L'h�lium (Z = 2)

Bien que l'on en trouve que tr�s peu sur Terre, l'h�lium est, apr�s l'hydrog�ne, le second �l�ment le plus abondant dans l'univers : en effet, pr�s de 8 % des atomes sont des atomes d'h�lium (ce qui repr�sente pr�s de 24 % de la masse totale).

Remarque : il sera ici uniquement question de l'h�lium 4, isotopeOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. stable de l'h�lium dont le noyau est constitu� de 2 protons et de 2 neutrons (donc de 4 nucl�onsDu latin "nucleus" signifiant "noyau", les nucl�ons sont les composants des noyaux atomiques, autrement dit les protons et les neutrons. On appelle nombre de masse, not� A, le nombre de nucl�ons que contient un atome.).

Origine de l'h�lium

Cela fait pr�s de treize milliards d'ann�es que des quantit�s colossales d'hydrog�ne sont transform�es en h�lium dans le c�ur des �toiles. Pour prendre l'exemple du Soleil, en son sein, ce sont chaque seconde 619 millions de tonnes d'hydrog�ne qui "disparaissent" pour donner naissance � 614 millions de tonnes d'h�lium, et ce depuis des milliards d'ann�es. Pourtant, malgr� ces chiffres impressionnants, l'abondance de l'h�lium ne peut �tre expliqu�e par ce seul mode de formation : il y en a beaucoup trop ! La solution a �t� apport�e en 1948, dans un article intitul� "The Origin of Chemical Elements", plus connu sous le nom d'article "alpha beta gamma" en raison du nom de ses auteurs : Ralph Alpher, Hans Bethe et George Gamow (en r�alit�, Bethe n'a pas contribu� � sa r�daction mais son ami Gamow, qui avait l'esprit tr�s fac�tieux, ajouta son nom � seule fin de faire un jeu de mot). Et que dit cet article ? Il dit que lors des premi�res minutes qui ont suivi le Big Bang, les conditions de temp�rature et de pression �taient telles qu'elles ont permis la synth�se de grandes quantit�s d'h�lium. Cette fois-ci, le compte y est. La "nucl�osynth�se primordiale", puisque tel est le nom donn� � cet �v�nement, est d'ailleurs consid�r�e comme l'un des trois piliers sur lesquels repose la th�orie du Big Bang (les deux autres piliers �tant l'expansion de l'univers et le rayonnement de fond cosmologique).

Un peu d'histoire

L'histoire de la d�couverte de l'h�lium est pour le moins �tonnante : ce dernier a en effet �t� d�tect� pour la premi�re fois dans le Soleil, bien avant de l'�tre sur Terre. Comment est-ce possible ? Gr�ce � la spectroscopie, cet outil incontournable qui permet, entre autres choses, d'analyser la composition chimique des �toiles (mais pas seulement...).

En 1814, l'opticien et physicien allemand Joseph von Fraunhofer (1787-1823) confirme l'existence de raies sombres (observ�es quelques ann�es plus t�t par l'anglais William Wollaston) dans le spectre du Soleil, raies qui portent depuis le nom de raies de Fraunhofer. Leur nature est rest�e myst�rieuse jusqu'� ce que, dans les ann�es 1860, un physicien (Gustav Kirchhoff) et un chimiste (Robert Bunsen), tous deux allemands, trouvent l'explication : ces raies sont la signature des �l�ments chimiques pr�sents dans le Soleil. Il est donc possible, contrairement � ce qu'affirmait le philosophe Auguste Comte, d'analyser la composition chimiques des astres (�toiles, n�buleuses...) � distance.

Spectre de l'�toile Capella
Cr�dit : Volkssternwarte Regensburg

C'est ainsi que, par comparaison avec des raies spectrales obtenues artificiellement en laboratoire, on r�ussit � mettre en �vidence dans l'atmosph�re du Soleil la pr�sence de sodium, de cuivre, de calcium, de magn�sium, d'hydrog�ne, de fer, de titane, de nickel, de cobalt, et j'en passe... Toutefois, lors de l'�clipse totale de Soleil du 18 ao�t 1868, l'astronome fran�ais Jules Janssen (1824-1907) d�couvre dans le spectre d'�mission (constitu� de raies lumineuses) de la chromosph�reLa chromosph�re correspond � la basse atmosph�re du Soleil. Elle est comprise entre la photosph�re (surface visible du Soleil) et la couronne (partie haute de l'atmosph�re solaire, visible lors des �clipses totales de Soleil). du Soleil, une raie jaune qui ne correspond � aucun �l�ment chimique r�pertori� sur Terre. Quelques mois plus tard, c'est au tour de l'astronome anglais Norman Lockyer (1836-1920) d'observer cette fameuse raie jaune. Il en profite d'ailleurs pour baptiser le myst�rieux �l�ment qui en est � l'origine : il l'appelle h�lium, en r�f�rence � H�lios, dieu du Soleil dans la mythologie grecque.
Il faudra attendre pr�s de 27 ans (jusqu'en mars 1895 pour �tre exact) avant qu'un chimiste anglais, William Ramsay (1852-1916), ne parvienne � d�tecter la pr�sence d'h�lium dans des roches terrestres, au cours de l'analyse d'un �chantillon de cl�v�ite, un minerai riche en uranium.

Production industrielle de l'h�lium

La radioactivit� naturelle due � l'uranium et au thorium est � l'origine de la formation d'h�lium dans la cro�te terrestre, car ces �l�ments �mettent des particules alpha (autrement dit des noyaux d'h�lium) lors de leur d�sint�gration. L'h�lium ainsi produit peut s'accumuler dans des poches form�es par des roches imperm�ables, m�lang� � du gaz naturel (qui peut en contenir jusqu'� 7 %). En 2019, la production mondiale d'h�lium s'�levait � environ 160 millions de m³, parmi lesquels 89 millions de m³ �taient dus aux seuls Etats-Unis, d�tenteurs des principaux gisements (notamment au Kansas, au Texas et en Oklahoma).

Propri�t�s de l'h�lium

Premier �l�ment du groupe des gaz nobles, l'h�lium est totalement inerte chimiquement : on ne lui connait aucun compos� stable, du moins dans les CNTPLes CNTP ou conditions normales de temp�rature et de pression sont consid�r�es de fa�on arbitraire comme �tant les conditions d'exp�rimentation et de mesure en laboratoire, d�finies par une temp�rature de 0�C (273,15 K) et une pression de 1 atmosph�re (soit 101 325 Pa ou 1,013 bars). (conditions normales de temp�rature et de pression). Regardons plut�t du c�t� de ses propri�t�s physiques, si l'on ne veut pas s'ennuyer. Tout d'abord, il s'agit du gaz le plus l�ger apr�s le dihydrog�ne, avec sur ce dernier l'immense avantage de ne pas �tre inflammable. Ensuite, il s'agit de l'�l�ment dont la temp�rature de liqu�faction est la plus basse : - 269�C ! Entre - 269 et - 271�C, il se pr�sente sous la forme d'un liquide incolore appel� "h�lium I", mais c'est en dessous de - 271�C que les choses deviennent vraiment int�ressantes. Il passe alors dans un nouvel �tat liquide, appel� "h�lium II", o� il perd toute viscosit� et n'oppose plus aucune r�sistance � l'�coulement, devenant ce que l'on appelle un superfluide. Pour faire court, un superfluide est un liquide au comportement hors norme. Jugez plut�t ! Quand on verse de l'eau (ou n'importe quel liquide) dans un verre, elle reste bien sagement au fond (� condition bien entendu d'�tre au repos). Normal. Sauf qu'un superfluide aura tendance, lui, � "grimper" tout seul le long des parois du verre et � s'en �chapper !.
Autre bizarrerie, quand on met sur le feu une casserole remplie d'eau, l'eau qui est au fond chauffe, se dilate, devient plus l�g�re, ce qui la fait remonter � la surface tandis que de l'eau plus froide prend sa place, chauffe � son tour, se dilate, remonte � la surface, et ainsi de suite... Cela s'appelle la convection. Avec l'h�lium superfluide, rien de tout cela : la chaleur se propage uniquement par conduction, et ce quasi-instantan�ment (� pr�s de 20 m/s). Dans un superfluide, la temp�rature sera donc � tout instant partout la m�me, emp�chant ainsi tout mouvement de convection.
Outre son caract�re superfluide � basse temp�rature, l'h�lium est la seule substance qui reste liquide � pression normale jusqu'au z�ro absolu, soit -273,16�C.

Quelques exemples d'utilisation de l'h�lium

- Etant pr�s de sept fois moins dense que l'air, l'h�lium est employ� pour gonfler les ballons de baudruche si chers aux enfants, les dirigeables et la plupart des ballons sondes, envoy�s en altitude afin d'�tudier l'atmosph�re et la m�t�orologie.

dirigeable MZ-3 de l�US Navy — Dirigeable MZ-3 de l�US Navy
Cr�dit : U.S. Navy

- Les atomes d'h�lium sont tellement petits qu'ils diffusent facilement � travers les parois fines ou poreuses (cela explique pourquoi les ballons de baudruche gonfl�s � l'h�lium finissent par retomber), ou les joints dont l'�tanch�it� est imparfaite. C'est la raison pour laquelle ce gaz est parfois utilis� pour d�tecter les fuites dans les r�servoirs � haute pression.

- L'h�lium liquide est utilis� pour maintenir � tr�s basse temp�rature les aimants supraconducteursUn supraconducteur est un mat�riau qui, en dessous d'une certaine temp�rature (g�n�ralement tr�s basse), voit sa r�sistance �lectrique devenir nulle., utilis�s notamment dans les appareils d'IRM, ou encore au LHC (Large Hadron Collider), ce grand acc�l�rateur de particules situ� � proximit� de Gen�ve, qui n�cessite � lui seul une centaine de tonnes d'h�lium liquide maintenu � une temp�rature de -271�C.

- Il permet d'assurer le transport et l'�vacuation de la chaleur dans certains types de r�acteurs nucl�aires refroidis au gaz.

- Il est utilis� comme atmosph�re protectrice lors de la fabrication des circuits int�gr�s et des fibres optiques.

- En plong�e sous-marine � grande profondeur, l'air comprim� est remplac� par un m�lange d'h�lium et de dioxyg�ne, appel� "H�liox". Le diazote, principal constituant de l'air (� pr�s de 78 %), pr�sente en effet un gros d�faut. Etant soluble dans le sang, il a tendance � s'y accumuler au fur et � mesure que l'on descend et que la pression augmente, et au-del� d'une quarantaine de m�tres de profondeur (variable selon les personnes), il est responsable d'un ph�nom�ne appel� narcose ou ivresse des profondeurs, qui peut se traduire pas divers sympt�mes : euphorie, angoisse, troubles de la vision, r�flexes ralentis... autant de d�sagr�ments qui sont supprim�s lorsqu'on le remplace par de l'h�lium (du moins jusqu'� une certaine profondeur, car l'h�lium peut � son tour poser probl�me). Mais ceci n'est pas un site de plong�e...
Un dernier point : les personnes qui parlent apr�s avoir inhal� de l'h�lium ont une "voix de canard". Cela vient du fait que la c�l�rit� (vitesse) du son est environ trois fois plus grande dans l'h�lium (1007 m/s � 20�C) que dans l'air (343 m/s � 20�C).

Plong�e en 1858 — Les joies de la plong�e...
... en 1858.
Cr�dit : Le Monde illustr�, n�48

- Les lasers h�lium-n�on, tout premiers � avoir �t� invent�s (en 1960), ont longtemps �t� utilis�s dans les lecteurs de code-barres (avant d'�tre remplac�s par les lasers � diode).

- Dans certaines fus�es, la pressurisation des r�servoirs d'ergols peut �tre assur�e par un gaz inerte, g�n�ralement de l'h�lium ou du diazote.

- L'h�lium est �galement employ� comme gaz d'emballage (additif alimentaire E939), afin d'emp�cher l'oxydation des aliments et le d�veloppement de micro-organismes.

Il y aurait encore bien des choses � dire � propos de l'h�lium et de ses propri�t�s, mais la place manque, malheureusement...

Le n�on (Z = 10)

Le n�on est un gaz rare, pr�sent en tr�s faible quantit� sur Terre, puisqu'on ne le trouve qu'� l'�tat de traces dans l'atmosph�re (0,0018 % en volume). Il s'agit pourtant de l'un des �l�ments les plus abondants de l'univers (0,012 % de tous les atomes sont des atomes de n�on), puisqu'il occupe la cinqui�me place derri�re l'hydrog�ne, l'h�lium, l'oxyg�ne et le carbone. Il existe trois isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. stables du n�on dans la nature : le ²⁰Ne, le ²¹Ne et le ²²Ne, le plus abondant des trois �tant de loin le n�on 20 (²⁰Ne), qui repr�sente � lui seul environ 90 % de tout le n�on.

Origine du n�on

Le n�on est produit par certaines �toiles suffisamment massives (au moins cinq masses solaires) pour permettre, apr�s la fusion de l'h�lium en carbone (et en oxyg�ne), celle du carbone en sodium 23 (²³Na), en n�on 20 (²⁰Ne), et en magn�sium 23 (²³Mg) (la temp�rature au coeur de l'�toile atteint alors le milliard de kelvins) :

¹²C + ¹²C ---> ²³Na + ¹p (proton)

¹²C + ¹²C ---> ²⁰Ne + ⁴He

¹²C + ¹²C ---> ²³Mg + ¹n (neutron)

Un peu d'histoire

Le n�on a �t� d�couvert en 1898 par les chimistes britaniques William Ramsay (� qui l'on doit �galement la d�couverte de l'h�lium, de l'argon, du x�non et du krypton !) et Morris William Travers, qui le nomment � partir du grec "n�os" signifiant "nouveau". Ce gaz trouvera rapidement une application, le fameux tube au n�on, invent� en 1910 par le physicien et chimiste fran�ais Georges Claude (1870-1960).

Propri�t�s du n�on

Le n�on est un gaz monoatomique un peu plus l�ger que l'air, chimiquement inerte, dont la temp�rature de liqu�faction est de -246�C. Lorsqu'il est soumis � une d�charge �lectrique, il produit une lumi�re de couleur rouge-orang�e.

Production industrielle du n�on

En 2017, 360 000 m³ de n�on ont �t� produits (par distillation de l'air) au niveau mondial, principalement par les Etats-Unis (46 %), l'Ukraine (30 %) et la Chine (24 %).

Quelques exemples d'utilisation du n�on

En 2017, pr�s de 360 000 m³ de n�on pur ont �t� produits au niveau mondial, mais celui-ci ne trouve que peu d'applications pratiques :

- Il est principalement utilis� dans les tubes au n�on des enseignes publicitaires, et bien que les tubes fluorescents employ�s pour l'�clairage domestique ne contiennent pas de n�on mais de l'argon et de la vapeur de mercure, l'appellation "N�on" est rest�e.

- Certains lasers, utilis�s en chirurgie oculaire ou pour fabriquer des circuits int�gr�s, font appel au n�on.

- Le n�on est parfois utilis� comme liquide cryog�nique.

C'est peu, mais il va falloir nous en contenter.

L'argon (Z = 18)

Bien qu'il soit consid�r� comme un gaz rare, l'argon est relativement abondant dans l'atmosph�re, dont il repr�sente 1,3 % de la masse, occupant ainsi la troisi�me place derri�re le diazote (78 %) et le dioxyg�ne (21 %).
L'argon poss�de 24 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. connus, mais seuls trois sont stables : l'argon 36 (³⁶Ar), l'argon 38 (³⁸Ar) et l'argon 40 (⁴⁰Ar). Dans l'atmosph�re terrestre, on trouve essentiellement de l'argon 40 (pour 99,6 %), issu de la d�sint�gration du potassium 40 (radioactif) pr�sent dans le sol. Quant aux �toiles, elles fabriquent principalement de l'argon 36 (³⁶Ar), faisant de ce dernier l'isotope de l'argon le plus abondant dans l'univers (environ 84 %).

Origine de l'argon

Lorsque des �toiles tr�s massives (au moins dix masses solaires) arrivent en fin de vie, la temp�rature dans leur coeur ne cesse de grimper, jusqu'� atteindre 3 � 4 milliards de kelvins. Les photons gammas sont alors tellement �nerg�tiques qu'ils parviennent � briser des noyaux complexes. On parle de r�actions de photodissociation. C'est ainsi que certains noyaux de silicium 28, sous l'action de ces photons, �jectent des particules alpha (noyau d'h�lium 4) :

²⁸Si + rayons gamma --> ²⁴Mg + ⁴He

Ces particules alpha sont ensuite r�absorb�es par d'autres noyaux de silicium 28, produisant ainsi du soufre 32 et de l'argon 36 selon le m�canisme suivant :

²⁸Si + ⁴He ---> ³²S + rayons gammas

³²S + ⁴He ---> ³⁶Ar + rayons gammas

Ce m�me m�canisme va ensuite se r�p�ter pour donner naissance � d'autres �l�ments (calcium 40, titane 44...), mais nous y reviendrons en temps voulu.

Un peu d'histoire

En 1785, le physicien et chimiste britanique Henry Cavendish soup�onne la pr�sence dans l'air d'un gaz inconnu et inerte chimiquement, mais il faut attendre l'ann�e 1894 pour que Lord Rayleigh et William Ramsay (� qui l'on doit �galement la d�couverte de l'h�lium, du n�on, du x�non et du krypton !) ne confirment l'existence de ce nouvel �l�ment, auquel ils donnent le nom d'argon, tir� du grec "arg�s" signifiant "oisif", "paresseux", l'argon se montrant vraiment peu enclin � r�agir avec les autres �l�ments.

Propri�t�s de l'argon

L'argon est un gaz monoatomique un peu plus dense que l'air. Sa temp�rature de liqu�faction est de -186�C. Lorsqu'il est soumis � une d�charge �lectrique, il produit une douce lumi�re de couleur ros�tre.

Lampe � d�charges (� argon)
Cr�dit : Pslawinski

Bon isolant thermique, l'argon est totalement inerte chimiquement, � l'instar des autres gaz nobles. Il pr�sente toutefois sur ces dernier l'avantage d'�tre beaucoup moins on�reux.

Production industrielle de l'argon

L'argon, dont la temp�rature d'�bullition est de -186�C, est obtenu par distillation fractionn�e de l'air liquide, proc�d� qui permet de r�cup�rer pr�s de 90 % de l'argon contenu dans l'air.

Quelques exemples d'utilisation de l'argon

- Une atmosph�re d'argon est parfois requise pour les proc�d�s � haute temp�rature, en raison de son inertie chimique plus importante que celle de l'azote. C'est le cas notamment dans les fours o� il y a des �lectrodes en graphites, dont il faut bien entendu emp�cher la combustion.

- Toujours en raison de son inertie chimique, l'argon est parfois utilis� comme gaz protecteur dans le soudage � l'arc (il cr�e une enveloppe protectrice autour de l'arc �lectrique).

- C'est triste, mais l'argon est utilis� pour asphyxier les volailles dans les �levages, afin de les faire "partir" sans douleur.

Marchand de volailles (vers 1870),
par Van Schendel

- Dans le domaine m�dical, des lasers � argon trouvent nombre d'applications : chirurgie oculaire, destruction de tumeurs, sutures d'art�res...

- En tant qu'atmosph�re protectrice emp�chant l'oxydation, l'argon est �galement utilis� comme conservateur pour les aliments (viande, vin), ainsi que pour les vernis et les peintures.

- La m�thode de datation par le potassium-argon est employ�e pour estimer l'�ge de roches form�es � partir de magmas enti�rement d�gaz�s, en mesurant les quantit�s relatives de potassium 40 et d'argon 40 qu'elles contiennent. On part de l'hypoth�se selon laquelle au moment de sa formation, la roche contient du potassium 40 (isotope radioactif), mais pas d'argon. Une fois que le magma est solidifi�, le potassium 40 se d�sint�gre progressivement (avec une p�riodeLa p�riode ou demi-vie d'un isotope radio-actif correspond � la dur�e au bout de laquelle la moiti� des noyaux de cet isotope se sont d�sint�gr�s. de 1,25 milliards d'ann�es) en lib�rant de l'argon 40 qui s'accumule progressivement dans la roche. Donc, plus le temps passe, moins il y a de potassium 40 et plus il y a d'argon 40. Les formules math�matiques font le reste...

Le krypton (Z = 36)

Le krypton est un gaz rare (noble), pr�sent � l'�tat de traces dans l'atmosph�re terrestre, o� il ne repr�sente qu'une mol�cule sur un million. Il poss�de 33 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le m�me nombre de protons, mais qui diff�rent par leur nombre de neutrons. connus, mais seuls cinq d'entre eux sont stables, le plus abondant �tant le krypton 84 (⁸⁴Kr), � raison de 57 %.

Origine du krypton

Le krypton est produit, � l'instar du s�l�nium et du brome, par capture de neutrons lors d'explosions de supernovae � effondrement de c�ur (supernovae de type II) ou de fusions d'�toiles � neutrons (kilonovae). Le m�canisme qui intervient ici est appel� processus r, la lettre r signifiant qu'il s'agit d'un processus de capture rapide, n�cessitant un flux de neutrons tr�s �lev�.

Un peu d'histoire

Le krypton a �t� d�couvert par les chimistes britaniques William Ramsay (� qui l'on doit �galement la d�couverte de l'h�lium, de l'argon, du n�on et du x�non !) et Morris William Travers, le 30 mai 1898. Il tire son nom du grec "kryptos" signifiant "cach�", tant il est discret.

Propri�t�s du krypton

A l'instar des autres gaz rares, le krypton est totalement inerte chimiquement. En 1963, N.Barlett parvient toutefois � le faire r�agir avec le difluor et � former du difluorure de krypton (KrF₂), mais cela reste une exception.
Environ trois fois plus dense que l'air, sa temp�rature de liqu�faction est de -153�C. Lorsqu'il est soumis � un courant �lectrique, il produit une lumi�re blanc-bleut�, ce qui lui vaut d'�tre utilis� dans certaines lampes haut de gamme de photographes.

Production industrielle du krypton

Le krypton est obtenu par distillation fractionn�e de l'air liquide. tout simplement. En 2017, ce sont pr�s de 130 000 m³ qui ont ainsi �t� produits au niveau mondial, principalement par l'Ukraine et la Russie.

Quelques exemples d'utilisation du krypton

- La principale utilisation du krypton est l'isolation thermique des doubles (ou triples) vitrages, puisqu'il s'av�re �tre dans ce domaine trois fois plus efficace que l'argon (et six fois plus efficace que l'air).

- Dans les lampes halog�nes, le krypton emp�che l'�vaporation du filament de tungst�ne de fa�on plus efficace que l'argon ou l'azote. Ce type de lampe est toutefois appel� � dispara�tre, leur production et leur commercialisation �tant d�sormais interdite dans l'Union europ�enne.

- Le krypton est employ� dans certains lasers utilis�s en chirurgie ou dans la recherche sur la fusion nucl�aire.

- De 1960 � 1983, le krypton a servit � �tablir le m�tre, ce dernier �tant alors d�fini comme correspondant � 1 650 763,73 fois la longueur d'onde de la raie spectrale orange �mise par l'isotope ⁸⁶Kr dans le vide.

Astronomie pour les myopes - Mentions l�gales