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Helium
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Helium in einer Gasentladungslampe
Allgemeines
Name	Helium
Symbol	Hallo
Ordnungszahl	2
Gruppe	Edelgase
Zeitspanne	Zeitraum 1
Block	S-Block
Serie	Edelgase
Farbe	farblos
Chemische Eigenschaften
Atommasse (Sie)	4,002602
Elektronenkonfiguration	1s2
Oxidationsstufen	0
Atomradius (Uhr)	31
1 Ionisationspotential (kJ·Maulwurf−1)	2372,34
2. Ionisationspotential (kJ·Maulwurf−1)	5250,56
Physikalische Eigenschaften
Dichte (kg·ich−3)	0,1787
Siedepunkt (K)	4,2
Aggregatzustand	Gas
Verdampfungswärme (kJ mol−1)	0,0845
Van-der-Waalse-Radius (pm)	140
Kristallstruktur	Verhexen
Schallgeschwindigkeit (mso−1)	970
Spezifische Wärme (J kg−1·K−1)	5193
Wärmeleitung (Wich−1·K−1)	0,1513
SIEinheiten und Standardtemperatur und -druck werden verwendet, sofern nicht anders angegeben
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Helium ist ein Chemisches Element mit Symbol Hallo und Ordnungszahl 2. Es ist ein farbloses Edelgas.

Entdeckung

Helium wurde eingeführt in 1868 vom Franzosen Pierre Janssen und der Engländer Norman Lockyer selbstständig entdeckt. Pierre Janssen studierte das Licht der Chromosphäre der Sonne während eines Sonnenfinsternis die am 18. August desselben Jahres stattfand und mit a Spektroskop auf einen Wellenlänge ab 587.49 nm ein Emissionslinie eines bisher unbekannten Elements. Norman Lockyer entdeckte die Linie im Spektrum der Sonne am 20. Oktober, aber beide veröffentlichten ihre Entdeckung am selben Tag. Edward Frankland bestätigte Janssens Beobachtungen und schlug vor, das Element nach der Sonne zu benennen. Er schlug das Suffix vor -ium weil er erwartete, dass das Element ein Metall ist. Wenn das Element in 1895 von Sir William Ramsay von clevit Es stellte sich heraus, dass es kein Metall war, aber der Name wurde nicht geändert. Die schwedischen Chemiker Nils Langlet und Per Theodor Kleve führten das gleiche Experiment unabhängig von Ramsay ungefähr zur gleichen Zeit durch.

Im Jahr 1907 zeigte Ernest Rutherford und Thomas Royds auf diesem Alphateilchen waren nichts als Heliumkerne. Im 1908 ist es dem niederländischen Physiker gelungen Heike Kamerlingh Onnes zuerst Helium durch das Gas auf 0,9 . verflüssigen Kelvin Abkühlung. Er wurde ausgezeichnet als Nobelpreis unterscheiden. Sein SchülerWillem Keesom, der ihm inzwischen als Laborleiter nachgefolgt war, gelang 1926 der erste, der Helium unter hohem Druck erstarrt.

Anwendungen

Ballons

Helium ist viel leichter als Luft. Es wird daher oft als Füllstoff für Ballons und Luftschiffe. Helium wird bevorzugt Wasserstoff, das leichter, aber sehr brennbar ist. Die Tragfähigkeit von Helium beträgt 93 % der von Wasserstoff. Helium ist viel teurer als Wasserstoff, weil es schwieriger zu extrahieren ist. Darüber hinaus ist es nicht möglich, mit der Kaskadenmethode verflüssigt, was die Verwendung, z.B. beim Transport, verteuert.

Kältemittel

Da Helium den niedrigsten Schmelz- und Siedepunkt aller Elemente hat, ist es ein sehr geeignetes Kühlmittel für viele Anwendungen, die extrem niedrige Temperaturen erfordern, wie z Magnete, kryogene Forschung und Kernreaktoren. In flüssiger Form wird es verwendet in MRT-Scans im medizinischen Bereich, als Kühlung für die supraleitend Elektromagnete.

Gasentladungslampe gefüllt mit Helium

Gerätetauchen

Tiefseetaucher atmen oft eine Mischung aus Helium und Sauerstoff in, teilweise weil Sauerstoff bei höherem Umgebungsdruck giftig ist und Stickstoff- unter hohem Druck kann zu Stickstoffnarkose und Caisson-Krankheit. Durch den Ersatz eines Teils des Stickstoffs wird die narkotische Wirkung begrenzt. Die geringe Dichte von Helium reduziert die Viskosität des Atemgemisches, wodurch das Atmen bei hohem Umgebungsdruck erleichtert wird. Helium ist ein guter Wärmeleiter, der für zusätzlichen Wärmeverlust sorgt.Wie Stickstoff kann Helium Caisson-Krankheit verursachen. Auch aufgrund des steigenden Heliumpreises tauchen die Menschen zunehmend mit einem sogenannten Rebreather.

Andere

Des chemische Trägheit wird verwendet, wenn es als Trägergas in der Gaschromatographie, wenn Schutzgas Biene Lichtbogenschweißen und als Gas, in dem Silizium- und Germaniumkristalle kann wachsen.

Das Anwendungsspektrum umfasst auch den Einsatz in Gasentladungslampen wo es ein goldgelbes Licht spendet. Aufgrund seines kleinen Moleküls wird es zur Dichtheitsprüfung beispielsweise von Druckbehältern verwendet. Das Gefäß wird dann mit Helium unter Druck gesetzt, wonach die Anzahl der Heliumatome in einer Stickstoffumgebung gemessen wird; wenn keine vorhanden sind, ist das Gefäß dicht. Beim Raketenantrieb wird ein Gas verwendet, um den Raum im Treibstofftank zu füllen, der durch den Verbrauch des Treibstoffs frei wird. Wird dafür Helium verwendet, kommt es aus einem Behälter mit flüssigem Helium unter hohem Druck. Darüber hinaus wird das Gas im Überschallverfahren angewendet Windkanäle.

Produktion

Die Bildung von Helium aus Wasserstoff, a Kernfusionsreaktion die viel Energie freisetzt, bildet die Basis der Energie von Sterne aber auch die der Wasserstoffbombe. Helium kann synthetisiert werden durch Lithium oder bohren mit sehr schnell Protonen schießen. Dies liegt daran, dass radioaktiver Zerfall α-Strahlung freisetzt, die Heliumkerne sind. Helium kommt auch in Erdgas vor (1% Helium). Trenntechniken ermöglichen die Abtrennung des Heliums vom Erdgas.

Bemerkenswerte Funktionen

Helium ist ein farb- und geruchloses Edelgas und hat einen extrem niedrigen Siedepunkt (4,2 Kelvin), das niedrigste aller Elemente. Es ist unter den meisten Bedingungen chemisch inert. es ist nicht Wasserstoff das häufigste Element in der Universum. Helium besteht aus losem Atome.

Das spezifische Wärme Helium ist sehr hoch, und Heliumdampf ist sehr kompakt, dehnt sich jedoch bei höheren Temperaturen schnell aus. Das kritische Temperatur Helium beträgt nur 5,19 K.

Das Phasendiagramme von ³Hallo und ⁴Hallo sind ganz anders.^[1]

Helium ist das einzige Element, das bei Normaldruck unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht fest wird. ⁴Hallo kann nur unter hohem Druck verwendet werden (mindestens 2.6 ichpa) sind repariert. Fest ³Hallo und ⁴Hallo haben die einzigartige Eigenschaft, dass ihr Volumen bei noch mehr Druck um mehr als 30% abnehmen kann.

Bei Temperaturen unter 1 k ist 2,6 ichpa genug, um Helium zu fixieren. Dieser nimmt bei höheren Temperaturen schnell zu. Zum Beispiel mit 15. gibt es k bereits ein Druck von etwa 100 ichpa notwendig, und bei Raumtemperatur sogar ca. 20 Gpa.

Fest ⁴Hallo kommt in drei verschiedenen Kristallstrukturen vor dem. Bei relativ niedrigem Druck, ⁴Hallo ein sechseckiger nächster Stapel Auf. Bei einer Temperatur von etwa 2 k Gibt es einen kleinen Bereich, wo ⁴Hallo ein kubisch räumlich zentriert nimmt Struktur an. Bei extrem hohem Druck tritt die dritte Form auf, a kubisch flächenzentriert Struktur. Fest ³Hallo nimmt ein kubisch räumlich zentriert Struktur, mit einem Spinordnungsübergang bei etwa 1 ichk.^[1][2]

Helium ist ein Edelgas und als solche unter fast allen Bedingungen chemisch inert, aber wenn Helium mit beschossen wird Elektronen kann es Verbindungen herstellen mit Wolfram, Jod, Fluor, Schwefel und Phosphor. Von allen Gasen löst sich Helium am schlechtesten in Wasser.

Helium-3 ist das Produkt von radioaktiver Zerfall von Tritium. Das Edelgas reichert sich manchmal auch in Kernreaktoren. In der Moderne W88Sprengköpfe der Vereinigten Staaten wurde daher zu einem Filter,^[3] wahrscheinlich von Palladium,^[4] eingebaut, um die Kontamination des Tritiums in der "primären", der ersten Stufe der Zündung dieser zu verhindern Wasserstoffbombe verhindern. In den Vereinigten Staaten hat die Helium-Kontamination zu "Zischungen" geführt. Dies bedeutet, dass die Neutronen von a Kernspaltung von Helium während der Explosion absorbiert. Dann stehen nicht genügend Neutronen zur Verfügung, um das Reservoir zu füllen Lithium-6 - Deuterium bombardieren. Die Bombe erreicht dann nur noch einen Bruchteil der beabsichtigten Sprengkraft. Die Amerikaner Code Name des streng geheimen Filters ist "Terrazo".^[5]

Natürliches Aussehen

Helium tritt in die Atmosphäre der Erde in sehr geringen Mengen (1 von 200.000 Molekülen) denn: es entsteht auf der Erde als Nebenprodukt von radioaktiv Verfall der Aktiniden²³⁸SIE und ²³²aber. Dies gilt insbesondere für die Mineralien, die Uran und Thorium enthalten, wie z kleviten, Pitch-Blende, Karton, Monazit und Beryll; es wird in diesen Mineralien aus schweren Elementen gebildet durch radioaktiver Zerfall in Form von Alphateilchen. Aus diesen Mineralien kann das Helium gewonnen werden. Es kommt auch in einigen Mineralwässern vor (insbesondere in Island) und in vulkanisch Gase und in einigen Erdgasreserven (einschließlich in den Vereinigte Staaten), aus dem das meiste kommerzielle Helium gewonnen wird.

Helium ist über Spektroskopie in großen Mengen nachgewiesen, vor allem in Sterne. Es spielt eine wichtige Rolle in der Proton-Proton-Zyklus und der Kohlenstoff-Stickstoff-Kreislauf, aus dem Sterne einen Großteil ihrer Energieproduktion beziehen.

Suprafluidität

Das Isotop ⁴He von Helium existiert in der flüssigen Phase in zwei Formen: ⁴Hey ich und ⁴Hallo II. Helium I ist eine gewöhnliche Flüssigkeit, aber Helium II ist ein superfluid Flüssigkeit. Dieser Effekt ist bei ⁴Er basiert auf dem sogenannten Bose-Einstein-Kondensation, wodurch immer mehr Moleküle auf das gleiche Energieniveau absteigen können. Eine suprafluide Flüssigkeit hat eine Viskosität von 0 und ist daher mit keiner anderen Substanz vergleichbar. Wenn die Temperatur unter ist Lambda-Punkt kommt, geht Helium I schlagartig in Helium II über. Biene ⁴Der Lambdapunkt liegt bei 2,174 K.^[6]

Da die Umwandlung von He I in He II eine kontinuierliche Phasenübergang ist, ohne latente Wärme am Lambda-Punkt können He I und He II nicht koexistieren.

Helium war eine der ersten Substanzen, die quantenmechanischer Effekt wurde auf makroskopischer Ebene beobachtet.

Das ³Das Isotop hat zwei superfluid Phasen, beide bei Temperaturen unter 2,6 mK - nur wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Außer ⁴Er atomisiert, stirbt Bosonen Sie haben ³He-Moleküle haben eine ungerade Anzahl von Protonen und Neutronen und sind somit Fermionen, damit sie dem folgen Fermi-Dirac-Statistik sich verhalten.^[1][2]

Isotope

sehen Isotope von Helium für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Das häufigste Heliumisotop isttop ⁴Hey, das hat einen Kern, der aus zwei besteht Protonen und zwei Neutronen existiert. Dies ist eine ungewöhnlich stabile Kernkonfiguration, da der Kern eine volle Hülle mit einem sogenannten Magie Anzahl der Kernteilchen.

Viel schwerere Kerne zerfallen durch Emission von a ⁴Er Kern, ein Prozess namens Alpha-Zerfall. Heliumkerne heißen daher auch Alphateilchen erwähnt. Ein Großteil des auf der Erde vorhandenen Heliums ist auf diese Weise entstanden. Ein zweites Heliumisotop, ³Hey, hat nur 1 Neutron. Es gibt auch schwerere Isotope, aber diese sind radioaktiv. ³Er ist auf der Erde relativ seltener, da nur schwerere Elemente zerfallen ⁴Er produziert und leckt atmosphärisches Helium relativ schnell ins Universum. Das Verhältnis zwischen den beiden Isotopen (³Hallo/⁴Er) ist in der Sonne (gemessen in der Sonnenwind^[7][8]) etwa viermal so hoch wie in Meteoriten^[9] und 300 mal höher als im in Atmosphäre der Erde.^[9]

In dem Geochemie wird das Verhältnis ³Hallo/⁴Er identifizierte den Ursprung von Lava und Magma zu entscheiden. Die Idee ist, dass die oberer Mantel durch Konvektionsstrom alle ursprünglich darin enthaltenen Gase verloren hat, aber die Grundierung noch relativ viele der Sonnennebel Ursprung ³Es beinhaltet. Lavas und Magmen mit höherem ³Hallo/⁴Hey, wie mit Hotspot-Vulkanismus auftreten, werden als relativ unvermischt angenommen Reservoir entstanden sein. Es wird vermutet, dass sich dieses Reservoir im D" Schicht oder in der Nähe von Kern-Mantel-Grenze befindet sich. Dies bedeutet, dass diese Magmen aus relativ viel größeren Tiefen als üblich stammen.

Nach der Urknalltheorie ³Weg ⁴Er bildete sich beide in großen Mengen in Urknall Nukleosynthese während der Urknall.

Ionen

Toxikologie und Sicherheit

Helium ist untätig und daher nicht giftig. Helium kann jedoch den in einem geschlossenen Raum vorhandenen Sauerstoff verdrängen und so zum Ersticken führen (HypoxieMit gasförmigem Helium gefüllte Gefäße, die bei 5 bis 10 K gelagert werden, sollten wegen des starken Druckanstiegs beim Erhitzen des Gases auf Raumtemperatur so behandelt werden, als ob sie flüssiges Helium enthalten würden.

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