Helium

Wissenschaftliche Entdeckungen

Der erste Hinweis auf Helium wurde am 18. August 1868 als hellgelbe Linie mit einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne beobachtet . Die Linie wurde vom französischen Astronomen Jules Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Guntur , Indien, entdeckt. ^{[23] [24]} Diese Linie wurde ursprünglich als Natrium angenommen . Am 20. Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die er D _{3 nannte,} weil sie sich in der Nähe der bekannten D _{1 -} und D ₂ -Fraunhofer- Linien von Natrium befand. ^{[25] [26]} Er schloss daraus, dass es durch ein Element in der Sonne verursacht wurde, das auf der Erde unbekannt ist. Lockyer und der englische Chemiker Edward Frankland nannten das Element mit dem griechischen Wort für die Sonne ἥλιος ( Helios ). ^{[27] [28]}

Spektrallinien von Helium

1881 entdeckte der italienische Physiker Luigi Palmieri erstmals Helium auf der Erde über seine D ₃ -Spektrallinie, als er ein Material analysierte, das während eines kürzlichen Ausbruchs des Vesuvs sublimiert worden war . ^[29]

Sir William Ramsay , der Entdecker des terrestrischen Heliums

Die Cleveitprobe, aus der Ramsay zuerst Helium reinigte ^[30]

Am 26. März, 1895, Scottish Chemiker Sir William Ramsay isoliert Helium auf der Erde , indem die mineralische Behandlung Cleveit (eine Vielzahl von Uraninit mit mindestens 10% Seltenerdelemente ) mit Mineralsäuren . Ramsay suchte nach Argon, aber nachdem er Stickstoff und Sauerstoff von dem durch Schwefelsäure freigesetzten Gas getrennt hatte, bemerkte er eine hellgelbe Linie, die mit der im Spektrum der Sonne beobachteten D ₃ -Linie übereinstimmte . ^{[26] [31] [32] [33]} Diese Proben wurden von Lockyer und dem britischen Physiker William Crookes als Helium identifiziert . ^{[34] [35]} Es wurde im selben Jahr von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet in Uppsala , Schweden, unabhängig von Cleveit isoliert , die genug Gas sammelten, um sein Atomgewicht genau zu bestimmen . ^{[24] [36] [37]} Helium wurde auch vom amerikanischen Geochemiker William Francis Hillebrand vor Ramsays Entdeckung isoliert , als er beim Testen einer Probe des Minerals Uraninit ungewöhnliche Spektrallinien bemerkte. Hillebrand schrieb die Linien jedoch Stickstoff zu. ^[38] Sein Glückwunschschreiben an Ramsay bietet einen interessanten Fall von Entdeckung und Beinahe-Entdeckung in der Wissenschaft. ^[39]

1907, Ernest Rutherford und Thomas Royds gezeigt , dass Alpha - Teilchen Helium sind Kerne , indem man die Teilchen , die die dünne Glaswand eines evakuierten Röhrchens zu durchdringen, um eine Entladung in der Röhre zu schaffen, um das Spektrum des neuen Gases im Innern zu studieren. ^[40] 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem das Gas auf weniger als 5 K (–268,15 ° C; –450,67 ° F) abgekühlt wurde. ^{[41] [42]} Er versuchte es zu verfestigen, indem er die Temperatur weiter senkte, scheiterte jedoch, weil Helium bei atmosphärischem Druck nicht erstarrt. Onnes 'Schüler Willem Hendrik Keesom konnte schließlich 1926 1 cm ³ Helium durch zusätzlichen Druck von außen verfestigen . ^{[43] [44]}

1913 veröffentlichte Niels Bohr seine "Trilogie" ^{[45] [46]} zur Atomstruktur, in der die Pickering-Fowler-Reihe als zentraler Beweis für sein Atommodell überdacht wurde . ^{[47] [48]} Diese Serie ist nach Edward Charles Pickering benannt , der 1896 Beobachtungen bisher unbekannter Linien im Spektrum des Sterns ζ Puppis ^{[49] veröffentlichte} (diese treten heute bekanntermaßen bei Wolf-Rayet und anderen heißen Sternen auf ). ^[50] Pickering führte die Beobachtung (Linien bei 4551, 5411 und 10123  Å ) auf eine neue Form von Wasserstoff mit halb ganzzahligen Übergangsniveaus zurück. ^{[51] [52]} 1912 gelang es Alfred Fowler ^[53] , ähnliche Linien aus einem Wasserstoff-Helium-Gemisch herzustellen, und er unterstützte Pickerings Schlussfolgerung hinsichtlich ihrer Herkunft. ^[54] Bohrs Modell erlaubt keine halb-ganzzahligen Übergänge (und auch keine Quantenmechanik), und Bohr kam zu dem Schluss, dass Pickering und Fowler falsch lagen, und ordnete diese Spektrallinien stattdessen dem ionisierten Helium He ^{+ zu} . ^[55] Fowler war anfangs skeptisch ^[56] , war aber letztendlich überzeugt ^[57], dass Bohr richtig war ^[45], und bis 1915 "hatten Spektroskopiker [die Pickering-Fowler-Reihe] definitiv [von Wasserstoff] auf Helium übertragen". ^{[48] [58]} Bohrs theoretische Arbeit an der Pickering-Reihe hatte die Notwendigkeit einer "erneuten Untersuchung von Problemen aufgezeigt, die bereits innerhalb der klassischen Theorien gelöst zu sein schienen" und eine wichtige Bestätigung für seine Atomtheorie geliefert. ^[48]

1938 entdeckte der russische Physiker Pjotr ​​Leonidowitsch Kapitsa , dass Helium-4 bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt fast keine Viskosität aufweist , ein Phänomen, das heute als Superfluidität bezeichnet wird . ^[59] Dieses Phänomen hängt mit der Bose-Einstein-Kondensation zusammen . 1972 beobachteten die amerikanischen Physiker Douglas D. Osheroff , David M. Lee und Robert C. Richardson das gleiche Phänomen bei Helium-3 , jedoch bei Temperaturen, die viel näher am absoluten Nullpunkt lagen . Es wird angenommen, dass das Phänomen in Helium-3 mit der Paarung von Helium-3- Fermionen zu Bosonen zusammenhängt , analog zu Cooper- Elektronenpaaren, die Supraleitung erzeugen . ^[60]

Extraktion und Verwendung

Historischer Marker, der einen massiven Heliumfund in der Nähe von Dexter, Kansas, bezeichnet

Nach einer Ölbohrung im Jahr 1903 in Dexter, Kansas, produzierte ein Gasgeysir, der nicht brennen würde. Der Geologe Erasmus Haworth aus dem US-Bundesstaat Kansas sammelte Proben des austretenden Gases und brachte sie mit Hilfe des Chemikers Hamilton zur Universität von Kansas in Lawrence zurück Cady und David McFarland entdeckten, dass das Gas volumenmäßig aus 72% Stickstoff, 15% Methan (ein brennbarer Prozentsatz nur mit ausreichend Sauerstoff), 1% Wasserstoff und 12% einem nicht identifizierbaren Gas bestand. ^{[24] [61]} Bei weiteren Analysen stellten Cady und McFarland fest, dass 1,84% der Gasprobe Helium waren. ^{[62] [63]} Dies zeigte, dass Helium trotz seiner allgemeinen Seltenheit auf der Erde in großen Mengen unter den amerikanischen Great Plains konzentriert war und zur Gewinnung als Nebenprodukt von Erdgas zur Verfügung stand . ^[64]

Dies ermöglichte es den Vereinigten Staaten, der weltweit führende Anbieter von Helium zu werden. Auf Vorschlag von Sir Richard Threlfall sponserte die United States Navy im Ersten Weltkrieg drei kleine experimentelle Heliumanlagen. Ziel war es, Sperrballons mit dem nicht brennbaren Gas zu versorgen , das leichter als Luft ist. Im Programm wurden insgesamt 5.700 m ³ (200.000 cu ft) 92% Helium produziert, obwohl zuvor weniger als ein Kubikmeter des Gases erhalten worden waren. ^[26] Ein Teil dieses Gases wurde in der weltweit ersten mit Helium gefülltes Luftschiff, der US Navy verwendet C-Klasse Blimp C-7, die Fahrt seiner Jungfern fliegen von Hampton Roads, Virginia , an Bolling Feld in Washington, DC, am Dezember 1, 1921, ^[65] fast zwei Jahre bevor das erste mit starrem Helium gefüllte Luftschiff der Marine , die von der Naval Aircraft Factory gebaute USS Shenandoah , im September 1923 flog.

Obwohl der Extraktionsprozess unter Verwendung der Niedertemperatur- Gasverflüssigung nicht rechtzeitig entwickelt wurde, um während des Ersten Weltkriegs von Bedeutung zu sein, wurde die Produktion fortgesetzt. Helium wurde hauptsächlich als Hebegas in Flugzeugen verwendet, die leichter als Luft sind. Während des Zweiten Weltkriegs stieg die Nachfrage nach Helium zum Heben von Gas und zum Schutzgasschweißen . Das Helium-Massenspektrometer war auch im Atombomben- Manhattan-Projekt von entscheidender Bedeutung . ^[66]

Die Regierung der Vereinigten Staaten setzte die oben Nationale Helium Reserve im Jahr 1925 in Amarillo, Texas , mit dem Ziel der Versorgung Militärluftschiffen in der Zeit des Krieges und kommerzieller Luftschiffe in Friedenszeiten. ^[26] Aufgrund des Helium Act von 1925 , der den Export von knappem Helium, auf das die USA damals ein Produktionsmonopol hatten, zusammen mit den unerschwinglichen Kosten des Gases verbot, war die Hindenburg wie alle deutschen Zeppeline gezwungen, Wasserstoff zu verwenden als das Liftgas. Der Heliummarkt nach dem Zweiten Weltkrieg war deprimiert, aber die Reserve wurde in den 1950er Jahren erweitert, um die Versorgung mit flüssigem Helium als Kühlmittel zur Erzeugung von Sauerstoff / Wasserstoff- Raketentreibstoff (unter anderem) während des Weltraumrennens und des Kalten Krieges sicherzustellen . Der Heliumverbrauch in den Vereinigten Staaten betrug 1965 mehr als das Achtfache des Spitzenverbrauchs während des Krieges. ^[67]

Nach den "Helium Acts Amendments of 1960" (Public Law 86–777) veranlasste das US Bureau of Mines fünf private Anlagen, Helium aus Erdgas zu gewinnen. Für dieses Heliumschutzprogramm baute das Büro eine 684 km lange Pipeline von Bushton, Kansas , um diese Anlagen mit dem teilweise erschöpften Cliffside-Gasfeld der Regierung in der Nähe von Amarillo, Texas, zu verbinden. Dieses Helium-Stickstoff-Gemisch wurde injiziert und im Cliffside-Gasfeld gelagert, bis es benötigt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde es weiter gereinigt. ^[68]

Bis 1995 wurden eine Milliarde Kubikmeter Gas gesammelt, und die Reserve hatte Schulden in Höhe von 1,4 Milliarden US-Dollar, was den Kongress der Vereinigten Staaten 1996 dazu veranlasste, die Reserve auslaufen zu lassen. ^{[24] [69]} Das daraus resultierende Helium-Privatisierungsgesetz von 1996 ^[70] (Öffentliches Recht 104–273) wies das US-Innenministerium an, die Reserve zu leeren, wobei der Verkauf ab 2005 beginnen sollte. ^[71]

Das zwischen 1930 und 1945 produzierte Helium war zu 98,3% rein (2% Stickstoff), was für Luftschiffe ausreichend war. 1945 wurde eine kleine Menge von 99,9% Helium für Schweißzwecke hergestellt. Bis 1949 waren kommerzielle Mengen von 99,95% Helium der Klasse A verfügbar. ^[72]

Viele Jahre lang produzierten die Vereinigten Staaten mehr als 90% des kommerziell verwendbaren Heliums der Welt, während Extraktionsanlagen in Kanada, Polen, Russland und anderen Ländern den Rest produzierten. Mitte der neunziger Jahre wurde ein neues Werk in Arzew , Algerien, mit einer Produktion von 17 Millionen Kubikmetern in Betrieb genommen, dessen Produktion ausreicht, um den gesamten europäischen Bedarf zu decken. Bis zum Jahr 2000 war der Heliumverbrauch in den USA auf mehr als 15 Millionen kg pro Jahr gestiegen. ^[73] In den Jahren 2004–2006 wurden weitere Werke in Ras Laffan ( Katar ) und Skikda (Algerien) gebaut. Algerien wurde schnell zum zweitgrößten Heliumproduzenten. ^[74] In dieser Zeit stiegen sowohl der Heliumverbrauch als auch die Kosten für die Herstellung von Helium. ^[75] Von 2002 bis 2007 verdoppelten sich die Heliumpreise. ^[76]

Wie 2012^{[aktualisieren]}Das nationale Heliumreservat der Vereinigten Staaten machte 30 Prozent des weltweiten Heliums aus. ^[77] Es wurde erwartet, dass der Reserve 2018 das Helium ausgeht. ^[77] Trotzdem würde ein Gesetzentwurf im Senat der Vereinigten Staaten der Reserve ermöglichen, das Gas weiterhin zu verkaufen. Weitere große Reserven befanden sich im Hugoton in Kansas , USA, sowie in den nahe gelegenen Gasfeldern von Kansas und in den Panhandles von Texas und Oklahoma . Neue Heliumanlagen sollten 2012 in Katar , Russland und im US-Bundesstaat Wyoming eröffnet werden , aber es wurde nicht erwartet, dass sie den Mangel beheben. ^[77]

2013 startete Katar die weltweit größte Heliumeinheit ^[78], obwohl die diplomatische Krise in Katar 2017 die Heliumproduktion dort stark beeinträchtigte. ^[79] 2014 wurde nach Jahren bekannter Engpässe allgemein als ein Jahr des Überangebots im Heliumgeschäft anerkannt. ^[80] Nasdaq berichtete (2015), dass für Air Products , ein internationales Unternehmen, das Gase für industrielle Zwecke verkauft, die Heliummengen aufgrund von Rohstoffversorgungsengpässen weiterhin unter wirtschaftlichem Druck stehen. ^[81]

Das Heliumatom

Das Heliumatom. Dargestellt sind der Kern (pink) und die Elektronenwolkenverteilung (schwarz). Der Kern (oben rechts) in Helium-4 ist in Wirklichkeit sphärisch symmetrisch und ähnelt stark der Elektronenwolke, obwohl dies bei komplizierteren Kernen nicht immer der Fall ist.

Helium in der Quantenmechanik

In der Perspektive der Quantenmechanik , ist Helium das zweiten einfachsten Atom zu Modell, nach dem Wasserstoffatom . Helium besteht aus zwei Elektronen in Atomorbitalen, die einen Kern umgeben, der zwei Protonen und (normalerweise) zwei Neutronen enthält. Wie in der Newtonschen Mechanik kann kein System, das aus mehr als zwei Teilchen besteht, mit einem exakten analytischen mathematischen Ansatz (siehe 3-Körper-Problem ) gelöst werden, und Helium ist keine Ausnahme. Daher sind numerische mathematische Methoden erforderlich, um das System aus einem Kern und zwei Elektronen zu lösen. Solche rechnerchemischen Methoden wurden verwendet, um in wenigen Rechenschritten ein quantenmechanisches Bild der Heliumelektronenbindung zu erstellen, das auf <2% des korrekten Wertes genau ist. ^[82] Solche Modelle zeigen, dass jedes Elektron in Helium den Kern teilweise vom anderen abschirmt, so dass die effektive Kernladung Z, die jedes Elektron sieht, etwa 1,69 Einheiten beträgt, nicht die 2 Ladungen eines klassischen "bloßen" Heliumkerns.

Die damit verbundene Stabilität des Helium-4-Kerns und der Elektronenhülle

Der Kern des Helium-4-Atoms ist identisch mit einem Alpha-Teilchen . Hochenergetische Elektronenstreuungsexperimente zeigen, dass die Ladung von einem Maximum an einem zentralen Punkt exponentiell abnimmt, genau wie die Ladungsdichte der Helium-eigenen Elektronenwolke . Diese Symmetrie spiegelt eine ähnliche zugrunde liegende Physik wider: Das Neutronenpaar und das Protonenpaar im Heliumkern folgen denselben quantenmechanischen Regeln wie das Heliumelektronenpaar (obwohl die Kernteilchen einem anderen Kernbindungspotential unterliegen), so dass alle diese Fermionen besetzen paarweise die 1s- Orbitale vollständig , von denen keine einen Drehimpuls besitzt und die jeweils den intrinsischen Spin des anderen aufheben. Das Hinzufügen eines weiteren dieser Teilchen würde einen Drehimpuls erfordern und wesentlich weniger Energie freisetzen (tatsächlich ist kein Kern mit fünf Nukleonen stabil). Diese Anordnung ist daher für alle diese Teilchen energetisch extrem stabil, und diese Stabilität erklärt viele entscheidende Tatsachen in Bezug auf Helium in der Natur.

Zum Beispiel erklären die Stabilität und die niedrige Energie des Elektronenwolkenzustands in Helium die chemische Inertheit des Elements sowie die fehlende Wechselwirkung von Heliumatomen miteinander, wodurch die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente erzeugt werden.

In ähnlicher Weise erklärt die besondere energetische Stabilität des Helium-4-Kerns, die durch ähnliche Effekte erzeugt wird, die Leichtigkeit der Helium-4-Produktion bei Atomreaktionen, die entweder eine Emission schwerer Partikel oder eine Fusion beinhalten. Bei Fusionsreaktionen aus Wasserstoff wird etwas stabiles Helium-3 (2 Protonen und 1 Neutron) hergestellt, aber es ist eine sehr kleine Fraktion im Vergleich zu dem sehr günstigen Helium-4.

Bindungsenergie pro Nukleon gemeinsamer Isotope. Die Bindungsenergie pro Partikel von Helium-4 ist signifikant größer als bei allen nahe gelegenen Nukliden.

Die ungewöhnliche Stabilität des Helium-4-Kerns ist auch kosmologisch wichtig : Sie erklärt die Tatsache, dass in den ersten Minuten nach dem Urknall die "Suppe" aus freien Protonen und Neutronen ursprünglich im Verhältnis 6: 1 erzeugt worden war abgekühlt bis zu dem Punkt, dass eine Kernbindung möglich war, waren fast alle ersten zusammengesetzten Atomkerne, die sich bildeten, Helium-4-Kerne. Die Helium-4-Bindung war so eng, dass die Helium-4-Produktion innerhalb weniger Minuten fast alle freien Neutronen verbrauchte, bevor sie Beta-zerfallen konnten, und nur wenige, um schwerere Atome wie Lithium, Beryllium oder Bor zu bilden. Die Helium-4-Kernbindung pro Nukleon ist stärker als bei jedem dieser Elemente (siehe Nukleogenese und Bindungsenergie ), und daher war nach Bildung von Helium kein energetischer Antrieb verfügbar, um die Elemente 3, 4 und 5 herzustellen. Sie war energetisch kaum günstig damit Helium mit einer geringeren Energie pro Nukleon , Kohlenstoff, zum nächsten Element verschmilzt . Aufgrund des Fehlens von Zwischenelementen erfordert dieser Prozess jedoch, dass drei Heliumkerne nahezu gleichzeitig aufeinander treffen (siehe Triple-Alpha-Prozess ). Es gab daher keine Zeit für die Bildung von signifikantem Kohlenstoff in den wenigen Minuten nach dem Urknall, bevor sich das früh expandierende Universum auf den Temperatur- und Druckpunkt abkühlte, an dem eine Heliumfusion zu Kohlenstoff nicht mehr möglich war. Dies ließ das frühe Universum mit einem sehr ähnlichen Verhältnis von Wasserstoff / Helium zurück, wie es heute beobachtet wird (3 Teile Wasserstoff zu 1 Teil Helium-4, bezogen auf die Masse), wobei fast alle Neutronen im Universum in Helium-4 gefangen sind.

Alle schwereren Elemente (einschließlich derjenigen, die für felsige Planeten wie die Erde und für kohlenstoffbasiertes oder anderes Leben notwendig sind) wurden daher seit dem Urknall in Sternen erzeugt, die heiß genug waren, um Helium selbst zu verschmelzen. Alle Elemente außer Wasserstoff und Helium machen heute nur noch 2% der Masse der Atommaterie im Universum aus. Im Gegensatz dazu macht Helium-4 etwa 23% der gewöhnlichen Materie des Universums aus - fast die gesamte gewöhnliche Materie, die kein Wasserstoff ist.

Gas- und Plasmaphasen

Heliumentladungsröhre in Form des Atomsymbols des Elements

Helium ist nach Neon das am wenigsten reaktive Edelgas und damit das am wenigsten reaktive aller Elemente. ^[83] Es ist unter allen Standardbedingungen chemisch inert und einatomig. Aufgrund der relativ geringen Molmasse (Atommasse) von Helium sind seine Wärmeleitfähigkeit , spezifische Wärme und Schallgeschwindigkeit in der Gasphase größer als bei jedem anderen Gas außer Wasserstoff . Aus diesen Gründen und aufgrund der geringen Größe der einatomigen Heliummoleküle diffundiert Helium dreimal so schnell wie Luft und etwa 65% so schnell wie Wasserstoff durch Feststoffe. ^[26]

Helium ist das am wenigsten wasserlösliche einatomige Gas ^[84] und eines der am wenigsten wasserlöslichen Gase ( CF 4 , SF 6 und C 4 F 8 weisen Löslichkeiten mit niedrigeren Molenbrüchen auf: 0,3802, 0,4394 und 0,2372 x ₂ 10 / ^-5 jeweils im Vergleich zu Helium von 0,70797 x ₂ /10 ^-5 ), ^[85] und das Helium Brechungsindex näher an der Einheit als die irgendeinen anderen Gases. ^[86] Helium hat bei normalen Umgebungstemperaturen einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten , was bedeutet, dass es sich erwärmt, wenn es sich frei ausdehnen darf. Nur unterhalb seiner Joule-Thomson-Inversionstemperatur (von etwa 32 bis 50 K bei 1 Atmosphäre) kühlt es bei freier Expansion ab. ^[26] Sobald Helium unter diese Temperatur vorgekühlt ist, kann es durch Expansionskühlung verflüssigt werden.

Das meiste außerirdische Helium befindet sich in einem Plasmazustand mit Eigenschaften, die sich stark von denen von atomarem Helium unterscheiden. In einem Plasma sind die Heliumelektronen nicht an seinen Kern 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. Beispielsweise interagieren die Teilchen im Sonnenwind zusammen mit ionisiertem Wasserstoff mit der Erdmagnetosphäre , wodurch Birkeland-Ströme und die Aurora entstehen . ^[87]

Flüssiges Helium

Verflüssigtes Helium. Dieses Helium ist nicht nur flüssig, sondern wurde bis zur Superfluidität abgekühlt . Der Flüssigkeitstropfen am Boden des Glases stellt Helium dar, das spontan über die Seite aus dem Behälter entweicht, um aus dem Behälter zu entleeren. Die Energie, die diesen Prozess antreibt, wird durch die potentielle Energie des fallenden Heliums geliefert.

Im Gegensatz zu jedem anderen Element bleibt Helium bei normalen Drücken bis zum absoluten Nullpunkt flüssig . Dies ist ein direkter Effekt der Quantenmechanik: Insbesondere ist die Nullpunktsenergie des Systems zu hoch, um ein Einfrieren zu ermöglichen. Festes Helium erfordert eine Temperatur von 1–1,5 K (ca. –272 ° C oder –457 ° F) bei einem Druck von ca. 25 bar (2,5 MPa). ^[88] Es ist oft schwierig, festes von flüssigem Helium zu unterscheiden, da der Brechungsindex der beiden Phasen nahezu gleich ist. Der Feststoff hat einen scharfen Schmelzpunkt und eine kristalline Struktur, ist jedoch stark komprimierbar ; Durch Druck in einem Labor kann das Volumen um mehr als 30% verringert werden. ^[89] Mit einem Bulkmodul von etwa 27 MPa ^[90] es ist \ 100 - mal mehr komprimierbar als Wasser. Festes Helium hat eine Dichte von0,214 ± 0,006 g / cm ³ bei 1,15 K und 66 atm; Die projizierte Dichte bei 0 K und 25 bar (2,5 MPa) beträgt0,187 ± 0,009 g / cm ³ . ^[91] Bei höheren Temperaturen verfestigt sich Helium bei ausreichendem Druck. Bei Raumtemperatur erfordert dies etwa 114.000 atm. ^[92]

Helium I.

Unterhalb seines Siedepunkts von 4,22 K (–268,93 ° C; –452,07 ° F) und oberhalb des Lambda-Punkts von 2,1768 K (–270,9732 ° C; –455,7518 ° F) liegt das Isotop Helium-4 in einem normalen farblosen flüssigen Zustand vor , genannt Helium I . ^[26] Wie andere kryogene Flüssigkeiten kocht Helium I beim Erhitzen und zieht sich zusammen, wenn seine Temperatur gesenkt wird. Unterhalb des Lambda-Punktes kocht Helium jedoch nicht und dehnt sich aus, wenn die Temperatur weiter gesenkt wird.

Helium I hat einen gasähnlichen Brechungsindex von 1,026, wodurch seine Oberfläche so schwer zu erkennen ist, dass häufig Styroporschwimmer verwendet werden, um zu zeigen, wo sich die Oberfläche befindet. ^[26] Diese farblose Flüssigkeit hat eine sehr niedrige Viskosität und eine Dichte von 0,145–0,125 g / ml (zwischen etwa 0 und 4 K) ^[93], was nur einem Viertel des von der klassischen Physik erwarteten Wertes entspricht . ^[26] Um diese Eigenschaft zu erklären, ist eine Quantenmechanik erforderlich. Daher werden beide Zustände von flüssigem Helium (Helium I und Helium II) als Quantenflüssigkeiten bezeichnet , was bedeutet, dass sie makroskopische atomare Eigenschaften aufweisen. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass sein Siedepunkt so nahe am absoluten Nullpunkt liegt, dass keine zufällige molekulare Bewegung ( Wärmeenergie ) die atomaren Eigenschaften maskiert. ^[26]

Helium II

Flüssiges Helium unterhalb seines Lambda-Punktes ( Helium II genannt ) weist sehr ungewöhnliche Eigenschaften auf. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit sprudelt es beim Kochen nicht, sondern verdunstet direkt von seiner Oberfläche. Helium-3 hat auch eine superfluide Phase, jedoch nur bei viel niedrigeren Temperaturen; Infolgedessen ist weniger über die Eigenschaften des Isotops bekannt. ^[26]

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flüssigkeiten kriecht Helium II entlang von Oberflächen, um ein gleiches Niveau zu erreichen. Nach kurzer Zeit gleichen sich die Pegel in den beiden Containern aus. Der Rollin-Film bedeckt auch das Innere des größeren Behälters; Wenn es nicht versiegelt wäre, würde das Helium II herauskriechen und entkommen. ^[26]

Helium II ist ein Superfluid, ein quantenmechanischer Zustand (siehe: makroskopische Quantenphänomene ) von Materie mit seltsamen Eigenschaften. Wenn es beispielsweise durch Kapillaren mit einer Dicke von 10 bis ⁷ bis 10 bis ⁸  m fließt , hat es keine messbare Viskosität . ^[24] Bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben wurde jedoch eine Viskosität beobachtet, die mit der von gasförmigem Helium vergleichbar war. Die aktuelle Theorie erklärt dies anhand des Zwei-Fluid-Modells für Helium II. In diesem Modell wird angenommen, dass flüssiges Helium unterhalb des Lambda-Punkts einen Anteil an Heliumatomen in einem Grundzustand enthält , die superfluid sind und mit genau null Viskosität fließen, und einen Anteil an Heliumatomen in einem angeregten Zustand, die sich eher wie ein gewöhnliche Flüssigkeit. ^[94]

Beim Springbrunneneffekt wird eine Kammer aufgebaut, die durch eine Sinterscheibe mit einem Helium II-Reservoir verbunden ist, durch die superfluides Helium leicht austritt, durch die jedoch nicht superfluides Helium nicht hindurchtreten kann. Wenn das Innere des Behälters erwärmt wird, ändert sich das superfluide Helium in nicht superfluides Helium. Um die Gleichgewichtsfraktion von superfluidem Helium aufrechtzuerhalten, tritt superfluides Helium durch und erhöht den Druck, wodurch Flüssigkeit aus dem Behälter sprudelt. ^[95]

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist größer als die jeder anderen bekannten Substanz, millionenfach so hoch wie die von Helium I und mehrere hundert Mal so hoch wie die von Kupfer . ^[26] Dies liegt daran, dass die Wärmeleitung durch einen außergewöhnlichen Quantenmechanismus erfolgt. Die meisten Materialien, die Wärme gut leiten, haben ein Valenzband freier Elektronen, die zur Wärmeübertragung dienen. Helium II hat kein solches Valenzband, leitet aber trotzdem gut Wärme. Der Wärmefluss wird durch Gleichungen bestimmt, die der Wellengleichung ähnlich sind, die zur Charakterisierung der Schallausbreitung in Luft verwendet wird. Wenn Wärme eingeleitet wird, bewegt sie sich mit 20 Metern pro Sekunde bei 1,8 K durch Helium II als Wellen in einem Phänomen, das als zweiter Schall bekannt ist . ^[26]

Helium II zeigt auch einen Kriecheffekt. Wenn sich eine Oberfläche über das Niveau von Helium II hinaus erstreckt, bewegt sich das Helium II gegen die Schwerkraft entlang der Oberfläche . Helium II entweicht aus einem Gefäß, das nicht durch Kriechen an den Seiten versiegelt ist, bis es eine wärmere Region erreicht, in der es verdunstet. Es bewegt sich in einem 30  nm dicken Film unabhängig vom Oberflächenmaterial. Dieser Film heißt Rollin-Film und ist nach dem Mann benannt, der dieses Merkmal zuerst charakterisierte, Bernard V. Rollin . ^{[26] [96] [97]} Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit von Helium II, schnell durch winzige Öffnungen zu lecken, ist es sehr schwierig, diese einzuschränken. Wenn der Behälter nicht sorgfältig konstruiert ist, kriecht das Helium II entlang der Oberflächen und durch Ventile, bis es an einen wärmeren Ort gelangt, wo es verdunstet. Wellen, die sich über einen Rollin-Film ausbreiten, unterliegen der gleichen Gleichung wie Gravitationswellen in seichtem Wasser, aber anstelle der Schwerkraft ist die Rückstellkraft die Van-der-Waals-Kraft . ^[98] Diese Wellen werden als dritter Schall bezeichnet . ^[99]

Isotope

Es gibt neun bekannte Isotopen von Helium, jedoch nur Helium-3 und Helium-4 ist stabil . In der Erdatmosphäre ist ein Atom³
Er für jede Million, die sind⁴
Er . ^[24] Im Gegensatz zu den meisten Elementen variiert die Isotopenhäufigkeit von Helium aufgrund der unterschiedlichen Bildungsprozesse stark je nach Herkunft. Das häufigste Isotop, Helium-4, wird auf der Erde durch Alpha-Zerfall schwererer radioaktiver Elemente erzeugt. Die austretenden Alpha-Partikel sind vollständig ionisierte Helium-4-Kerne. Helium-4 ist ein ungewöhnlich stabiler Kern, da seine Nukleonen in vollständigen Schalen angeordnet sind . Es wurde auch in enormen Mengen während der Urknall-Nukleosynthese gebildet . ^[100]

Helium-3 ist auf der Erde nur in Spuren vorhanden. Das meiste davon ist seit der Entstehung der Erde vorhanden, obwohl einige im kosmischen Staub gefangen auf die Erde fallen . ^[101] Spurenmengen entstehen auch durch den Beta-Zerfall von Tritium . ^[102] Gesteine ​​aus der Erdkruste weisen Isotopenverhältnisse auf, die um den Faktor zehn variieren, und diese Verhältnisse können verwendet werden, um die Herkunft von Gesteinen und die Zusammensetzung des Erdmantels zu untersuchen . ^{[101] 3}
Als Produkt der Kernfusion ist er in Sternen viel häufiger anzutreffen. So ist im interstellaren Medium der Anteil von³
Er zu⁴
Er ist ungefähr 100 Mal höher als auf der Erde. ^[103] Extraplanetares Material wie Mond- und Asteroiden- Regolith weist Spuren von Helium-3 auf, die nicht von Sonnenwinden bombardiert werden . Der Mond ist Oberfläche enthält Helium-3 in Konzentrationen in der Größenordnung von 10 ppb , viel höher als der etwa 5 ppt in der Erdatmosphäre gefunden. ^{[104] [105]} Eine Reihe von Menschen, beginnend mit Gerald Kulcinski im Jahr 1986, ^[106] haben vorgeschlagen, den Mond zu erkunden, den Mondregolith abzubauen und das Helium-3 für die Fusion zu verwenden .

Flüssiges Helium-4 kann unter Verwendung von Verdunstungskühlung in einem 1-K-Topf auf etwa 1 K (–272,15 ° C; –457,87 ° F) abgekühlt werden . Eine ähnliche Abkühlung von Helium-3, das einen niedrigeren Siedepunkt aufweist, kann etwa erreicht werden0,2 Kelvin in einem Helium-3-Kühlschrank . Gleiche Flüssigkeitsmischungen³
Er und⁴
Er unten0,8 K trennen sich aufgrund ihrer Verschiedenartigkeit in zwei nicht mischbare Phasen (sie folgen unterschiedlichen Quantenstatistiken : Helium-4-Atome sind Bosonen, während Helium-3-Atome Fermionen sind ). ^[26] Verdünnungskühlschränke nutzen diese Unmischbarkeit, um Temperaturen von wenigen Millikelvin zu erreichen.

Es ist möglich, exotische Heliumisotope herzustellen , die schnell in andere Substanzen zerfallen. Das kurzlebigste schwere Heliumisotop ist Helium-5 mit einer Halbwertszeit von7,6 × 10 ^–22  s . Helium-6 zerfällt durch Emission eines Beta-Partikels und hat eine Halbwertszeit von 0,8 Sekunden. Helium-7 emittiert auch ein Beta-Teilchen sowie einen Gammastrahl . Helium-7 und Helium-8 entstehen bei bestimmten Kernreaktionen . ^{[26] Es ist bekannt, dass} Helium-6 und Helium-8 einen Kernhalo aufweisen . ^[26]

Struktur des Heliums Hydridion , HHE ⁺

Struktur des vermuteten Fluoroheliatanions OHeF ^-

Helium hat eine Wertigkeit von Null und ist unter allen normalen Bedingungen chemisch nicht reaktiv. ^[89] Es ist ein elektrischer Isolator, sofern er nicht ionisiert ist . Wie bei den anderen Edelgasen weist Helium metastabile Energieniveaus auf , die es ihm ermöglichen, in einer elektrischen Entladung mit einer Spannung unterhalb seines Ionisationspotentials ionisiert zu bleiben . ^[26] Helium kann mit Wolfram, Jod, Fluor, Schwefel und Phosphor instabile Verbindungen , sogenannte Excimere , bilden, wenn es einer Glimmentladung ausgesetzt, einem Elektronenbeschuss ausgesetzt oder auf andere Weise zu Plasma reduziert wird. Die molekularen Verbindungen HeNe, HgHe ₁₀ und WHe ₂ und die molekularen Ionen He⁺
₂, Er²⁺
₂, HeH+und HeD⁺
wurden auf diese Weise erstellt. ^[107] HeH ⁺ ist auch im Grundzustand stabil, aber äußerst reaktiv - es ist die stärkste bekannte Brønsted-Säure und kann daher nur isoliert existieren, da es jedes Molekül oder Gegenanion protoniert, mit dem es in Kontakt kommt. Diese Technik hat sich auch die neutrale Molekül Er produziert ₂ , die eine große Anzahl von HAS Bandsysteme und HgHe, die offenbar nur gemeinsam durch Polarisationskräfte gehalten wird. ^[26]

Van-der-Waals-Verbindungen von Helium können auch mit kryogenem Heliumgas und Atomen einer anderen Substanz wie LiHe und He 2 gebildet werden . ^[108]

Theoretisch könnten andere echte Verbindungen möglich sein, wie beispielsweise Heliumfluorhydrid (HHeF) , das dem im Jahr 2000 entdeckten HArF analog wäre . ^[109] Berechnungen zeigen, dass zwei neue Verbindungen, die eine Helium-Sauerstoff-Bindung enthalten, stabil sein könnten. ^[110] Zwei neue molekulare Spezies, CsFHeO und N (CH ₃ ) ₄ FHeO, sind Derivate eines metastabilen FHeO ^- Anions, das 2005 erstmals von einer Gruppe aus Taiwan theoretisiert wurde. Wenn dies experimentell bestätigt würde, wäre das einzige verbleibende Element ohne bekannte stabile Verbindungen Neon . ^[111]

Heliumatome wurden durch Erhitzen unter hohem Druck in die hohlen Kohlenstoffkäfigmoleküle (die Fullerene ) eingefügt . Die gebildeten endohedralen Fullerenmoleküle sind bei hohen Temperaturen stabil. Wenn chemische Derivate dieser Fullerene gebildet werden, bleibt das Helium im Inneren. ^[112] Wenn Helium-3 verwendet wird, kann es leicht durch Helium -Kernspinresonanzspektroskopie beobachtet werden . ^{[113] Über} viele Helium-3-haltige Fullerene wurde berichtet. Obwohl die Heliumatome nicht durch kovalente oder ionische Bindungen gebunden sind, haben diese Substanzen wie alle stöchiometrischen chemischen Verbindungen unterschiedliche Eigenschaften und eine bestimmte Zusammensetzung.

Unter hohen Drücken kann Helium mit verschiedenen anderen Elementen Verbindungen bilden. Helium-Stickstoff- Clathrat (He (N ₂ ) ₁₁ ) -Kristalle wurden bei Raumtemperatur bei Drücken von ca. 10 GPa in einer Diamantambosszelle . ^[114] Es wurde gezeigt, dass das isolierende Elektrid Na 2 He bei Drücken über 113 GPa thermodynamisch stabil ist. Es hat eine Fluoritstruktur . ^[115]

Natürliche Fülle

Obwohl es auf der Erde selten ist, ist Helium das zweithäufigste Element im bekannten Universum und macht 23% seiner baryonischen Masse aus. Nur Wasserstoff ist häufiger vorhanden. ^[24] Die überwiegende Mehrheit des Heliums wurde ein bis drei Minuten nach dem Urknall durch Urknall-Nukleosynthese gebildet . Daher tragen Messungen seiner Häufigkeit zu kosmologischen Modellen bei. In Sternen wird es durch die Kernfusion von Wasserstoff in Proton-Proton-Kettenreaktionen und den CNO-Zyklus gebildet , der Teil der Sternnukleosynthese ist . ^[100]

In der Erdatmosphäre beträgt die Volumenkonzentration von Helium nur 5,2 ppm. ^{[116] [117]} Die Konzentration ist trotz der kontinuierlichen Produktion von neuem Helium niedrig und ziemlich konstant, da das meiste Helium in der Erdatmosphäre durch mehrere Prozesse in den Weltraum entweicht . ^{[118] [119] [120]} In der Heterosphäre der Erde sind ein Teil der oberen Atmosphäre, Helium und andere leichtere Gase die am häufigsten vorkommenden Elemente.

Das meiste Helium auf der Erde ist ein Ergebnis des radioaktiven Zerfalls . Helium kommt in großen Mengen in Mineralien von Uran und Thorium vor , einschließlich Uraninit und seinen Sorten Cleveit und Pechblende , ^{[16] [121]} Carnotit und Monazit (ein Gruppenname; "Monazit" bezieht sich normalerweise auf Monazit- (Ce) ), ^{[ 122] [123]} weil sie Alpha-Teilchen (Heliumkerne, He ²⁺ ) emittieren, zu denen sich Elektronen sofort verbinden, sobald das Teilchen vom Gestein gestoppt wird. Auf diese Weise werden in der gesamten Lithosphäre schätzungsweise 3000 Tonnen Helium pro Jahr erzeugt . ^{[124] [125] [126]} 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 , von vulkanischem Gas, und Meteo . Da Helium unter Bedingungen, die auch Erdgas einfangen, im Untergrund eingeschlossen ist, befinden sich die größten natürlichen Heliumkonzentrationen auf dem Planeten in Erdgas, aus dem das meiste kommerzielle Helium gewonnen wird. Die Konzentration variiert in einem weiten Bereich von einigen ppm bis zu mehr als 7% in einem kleinen Gasfeld in San Juan County, New Mexico . ^{[127] [128]}

Stand 2011^{[aktualisieren]}Die Heliumreserven der Welt wurden bei 40 Milliarden Kubikmetern, mit einem Viertel des Wesens in dem geschätzten South Pars / North Dom Gaskondensatfeld im gemeinsamen Besitz von Qatar und Iran. ^{[ Zitieren erforderlich ]} In den Jahren 2015 und 2016 wurden zusätzliche wahrscheinliche Reserven unter den Rocky Mountains in Nordamerika ^[129] und im ostafrikanischen Riss angekündigt . ^[130]

Moderne Gewinnung und Verteilung

Für den großtechnischen Einsatz wird Helium durch fraktionierte Destillation aus Erdgas extrahiert , das bis zu 7% Helium enthalten kann. ^[131] Da Helium einen niedrigeren Siedepunkt als jedes andere Element hat, werden bei niedriger Temperatur und hohem Druck fast alle anderen Gase (hauptsächlich Stickstoff und Methan ) verflüssigt . Das resultierende rohe Heliumgas wird durch sukzessive Exposition gegenüber sinkenden Temperaturen gereinigt, bei denen fast der gesamte verbleibende Stickstoff und andere Gase aus dem Gasgemisch ausgefällt werden. Aktivkohle wird als abschließender Reinigungsschritt verwendet, was normalerweise zu 99,995% reinem Helium der Klasse A führt. ^[26] Die Hauptverunreinigung in Helium Grad A ist Neon . In einem letzten Produktionsschritt wird der größte Teil des produzierten Heliums über einen kryogenen Prozess verflüssigt . Dies ist für Anwendungen erforderlich, die flüssiges Helium erfordern, und ermöglicht es Heliumlieferanten, die Kosten für den Ferntransport zu senken, da die größten flüssigen Heliumbehälter mehr als das Fünffache der Kapazität der größten gasförmigen Heliumrohranhänger haben. ^{[74] [132]}

Im Jahr 2008 wurden ungefähr 169 Millionen Standardkubikmeter (SCM) Helium aus Erdgas gewonnen oder aus Heliumreserven entnommen, wobei ungefähr 78% aus den USA, 10% aus Algerien und der größte Teil aus Russland, Polen und Katar stammten. ^[133] Bis 2013 hatte der Anstieg der Heliumproduktion in Katar (unter der Leitung von RasGas, das von Air Liquide verwaltet wird ) den Anteil Katars an der weltweiten Heliumproduktion auf 25% erhöht und ihn nach den USA zum zweitgrößten Exporteur gemacht. ^[134] 2016 wurde in Tansania eine geschätzte Heliumlagerstätte in Höhe von 1,5 × 10 ⁹  m ³ (54 Milliarden Kubikfuß ) gefunden. ^[135] 2020 wurde in Ningxia , China, eine große Heliumanlage eröffnet . ^[136]

In den Vereinigten Staaten wird das meiste Helium aus Erdgas des Hugoton und der nahe gelegenen Gasfelder in Kansas, Oklahoma und dem Panhandle Field in Texas gewonnen. ^{[74] [137]} Ein Großteil dieses Gases wurde einst per Pipeline an das Nationale Heliumreservat gesendet , aber seit 2005 wird dieses Reservat erschöpft und verkauft und wird voraussichtlich bis 2021 ^[134] im Oktober 2013 weitgehend erschöpft sein Gesetz über verantwortliche Heliumverwaltung und -verantwortung (HR 527). ^[138]

Die Diffusion von Erdgas durch spezielle semipermeable Membranen und andere Barrieren ist eine weitere Methode zur Rückgewinnung und Reinigung von Helium. ^[139] Im Jahr 1996 hatte die US - bewies Helium Reserven in solchen Gas gut Komplexe, von etwa 147 Milliarden Kubikfuß (4,2 Mrd. SCM). ^[140] Bei den damaligen Nutzungsraten (72 Millionen SCM pro Jahr in den USA; siehe Kreisdiagramm unten) wäre dies genug Helium für etwa 58 Jahre US-Nutzung gewesen und weniger (vielleicht 80% der Zeit) ) zu weltweiten Nutzungsraten, obwohl sich Faktoren beim Speichern und Verarbeiten auf die effektiven Reservezahlen auswirken.

Helium muss aus Erdgas gewonnen werden, da es in der Luft nur zu einem Bruchteil des Neons vorhanden ist, die Nachfrage danach jedoch weitaus höher ist. Es wird geschätzt, dass 0,1% des weltweiten Heliumbedarfs gedeckt wären, wenn die gesamte Neonproduktion umgerüstet würde, um Helium einzusparen. In ähnlicher Weise konnte nur 1% des weltweiten Heliumbedarfs durch die Umrüstung aller Luftdestillationsanlagen gedeckt werden. ^[141] Helium kann durch Beschuss von Lithium oder Bor mit Hochgeschwindigkeitsprotonen oder durch Beschuss von Lithium mit Deuteronen synthetisiert werden. Diese Verfahren sind jedoch eine völlig unwirtschaftliche Produktionsmethode. ^[142]

Helium ist im Handel entweder in flüssiger oder gasförmiger Form erhältlich. Als Flüssigkeit kann es in kleinen isolierten Behältern, so genannten Dewars , mit einem Fassungsvermögen von bis zu 1.000 Litern Helium, oder in großen ISO- Behältern mit einer Nennkapazität von bis zu 42 m ³ (ca. 11.000 US- Gallonen ) geliefert werden . In gasförmiger Form werden kleine Mengen Helium in Hochdruckzylindern mit einer Kapazität von bis zu 8 m ³ (ca. 282 Standardkubikfuß) zugeführt, während große Mengen Hochdruckgas in Rohranhängern mit einer Kapazität von bis zu 8 m ³ zugeführt werden als 4.860 m ³ (ca. 172.000 Standardkubikfuß).

Befürworter der Erhaltung

Laut Heliumschützern wie dem Nobelpreisträger Robert Coleman Richardson , der 2010 schrieb, hat der freie Marktpreis für Helium zu einer "verschwenderischen" Verwendung beigetragen (z. B. für Heliumballons ). Die Preise in den 2000er Jahren waren durch die Entscheidung des US-Kongresses gesenkt worden, den großen Heliumvorrat des Landes bis 2015 zu verkaufen. ^[143] Laut Richardson musste der Preis mit 20 multipliziert werden, um die übermäßige Verschwendung von Helium zu vermeiden. In ihrem Buch "Die Zukunft des Heliums als natürliche Ressource" (Routledge, 2012) schlugen Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) außerdem vor, eine Internationale Heliumagentur (IHA) zu gründen, um einen nachhaltigen Markt für dieses kostbare Gut aufzubauen. ^[144]

Die größte einmalige Verwendung von flüssigem Helium ist die Kühlung der supraleitenden Magnete in modernen MRT-Scannern.

Während Ballons vielleicht die bekannteste Verwendung von Helium sind, machen sie nur einen geringen Teil der gesamten Verwendung von Helium aus. ^[69] 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 Inertheit . Von der weltweiten Helium-Gesamtproduktion von 2014 von etwa 32 Millionen kg (180 Millionen Standardkubikmeter) Helium pro Jahr wird der größte Teil (etwa 32% der Gesamtmenge im Jahr 2014) für kryogene Anwendungen verwendet, bei denen die supraleitenden Magnete größtenteils abgekühlt werden medizinische MRT- Scanner und NMR- Spektrometer. ^[146] Weitere Hauptanwendungen waren Druck- und Spülsysteme, Schweißen, Wartung kontrollierter Atmosphären und Lecksuche. Andere Verwendungen nach Kategorien waren relativ geringe Anteile. ^[145]

Kontrollierte Atmosphären

Helium wird als Schutzgas verwendet in wachsendem Silizium und Germaniumkristalle, in Titan und Zirkonium - Produktion und in der Gaschromatographie , ^[89] , da es inert ist. Aufgrund seiner Trägheit, thermisch und kalorisch perfekten Natur, hohen Schallgeschwindigkeit und des hohen Werts des Wärmekapazitätsverhältnisses ist es auch in Überschallwindkanälen ^[147] und Impulsanlagen nützlich . ^[148]

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen

Helium wird als Schutzgas beim Lichtbogenschweißen an Materialien verwendet, die bei Schweißtemperaturen durch Luft oder Stickstoff verunreinigt und geschwächt sind. ^{[24] Beim} Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen werden eine Reihe inerter Schutzgase verwendet, aber Helium wird anstelle von billigerem Argon verwendet, insbesondere zum Schweißen von Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium oder Kupfer .

Kleinere Verwendungen

Industrielle Lecksuche

Eine Zweikammer-Helium-Lecksuchmaschine

Eine industrielle Anwendung für Helium ist die Lecksuche . Da Helium dreimal schneller als Luft durch Feststoffe diffundiert , wird es als Prüfgas verwendet, um Lecks in Hochvakuumgeräten (z. B. Kryotanks) und Hochdruckbehältern zu erkennen. ^[149] Das getestete Objekt wird in eine Kammer gegeben, die dann evakuiert und mit Helium gefüllt wird. Das Helium, das durch die Lecks entweicht, wird von einem empfindlichen Gerät ( Helium-Massenspektrometer ) selbst bei Leckraten von nur 10 ^–9 mbar · L / s (10 ^–10 Pa · m ³ / s) erfasst . Das Messverfahren erfolgt normalerweise automatisch und wird als Helium-Integral-Test bezeichnet. Ein einfacheres Verfahren besteht darin, das getestete Objekt mit Helium zu füllen und mit einem Handgerät manuell nach Lecks zu suchen. ^[150]

Heliumlecks durch Risse sollten nicht mit der Gaspermeation durch ein Schüttgut verwechselt werden. Während Helium Permeationskonstanten (also eine berechenbare Permeationsrate) durch Gläser, Keramiken und synthetische Materialien dokumentiert hat, durchdringen Inertgase wie Helium die meisten Massenmetalle nicht. ^[151]

Flug

Aufgrund seiner geringen Dichte und Unbrennbarkeit ist Helium das Gas der Wahl, um Luftschiffe wie das Goodyear- Luftschiff zu füllen .

Da Luftschiffe und Ballons leichter als Luft sind , werden sie zum Heben mit Helium aufgepumpt . Während Wasserstoffgas schwimmfähiger ist und mit geringerer Geschwindigkeit durch eine Membran dringt, hat Helium den Vorteil, dass es nicht brennbar und tatsächlich feuerhemmend ist . Eine weitere geringfügige Verwendung ist die Raketentechnik , bei der Helium als Füllmedium verwendet wird, um Kraftstoff und Oxidationsmittel in Lagertanks zu verdrängen und Wasserstoff und Sauerstoff zu kondensieren, um Raketentreibstoff herzustellen . Es wird auch verwendet, um Kraftstoff und Oxidationsmittel vor dem Start aus Bodenunterstützungsgeräten zu entfernen und flüssigen Wasserstoff in Raumfahrzeugen vorzukühlen . Zum Beispiel benötigte die im Apollo-Programm verwendete Saturn V- Rakete zum Starten etwa 370.000 m ³ (13 Millionen Kubikfuß) Helium. ^[89]

Kleinere kommerzielle und Freizeitnutzungen

Helium als Atemgas hat keine narkotischen Eigenschaften , daher werden Heliummischungen wie Trimix , Heliox und Heliair zum Tieftauchen verwendet , um die Auswirkungen der Narkose zu verringern, die sich mit zunehmender Tiefe verschlimmern. ^{[152] [153]} Wenn der Druck mit der Tiefe zunimmt, nimmt auch die Dichte des Atemgases zu, und es wurde festgestellt, dass das niedrige Molekulargewicht von Helium den Atemaufwand erheblich verringert, indem die Dichte des Gemisches verringert wird. Dies verringert die Reynolds- Strömungszahl, was zu einer Verringerung der turbulenten Strömung und einer Erhöhung der laminaren Strömung führt , was weniger Atemarbeit erfordert. ^{[154] [155]} In Tiefen unter 150 Metern beginnen Taucher, die Helium-Sauerstoff-Gemische atmen, Zittern und eine Abnahme der psychomotorischen Funktion, Symptome des Hochdruck-Nervensyndroms . ^[156] Diesem Effekt kann bis zu einem gewissen Grad entgegengewirkt werden, indem einem Helium-Sauerstoff-Gemisch eine Menge Betäubungsmittel wie Wasserstoff oder Stickstoff zugesetzt wird. ^[157]

Helium-Neon-Laser , eine Art Gaslaser mit geringer Leistung, der einen roten Strahl erzeugt, hatten verschiedene praktische Anwendungen, darunter Barcodeleser und Laserpointer , bevor sie fast überall durch billigere Diodenlaser ersetzt wurden . ^[24]

Aufgrund seiner Inertheit und hohen Wärmeleitfähigkeit , Neutronentransparenz und weil es unter Reaktorbedingungen keine radioaktiven Isotope bildet, wird Helium in einigen gasgekühlten Kernreaktoren als Wärmeübertragungsmedium verwendet . ^[149]

Helium, gemischt mit einem schwereren Gas wie Xenon, ist aufgrund des daraus resultierenden hohen Wärmekapazitätsverhältnisses und der niedrigen Prandtl-Zahl für die thermoakustische Kühlung nützlich . ^[158] Die Inertheit von Helium hat gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen Umweltvorteile, die zum Ozonabbau oder zur globalen Erwärmung beitragen. ^[159]

Helium wird auch in einigen Festplatten verwendet . ^[160]

Wissenschaftliche Verwendungen

Die Verwendung von Helium verringert die Verzerrungseffekte von Temperaturschwankungen im Abstand zwischen den Linsen in einigen Teleskopen aufgrund seines extrem niedrigen Brechungsindex . ^[26] Diese Methode wird insbesondere bei Solarteleskopen angewendet, bei denen ein vakuumdichtes Teleskoprohr zu schwer wäre. ^{[161] [162]}

Helium ist ein häufig verwendetes Trägergas für die Gaschromatographie .

Das Alter von Gesteinen und Mineralien, die Uran und Thorium enthalten, kann durch Messung des Heliumspiegels mit einem als Heliumdatierung bekannten Prozess geschätzt werden . ^{[24] [26]}

Helium bei niedrigen Temperaturen wird in der Kryotechnik und in bestimmten Kryotechnikanwendungen verwendet. Als Anwendungsbeispiele wird flüssiges Helium verwendet, um bestimmte Metalle auf die für die Supraleitung erforderlichen extrem niedrigen Temperaturen abzukühlen , beispielsweise in supraleitenden Magneten für die Magnetresonanztomographie . Der Large Hadron Collider am CERN verwendet 96 Tonnen flüssiges Helium, um die Temperatur bei 1,9 K (–271,25 ° C; –456,25 ° F) zu halten. ^[163]

Medizinische Anwendungen

Helium wurde im April 2020 in den USA für medizinische Zwecke für Menschen und Tiere zugelassen. ^{[164] [165]}

Heliumverunreinigungen sind zwar chemisch inert, beeinträchtigen jedoch den Betrieb mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), sodass iPhones möglicherweise ausfallen. ^[166]

Auswirkungen

Neutrales Helium ist unter Standardbedingungen nicht toxisch, spielt keine biologische Rolle und kommt in Spuren im menschlichen Blut vor.

Die Schallgeschwindigkeit in Helium ist fast dreimal so hoch wie die Schallgeschwindigkeit in Luft. Da die Eigenresonanzfrequenz eines gasgefüllten Hohlraums proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gas ist, tritt beim Einatmen von Helium ein entsprechender Anstieg der Resonanzfrequenzen des Stimmapparates auf , der der Verstärker des Stimmschalls ist. ^{[24] [167]} Diese Erhöhung der Resonanzfrequenz des Verstärkers (des Vokaltrakts) führt zu einer erhöhten Verstärkung der Hochfrequenzkomponenten der Schallwelle, die durch die direkte Vibration der Stimmlippen erzeugt werden, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Sprachbox ist mit Luft gefüllt. Wenn eine Person nach dem Einatmen von Heliumgas spricht, bewegen sich die Muskeln, die die Sprachbox steuern, immer noch auf die gleiche Weise wie wenn die Sprachbox mit Luft gefüllt ist, daher die Grundfrequenz (manchmal Tonhöhe genannt ), die durch direkte Vibration der Stimmlippen erzeugt wird nicht ändern. ^[168] Die von der Hochfrequenz bevorzugte Verstärkung bewirkt jedoch eine Änderung des Timbres des verstärkten Klangs, was zu einer schilfartigen, entenartigen Stimmqualität führt. Der entgegengesetzte Effekt, die Resonanzfrequenzen zu senken, kann durch Einatmen eines dichten Gases wie Schwefelhexafluorid oder Xenon erzielt werden .

Gefahren

Das Einatmen von Helium kann gefährlich sein, wenn es zu viel ist, da Helium ein einfaches Erstickungsmittel ist und so den für die normale Atmung benötigten Sauerstoff verdrängt. ^{[24] [169]} Todesfälle wurden registriert, darunter ein Jugendlicher, der 2003 in Vancouver erstickte, und zwei Erwachsene, die 2006 in Südflorida erstickten. ^{[170] [171]} 1998 wurde ein australisches Mädchen aus Victoria bewusstlos und drehte sich vorübergehend um blau nach Einatmen des gesamten Inhalts eines Partyballons. ^{[172] [173] [174] Das} Einatmen von Helium direkt aus Druckzylindern oder sogar Ballonfüllventilen ist äußerst gefährlich, da eine hohe Durchflussrate und ein hoher Druck zu Barotrauma führen können , die das Lungengewebe tödlich beschädigen. ^{[169] [175]}

Der durch Helium verursachte Tod ist selten. Der erste von den Medien aufgezeichnete Fall war der eines 15-jährigen Mädchens aus Texas, das 1998 auf einer Party eines Freundes an der Heliuminhalation starb. Die genaue Art des Heliumtodes ist nicht bekannt. ^{[172] [173] [174]}

In den Vereinigten Staaten wurden zwischen 2000 und 2004 nur zwei Todesfälle gemeldet, darunter ein Mann, der 2002 in North Carolina an Barotrauma starb. ^{[170] [175]} Ein Jugendlicher erstickte 2003 in Vancouver und ein 27-jähriger Mann in Australien hatte eine Embolie nach dem Atmen aus einem Zylinder im Jahr 2000. ^[170] Seitdem erstickten 2006 zwei Erwachsene in Südflorida, ^{[170] [171] [176]} und es gab Fälle in den Jahren 2009 und 2010, einer davon ein kalifornischer Jugendlicher gefunden mit einer Tasche über dem Kopf, befestigt an einem Heliumtank, ^[177] und ein anderer Teenager in Nordirland starb an Erstickung. ^[178] In Eagle Point, Oregon, starb 2012 ein junges Mädchen auf einer Party an einem Barotrauma. ^{[179] [180] [181]} Ein Mädchen aus Michigan starb an Hypoxie später im Jahr. ^[182]

Am 4. Februar 2015 wurde bekannt, dass während der Aufnahme ihrer Hauptfernsehshow am 28. Januar ein 12-jähriges Mitglied (Name nicht bekannt) der japanischen All-Girl-Gesangsgruppe 3B Junior an Luftembolie litt , das Bewusstsein verlor und Durch Luftblasen, die den Blutfluss zum Gehirn blockieren , ins Koma fallen , nachdem im Rahmen eines Spiels große Mengen Helium eingeatmet wurden. Der Vorfall wurde erst eine Woche später veröffentlicht. ^{[183] [184]} Die Mitarbeiter von TV Asahi hielten eine Notfallpressekonferenz ab, um mitzuteilen, dass das Mitglied ins Krankenhaus gebracht wurde und Anzeichen einer Rehabilitation wie sich bewegende Augen und Gliedmaßen zeigt, aber ihr Bewusstsein ist noch nicht ausreichend wiederhergestellt. Die Polizei hat wegen Vernachlässigung von Sicherheitsmaßnahmen Ermittlungen eingeleitet. ^{[185] [186]}

Die Sicherheitsprobleme für kryogenes Helium ähneln denen für flüssigen Stickstoff . Die extrem niedrigen Temperaturen können zu Kaltverbrennungen führen , und das Flüssigkeits-Gas-Expansionsverhältnis kann Explosionen verursachen, wenn keine Druckentlastungsvorrichtungen installiert sind. Behälter mit Heliumgas bei 5 bis 10 K sollten aufgrund der schnellen und signifikanten Wärmeausdehnung , die auftritt, wenn Heliumgas bei weniger als 10 K auf Raumtemperatur erwärmt wird, so behandelt werden, als ob sie flüssiges Helium enthalten . ^[89]

Bei hohen Drücken (mehr als etwa 20 atm oder zwei  MPa ) kann eine Mischung aus Helium und Sauerstoff ( Heliox ) zu einem Hochdruck-Nervensyndrom führen , einer Art Umkehranästhesieeffekt. Das Hinzufügen einer kleinen Menge Stickstoff zu der Mischung kann das Problem lindern. ^{[187] [156]}