Helium

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Helium
Atomsymbol He
Ordnungszahl 2
Relative Atommasse 4,002602
Elektronegativität 5,2 (Durchschnitt)
Schmelzpunkt -272 °C
Siedepunkt -268,8 °C

Helium (Sonnenstoff; altgr. ἥλιος hélios „Sonne“) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol He und der Ordnungszahl 2. Im Periodensystem steht es in der 18. Gruppe (früher 8. Hauptgruppe) und zählt damit zu den Edelgasen. Helium ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales, ungiftiges Gas und nach Wasserstoff das im Universum am häufigsten vorkommende chemische Element.

Der Schmelzpunkt liegt bei -272° C, der Siedepunkt bei -268,8° C. Die Sonne und viele Sterne im Universum erzeugen ihre Energie aus der Verschmelzung (Kernfusion) von Wasserstoffatomen zu Heliumatomen. In der Sonne unseres Planetensystems hat Helium einen Massenanteil von 25 %.

Entdeckung

Erste Hinweise auf Helium wurden im Jahre 1868 durch den französischen Astronomen Jules Janssen bei Untersuchungen des Lichtspektrums der Chromosphäre der Sonne entdeckt, wobei er die bis dahin unbekannte gelbe Spektrallinie des Elements fand.

Eigenschaften

Helium ist einatomig und farblos und nach Wasserstoff das leichteste aller Gase. Von allen Elementen besitzt es den niedrigsten Schmelzpunkt. Die relative Atommasse beträt 4,00260; es gibt zwei stabile He-Isotope: 3He (0,00013 %) und 4He (99,9998 %). Die Elektronenkonfiguration ist (1s)2. Helium hat bei Atmosphärendruck keinen festen Zustand; die Zustandsänderung von flüssig zu fest erfolgt nur unter Überdruck bei sehr niedrigen Temperaturen. Die Schmelzwärme zeigt anormales Verhalten: Bei sehr niedrigen Temperaturen geht sie gegen Null, und es muß anschließend Wärme zugeführt werden, um Helium zu gefrieren.

Zustandsdiagramm

Helium ist die einzige Substanz ohne Tripelpunkt. Es bildet drei allotrope feste Modifikationen und zwei flüssige Modifikationen. 4He-I ist eine normale Flüssigkeit, kühlt man sie durch Drucksenkung ab, so geht sie bei 2,177 K und 0,0504 bar in die Modifikation 4He-II über. Die Trennlinie beider Flüssigkeiten im Zustandsdiagramm heißt λ-Kurve. 4He-II ist eine Supraflüssigkeit, d. h. sie ist völlig reibungsfrei (Viskosität = 0). 4He-II fließt über oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelegene Hindernisse hinweg auf das tiefstmögliche Niveau (Onnes-Effekt). Hebt man ein Gefäß aus einem 4He-ll Bad, so fließt ein etwa 100 Atomschichten dicker Film (Rollin-Film) innen im Gefäss hoch, über die Außenkante hinweg zurück ins Bad. Dieses und andere überraschende Phänomene erklärt die Quantenphysik.

Nachweis

He wird qualitativ und quantitativ mit Hilfe der Spektralanalyse bestimmt.

Vorkommen

Helium ist das zweithäufigste Element im Universum, auf der Erde ist es dagegen seltener als Gold und Platin. Die Luft enthält 4,6 cm^3 He pro mg, davon sind nur 0,00016 % He-3. Wegen seiner geringen Atommasse entweicht Helium dauernd aus der Atmosphäre ins All. Die Zusammensetzung der Lufthülle bleibt jedoch konstant, weil der Sonnenwind und die radioaktiven Mineralien der Erdkruste Helium nachliefern. Auch das industriell genutzte He entweicht letztlich fast vollständig in die Atmosphäre. Die Weltvorräte werden auf 7•10^11 mol He geschätzt, vorwiegend enthalten in Erdgasvorkommen der USA, Kasachstans und Algeriens. Thermalquellen enthalten bis zu 10 % Helium.

Gewinnung

Kleinere Mengen Heliums werden durch Erhitzen von uran- und thoriumhaltigen Mineralien wie Cleveit, Monazit und Thorianit im Porzellanrohr bei 1.200 °C gewonnen. In diesen Mineralien ist Helium wahrscheinlich als Clathrat physikalisch gebunden. Bis 1917 war das die einzige Darstellungsmethode. Großtechnisch gewinnt man heute 99 % reines Helium überwiegend aus der Verflüssigung von Erdgasen. In den USA wird dem geförderten Erdgas das Helium entzogen und in leeren Erdgasfeldern gespeichert (bislang etwa 5•10^10 mol). Das außerordentlich seltene und stabile Helium-Isotop [3He] wird mit Hilfe der Kernreaktionen 6Li(n,α)3H und 3Hβ-→3He in Kernreaktoren gewonnen.

Verwendung

Verwendet wird Helium zum Lichtbogen-Schweißen unter Helium-Atmosphäre, als Bestandteil des Atemgases (80% Helium, 20% Sauerstoff) für Taucher und für therapeutische Zwecke, als Kompensations-Füllgas für Raketen-Treibstofftanks, als Füllgas für Ballons (als Ersatz für den hoch entzündlichen Wasserstoff), für Lecksuchgeräte in der Vakuumtechnologie, als Kühlflüssigkeit (4He und 3He) in der Tiefsttemperatur-Technologie und Kühlgas für Kernreaktoren.

In Europa werden jährlich etwa 8•10^8 mol verbraucht.

Sonstiges

Nach dem Einatmen von Helium wird die menschliche Stimme für einen kürzeren Zeitraum plötzlich höher, was damit zusammenhängt, daß das Helium die Schallgeschwindigkeit beim Auftreffen auf den Stimmbändern merklich verändert.

Quellen

  • dtv-Atlas, „Chemie Allgemeine & Organische Chemie“ Bd.1, S. 75, ISBN: 3-423-03217-0
  • chemie.de