Das Helium ist ein chemisches Element, dessen Symbol Er ist. Es ist das erste Edelgas im Periodensystem und befindet sich normalerweise ganz rechts davon. Unter normalen Bedingungen ist es ein Inertgas, da keine seiner wenigen Verbindungen stabil ist; Es dehnt sich auch sehr schnell aus und ist die Substanz mit dem niedrigsten Siedepunkt von allen.
Auf einer populären Ebene ist es ein bekanntes Gas, da es bei unzähligen Veranstaltungen oder Kinderfesten üblich ist, zu beobachten, wie ein Ballon aufsteigt, bis er am Himmel verloren geht. Was jedoch wirklich und für immer an den Ecken des Sonnensystems und darüber hinaus verloren geht, sind die Heliumatome, die freigesetzt werden, sobald der Ballon explodiert oder sich entleert..
In der Tat gibt es diejenigen, die aus gutem Grund der Ansicht sind, dass Heliumballons eine unangemessene Praxis für dieses Gas darstellen. Glücklicherweise hat es wichtigere und interessantere Verwendungsmöglichkeiten, dank seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften, die es von anderen chemischen Elementen trennen..
Zum Beispiel ist flüssiges Helium so kalt, dass es alles wie eine Metalllegierung einfrieren und in ein supraleitendes Material verwandeln kann. Ebenso ist es eine Flüssigkeit, die Superfluidität zeigt und die Wände eines Glasbehälters hochklettern kann..
Sein Name beruht auf der Tatsache, dass es zum ersten Mal auf der Sonne und nicht auf der Erde identifiziert wurde. Es ist das zweithäufigste Element im gesamten Universum und obwohl seine Konzentration in der Erdkruste vernachlässigbar ist, kann es aus den Reserven von Erdgas und radioaktiven Mineralien von Uran und Thorium gewonnen werden..
Hier zeigt Helium eine weitere merkwürdige Tatsache: Es ist ein Gas, das im Untergrund viel häufiger vorkommt als in der Atmosphäre, wo es der Erde und ihrem Gravitationsfeld entweicht.
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Helium wurde nicht auf der Erde, sondern auf der Sonne entdeckt. Tatsächlich stammt sein Name vom griechischen Wort "Helios", was "Sonne" bedeutet. Die Existenz des Elements an sich stand im Gegensatz zum Periodensystem von Dmitri Mendeleev, da darin kein Platz für ein neues Gas war; das heißt, bis dahin wurde absolut nichts über Edelgase vermutet.
Der Name 'Helium', im Englischen als 'Helium' geschrieben, endete mit dem Suffix -ium, das es als Metall bezeichnet; gerade weil die Existenz eines anderen Gases als Sauerstoff, Wasserstoff, Fluor, Chlor und Stickstoff nicht zugelassen werden konnte.
Dieser Name wurde vom englischen Astronomen Norman Lockyer benannt, der aus England studierte, was der französische Astronom Jules Janssen in Indien während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1868 beobachtete.
Es war eine gelbe Spektrallinie eines bisher unbekannten Elements. Lockyer behauptete, dies sei auf das Vorhandensein eines neuen chemischen Elements in der Sonne zurückzuführen.
1895, fast zwanzig Jahre später, erkannte der schottische Chemiker Sir William Ramsay das gleiche Spektrum aus einem Restgas, als er ein radioaktives Mineral untersuchte: Cleveit. Also gab es hier auch auf der Erde Helium.
Helium ist ein farbloses, geruchloses Gas, das keinen Geschmack hat und auch inert ist. Wenn jedoch ein elektrischer Schlag angelegt wird und abhängig von der Spannungsdifferenz, beginnt er als grau-lila Dunst zu leuchten (Bild oben) und dann mit einem orangefarbenen Schimmer zu leuchten. Daher sind die Heliumlichter orange.
zwei
4,002 g / mol
-272,2 ºC
-268,92 ºC
-0,1786 g / l unter normalen Bedingungen, dh in der Gasphase.
-0,145 g / ml, am Schmelzpunkt, flüssiges Helium.
-0,125 g / ml, gerade als das Helium zu kochen beginnt.
-0,187 g / ml bei 0 K und 25 atm, dh festes Helium bei diesen spezifischen Druck- und Temperaturbedingungen.
2.177 K und 5.043 kPa (0,04935 atm)
5,1953 K und 0,22746 MPa (2,2448 atm)
0,0138 kJ / mol
0,0829 kJ / mol
20,78 J / (mol K)
0,9869 atm bei 4,21 K. Dieser Wert gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie flüchtig Helium sein kann und wie leicht es bei Raumtemperatur entweichen kann (nahe 298 K)..
-Erstens: 2372,3 kJ / mol (He+ gasförmig)
-Zweitens: 5250,5 kJ / mol (Hezwei+ gasförmig)
Die Ionisierungsenergien für Helium sind besonders hoch, da das gasförmige Atom ein Elektron verlieren muss, das eine starke effektive Kernladung erfährt. Es kann auch verstanden werden, wenn man die geringe Größe des Atoms und die Nähe der beiden Elektronen zum Kern (mit seinen zwei Protonen und zwei Neutronen) betrachtet..
In Wasser werden 0,97 ml pro 100 ml Wasser bei 0 ° C gelöst, was bedeutet, dass es schwer löslich ist.
Helium ist das am wenigsten reaktive chemische Element in der Natur. Unter normalen Bedingungen ist es richtig zu sagen, dass es sich um ein Inertgas handelt; Niemals (wie es scheint) kann eine Heliumverbindung in einem Raum oder Labor manipuliert werden, ohne dass ein enormer Druck auf sie einwirkt. oder vielleicht dramatisch hohe oder niedrige Temperaturen.
Ein Beispiel sehen wir in der Verbindung NazweiEr, der nur unter einem Druck von 300 GPa stabil ist, reproduzierte sich in einer Diamantambosszelle.
Während die chemischen Bindungen in NazweiSie sind "seltsam" darin, dass ihre Elektronen gut in den Kristallen lokalisiert sind, sie sind alles andere als einfache Van-der-Walls-Wechselwirkungen und bestehen daher nicht einfach aus Heliumatomen, die von Molekülaggregaten eingefangen werden. Hier entsteht das Dilemma, zwischen welchen Heliumverbindungen real sind und welche nicht..
Beispielsweise können Stickstoffmoleküle bei hohen Drücken ein Heliumatom einfangen, um eine Art Clathrat He (N) zu bildenzwei)elf.
Ebenso gibt es die endohedralen Komplexe von Fullerenkationen, C.60+n und C70+n, in deren Hohlräumen können sie Heliumatome aufnehmen; und das molekulare Kation HeH+ (He-H+), gefunden in sehr entfernten Nebeln.
Wer aus Neugier versucht, die Oxidationszahl für Helium in einer seiner Verbindungen zu berechnen, wird feststellen, dass diese gleich 0 ist. In NazweiMan könnte zum Beispiel annehmen, dass seine Formel hypothetischen Na-Ionen entsprichtzwei+ich habezwei-;; aber dies wäre anzunehmen, dass es einen reinen ionischen Charakter hat, obwohl seine Bindungen in Wirklichkeit weit davon entfernt sind, dies zu sein.
Darüber hinaus gewinnt Helium keine Elektronen, weil es sie nicht im 2s-Orbital aufnehmen kann, energetisch nicht verfügbar; Aufgrund der geringen Größe seines Atoms und der großen effektiven Kernladung seines Kerns ist es ihm auch nicht möglich, sie zu verlieren. Deshalb ist Helium (theoretisch) immer als Atom He beteiligt0 in seinen abgeleiteten Verbindungen.
Helium nimmt wie alle auf einer Makroskala beobachteten Gase das Volumen der Behälter ein, in denen es gespeichert ist, und hat somit eine unbestimmte Form. Wenn jedoch die Temperatur sinkt und unter -269 ºC abkühlt, kondensiert das Gas zu einer farblosen Flüssigkeit; Helium I, die erste der beiden flüssigen Phasen für dieses Element.
Der Grund, warum Helium bei einer so niedrigen Temperatur kondensiert, liegt in den geringen Streukräften, die seine Atome zusammenhalten. unabhängig von der betrachteten Phase. Dies kann anhand der elektronischen Konfiguration erklärt werden:
1szwei
In dem zwei Elektronen das 1s-Atomorbital besetzen. Das Heliumatom kann als nahezu perfekte Kugel dargestellt werden, deren homogene elektronische Peripherie durch die effektive Kernladung der beiden Protonen im Kern kaum polarisationsanfällig ist..
Somit sind spontane und induzierte Dipolmomente selten und sehr schwach; Die Temperatur muss sich also dem absoluten Nullpunkt nähern, damit sich die He-Atome langsam genug nähern und erreichen, dass ihre Dispersionskräfte eine Flüssigkeit definieren. oder noch besser, ein Heliumkristall.
In der Gasphase ist der Raum, der die He-Atome trennt, so, dass angenommen werden kann, dass sie immer voneinander getrennt sind. So sehr, dass in einem Fläschchen mit kleinem Volumen das Helium farblos erscheint, bis es einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird, die seine Atome in einem grauen und nicht sehr hellen Dunst ionisiert..
In der flüssigen Phase können He-Atome trotz ihrer schwachen Wechselwirkungen nicht mehr "ignoriert" werden. Jetzt ermöglicht die Dispersionskraft ihnen, sich vorübergehend zu Dimeren zusammenzuschließen: He-He oder Hezwei. Daher kann Helium I als riesige Ansammlung von He angesehen werdenzwei im Gleichgewicht mit seinen Atomen in der Dampfphase.
Deshalb ist Helium I so schwer von seinen Dämpfen zu unterscheiden. Wenn diese Flüssigkeit aus ihrem luftdichten Behälter verschüttet wird, entweicht sie als weißliche Fackel..
Wenn die Temperatur noch weiter sinkt und 2.178 K (-270.972 ºC) berührt, tritt ein Phasenübergang auf: Helium I wird in Helium II umgewandelt.
Ab diesem Punkt wird die bereits faszinierende Heliumflüssigkeit zu einer Superfluid- oder Quantenflüssigkeit; das heißt, ihre makroskopischen Eigenschaften manifestieren sich so, als ob die Dimere Hezwei Sie waren einzelne Atome (und vielleicht sind sie es auch). Es fehlt die vollständige Viskosität, da es keine Oberfläche gibt, die ein Atom während seines Gleitens oder "Kletterns" stoppen kann..
Deshalb kann Helium II die Wände eines Glasbehälters erklimmen und die Schwerkraft überwinden. egal wie hoch sie sind, solange die Oberfläche auf der gleichen Temperatur bleibt und sich daher nicht verflüchtigt.
Aus diesem Grund kann flüssiges Helium nicht in Glasbehältern gelagert werden, da es beim geringsten Riss oder Spalt entweichen würde. sehr ähnlich wie es mit einem Gas passieren würde. Stattdessen werden solche Gefäße (Dewars-Tanks) aus rostfreiem Stahl konstruiert..
Selbst wenn die Temperatur auf 0 K (absoluter Nullpunkt) fallen würde, wäre die Streukraft zwischen den He-Atomen nicht stark genug, um sie in eine kristalline Struktur zu ordnen. Damit eine Verfestigung stattfinden kann, muss der Druck auf ungefähr 25 atm ansteigen; und dann erscheinen kompakte hexagonale Heliumkristalle (hcp).
Geophysikalische Studien zeigen, dass diese hcp-Struktur unabhängig vom Druckanstieg (bis zur Größenordnung von Gigapascal, GPa) unverändert bleibt. Es gibt jedoch einen engen Bereich in ihrem Druck-Temperatur-Diagramm, in dem diese hcp-Kristalle in eine körperzentrierte kubische Phase (bcc) übergehen..
Helium ist nach Wasserstoff das am zweithäufigsten vorkommende Element im gesamten Universum. Sterne produzieren ständig unermessliche Mengen an Heliumatomen durch die Fusion zweier Wasserstoffkerne während des Nukleosyntheseprozesses..
Ebenso ist jeder radioaktive Prozess, der α-Teilchen emittiert, eine Quelle der Produktion von Heliumatomen, wenn diese mit den Elektronen in der Umgebung interagieren. Zum Beispiel mit denen eines felsigen Körpers in Ablagerungen radioaktiver Mineralien von Uran und Thorium. Diese beiden Elemente zerfallen radioaktiv, beginnend mit Uran:
Daher werden in den Gesteinen, in denen diese radioaktiven Mineralien konzentriert sind, die Heliumatome eingeschlossen, die freigesetzt werden, sobald sie in sauren Medien verdaut werden..
Einige dieser Mineralien sind Cleveit, Carnotit und Uraninit, die alle aus Uranoxiden (UO) bestehenzwei oder U.3ODER8) und Thorium-, Schwermetall- und Seltenerdverunreinigungen. Helium, das durch unterirdische Kanäle bewässert wird, kann sich in Erdgasspeichern, Mineralquellen oder in Meteoreisen ansammeln.
Es wird geschätzt, dass durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium in der Lithosphäre jährlich eine Heliummasse von 3000 Tonnen erzeugt wird..
Helium ist in Wasser nicht sehr löslich, so dass es eher früher als später aus den Tiefen (wo immer es seinen Ursprung hat) aufsteigt, bis es die Schichten der Atmosphäre durchquert und schließlich den Weltraum erreicht. Seine Atome sind so klein und leicht, dass das Gravitationsfeld der Erde sie nicht in der Atmosphäre halten kann..
Aus diesem Grund ist die Heliumkonzentration sowohl in der Luft (5,2 ppm) als auch in den Meeren (4 ppt) sehr gering..
Wenn wir es aus einem dieser beiden Medien extrahieren wollten, wäre die „beste“ Option Luft, die zuerst verflüssigt werden müsste, um alle ihre Bestandteile zu kondensieren, während das Helium in einem gasförmigen Zustand bleibt..
Es ist jedoch nicht praktikabel, Helium aus der Luft zu gewinnen, sondern aus Gesteinen, die mit radioaktiven Mineralien angereichert sind. oder noch besser aus Erdgasreserven, wo Helium bis zu 7% seiner Gesamtmasse ausmachen kann.
Anstatt die Luft zu verflüssigen, ist es einfacher und rentabler, Erdgas zu verwenden, dessen Heliumzusammensetzung zweifellos viel größer ist. Der Rohstoff par excellence (kommerziell) zur Gewinnung von Helium ist daher Erdgas, das auch einer fraktionierten Destillation unterzogen werden kann.
Das Endprodukt der Destillation wird durch Reinigen mit Aktivkohle fertiggestellt, durch die ein sehr reines Helium gelangt. Und schließlich wird Helium durch einen kryogenen Prozess von Neon getrennt, bei dem flüssiges Helium verwendet wird..
Helium kommt vorwiegend in der Natur als Isotop vor 4Er, dessen bloßer Kern das berühmte α-Teilchen ist. Dieses Atom von 4Er hat zwei Neutronen und zwei Protonen. In geringerer Menge ist das Isotop 3Er, der nur ein Neutron hat. Der erste ist schwerer (hat eine höhere Atommasse) als der zweite.
Somit ist das Isotopenpaar 3Ich habe und 4Er definiert die messbaren Eigenschaften und das, was wir unter Helium als chemischem Element verstehen. Seit der 3Er ist leichter, es wird angenommen, dass seine Atome eine höhere kinetische Energie haben und daher eine noch niedrigere Temperatur für die Kohäsion in einem Superfluid benötigen.
Das 3Er gilt hier auf der Erde als sehr seltene Spezies; Auf Mondböden ist es jedoch häufiger (ungefähr 2000-mal mehr). Deshalb war der Mond Gegenstand von Projekten und Geschichten als mögliche Quelle von 3Er, der als Kernbrennstoff für das Raumschiff der Zukunft eingesetzt werden könnte.
Unter anderen Heliumisotopen können die folgenden mit ihren jeweiligen Halbwertszeiten erwähnt werden: 5Ich habe (t1/2= 7,610−22 s), 6Ich habe (t1/2= 0,8 s) und 8Ich habe (t1/2= 0,119 s).
Helium ist ein Inertgas und nimmt daher an keiner der Reaktionen in unserem Körper teil..
Seine Atome kommen praktisch aus und aus, ohne dass ihre Wechselwirkungen mit Biomolekülen einen nachfolgenden Effekt hervorrufen. mit Ausnahme des Tons, der von den Stimmbändern abgegeben wird, die höher werden und eine höhere Frequenz haben.
Menschen, die Helium aus einem Ballon einatmen (in Maßen), sprechen mit hoher Stimme, ähnlich der eines Eichhörnchens (oder einer Ente)..
Das Problem ist, dass er beim Einatmen einer unangemessenen Menge Helium die Gefahr des Erstickens eingeht, da seine Atome die Sauerstoffmoleküle verdrängen. und deshalb können Sie nicht atmen, bis Sie das ganze Helium ausatmen, was wiederum aufgrund seines Drucks das Lungengewebe reißen oder Barotrauma verursachen kann.
Fälle von Menschen, die an der Inhalation von Helium gestorben sind, wurden aufgrund der soeben erläuterten Informationen gemeldet.
Auf der anderen Seite kann sein Leck physikalisch gefährlich sein, obwohl es aufgrund seiner mangelnden Reaktivität gegenüber Sauerstoff (oder einem anderen Stoff) kein Brandrisiko darstellt, wenn es unter hohem Druck gelagert wird und entweicht..
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Helium machen es nicht nur zu einem speziellen Gas, sondern auch zu einer sehr nützlichen Substanz für Anwendungen, die extrem niedrige Temperaturen erfordern. In diesem Abschnitt werden einige dieser Anwendungen oder Verwendungen behandelt..
In einigen Systemen ist es notwendig, den Druck zu erhöhen (unter Druck zu setzen), und dazu muss ein Gas injiziert oder zugeführt werden, das mit keiner seiner Komponenten in Wechselwirkung tritt. B. mit Reagenzien oder Oberflächen, die gegenüber unerwünschten Reaktionen empfindlich sind.
Somit kann der Druck mit Heliumvolumina erhöht werden, deren chemische Inertheit es für diesen Zweck ideal macht. Die inerte Atmosphäre, die es ermöglicht, übersteigt in bestimmten Fällen die von Stickstoff.
Für den umgekehrten Prozess, dh die Spülung, wird Helium auch verwendet, da es den gesamten Sauerstoff, Wasserdämpfe oder jedes andere Gas transportieren kann, dessen Anwesenheit Sie entfernen möchten. Auf diese Weise wird der Druck des Systems verringert, sobald das Helium entleert wurde..
Helium kann durch den kleinsten Riss austreten und dient daher auch zur Erkennung von Lecks in Rohren, Hochvakuumbehältern oder Kryotanks.
Manchmal kann die Erkennung visuell oder durch Berühren erfolgen. Meistens gibt jedoch ein Detektor das Signal, wo und wie viel Helium aus dem zu inspizierenden System austritt..
Heliumatome können, wie für Spülsysteme erwähnt, je nach Druck schwerere Moleküle mit sich führen. Dieses Prinzip wird beispielsweise täglich in der Gaschromatographieanalyse angewendet, da es die zerstäubte Probe entlang der Säule ziehen kann, wo sie mit der stationären Phase interagiert..
Aufgrund seiner im Vergleich zu Luft geringen Dichte und seiner mangelnden Reaktivität mit Sauerstoff wurde es zum Aufblasen von Luftballons auf Kinderfesten (gemischt mit Sauerstoff, damit niemand am Atmen erstickt) und Luftschiffen (oberes Bild) verwendet. ohne eine Brandgefahr darzustellen.
Wenn Taucher in größere Tiefen abtauchen, fällt es ihnen aufgrund des großen Drucks des Wassers schwer zu atmen. Aus diesem Grund wird ihren Sauerstofftanks Helium zugesetzt, um die Dichte des Gases zu verringern, das Taucher atmen und ausatmen, und so kann es mit weniger Arbeit ausgeatmet werden..
Beim Schweißen liefert der Lichtbogen genügend Wärme, damit die beiden Metalle zusammenkommen. Unter Heliumatmosphäre reagiert das glühende Metall nicht mit dem Luftsauerstoff und wird zu seinem jeweiligen Oxid. Daher verhindert Helium dies.
Flüssiges Helium ist so kalt, dass es Metalle zu Supraleitern einfrieren kann. Dank dessen konnten sehr leistungsstarke Magnete hergestellt werden, die mit flüssigem Helium gekühlt in Bildscannern oder Kernspinresonanzspektrometern eingesetzt wurden..
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