Helium - Helium

Helium,  ₂ He

Helium
Aussprache	/ H í l i ə m / ​ ( HEE -Lee-əm )
Aussehen	farbloses Gas, das in einem elektrischen Feld ein graues, trübes Leuchten (oder rötlich-orange, wenn eine besonders hohe Spannung verwendet wird) zeigt
Standardatomgewicht A r, std (He)	4.002 602 (2)
Helium im Periodensystem
Wasserstoff Helium Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europa Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Das Blei Wismut Polonium Astatin Radon Francium Radium Aktinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Amerika Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Röntgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moskau Lebermorium Tennessine Oganesson – ↑ Er ↓ Ne Wasserstoff ← Helium → Lithium
Ordnungszahl ( Z )	2
Gruppe	Gruppe 18 (Edelgase)
Zeitraum	Zeitraum 1
Block	S-Block
Elektronenkonfiguration	1s 2
Elektronen pro Schale	2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP	Gas
Schmelzpunkt	0,95  K ​(−272,20 °C, ​−457.96 °F) (bei 2,5 MPa)
Siedepunkt	4.222 K ​(−268.928 °C, ​−452.070 °F)
Dichte (bei STP)	0,1786 g/l
wenn flüssig (bei  mp )	0,145 g / cm 3
wenn flüssig (bei  bp )	0,125 g / cm 3
Dreifacher Punkt	2,177 K, ​5.043 kPa
Kritischer Punkt	5,1953 K, 0,22746 MPa
Schmelzwärme	0,0138  kJ/mol
Verdampfungswärme	0,0829 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	20,78 J/(mol·K)
Dampfdruck (definiert durch ITS-90 ) P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei  T  (K)     1,23 1,67 2.48 4,21
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	0
Elektronegativität	Pauling-Skala: keine Daten
Ionisierungsenergien
Kovalenter Radius	28  Uhr
Van-der-Waals-Radius	140 Uhr
Spektrallinien von Helium
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	urtümlich
Kristallstruktur	​hexagonal dicht gepackt (hcp)
Schallgeschwindigkeit	972 m/s
Wärmeleitfähigkeit	0,1513 W/(m⋅K)
Magnetische Bestellung	diamagnetisch
Molare magnetische Suszeptibilität	−1,88 × 10 −6  cm 3 /mol (298 K)
CAS-Nummer	7440-59-7
Geschichte
Benennung	nach Helios , griechischer Gott der Sonne
Entdeckung	Pierre Janssen , Norman Lockyer (1868)
Erste Isolierung	William Ramsay , Per Teodor Cleve , Abraham Langlet (1895)
Haupt Isotope von Helium
Isotop Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Decay-Modus Produkt 3 Er 0,0002% stabil 4 Er 99,9998% stabil
Kategorie: Helium Aussicht sprechen bearbeiten | Verweise

Helium (aus dem Griechischen : ἥλιος , romanisiert :  helios , wörtlich  'Sonne') ist ein chemisches Element mit dem Symbol He und der Ordnungszahl 2. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges, inertes , einatomiges Gas , das erste in der Edelgasgruppe im Periodensystem . Sein Siede- und Schmelzpunkt sind die niedrigsten aller Elemente . Helium ist das zweitleichteste und zweithäufigste Element im beobachtbaren Universum ( Wasserstoff ist das leichteste und am häufigsten vorkommende). Es ist mit etwa 24% der gesamten Elementarmasse vorhanden, das ist mehr als das 12-fache der Masse aller schwereren Elemente zusammen. Seine Häufigkeit ist dieser sowohl in der Sonne als auch in Jupiter ähnlich . Dies ist auf die sehr hohe Kernbindungsenergie (pro Nukleon ) von Helium-4 in Bezug auf die nächsten drei Elemente nach Helium zurückzuführen. Diese Bindungsenergie von Helium-4 erklärt auch, warum es sowohl ein Produkt der Kernfusion als auch des radioaktiven Zerfalls ist . Das meiste Helium im Universum ist Helium-4, von dem die überwiegende Mehrheit während des Urknalls gebildet wurde . Durch Kernfusion von Wasserstoff in Sternen entstehen große Mengen an neuem Helium .

Helium wurde erstmals als unbekannte, gelbe Spektralliniensignatur im Sonnenlicht während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1868 von Georges Rayet , Captain CT Haig, Norman R. Pogson und Lieutenant John Herschel entdeckt und anschließend vom französischen Astronomen Jules Janssen bestätigt . Janssen wird oft gemeinsam mit Norman Lockyer die Entdeckung des Elements zugeschrieben . Janssen zeichnete die Helium-Spektrallinie während der Sonnenfinsternis von 1868 auf, während Lockyer sie von Großbritannien aus beobachtete. Lockyer war der erste, der vorschlug, dass die Linie auf ein neues Element zurückzuführen war, das er benannte. Die formale Entdeckung des Elements wurde 1895 von Chemikern gemacht Sir William Ramsay , Per Teodor Cleve und Nils Abraham Langlet , das Helium aus dem ausgeh gefunden Uran - Erz , Cleveit , das jetzt nicht als separate Mineralart, sondern als ein Vielzahl von Uraninit. 1903 wurden große Heliumvorkommen in Erdgasfeldern in Teilen der Vereinigten Staaten gefunden, die heute mit Abstand der größte Gaslieferant sind.

Flüssiges Helium wird in der Kryotechnik (die größte Einzelanwendung, die etwa ein Viertel der Produktion absorbiert) und zur Kühlung von supraleitenden Magneten verwendet , wobei die kommerzielle Hauptanwendung in MRT- Scannern liegt. Die anderen industriellen Anwendungen von Helium – als Druck- und Spülgas, als Schutzatmosphäre beim Lichtbogenschweißen und in Prozessen wie der Kristallzüchtung zur Herstellung von Siliziumwafern – machen die Hälfte des produzierten Gases aus. Eine bekannte, aber untergeordnete Verwendung ist als Auftriebsgas in Ballons und Luftschiffen . Wie bei jedem Gas, dessen Dichte sich von der von Luft unterscheidet, verändert das Einatmen einer kleinen Menge Helium vorübergehend die Klangfarbe und Qualität der menschlichen Stimme . In der wissenschaftlichen Forschung ist das Verhalten der beiden flüssigen Phasen von Helium-4 (Helium I und Helium II) wichtig für Forscher, die sich mit der Quantenmechanik (insbesondere der Eigenschaft der Suprafluidität ) befassen, und für diejenigen, die sich mit Phänomenen wie der Supraleitung beschäftigen , die erzeugt werden in Materie nahe dem absoluten Nullpunkt .

Auf der Erde ist es relativ selten – 5,2 Volumen - ppm in der Atmosphäre . Das meiste heute vorhandene terrestrische Helium entsteht durch den natürlichen radioaktiven Zerfall schwerer radioaktiver Elemente ( Thorium und Uran , obwohl es andere Beispiele gibt), da die bei solchen Zerfällen emittierten Alphateilchen aus Helium-4- Kernen bestehen . Dieses radiogene Helium wird mit Erdgas in Konzentrationen von bis zu 7 Vol.-% aufgefangen , aus dem es durch ein Niedertemperatur-Trennverfahren, die sogenannte fraktionierte Destillation, kommerziell gewonnen wird . Zuvor galt terrestrisches Helium – eine nicht erneuerbare Ressource, da es nach der Freisetzung in die Atmosphäre sofort in den Weltraum entweicht – als immer knapper. Neuere Studien deuten jedoch darauf hin, dass sich durch radioaktiven Zerfall tief in der Erde erzeugtes Helium in größeren als erwarteten Mengen in Erdgasreserven ansammeln kann, in einigen Fällen durch vulkanische Aktivität freigesetzt.

Geschichte

Wissenschaftliche Entdeckungen

Der erste Nachweis von Helium wurde am 18. August 1868 als hellgelbe Linie mit einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne beobachtet . Die Linie wurde vom französischen Astronomen Jules Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Guntur , Indien, entdeckt. Diese Linie wurde ursprünglich als Natrium angenommen . Am 20. Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die er D _{3 nannte,} weil sie sich in der Nähe der bekannten Fraunhofer- Linien D ₁ und D ₂ des Natriums befand. Er kam zu dem Schluss, dass es durch ein auf der Erde unbekanntes Element der Sonne verursacht wurde. Lockyer und der englische Chemiker Edward Frankland benannten das Element mit dem griechischen Wort für die Sonne, ( helios ).

Spektrallinien von Helium

Im Jahr 1881, italienischen Physiker Luigi Palmieri erkannt Helium auf der Erde zum ersten Mal durch die D ₃ Spektrallinie, wenn er ein Material analysiert , das war sublimiert kürzlich bei einem Ausbruch des Vesuvs .

Sir William Ramsay , der Entdecker des terrestrischen Heliums

Die Cleveit-Probe, aus der Ramsay erstmals Helium aufbereitete

Am 26. März, 1895, Scottish Chemiker Sir William Ramsay isoliert Helium auf der Erde , indem die mineralische Behandlung Cleveit (eine Vielzahl von Uraninit mit mindestens 10% Seltenerdelemente ) mit Mineralsäuren . Ramsay suchte Argon , aber nach Abtrennen Stickstoff und Sauerstoff aus dem Gas, durch befreit Schwefelsäure , bemerkte er eine leuchtend gelbe Linie, die die D abgestimmt ₃ Linie in dem Spektrum der Sonne beobachtet Diese Proben wurden von Lockyer und dem britischen Physiker William Crookes als Helium identifiziert . Es wurde im selben Jahr unabhängig von Cleveit von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet in Uppsala , Schweden, isoliert , die genug von dem Gas sammelten, um sein Atomgewicht genau zu bestimmen . Helium wurde auch von dem amerikanischen Geochemiker William Francis Hillebrand vor Ramsays Entdeckung isoliert , als er beim Testen einer Probe des Minerals Uraninit ungewöhnliche Spektrallinien bemerkte. Hillebrand führte die Linien jedoch auf Stickstoff zurück. Sein Glückwunschschreiben an Ramsay bietet einen interessanten Fall von Entdeckungen und Beinahe-Entdeckungen in der Wissenschaft.

1907, Ernest Rutherford und Thomas Royds gezeigt , dass Alpha - Teilchen Helium sind Kerne , indem man die Teilchen , die die dünne Glaswand eines evakuierten Röhrchens zu durchdringen, um eine Entladung in der Röhre zu schaffen, um das Spektrum des neuen Gases im Innern zu studieren. 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem das Gas auf weniger als 5 K (−268,15 °C; −450,67 °F) abgekühlt wurde. Er versuchte, es zu verfestigen, indem er die Temperatur weiter senkte, scheiterte jedoch, weil Helium bei Atmosphärendruck nicht erstarrt. Onnes' Schüler Willem Hendrik Keesom konnte 1926 schließlich 1 cm ³ Helium durch zusätzlichen äußeren Druck verfestigen .

1913 veröffentlichte Niels Bohr seine „Trilogie“ über die Atomstruktur, die eine Neubetrachtung der Pickering-Fowler-Reihe als zentralen Beweis für sein Atommodell beinhaltete . Diese Serie ist nach Edward Charles Pickering benannt , der 1896 Beobachtungen von bisher unbekannten Linien im Spektrum des Sterns ζ Puppis veröffentlichte (diese treten heute bei Wolf-Rayet und anderen heißen Sternen auf). Pickering führte die Beobachtung (Linien bei 4551, 5411 und 10123  Å ) einer neuen Form von Wasserstoff mit halbzahligen Übergangsniveaus zu. 1912 gelang es Alfred Fowler , ähnliche Leitungen aus einem Wasserstoff-Helium-Gemisch herzustellen, und unterstützte Pickerings Schlussfolgerung hinsichtlich ihrer Herkunft. Bohrs Modell lässt keine halbzahligen Übergänge zu (und auch die Quantenmechanik nicht) und Bohr kam zu dem Schluss, dass Pickering und Fowler falsch lagen und ordnete diese Spektrallinien stattdessen ionisiertem Helium, He ^{+ , zu} . Fowler war anfangs skeptisch, war aber letztendlich davon überzeugt, dass Bohr Recht hatte, und bis 1915 „hatten Spektroskopiker [die Pickering-Fowler-Reihe] definitiv [von Wasserstoff] auf Helium übertragen“. Bohrs theoretische Arbeit an der Pickering-Reihe hatte die Notwendigkeit einer "Neuprüfung von Problemen, die in klassischen Theorien bereits gelöst zu sein schienen", aufgezeigt und eine wichtige Bestätigung für seine Atomtheorie geliefert.

1938 entdeckte der russische Physiker Pjotr ​​Leonidovich Kapitsa , dass Helium-4 bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt fast keine Viskosität hat , ein Phänomen, das heute als Suprafluidität bezeichnet wird . Dieses Phänomen hängt mit der Bose-Einstein-Kondensation zusammen . 1972 wurde das gleiche Phänomen in Helium-3 beobachtet , jedoch bei Temperaturen viel näher am absoluten Nullpunkt, von den amerikanischen Physikern Douglas D. Osheroff , David M. Lee und Robert C. Richardson . Es wird angenommen, dass das Phänomen in Helium-3 mit der Paarung von Helium-3- Fermionen zu Bosonen zusammenhängt , analog zu Cooper- Elektronenpaaren, die Supraleitung erzeugen .

Extraktion und Verwendung

Historischer Marker, der einen massiven Heliumfund in der Nähe von Dexter, Kansas . bezeichnet

Nach einer Operation Ölbohrungen im Jahre 1903 in Dexter, Kansas produziert einen Gas Geysir , die nicht brennen würde, staatliche Geologe Kansas Erasmus Haworth gesammelten Proben des austretenden Gases und nahm sie an der Rückseite University of Kansas in Lawrence , wo mit Hilfe von Chemikern Hamilton Cady und David McFarland entdeckte er, dass das Gas nach Volumen aus 72 % Stickstoff, 15 % Methan (ein brennbarer Prozentsatz nur mit ausreichend Sauerstoff), 1 % Wasserstoff und 12 % einem nicht identifizierbaren Gas bestand. Bei weiteren Analysen stellten Cady und McFarland fest, dass 1,84% der Gasprobe aus Helium bestanden. Dies zeigte, dass Helium trotz seiner Seltenheit auf der Erde in großen Mengen unter den amerikanischen Great Plains konzentriert war und als Nebenprodukt von Erdgas zur Förderung zur Verfügung stand .

Dadurch wurden die USA zum weltweit führenden Anbieter von Helium. Auf Vorschlag von Sir Richard Threlfall sponserte die United States Navy während des Ersten Weltkriegs drei kleine experimentelle Heliumanlagen. Ziel war es, Sperrballons mit dem nicht brennbaren Gas zu versorgen , das leichter als Luft war. Insgesamt wurden im Programm 5.700 m ³ (200.000 cu ft) 92 %iges Helium produziert, obwohl zuvor weniger als ein Kubikmeter Gas gewonnen worden war. Ein Teil dieses Gases wurde in der weltweit ersten mit Helium gefülltes Luftschiff verwendet, der US Navy C-Klasse Blimp C-7, die ich von seiner Jungfernfahrt fliegen Hampton Roads, Virginia , an Bolling Feld in Washington, DC, am 1. Dezember 1921 , fast zwei Jahre bevor das erste starre Helium-gefüllte Luftschiff der Marine , die in der Naval Aircraft Factory gebaute USS Shenandoah , im September 1923 flog.

Obwohl das Gewinnungsverfahren mittels Niedertemperatur- Gasverflüssigung während des Ersten Weltkriegs nicht rechtzeitig zu einer bedeutenden Bedeutung kam, wurde die Produktion fortgesetzt. Helium wurde hauptsächlich als Hebegas in Leichter-als-Luft-Fahrzeugen verwendet. Während des Zweiten Weltkriegs stieg der Bedarf an Helium für das Hebegas und für das Schutzgasschweißen . Das Helium-Massenspektrometer war auch beim Atombomben- Manhattan-Projekt von entscheidender Bedeutung .

Die Regierung der Vereinigten Staaten richtete 1925 in Amarillo, Texas , die National Helium Reserve ein , mit dem Ziel, militärische Luftschiffe in Kriegszeiten und kommerzielle Luftschiffe in Friedenszeiten zu versorgen . Aufgrund des Heliumgesetzes von 1925 , das den Export von knappem Helium, auf das die USA damals ein Produktionsmonopol hatten, und den unerschwinglichen Kosten des Gases verbot, war die Hindenburg , wie alle deutschen Zeppeline , gezwungen, Wasserstoff als Auftriebskörper zu verwenden Gas. Der Heliummarkt nach dem Zweiten Weltkrieg war gedrückt, aber die Reserve wurde in den 1950er Jahren erweitert, um eine Versorgung mit flüssigem Helium als Kühlmittel zur Herstellung von Sauerstoff/Wasserstoff- Raketentreibstoff (unter anderem) während des Weltraumrennens und des Kalten Krieges zu gewährleisten . Der Heliumverbrauch in den Vereinigten Staaten betrug 1965 mehr als das Achtfache des Spitzenverbrauchs in Kriegszeiten.

Nach den "Helium Acts Amendments of 1960" (Public Law 86-777) ordnete das US Bureau of Mines fünf private Anlagen zur Gewinnung von Helium aus Erdgas an. Für dieses Helium-Erhaltungsprogramm baute das Bureau eine 684 km lange Pipeline von Bushton, Kansas , um diese Anlagen mit dem teilweise erschöpften Cliffside-Gasfeld der Regierung in der Nähe von Amarillo, Texas, zu verbinden. Dieses Helium-Stickstoff-Gemisch wurde injiziert und im Cliffside-Gasfeld gelagert, bis es gebraucht wurde, woraufhin es weiter gereinigt wurde.

Bis 1995 war eine Milliarde Kubikmeter des Gases gesammelt worden, und die Reserven waren mit 1,4 Milliarden US-Dollar verschuldet, was den Kongress der Vereinigten Staaten 1996 veranlasste, die Reserven auslaufen zu lassen. Der daraus resultierende Helium Privatization Act von 1996 (Public Law 104-273) wies das Innenministerium der Vereinigten Staaten an, das Reservat zu leeren, wobei der Verkauf ab 2005 begann.

Das zwischen 1930 und 1945 produzierte Helium war zu 98,3% rein (2% Stickstoff), was für Luftschiffe ausreichend war. 1945 wurde eine geringe Menge von 99,9 % Helium für Schweißzwecke hergestellt. Bis 1949 waren kommerzielle Mengen von 99,95 % Helium der Klasse A verfügbar.

Viele Jahre lang produzierten die Vereinigten Staaten mehr als 90% des kommerziell nutzbaren Heliums der Welt, während Extraktionsanlagen in Kanada, Polen, Russland und anderen Nationen den Rest produzierten. Mitte der 1990er Jahre wurde ein neues Werk in Arzew , Algerien, in Betrieb genommen, das 17 Millionen Kubikmeter (600 Millionen Kubikfuß) produziert, mit ausreichender Produktion, um den gesamten europäischen Bedarf zu decken. Bis zum Jahr 2000 war der Heliumverbrauch in den USA auf über 15 Millionen kg pro Jahr gestiegen. 2004–2006 wurden weitere Werke in Ras Laffan , Katar , und Skikda , Algerien gebaut. Algerien wurde schnell zum zweitwichtigsten Heliumproduzenten. In dieser Zeit stiegen sowohl der Heliumverbrauch als auch die Kosten für die Heliumproduktion. Von 2002 bis 2007 haben sich die Heliumpreise verdoppelt.

Im Jahr 2012 machte die Nationale Heliumreserve der Vereinigten Staaten 30 Prozent des weltweiten Heliums aus. Es wurde erwartet, dass der Reserve 2018 das Helium ausgeht. Trotzdem würde ein im US-Senat vorgeschlagener Gesetzentwurf es der Reserve ermöglichen, das Gas weiter zu verkaufen. Andere große Reserven befanden sich in Hugoton in Kansas , USA, und in den nahegelegenen Gasfeldern von Kansas und den Panhandles von Texas und Oklahoma . Neue Heliumanlagen sollten 2012 in Katar , Russland und im US-Bundesstaat Wyoming eröffnet werden , aber sie sollten den Mangel nicht lindern.

2013 nahm Katar die weltweit größte Heliumanlage in Betrieb, obwohl die diplomatische Krise 2017 Katars die Heliumproduktion dort stark beeinträchtigte. 2014 wurde allgemein als ein Jahr des Überangebots im Heliumgeschäft anerkannt, nach Jahren bekannter Knappheit. Nasdaq berichtete (2015), dass bei Air Products , einem internationalen Unternehmen, das Gase für die industrielle Nutzung verkauft, die Heliummengen aufgrund von Rohstoffengpässen weiterhin unter wirtschaftlichem Druck stehen.

Eigenschaften

Das Heliumatom

Das Heliumatom. Dargestellt sind der Kern (rosa) und die Elektronenwolkenverteilung (schwarz). Der Kern (oben rechts) in Helium-4 ist in Wirklichkeit kugelsymmetrisch und ähnelt stark der Elektronenwolke, obwohl dies bei komplizierteren Kernen nicht immer der Fall ist.

Helium in der Quantenmechanik

In der Perspektive der Quantenmechanik , ist Helium das zweiten einfachsten Atom zu Modell, nach dem Wasserstoffatom . Helium besteht aus zwei Elektronen in Atomorbitalen, die einen Kern umgeben, der zwei Protonen und (normalerweise) zwei Neutronen enthält. Wie in der Newtonschen Mechanik lässt sich kein System, das aus mehr als zwei Teilchen besteht, mit einem exakten analytischen mathematischen Ansatz lösen (siehe 3-Körper-Problem ) und Helium bildet da keine Ausnahme. Daher sind numerische mathematische Methoden erforderlich, auch um das System aus einem Kern und zwei Elektronen zu lösen. Solche computerchemischen Methoden wurden verwendet, um in wenigen Rechenschritten ein quantenmechanisches Bild der Helium-Elektronenbindung zu erstellen, das auf < 2% des korrekten Wertes genau ist. Solche Modelle zeigen, dass jedes Elektron in Helium den Kern teilweise vom anderen abschirmt, so dass die effektive Kernladung Z, die jedes Elektron sieht, etwa 1,69 Einheiten beträgt, nicht die 2 Ladungen eines klassischen "nackten" Heliumkerns.

Die damit verbundene Stabilität des Helium-4-Kerns und der Elektronenhülle

Der Kern des Helium-4-Atoms ist identisch mit einem Alpha-Teilchen . Hochenergetische Elektronenstreuexperimente zeigen, dass seine Ladung von einem Maximum an einem zentralen Punkt exponentiell abnimmt, genau wie die Ladungsdichte der eigenen Elektronenwolke von Helium . Diese Symmetrie spiegelt eine ähnliche zugrundeliegende Physik wider: Das Neutronenpaar und das Protonenpaar im Heliumkern gehorchen denselben quantenmechanischen Regeln wie das Heliumelektronenpaar (obwohl die Kernteilchen einem anderen Kernbindungspotential unterliegen), so dass all diese Fermionen besetzen vollständig 1s- Orbitale in Paaren, von denen keines einen Bahndrehimpuls besitzt und jedes den intrinsischen Spin des anderen aufhebt. Das Hinzufügen eines weiteren dieser Teilchen würde einen Drehimpuls erfordern und würde wesentlich weniger Energie freisetzen (tatsächlich ist kein Kern mit fünf Nukleonen stabil). Diese Anordnung ist somit für alle diese Teilchen energetisch extrem stabil, und diese Stabilität erklärt viele entscheidende Fakten über Helium in der Natur.

Zum Beispiel ist die Stabilität und niedrige Energie des Elektronenwolkenzustands in Helium für die chemische Trägheit des Elements verantwortlich und auch für die fehlende Wechselwirkung der Heliumatome untereinander, wodurch die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente erzeugt werden.

In ähnlicher Weise erklärt die besondere energetische Stabilität des Helium-4-Kerns, die durch ähnliche Effekte erzeugt wird, die Leichtigkeit der Helium-4-Produktion bei atomaren Reaktionen, die entweder die Emission schwerer Teilchen oder die Fusion beinhalten. Etwas stabiles Helium-3 (2 Protonen und 1 Neutron) wird in Fusionsreaktionen aus Wasserstoff erzeugt, aber im Vergleich zum sehr günstigen Helium-4 ist dies ein sehr kleiner Bruchteil.

Bindungsenergie pro Nukleon üblicher Isotope. Die Bindungsenergie pro Teilchen von Helium-4 ist deutlich größer als bei allen nahen Nukliden.

Die ungewöhnliche Stabilität des Helium-4-Kerns ist auch kosmologisch wichtig : Sie erklärt die Tatsache, dass in den ersten Minuten nach dem Urknall als "Suppe" aus freien Protonen und Neutronen, die zunächst im Verhältnis 6:1 entstanden war, so weit abgekühlt war, dass eine Kernbindung möglich war, waren fast alle ersten zusammengesetzten Atomkerne, die sich bildeten, Helium-4-Kerne. Die Helium-4-Bindung war so eng, dass die Helium-4-Produktion in wenigen Minuten fast alle freien Neutronen verbrauchte, bevor sie Beta-Zerfall konnten, und auch nur wenige übrig blieben, um schwerere Atome wie Lithium, Beryllium oder Bor zu bilden. Die Helium-4-Kernbindung pro Nukleon ist stärker als bei jedem dieser Elemente (siehe Nukleogenese und Bindungsenergie ) und somit stand nach der Heliumbildung kein energetischer Antrieb zur Verfügung, um die Elemente 3, 4 und 5 herzustellen. Es war energetisch kaum günstig damit Helium mit einer geringeren Energie pro Nukleon in das nächste Element , Kohlenstoff , fusioniert . Aufgrund fehlender Zwischenelemente erfordert dieser Prozess jedoch, dass drei Heliumkerne fast gleichzeitig aufeinander treffen (siehe Triple-Alpha-Prozess ). So blieb in den wenigen Minuten nach dem Urknall keine Zeit, um signifikanten Kohlenstoff zu bilden, bevor das sich früh ausdehnende Universum auf den Temperatur- und Druckpunkt abkühlte, an dem eine Heliumfusion zu Kohlenstoff nicht mehr möglich war. Dies ließ das frühe Universum mit einem sehr ähnlichen Verhältnis von Wasserstoff/Helium zurück, wie es heute beobachtet wird (3 Massenteile Wasserstoff zu 1 Teil Helium-4), wobei fast alle Neutronen im Universum in Helium-4 gefangen sind.

Alle schwereren Elemente (einschließlich derer, die für Gesteinsplaneten wie die Erde und für kohlenstoffbasiertes oder anderes Leben notwendig sind) wurden somit seit dem Urknall in Sternen erzeugt, die heiß genug waren, um Helium selbst zu fusionieren. Alle Elemente außer Wasserstoff und Helium machen heute nur noch 2 % der Atommasse im Universum aus. Im Gegensatz dazu macht Helium-4 etwa 23% der gewöhnlichen Materie des Universums aus – fast die gesamte gewöhnliche Materie, die kein Wasserstoff ist.

Gas- und Plasmaphasen

Helium-Entladungsröhre in Form des Atomsymbols des Elements

Helium ist nach Neon das zweitreaktivste Edelgas und damit das zweitreaktivste aller Elemente. Es ist unter allen Standardbedingungen chemisch inert und einatomig. Aufgrund der relativ geringen molaren (atomaren) Masse von Helium sind seine Wärmeleitfähigkeit , spezifische Wärme und Schallgeschwindigkeit in der Gasphase alle größer als bei jedem anderen Gas außer Wasserstoff . Aus diesen Gründen und wegen der geringen Größe der einatomigen Heliummoleküle diffundiert Helium dreimal so schnell durch Festkörper wie Luft und etwa 65 % der Geschwindigkeit von Wasserstoff.

Helium ist das am wenigsten wasserlösliche einatomige Gas und eines der am wenigsten wasserlöslichen Gase ( CF ₄ , SF ₆ und C ₄ F ₈ haben niedrigere Löslichkeiten im Molenbruch: 0,3802, 0,4394 und 0,2372 x ₂ /10 ^{− 5} , gegenüber 0,70797 x ₂ /10 ^{–5 von} Helium), und der Brechungsindex von Helium liegt näher an Eins als der jedes anderen Gases. Helium hat bei normalen Umgebungstemperaturen einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten , was bedeutet, dass es sich erwärmt, wenn es sich frei ausdehnen kann. Erst unterhalb seiner Joule-Thomson-Inversionstemperatur (von etwa 32 bis 50 K bei 1 Atmosphäre) kühlt es bei freier Expansion ab. Unter dieser Temperatur vorgekühlt kann Helium durch Expansionskühlung verflüssigt werden.

Das meiste außerirdische Helium befindet sich in einem Plasmazustand , dessen Eigenschaften sich stark von denen des atomaren Heliums unterscheiden. In einem Plasma sind die Elektronen von Helium nicht an seinen Kern gebunden, was zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit führt, selbst wenn das Gas nur teilweise ionisiert ist. Die geladenen Teilchen werden stark von magnetischen und elektrischen Feldern beeinflusst. Im Sonnenwind beispielsweise interagieren die Teilchen zusammen mit ionisiertem Wasserstoff mit der Magnetosphäre der Erde , wodurch Birkeland-Ströme und das Polarlicht entstehen .

Flüssiges Helium

Verflüssigtes Helium. Dieses Helium ist nicht nur flüssig, sondern wurde bis zur Suprafluidität abgekühlt . Der Flüssigkeitstropfen am Boden des Glases stellt Helium dar, das spontan aus dem Behälter über die Seite entweicht, um sich aus dem Behälter zu entleeren. Die Energie zum Antrieb dieses Prozesses wird durch die potentielle Energie des fallenden Heliums geliefert.

Im Gegensatz zu jedem anderen Element bleibt Helium bei Normaldruck bis zum absoluten Nullpunkt flüssig . Dies ist ein direkter Effekt der Quantenmechanik: Insbesondere ist die Nullpunktsenergie des Systems zu hoch, um ein Einfrieren zu ermöglichen. Festes Helium erfordert eine Temperatur von 1–1,5 K (etwa −272 °C oder −457 °F) bei etwa 25 bar (2,5 MPa) Druck. Es ist oft schwierig, festes von flüssigem Helium zu unterscheiden, da der Brechungsindex der beiden Phasen nahezu gleich ist. Der Feststoff hat einen scharfen Schmelzpunkt und eine kristalline Struktur, ist jedoch stark komprimierbar ; Durch die Anwendung von Druck in einem Labor kann das Volumen um mehr als 30 % verringert werden. Mit einem Volumenmodul von etwa 27 MPa ist es ~100-mal komprimierbarer als Wasser. Festes Helium hat eine Dichte von0,214 ± 0,006 g/cm ³ bei 1,15 K und 66 atm; die projizierte Dichte bei 0 K und 25 bar (2,5 MPa) ist0,187 ± 0,009 g / cm ³ . Bei höheren Temperaturen erstarrt Helium bei ausreichendem Druck. Dies erfordert bei Raumtemperatur etwa 114.000 atm.

Helium ich

Unterhalb seines Siedepunktes von 4,22 K (-268,93 ° C; -452,07 ° F) und oberhalb des Lambda - Punkt von 2,1768 K (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F), das Isotop besteht Helium-4 in einem normalen farblosen flüssigen Zustand , genannt Helium I . Wie andere kryogene Flüssigkeiten siedet Helium I, wenn es erhitzt wird und zieht sich zusammen, wenn seine Temperatur gesenkt wird. Unterhalb des Lambda-Punktes siedet Helium jedoch nicht und dehnt sich bei weiter sinkender Temperatur aus.

Helium I hat einen gasähnlichen Brechungsindex von 1,026, wodurch seine Oberfläche so schwer zu erkennen ist, dass häufig Schwimmer aus Styropor verwendet werden, um anzuzeigen, wo sich die Oberfläche befindet. Diese farblose Flüssigkeit hat eine sehr niedrige Viskosität und eine Dichte von 0,145–0,125 g/mL (zwischen etwa 0 und 4 K), was nur ein Viertel des von der klassischen Physik erwarteten Wertes ist . Um diese Eigenschaft zu erklären, ist die Quantenmechanik erforderlich und daher werden beide Zustände von flüssigem Helium (Helium I und Helium II) als Quantenflüssigkeiten bezeichnet , was bedeutet, dass sie atomare Eigenschaften auf makroskopischer Skala aufweisen. Dies kann ein Effekt davon sein, dass sein Siedepunkt so nahe am absoluten Nullpunkt liegt, was verhindert, dass zufällige molekulare Bewegungen ( thermische Energie ) die atomaren Eigenschaften maskieren.

Helium II

Flüssiges Helium unterhalb seines Lambda-Punktes ( Helium II genannt ) weist sehr ungewöhnliche Eigenschaften auf. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit sprudelt es beim Sieden nicht, sondern verdampft direkt von seiner Oberfläche. Auch Helium-3 hat eine suprafluide Phase, aber nur bei viel niedrigeren Temperaturen; Daher ist über die Eigenschaften des Isotops weniger bekannt.

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flüssigkeiten kriecht Helium II an Oberflächen entlang, um ein gleiches Niveau zu erreichen; nach kurzer Zeit gleichen sich die Füllstände in den beiden Behältern an. Die Rollin-Folie bedeckt auch das Innere des größeren Containers; wäre es nicht versiegelt, würde das Helium II herauskriechen und entweichen.

Helium II ist ein Suprafluid, ein quantenmechanischer Zustand (siehe: makroskopische Quantenphänomene ) der Materie mit seltsamen Eigenschaften. Fließt es beispielsweise durch Kapillaren mit einer Dicke von 10 ^–7 bis 10 ^–8  m, hat es keine messbare Viskosität . Bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben wurde jedoch eine mit gasförmigem Helium vergleichbare Viskosität beobachtet. Die aktuelle Theorie erklärt dies mit dem Zwei-Fluid-Modell für Helium II. In diesem Modell wird flüssiges Helium unterhalb des Lambda-Punktes so betrachtet, dass es einen Anteil von Heliumatomen im Grundzustand enthält , die suprafluid sind und mit genau null Viskosität fließen, und einen Anteil von Heliumatomen in einem angeregten Zustand, die sich eher wie ein gewöhnliche Flüssigkeit.

Beim Fontäneneffekt wird eine Kammer konstruiert, die durch eine gesinterte Scheibe mit einem Reservoir für Helium II verbunden ist, durch die superflüssiges Helium leicht entweicht, aber nicht supraflüssiges Helium nicht passieren kann. Wenn das Innere des Behälters erhitzt wird, ändert sich das suprafluide Helium in nicht-suprafluides Helium. Um den Gleichgewichtsanteil von superflüssigem Helium aufrechtzuerhalten, leckt superflüssiges Helium durch und erhöht den Druck, wodurch Flüssigkeit aus dem Behälter herausquillt.

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist höher als die jeder anderen bekannten Substanz, eine Million Mal höher als die von Helium I und mehrere Hundert Mal so hoch wie die von Kupfer . Dies liegt daran, dass die Wärmeleitung durch einen außergewöhnlichen Quantenmechanismus erfolgt. Die meisten gut wärmeleitenden Materialien haben ein Valenzband freier Elektronen, die der Wärmeübertragung dienen. Helium II hat kein solches Valenzband, leitet aber trotzdem Wärme gut. Der Wärmefluss wird durch Gleichungen bestimmt, die der Wellengleichung ähneln, die zur Charakterisierung der Schallausbreitung in Luft verwendet wird. Wenn Wärme zugeführt wird, bewegt sie sich mit 20 Metern pro Sekunde bei 1,8 K durch Helium II als Wellen in einem Phänomen, das als zweiter Schall bekannt ist .

Helium II zeigt auch einen Kriecheffekt. Wenn sich eine Oberfläche über das Niveau von Helium II hinaus erstreckt, bewegt sich das Helium II entgegen der Schwerkraft entlang der Oberfläche . Helium II entweicht aus einem nicht verschlossenen Gefäß, indem es an den Seiten entlang kriecht, bis es einen wärmeren Bereich erreicht, wo es verdampft. Es bewegt sich in einem 30  nm dicken Film unabhängig vom Oberflächenmaterial. Dieser Film wird Rollin-Film genannt und ist nach dem Mann benannt, der diese Eigenschaft zuerst charakterisierte, Bernard V. Rollin . Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit von Helium II, schnell durch winzige Öffnungen zu entweichen, ist es sehr schwer einzuschließen. Wenn der Behälter nicht sorgfältig konstruiert ist, kriecht das Helium II entlang der Oberflächen und durch Ventile, bis es einen wärmeren Ort erreicht, wo es verdampft. Wellen, die sich über einen Rollin-Film ausbreiten, unterliegen derselben Gleichung wie Gravitationswellen in seichtem Wasser, aber anstelle der Gravitation ist die Rückstellkraft die Van-der-Waals-Kraft . Diese Wellen werden als dritter Ton bezeichnet .

Isotope

Es gibt neun bekannte Isotopen von Helium, jedoch nur Helium-3 und Helium-4 ist stabil . In der Erdatmosphäre ist ein Atom³
Er für jede Million, die es gibt⁴
Er . Im Gegensatz zu den meisten Elementen variiert die Isotopenhäufigkeit von Helium aufgrund der unterschiedlichen Entstehungsprozesse stark nach Herkunft. Das häufigste Isotop, Helium-4, wird auf der Erde durch Alpha-Zerfall schwerer radioaktiver Elemente erzeugt; die austretenden Alphateilchen sind vollständig ionisierte Helium-4-Kerne. Helium-4 ist ein ungewöhnlich stabiler Kern, weil seine Nukleonen zu vollständigen Schalen angeordnet sind . Es wurde auch während der Urknall-Nukleosynthese in enormen Mengen gebildet .

Helium-3 ist auf der Erde nur in Spuren vorhanden. Das meiste davon ist seit der Entstehung der Erde vorhanden, obwohl einige im kosmischen Staub gefangen auf die Erde fallen . Spurenmengen werden auch durch den Beta-Zerfall von Tritium produziert . Gesteine ​​aus der Erdkruste haben Isotopenverhältnisse, die um den Faktor zehn variieren, und diese Verhältnisse können verwendet werden, um die Entstehung von Gesteinen und die Zusammensetzung des Erdmantels zu untersuchen .³
Als Produkt der Kernfusion kommt er in Sternen viel häufiger vor. Somit ist im interstellaren Medium der Anteil von³
Er zu⁴
Er ist etwa 100-mal höher als auf der Erde. Extraplanetary Material, wie Mond und asterisch regolith weisen Spuren von Helium-3 aus durch bombardiert Sonnenwinde . Der Mond ist Oberfläche enthält Helium-3 in Konzentrationen in der Größenordnung von 10 ppb , viel höher als der etwa 5 ppt in der Erdatmosphäre gefunden. Eine Reihe von Leuten, angefangen mit Gerald Kulcinski im Jahr 1986, haben vorgeschlagen, den Mond zu erforschen, Mondregolith abzubauen und Helium-3 zur Fusion zu verwenden .

Flüssiges Helium-4 kann mit Verdunstungskühlung in einem 1-K-Topf auf etwa 1 K (−272,15 °C; −457,87 °F) abgekühlt werden . Eine ähnliche Kühlung von Helium-3, das einen niedrigeren Siedepunkt hat, kann etwa0,2 Kelvin in einem Helium-3-Kühlschrank . Gleiche Mischungen von Flüssigkeit³
Er und⁴
Er unten0,8 K trennen sich aufgrund ihrer Unähnlichkeit in zwei nicht mischbare Phasen (sie folgen unterschiedlichen Quantenstatistiken : Helium-4-Atome sind Bosonen, während Helium-3-Atome Fermionen sind ). Verdünnungskühlschränke nutzen diese Unmischbarkeit, um Temperaturen von wenigen Millikelvin zu erreichen.

Es ist möglich, exotische Heliumisotope herzustellen , die schnell in andere Stoffe zerfallen. Das kurzlebigste schwere Heliumisotop ist Helium-5 mit einer Halbwertszeit von7,6 × 10 ⁻²²  s . Helium-6 zerfällt durch Emission eines Beta-Teilchens und hat eine Halbwertszeit von 0,8 Sekunden. Helium-7 emittiert auch ein Beta-Teilchen sowie Gammastrahlen . Helium-7 und Helium-8 entstehen bei bestimmten Kernreaktionen . Von Helium-6 und Helium-8 ist bekannt, dass sie einen nuklearen Halo aufweisen .

Verbindungen

Struktur des Heliumhydrid- Ions , HHe ⁺

Struktur des vermuteten Fluorheliat-Anions, OHeF ⁻

Helium hat die Wertigkeit Null und ist unter allen normalen Bedingungen chemisch nicht reaktiv. Es ist ein elektrischer Isolator, sofern es nicht ionisiert ist . Wie bei den anderen Edelgasen hat Helium metastabile Energieniveaus , die es ihm ermöglichen, in einer elektrischen Entladung mit einer Spannung unterhalb seines Ionisationspotentials ionisiert zu bleiben . Helium kann mit Wolfram, Jod, Fluor, Schwefel und Phosphor instabile Verbindungen bilden , die als Excimere bekannt sind , wenn es einer Glimmentladung ausgesetzt wird, einem Elektronenbeschuss ausgesetzt oder auf andere Weise zu Plasma reduziert wird. Die Molekülverbindungen HeNe, HgHe ₁₀ und WHe ₂ und die Molekülionen He⁺
₂, Er²⁺
₂, HeH⁺
, und HeD⁺
sind auf diese Weise entstanden. HeH ⁺ ist im Grundzustand ebenfalls stabil, aber extrem reaktiv – es ist die stärkste bekannte Brønsted-Säure und kann daher nur isoliert existieren, da es jedes Molekül oder Gegenanion protoniert, mit dem es in Kontakt kommt. Diese Technik hat sich auch die neutrale Molekül Er produziert ₂ , die eine große Anzahl von HAS Bandsysteme und HgHe, die offenbar nur gemeinsam durch Polarisationskräfte gehalten wird.

Van-der-Waals- Heliumverbindungen können auch mit kryogenem Heliumgas und Atomen einer anderen Substanz wie LiHe und He _{2 gebildet werden} .

Theoretisch könnten auch andere echte Verbindungen möglich sein, wie beispielsweise Heliumfluorhydrid (HHeF), das analog zu HArF wäre , das im Jahr 2000 entdeckt wurde. Berechnungen zeigen, dass zwei neue Verbindungen mit einer Helium-Sauerstoff-Bindung stabil sein könnten. Zwei neue molekulare Spezies, die theoretisch vorhergesagt wurden, CsFHeO und N(CH ₃ ) ₄ FHeO, sind Derivate eines metastabilen FHeO ⁻ -Anions, das erstmals 2005 von einer Gruppe aus Taiwan theoretisiert wurde. Wenn es durch Experimente bestätigt wird, wäre das einzige verbleibende Element ohne bekannte stabile Verbindungen Neon .

Heliumatome wurden durch Erhitzen unter hohem Druck in die hohlen Kohlenstoffkäfigmoleküle (die Fullerene ) eingebaut . Die gebildeten endohedralen Fullerenmoleküle sind bei hohen Temperaturen stabil. Bei der Bildung chemischer Derivate dieser Fullerene bleibt das Helium im Inneren. Wenn Helium-3 verwendet wird, kann es leicht durch Helium -Kernmagnetresonanzspektroskopie beobachtet werden . Es wurde über viele Helium-3 enthaltende Fullerene berichtet. Obwohl die Heliumatome nicht durch kovalente oder ionische Bindungen verbunden sind, haben diese Substanzen wie alle stöchiometrischen chemischen Verbindungen unterschiedliche Eigenschaften und eine bestimmte Zusammensetzung.

Unter hohem Druck kann Helium mit verschiedenen anderen Elementen Verbindungen eingehen. Helium-Stickstoff- Clathrat (He(N ₂ ) ₁₁ )-Kristalle wurden bei Raumtemperatur bei Drücken von ca. 10 GPa in einer Diamantambosszelle . Es hat sich gezeigt, dass das isolierende Elektrid Na ₂ He bei Drücken über 113 GPa thermodynamisch stabil ist. Es hat eine Fluorit- Struktur.

Vorkommen und Produktion

Natürliche Fülle

Obwohl es auf der Erde selten ist, ist Helium das zweithäufigste Element im bekannten Universum und macht 23% seiner baryonischen Masse aus. Nur Wasserstoff ist häufiger. Der überwiegende Teil des Heliums wurde ein bis drei Minuten nach dem Urknall durch die Urknall-Nukleosynthese gebildet . Daher tragen Messungen seiner Häufigkeit zu kosmologischen Modellen bei. In Sternen wird es durch die Kernfusion von Wasserstoff in Proton-Proton-Kettenreaktionen und dem CNO-Zyklus , einem Teil der stellaren Nukleosynthese, gebildet .

In der Erdatmosphäre beträgt die Volumenkonzentration von Helium nur 5,2 ppm. Die Konzentration ist gering und trotz der kontinuierlichen Produktion von neuem Helium relativ konstant, da das meiste Helium in der Erdatmosphäre durch mehrere Prozesse in den Weltraum entweicht . In der Heterosphäre der Erde , einem Teil der oberen Atmosphäre, sind Helium und andere leichtere Gase die am häufigsten vorkommenden Elemente.

Das meiste Helium auf der Erde ist ein Ergebnis des radioaktiven Zerfalls . Helium kommt in großen Mengen in Mineralien von Uran und Thorium vor , einschließlich Uraninit und seinen Sorten Cleveit und Pechblende , Carnotit und Monazit (ein Gruppenname; "Monazit" bezieht sich normalerweise auf Monazit-(Ce) ), weil sie Alphateilchen (Helium .) emittieren Kerne, He ²⁺ ), zu denen sich Elektronen sofort verbinden, sobald das Teilchen vom Gestein aufgehalten wird. Auf diese Weise werden in der gesamten Lithosphäre pro Jahr schätzungsweise 3000 Tonnen Helium erzeugt . In der Erdkruste beträgt die Heliumkonzentration 8 Teile pro Milliarde. Im Meerwasser beträgt die Konzentration nur 4 Teile pro Billion. Es gibt auch kleine Mengen an Mineralquellen , von vulkanischem Gas, und Meteo . Da Helium im Untergrund unter Bedingungen eingeschlossen ist, die auch Erdgas einschließen, finden sich die größten natürlichen Heliumkonzentrationen auf dem Planeten in Erdgas, aus dem das meiste kommerzielle Helium gewonnen wird. Die Konzentration variiert in einem weiten Bereich von wenigen ppm bis über 7% in einem kleinen Gasfeld im San Juan County, New Mexico .

Im Jahr 2011 wurden die weltweiten Heliumreserven auf 40 Milliarden Kubikmeter geschätzt, ein Viertel davon im South Pars / North Dome Gas-Kondensat-Feld, das gemeinsam von Katar und dem Iran gehört. In den Jahren 2015 und 2016 wurden weitere wahrscheinliche Reserven unter den Rocky Mountains in Nordamerika und im Ostafrikanischen Graben bekannt gegeben .

Moderne Gewinnung und Verteilung

Für den großtechnischen Einsatz wird Helium durch fraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen, das bis zu 7 % Helium enthalten kann. Da Helium einen niedrigeren Siedepunkt als jedes andere Element hat, werden niedrige Temperaturen und hoher Druck verwendet, um fast alle anderen Gase (meist Stickstoff und Methan ) zu verflüssigen . Das entstehende Rohheliumgas wird durch sukzessive sinkende Temperaturen gereinigt, wobei fast der gesamte restliche Stickstoff und andere Gase aus dem Gasgemisch ausgeschieden werden. Als letzter Reinigungsschritt wird Aktivkohle verwendet, die normalerweise zu 99,995% reinem Helium der Klasse A führt. Die Hauptverunreinigung in Grad-A-Helium ist Neon . In einem letzten Produktionsschritt wird der größte Teil des produzierten Heliums über einen kryogenen Prozess verflüssigt . Dies ist für Anwendungen erforderlich, die flüssiges Helium erfordern, und ermöglicht es Heliumlieferanten auch, die Kosten für den Ferntransport zu senken, da die größten Behälter für flüssiges Helium mehr als das Fünffache der Kapazität der größten Rohranhänger für gasförmiges Helium haben.

Im Jahr 2008 wurden ca. 169 Millionen Standardkubikmeter (SCM) Helium aus Erdgas gewonnen oder aus Heliumreserven entnommen, davon ca. 78 % aus den USA, 10 % aus Algerien und der Rest größtenteils aus Russland, Polen und Katar. Bis 2013 hatte die Erhöhung der Heliumproduktion in Katar (unter dem von Air Liquide verwalteten Unternehmen RasGas ) den Anteil Katars an der weltweiten Heliumproduktion auf 25 % erhöht und es zum zweitgrößten Exporteur nach den Vereinigten Staaten gemacht. Eine geschätzte Heliumvorkommen von 54 Milliarden Kubikfuß (1,5 × 10 ⁹  m ³ ) wurde 2016 in Tansania gefunden. Eine große Heliumanlage wurde 2020 in Ningxia , China, eröffnet .

In den Vereinigten Staaten wird das meiste Helium aus dem Erdgas der Hugoton- und nahegelegenen Gasfelder in Kansas, Oklahoma, und des Panhandle-Felds in Texas gewonnen. Ein Großteil dieses Gases wurde einst per Pipeline in die National Helium Reserve geleitet , aber seit 2005 wird diese Reserve aufgebraucht und verkauft und wird voraussichtlich bis 2021 gemäß dem Responsible Helium Administration and Stewardship Act vom Oktober 2013 (HR 527 .) weitgehend erschöpft sein ).

Die Diffusion von Roherdgas durch spezielle semipermeable Membranen und andere Barrieren ist eine weitere Methode zur Rückgewinnung und Reinigung von Helium. 1996 verfügten die USA über nachgewiesene Heliumreserven in solchen Gasquellenkomplexen von etwa 147 Milliarden Standardkubikfuß (4,2 Milliarden SCM). Bei den damaligen Verbrauchsraten (72 Millionen SCM pro Jahr in den USA; siehe Kreisdiagramm unten) wäre dies genug Helium für etwa 58 Jahre US-Gebrauch gewesen, und weniger als dies (vielleicht 80% der Zeit) auf der Welt Nutzungsraten, obwohl sich Faktoren bei der Einsparung und Verarbeitung auf die effektiven Reservenzahlen auswirken.

Helium muss aus Erdgas gewonnen werden, da es in der Luft nur zu einem Bruchteil von Neon vorhanden ist, der Bedarf dafür aber weitaus höher ist. Es wird geschätzt, dass 0,1% des weltweiten Heliumbedarfs gedeckt würden, wenn die gesamte Neonproduktion umgerüstet würde, um Helium zu sparen. Ebenso könnte nur 1 % des weltweiten Heliumbedarfs durch die Umrüstung aller Luftdestillationsanlagen gedeckt werden. Helium kann durch Beschuss von Lithium oder Bor mit Hochgeschwindigkeitsprotonen oder durch Beschuss von Lithium mit Deuteronen synthetisiert werden , aber diese Verfahren sind ein völlig unwirtschaftliches Herstellungsverfahren.

Helium ist im Handel entweder in flüssiger oder gasförmiger Form erhältlich. Als Flüssigkeit kann es in kleinen isolierten Behältern, sogenannten Dewars, die bis zu 1.000 Liter Helium fassen, oder in großen ISO-Containern mit einem Nennvolumen von bis zu 42 m ³ (ca. 11.000 US- Gallonen ) geliefert werden . In gasförmiger Form werden kleine Mengen Helium in Hochdruckflaschen mit einem Fassungsvermögen von bis zu 8 m ³ (ca. 282 Normkubikfuß) geliefert, während große Mengen Hochdruckgas in Röhrenanhängern mit einem Fassungsvermögen von bis zu als 4.860 m ³ (ca. 172.000 Normkubikfuß).

Naturschutzbefürworter

Laut Helium-Naturschützern wie dem Nobelpreisträger Physiker Robert Coleman Richardson , der 2010 schrieb, hat der freie Marktpreis von Helium zu einer "verschwenderischen" Verwendung (zB für Heliumballons ) beigetragen . Die Preise in den 2000er Jahren waren durch die Entscheidung des US-Kongresses gesenkt worden, die großen Heliumvorräte des Landes bis 2015 zu verkaufen. Laut Richardson musste der Preis mit 20 multipliziert werden, um die übermäßige Heliumverschwendung zu verhindern. Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) schlugen in ihrem Buch The Future of Helium as a natural resource (Routledge, 2012) außerdem vor, eine Internationale Helium-Agentur (IHA) zu gründen, um einen nachhaltigen Markt für dieses kostbare Gut zu schaffen.

Anwendungen

Die größte Einzelanwendung von flüssigem Helium ist die Kühlung der supraleitenden Magnete in modernen MRT-Scannern.

Während Ballons vielleicht die bekannteste Verwendung von Helium sind, sind sie ein kleiner Teil des gesamten Heliumverbrauchs. Helium wird für viele Zwecke verwendet, die einige seiner einzigartigen Eigenschaften erfordern, wie beispielsweise seinen niedrigen Siedepunkt , seine geringe Dichte , seine geringe Löslichkeit , seine hohe Wärmeleitfähigkeit oder seine Trägheit . Von der weltweiten Helium-Gesamtproduktion im Jahr 2014 von etwa 32 Millionen kg (180 Millionen Normkubikmeter) Helium pro Jahr wird der größte Einsatz (etwa 32 % der Gesamtmenge im Jahr 2014) in kryogenen Anwendungen verwendet, wobei der größte Teil die Kühlung der supraleitenden Magnete in medizinische MRT- Scanner und NMR- Spektrometer. Andere Hauptanwendungen waren Druck- und Spülsysteme, Schweißen, Aufrechterhaltung kontrollierter Atmosphären und Lecksuche. Andere Verwendungen nach Kategorie waren relativ kleine Fraktionen.

Kontrollierte Atmosphären

Helium wird als Schutzgas bei der Züchtung von Silizium- und Germaniumkristallen , bei der Titan- und Zirkoniumherstellung und in der Gaschromatographie verwendet , da es inert ist. Wegen seiner Trägheit, thermisch und kalorisch perfekten Natur, hoher Schallgeschwindigkeit und hohem Wert des Wärmekapazitätsverhältnisses ist es auch in Überschallwindkanälen und Impulsanlagen nützlich .

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen

Helium wird als Schutzgas bei Lichtbogenschweißprozessen an Werkstoffen verwendet, die bei Schweißtemperaturen durch Luft oder Stickstoff verunreinigt und geschwächt werden. Beim Wolfram-Lichtbogenschweißen werden eine Reihe von inerten Schutzgasen verwendet, aber Helium wird anstelle des billigeren Argon verwendet, insbesondere für Schweißmaterialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium oder Kupfer .

Geringfügige Verwendungen

Industrielle Lecksuche

Ein Zweikammer-Helium-Lecksuchgerät

Eine industrielle Anwendung für Helium ist die Lecksuche . Da Helium dreimal schneller durch Feststoffe diffundiert als Luft, wird es als Prüfgas zum Aufspüren von Lecks in Hochvakuumgeräten (z. B. Kryotanks) und Hochdruckbehältern verwendet. Das Prüfobjekt wird in eine Kammer gelegt, die anschließend evakuiert und mit Helium gefüllt wird. Das durch die Lecks austretende Helium wird von einem empfindlichen Gerät ( Helium-Massenspektrometer ) selbst bei Leckraten von nur 10 ^–9 mbar·L/s (10 ^–10 Pa·m ³ /s) detektiert . Das Messverfahren ist normalerweise automatisch und wird als Helium-Integral-Test bezeichnet. Ein einfacheres Verfahren besteht darin, das Prüfobjekt mit Helium zu befüllen und mit einem Handgerät manuell nach Lecks zu suchen.

Heliumleckagen durch Risse sollten nicht mit Gaspermeation durch ein Schüttgut verwechselt werden. Während Helium dokumentierte Permeationskonstanten (also eine berechenbare Permeationsrate) durch Gläser, Keramiken und synthetische Materialien aufweist, durchdringen Inertgase wie Helium die meisten Massenmetalle nicht.

Flug

Aufgrund seiner geringen Dichte und Unbrennbarkeit ist Helium das Gas der Wahl, um Luftschiffe wie das Goodyear- Luftschiff zu füllen .

Da es leichter als Luft ist , werden Luftschiffe und Ballons zum Auftrieb mit Helium aufgeblasen . Während Wasserstoffgas mehr Auftrieb hat und mit geringerer Geschwindigkeit durch eine Membran entweicht, hat Helium den Vorteil, dass es nicht brennbar und tatsächlich feuerhemmend ist . Eine weitere untergeordnete Anwendung findet sich in der Raketentechnik , wo Helium als Leerraummedium verwendet wird , um Treibstoff und Oxidationsmittel in Lagertanks zu verdrängen und Wasserstoff und Sauerstoff zu kondensieren , um Raketentreibstoff herzustellen . Es wird auch verwendet, um Treibstoff und Oxidationsmittel von Bodenunterstützungsgeräten vor dem Start zu reinigen und flüssigen Wasserstoff in Raumfahrzeugen vorzukühlen . Zum Beispiel benötigte die im Apollo-Programm verwendete Saturn-V- Rakete für den Start etwa 370.000 m ³ (13 Millionen Kubikfuß) Helium.

Geringfügige kommerzielle und Freizeitnutzungen

Helium als Atemgas hat keine narkotischen Eigenschaften , daher werden beim Tieftauchen Heliumgemische wie Trimix , Heliox und Heliair verwendet , um die Auswirkungen der Narkose zu reduzieren, die sich mit zunehmender Tiefe verschlimmern. Wenn der Druck mit der Tiefe zunimmt, nimmt auch die Dichte des Atemgases zu, und es wurde festgestellt, dass das niedrige Molekulargewicht von Helium die Atemanstrengung durch Verringerung der Dichte des Gemisches erheblich verringert. Dies reduziert die Reynolds-Zahl der Strömung, was zu einer Verringerung der turbulenten Strömung und einer Zunahme der laminaren Strömung führt , was weniger Atemarbeit erfordert. In Tiefen unter 150 Metern (490 ft) beginnen Taucher, die Helium-Sauerstoff-Gemische einatmen, Zittern und eine Abnahme der psychomotorischen Funktion zu erleben, Symptome des Hochdruck-Nervensyndroms . Diesem Effekt kann man bis zu einem gewissen Grad entgegenwirken, indem man einer Helium-Sauerstoff-Mischung eine Menge narkotische Gase wie Wasserstoff oder Stickstoff zusetzt.

Helium-Neon-Laser , eine Art Gaslaser mit niedriger Leistung, der einen roten Strahl erzeugt, hatte verschiedene praktische Anwendungen, darunter Barcode-Lesegeräte und Laserpointer , bevor sie fast durchgängig durch billigere Diodenlaser ersetzt wurden .

Wegen seiner Trägheit und hohen Wärmeleitfähigkeit , Neutronentransparenz und weil es unter Reaktorbedingungen keine radioaktiven Isotope bildet, wird Helium in einigen gasgekühlten Kernreaktoren als Wärmeträger verwendet .

Helium, gemischt mit einem schwereren Gas wie Xenon, ist aufgrund des resultierenden hohen Wärmekapazitätsverhältnisses und der niedrigen Prandtl-Zahl für die thermoakustische Kühlung nützlich . Die Trägheit von Helium hat Umweltvorteile gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen, die zum Ozonabbau oder zur globalen Erwärmung beitragen.

Helium wird auch in einigen Festplatten verwendet .

Wissenschaftliche Anwendungen

Die Verwendung von Helium reduziert aufgrund seines extrem niedrigen Brechungsindex die verzerrenden Auswirkungen von Temperaturschwankungen im Raum zwischen den Linsen einiger Teleskope . Diese Methode wird insbesondere bei Sonnenteleskopen eingesetzt, bei denen ein vakuumdichter Teleskoptubus zu schwer wäre.

Helium ist ein häufig verwendetes Trägergas für die Gaschromatographie .

Das Alter von Gesteinen und Mineralien, die Uran und Thorium enthalten, kann durch Messung des Heliumgehalts mit einem als Helium-Datierung bekannten Verfahren abgeschätzt werden .

Helium bei niedrigen Temperaturen wird in der Kryotechnik und in bestimmten kryogenen Anwendungen verwendet. Als Anwendungsbeispiele wird flüssiges Helium verwendet, um bestimmte Metalle auf die extrem niedrigen Temperaturen abzukühlen, die für die Supraleitung erforderlich sind , beispielsweise in supraleitenden Magneten für die Magnetresonanztomographie . Der Large Hadron Collider am CERN verwendet 96 Tonnen flüssiges Helium, um die Temperatur bei 1,9 K (−271,25 °C; −456.25 °F) zu halten.

Medizinische Anwendungen

Helium wurde in den USA im April 2020 zur medizinischen Verwendung für Mensch und Tier zugelassen.

Als Schadstoff

Obwohl es chemisch inert ist, beeinträchtigt die Heliumkontamination den Betrieb von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), so dass iPhones ausfallen können.

Inhalation und Sicherheit

Auswirkungen

Neutrales Helium ist unter Standardbedingungen nicht toxisch, spielt keine biologische Rolle und kommt in Spuren im menschlichen Blut vor.

	Wirkung von Helium auf eine menschliche Stimme Die Wirkung von Helium auf eine menschliche Stimme
Probleme beim Abspielen dieser Datei? Siehe Medienhilfe .

Die Schallgeschwindigkeit in Helium ist fast dreimal so schnell wie die Schallgeschwindigkeit in Luft. Da die Eigenresonanzfrequenz eines gasgefüllten Hohlraums proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gas ist, tritt beim Einatmen von Helium ein entsprechender Anstieg der Resonanzfrequenzen des Stimmtrakts auf , der der Verstärker des Stimmklangs ist. Diese Erhöhung der Resonanzfrequenz des Verstärkers (des Vokaltrakts) verleiht den hochfrequenten Komponenten der Schallwelle, die durch die direkte Schwingung der Stimmlippen erzeugt wird, eine erhöhte Verstärkung im Vergleich zu dem Fall, in dem die Stimmbox mit Luft gefüllt ist . Wenn eine Person nach dem Einatmen von Heliumgas spricht, bewegen sich die Muskeln, die die Stimmbox steuern, immer noch auf die gleiche Weise wie bei einer Luftfüllung der Stimmbox, daher tut dies die Grundfrequenz (manchmal auch Tonhöhe genannt ), die durch die direkte Vibration der Stimmlippen erzeugt wird nicht ändern. Die hochfrequente bevorzugte Verstärkung verursacht jedoch eine Änderung der Klangfarbe des verstärkten Klangs, was zu einer blätterigen, entenartigen Stimmqualität führt. Der gegenteilige Effekt, die Senkung der Resonanzfrequenzen, kann durch Einatmen eines dichten Gases wie Schwefelhexafluorid oder Xenon erreicht werden .

Gefahren

Das Einatmen von Helium kann im Übermaß gefährlich sein, da Helium ein einfaches Erstickungsmittel ist und so den für die normale Atmung benötigten Sauerstoff verdrängt. Es wurden Todesfälle verzeichnet, darunter ein Jugendlicher, der 2003 in Vancouver erstickte, und zwei Erwachsene, die 2006 in Südflorida erstickten. 1998 wurde ein australisches Mädchen aus Victoria bewusstlos und wurde vorübergehend blau, nachdem es den gesamten Inhalt eines Partyballons eingeatmet hatte. Das Einatmen von Helium direkt aus unter Druck stehenden Flaschen oder sogar Ballonfüllventilen ist äußerst gefährlich, da eine hohe Flussrate und ein hoher Druck zu einem Barotrauma führen können , das tödliches Lungengewebe reißt.

Todesfälle durch Helium sind selten. Der erste von den Medien aufgezeichnete Fall war der eines 15-jährigen Mädchens aus Texas, das 1998 auf der Party eines Freundes an einer Heliuminhalation starb; die genaue Art des Heliumtodes ist nicht identifiziert.

In den Vereinigten Staaten wurden zwischen 2000 und 2004 nur zwei Todesfälle gemeldet, darunter ein Mann, der 2002 in North Carolina an einem Barotrauma starb. Ein Jugendlicher erstickte 2003 in Vancouver und ein 27-jähriger Mann in Australien erlitt eine Embolie nach dem Atmen aus einem Zylinder im Jahr 2000. Seitdem erstickten zwei Erwachsene in Südflorida im Jahr 2006, und es gab Fälle in den Jahren 2009 und 2010, einer ein kalifornischer Jugendlicher, der mit einer Tasche über dem Kopf, die an einem Heliumtank befestigt war, gefunden wurde, und ein weiterer Teenager in Nordirland starb an Erstickung. In Eagle Point, Oregon, starb 2012 ein junges Mädchen auf einer Party an einem Barotrauma. Ein Mädchen aus Michigan starb später im Jahr an Hypoxie.

Am 4. Februar wurde 2015, dass aufgedeckt, während die Aufzeichnung ihrer wichtigsten TV - Show am 28. Januar, ein 12-jähriges Mitglied (Name zurückgehalten) die japanischen Allmädchen Gesangsgruppe 3B Junior gelitten Luftembolie , Bewusstlosigkeit und Sie fallen ins Koma, weil Luftblasen den Blutfluss zum Gehirn blockieren, nachdem Sie im Rahmen eines Spiels große Mengen Helium eingeatmet haben. Der Vorfall wurde erst eine Woche später bekannt. Die Mitarbeiter von TV Asahi hielten eine Notfall-Pressekonferenz ab, um mitzuteilen, dass das Mitglied ins Krankenhaus gebracht wurde und Anzeichen einer Rehabilitation wie bewegliche Augen und Gliedmaßen zeigt, aber ihr Bewusstsein ist noch nicht ausreichend erholt. Die Polizei hat wegen Vernachlässigung von Sicherheitsvorkehrungen Ermittlungen aufgenommen.

Die Sicherheitsaspekte für kryogenes Helium sind denen von flüssigem Stickstoff ähnlich ; Seine extrem niedrigen Temperaturen können zu Kaltverbrennungen führen , und das Ausdehnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas kann Explosionen verursachen, wenn keine Druckentlastungseinrichtungen installiert sind. Behälter mit Heliumgas bei 5 bis 10 K sollten aufgrund der schnellen und erheblichen Wärmeausdehnung , die auftritt, wenn Heliumgas mit weniger als 10 K auf Raumtemperatur erwärmt wird, so gehandhabt werden, als ob sie flüssiges Helium enthalten würden .

Bei hohen Drücken (mehr als etwa 20 atm oder zwei  MPa ) kann eine Mischung aus Helium und Sauerstoff ( Heliox ) zum Hochdruck-Nervensyndrom führen , einer Art umgekehrter anästhetischer Wirkung; Das Hinzufügen einer kleinen Menge Stickstoff zu der Mischung kann das Problem lindern.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Externe Links

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( Audiohilfe  · Weitere gesprochene Artikel )

Allgemein

• Bureau of Land Management der US-Regierung: Quellen, Verfeinerung und Knappheit. Mit etwas Geschichte von Helium.
• Veröffentlichungen des US Geological Survey zu Helium ab 1996: Helium
• Wo ist das ganze Helium? Aga-Website
• Es ist elementar – Helium
• Chemie in ihrem Element Podcast (MP3) von der Royal Society of Chemistry ‚s Chemistry World : Helium
• Internationale Chemikaliensicherheitskarten – Helium ; enthält Gesundheits- und Sicherheitsinformationen zu unbeabsichtigten Heliumexpositionen

Mehr Details

• Helium im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
• Helium an der Technischen Universität Helsinki ; enthält Druck-Temperatur-Phasendiagramme für Helium-3 und Helium-4
• Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics  – enthält eine Zusammenfassung einiger Niedertemperaturtechniken
• Video: Demonstration von suprafluidem Helium (Alfred Leitner, 1963, 38 Min.)

Sonstig

• Physik in Sprache mit Hörbeispielen, die die unveränderte Stimmlage demonstrieren
• Artikel über Helium und andere Edelgase

Heliummangel

• Amerikas Heliumversorgung: Optionen für die Produktion von mehr Helium aus Bundesland: Aufsichtsanhörung vor dem Unterausschuss für Energie und Bodenschätze des Ausschusses für natürliche Ressourcen, US-Repräsentantenhaus, Einhundertdreizehnter Kongress, Erste Sitzung, Donnerstag, 11. Juli 2013
• Heliumprogramm: Dringende Probleme bei der Lagerung und dem Verkauf von Heliumreserven durch BLM: Aussage vor dem Ausschuss für natürliche Ressourcen des Repräsentantenhauses für die Rechenschaftspflicht der Regierung
• Kramer, David (22. Mai 2012). "Senatsgesetz würde die Heliumreserven der USA bewahren: Maßnahme würde Wissenschaftlern erste Helium-Dibs geben, sollte sich eine Knappheit entwickeln. Physics Today-Website" . Archiviert vom Original am 27. Oktober 2012.
• Richardson, Robert C.; Chan, Moses (2009). "Helium, wann wird es ausgehen?" (PDF) . Archiviert vom Original (PDF) am 14.06.2015.