Helium

Helium (von altgriech. ἥλιος (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

Wasserstoff - Helium

He
Ne

1s²

Periodensystem

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

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

972 m/s
1007 m/s bei 293,15 K

Verschiedenes

Elektronegativität

Spezifische Wärmekapazität

5193 J/(kg · K)

Elektrische Leitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit

0,152 W/(m · K)

Isotope

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
³He	0,000137 %	He ist stabil mit 1 Neutron
⁴He	99,999863 %	He ist stabil mit 2 Neutronen
⁵He	{syn.}	7,618 · 10^-22 s	n	0,60	⁴He
⁶He	{syn.}	806,7 ms	β^-	3,508	⁶Li
⁷He	{syn.}	2,857 · 10^-21 s	n	0,60	⁶He
⁸He	{syn.}	119 ms	β^- und n	?	⁷Li

NMR-Eigenschaften

	³He
Kernspin	1/2
gamma	2,038 · 10⁸ rad/T
Empfindlichkeit	0,44
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	152 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Inhaltsverzeichnis

1 Eigenschaften

2 Vorkommen

3 Gewinnung und Darstellung

Eigenschaften

left|Aufbau eines Heliumatoms

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 ausgesandt 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, Algerien und der GUS, wobei grosse Mengen in den völlig unzugänglichen Gebieten Sibiriens liegen. Kleinere Vorkommen gibt es zudem in Polen, Indien, China sowie in Erdgasfeldern zwischen Indonesien und Australien. In einer alten Erdgasquelle (Cliffside field/Amarillo, TX) lagert derzeit (2004) etwa das 10fache des Weltjahresbedarfs an Helium. Diese ehemals strategische Reserve der amerikanischen Regierung muss jedoch innerhalb der nächsten Jahre an die Privatwirtschaft abverkauft werden (Helium Privatization Act der Clinton Administration 1996)

Das Isotop ³He kann nur aus Kernreaktionen gewonnen werden und ist daher sehr teuer. Es entsteht beispielsweise beim Betazerfall von Tritium:

${}^3 H \rightarrow (12{,}5~\textrm{Jahre}) \rightarrow {}^3 He + \beta$

Tritium wiederum kann durch Neutronenbeschuss von Lithium in einem Kernreaktor gewonnen werden:

${}^6 Li + n \ \rightarrow \ {}^3 H + {}^4 He$

Verwendung

Bei der Schweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung als Inertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoff zu schützen. Zudem lässt sich bei Einsatz von Helium die Einbrenntiefe und die Schweissgeschwindigkeit steigern sowie die Bildung von Spritzern verringern, was insbesondere bei Roboterschweissungen und bei der Verarbeitung von Aluminium und rostfreien Stählen zum Einsatz kommt.

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 Traggas 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. Praktische Anwendungen sind hier die Kernspintomographie (MRT), die Magnetoenzephalographie (MEG) in der Medizintechnik sowie die Magnetresonanzspektroskopie (NMR) in der Forschung.

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. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist hier die Herstellung von optischen Glasfasern in heliumgekühlten Falltürmen.

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. Diese Eigenschaft wird unter anderem auch bei der Lecksuche in Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmetauschern für Klimaanlagen benutzt.

Helium wird in der Raketentechnik eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff von den Treibstoffpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird. Bei Druckgas geförderten Flüssigtreibstoffraketen drückt Helium den Treibstoff in die Triebwerke.

Helium wird ferner auch in zwei Lasertypen eingesetzt: Dem Helium-Neon-Laser und dem Helium-Cadmium-Laser.

Reinsthelium dient zudem als Trägergas in der Gaschromatographie (Analytik).

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.

Kurioses

Nach dem Einatmen von Helium ändert sich die eigene Stimme dramatisch (Mickymaus). Ursache dafür ist die gegenüber Luft deutlich höhere Schallgeschwindigkeit im Helium.

Weblinks

Siehe auch: Chemikalienliste, WikiProjekt Elemente

Kategorie:Chemisches Element Kategorie:EdelgasKategorie:Periode-1-Element Kategorie:Tauchen

Helium

Eigenschaften

Vorkommen

Gewinnung und Darstellung

Verwendung

Geschichte

Kurioses

Weblinks

See also: Helium, 1868, 1895, 1907, Aggregatzustand, Alpha-Teilchen, Alphateilchen, Asthma, Astronom