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Jules Cesar Janssen gelang der erste Nachweis von Helium. Diagramm eines Heliumatoms. Es gibt nur zwei Elektronen, die den Heliumkern umkreisen. Heliumballons sind leichter als Luft. |
Helium
| Atomzahl: | 2 | Atomradius: | 140 pm (Van der Waals) |
| Atomisches Symbol: | He | Schmelzpunkt: | -272.2 °C |
| Atomgewicht: | 4.003 | Siedepunkt: | -268.93 °C |
| Elektronenkonfiguration: | 1s2 | Oxidationszustände: | 0 |
Geschichte
Von dem griechischen Wort helios, die Sonne. Janssen gelang der erste Nachweis von Helium während der Sonnenfinsternis von 1868, als er eine neue Linie im Sonnenspektrum entdeckte. Lockyer und Frankland schlugen den Namen Helium für das neue Element vor. 1895 entdeckte Ramsay Helium in dem Uranmineral Cleveit, während es etwa zur gleichen Zeit von den schwedischen Chemikern Cleve und Langlet unabhängig davon in Cleveit entdeckt wurde. Rutherford und Royds wiesen 1907 nach, dass Alphateilchen Heliumkerne sind.
Quellen
Abgesehen von Wasserstoff ist Helium das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Helium wird aus Erdgas gewonnen. Tatsächlich enthält jedes Erdgas zumindest Spuren von Helium.
Es wurde spektroskopisch in großer Menge nachgewiesen, vor allem in den heißeren Sternen, und es ist ein wichtiger Bestandteil sowohl der Proton-Proton-Reaktion als auch des Kohlenstoffkreislaufs, der die Energie der Sonne und der Sterne liefert.
Der Heliumgehalt der Atmosphäre beträgt etwa 1:200.000. Es ist zwar in verschiedenen radioaktiven Mineralien als Zerfallsprodukt enthalten, aber der größte Teil der Versorgung der freien Welt wird aus Quellen in Texas, Oklahoma und Kansas gewonnen. Außerhalb der Vereinigten Staaten befanden sich 1984 die einzigen bekannten Heliumgewinnungsanlagen in Osteuropa (Polen), der UdSSR und einigen wenigen in Indien.
Eigenschaften
Helium hat den niedrigsten Schmelzpunkt aller Elemente und wird häufig in der kryogenen Forschung verwendet, da sein Siedepunkt nahe dem absoluten Nullpunkt liegt. Außerdem ist das Element für die Untersuchung der Superleitfähigkeit von entscheidender Bedeutung.
Mit flüssigem Helium ist es Kurti, Mitarbeitern und anderen gelungen, durch adiabatische Entmagnetisierung von Kupferkernen Temperaturen von einigen Mikrokelvin zu erreichen.
Helium hat noch weitere besondere Eigenschaften: Es ist die einzige Flüssigkeit, die nicht durch Absenken der Temperatur verfestigt werden kann. Bei normalem Druck bleibt es bis zum absoluten Nullpunkt flüssig, verfestigt sich aber leicht, wenn der Druck erhöht wird. Festes 3He und 4He sind insofern ungewöhnlich, als sich ihr Volumen durch Anwendung von Druck um mehr als 30 % verändern lässt.
Die spezifische Wärme von Heliumgas ist ungewöhnlich hoch. Die Dichte von Heliumdampf am normalen Siedepunkt ist ebenfalls sehr hoch, und der Dampf dehnt sich bei Erwärmung auf Raumtemperatur stark aus. Behälter, die mit Heliumgas bei 5 bis 10 K gefüllt sind, sollten so behandelt werden, als enthielten sie flüssiges Helium, da der Druck beim Erwärmen des Gases auf Raumtemperatur stark ansteigt.
Während Helium normalerweise eine 0-Valenz hat, scheint es eine schwache Tendenz zur Verbindung mit bestimmten anderen Elementen zu haben. Mittel zur Herstellung von Heliumdifluorid wurden untersucht, und Spezies wie HeNe und die molekularen Ionen He+ und He++ wurden erforscht.
Isotope
Sieben Isotope von Helium sind bekannt: Flüssiges Helium (He-4) kommt in zwei Formen vor: He-4I und He-4II, mit einem scharfen Übergangspunkt bei 2.174K. He-4I (oberhalb dieser Temperatur) ist eine normale Flüssigkeit, aber He-4II (unterhalb dieser Temperatur) ist anders als alle anderen bekannten Stoffe. Es dehnt sich beim Abkühlen aus, seine Wärmeleitfähigkeit ist enorm, und weder seine Wärmeleitung noch seine Viskosität gehorchen normalen Regeln.
Verwendung
- als Schutzgas beim Lichtbogenschweißen;
- als Schutzgas bei der Züchtung von Silizium- und Germaniumkristallen und bei der Herstellung von Titan und Zirkonium;
- als Kühlmittel für Kernreaktoren und
- als Gas für Überschallwindkanäle.
Ein Gemisch aus Helium und Sauerstoff wird als künstliche Atmosphäre für Taucher und andere unter Druck arbeitende Personen verwendet. Verschiedene Verhältnisse von He und O2 werden für unterschiedliche Tauchtiefen verwendet.
Helium wird häufig zum Füllen von Ballons verwendet, da es ein viel sichereres Gas ist als Wasserstoff. In jüngster Zeit wurde Helium vor allem für den Druck von Flüssigtreibstoffraketen verwendet. Ein Saturn-Booster, wie er bei den Apollo-Mondmissionen verwendet wurde, benötigte etwa 13 Millionen ft3 Helium für einen Abschuss, plus mehr für die Kontrolle.
Die Verwendung von flüssigem Helium in der Magnetresonanztomographie (MRT) nimmt weiter zu, da die Ärzteschaft neue Verwendungsmöglichkeiten für das Gerät akzeptiert und entwickelt. Dieses Gerät hat durch die genaue Diagnose von Patienten einige explorative Operationen überflüssig gemacht. Eine andere medizinische Anwendung nutzt MRE, um (durch Blutanalyse) festzustellen, ob ein Patient an einer Form von Krebs erkrankt ist.
Helium wird auch für die Werbung auf Zeppelinen für verschiedene Unternehmen, darunter Goodyear, verwendet. Andere Anwendungen von Traggas werden von der Marine und der Luftwaffe entwickelt, um niedrig fliegende Marschflugkörper aufzuspüren. Darüber hinaus setzt die Drug Enforcement Agency mit Radar ausgestattete Luftschiffe ein, um Drogenschmuggler an den Grenzen der Vereinigten Staaten aufzuspüren. Darüber hinaus setzt die NASA derzeit mit Helium gefüllte Ballons ein, um die Atmosphäre in der Antarktis zu untersuchen, um festzustellen, was die Ozonschicht abbaut.