Helium: Eigenschaften, Eigenschaften, Anwendungen

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 17:44

Helium ist ein Edelgas der 18. Gruppe des Periodensystems. Es ist nach Wasserstoff das zweitleichteste Element. Helium ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das bei -268,9 °C flüssig wird. Seine Siede- und Gefrierpunkte sind niedriger als die jeder anderen bekannten Substanz. Es ist das einzige Element, das sich beim Abkühlen bei normalem Atmosphärendruck nicht verfestigt. Es dauert 25 Atmosphären bei 1 K, bis sich Helium verfestigt.

Discovery-Verlauf

Helium wurde in der gasförmigen Atmosphäre um die Sonne von dem französischen Astronomen Pierre Jansen entdeckt, der 1868 während einer Sonnenfinsternis eine leuchtend gelbe Linie im Spektrum der Sonnenchromosphäre entdeckte. Ursprünglich wurde angenommen, dass diese Linie das Element Natrium darstellt. Im selben Jahr beobachtete der englische Astronom Joseph Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die nicht den bekannten Natriumlinien D₁ und D₂ entsprach, und so nannte er ihre Linie D_{3. Lockyer kam zu dem Schluss, dass es durch eine Substanz in der Sonne verursacht wurde, die auf der Erde unbekannt ist. Er und der Chemiker Edward Frankland verwendeten den Namen des Elementsder griechische Name für die Sonne ist Helios.}

1895 bewies der britische Chemiker Sir William Ramsay die Existenz von Helium auf der Erde. Er erhielt eine Probe des uranh altigen Minerals Cleveit, und nachdem er die beim Erhitzen gebildeten Gase untersucht hatte, stellte er fest, dass die hellgelbe Linie im Spektrum mit der beobachteten D_{3-Linie übereinstimmte das Spektrum der Sonne. Damit war das neue Element endlich eingebaut. 1903 stellten Ramsay und Frederick Soddu fest, dass Helium ein spontanes Zerfallsprodukt radioaktiver Substanzen ist.}

Ausbreitung in der Natur

Die Masse von Helium beträgt etwa 23 % der gesamten Masse des Universums, und das Element ist das zweithäufigste im Weltraum. Es ist in Sternen konzentriert, wo es durch thermonukleare Fusion aus Wasserstoff entsteht. Obwohl Helium in der Erdatmosphäre in einer Konzentration von 1 Teil pro 200.000 (5 ppm) vorkommt und in kleinen Mengen in radioaktiven Mineralien, Meteoriteneisen und Mineralquellen vorkommt, findet man große Mengen des Elements in den Vereinigten Staaten (insbesondere in Texas, New York), Mexiko, Kansas, Oklahoma, Arizona und Utah) als Bestandteil (bis zu 7,6 %) von Erdgas. Kleine Reserven wurden in Australien, Algerien, Polen, Katar und Russland gefunden. In der Erdkruste beträgt die Heliumkonzentration nur etwa 8 ppb.

Isotope

Der Kern jedes Heliumatoms enthält zwei Protonen, aber wie andere Elemente hat es Isotope. Sie enth alten ein bis sechs Neutronen, ihre Massenzahlen reichen also von drei bis acht. Die stabilen sind die Elemente, deren Heliummasse durch die Ordnungszahlen 3 (³He) und 4 (⁴He) bestimmt wird. Alle anderen sind radioaktiv und zerfallen sehr schnell in andere Substanzen. Terrestrisches Helium ist nicht der ursprüngliche Bestandteil des Planeten, es ist durch radioaktiven Zerfall entstanden. Alphateilchen, die von den Kernen schwerer radioaktiver Substanzen emittiert werden, sind Kerne des Isotops ⁴He. Helium reichert sich nicht in großen Mengen in der Atmosphäre an, weil die Schwerkraft der Erde nicht stark genug ist, um zu verhindern, dass es allmählich in den Weltraum entweicht. Spuren von ³He auf der Erde werden durch den negativen Beta-Zerfall des seltenen Elements Wasserstoff-3 (Tritium) erklärt. ⁴He ist das am häufigsten vorkommende stabile Isotop: das Verhältnis von ⁴He-Atomen zu ^{3He beträgt etwa 700.000 zu 1 in der Atmosphäre und etwa 7 Millionen zu 1 in einigen heliumh altigen Mineralien.}

Physikalische Eigenschaften von Helium

Die Siede- und Schmelzpunkte dieses Elements sind am niedrigsten. Aus diesem Grund existiert Helium als Gas, außer unter extremen Bedingungen. Gasförmig löst sich He weniger in Wasser als jedes andere Gas, und die Diffusionsgeschwindigkeit durch Feststoffe ist dreimal so hoch wie die von Luft. Sein Brechungsindex kommt 1 am nächsten.

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium ist nach der von Wasserstoff an zweiter Stelle, und seine spezifische Wärmekapazität ist ungewöhnlich hoch. Bei normalen Temperaturen erwärmt es sich während der Expansion und kühlt unter 40 K ab. Daher kann Helium bei T<40 K umgewandelt werden inFlüssigkeit durch Ausdehnung.

Ein Element ist ein Dielektrikum, wenn es sich nicht in einem ionisierten Zustand befindet. Wie andere Edelgase hat Helium metastabile Energieniveaus, die es ihm ermöglichen, bei einer elektrischen Entladung ionisiert zu bleiben, wenn die Spannung unter dem Ionisationspotential bleibt.

Helium-4 ist insofern einzigartig, als es zwei flüssige Formen hat. Das Gewöhnliche heißt Helium I und existiert bei Temperaturen im Bereich von einem Siedepunkt von 4,21 K (-268,9 °C) bis etwa 2,18 K (-271 °C). Unterhalb von 2,18 K erreicht die Wärmeleitfähigkeit von 4He das 1000-fache der von Kupfer. Diese Form wird Helium II genannt, um sie von der normalen Form zu unterscheiden. Es ist superflüssig: Die Viskosität ist so gering, dass sie nicht gemessen werden kann. Helium II breitet sich zu einem dünnen Film auf der Oberfläche dessen aus, was es berührt, und dieser Film fließt ohne Reibung sogar gegen die Schwerkraft.

Das weniger häufig vorkommende Helium-3 bildet drei unterschiedliche flüssige Phasen, von denen zwei superflüssig sind. Superfluidität in ⁴Er wurde Mitte der 1930er Jahre vom sowjetischen Physiker Pjotr Leonidowitsch Kapiza entdeckt, und dasselbe Phänomen in ^{3Er wurde zuerst von ihm bemerkt Douglas D. Osherov, David M. Lee und Robert S. Richardson aus den USA im Jahr 1972.}

Ein flüssiges Gemisch aus zwei Isotopen von Helium-3 und -4 bei Temperaturen unter 0,8 K (-272,4 °C) wird in zwei Schichten geteilt - fast reines ³He und eine Mischung aus⁴He mit 6% Helium-3. Die Auflösung von ³He in ^{4He geht mit einem Kühleffekt einher, der beim Bau von Kryostate genutzt wird, bei denen die Heliumtemperatur sinktunter 0,01 K (-273,14 °C) und dort für mehrere Tage geh alten.}

Verbindungen

Unter normalen Bedingungen ist Helium chemisch inert. Unter extremen Bedingungen können Sie Elementverbindungen herstellen, die bei normalen Temperaturen und Drücken nicht stabil sind. Beispielsweise kann Helium Verbindungen mit Jod, Wolfram, Fluor, Phosphor und Schwefel bilden, wenn es einer elektrischen Glimmentladung ausgesetzt wird, wenn es mit Elektronen beschossen wird oder im Plasmazustand. So wurden HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ und He₂ Molekülionen erzeugt+, Not²₊₊, HeH⁺ und HeD+^{. Diese Technik ermöglichte auch die Gewinnung der neutralen Moleküle He}2 ^{und HgHe.}

Plasma

Im Universum ist überwiegend ionisiertes Helium verbreitet, dessen Eigenschaften sich deutlich von molekularen unterscheiden. Seine Elektronen und Protonen sind nicht gebunden und es hat auch im teilweise ionisierten Zustand eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Geladene Teilchen werden stark von magnetischen und elektrischen Feldern beeinflusst. Zum Beispiel interagieren im Sonnenwind Heliumionen zusammen mit ionisiertem Wasserstoff mit der Magnetosphäre der Erde und verursachen die Polarlichter.

US-Entdeckung

Nachdem 1903 ein Brunnen gebohrt wurde, wurde in Dexter, Kansas, nicht brennbares Gas gewonnen. Anfangs war nicht bekannt, dass es Helium enthielt. Welches Gas gefunden wurde, ermittelte der Staatsgeologe Erasmus Haworth, derProben davon gesammelt und an der University of Kansas mit Hilfe der Chemiker Cady Hamilton und David McFarland festgestellt, dass es 72 % Stickstoff, 15 % Methan, 1 % Wasserstoff und 12 % enthält, wurde nicht identifiziert. Nach weiteren Analysen stellten die Wissenschaftler fest, dass 1,84 % der Probe aus Helium bestanden. So erfuhren sie, dass dieses chemische Element in riesigen Mengen in den Eingeweiden der Great Plains vorhanden ist, wo es aus Erdgas gewonnen werden kann.

Industrielle Produktion

Dies hat die Vereinigten Staaten zum Weltmarktführer in der Heliumproduktion gemacht. Auf Anregung von Sir Richard Threlfall finanzierte die US-Marine während des Ersten Weltkriegs drei kleine Versuchsanlagen zur Herstellung dieser Substanz, um Sperrballons mit einem leichten, nicht brennbaren Traggas zu versorgen. Das Programm produzierte insgesamt 5.700 m3 92 % He, obwohl zuvor weniger als 100 Liter Gas produziert worden waren. Ein Teil dieses Volumens wurde im ersten Helium-Luftschiff der Welt verwendet, der US Navy C-7, die am 7. Dezember 1921 ihre Jungfernfahrt von Hampton Roads, Virginia, nach Bolling Field, Washington, DC, unternahm.

Obwohl der Niedertemperatur-Gasverflüssigungsprozess damals noch nicht weit genug fortgeschritten war, um während des Ersten Weltkriegs von Bedeutung zu sein, wurde die Produktion fortgesetzt. Helium wurde hauptsächlich als Auftriebsgas in Flugzeugen verwendet. Die Nachfrage danach wuchs während des Zweiten Weltkriegs, als es beim Schutzgasschweißen verwendet wurde. Das Element war auch im Atombombenprojekt wichtig. Manhattan.

US National Stock

Im Jahr 1925 richtete die Regierung der Vereinigten Staaten die National Helium Reserve in Amarillo, Texas, ein, um militärische Luftschiffe in Kriegszeiten und kommerzielle Luftschiffe in Friedenszeiten bereitzustellen. Die Verwendung von Gas ging nach dem Zweiten Weltkrieg zurück, aber das Angebot wurde in den 1950er Jahren erhöht, um es unter anderem als Kühlmittel für die Herstellung von Knallgas-Raketentreibstoff während des Weltraumrennens und des K alten Krieges zu liefern. Der US-Heliumverbrauch war 1965 achtmal so hoch wie der Spitzenverbrauch während des Krieges.

Nach dem Heliumgesetz von 1960 beauftragte das Bureau of Mines 5 Privatunternehmen mit der Gewinnung des Elements aus Erdgas. Für dieses Programm wurde eine 425 Kilometer lange Gaspipeline gebaut, die diese Anlagen mit einem teilweise erschöpften staatlichen Gasfeld in der Nähe von Amarillo, Texas, verbindet. Das Helium-Stickstoff-Gemisch wurde in ein unterirdisches Lager gepumpt und verblieb dort bis zum Bedarf.

Bis 1995 wurden eine Milliarde Kubikmeter an Lagerbeständen gesammelt und die National Reserve war mit 1,4 Milliarden Dollar verschuldet, was den US-Kongress dazu veranlasste, sie 1996 auslaufen zu lassen. Nach der Verabschiedung des Helium-Privatisierungsgesetzes im Jahr 1996 begann das Ministerium für natürliche Ressourcen im Jahr 2005 mit der Auflösung des Lagers.

Reinheit und Produktionsmengen

Vor 1945 produziertes Helium hatte eine Reinheit von ca. 98%, der Rest 2%entfiel Stickstoff, der für Luftschiffe ausreichte. 1945 wurde eine kleine Menge von 99,9-prozentigem Gas zur Verwendung beim Lichtbogenschweißen hergestellt. Bis 1949 hatte die Reinheit des resultierenden Elements 99,995 % erreicht.

Viele Jahre lang produzierten die Vereinigten Staaten über 90 % des kommerziellen Heliums der Welt. Seit 2004 hat es jährlich 140 Millionen m3 produziert, von denen 85 % aus den Vereinigten Staaten, 10 % aus Algerien und der Rest aus Russland und Polen stammen. Die wichtigsten Heliumquellen der Welt sind die Gasfelder von Texas, Oklahoma und Kansas.

Prozess empfangen

Helium (98,2 % Reinheit) wird aus Erdgas gewonnen, indem andere Komponenten bei niedrigen Temperaturen und hohen Drücken verflüssigt werden. Die Adsorption anderer Gase durch gekühlte Aktivkohle erreicht eine Reinheit von 99,995 %. Eine kleine Menge Helium wird durch großtechnische Verflüssigung von Luft hergestellt. Aus 900 Tonnen Luft können etwa 3,17 Kubikmeter gewonnen werden. m Gas.

Anwendungsbereiche

Edelgas wurde in verschiedenen Bereichen verwendet.

Helium, dessen Eigenschaften es ermöglichen, ultratiefe Temperaturen zu erreichen, wird als Kühlmittel im Large Hadron Collider, als supraleitende Magnete in MRI-Geräten und Kernspinresonanz-Spektrometern, Satellitenausrüstung und auch zur Verflüssigung von Sauerstoff verwendet und Wasserstoff in Apollo-Raketen.
Als Schutzgas zum Schweißen von Aluminium und anderen Metallen, bei der Herstellung von Lichtwellenleitern und Halbleitern.
ErstellenDruck in den Treibstofftanks von Raketentriebwerken, insbesondere solchen, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden, da nur gasförmiges Helium seinen Aggregatzustand behält, wenn Wasserstoff flüssig bleibt);
He-Ne-Gaslaser werden verwendet, um Barcodes an Supermarktkassen zu scannen.
Das Helium-Ionen-Mikroskop liefert bessere Bilder als das Elektronenmikroskop.
Aufgrund seiner hohen Permeabilität wird Edelgas verwendet, um z. B. Autoklimaanlagen auf Lecks zu prüfen und Airbags bei einem Unfall schnell aufzublasen.
Low Density ermöglicht es Ihnen, dekorative Luftballons mit Helium zu füllen. Edelgas hat den explosiven Wasserstoff in Luftschiffen und Ballons ersetzt. In der Meteorologie werden zum Beispiel Heliumballons verwendet, um Messgeräte zu heben.
In der Kryotechnik dient es als Kühlmittel, da die Temperatur dieses chemischen Elements im flüssigen Zustand am niedrigsten ist.
Helium, dessen Eigenschaften ihm eine geringe Reaktivität und Löslichkeit in Wasser (und Blut) verleihen, vermischt mit Sauerstoff, hat Anwendung in Atemmitteln für Gerätetauchen und Caisson-Arbeiten gefunden.
Meteoriten und Felsen werden auf dieses Element analysiert, um ihr Alter zu bestimmen.