développé dans le temps comme importantes durant la Première Guerre mondiale, la production a continué. Hélium a été principalement utilisé comme gaz de levage plus légers que l'air métier. Cette utilisation accrue de la demande pendant la Seconde Guerre mondiale, ainsi que les demandes pour les blindé arc de soudage . Helium est également indispensable dans la bombe atomique Projet Manhattan.

Le le gouvernement des États-Unis a créé le Réserve nationale de l'hélium en 1925 à Amarillo, Texas avec l'objectif de fournir des militaires dirigeables en temps de guerre et en temps de paix dirigeables commerciaux. En raison d'un embargo militaire américaine contre l'Allemagne qui limitait hélium fournitures, les Hindenburg a été forcé d'utiliser l'hydrogène comme gaz de levage. l'utilisation de l'hélium qui suit la Seconde Guerre mondiale était déprimé, mais la réserve a été élargi dans les années 1950 pour assurer un approvisionnement de l'hélium liquide comme fluide de refroidissement pour créer l'oxygène / hydrogène carburant de fusée (parmi d'autres utilisations) pendant la course de l'espace et de la guerre froide . l'utilisation de l'hélium aux États-Unis en 1965 était plus de huit fois la consommation de pointe en temps de guerre.

Après les «actes hélium amendements de 1960" (Public Law 86-777), le US Bureau of Mines arrangé pour cinq usines privées de récupérer l'hélium du gaz naturel. Pour ce programme de conservation de l'hélium, le Bureau a construit un 425-mile (684 km) de pipeline Bushton, Kansas pour connecter ces végétaux, avec partiellement épuisé le champ de gaz Cliffside du gouvernement, près de Amarillo, Texas. Ce mélange d'hélium et d'azote a été injecté et stocké dans le champ de gaz Cliffside jusqu'à ce que nécessaire, quand il était alors encore purifiée.

En 1995, un milliard de mètres cubes de gaz avaient été collectées et la réserve était de US $ 1,4 milliards de la dette, ce qui incite le Congrès des États-Unis en 1996 pour éliminer la réserve. La "Loi Helium Privatisation de 1996" résultant (Public Law 104-273) a dirigé le Département de l'Intérieur des États-Unis pour commencer liquider la réserve d'ici à 2005.

Hélium produit avant 1945 était d'environ 98% (2% d'azote ), qui était convenable pour les dirigeables. En 1945, une petite quantité de 99,9% d'hélium a été produit pour le soudage de l'utilisation. En 1949 des quantités commerciales de Grade A l'hélium 99,995% étaient disponibles.

Pendant de nombreuses années aux Etats-Unis ont produit plus de 90% d'hélium commercialement utilisable dans le monde. usines d'extraction créés dans le Canada , la Pologne , la Russie et d'autres nations de l'hélium produit restant. Au milieu des années 1990, une nouvelle usine à Arzew, en Algérie 600mmcf production est entrée en service, avec une production suffisante pour couvrir l'ensemble de la demande de l'Europe. Par la suite, en 2004-2006 deux autres usines, une à Ras Laffen, le Qatar et l'autre à Skikda, en Algérie ont été construits, mais au début de 2007, Ras Laffen fonctionne à 50%, et de Skikda n'a pas encore de démarrer. Algérie est rapidement devenu le deuxième producteur d'hélium. Grâce à cette époque, à la fois la consommation d'hélium et les coûts de production de l'hélium ont augmenté et en 2007 les principaux fournisseurs, Air Liquide, Praxair Airgas et tous ont augmenté les prix de 10 à 30%.

Présence et la production

Abondance naturelle

L'hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l'Univers connu après l'hydrogène et constitue 23% de l'élémentaire de masse de l'univers. Elle est concentrée dans les étoiles, où elle est formée à partir de l'hydrogène par la la fusion nucléaire du proton-proton réaction en chaîne et Cycle CNO. Selon le Big Bang modèle du développement précoce de l'univers, la grande majorité de l'hélium a été formé au cours de Big Bang nucléosynthèse, de une à trois minutes après le Big Bang. En tant que tel, les mesures de son abondance contribuent aux modèles cosmologiques.

Dans l' atmosphère de la Terre , la concentration d'hélium en volume est à seulement 5,2 parties par million. La concentration est faible et relativement constante malgré la production continue de la nouvelle hélium parce que la plupart d'hélium dans l'atmosphère de la Terre échappe dans l'espace par plusieurs processus. Dans de la Terre de hétérosphère , une partie de la haute atmosphère, l'hélium et d'autres gaz plus légers sont les éléments les plus abondants.

Presque tous hélium sur Terre est le résultat de désintégration radioactive. Le produit de désintégration se trouve principalement dans les minéraux de l'uranium et du thorium , y compris cleveites, pechblende, carnotite et monazite, parce qu'ils émettent les particules alpha, qui consistent en des noyaux d'hélium (He ²⁺⁾ à laquelle les électrons se combinent facilement. De cette façon, on estime que 3,4 litres d'hélium par an sont générés par kilomètre cube de la croûte de la Terre. Dans la croûte de la Terre, la concentration d'hélium est huit parties par milliard. Dans l'eau de mer, la concentration est à seulement 4 parties par billion. Il ya aussi de petites quantités de minéraux ressorts, volcanique gaz, et de fer météorique. Les plus grandes concentrations de la planète sont en gaz naturel , dont la plupart hélium commerciale est dérivé.

L'approvisionnement en hélium du monde peut être en danger, selon Université Washington à St. Louis chimiste Lee Sobotka. La réserve est plus grand au Texas et irait dans huit ans si consommé au rythme actuel. L'hélium est non renouvelable et irremplaçable par des méthodes conventionnelles.

Extraction moderne

Pour une utilisation à grande échelle, l'hélium est extrait par une distillation fractionnée à partir de gaz naturel , qui contient jusqu'à 7% d'hélium. Depuis l'hélium a un point d'ébullition inférieur à tout autre élément, à basse température et à haute pression sont utilisés pour liquéfier presque tous les autres gaz (principalement l'azote et de méthane ). Le gaz d'hélium brut résultant est purifié par expositions successives à l'abaissement des températures, dans lequel la quasi-totalité de l'azote et d'autres gaz restant sont précipités à partir du mélange gazeux. Le charbon actif est utilisé comme étape de purification finale, ce qui entraîne habituellement dans 99,995% de pureté, Grade-A, de l'hélium. L'impureté principal de grade-A est l'hélium néon . Dans une étape de production finale, la plupart de l'hélium qui est produit est liquéfié par l'intermédiaire d'un procédé cryogénique. Cela est nécessaire pour les applications nécessitant l'hélium liquide et permet également aux fournisseurs d'hélium pour réduire le coût du transport sur de longues distances, comme les plus grands contenants de liquide d'hélium ont plus de cinq fois la capacité des plus grandes remorques de tubes d'hélium gazeux.

En 2005, environ 160 000 000 mètres cubes d'hélium ont été extraits du gaz naturel ou retirés de réserves d'hélium, avec environ 83% des États-Unis, 11% d'Algérie, et la plupart du reste de la Russie et de la Pologne. Aux États-Unis, la plupart hélium est extrait du gaz naturel dans le Kansas et le Texas.

Diffusion du gaz naturel brut à travers spéciale membranes semi-perméables et autres obstacles est une autre méthode pour récupérer et purifier l'hélium. L'hélium peut être synthétisé par bombardement de lithium ou de bore à grande vitesse avec des protons , mais ce ne est pas un procédé économiquement viable de production.

Isotopes

Bien qu'il existe huit connus isotopes de l'hélium, seulement hélium-3 et hélium-4 sont stables . Dans l'atmosphère de la Terre, il est l'un Il-3 atome pour chaque million de He-4 atomes. Cependant, l'hélium est inhabituel en ce que sa teneur isotopique varie considérablement selon son origine. Dans le milieu interstellaire, la proportion de He-3 est d'environ une centaine de fois plus élevé. Roches de la croûte de la Terre ont des rapports isotopiques variant par autant qu'un facteur de dix; ce est utilisé dans la géologie pour étudier l'origine de ces roches.

L'isotope le plus commun, l'hélium-4, est produite sur Terre par alpha désintégration des éléments radioactifs lourds; la particules alpha qui émergent sont entièrement ionisés noyaux d'hélium 4. Hélium-4 est un noyau inhabituellement stable parce que son nucléons sont organisés en coquilles complètes. Il a également été formé en quantités énormes cours Nucléosynthèse Big Bang.

Le refroidissement par évaporation du liquide de l'hélium-4, dans un soi-disant 1-K pot, le liquide refroidit à environ 1 kelvin . Dans un hélium-3 réfrigérateur, de refroidissement similaire d'hélium-3, qui a un point d'ébullition plus bas, atteint une température d'environ 0,2 Kelvin. L'égalité des mélanges de l'hélium liquide et de l'hélium-3-quatre dessous de 0,8 K se séparer en deux phases non miscibles en raison de leur dissemblance (ils suivent différente statistique quantique: l'hélium-4 atomes sont bosons tout en hélium-3 atomes sont fermions). réfrigérateurs de dilution de profiter de la non miscibilité de ces deux isotopes d'atteindre des températures de quelques millikelvins.

Il ya seulement une quantité de trace de l'hélium-3 sur la Terre, principalement présente depuis la formation de la Terre, bien que certaines chutes à terre piégés dans la poussière cosmique. Des traces sont également produites par le désintégration bêta de tritium. Dans étoiles , cependant, l'hélium-3 est plus abondante, un produit de la fusion nucléaire. Extraplanetary matériau, comme lunaire et astéroïdes régolite, avoir des traces d'hélium-3 d'être bombardé par les vents solaires. La Lune surface s 'contient de l'hélium-3 à des concentrations de l'ordre de 0,01 ppm. Un certain nombre de personnes, à commencer par Gerald Kulcinski en 1986, ont proposé de explorer la lune, régolite lunaire mine et utiliser de l'hélium-3 pour fusion.

Les différents processus de formation des deux isotopes stables de l'hélium produisent les abondances isotopiques différents. Ces abondances isotopiques différentes peuvent être utilisées pour enquêter sur l'origine des roches et de la composition de la Terre manteau.

Il est possible de produire isotopes de l'hélium exotiques, qui se désintègrent rapidement dans d'autres substances. L'isotope d'hélium lourde courte durée est de l'hélium-5 avec une demi-vie de 7,6 × 10 ^-22 secondes. Helium-6 se désintègre en émettant un particules bêta et a une demi-vie de 0,8 secondes. Helium-7 émet également une particule bêta et une rayons gamma. hyperfragments de l'hélium-7 et d'hélium-8 sont créés dans certains réactions nucléaires.

La exotiques hélium-6 et d'hélium-8 sont connus pour présenter une halogéno nucléaire. Helium-2 (deux protons, neutrons aucun) est un radio-isotope d'hélium qui se désintègre par proton émission en protium (hydrogène) avec une demi-vie de 3x10 ^-27 secondes.

Les effets biologiques

La voix d'une personne qui a inhalé de l'hélium temporairement sons aigus. En effet, la vitesse du son dans l'hélium est près de trois fois la vitesse du son dans l'air. Parce que le fréquence fondamentale d'une cavité remplie de gaz est proportionnelle à la vitesse du son dans le gaz, lorsque l'hélium est inhalé, il ya une augmentation correspondante de la les fréquences de résonance de la tractus vocal. (L'effet inverse, l'abaissement des fréquences, peut être obtenu par inhalation l'hexafluorure de soufre)

L'inhalation d'hélium, par exemple pour produire l'effet vocal, peut être dangereux se il est fait à l'excès depuis l'hélium est simple asphyxiant, donc il déplace l'oxygène nécessaire à la normale la respiration. Death by asphyxie entraînera quelques minutes si l'hélium pur est respiré en continu. Chez les mammifères (à l'exception notable de joints d'étanchéité et de nombreux animaux fouisseurs) le réflexe de la respiration est déclenchée par un excès de dioxyde de carbone au lieu d'un manque d'oxygène, de sorte que l'hélium par asphyxie progresse sans éprouver la victime la faim de l'air. L'inhalation d'hélium directement à partir de bouteilles sous pression est extrêmement dangereux que le débit élevé peut entraîner barotraumatisme, rupture mortellement tissu pulmonaire.

Hélium neutre dans des conditions normales est non-toxique, ne joue aucun rôle biologique et se trouve dans l'état de traces dans le sang humain. À des pressions élevées (plus d'environ 20 atm ou deux MPa), un mélange d'hélium et d'oxygène ( héliox) peut conduire à syndrome nerveux haute pression, une sorte d'effet inverse-anesthésique; l'ajout d'une petite quantité d'azote dans le mélange peut atténuer le problème.

Les contenants de gaz d'hélium à 5-10 K doivent être manipulés comme se ils contiennent de l'hélium liquide en raison de la rapide et importante la dilatation thermique qui se produit lorsque de l'hélium gazeux à moins de 10 K est réchauffé à la température ambiante.

Composés

L'hélium est chimiquement non réactif dans toutes les conditions normales en raison de sa valence de zéro. Il se agit d'un isolant électrique, sauf ionisé . Comme pour les autres gaz rares, l'hélium métastable a les niveaux d'énergie qui lui permettent de rester ionisé dans une décharge électrique à un en dessous de sa tension le potentiel d'ionisation. L'hélium peut former instables composés avec le tungstène , l'iode , le fluor , le soufre et le phosphore , lorsqu'il est soumis à une décharge luminescente électrique, grâce à un bombardement d'électrons ou est autrement plasma . HeNe, HgHe ₁₀ , WHe ₂ et les ions moléculaires Il ₂ ⁺ , il ₂ ²⁺ , heh ⁺ , et Hed ⁺ ont été créés de cette façon. Cette technique a également permis la production de la molécule neutre Il ₂ , qui a un grand nombre de systèmes de bandes, et HgHe, qui est apparemment seulement maintenus ensemble par des forces de polarisation. Théoriquement, d'autres composés peuvent également être possible, tel que l'hélium fluorohydride (HHeF) qui serait analogue à Harf, découvert en 2000.

L'hélium a été mis à l'intérieur des creux des molécules cages de carbone (les ) de fullerènes par chauffage sous haute pression du gaz. Les molécules neutres formés sont stables jusqu'à des températures élevées. Lorsque les dérivés chimiques de ces fullerènes sont formés, le reste à l'intérieur de l'hélium. Si hélium-3 est utilisé, il peut être facilement observé par spectroscopie RMN de l'hélium. Beaucoup de fullerènes contenant de l'hélium-3 ont été rapportés. Bien que les atomes d'hélium ne sont pas fixés par des liaisons covalentes ou ioniques, ces substances correspondent à la définition de composés dans le Handbook of Chemistry and Physics . Ils sont les premiers composés d'hélium neutre stable pour être formés.