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Helium

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zwei Wasserstoff Helium Lithium
-

Er

Ja
Periodensystem - Erweitertes Periodensystem
Allgemein
Name , Symbol, Zahl Helium, He, 2
Chemische Reihe Edelgase
Gruppe, Periode, Block 18, 1, s
Aussehen farblos
Atommasse 4,002602 (2) g/mol
Elektronenkonfiguration 1s zwei
Elektronen pro Schale zwei
Physikalische Eigenschaften
Phase Gas
Dichte (0 °C, 101,325 kPa)
0,1786 g/l
Schmelzpunkt (bei 2,5 MPa) 0,95 K
(-272,2 °C, -458,0 °F)
Siedepunkt 4,22K
(-268,93 ° C, -452,07 ° F)
Kritischer Punkt 5,19 K, 0,227 MPa
Schmelzwärme 0,0138 kJ·mol −1
Verdampfungswärme 0,0829 kJ·mol −1
Wärmekapazität (25 °C) 20,786 J·mol −1 ·K −1
P / Brunnen 1 10 100 1 k 10 k 100 k
bei T /K 3 4
Atomare Eigenschaften
Kristallstruktur sechseckig oder bcc
Ionisationsenergien 1.: 2372,3 kJ/mol
2.: 5250,5 kJ/mol
Atomradius (berechnet) 31 Uhr
Kovalenter Radius 32 Uhr
Van-der-Waals-Radius 140 Uhr
Sonstig
Wärmeleitfähigkeit (300 K) 151,3 mW·m −1 ·K −1
CAS-Registrierungsnummer 7440-59-7
Ausgewählte Isotope
iso DAS Halbwertszeit DM VON DP
3 Er 0,000137 %* Er ist stabil mit 1 Neutron
4 Er 99,999863 %* Er ist stabil mit 2 Neutronen
*
Verweise

Helium ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses Chemisches Element . Es ist das reaktionsträgeste der Edelgase und daher das chemisch am wenigsten aktive chemische Element im Periodensystem. Seine Siede- und Schmelzpunkte sind die niedrigsten unter den Elementen; Außer unter extremen Bedingungen existiert es nur als a Gas . Bei Temperaturen in der Nähe Absoluter Nullpunkt , es ist ein superflüssig , eine nahezu reibungsfreie Materiephase mit ungewöhnlichen Eigenschaften.

Nach Wasserstoff , Helium ist das zweitleichteste Element und das zweithäufigste Element in der Universum , entsteht während der Urknall-Nukleosynthese und in geringerem Maße durch die Kernfusion von Wasserstoff in Sterne . Auf der Erde ist Helium hauptsächlich ein Produkt des radioaktiven Zerfalls viel schwererer Elemente, die Heliumkerne, sogenannte Alpha-Teilchen, emittieren; Es kommt nur in nennenswerten Mengen vor Erdgas , aus dem es bei niedrigen Temperaturen durch fraktionierte Destillation gewonnen wird.

Erstmals 1868 vom französischen Astronomen Pierre Janssen als unbekannte gelbe Spektralliniensignatur im Licht von a entdeckt Sonnenfinsternis , Helium wurde später in diesem Jahr vom englischen Astronomen Norman Lockyer separat als neues Element identifiziert. Sein Vorhandensein in Erdgas in großen, nutzbaren Mengen wurde 1905 identifiziert. Helium wird in der Kryotechnik, als Tiefsee-Atemgas, zum Aufblasen von Ballons und verwendet Luftschiffe , und als Schutzgas für viele industrielle Zwecke, wie z. B. Lichtbogenschweißen. Das Einatmen einer kleinen Menge des Gases ändert vorübergehend die Frequenz der Stimme einer Person; Es ist jedoch Vorsicht geboten, da Helium erstickend wirkt.

Bemerkenswerte Eigenschaften

Gas- und Plasmaphasen

Helium ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas. Es ist das am wenigsten reaktive Mitglied der Gruppe 18 (der Edelgase) des Periodensystems und damit auch das am wenigsten reaktive aller Elemente; es ist unter praktisch allen Bedingungen inert und einatomig. Es hat eine Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als jedes andere Gas außer Wasserstoff und seine spezifische Wärme ist ungewöhnlich hoch. Helium ist auch weniger wasserlöslich als jedes andere bekannte Gas und seine Diffusionsrate durch Feststoffe ist dreimal so hoch wie die von Luft und etwa 65 % so hoch wie die von Wasserstoff. Der Brechungsindex von Helium liegt näher bei Eins als bei jedem anderen Gas. Helium hat bei normalen Umgebungstemperaturen einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten, was bedeutet, dass es sich erwärmt, wenn es sich frei ausdehnen kann. Erst unterhalb seiner Joule-Thomson-Inversionstemperatur (von etwa 40 K bei 1 Atmosphäre) kühlt es bei freier Expansion ab. Einmal unter diese Temperatur vorgekühlt, kann Helium durch Entspannungskühlung verflüssigt werden.

  Helium-Entladungsröhre in Form des Elements's atomic symbol   Vergrößern Helium-Entladungsröhre in Form des Atomsymbols des Elements

Helium ist aufgrund seiner Wertigkeit Null unter allen normalen Bedingungen chemisch nicht reaktiv. Es ist ein elektrischer Isolator, sofern es nicht ionisiert ist. Wie bei den anderen Edelgasen hat Helium metastabile Energieniveaus, die es ihm ermöglichen, in einem ionisiert zu bleiben elektrisch Entladung mit einer Spannung unterhalb seines Ionisationspotentials. Helium kann mit instabile Verbindungen eingehen Wolfram , Jod , Fluor , Schwefel und Phosphor wenn es einer elektrischen Glimmentladung durch Elektronenbeschuss ausgesetzt wird oder anderweitig ein Plasma ist. HeNe, HgHe 10 , WHe zwei und die Molekülionen He zwei + , Er zwei ++ , HeH + , und HeD + sind auf diese Weise entstanden. Diese Technik hat auch die Herstellung des neutralen Moleküls He ermöglicht zwei , das eine Vielzahl von Bandsystemen besitzt, und HgHe, das anscheinend nur durch Polarisationskräfte zusammengehalten wird. Theoretisch sind auch andere Verbindungen wie Heliumfluorhydrid (HHeF) möglich.

Im gesamten Universum kommt Helium hauptsächlich in a vor Plasma Zustand, dessen Eigenschaften ganz anders sind als bei molekularem Helium. Als Plasma sind die Elektronen und Protonen von Helium nicht aneinander gebunden, was zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit führt, selbst wenn das Gas nur teilweise ionisiert ist. Die geladenen Teilchen werden stark von magnetischen und elektrischen Feldern beeinflusst. Zum Beispiel interagieren sie im Sonnenwind zusammen mit ionisiertem Wasserstoff mit der Magnetosphäre der Erde, wodurch Birkeland-Ströme und die Aurora entstehen.

Feste und flüssige Phasen

Helium erstarrt nur unter großem Druck. Der resultierende farblose, fast unsichtbare Feststoff ist stark komprimierbar; Die Anwendung von Druck im Labor kann sein Volumen um mehr als 30 % verringern. Mit einem Kompressionsmodul in der Größenordnung von 5 × 10 7 Pa ist 50-mal komprimierbarer als Wasser. Anders als jedes andere Element verfestigt sich Helium nicht und bleibt flüssig Absoluter Nullpunkt bei normalem Druck. Festes Helium erfordert eine Temperatur von 1–1,5 K (etwa -272 °C oder -457 °F) und einen Druck von etwa 26 Standardatmosphären (2,6 MPa). Es ist oft schwer, fest von zu unterscheiden flüssiges Helium da der Brechungsindex der beiden Phasen nahezu gleich ist. Der Feststoff hat einen scharfen Schmelzpunkt und hat a kristallin Struktur.

Helium sage ich

Unterhalb seines Siedepunktes von 4,22 Kelvin und oberhalb des Lambdapunktes von 2,1768 Kelvin liegt das Isotop Helium-4 in einem normalen farblosen flüssigen Zustand vor, der sog Helium I . Wie andere kryogene Flüssigkeiten siedet Helium I, wenn ihm Wärme zugeführt wird. Es zieht sich auch zusammen, wenn seine Temperatur gesenkt wird, bis es den Lambda-Punkt erreicht, wenn es aufhört zu kochen und sich plötzlich ausdehnt. Unterhalb des Lambdapunktes nimmt die Expansionsgeschwindigkeit ab, bis etwa 1 K erreicht ist; An diesem Punkt stoppt die Expansion vollständig und Helium I beginnt sich wieder zusammenzuziehen.

Helium I hat einen gasähnlichen Brechungsindex von 1,026, wodurch seine Oberfläche so schwer zu erkennen ist, dass oft Schwimmer aus Styropor verwendet werden, um anzuzeigen, wo sich die Oberfläche befindet. Diese farblose Flüssigkeit hat eine sehr niedrige Viskosität und eine Dichte von 1/8 davon Wasser , was nur 1/4 des Wertes ist, der von der klassischen Physik erwartet wird. Quantenmechanik wird benötigt, um diese Eigenschaft zu erklären, und daher werden beide Arten von flüssigem Helium genannt Quantenflüssigkeiten , was bedeutet, dass sie atomare Eigenschaften auf makroskopischer Ebene aufweisen. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass sein Siedepunkt so nahe am absoluten Nullpunkt liegt, was eine zufällige molekulare Bewegung verhindert ( Wärme ) davon abhalten, die atomaren Eigenschaften zu maskieren.

Zustand Helium II

Flüssiges Helium unterhalb seines Lambda-Punktes zeigt sehr ungewöhnliche Eigenschaften in einem Zustand, der als Helium II . Ein Sieden von Helium II ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit nicht möglich; Wärmezufuhr bewirkt stattdessen eine direkte Verdampfung der Flüssigkeit zu Gas. Auch das Isotop Helium-3 hat eine superflüssige Phase, aber nur bei viel niedrigeren Temperaturen; Daher ist über solche Eigenschaften des Isotops Helium-3 weniger bekannt.

Helium II ist ein Suprafluid, ein quantenmechanischer Materiezustand mit seltsamen Eigenschaften. Zum Beispiel, wenn es durch gleichmäßige Kapillaren von 10 fließt -7 bis 10 -8 m Breite hat es keine messbare Viskosität. Bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben wurde jedoch eine mit gasförmigem Helium vergleichbare Viskosität beobachtet. Die aktuelle Theorie erklärt dies mit der Zwei-Fluid-Modell für Helium II. In diesem Modell wird flüssiges Helium unterhalb des Lambda-Punkts so betrachtet, dass es einen Anteil an Heliumatomen in einem Grundzustand enthält, die superflüssig sind und mit genau Null Viskosität fließen, und einen Anteil an Heliumatomen in einem angeregten Zustand, die sich eher wie ein verhalten gewöhnliche Flüssigkeit.

Helium II zeigt auch einen 'Kriecheffekt'. Wenn sich eine Oberfläche über das Niveau von Helium II hinaus erstreckt, bewegt sich das Helium II entlang der Oberfläche, scheinbar gegen die Kraft von Schwere . Helium II entweicht aus einem nicht verschlossenen Behälter, indem es an den Seiten entlangkriecht, bis es in eine wärmere Region gelangt, wo es verdampft. Es bewegt sich in einem 30 nm dicken Film unabhängig vom Oberflächenmaterial. Dieser Film heißt Rollin-Film und ist nach dem Mann benannt, der diese Eigenschaft als erster charakterisiert hat, Bernard V. Rollin. Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit von Helium II, schnell durch winzige Öffnungen zu entweichen, ist es sehr schwierig, flüssiges Helium einzuschließen. Wenn der Behälter nicht sorgfältig konstruiert ist, wird das Helium II entlang der Oberflächen und durch Ventile kriechen, bis es einen wärmeren Ort erreicht, wo es verdampft.

In dem Fontäneneffekt wird eine Kammer konstruiert, die mit einem Vorratsbehälter für Helium II durch eine gesinterte Scheibe verbunden ist, durch die superflüssiges Helium leicht austritt, durch die jedoch nicht-superflüssiges Helium nicht hindurchtreten kann. Wenn das Innere des Behälters erhitzt wird, wandelt sich das superflüssige Helium in nicht-superflüssiges Helium um, um den Gleichgewichtsanteil von superflüssigem Helium aufrechtzuerhalten. Superfluides Helium tritt durch und erhöht den Druck, wodurch Flüssigkeit aus dem Behälter sprudelt.

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist größer als die jeder anderen bekannten Substanz, millionenfach höher als die von Helium I und mehrere hundertfach höher als die von Helium I Kupfer . Dies liegt daran, dass die Wärmeleitung durch einen außergewöhnlichen quantenmechanischen Mechanismus erfolgt. Die meisten Materialien, die Wärme gut leiten, haben ein Valenzband aus freien Elektronen, die dazu dienen, die Wärme zu übertragen. Helium II hat kein solches Valenzband, leitet aber trotzdem gut Wärme. Der Wärmefluss wird durch Gleichungen bestimmt, die der zur Charakterisierung verwendeten Wellengleichung ähnlich sind Klang Ausbreitung in der Luft. Wenn also Wärme zugeführt wird, bewegt sie sich mit 20 Metern pro Sekunde bei 1,8 K durch Helium II als Wellen in einem sogenannten Phänomen zweiter Ton .

Anwendungen

  Aufgrund seiner geringen Dichte ist Helium das bevorzugte Gas zum Befüllen von Luftschiffen wie dem Holden Airship   Vergrößern Aufgrund seiner geringen Dichte ist Helium das Füllgas der Wahl Luftschiffe wie das Holden-Luftschiff

Helium wird für viele Zwecke verwendet, die einige seiner einzigartigen Eigenschaften erfordern, wie z. B. seinen niedrigen Siedepunkt, seine geringe Dichte, seine geringe Löslichkeit, seine hohe Wärmeleitfähigkeit oder seine Trägheit. Unter Druck stehendes Helium ist im Handel in großen Mengen erhältlich.

  • Da es leichter als Luft ist, Luftschiffe und Ballons werden zum Auftrieb mit Helium aufgeblasen. In Luftschiffen wird Helium gegenüber Wasserstoff bevorzugt, da es nicht brennbar ist und 92,64 % der Auftriebskraft der Alternative hat Wasserstoff .
  • Aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit enthält der größte Teil des menschlichen Blutes Luftgemische mit Helium Sauerstoff und Stickstoff- ( Trimix ), nur mit Sauerstoff ( Heliox ), mit gemeinsamer Luft ( heliair ), und mit Wasserstoff und Sauerstoff ( Hydroliox ) werden in Tiefsee-Atemsystemen verwendet, um das Hochdruckrisiko von Stickstoffnarkose, Dekompressionskrankheit und Sauerstofftoxizität zu verringern.
  • Bei extrem niedrigen Temperaturen wird flüssiges Helium verwendet, um bestimmte Metalle zu kühlen, um sie herzustellen Supraleitung , wie beispielsweise in supraleitenden Magneten, die in der Magnetresonanzbildgebung verwendet werden. Helium bei niedrigen Temperaturen wird auch in der Kryotechnik verwendet.
  • Aufgrund seiner Trägheit und hohen Wärmeleitfähigkeit wird Helium als Kühlmittel in einigen Kernreaktoren wie Kugelbettreaktoren und beim Lichtbogenschweißen luftempfindlicher Metalle verwendet.
  • Aufgrund seiner Inertheit wird Helium beim Anbau als Schutzgas verwendet Silizium und Germanium Kristalle, ein Titan und Zirkonium Produktion, in der Gaschromatographie und als Schutzatmosphäre für historische Dokumente. Diese Eigenschaft macht es auch in Überschallwindkanälen nützlich.
  • In der Raketentechnik wird Helium als Füllmedium verwendet, um Treibstoff und Oxidationsmittel in Lagertanks zu verdrängen und zu kondensieren Wasserstoff und Sauerstoff um Raketentreibstoff herzustellen. Es wird auch verwendet, um vor dem Start Treibstoff und Oxidationsmittel aus Bodenunterstützungsgeräten zu entfernen und flüssigen Wasserstoff in Raumfahrzeugen vorzukühlen. Zum Beispiel die Saturn v Der im Apollo-Programm verwendete Booster benötigte zum Start etwa 370.000 m³ Helium.
  • Das Verstärkungsmedium des Helium-Neon-Lasers ist eine Mischung aus Helium und Neon- .
  • Da es dreimal so schnell wie Luft durch Feststoffe diffundiert, wird Helium zum Aufspüren von Lecks in Hochvakuumgeräten und Hochdruckbehältern verwendet.
  • Aufgrund seines extrem niedrigen Brechungsindex reduziert die Verwendung von Helium bei einigen die verzerrenden Effekte von Temperaturschwankungen im Zwischenraum zwischen Linsen Teleskope .
  • Das Zeitalter der Felsen und Mineralien Dies enthält Uran und Thorium , radioaktive Elemente, die Heliumkerne namens Alpha-Teilchen emittieren, können durch den dortigen Heliumspiegel entdeckt werden.
  • Da Helium allein weniger dicht ist als atmosphärische Luft, ändert es beim Einatmen die Klangfarbe (nicht die Tonhöhe) der Stimme einer Person. Das Einatmen aus einer typischen kommerziellen Quelle, wie sie beispielsweise zum Füllen von Ballons verwendet wird, kann jedoch aufgrund der Anzahl der möglicherweise vorhandenen Verunreinigungen gefährlich sein. Diese können zusätzlich zu aerosolisiertem Schmieröl Spuren anderer Gase enthalten.
  • Auch in der thermoakustischen Kältetechnik ist die hohe Wärmeleitfähigkeit und Schallgeschwindigkeit von Helium wünschenswert. Die Trägheit von Helium trägt zu dem Umweltvorteil dieser Technologie gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen bei, die zu ozonabbauenden und globalen Erwärmungseffekten beitragen können.

Geschichte

Wissenschaftliche Entdeckungen

Der Nachweis von Helium wurde erstmals am 18. August 1868 als hellgelbe Linie mit einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Helium nachgewiesen Sonne , vom französischen Astronomen Pierre Janssen während einer Gesamtsumme Sonnenfinsternis in Guntur Indien . Diese Linie wurde zunächst angenommen Natrium . Am 20. Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die er D 3 Linie, denn es war in der Nähe des bekannten D 1 und d zwei Linien von Natrium und kam zu dem Schluss, dass es durch ein Element in der Sonne verursacht wurde, das auf der Erde unbekannt ist. Er und der englische Chemiker Edward Frankland benannten das Element mit dem griechischen Wort für die Sonne, ἥλιος ( helios ).

Am 26. März 1895 isolierte der britische Chemiker William Ramsay Helium auf der Erde, indem er das Mineral Cleveite mit Mineralsäuren behandelte. Ramsay suchte Argon aber nach der Trennung Stickstoff- und Sauerstoff aus dem freigesetzten Gas Schwefelsäure Sie bemerkte eine hellgelbe Linie, die zum D passte 3 Linie im Spektrum der Sonne beobachtet. Diese Proben wurden von Lockyer und dem britischen Physiker William Crookes als Helium identifiziert. Es wurde im selben Jahr von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet in Uppsala, Schweden, unabhängig aus Cleveit isoliert, die genug von dem Gas sammelten, um sein Atomgewicht genau zu bestimmen.

1907, Ernst Rutherford und Thomas Royds zeigten, dass ein Alphateilchen ein Heliumkern ist. 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem das Gas auf weniger als ein Kelvin abgekühlt wurde. Er versuchte, es zu verfestigen, indem er die Temperatur weiter reduzierte, scheiterte jedoch daran, dass Helium keine Tripelpunkttemperatur hat, bei der die festen, flüssigen und gasförmigen Phasen im Gleichgewicht sind. Es wurde erstmals 1926 von seinem Schüler Willem Hendrik Keesom verfestigt, indem er Helium einem Druck von 25 Atmosphären aussetzte.

1938 entdeckte der russische Physiker Pyotr Leonidovich Kapitsa, dass Helium-4 bei Temperaturen in der Nähe fast keine Viskosität hat Absoluter Nullpunkt , ein Phänomen, das jetzt als Suprafluidität bezeichnet wird. 1972 wurde das gleiche Phänomen in Helium-3 von den amerikanischen Physikern Douglas D. Osheroff, David M. Lee und Robert C. Richardson beobachtet.

Gewinnung und Verwendung

Nach einer Ölbohrung im Jahr 1903 in Dexter, Kansas, Hirsch einen Gasgeysir herstellte, der nicht brennt, sammelte der Geologe Erasmus Haworth aus dem Bundesstaat Kansas Proben des austretenden Gases und brachte sie zurück zur University of Kansas in Lawrence, wo er mit Hilfe der Chemiker Hamilton Cady und David McFarland entdeckte, dass das Gas enthalten war , nach Volumen, 72 % Stickstoff, 15 % Methan – nicht ausreichend, um das Gas brennbar zu machen, 1 % Wasserstoff und 12 % eines nicht identifizierbaren Gases. Bei weiteren Analysen entdeckten Cady und McFarland, dass 1,84 % der Gasprobe Helium war. Helium war weit davon entfernt, ein seltenes Element zu sein, da es unter den amerikanischen Great Plains in großen Mengen vorhanden war und aus Erdgas gewonnen werden konnte.

Dies stellte die Vereinigte Staaten in einer hervorragenden Position, um der weltweit führende Anbieter von Helium zu werden. Auf Vorschlag von Sir Richard Threlfall sponserte die United States Navy während dieser Zeit drei kleine Versuchsanlagen zur Heliumproduktion Erster Weltkrieg . Ziel war es, Sperrballons mit dem nicht brennbaren Traggas zu versorgen. Im Rahmen des Programms wurden insgesamt 200.000 Kubikfuß (5700 m³) 92-prozentiges Helium produziert, obwohl zuvor nur wenige Kubikfuß (weniger als 100 Liter) des Gases gewonnen worden waren. Ein Teil dieses Gases wurde in der weltweit ersten mit Helium gefüllten verwendet Luftschiff , die C-7 der US Navy, die ihre Jungfernfahrt von Hampton Roads, Virginia, nach Bolling Field absolvierte Washington, D.C. am 1. Dezember 1921.

Obwohl das Extraktionsverfahren unter Verwendung von Niedertemperatur-Gasverflüssigung nicht rechtzeitig entwickelt wurde, um während des Ersten Weltkriegs von Bedeutung zu sein, wurde die Produktion fortgesetzt. Helium wurde hauptsächlich als Traggas in Leichter-als-Luft-Fahrzeugen verwendet. Diese Verwendung erhöhte die Nachfrage während des Zweiten Weltkriegs sowie die Nachfrage nach abgeschirmtem Lichtbogen Schweißen . Helium war auch im Atombomben-Manhattan-Projekt von entscheidender Bedeutung.

Die Regierung der Vereinigten Staaten richtete 1925 die National Helium Reserve ein Amarillo, Texas mit dem Ziel, Militär zu versorgen Luftschiffe in der Zeit von Krieg und kommerzielle Luftschiffe in Friedenszeiten. Heliumverwendung folgend Zweiter Weltkrieg war deprimiert, aber die Reserve wurde in den 1950er Jahren erweitert, um eine Versorgung mit flüssigem Helium als Kühlmittel sicherzustellen, um Sauerstoff / Wasserstoff-Raketentreibstoff (unter anderem) während zu erzeugen Weltraumrennen und Kalter Krieg . Der Heliumverbrauch in den Vereinigten Staaten war 1965 mehr als achtmal so hoch wie der Spitzenverbrauch während des Krieges.

Nach den 'Helium Acts Amendments of 1960' (Public Law 86–777) veranlasste das US Bureau of Mines fünf private Anlagen zur Rückgewinnung von Helium aus Erdgas. Dafür Helium-Erhaltung Im Rahmen des Programms baute das Bureau eine 425 Meilen (684 km) lange Pipeline von Bushton, Kansas, um diese Anlagen mit dem teilweise erschöpften Cliffside-Gasfeld der Regierung in der Nähe zu verbinden Amarillo, Texas . Dieses Helium-Stickstoff-Gemisch wurde injiziert und bis zum Bedarf im Cliffside-Gasfeld gelagert, wo es dann weiter gereinigt wurde.

Bis 1995 wurden eine Milliarde Kubikmeter des Gases gesammelt und die Reserve war mit 1,4 Milliarden US-Dollar verschuldet, was den Kongress der Vereinigten Staaten 1996 dazu veranlasste, die Reserve auslaufen zu lassen. Der daraus resultierende 'Helium Privatization Act of 1996' (Public Law 104–273) wies das Innenministerium der Vereinigten Staaten an, bis 2005 mit der Liquidierung der Reserve zu beginnen.

Helium, das vor 1945 hergestellt wurde, war zu etwa 98 % rein (2 % Stickstoff- ), was für Luftschiffe ausreichend war. 1945 wurde eine kleine Menge 99,9% Helium für Schweißzwecke hergestellt. Bis 1949 waren kommerzielle Mengen von Helium der Klasse A mit 99,995 % verfügbar.

Viele Jahre lang produzierten die Vereinigten Staaten über 90 % des weltweit kommerziell nutzbaren Heliums. Extraktionsanlagen erstellt in Kanada , Polen , Russland , und andere Nationen produzierten das restliche Helium. In den frühen 2000er Jahren, Algerien und Katar wurden ebenfalls hinzugefügt. Algerien wurde schnell zum zweitgrößten Heliumproduzenten. Während dieser Zeit stiegen sowohl der Heliumverbrauch als auch die Kosten für die Heliumherstellung.

Vorkommen und Produktion

Natürliche Fülle

Helium ist das zweithäufigste Element im bekannten Universum nach Wasserstoff und macht 23% der elementaren Masse des Universums aus. Es ist darin konzentriert Sterne , wo es gebildet wird Wasserstoff durch die Kernfusion der Proton-Proton-Kettenreaktion und des CNO-Zyklus. Laut dem Urknall Modell der frühen Entwicklung der Universum wurde der überwiegende Teil des Heliums während der Urknall-Nukleosynthese gebildet, eine bis drei Minuten nach dem Urknall. Daher tragen Messungen seiner Häufigkeit zu kosmologischen Modellen bei.

In dem Erdatmosphäre , beträgt die Volumenkonzentration von Helium nur 5,2 Teile pro Million, hauptsächlich weil das meiste Helium in der Erdatmosphäre aufgrund seiner Trägheit und geringen Masse in den Weltraum entweicht. In der Heterosphäre der Erde, einem Teil der oberen Atmosphäre, sind Helium und andere leichtere Gase die am häufigsten vorkommenden Elemente.

Fast alles Helium an Erde entsteht durch radioaktiven Zerfall. Das Zerfallsprodukt kommt vor allem in Mineralien von vor Uran und Thorium , darunter Cleveite, Pechblende, Carnotit, Monazit und Beryll, weil sie Alphateilchen emittieren, die aus Heliumkernen (He 2+ ), an die sich Elektronen leicht binden. Pro Kubikkilometer Erdkruste entstehen auf diese Weise schätzungsweise 3,4 Liter Helium pro Jahr. In der Erdkruste beträgt die Heliumkonzentration 8 Teile pro Milliarde. Im Meerwasser beträgt die Konzentration nur 4 Teile pro Billion. Es gibt auch kleine Mengen an Mineralquellen, vulkanisch Gas und meteorisches Eisen. Die größten Konzentrationen auf dem Planeten sind in Erdgas , aus dem das meiste kommerzielle Helium gewonnen wird.

Extraktion

Für den großtechnischen Einsatz wird Helium durch fraktionierte Destillation aus gewonnen Erdgas , das bis zu 7 % Helium enthält. Da Helium einen niedrigeren Siedepunkt als jedes andere Element hat, werden niedrige Temperaturen und hoher Druck verwendet, um fast alle anderen Gase zu verflüssigen (meistens Stickstoff- und Methan). Das dabei entstehende Helium-Rohgas wird durch sukzessives Erniedrigen der Temperatur gereinigt, wobei fast der gesamte verbleibende Stickstoff und andere Gase aus dem Gasgemisch ausgeschieden werden. Aktivkohle wird als letzter Reinigungsschritt verwendet, was normalerweise zu 99,995 % reinem Helium der Güteklasse A führt. Die Hauptverunreinigung in Grad-A-Helium ist Neon- .

Ab 2004 wurden jährlich über 150 Millionen Kubikmeter Helium aus Erdgas gewonnen oder aus Heliumreserven entnommen, wobei etwa 84 % der Produktion aus den Vereinigten Staaten, 10 % aus Algerien und der größte Teil des Rests aus Kanada stammten , China, Polen, Katar und Russland. In den Vereinigten Staaten wird das meiste Helium in Kansas und Texas produziert.

Die Diffusion von Roherdgas durch spezielle halbdurchlässige Membranen und andere Barrieren ist eine weitere Methode zur Gewinnung und Reinigung von Helium. Helium kann durch Beschuss von synthetisiert werden Lithium oder Bor mit Hochgeschwindigkeit Protonen , aber dies ist kein wirtschaftlich tragfähiges Herstellungsverfahren.

Isotope

Obwohl es acht bekannte Isotope von Helium gibt, sind nur Helium-3 und Helium-4 stabil. In der Erdatmosphäre kommt auf eine Million He-4-Atome ein He-3-Atom. Helium ist jedoch insofern ungewöhnlich, als seine Isotopenhäufigkeit je nach Herkunft stark variiert. Im interstellaren Medium ist der Anteil an He-3 etwa hundertmal höher. Gesteine ​​aus der Erdkruste haben Isotopenverhältnisse, die um den Faktor zehn variieren; das kommt darin zum Einsatz Geologie den Ursprung solcher Gesteine ​​zu studieren.

Das häufigste Isotop, Helium-4, wird auf der Erde durch Alpha-Zerfall schwerer radioaktiver Elemente produziert; Die entstehenden Alphateilchen sind vollständig ionisierte Helium-4-Kerne. Helium-4 ist ein ungewöhnlich stabiler Kern, weil seine Nukleonen in vollständigen Hüllen angeordnet sind. Es wurde auch während der Urknall-Nukleosynthese in enormen Mengen gebildet.

Gleiche Mischungen aus flüssigem Helium-3 und Helium-4 unter 0,8 K trennen sich aufgrund ihrer Unähnlichkeit in zwei nicht mischbare Phasen (sie folgen unterschiedlichen Quantenstatistiken: Helium-4-Atome sind Bosonen, während Helium-3-Atome Fermionen sind). Verdünnungskühlschränke nutzen die Unmischbarkeit dieser beiden Isotope, um Temperaturen von wenigen Millikelvin zu erreichen. Es gibt nur eine Spurenmenge von Helium-3 auf der Erde, die hauptsächlich seit der Entstehung der Erde vorhanden ist, obwohl etwas davon in kosmischem Staub eingeschlossen auf die Erde fällt. Spurenmengen werden auch durch den Beta-Zerfall von Tritium erzeugt. Im Sterne Helium-3 ist jedoch häufiger, ein Produkt der Kernfusion. Außerplanetares Material, wie z Mond- und Asteroid Regolith, haben Spuren von Helium-3, weil sie von Sonnenwinden bombardiert wurden.

Die unterschiedlichen Entstehungsprozesse der beiden stabilen Heliumisotope erzeugen die unterschiedlichen Isotopenhäufigkeiten. Diese unterschiedlichen Isotopenhäufigkeiten können genutzt werden, um die Herkunft von Gesteinen und die Zusammensetzung des Erdmantels zu untersuchen.

Es ist möglich, exotische Heliumisotope herzustellen, die schnell in andere Substanzen zerfallen. Das kurzlebigste Isotop ist Helium-5 mit einer Halbwertszeit von 7,6×10 −22 zweite. Helium-6 zerfällt durch Emission eines Beta-Teilchens und hat eine Halbwertszeit von 0,8 Sekunden. Helium-7 sendet neben einem Gammastrahl auch ein Betateilchen aus. Helium-7 und Helium-8 sind Hyperfragmente, die bei bestimmten Kernreaktionen entstehen.

Vorsichtsmaßnahmen

Die Stimme einer Person, die Helium eingeatmet hat, klingt vorübergehend schrill. Das liegt daran, dass die Schallgeschwindigkeit in Helium fast dreimal so hoch ist wie in Luft. Da die Grundfrequenz eines gasgefüllten Hohlraums proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gas ist, kommt es beim Einatmen von Helium zu einer entsprechenden Erhöhung der Resonanzfrequenzen des Stimmtrakts.

Obwohl die stimmliche Wirkung des Einatmens von Helium amüsant sein mag, kann es gefährlich sein, wenn es im Übermaß ausgeübt wird, da Helium ein einfaches Erstickungsmittel ist und daher verdrängt Sauerstoff für die normale Atmung benötigt. Der Tod durch Ersticken tritt innerhalb von Minuten ein, wenn reines Helium kontinuierlich eingeatmet wird. Bei Säugetieren (mit der bemerkenswerten Ausnahme von Robben) wird der Atemreflex durch ein Übermaß an ausgelöst Kohlendioxid Anstelle von Sauerstoffmangel schreitet die Erstickung durch Helium fort, ohne dass das Opfer Lufthunger verspürt. Das Einatmen von Helium direkt aus unter Druck stehenden Zylindern ist äußerst gefährlich, da die hohe Durchflussrate zu einem Barotrauma führen kann, bei dem Lungengewebe tödlich reißt.

Neutrales Helium ist bei Standardbedingungen ungiftig, spielt keine biologische Rolle und kommt in Spuren vor Mensch Blut. Bei hohen Drücken kann eine Mischung aus Helium und Sauerstoff (Heliox) zum Hochdrucknervensyndrom führen, eine Erhöhung des Stickstoffanteils kann das Problem jedoch lindern.

Behälter mit Heliumgas bei 5 bis 10 K sollten behandelt werden, als ob sie flüssiges Helium enthalten würden, aufgrund der schnellen und erheblichen Wärmeausdehnung, die auftritt, wenn Heliumgas bei weniger als 10 K auf Raumtemperatur erwärmt wird.