Takaisin alkuaineiden luetteloon
 |
Jules Cesar Janssen sai ensimmäiset todisteet heliumista. Kaavio heliumatomista. Heliumin ydintä kiertää vain kaksi elektronia. Heliumpallot ovat ilmaa kevyempiä. |
Helium
| Atominumero: | 2 | Atomisäde: | 140 pm (Van der Waals) |
| Atominimi: | He | Sulamispiste: | -272.2 °C |
| Atomipaino: | 4.003 | Kiehumispiste: | -268.93 °C |
| Elektronikonfiguraatio: | 1s2 | Hapetustilat: | 0 |
Historia
Kreikankielisestä sanasta helios, aurinko. Janssen sai ensimmäiset todisteet heliumista vuoden 1868 auringonpimennyksen aikana, kun hän havaitsi uuden viivan auringon spektrissä. Lockyer ja Frankland ehdottivat uudelle alkuaineelle nimeä helium. Vuonna 1895 Ramsay löysi heliumin uraanimineraalista cleveiitistä, kun taas ruotsalaiset kemistit Cleve ja Langlet löysivät sen itsenäisesti cleveiitistä suunnilleen samaan aikaan. Rutherford ja Royds osoittivat vuonna 1907, että alfahiukkaset ovat heliumytimiä.
Lähteet
Helium on vetyä lukuun ottamatta maailmankaikkeudessa esiintyvä runsain alkuaine. Heliumia saadaan maakaasusta. Itse asiassa kaikki maakaasu sisältää ainakin pieniä määriä heliumia.
Se on havaittu spektroskooppisesti erittäin runsaana, erityisesti kuumimmissa tähdissä, ja se on tärkeä komponentti sekä protoni-protonireaktiossa että hiilen kiertokulussa, jotka selittävät Auringon ja tähtien energian.
Kosmosilman heliumpitoisuus on noin 1 osa 200 000:sta. Vaikka sitä esiintyy erilaisissa radioaktiivisissa mineraaleissa hajoamistuotteena, suurin osa Vapaan maailman varastoista saadaan Teksasin, Oklahoman ja Kansasin kaivoista. Yhdysvaltojen ulkopuolella ainoat tiedossa olevat heliumin talteenottolaitokset olivat vuonna 1984 Itä-Euroopassa (Puolassa), Neuvostoliitossa ja muutama Intiassa.
Ominaisuudet
Heliumilla on alkuaineista alhaisin sulamispiste, ja sitä käytetään laajalti kryotutkimuksessa, koska sen kiehumispiste on lähellä absoluuttista nollaa. Lisäksi alkuaine on elintärkeä superjohtavuuden tutkimuksessa.
Nesteen heliumin avulla Kurti, työtoverit ja muut ovat onnistuneet saamaan muutaman mikrokelvinin lämpötilat kupariytimien adiabaattisella demagnetoinnilla.
Heliumilla on muitakin erikoisia ominaisuuksia: Se on ainoa neste, jota ei voi jähmettää alentamalla lämpötilaa. Se pysyy nestemäisenä absoluuttiseen nollapisteeseen asti tavanomaisissa paineissa, mutta jähmettyy helposti paineen noustessa. Kiinteät 3He ja 4He ovat epätavallisia siinä mielessä, että molempien tilavuus voi muuttua yli 30 % paineen avulla.
Heliumkaasun ominaislämpö on epätavallisen korkea. Heliumhöyryn tiheys normaalissa kiehumispisteessä on myös hyvin suuri, ja höyry laajenee voimakkaasti lämmitettäessä huoneenlämpötilaan. Säiliöitä, jotka on täytetty heliumkaasulla 5-10 K:n lämpötilassa, on kohdeltava ikään kuin ne sisältäisivät nestemäistä heliumia johtuen suuresta paineen noususta, joka aiheutuu kaasun lämmittämisestä huoneenlämpötilaan.
Heliumilla on normaalisti 0-valenssi, mutta sillä näyttää olevan heikko taipumus yhdistyä tiettyjen muiden alkuaineiden kanssa. Heliumdifluoridin valmistustapoja on tutkittu, ja lajeja, kuten HeNe ja molekyyli-ionit He+ ja He++, on tutkittu.
Isotoopit
Heliumista tunnetaan seitsemän isotooppia: Nestemäistä heliumia (He-4) on kahdessa muodossa: He-4I ja He-4II, joiden jyrkkä siirtymispiste on 2,174 K:ssa. He-4I (tämän lämpötilan yläpuolella) on normaali neste, mutta He-4II (sen alapuolella) on erilainen kuin mikään muu tunnettu aine. Se laajenee jäähtyessään, sen lämmönjohtavuus on valtava, eikä sen lämmönjohtavuus eikä viskositeetti noudata normaaleja sääntöjä.
Käyttökohteet
- kaarihitsauksen suojakaasuna;
- suojakaasuna pii- ja germaniumkiteiden kasvattamisessa sekä titaanin ja zirkoniumin valmistuksessa;
- ydinreaktoreiden jäähdytysaineena ja
- kaasuna yliäänituuli tunneleissa.
Heliumin ja hapen seosta käytetään keinotekoisena ilmakehänä sukeltajille ja muille paineen alla työskenteleville. He:n ja O2:n eri suhteita käytetään eri sukeltajien käyttösyvyyksiä varten.
Heliumia käytetään laajalti ilmapallojen täyttämiseen, koska se on paljon turvallisempi kaasu kuin vety. Yksi viimeaikaisista suurimmista heliumin käyttökohteista on ollut nestemäistä polttoainetta käyttävien rakettien paineistaminen. Saturn-raketin kantoraketti, jollaista käytettiin Apollo-kuulennoilla, tarvitsi laukaisuun noin 13 miljoonaa ft3 heliumia, minkä lisäksi tarvitaan vielä lisää tarkistuksia varten.
Nesteellisen heliumin käyttö magneettikuvauksessa (MRI) lisääntyy jatkuvasti, kun lääketieteen ammattikunta hyväksyy ja kehittää laitteelle uusia käyttötarkoituksia. Tämä laite on poistanut osan tutkimusleikkausten tarpeesta diagnosoimalla potilaat tarkasti. Eräässä toisessa lääketieteellisessä sovelluksessa magneettiresonanssikuvausta käytetään sen määrittämiseen (verianalyysin avulla), onko potilaalla jonkinlaista syöpää.
Heliumia käytetään myös eri yritysten, muun muassa Goodyearin, mainostamiseen ilmalaivoissa. Laivasto ja ilmavoimat kehittävät muita nostokaasusovelluksia matalalla lentävien risteilyohjusten havaitsemiseksi. Lisäksi huumevirasto käyttää tutkalla varustettuja ilmalaivoja huumeiden salakuljettajien havaitsemiseen Yhdysvaltojen rajoilla. Lisäksi NASA käyttää parhaillaan heliumilla täytettyjä ilmapalloja näytteenottoon Etelämantereella selvittääkseen, mikä heikentää otsonikerrosta.