Hélium

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

hidrogénhélium
 
He

Ne  
 
 

Általános
Név, vegyjel, rendszám Hélium, He, 2
Kategória Nemesgázok
Csoport, periódus, mező 18 (VIIIA), 1, p
Sűrűség, keménység 0,1785 kg/m3, -
Megjelenés színtelen
Atomi jellemzők
Relatív atomtömeg 4,002602 u
Atomsugár (calc.) nincs adat (31) pm
Kovalens sugár 32 pm
van der Waals sugár 140 pm
Elektronszerkezet 1s2
e- energiaszintenként 2
Oxidációs állapotok (oxid) 0 (ismeretlen)
Kristályszerkezet hexagonális
Fizikai jellemzők
Halmazállapot gáz
Olvadáspont 0,95 K 26 atm-nál
Forráspont 4,22 K (-269 °C)
Moláris térfogat 21,0 ·10-6 m3/mol
Párolgáshő 0,0845 kJ/mol
Olvadáshő 5,23 kJ/mol
Gőznyomás nincs adat
Hangsebesség 970 m/s 293,15 K-en
Egyéb
Elektronegativitás nincs adat (Pauling skála)
Fajlagos hőkapacitás 5193 J/(kg·K)
Elektromos vezetőképesség nincs adat
Hővezetési képesség 0,152 W/(m·K)
1. ionizációs potenciál 2372,3 kJ/mol
2. ionizációs potenciál 5250,5 kJ/mol
Legstabilabb izotópok
izo T.E. fel. idő B.m. B.E. (MeV) B.t.
3He 0,000137% He stabil 1 neutronnal
4He 99,999863% He stabil 2 neutronnal
6He {mest} 806,7 ms β- 3,508 6Li
A táblázatban SI mértékegységek szerepelnek.

Ahol lehetséges, az adatok normálállapotra vonatkoznak.

Az ezektől való eltérést egyértelműen jelezzük.

A hélium a periódusos rendszer egyik kémiai eleme. Vegyjele He, rendszáma 2. Színtelen, szagtalan nemesgáz. A héliumnak van az elemek közül a legalacsonyabb forráspontja, és csak nagy nyomáson képes megszilárdulni. Egyatomos gáz. Kémiailag közömbös. A hidrogén után a második leggyakoribb elem a világegyetemben. A Föld légkörében csak nyomokban fordul elő, nehezebb elemek alfa-bomlásával keletkezik. A hélium gazdaságosan a földgázból vonható ki. Felhasználják léggömbök és léghajók töltőanyagaként és hűtőanyagként, például szupravezető mágnesekben.

Tartalomjegyzék

[szerkesztés] Története

A héliumot először egy francia csillagász, Pierre Janssen észlelte 1868-ban egy indiai napfogyatkozás során, a Nap kromoszférájának színképében jelentkező fényes sárga vonalként. Ugyanebben az évben Norman Lockyer, egy angol csillagász szintén megfigyelt egy addig ismeretlen sárga vonalat a nap színképében, és levonta a következtetést hogy azt egy eddig ismeretlen elemnek kellett okoznia. Edward Frankland vegyész kollegájával a hélium nevet adták neki, a Nap görög neve, helios után.

1895-ben egy brit vegyésznek, William Ramsay-nek sikerült először a Földön héliumot kivonni nyers uránércből ásványi savak segítségével. A mintákat Lockyer és William Crookes azonosította héliumként. Tőlük függetlenül Pet Teodor Cleve és Nils Langlet svéd kémikusoknak is sikerült nyers uránércből előállítania héliumot.

1905-ben amerikai vegyészek (Hamilton Cady és David McFarland) felfedezték, hogy a hélium földgázból is kivonható. 1907-ben Ernest Rutherford és Thomas Royds bebizonyították, hogy a radioaktív bomlás alfa-részecskéje megegyezik a hélium atommagjával. A héliumot először egy holland tudós, Heike Kamerlingh Onnes cseppfolyósította 1908-ban, a gáz kevesebb mint 1 K-ra hűtésével. 1926-ban tanítványa, Willem Hendrik Keesom állított elő szilárd halmazállapotú héliumot. 1938-ban Pyotr Leonidovich Kapitsa orosz fizikus megfigyelte, hogy a hélium-4-nek abszolút nulla fokot megközelítő hőmérsékleten szinte nullára csökken a viszkozitása (belső súrlódása) – ezt a jelenséget ma szuperfolyékonyságnak nevezzük. 1972-ben sikerült szuperfolyékonyságot kimutatni a hélium-3 esetében is, Douglas D. Osheroff, David M. Lee, és Robert C. Richardson amerikai fizikusoknak.

[szerkesztés] Állapotai

Normálállapotban a hélium egyatomos gáz formájában létezik. Kizárólag nagy nyomás alatt szilárdul meg, miközben a sűrűsége jelentősen megnő. 4,21 kelvines forráspontja alatt, de a lambda pontnak nevezett 2,1768 kelvin fölött, a hélium-4 izotóp normális folyékony állapotban van, amit hélium I-nek neveznek. A lambda pont alatt furcsán kezd viselkedni, és egy hélium II-nek nevezett állapotba kerül. A hélium-3 izotóp viselkedéséről kevesebbet tudunk.

[szerkesztés] Hélium II

Szócikk: szuperfolyékonyság.

A hélium II viselkedését két különböző tulajdonságú folyadék elegyeként lehet leírni. Szuperfolyékony folyadék tulajdonságait mutatja. Nincs belső súrlódása, gyorsan folyik keresztül akár a legkisebb átmérőjű csöveken, felmászik a tárolóedény falán – szökőkút-effektus – mintha a gravitáció nem is lenne rá hatással. Hővezetési képessége nagyobb bármilyen ismert anyagénál. Ha hőt közlünk vele, a hő igen gyorsan, hőmérsékleti hullámokban (más terminológiában: második hang) terjed el benne.

[szerkesztés] Reakciók

A hélium normális körülmények között nem lép reakcióba más elemekkel. Elektromos kisülések, illetve elektronokkal való bombázás során azonban vegyületeket alkothat volfrámmal, jóddal, fluorral, kénnel illetve foszforral.

[szerkesztés] Izotópjai

Bár a héliumnak 6 izotópját ismerjük, ezek közül csak a hélium-3 és a hélium-4 stabilak. A többi radioaktív izotópja gyorsan elbomlik más anyagokra. A leggyakoribb izotóp, a hélium-4 nehezebb radioaktív elemekből alfa-bomlással keletkezik; atommagja egy alfa-részecske. Ez egy különlegesen stabil atommag, mivel a nukleonok teljes héjakba rendeződnek benne. Hélium-3 izotóp a Földön csak nyomokban található, a trícium béta-bomlása során keletkezik.

[szerkesztés] Előfordulása

A hélium a hidrogén után a második leggyakoribb elem az ismert világegyetemben, annak tömegének kb. egynegyedét adja. Leginkább a csillagokban fordul elő, ahol magfúzió során hidrogénből keletkezik a proton-proton láncreakció és a szén-nitrogén ciklus során. Az Ősrobbanás elmélete szerint a hélium jelenlegi tömegének nagy része a Big Bang utáni első három perc során keletkezett.

Mindazonáltal, Földünk légkörében a hélium részaránya csak 1:200 000, leginkább azért, mert a hélium nagy része kipárolog az űrbe csekély tömegénél fogva. A Földön megtalálható hélium radioaktív bomlás eredménye. A bomlástermék az urán és tórium érceiben található meg, és csekély mennyiségben ásványvizekben, vulkáni gázokban, meteorvasban is. A bolygón legnagyobb koncentrációban a földgázban található meg (aránya egyes földgázokban 1,6-1,8% is lehet), ez a legnagyobb forrása az ipari héliumnak is. A világ fő héliumforrása a texasi, oklahomai és kansasi földgázkitermelő helyeken van.

[szerkesztés] Előállítása

A hélium előállítható lítium vagy bór nagysebességű protonokkal való bombázásával.

[szerkesztés] Felhasználása

A földgázból kivont, nagy nyomás alatt tárolt hélium kereskedelemben hozzáférhető.

Számos célra felhasználják:

  • Mivel könnyebb a levegőnél, léghajók és léggömbök töltőanyagaként használják. Előnyösebb a hidrogénnél, mivel nem gyúlékony, és a hidrogén emelőerejének 92,64%-át nyújtja.
  • A héliumot belélegzett személy hangja időlegesen magasabb lesz, mivel a hang a héliumban a levegőnél háromszor gyorsabban terjed, és ilyen arányban magasabbak lesznek a gégében a rezonáns frekvenciák. Bár jó szórakozás, koncentrált héliumot használva az oxigénhiány miatt akár halálos is lehet.
  • Mélytengeri búvárok légzőberendezéseiben Trimix-et használnak, ami hélium, nitrogén és oxigén keveréke, hogy csökkentsék az esélyét a nagy nyomáson, normál levegő esetében fellépő nitrogén-narkózisnak (nitrogén nagy parciális nyomása okozta eufórikus állapot), keszonbetegségnek, és oxigén-toxicitásnak.
  • Különlegesen alacsony olvadás- és forráspontja miatt hűtőanyagként használják MRI-berendezéseknél, nukleráris reaktoroknál, szupravezető mágneseknél és a kriogenikában.
  • Kémiai közömbössége miatt védőgázként használják szilícium- és germániumkristályok növesztésekor, a titán- és cirkónium-kitermelésben, ívhegesztéskor és a gázkromatográfiában.
  • Folyékony üzemanyagú rakétákban a túlnyomás elérésére használják.
  • Héliumot használnak szuperszonikus sebességű szélcsatornákban.
  • a hélium-neon lézer erősítő közegeként hélium és neon elegyét használják
  • nagyfeszültségű kisülési csövekben töltőgázként alkalmazzák
  • Héliumot alkalmaznak szivárgástesztelésre. Ez történhet összeszerelő üzemekben, ahol olyan termékek készülnek, amelyeknél szivárgás nem engedhető meg (pl. üzemanyagszivattyúk), de héliumot alkalmaznak csővezetékek szivárgástesztelésére is. A hélium azért különösen alkalmas gáz a szivárgástesztelésre, mivel kis viszkozitása miatt könnyen átjut a szivárgást okozó lyukon, továbbá, kvadrupól tömegspektrométerrel könnyen és nagy érzékenységgel mérhető a tesztelt tárgyból kiszivárgó hélium.
  • élelmiszerek konzerválására is használható