Helium
Helium (von altgriech. ήλιος (hélios)= Sonne, da Helium erstmals aufgrund seiner Spektrallinien auf der Sonne nachgewiesen wurde) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol He und der Ordnungszahl 2.
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Helium, He, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Edelgase | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 18 (VIIIA), 1, p | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | farblos | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 4 · 10-7 % | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommasse | 4,002602 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | - (31) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 32 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | 140 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | 1s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxide) | 0 (-) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 2372,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 5250,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | gasförmig | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | 0,1785 kg/m3, (-) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 0,95 K (-272,20 °C) unter Druck | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 4,22 K (-268,93 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 21,0 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 0,0845 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 0,021 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | - | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 970 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | - | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 5193 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | - | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 0,152 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Eigenschaften
Helium ist ein Edelgas, das heißt dieses Gas ist chemisch sehr reaktionsträge. Ein Kubikmeter Helium wiegt bei normalen Druck und bei einer Temperatur von 20 °C nur 200 g. Die normale Luft ist dagegen sieben mal so schwer. Unter 2,18 K wird Helium superfluid, das heißt, es fließt ohne Strömungswiderstand, was eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt. Die Superfluidität ist vergleichbar mit der Supraleitfähigkeit bestimmter Metalle und Legierungen. Unter Normaldruck wird Helium niemals fest, es gefriert nur unter Druck.
Vorkommen
Im Spektrum des Sonnenlichts wurden die Spektrallinien des Heliums entdeckt und damit sein Vorkommen in der Sonne bewiesen. Es kommt auch in geringen Mengen in der Erdatmosphäre sowie in Erdgas und Erdöl (0,4 %) vor. Helium entsteht im Erdinneren beim radioaktiven Zerfall schwerer Elemente wie Uran oder Thorium, wobei Helium-Kerne als Alphateilchen ausgesendet werden.
Mond-Gestein ist reich an 3He.
Gewinnung und Darstellung
Erdgas mit einem Heliumanteil von bis zu 7 % ist der größte und wirtschaftlich wichtigste Heliumlieferant. Die größten Vorkommen befinden sich in den USA. In einer alten Erdgasquelle (Cliffside field/Amarillo, TX) lagert derzeit (2004) etwa das 10fache des Weltjahresbedarfs an Helium.
Das Isotop 3He kann nur aus Kernreaktionen gewonnen werden und ist daher sehr teuer. Es entsteht beispielsweise beim Betazerfall von Tritium:
Tritium wiederum kann durch Neutronenbeschuss von Lithium in einem Kernreaktor gewonnen werden:
Verwendung
Bei der Schweißtechnik wird Helium als Inertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoff zu schützen.
Helium-Sauerstoffgemische (80:20) dienen für Asthmatiker als Beatmungsgas - die Viskosität des Gasgemisches ist wesentlich geringer als die von Luft und es lässt sich daher leichter atmen.
Beim kommerziellen Tauchen wird der in der Atemluft enthaltene Stickstoff ganz oder teilweise durch Helium ersetzt, weil es weniger narkotisch ist und so den sogenannten Tiefenrausch verhindert.
Da Helium etwa fünf mal leichter als Luft ist, dient es auch als Füllgas für Ballone oder Luftschiffe. Durch sein inertes Verhalten und seine Unbrennbarkeit hat es das Traggas Wasserstoff weitgehend verdrängt.
Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope 4He und 3He) als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen (etwa 1 bis 4 Kelvin) eingesetzt (siehe dazu: Kryostat). Mit 4He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1 K erreichen. Das Isotop 3He erlaubt den Einsatz als Kühlmittel bis etwa 1 mK. Gerade beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel, damit die Supraleiter vom Typ I unter der Sprungtemperatur bleiben.
Ebenso kann komprimiertes Heliumgas wegen seiner hohen Wärmekapazität als Kühlmittel eingesetzt werden, insbesondere dort, wo ein besonders inertes Kühlmittel benötigt wird. Als Beispiel sei der Thorium-Hochtemperaturreaktor (kurz THTR) genannt.
Bei Vakuumanlagen wird Helium als Lecksuchgas eingesetzt indem die Vakuumapparatur mit einer Pumpe evakuiert wird und ein Massenspektrometer hinter die Pumpe gehängt wird. Wird nun die Apparatur mit Helium angeblasen, meldet das Massenspektrometer den Heliumeintritt in die Apparatur sofort.
Helium wird ferner auch in zwei Lasertypen eingesetzt: Dem Helium-Neon-Laser und dem Helium-Cadmium-Laser.
Geschichte
Der Astronom Pierre Janssen entdeckte Helium erstmals während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1868 auf Grund des Spektrums der Sonnenkorona. Danach schlugen die Astronomen Joseph Norman Lockyer und Edward Frankland den Name Helium für das Element vor. 1895 fanden unabhängig voneinander William Ramsay sowie die schwedischen Chemiker Per Theodor Cleve und Nicolas Langlet Helium in dem Uran-Mineral Cleveit. Ernest Rutherford, Thomas Royds und Hans Geiger (nach ihm wurde der Geigerzähler benannt) zeigten 1907, dass Alpha-Teilchen Helium-Kerne sind.
Weblinks
- Los Alamos National Laboratory - Helium
- WebElements.com - Helium
- EnvironmentalChemistry.com - Helium
- Fribourg group for Atomic Physics
- Was kann die Supraleitung im Energiebereich leisten? (Link zu den Energie-Fakten.de)
- www.heliumkern.de
Siehe auch: Chemikalienliste, WikiProjekt Elemente