Energiapédia szócikk találomra
Hélium
A hélium egy színtelen, szagtalan, kémiailag közömbös gáz. A periódusos rendszer második kémiai eleme, a legkisebb rendszámú nemesgáz.
Vegyjele: He
Rendszáma: 2.
A hélium jellemzői:
A hélium a legalacsonyabb forráspontú és a hidrogén után a második leggyakoribb elem a világegyetemben, de a Föld légkörében csak nyomokban fordul elő.
A hélium egyatomos gáz, amely kizárólag nagy nyomáson szilárdul meg, közben sűrűsége jelentősen megnő. 4,21 kelvines forráspontja alatt, de a lambda pontnak nevezett 2,1768 kelvin fölött a hélium 4 izotóp normális folyékony állapotban van. Ezt hélium I-nek neveznek. A lambda pont alatt szuperfolyékonnyá válik. Olyan lesz, mintha nem hatna rá a gravitáció.
- Atomtömege: 4,002 602(2) g/mol
- Elektronszerkezete: 1s2
- Elektronok héjanként: 2
- Halmazállapota: (0 °C, 101,325 kPa) ; 0,1786 g/L ; 0,95 K
- Olvadáspontja: -272,2 °C, -458,0 °F 2,5 MPa nyomáson
- Forráspontja: 4,22 K ; (-268,93 °C, -452,07 °F)
- Olvadáshője: 0,0138 kj/mol
- Párolgáshője: 0,0829 kj/mol
- Kritikus nyomás: 0,227 MPa
- Kritikus hőmérséklet: 5, 19 K (-267,81 °C)
A hélium történetem, felfedezése:
Az 1970-es évek elején főként csillagász kutatók, akik színképelemzéssel foglalkoztak, jutottak arra a következtetésre, hogy a kromoszférának (ami a Nap külső pereme)és más égitesteknek a színképe az addig ismeretlen és elemi jellegű anyag meglétére utal.
A Francia Akadémia megbízásában álló Pierre Janssen, francia csillagász 1868. augusztus 18-án Gunturban figyelte meg az indiai napfogyatkozást, ahol a héliumra utaló jeleket fedezett fel. A Nap látható maradt részének emissziós színképét vizsgálta spektroszkóppal. Ő fedezte fel a hélium-színképvonalat. A színkép fényes vonalakból áll, legfényesebb a Fraunhofer féle C- és F- vonalak, vagyis a hidrogén vonalai. ezek mellett vett észre egy fényes sárga vonalat körülbelül a nátrium D vonalainak helyén.
Dolgozni kezdett a spektroheliszkóp létrehozásán, mellyel akár fényes nappal is megfigyelhetővé vált a kromoszféra.
Néhány hónappal később Normann Lockyer brit csillagász is észlelte ezt a sárga vonalat a Nap kromoszférájának színképében.
Mindketten beszámoltak a Francia Akadémiának, akik a hatalmas eredmény eléréséért emlékérmet verettek mindkettőjük képével. Ez az elismerés azonban inkább a spektrohelioszkóp felfedezésének szólt, nem pedig a héliumnak.
A hélium vonalat P. A. Secchi olasz csillagász elnevezte „új D-vonalnak”, vagyis D3 vonalnak.
A vonalat megtalálták más égitestek színképében is. Emissziós vonalként például Alfred Cornu megtalálta a Hattyú csillagkép egyik csillagában 1876-ban; 1888-ban Ralph Copeland pedig az Orion-köd színképében, 1894-ben James E. Keeler az Orion csillagkép Bétájának spektrumában; valamint ugyanő abszorbciós (sötét) vonalként az Orion egy másik csillagának színképében, mások abszorbciós vonalként egyes Wolf–Rayet csillagok, továbbá emissziós és abszorbciós vonalként egyaránt a Lant csillagkép Bétájának színképében.
Lockyer már 1868. november 15-én tudta, hogy a D3 vonal nem azonos a nátrium D vonalával, anyaga különbözik a nátriumtól, de még nem volt biztos benne, hogy ez egy új elem. Sokáig a hidrogén egy különleges formájának tulajdonította. Edward Frankland, a nagy tudományos tekintéllyel rendelkező vegyész, hajlandó volt segíteni neki, többek között Lockyer rendelkezésére bocsátotta vegyi laboratóriumát és asszisztenseit, hogy segítse spektroszkópiai kutatásait, és azzal foglalkoztak, hogy különféle gázmintákat tettek ki a legkülönfélébb nyomás- és hőmérsékletviszonyoknak, majd spektrogrammot készítettek.
1970-es években merülhetett fel Lockyerben, hogy ez egy új elem, de Frankland kételkedett ebben. Lord Kelvin a Brit Királyi Társaság egyik 1871-es ülésén beszélt Lockyer és Frankland hélium-hipotéziséről. Ez egyben a „hélium” szó első ismert és bizonyítható nyilvános említése. A vegyészek azonban még mindig kételkedtek a hélium létezésében.
A földön Luigi Palmieri, olasz meteorológus 1882-ben a Vezúvon héliumot mutatott ki a vulkán lávájából, ami arra utalt, hogy az elem a földön is létezik, de a felfedezést kételyek fogadták, így nem foglalkozott tovább vele.
A 1890-ben W. F. Hillebrand állított elő először héliumot vákuumban történő kénsavas melegítéssel uránércekből, de tévedésből a gázt tiszta nitrogénnek minősítette.
Így az első előállítás WWilliam Ramsay, brit vegyész nevéhez fűződik 1895-ben, aki szintén uránszurokérc egy fajtájából, a cleveit-mintából állított elő gázt, ásványi savas vákuumos melegítéssel. Oxigén hozzáadásával eltávolította belőle a nitrogént, majd elektromos szikrák segítségével állandósította a térfogatát. Ezután tömény kálium-hidroxid oldatba vezette és felfogta a keletkezett nitrogén-oxidot, illetve a többi nitrogénvegyületeket. Az így keletkezett és tisztított gázt Lockyer és William Crookes azonosította héliumként, miután spektroszkóppal megvizsgálták. Hillebrand az új elem felfedezéséről értesülve, levélben gratulált Ramsay-nek a sikeres kísérletért. Tőlük függetlenül Per Teodor Cleve és N. A. Langlet svéd kémikusoknak is sikerült nyers uránércből kivonnia héliumot Uppsalában, sőt sikerült akkora mennyiséget előállítaniuk a gázból, hogy az atomtömegét is meghatározhatták.
Így a ’90-es években már földi körülmények között állítottak elő héliumot. A 20. században egyértelművé vált, hogy ez egy közönséges elem a Világegyetemben, ugyanis a csillagokat működtető kémiai reakció egyik végterméke. Különleges tulajdonsága, hogy szuperfolyékony. Fontos szerepe van az atomfizikában és a kozmológiában.
További vizsgálatok kiderítették, hogy a hélium homogén vegyület és egyatomos gázmolekulákból áll, valamint igen passzív kémiailag. A héliummal ugyanis nem reagálnak a következő elemek: Na, Si, Be, Zn, Cd, B, Y, Tl, Ti, Th, Sn, Pb, P, As, Sb, Bi, Se, S, U, Co, Cl, Pt
1905-ben Hamilton Cady és David McFarland amerikai vegyészek felfedezték, hogy a hélium földgázból is kivonható.
1907-ben Ernest Rutherford és Thomas Royds bebzonyította, hogy a radioaktív bomlás alfa-részecskéje megegyezik a hélium atommagjával.
A hélium cseppfolyósítása egy holland tudós nevéhez fűződik. Heike KKamerlingh Onnes 1908-ban 1 K alá tudta hűteni a gázt.
1926-ban Willem Hendrik Keesom szilárd halmazállapotú héliumot állított elő.
1938-ban Pjotr Leonyidovics Kapica orosz fizikus megfigyelte, hogy a hélium-4 viszkozitása (belső súrlódása) az abszolút nulla fok közelében szinte nullára csökken – ez a jelenség a szuperfolyékonyság.
A hélium felhasználása:
Kereskedelemben kapható a nagy nyomás alatt tárolt, földgázból kivont hélium.
- léghajók, léggömbök töltőanyaga (könnyebb a levegőnél)
- mélytengeri búvárok légzőberendezéseiben nitrogén, hélium és oxigén keveréke, úgynevezett trimix található
- MRI berendezéseknél, nukleáris reaktorok, szupravezető mágnesek és a kriogenika hűtőanyaga.
- Kémiai közömbössége miatt védőgázként használják szilícium- és germániumkristályok növesztésekor, a titán- és cirkónium-kitermelésben, ívhegesztéskor és a gázkromatográfiában.
- túlnyomás eléréséhez használják a folyékony üzemanyagú rakétákban
- szuperszonikus sebességű légcsatornákban
- fénycső töltőgázaként
- szivárgás tesztelésére például üzemanyagszivattyúknál
- élelmiszerek konzerválására
Érdekessége, hogy cseppfolyós állapotban erősen felkeverve akár egy hónapig is mozgásban tud lenni a kicsi viszkozitása miatt.