L’hélium est l’élément numéro 2 : chaque atome possède deux protons et, dans sa forme neutre la plus courante, deux électrons. Sa masse atomique est de 4,0026 u. À température ambiante, c’est un gaz incolore et inodore. Il constitue le premier membre des gaz nobles, une famille dont les éléments réagissent peu dans les conditions ordinaires.
Pourquoi l’hélium est-il si peu réactif ?
La configuration électronique de l’hélium, 1s², signifie que sa seule couche électronique est remplie. Il n’a donc pas tendance à gagner, perdre ou partager des électrons pour compléter cette couche. Cette structure explique en grande partie son inertie chimique : l’hélium ne forme pas de composés stables courants dans les conditions ordinaires.
Son inertie est utile quand il faut éviter qu’un gaz réagisse avec les matériaux. Par exemple, il sert de gaz de protection lors du soudage à l’arc. Sa faible masse volumique explique aussi pourquoi il permet aux ballons et aux dirigeables de s’élever. Contrairement à l’hydrogène, il n’est pas inflammable, mais un ballon qui fuit ne constitue pas un apport respiratoire : l’hélium peut déplacer l’oxygène de l’air dans un espace mal ventilé.
Où trouve-t-on l’hélium sur Terre ?
À l’échelle de l’Univers, l’hélium est très abondant. Sur Terre, il est beaucoup plus rare : il se rencontre notamment dans certains gisements de gaz naturel. L’hélium présent dans le sous-sol provient en grande partie de la désintégration radioactive d’éléments lourds, comme l’uranium et le thorium, dans les roches. Il peut ensuite s’accumuler dans des réservoirs géologiques. L’Institut UTINAM du CNRS décrit cette origine et la présence de l’hélium dans les gisements de gaz naturel dans sa présentation de l’élément.
L’industrie récupère l’hélium lors du traitement de certains gaz naturels, puis le sépare et le purifie. La concentration varie d’un gisement à l’autre : l’hélium n’est donc pas un produit que l’on peut extraire économiquement de n’importe quel gaz naturel. Dans l’atmosphère, il est présent en très faible quantité et s’échappe progressivement vers l’espace, ce qui rend sa collecte dans l’air peu pratique.
Pourquoi le refroidir jusqu’à l’état liquide ?
L’hélium bout à −268,93 °C, soit 4,22 K, à la pression indiquée dans les conditions usuelles de référence. Cet état extrêmement froid en fait un fluide cryogénique : un liquide utilisé pour atteindre des températures très basses. Il sert notamment à refroidir des aimants supraconducteurs, qui conduisent l’électricité sans résistance dans certaines conditions. Ces aimants équipent des appareils d’imagerie par résonance magnétique et des installations de recherche. La fiche de l’Institut UTINAM décrit l’usage de l’hélium liquide pour refroidir des bobines supraconductrices.
À l’état gazeux, l’hélium est aussi employé comme atmosphère inerte dans des procédés industriels, pour pressuriser certains réservoirs et dans des mélanges respiratoires destinés aux travaux sous pression. Ces usages spécialisés exigent des mélanges et des équipements adaptés : ils ne se transposent pas à une utilisation improvisée.
Pourquoi son nom évoque-t-il le Soleil ?
L’hélium a été repéré dans le spectre solaire en 1868, avant d’être identifié sur Terre. Son nom vient du grec Hélios, « Soleil ». L’astronome Jules Janssen a observé une raie spectrale associée à un élément alors inconnu sur notre planète ; Norman Lockyer a ensuite proposé le nom « helium ». Cette découverte à distance est singulière dans l’histoire de la chimie : l’élément a été reconnu d’abord dans la lumière d’une étoile, puis isolé dans des matières terrestres.