Helium: egenskaper, isotoper, användningar och förekomst i universum
Upptäck helium: dess egenskaper, isotoper, användningar och förekomst i universum — från stjärnfusion till ballonger, säkerhet och viktiga industriella tillämpningar.
Helium är ett kemiskt grundämne med den kemiska symbolen He, atomnummer 2 och en atomvikt på cirka 4,002602. Det finns nio isotoper av helium, varav endast två är stabila: 3He och 4He. 4He är den överlägset vanligaste isotopen.
Allmänna egenskaper
Helium är en ädelgas och reagerar i normalfallet inte med andra ämnen. Det är färglöst, luktfritt och icke-brännbart. Bland de särskilda fysikaliska egenskaperna kan nämnas att helium har den lägsta kokpunkten av alla grundämnen: vid normalt lufttryck blir helium flytande vid cirka 4,2 K. För att få helium i fast form krävs mycket låga temperaturer och högt tryck. I elektriska urladdningar avger helium ett rödorange sken.
- Densitet: betydligt lägre än luft, därför används helium för upplyft i ballonger och luftskepp.
- Elektronkonfiguration: två elektroner i K-skalet, vilket gör atomen mycket stabil och inert.
- Kryogeniska egenskaper: flytande helium används för att nå mycket låga temperaturer i vetenskapliga och tekniska tillämpningar.
Isotoper och kvantfenomen
Av de nio kända isotoperna är 3He och 4He stabila. 4He, som dominerar naturen, är en boson och visar kvantmekaniska effekter som superfluiditet under cirka 2,17 K (lambda-punkten). 3He är en fermion och kan också bli superfluid, men endast vid mycket lägre temperaturer (milli-Kelvin-området) genom parbildning.
3He är ovanligt på jorden och efterfrågas i specialiserade sammanhang som neutronavkänning, lågtemperaturfysik och vissa kvanttekniska forskningsfält. 4He uppstår bland annat som alfapartiklar vid radioaktivt sönderfall.
Förekomst och bildning
Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum, efter väte. I stjärnor, inklusive vår sol, bildas helium genom kärnfusion när väteatomer slås samman. Astronomer upptäckte helium 1868 genom dess spektrallinjer i solens ljus — upptäckten föregick dess identifiering på jorden.
På jorden bildas helium framför allt genom det naturliga radioaktiva sönderfallet av tunga grundämnen som torium och uran. De alfastrålar (helium-4-kärnor) som avges kan senare fånga elektroner och bli neutrala heliumatomer. Eftersom helium är lätt och inert kan det över geologiska tidsskalor diffundera och samlas i porösa berglager och naturgasfält, där det utvinns kommersiellt.
Användningsområden
Helium har många viktiga och varierade användningar:
- Fyllning av ballonger och luftskepp tack vare sin låga densitet och icke-brännbara natur.
- Kryogenik: flytande helium används för att kyla supraledande magneter i t.ex. MRI-maskiner och partikelacceleratorer.
- Vetenskaplig forskning: extremt låga temperaturer för lågtemperaturfysik, studier av superfluiditet och kvantfenomen.
- Elektronik- och halvledarindustri: inert skyddsgas vid tillverkning och för att kyla utrustning.
- Dykning: blandningar som heliox (helium + syre) används vid djupa dyk för att minska kvävenarkos.
- Instrument och detektering: neutronavkänning och gaskromatografi (som bärare) samt läckdetektion tack vare heliumets små atomstorlek.
Säkerhet och hantering
Helium är kemiskt ofarligt och icke-brännbart, men kan vara farligt vid felaktig användning. Att andas in helium ändrar tillfälligt röstens klang eftersom ljudets hastighet i helium är högre än i luft, men det är ett riskabelt skämt: inandning av rent helium kan orsaka hypoxi (syrebrist) och leda till skador eller dödsfall om normal luft inte återandas. Långvarig exponering i extrema situationer kan också påverka stämbanden. Vid hantering av flytande helium krävs skyddsutrustning för kylda medier och försiktighet med högtrycksflaskor.
Upptäckt och namn
Heliums spektrallinje upptäcktes i solens ljus 1868, av astronomer som observerade en tidigare okänd linje — därför gavs ämnet namnet från grekiskans helios (sol). Det upptäcktes senare på jorden när William Ramsay och andra isolerade helium från mineraler i slutet av 1800-talet.
Ekonomi, tillgång och miljö
Jordens heliumresurser är begränsade och utvinns främst som biprodukt vid utvinning av naturgas. Eftersom helium stiger och inte binds i kemiska föreningar är det i praktiken en icke-förnybar resurs på mänskliga tidsskalor. Perioder av brist och prisfluktuationer har lett till ökade ansträngningar att återvinna och återanvända helium, särskilt i industriella och medicinska applikationer.
Sammanfattningsvis är helium ett fundamentalt och mångsidigt grundämne: det är kosmiskt vanligt, kemiskt inert, avgörande för lågtemperaturteknik och medicinsk bilddiagnostik, men på jorden en värdefull och relativt knapp resurs som kräver varsam förvaltning.
Eftersom den är mycket lätt är helium den gas som används för att fylla luftskepp som Goodyear-luftskeppet.
Historia
Helium upptäcktes av den franske astronomen Pierre Janssen den 18 augusti 1868 som en ljusgul linje i spektrumet i solens kromosfär. Man trodde att linjen var natrium. Samma år observerade även den engelske astronomen Norman Lockyer den och fann att den orsakades av ett nytt grundämne. Lockyer och den engelske kemisten Edward Frankland namngav grundämnet helium, från det grekiska ordet för solen, ἥλιος (helios).
Egenskaper
Helium är den näst minst reaktiva ädelgasen efter neon. Den är den näst minst reaktiva av alla grundämnen. Den är kemiskt inert och enatomig under alla standardförhållanden. Helium är den minst vattenlösliga monatomiska gasen.
Använder
Helium används som skyddsgas vid odling av kisel- och germaniumkristaller, vid framställning av titan och zirkonium samt vid gaskromatografi, eftersom det är inert. Helium används som skyddsgas vid bågsvetsning.
Helium blandas med syre och andra gaser vid djupdykning eftersom det inte orsakar kvävenarkos.
Helium används också för att kondensera väte och syre för att göra raketbränsle. Det används för att avlägsna bränsle och oxidationsmedel från markstödsutrustning innan raketen startar. Det används för att kyla flytande väte i rymdfarkoster före raketuppskjutning.
Helium används som värmeöverföringsmedium i vissa kärnreaktorer som kyls ned med gas. Helium används också i vissa hårddiskar. Helium vid låga temperaturer används i kryoteknik.
Leverans
Helium har blivit sällsynt på jorden. Om det kommer ut i luften lämnar det planeten. Till skillnad från väte, som reagerar med syre för att bilda vatten, är helium inte reaktivt. Det förblir som en gas. Under många år efter 1925 års heliumlag samlade USA helium i en nationell heliumreserv. Amerikanskt helium kommer från brunnar i Great Plains-området. För närvarande levereras mer helium från Qatar än från USA.
Flera forskningsorganisationer har gjort uttalanden om bristen och bevarandet av helium. Dessa organisationer utfärdade policyrekommendationer så tidigt som 1995 och så sent som 2016 och uppmanade USA:s regering att lagra och bevara helium på grund av de naturliga gränserna för heliumtillgången och grundämnets unika karaktär. För forskare är helium oersättligt eftersom det är nödvändigt för att producera mycket låga temperaturer. Helium vid låga temperaturer används i kryogenik och i vissa kryogeniska tillämpningar. Flytande helium används för att kyla vissa metaller till de extremt låga temperaturer som krävs för supraledning, t.ex. i supraledande magneter för magnetisk resonansavbildning.
Frågor och svar
F: Vad är den kemiska symbolen för helium?
S: Den kemiska symbolen för helium är He.
F: Hur många isotoper av helium finns det?
S: Det finns nio isotoper av helium, varav endast två är stabila.
Fråga: Vad gör helium till en ädelgas?
Svar: Helium kallas en ädelgas eftersom den inte regelbundet blandas med andra kemikalier och bildar nya föreningar.
Fråga: Vilken färg och lukt har helium?
S: Helium har ingen färg eller lukt. När det placeras i ett elektriskt fält får det dock ett röd-orange sken.
Fråga: När upptäcktes förekomsten av helium för första gången av astronomer?
Svar: Astronomer upptäckte först förekomsten av helium 1868 när dess spektrum identifierades i ljuset från solen. Detta var innan det upptäcktes på jorden.
F: Vilka användningsområden har helium på jorden?
S: På jorden används helium för att fylla ballonger och luftskepp på grund av dess lägre densitet än luft, samt i vissa typer av glödlampor. Det kan också andas in, men det kan vara farligt om man andas in för mycket, eftersom det kan orsaka hypoxi som kan skada eller döda någon som inte andas in normal luft och långtidseffekter på stämbanden.
F: Hur skapas helium naturligt på jorden?
S: På jorden tillverkas helium genom det naturliga radioaktiva sönderfallet av tunga radioaktiva grundämnen som torium och uran, även om det finns andra exempel. De alfapartiklar som avges vid sådana sönderfall består av helium-4-kärnor.
Sök