Hélium

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.

[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 rendkívül reakcióképes halogénelem. Szinte minden anyagot megtámad, a tüdőt roncsolja. A gyerekek szokták lufiból beszívni, de ez tartósan ártalmas lehet! A tüdő megnagyobbodhat, lassú fulladás következik be. A szerves anyagokat(bőr) roncsolja, károsítja! A bőrbe be nem gyógyuló fekélyeket okoz!

[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, mive 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
élelmiszerek konzerválására is használható