Helium – Egenskaber, isotoper og anvendelser af ædelgassen
Lær alt om helium: egenskaber, isotoper (3He, 4He), sikker brug og industrielle anvendelser af ædelgassen – fra balloner til højteknologi.
Helium er et kemisk grundstof. Det har det kemiske symbol He, atomnummer 2 og en atomvægt på ca. 4,002602. Der findes 9 isotoper af helium, hvoraf kun to er stabile: 3He og 4He. 4He er langt den mest almindelige isotop.
Fysiske og kemiske egenskaber
Helium tilhører gruppen af ædelgasser og er kemisk meget inert; det reagerer normalt ikke med andre stoffer under almindelige betingelser. Det er farveløst og lugtfrit, har den laveste kogepunkt af alle grundstofferne (kondenserer til væske ved cirka 4,2 K eller −268,95 °C ved 1 atm) og forbliver gasformigt ved atmosfærisk tryk ned til meget lave temperaturer. Ved endnu lavere temperaturer optræder unikke fænomener: flydende 4He bliver superflydende under lambda-punktet ved omkring 2,17 K. 3He har også superfluiditetsfænomener, men ved langt lavere temperaturer og med andre kvantemekaniske egenskaber (3He er en fermion, 4He er en boson).
Isotoper og dannelse
Udover de to stabile isotoper findes flere radioaktive isotoper af helium, men de har meget korte halveringstider. 4He dannes i stort omfang ved kernefusion i stjerner, når brint fusionerer til helium. På Jorden dannes helium hovedsageligt ved naturligt radioaktivt henfald af tunge grundstoffer som thorium og uran. De partikler, der udsendes ved mange former for radioaktivt henfald — de såkaldte alfapartikler — er i praksis 4He-kerner.
Forekomst
Helium er det næstmest almindelige grundstof i universet efter brint, men det er relativt sjældent i Jordens atmosfære. Den lave masse gør, at helium let undslipper jordens tyngdefelt, så de komet- og stjerneprocesser, der dannede helium i kosmisk skala, ikke førte til høje koncentrationer her på Jorden. De forekomster af helium, som udvindes kommercielt, findes især i naturgasfelter, hvor helium er fanget sammen med andre gasser og kan separeres.
Anvendelser
- Fyldning af balloner og luftskibe — helium har lavere massefylde end almindelig luft, og det er ikke brændbart, hvilket gør det sikrere end brint til løftformål.
- Kryogenik — flydende helium leverer ekstremt lave temperaturer (omkring 4,2 K) og bruges til at køle superconducting magneter, f.eks. i MRI-scannere og partikelacceleratorer.
- Laboratorie- og industrigasser — helium anvendes som bærer- eller beskyttelsesgas i gaschromatografi, svetsning (ofte i blanding med argon), og som tryk- og skyllegas ved fremstilling og test af følsomme systemer.
- Lækagedetektion — på grund af sin lille atomstørrelse og inerti er helium velegnet til at finde lækager i beholdere og rør.
- Dykning — heliox- og trimix-blandinger (helium med ilt og ofte nitrogen) bruges ved tekniske og dybe dyk for at reducere nitrogennarkose og andre dykkersyger.
- Elektriske og optiske apparater — helium anvendes i visse typer af pærer og elektronstrålerør samt i forskningssammenhænge, hvor inert atmosfære er nødvendig.
- Forskning i lavtemperaturfysik — især 3He og 4He er centrale i eksperimenter, der studerer kvantemekanik ved ekstremt lave temperaturer.
Sikkerhed og sundhed
Helium er ikke giftigt og brænder ikke. Alligevel kan inhalation være farligt: hvis man indånder helium i stedet for normal luft, kan det føre til hypoxi (iltmangel), som kan forårsage bevidstløshed eller i værste fald død. Mange kender den kortvarige og harmløse effekt, at stemmen lyder højere og lysere efter indånding af helium (stemmer ændres), men det er en risikabel prank, og gentagen eller langvarig eksponering kan skade stemmebåndene eller føre til alvorlige helbredsskader. Højt tryk fra flasker kan også medføre mekaniske skader eller i sjældne tilfælde luftemboli, så håndtering af komprimeret helium skal ske forsvarligt.
Ressourcer og fremtid
Helium betragtes i flere sammenhænge som en begrænset ressource, fordi det ikke nemt kan genproduceres og store reserver kun findes i visse naturgasfelter. Dette har ført til fokus på genbrug af helium især i industrien med store kølesystemer og på mere effektiv udvinding og lagring. Flere lande har udviklet nationale reserver og strategier for at sikre tilgængelighed til kritiske anvendelser.
Historie
Heliums tilstedeværelse i Solens spektrum blev opdaget af astronomer i 1868; spektrallinjerne blev identificeret i lyset fra Solen, og gassen blev deraf opkaldt efter solguden Helios. Først senere — i 1895 — blev helium isoleret og identificeret på Jorden.
Samlet set er helium et unikt grundstof med vigtige industrielle, medicinske og videnskabelige anvendelser, men dets knappe forekomst på Jorden gør ansvarlig udnyttelse og genbrug til nøglepunkter for fremtiden.
Fordi det er meget let, er helium den foretrukne gas til at fylde luftskibe som Goodyear-luftskibet.
Historie
Helium blev opdaget af den franske astronom Pierre Janssen den 18. august 1868 som en lysende gul linje i spektret i Solens kromosfære. Man troede, at linjen var natrium. Samme år observerede den engelske astronom Norman Lockyer den også og fandt ud af, at den skyldtes et nyt grundstof. Lockyer og den engelske kemiker Edward Frankland gav grundstoffet navnet helium, der stammer fra det græske ord for solen, ἥλιος (helios).
Egenskaber
Helium er den næst mindst reaktive ædelgas efter neon. Det er det næst mindst reaktive af alle grundstoffer. Det er kemisk inert og monatomisk under alle standardbetingelser. Helium er den mindst vandopløselige monatomiske gas.
Bruger
Helium bruges som beskyttelsesgas ved dyrkning af silicium- og germaniumkrystaller, ved fremstilling af titanium og zirconium og i gaskromatografi, fordi det er inert. Helium anvendes som beskyttelsesgas ved lysbuesvejsning.
Helium blandes med ilt og andre gasser til dybdedykning under vandet, fordi det ikke forårsager nitrogennarkose.
Helium bruges også til at kondensere brint og ilt til at fremstille raketbrændstof. Det bruges til at fjerne brændstof og oxidationsmiddel fra udstyr på jorden, inden raketten opsendes. Det bruges til at afkøle flydende brint i rumfartøjer inden raketaffyring.
Helium anvendes som varmeoverføringsmedium i nogle atomreaktorer, der køles ned med gas. Helium anvendes også i nogle harddiske. Helium ved lave temperaturer anvendes i kryogenik.
Forsyning
Helium er blevet sjældent på Jorden. Hvis det kommer frit ud i luften, forlader det planeten. I modsætning til brint, som reagerer med ilt for at danne vand, er helium ikke reaktivt. Det forbliver som en gas. I mange år efter Helium Act fra 1925 samlede USA helium i en national heliumreserve. Amerikansk helium kommer fra brønde i Great Plains-området. I øjeblikket leveres mere helium fra Qatar end fra USA.
Flere forskningsorganisationer har udsendt erklæringer om knaphed og bevarelse af helium. Disse organisationer udsendte politiske anbefalinger så tidligt som i 1995 og så sent som i 2016, hvori de opfordrede den amerikanske regering til at lagre og bevare helium på grund af de naturlige begrænsninger i heliumforsyningen og grundstoffets unikke karakter. For forskere er helium uerstatteligt, fordi det er afgørende for at kunne producere meget lave temperaturer. Helium ved lave temperaturer anvendes i kryogenikken og i visse kryogeniske anvendelser. Flydende helium bruges til at afkøle visse metaller til de ekstremt lave temperaturer, der kræves for at opnå superledelse, f.eks. i superledende magneter til magnetisk resonansafbildning.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er det kemiske symbol for helium?
A: Det kemiske symbol for helium er He.
Spørgsmål: Hvor mange isotoper af helium findes der?
A: Der findes 9 isotoper af helium, hvoraf kun to er stabile.
Spørgsmål: Hvad gør helium til en ædelgas?
Svar: Helium kaldes en ædelgas, fordi det ikke regelmæssigt blandes med andre kemikalier og danner nye forbindelser.
Spørgsmål: Hvilken farve og lugt har helium?
Svar: Helium har ingen farve eller lugt. Men når det anbringes i et elektrisk felt, har det et rød-orange skær.
Spørgsmål: Hvornår blev tilstedeværelsen af helium først opdaget af astronomer?
Svar: Astronomer opdagede først tilstedeværelsen af helium i 1868, da dets spektrum blev identificeret i lyset fra Solen. Det var før, det blev opdaget på Jorden.
Sp: Hvilke anvendelsesmuligheder har helium på Jorden?
A: På Jorden bruges helium til at fylde balloner og luftskibe, fordi det er lettere end luft, og i nogle typer pærer. Det kan også indåndes, men det kan være farligt, hvis man indånder for meget, da det kan forårsage hypoxi, som kan skade eller dræbe en person, der ikke indånder normal luft, og langtidsvirkninger på stemmebåndene.
Sp: Hvordan skabes helium naturligt på jorden?
A: På Jorden fremstilles helium ved det naturlige radioaktive henfald af tunge radioaktive grundstoffer som thorium og uran, men der findes også andre eksempler. De alfapartikler, der udsendes ved sådanne henfald, består af helium-4-kerner.
Søge