H??lium

H??lium
2 Il
- ↑ Il ↓ Ne Tableau p??riodique l'hydrog??ne ← → h??lium lithium
Apparence
gaz incolore, pr??sentant une lueur rouge-orange lorsqu'il est plac?? dans un champ ??lectrique ?? haute tension Raies spectrales de l'h??lium
Propri??t??s g??n??rales
Nom, symbole, nombre	h??lium, Il, 2
Prononciation	/ h Je l Je ə m / -Əm de HEE
Cat??gorie Metallic	gaz nobles
Groupe, p??riode, bloc	18 (gaz rares) , 1, s
Poids atomique standard	4.002602 (2)
Configuration ??lectronique	1s 2 2
Histoire
D??couverte	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
Premier isolement	William Ramsay, Par Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Propri??t??s physiques
Phase	gaz
Densit??	(0 ?? C, 101,325 kPa) 0,1786 g / L
Liquid densit?? au mp	0,145 g ?? cm -3
Liquid densit?? ?? BP	0,125 g ?? cm -3
Point de fusion	(?? 2,5 MPa) 0,95 K , -272,20 ?? C, -457,96 ?? F
Point d'??bullition	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
Capacit?? thermique molaire	5 R / 2 = 20,786 J ?? mol -1 ?? K -1
Pression de vapeur (d??fini par ITS-90)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ?? T (K) 1,23 1,67 2,48 4,21
Propri??t??s atomiques
??tats d'oxydation	0
??lectron??gativit??	aucune donn??e (??chelle de Pauling)
??nergies d'ionisation	1er: 2372,3 kJ ?? mol -1
	2??me: 5250,5 kJ ?? mol -1
Rayon covalente	28 h
Rayon de Van der Waals	140 h
Miscellan??es
Crystal structure	hexagonale compacte
Ordre magn??tique	diamagn??tique
Conductivit?? thermique	0,1513 W ?? m -1 ?? K -1
Vitesse du son	972 m ?? s -1
Num??ro de registre CAS	7440-59-7
La plupart des isotopes stables
Article d??taill??: Isotopes de l'h??lium
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 atmosph??rique, l'abondance peut diff??rer ailleurs.

H??lium (He) est un gaz incolore, inodore, insipide, non-toxique, inerte monoatomique ??l??ment chimique qui dirige le gaz noble s??rie dans le tableau p??riodique et dont le num??ro atomique est 2. Ses ??bullition et de fusion des points sont les plus bas parmi les ??l??ments et il ne existe que comme un gaz , sauf dans des conditions extr??mes. Les conditions extr??mes sont ??galement n??cessaires pour cr??er la petite poign??e de h??lium compos??s , qui sont tous instables ?? temp??rature et pression normales. Dans sa forme la plus commune, h??lium-4, il a deux neutrons dans son noyau, tandis qu'une seconde, plus rares, isotopes stables appel??e h??lium-3 contient juste un neutron. Le comportement de l'h??lium liquide-4 deux phases fluides de l'h??lium I et II de l'h??lium, est important pour les chercheurs qui ??tudient la m??canique quantique (en particulier le ph??nom??ne de superfluidit??) et ?? ceux qui recherchent les effets que les temp??ratures proches du z??ro absolu ont sur la mati??re (comme la supraconductivit?? ).

En 1868, l'astronome fran??ais Pierre Janssen d??tect?? pour la premi??re h??lium comme un inconnu jaune raie spectrale signature ?? la lumi??re d'une ??clipse solaire . Depuis de grandes r??serves d'h??lium ont ??t?? trouv??s dans le champs de gaz naturel de la Etats-Unis , qui est de loin le plus grand fournisseur du gaz. Il est utilis?? dans cryog??nie, dans les syst??mes de respiration profonde-mer, pour refroidir aimants supraconducteurs, dans h??lium datant, pour gonfler ballons, pour fournir ascenseur dans dirigeables et comme gaz de protection pour de nombreux usages industriels (tels que soudage ?? l'arc et en croissance silicium plaquettes). Une utilisation beaucoup moins grave est de changer temporairement le timbre et la qualit?? de la voix de l'un par l'inhalation d'un petit volume de du gaz (voir la section pr??cautions ci-dessous).

L'h??lium est le deuxi??me plus ??l??ment abondant et le second plus l??ger dans l'univers connu, et est l'un des ??l??ments qui auraient ??t?? cr????s dans le Big Bang . Dans l'univers moderne presque tous les nouveaux h??lium est cr???? ?? la suite de la la fusion nucl??aire de l'hydrog??ne dans ??toiles . Sur la Terre de l'h??lium est rare, et presque tous de ce qui existe a ??t?? cr???? par le la d??sint??gration radioactive des ??l??ments beaucoup plus lourds ( particules alpha sont des noyaux d'h??lium). Apr??s sa cr??ation, une partie a ??t?? pi??g?? avec du gaz naturel dans des concentrations allant jusqu'?? 7% en volume, d'o?? il est extrait commercialement par distillation fractionn??e. D'importantes r??serves d'h??lium ont ??t?? trouv??s dans le champs de gaz naturel des ??tats-Unis (le plus grand fournisseur), mais l'h??lium est connu dans les r??serves de gaz de quelques autres pays.

Caract??ristiques notables

Gaz et de plasma phases

L'h??lium est l'??l??ment le moins r??actif des gaz rares ??l??ments, et donc aussi la moins r??active de tous les ??l??ments; il est inerte et monoatomique dans pratiquement toutes les conditions. En raison molaire relativement faible de l'h??lium (mol??culaire) de masse, en phase gazeuse, il a un conductivit?? thermique, chaleur sp??cifique, et la vitesse de conduction qui sont toutes sup??rieures ?? ne importe quel gaz, sauf para??tre hydrog??ne . Pour des raisons similaires, et aussi en raison de la petite taille de ses mol??cules, l'h??lium de taux de diffusion ?? travers les solides est trois fois celle de l'air et autour de 65% celle de l'hydrog??ne.

L'h??lium est moins d'eau soluble que tout autre gaz connu, et l'h??lium de indice de r??fraction est plus proche de l'unit?? que celle de tout autre gaz. H??lium a un effet n??gatif Coefficient de Joule-Thomson ?? des temp??ratures ambiantes normales, ce qui signifie qu'il se ??chauffe quand on les laisse se dilater librement. Seulement en dessous de son Joule-Thomson temp??rature d'inversion (de l'ordre de 40 K ?? 1 atmosph??re) ne refroidir lors de l'expansion libre. Une fois pr??-refroidi en dessous de cette temp??rature, l'h??lium peut ??tre liqu??fi?? par refroidissement d'expansion.

Tube ?? d??charge en forme d'h??lium symbole atomique de l'??l??ment

Tout au long de l'univers, l'h??lium se trouve surtout dans un plasma Etat dont les propri??t??s sont tr??s diff??rentes de l'h??lium atomique. Dans un plasma, les ??lectrons et les protons de l'h??lium ne sont pas li??es ensemble, ce qui entra??ne une conductivit?? ??lectrique tr??s ??lev??e, m??me quand le gaz ne est que partiellement ionis??. Les particules charg??es sont fortement influenc??s par les champs magn??tiques et ??lectriques. Par exemple, dans le vent solaire avec de l'hydrog??ne ionis??, ils interagir avec celle de la Terre magn??tosph??re donnant lieu ?? Courants de Birkeland et la aurora.

Les phases solides et liquides

Helium solidifie seulement sous une grande pression. Le r??sultant incolore, presque invisible solide est tr??s 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 ?? tout autre ??l??ment, l'h??lium ne parviendra pas ?? se solidifier et rester liquide jusqu'?? z??ro absolu ?? des pressions normales. Ce est un effet direct de la m??canique quantique: sp??cifiquement, le ??nergie du point z??ro du syst??me est trop ??lev??e pour permettre la cong??lation. H??lium solide exige une temp??rature de 1 ?? 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 ?? partir de l'h??lium liquide depuis le indice de r??fraction des deux phases sont ?? peu pr??s les m??mes. Le solide a une forte point de fusion et a un cristallin structure.

H??lium solide a une densit?? de 0,214 ?? 0,006 g / ml (1,15 K, 66 atm) avec une compressibilit?? isotherme moyenne du solide ?? 1,15 K entre le solidus et 66 atm de 0,0031 ?? 0,0008 / atm. En outre, aucune diff??rence de densit?? a ??t?? not?? des projets entre 1,8 K et 1,5 K. Cette donn??es que T = 0 h??lium solide de moins de 25 bars de pression (le minimum requis pour geler l'h??lium) a une densit?? de 0,187 ?? 0,009 g / ml.

Etat h??lium I

Dessous de son point d'??bullition de 4,22 kelvin et au-dessus du point de 2,1768 kelvin lambda, l' isotope de l'h??lium-4 existe dans une normale incolore liquide Etat, appel?? l'h??lium I. Comme les autres liquides cryog??niques, l'h??lium I furoncles lorsqu'il est chauff??. Il se contracte ??galement lorsque sa temp??rature est abaiss??e jusqu'?? ce qu'elle atteigne la Point lambda, quand il se arr??te ??bullition et soudain se d??veloppe. Le taux d'expansion diminue au-dessous du point de lambda jusqu'?? environ 1 K soit atteinte; ?? laquelle l'expansion du point se arr??te compl??tement et d'h??lium, je commence ?? contracter ?? nouveau.

H??lium I a un gaz comme indice de r??fraction de 1,026 ce qui rend sa surface si difficile de voir qui flotte de styromousse sont souvent utilis??s pour montrer o?? la surface est. Ce liquide incolore a une tr??s faible viscosit?? et une densit?? d'un huiti??me celle de l'eau, qui est seulement un quart de la valeur attendue de la physique classique. M??canique quantique est n??cessaire pour expliquer cette propri??t?? et donc deux types d'h??lium liquide sont appel??s fluides quantiques, ce qui signifie qu'ils pr??sentent des propri??t??s atomiques sur une ??chelle macroscopique. Ce est probablement en raison de son point d'??bullition ??tant si proche du z??ro absolu, ce qui emp??che le mouvement mol??culaire al??atoire ( de chaleur ) ?? partir de masquer les propri??t??s atomiques.

Helium ??tat II

H??lium liquide en dessous de son point de lambda commence ?? pr??senter des caract??ristiques tr??s inhabituelles, dans un ??tat appel?? l'h??lium II. D'??bullition de l'h??lium II ne est pas possible en raison de sa haute conductivit?? thermique; apport de chaleur provoque place ??vaporation du liquide directement au gaz. L'isotope h??lium-3 a ??galement un la phase superfluide, mais seulement ?? des temp??ratures beaucoup plus basses; par cons??quent, on en sait moins sur de telles propri??t??s dans l'isotope de l'h??lium-3.

H??lium II se glissera le long des surfaces afin de trouver son propre niveau; apr??s un court moment, les niveaux dans les deux conteneurs seront ??galiser. Le Film Rollin couvre ??galement l'int??rieur du r??cipient plus grand; si elle ne ??tait pas scell??, l'h??lium II se glissait sortir et ??chapper.

L'h??lium II est un superfluide, un ??tat de la mati??re avec des propri??t??s ??tranges de la m??canique quantique. Par exemple, quand il se ??coule ?? travers les capillaires de la m??me 10 ^-7 ?? 10 ^-8 m de largeur, il ne est pas mesurable viscosit??. Cependant, lorsque les mesures ont ??t?? r??alis??es entre deux disques mobiles, une viscosit?? comparable ?? celle de l'h??lium gazeux a ??t?? observ??. La th??orie actuelle explique cela en utilisant le mod??le ?? deux fluides pour l'h??lium II. Dans ce mod??le, l'h??lium liquide inf??rieure au point de lambda est consid??r??e comme contenant une proportion d'atomes d'h??lium dans un ??tat fondamental, qui sont superfluide et de d??bit avec une viscosit?? exactement z??ro, et une proportion d'atomes d'h??lium dans un ??tat excit??, qui se comportent plus comme un fluide ordinaire.

H??lium II pr??sente ??galement un effet rampante. Quand une surface se ??tend au-del?? du niveau de l'h??lium II, de l'h??lium II se d??place le long de la surface, apparemment encontre de la force de gravit?? . H??lium II se ??chapper d'un navire qui ne est pas scell?? en rampant le long des c??t??s jusqu'?? ce qu'il atteigne une r??gion chaude o?? elle se ??vapore. Il se d??place dans un 30 film-nm d'??paisseur quel mat??riau de surface. Ce film est appel?? Rollin cin??ma et est nomm?? d'apr??s l'homme qui le premier caract??rise ce trait, Bernard V. Rollin. En raison de ce comportement rampante et la capacit?? de fuite ?? l'h??lium II rapidement ?? travers de minuscules ouvertures, il est tr??s difficile de limiter l'h??lium liquide. ?? moins que le r??cipient est r??alis?? avec soin, l'h??lium II se glissera le long des surfaces et ?? travers les soupapes jusqu'?? ce qu'il atteigne un endroit plus chaud, o?? elle se ??vapore. Ondes se propageant ?? travers un film Rollin sont r??gis par la m??me ??quation que ondes de gravit?? en eau peu profonde, mais plut??t que la gravit??, la force de rappel est la force de Van der Waals . Ces ondes sont connus comme troisi??me bruit.

En effet fontaine, une chambre qui est construit est connect?? ?? un r??servoir d'h??lium par une II disque fritt?? ?? travers lequel les fuites d'h??lium superfluide facilement, mais ?? travers lequel l'h??lium superfluide non ne peuvent pas passer. Si l'int??rieur du r??cipient est chauff??, les h??lium superfluide changements ?? l'h??lium superfluide non. Afin de maintenir l'??quilibre de la fraction d'h??lium superfluide, les fuites d'h??lium superfluide ?? travers et augmente la pression, ce qui provoque liquide de fontaine hors du r??cipient.

La conductivit?? thermique de l'h??lium II est plus grand que celui de toute autre substance connue, un million de fois celle de l'h??lium I et plusieurs centaines de fois celle du cuivre . Ce est parce que la conduction de chaleur se produit par un m??canisme de m??canique quantique exceptionnel. La plupart des mat??riaux qui conduisent bien la chaleur ont une bande de valence ??lectrons libres qui servent ?? transf??rer la chaleur. H??lium II n'a pas une telle bande de valence, mais effectue n??anmoins bien la chaleur. Le flux de chaleur est r??gie par les ??quations qui sont similaires ?? la ??quation d'onde utilis??e pour caract??riser la propagation du son dans l'air. Alors, quand la chaleur est introduit, il se d??placera ?? 20 m??tres par seconde ?? 1,8 K par l'h??lium II sous forme d'ondes dans un ph??nom??ne appel?? deuxi??me son.

Applications

En raison de sa faible densit?? et incombustibility, l'h??lium est le gaz de choix pour remplir dirigeables comme le Goodyear dirigeable, par opposition ?? l'hydrog??ne

L'h??lium est utilis?? ?? de nombreuses fins qui n??cessitent certaines de ses propri??t??s uniques, comme son faible point d'??bullition , ?? faible densit?? , ?? faible solubilit?? , haute conductivit?? thermique, ou inertie. L'h??lium est disponible dans le commerce soit sous forme liquide ou gazeuse. En tant que liquide, il peut ??tre fourni dans de petits r??cipients appel??s dewars qui contiennent jusqu'?? 1000 litres d'h??lium, ou dans de grands conteneurs ISO qui ont des capacit??s nominales aussi grand que 11.000 gallons (41 637 litres). Sous forme gazeuse, de petites quantit??s d'h??lium sont fournis dans des bouteilles ?? haute pression pouvant accueillir jusqu'?? 300 pieds cubes standard, tandis que de grandes quantit??s de gaz ?? haute pression sont fournis dans des remorques de tubes qui ont des capacit??s allant jusqu'?? 180 000 pieds cubes standard.

• Parce qu'il est plus l??ger que l'air, dirigeables et ballons sont gonfl??s ?? l'h??lium pour l'ascenseur. Dans dirigeables, l'h??lium est pr??f??rable ?? l'hydrog??ne, car il ne est pas inflammable et 92,64% de la flottabilit?? (ou puissance de levage) de l'alternative de l'hydrog??ne (voir calcul.)

• Pour sa faible solubilit?? dans l'eau, la majeure partie de l'homme de sang , des m??langes d'h??lium avec l'oxyg??ne et l'azote ( trimix), d'oxyg??ne exclusivement ( h??liox), avec de l'air commune ( Heliair), et avec de l'hydrog??ne et de l'oxyg??ne ( hydr??liox), sont utilis??s dans les syst??mes de respiration profonde ?? r??duire le risque de haute pression de narcose ?? l'azote.

• A des temp??ratures extr??mement basses, de l'h??lium liquide est utilis?? pour refroidir certains m??taux pour produire supraconductivit?? , comme dans aimants supraconducteurs utilis??s dans imagerie par r??sonance magn??tique. L'h??lium ?? basse temp??rature est ??galement utilis?? dans cryog??nie.

• Pour son inertie et de haute conductivit?? thermique, neutrons transparence, et parce qu'il ne se forme pas d'isotopes radioactifs dans des conditions de r??acteur, de l'h??lium est utilis?? comme fluide de refroidissement dans certaines les r??acteurs nucl??aires, tels que r??acteurs ?? lit de boulets.

• L'h??lium est utilis?? en tant que gaz de protection dans proc??d??s de soudage ?? l'arc sur des mat??riaux qui sont contamin??s facilement par voie a??rienne. Il est particuli??rement utile dans soudage au plafond, car il est plus l??ger que l'air et flotte ainsi, alors que d'autres gaz de protection se enfoncent.

• Parce qu'il est inerte, de l'h??lium est utilis?? comme gaz de protection dans la croissance de silicium et germanium de cristaux, en titane et zirconium production, Chromatographie en phase gazeuse, et comme atmosph??re pour prot??ger les documents historiques. Cette propri??t?? rend ??galement utile dans supersonique souffleries.

• En fus??es, l'h??lium est utilis?? comme un support creux de d??placer carburant et les oxydants dans des r??servoirs de stockage et de condenser l'hydrog??ne et de l'oxyg??ne pour faire carburant de fus??e. Il est ??galement utilis?? pour purger le carburant et le comburant de l'??quipement de soutien au sol avant le lancement et pr??-cool hydrog??ne liquide dans v??hicules spatiaux. Par exemple, la Saturn V utilis?? dans le servomoteur Programme Apollo besoin d'environ 13 millions de pieds cubes (370 000 m??) d'h??lium ?? lancer.

• Le gagner moyen de la laser h??lium-n??on est un m??lange d'h??lium et le n??on .

• Parce que ??a diffuse ?? travers les solides ?? une vitesse trois fois celle de l'air, de l'h??lium est utilis?? comme gaz traceur pour d??tecter les fuites dans l'??quipement ?? vide pouss?? et des conteneurs ?? haute pression, ainsi que dans d'autres applications avec des exigences moins strictes, tels que des ??changeurs de chaleur, vannes, panneaux de gaz, etc.

• En raison de sa tr??s faible indice de r??fraction, l'utilisation d'h??lium permet de r??duire les effets de distorsion des variations de temp??rature dans l'espace entre lentilles dans certains t??lescopes .

• L'??ge des roches et des min??raux qui contiennent de l'uranium et du thorium , ??l??ments radioactifs qui ??mettent des noyaux d'h??lium appel??s les particules alpha, peuvent ??tre d??couverts par la mesure du niveau de l'h??lium avec un processus connu sous le nom h??lium datation.

• La conductivit?? thermique ??lev??e et une vitesse du son de l'h??lium est ??galement souhaitable r??frig??ration thermoacoustique. L'inertie de l'h??lium ajoute ?? l'avantage environnemental de cette technologie par rapport aux syst??mes de r??frig??ration classiques qui peuvent contribuer ?? la couche d'ozone et les effets du r??chauffement climatique.

• Parce que l'h??lium seul est moins dense que l'air atmosph??rique, 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 utilis??e pour remplir des ballons, peut ??tre dangereux en raison du risque de asphyxie par manque d'oxyg??ne, et le nombre de contaminants qui peuvent ??tre pr??sents. Celles-ci pourraient inclure des traces d'autres gaz, en plus de l'huile de lubrification sous forme d'a??rosol.

Histoire

Les d??couvertes scientifiques

La preuve de l'h??lium a ??t?? d??tect?? sur 18 ao??t 1868 comme une ligne jaune vif avec un longueur d'onde de 587,49 nm de la spectre de la chromosph??re du Soleil , par l'astronome fran??ais Pierre Janssen lors d'une totale ??clipse solaire dans Guntur, Inde . Cette ligne a ??t?? initialement suppos?? ??tre sodium . Le 20 Octobre de la m??me ann??e, l'astronome anglais Norman Lockyer a observ?? une ligne jaune dans le spectre solaire, qu'il nomma la D ₃ ligne, car il ??tait pr??s des connus D ₁ et D ₂ lignes de sodium, et a conclu qu'il a ??t?? caus?? par un ??l??ment dans l'inconnu Soleil sur Terre. Lui et chimiste anglais Edward Frankland nomm?? l'??l??ment avec le mot grec pour le Sun, ἥλιος (Helios)

Sur 26 Mars 1895 du chimiste britannique William Ramsay isol?? h??lium sur Terre en traitant le minerai cleveite avec min??raux acides . Ramsay cherchait argon mais, apr??s s??paration de l'azote et de l'oxyg??ne ?? partir du gaz lib??r?? par l'acide sulfurique , remarqu?? une ligne jaune vif qui correspondent ?? la ligne D ₃ observ?? dans le spectre du Soleil Ces ??chantillons ont ??t?? identifi??s comme l'h??lium par Lockyer et physicien britannique William Crookes. Il a ??t?? isol?? ind??pendamment de cleveite la m??me ann??e par les chimistes Par Teodor Cleve et Abraham dans Langlet Uppsala, en Su??de, qui a recueilli suffisamment de gaz pour d??terminer avec pr??cision son poids atomique. Helium a ??galement ??t?? isol?? par le g??ochimiste am??ricain William Hillebrand avant la d??couverte de Ramsay quand il a remarqu?? raies spectrales inhabituelles tout en testant un ??chantillon de la mati??re min??rale uraninite. Hillebrand, cependant, a attribu?? les lignes ?? l'azote. Sa lettre de f??licitations ?? Ramsay offre un cas int??ressant de d??couverte et de quasi-d??couverte dans la science.

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds d??montr?? que particules alpha sont h??lium noyaux , en leur permettant de p??n??trer le mur de verre mince d'un tube sous vide, puis la cr??ation d'une d??charge dans le tube pour ??tudier les spectres de la nouvelle gaz ?? l'int??rieur. En 1908, l'h??lium a ??t?? liqu??fi?? par le physicien n??erlandais Heike Kamerlingh Onnes par refroidissement du gaz ?? moins d'un kelvin . Il a essay?? de le solidifier en r??duisant davantage la temp??rature mais a ??chou?? parce que l'h??lium ne est pas un triple temp??rature du point o?? les solides, liquides, et des phases de gaz sont ?? l'??quilibre. Il a ??t?? solidifi?? en 1926 par son ??l??ve Hendrik Willem Keesom en soumettant h??lium ?? 25 atmosph??res de pression.

En 1938, le physicien russe Pyotr Leonidovitch Kapitsa d??couvert que h??lium-4 (un boson) n'a presque pas viscosit?? ?? des temp??ratures proches du z??ro absolu , un ph??nom??ne appelle maintenant superfluidit??. Ce ph??nom??ne est li?? ?? Condensation de Bose-Einstein. En 1972, le m??me ph??nom??ne a ??t?? observ?? dans h??lium-3, mais ?? des temp??ratures beaucoup plus proche de z??ro absolu , par les physiciens am??ricains Douglas D. Osheroff, M. David Lee, et Robert C. Richardson. Le ph??nom??ne ?? l'h??lium-3 est consid??r??e comme ??tant li??e ?? la liaison de l'h??lium-3 fermions ?? faire bosons, par analogie avec Paires de Cooper d'??lectrons produisant la supraconductivit?? .

Extraction et utilisations

Apr??s une op??ration de forage p??trolier en 1903 Dexter, Kansas, ??tats-Unis produit un geyser de gaz qui ne br??le pas, Kansas Etat g??ologue Erasmus Haworth a pr??lev?? des ??chantillons du gaz se ??chapper et les a ramen??s ?? l'Universit?? du Kansas ?? Lawrence, o??, avec l'aide de chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il a d??couvert que le gaz contient, en volume, 72% d'azote, 15% de m??thane-insuffisante pour rendre le gaz combustible, 1% d'hydrog??ne et 12% d'un gaz non identifiable. Avec une analyse plus approfondie, Cady et McFarland d??couvert que 1,84% de l'??chantillon de gaz est de l'h??lium. Loin d'??tre un ??l??ment rare, l'h??lium ??tait pr??sent en grandes quantit??s dans les Grandes Plaines am??ricaines, disponibles pour l'extraction du gaz naturel.

Cela a mis du ??tats-Unis dans une excellente position pour devenir le premier fournisseur mondial d'h??lium. Suite ?? une suggestion de Sir Richard Threlfall, le United States Navy a parrain?? trois petites usines de production d'h??lium exp??rimentales pendant la Premi??re Guerre mondiale . L'objectif ??tait de fournir ballons de barrage avec le gaz de levage non-inflammable. Un total de 200 000 pieds cubes (5700 m??) de 92% d'h??lium a ??t?? produit dans le programme m??me si seulement quelques pieds cubes (moins de 100 litres) de gaz avaient d??j?? ??t?? obtenus. Certains de ce gaz a ??t?? utilis?? dans la premi??re h??lium du monde dirigeable , le C-7 de l'US Navy, qui a vol?? son voyage inaugural de Hampton Roads, Virginie Bolling Field ?? Washington, DC sur 1 D??cembre 1921 .

Bien que le processus d'extraction, en utilisant la liqu??faction du gaz ?? basse temp??rature, n'a pas ??t?? d??velopp?? dans le temps comme importantes durant la Premi??re Guerre mondiale, la production a continu??. H??lium a ??t?? principalement utilis?? comme gaz de levage plus l??gers que l'air m??tier. Cette utilisation accrue de la demande pendant la Seconde Guerre mondiale, ainsi que les demandes pour les blind?? arc de soudage . Helium est ??galement indispensable dans la bombe atomique Projet Manhattan.

Le le gouvernement des ??tats-Unis a cr???? le R??serve nationale de l'h??lium en 1925 ?? 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 am??ricaine contre l'Allemagne qui limitait h??lium fournitures, les Hindenburg a ??t?? forc?? d'utiliser l'hydrog??ne comme gaz de levage. l'utilisation de l'h??lium qui suit la Seconde Guerre mondiale ??tait d??prim??, mais la r??serve a ??t?? ??largi dans les ann??es 1950 pour assurer un approvisionnement de l'h??lium liquide comme fluide de refroidissement pour cr??er l'oxyg??ne / hydrog??ne carburant de fus??e (parmi d'autres utilisations) pendant la course de l'espace et de la guerre froide . l'utilisation de l'h??lium aux ??tats-Unis en 1965 ??tait plus de huit fois la consommation de pointe en temps de guerre.

Apr??s les ??actes h??lium amendements de 1960" (Public Law 86-777), le US Bureau of Mines arrang?? pour cinq usines priv??es de r??cup??rer l'h??lium du gaz naturel. Pour ce programme de conservation de l'h??lium, le Bureau a construit un 425-mile (684 km) de pipeline Bushton, Kansas pour connecter ces v??g??taux, avec partiellement ??puis?? le champ de gaz Cliffside du gouvernement, pr??s de Amarillo, Texas. Ce m??lange d'h??lium et d'azote a ??t?? inject?? et stock?? dans le champ de gaz Cliffside jusqu'?? ce que n??cessaire, quand il ??tait alors encore purifi??e.

En 1995, un milliard de m??tres cubes de gaz avaient ??t?? collect??es et la r??serve ??tait de US $ 1,4 milliards de la dette, ce qui incite le Congr??s des ??tats-Unis en 1996 pour ??liminer la r??serve. La "Loi Helium Privatisation de 1996" r??sultant (Public Law 104-273) a dirig?? le D??partement de l'Int??rieur des ??tats-Unis pour commencer liquider la r??serve d'ici ?? 2005.

H??lium produit avant 1945 ??tait d'environ 98% (2% d'azote ), qui ??tait convenable pour les dirigeables. En 1945, une petite quantit?? de 99,9% d'h??lium a ??t?? produit pour le soudage de l'utilisation. En 1949 des quantit??s commerciales de Grade A l'h??lium 99,995% ??taient disponibles.

Pendant de nombreuses ann??es aux Etats-Unis ont produit plus de 90% d'h??lium commercialement utilisable dans le monde. usines d'extraction cr????s dans le Canada , la Pologne , la Russie et d'autres nations de l'h??lium produit restant. Au milieu des ann??es 1990, une nouvelle usine ?? Arzew, en Alg??rie 600mmcf production est entr??e 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 ?? Ras Laffen, le Qatar et l'autre ?? Skikda, en Alg??rie ont ??t?? construits, mais au d??but de 2007, Ras Laffen fonctionne ?? 50%, et de Skikda n'a pas encore de d??marrer. Alg??rie est rapidement devenu le deuxi??me producteur d'h??lium. Gr??ce ?? cette ??poque, ?? la fois la consommation d'h??lium et les co??ts de production de l'h??lium ont augment?? et en 2007 les principaux fournisseurs, Air Liquide, Praxair Airgas et tous ont augment?? les prix de 10 ?? 30%.

Pr??sence et la production

Abondance naturelle

L'h??lium est le deuxi??me ??l??ment le plus abondant dans l'Univers connu apr??s l'hydrog??ne et constitue 23% de l'??l??mentaire de masse de l'univers. Elle est concentr??e dans les ??toiles, o?? elle est form??e ?? partir de l'hydrog??ne par la la fusion nucl??aire du proton-proton r??action en cha??ne et Cycle CNO. Selon le Big Bang mod??le du d??veloppement pr??coce de l'univers, la grande majorit?? de l'h??lium a ??t?? form?? au cours de Big Bang nucl??osynth??se, de une ?? trois minutes apr??s le Big Bang. En tant que tel, les mesures de son abondance contribuent aux mod??les cosmologiques.

Dans l' atmosph??re de la Terre , la concentration d'h??lium en volume est ?? seulement 5,2 parties par million. La concentration est faible et relativement constante malgr?? la production continue de la nouvelle h??lium parce que la plupart d'h??lium dans l'atmosph??re de la Terre ??chappe dans l'espace par plusieurs processus. Dans de la Terre de h??t??rosph??re , une partie de la haute atmosph??re, l'h??lium et d'autres gaz plus l??gers sont les ??l??ments les plus abondants.

Presque tous h??lium sur Terre est le r??sultat de d??sint??gration radioactive. Le produit de d??sint??gration se trouve principalement dans les min??raux de l'uranium et du thorium , y compris cleveites, pechblende, carnotite et monazite, parce qu'ils ??mettent les particules alpha, qui consistent en des noyaux d'h??lium (He ²⁺⁾ ?? laquelle les ??lectrons se combinent facilement. De cette fa??on, on estime que 3,4 litres d'h??lium par an sont g??n??r??s par kilom??tre cube de la cro??te de la Terre. Dans la cro??te de la Terre, la concentration d'h??lium est huit parties par milliard. Dans l'eau de mer, la concentration est ?? seulement 4 parties par billion. Il ya aussi de petites quantit??s de min??raux ressorts, volcanique gaz, et de fer m??t??orique. Les plus grandes concentrations de la plan??te sont en gaz naturel , dont la plupart h??lium commerciale est d??riv??.

L'approvisionnement en h??lium du monde peut ??tre en danger, selon Universit?? Washington ?? St. Louis chimiste Lee Sobotka. La r??serve est plus grand au Texas et irait dans huit ans si consomm?? au rythme actuel. L'h??lium est non renouvelable et irrempla??able par des m??thodes conventionnelles.

Extraction moderne

Pour une utilisation ?? grande ??chelle, l'h??lium est extrait par une distillation fractionn??e ?? partir de gaz naturel , qui contient jusqu'?? 7% d'h??lium. Depuis l'h??lium a un point d'??bullition inf??rieur ?? tout autre ??l??ment, ?? basse temp??rature et ?? haute pression sont utilis??s pour liqu??fier presque tous les autres gaz (principalement l'azote et de m??thane ). Le gaz d'h??lium brut r??sultant est purifi?? par expositions successives ?? l'abaissement des temp??ratures, dans lequel la quasi-totalit?? de l'azote et d'autres gaz restant sont pr??cipit??s ?? partir du m??lange gazeux. Le charbon actif est utilis?? comme ??tape de purification finale, ce qui entra??ne habituellement dans 99,995% de puret??, Grade-A, de l'h??lium. L'impuret?? principal de grade-A est l'h??lium n??on . Dans une ??tape de production finale, la plupart de l'h??lium qui est produit est liqu??fi?? par l'interm??diaire d'un proc??d?? cryog??nique. Cela est n??cessaire pour les applications n??cessitant l'h??lium liquide et permet ??galement aux fournisseurs d'h??lium pour r??duire le co??t du transport sur de longues distances, comme les plus grands contenants de liquide d'h??lium ont plus de cinq fois la capacit?? des plus grandes remorques de tubes d'h??lium gazeux.

En 2005, environ 160 000 000 m??tres cubes d'h??lium ont ??t?? extraits du gaz naturel ou retir??s de r??serves d'h??lium, avec environ 83% des ??tats-Unis, 11% d'Alg??rie, et la plupart du reste de la Russie et de la Pologne. Aux ??tats-Unis, la plupart h??lium est extrait du gaz naturel dans le Kansas et le Texas.

Diffusion du gaz naturel brut ?? travers sp??ciale membranes semi-perm??ables et autres obstacles est une autre m??thode pour r??cup??rer et purifier l'h??lium. L'h??lium peut ??tre synth??tis?? par bombardement de lithium ou de bore ?? grande vitesse avec des protons , mais ce ne est pas un proc??d?? ??conomiquement viable de production.

Isotopes

Bien qu'il existe huit connus isotopes de l'h??lium, seulement h??lium-3 et h??lium-4 sont stables . Dans l'atmosph??re de la Terre, il est l'un Il-3 atome pour chaque million de He-4 atomes. Cependant, l'h??lium est inhabituel en ce que sa teneur isotopique varie consid??rablement selon son origine. Dans le milieu interstellaire, la proportion de He-3 est d'environ une centaine de fois plus ??lev??. Roches de la cro??te de la Terre ont des rapports isotopiques variant par autant qu'un facteur de dix; ce est utilis?? dans la g??ologie pour ??tudier l'origine de ces roches.

L'isotope le plus commun, l'h??lium-4, est produite sur Terre par alpha d??sint??gration des ??l??ments radioactifs lourds; la particules alpha qui ??mergent sont enti??rement ionis??s noyaux d'h??lium 4. H??lium-4 est un noyau inhabituellement stable parce que son nucl??ons sont organis??s en coquilles compl??tes. Il a ??galement ??t?? form?? en quantit??s ??normes cours Nucl??osynth??se Big Bang.

Le refroidissement par ??vaporation du liquide de l'h??lium-4, dans un soi-disant 1-K pot, le liquide refroidit ?? environ 1 kelvin . Dans un h??lium-3 r??frig??rateur, de refroidissement similaire d'h??lium-3, qui a un point d'??bullition plus bas, atteint une temp??rature d'environ 0,2 Kelvin. L'??galit?? des m??langes de l'h??lium liquide et de l'h??lium-3-quatre dessous de 0,8 K se s??parer en deux phases non miscibles en raison de leur dissemblance (ils suivent diff??rente statistique quantique: l'h??lium-4 atomes sont bosons tout en h??lium-3 atomes sont fermions). r??frig??rateurs de dilution de profiter de la non miscibilit?? de ces deux isotopes d'atteindre des temp??ratures de quelques millikelvins.

Il ya seulement une quantit?? de trace de l'h??lium-3 sur la Terre, principalement pr??sente depuis la formation de la Terre, bien que certaines chutes ?? terre pi??g??s dans la poussi??re cosmique. Des traces sont ??galement produites par le d??sint??gration b??ta de tritium. Dans ??toiles , cependant, l'h??lium-3 est plus abondante, un produit de la fusion nucl??aire. Extraplanetary mat??riau, comme lunaire et ast??ro??des r??golite, avoir des traces d'h??lium-3 d'??tre bombard?? par les vents solaires. La Lune surface s 'contient de l'h??lium-3 ?? des concentrations de l'ordre de 0,01 ppm. Un certain nombre de personnes, ?? commencer par Gerald Kulcinski en 1986, ont propos?? de explorer la lune, r??golite lunaire mine et utiliser de l'h??lium-3 pour fusion.

Les diff??rents processus de formation des deux isotopes stables de l'h??lium produisent les abondances isotopiques diff??rents. Ces abondances isotopiques diff??rentes peuvent ??tre utilis??es pour enqu??ter sur l'origine des roches et de la composition de la Terre manteau.

Il est possible de produire isotopes de l'h??lium exotiques, qui se d??sint??grent rapidement dans d'autres substances. L'isotope d'h??lium lourde courte dur??e est de l'h??lium-5 avec une demi-vie de 7,6 ?? 10 ^-22 secondes. Helium-6 se d??sint??gre en ??mettant un particules b??ta et a une demi-vie de 0,8 secondes. Helium-7 ??met ??galement une particule b??ta et une rayons gamma. hyperfragments de l'h??lium-7 et d'h??lium-8 sont cr????s dans certains r??actions nucl??aires.

La exotiques h??lium-6 et d'h??lium-8 sont connus pour pr??senter une halog??no nucl??aire. Helium-2 (deux protons, neutrons aucun) est un radio-isotope d'h??lium qui se d??sint??gre par proton ??mission en protium (hydrog??ne) avec une demi-vie de 3x10 ^-27 secondes.

Les effets biologiques

La voix d'une personne qui a inhal?? de l'h??lium temporairement sons aigus. En effet, la vitesse du son dans l'h??lium est pr??s de trois fois la vitesse du son dans l'air. Parce que le fr??quence fondamentale d'une cavit?? remplie de gaz est proportionnelle ?? la vitesse du son dans le gaz, lorsque l'h??lium est inhal??, il ya une augmentation correspondante de la les fr??quences de r??sonance de la tractus vocal. (L'effet inverse, l'abaissement des fr??quences, peut ??tre obtenu par inhalation l'hexafluorure de soufre)

L'inhalation d'h??lium, par exemple pour produire l'effet vocal, peut ??tre dangereux se il est fait ?? l'exc??s depuis l'h??lium est simple asphyxiant, donc il d??place l'oxyg??ne n??cessaire ?? la normale la respiration. Death by asphyxie entra??nera quelques minutes si l'h??lium pur est respir?? en continu. Chez les mammif??res (?? l'exception notable de joints d'??tanch??it?? et de nombreux animaux fouisseurs) le r??flexe de la respiration est d??clench??e par un exc??s de dioxyde de carbone au lieu d'un manque d'oxyg??ne, de sorte que l'h??lium par asphyxie progresse sans ??prouver la victime la faim de l'air. L'inhalation d'h??lium directement ?? partir de bouteilles sous pression est extr??mement dangereux que le d??bit ??lev?? peut entra??ner barotraumatisme, rupture mortellement tissu pulmonaire.

H??lium neutre dans des conditions normales est non-toxique, ne joue aucun r??le biologique et se trouve dans l'??tat de traces dans le sang humain. ?? des pressions ??lev??es (plus d'environ 20 atm ou deux MPa), un m??lange d'h??lium et d'oxyg??ne ( h??liox) peut conduire ?? syndrome nerveux haute pression, une sorte d'effet inverse-anesth??sique; l'ajout d'une petite quantit?? d'azote dans le m??lange peut att??nuer le probl??me.

Les contenants de gaz d'h??lium ?? 5-10 K doivent ??tre manipul??s comme se ils contiennent de l'h??lium liquide en raison de la rapide et importante la dilatation thermique qui se produit lorsque de l'h??lium gazeux ?? moins de 10 K est r??chauff?? ?? la temp??rature ambiante.

Compos??s

L'h??lium est chimiquement non r??actif dans toutes les conditions normales en raison de sa valence de z??ro. Il se agit d'un isolant ??lectrique, sauf ionis?? . Comme pour les autres gaz rares, l'h??lium m??tastable a les niveaux d'??nergie qui lui permettent de rester ionis?? dans une d??charge ??lectrique ?? un en dessous de sa tension le potentiel d'ionisation. L'h??lium peut former instables compos??s avec le tungst??ne , l'iode , le fluor , le soufre et le phosphore , lorsqu'il est soumis ?? une d??charge luminescente ??lectrique, gr??ce ?? un bombardement d'??lectrons 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.