Le deuxième élément du tableau périodique est l’hélium, He, numéro atomique 2. Tous les atomes d’hélium ont 2 protons dans leur noyau et 2 électrons. Il existe deux isotopes de l’hélium dontqui contient 2 neutrons dans le noyau est de loin prédominant, avec des nombres beaucoup plus faibles de l’isotope plus léger,
qui a 2 protons et 1 neutron dans son noyau et un numéro de masse de 3.
L’hélium est un gaz noble ce qui signifie qu’il n’existe que sous forme d’atomes des éléments qui ne sont jamais liés à d’autres atomes. La figure 3.3 est une représentation de l’atome d’hélium montrant ses 2 électrons. Le symbole de Lewis de l’hélium est simplement He avec 2 points. Cela montre une caractéristique très importante des atomes. Lorsque les électrons sont ajoutés aux atomes dont le numéro atomique augmente, ils sont ajoutés à différents niveaux appelés coquilles électroniques. Le seul électron de l’hydrogène, H, va dans la première coquille électronique, celle qui a la plus faible énergie possible. Le deuxième électron ajouté pour former l’atome d’hélium entre également dans la première couche d’électrons. Cette coque électronique la plus basse ne peut contenir que deux électrons au maximum, l’hélium a donc une coque électronique remplie. Les atomes dont la couche électronique est remplie n’ont pas tendance à perdre, gagner ou partager des électrons et, par conséquent, ne sont pas liés à d’autres atomes par des liaisons chimiques. Ces atomes existent seuls en phase gazeuse et les éléments qui les composent sont appelés gaz nobles. L’hélium est le premier des gaz nobles.
L’hélium gazeux a une très faible densité de seulement 0,164 g/L à 25˚C et à une pression de 1 atm. L’hélium élémentaire est la deuxième substance la moins dense après l’hydrogène gazeux. C’est cette caractéristique de faible densité qui rend l’hélium si utile dans les ballons, y compris les ballons météorologiques, qui peuvent rester en altitude pendant des jours, atteignant de très hautes altitudes.
L’hélium est pompé du sol avec certaines sources de gaz naturel, dont certaines contiennent jusqu’à 10% d’hélium en volume. L’hélium a été observé pour la première fois dans le soleil par les longueurs d’onde spécifiques de la lumière émise par les atomes d’hélium chauds. Les sources souterraines d’hélium ont été découvertes par des foreurs à la recherche de gaz naturel dans le sud-ouest du Kansas qui ont essayé d’enflammer le gaz d’un nouveau puits et ont été déçus de constater qu’il ne brûlait pas, puisqu’il s’agissait d’hélium pratiquement pur !
Chimiquement non réactif, l’hélium n’a aucune utilisation chimique, sauf pour fournir une atmosphère chimiquement inerte. Gaz non toxique, inodore, insipide et incolore, l’hélium est utilisé en raison de ses propriétés physiques uniques. Ses applications dans les ballons météorologiques et les dirigeables ont été mentionnées précédemment. En raison de sa faible solubilité dans le sang, l’hélium est mélangé à l’oxygène pour la respiration des plongeurs en eaux profondes et des personnes souffrant de certaines affections respiratoires. L’utilisation de l’hélium par les plongeurs permet d’éviter l’état très douloureux appelé « the bends », causé par les bulles d’azote se formant à partir de l’azote gazeux dissous dans le sang.
La plus grande utilisation de l’hélium est en tant que liquide super-froid, qui bout à une température de seulement 4,2 K au-dessus du zéro absolu (-269˚C), en particulier dans la science croissante de la cryogénie, qui traite des très basses températures. Certains métaux sont supraconducteurs à de telles températures, si bien que l’hélium est utilisé pour refroidir des électroaimants permettant à des aimants relativement petits de développer des champs magnétiques très puissants. Ces aimants sont des composants de l’outil chimique très utile qu’est la résonance magnétique nucléaire (RMN). Le même type d’instrument modifié pour des applications cliniques et appelé IRM est utilisé comme outil de diagnostic médical pour scanner des sections du corps à la recherche de preuves de tumeurs et d’autres maladies.
L’hydrogène veut être comme l’hélium
L’examen du symbole de Lewis de l’hélium (à droite, figure 3.3) et de la formule de Lewis de l’hydrogène élémentaire, H2, (figure 3.1) montre que chacun des deux atomes d’hydrogène de la molécule H2 peut revendiquer 2 électrons et ainsi ressembler à l’atome d’hélium. Rappelons que l’hélium est un gaz noble qui est très satisfait de ses deux électrons. Chacun des atomes de H dans H2 est satisfait de ses 2 électrons, bien qu’ils soient partagés. Cela indique une règle de base de la liaison chimique selon laquelle les atomes d’un élément ont tendance à acquérir la même configuration électronique que celle du gaz noble le plus proche. Dans ce cas, l’hydrogène, qui vient juste avant l’hélium dans le tableau périodique, gagne la configuration de gaz noble de l’hélium en partageant des électrons.
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