Helium

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Helium
He-TableImage.svg
Basisdata
Navn Helium
Symbol He
Atomnummer 2
Utseende fargeløs
Plass i periodesystemet
Gruppe 18
Periode 1
Blokk s
Kjemisk serie edelgass
Atomegenskaper
Atomvekt 4,002602 u
Empirisk atomradius 128 pm
Kalkulert atomradius 31 pm
Kovalent atomradius 32 pm
Elektronkonfigurasjon 1s2
Elektroner per energinivå 2
Oksidasjonstilstander 0
Krystallstruktur tettpakket kubisk
Fysiske egenskaper
Stofftilstand gass
Smeltepunkt -272,2 °C
Kokepunkt -268,93 °C
Molart volum 2,1·10-5 /mol
Tetthet 0,1785 kg/m³
Hardhet MV
Kritisk temperatur -267,96 °C
Kritisk trykk MV
Kritisk tetthet MV
Fordampningsvarme 0,0845 kJ/mol
Smeltevarme 5,23 kJ/mol
Damptrykk MV
Lydfart 970 m/s ved 293,15 K
Diverse
Spesifikk varmekapasitet 5 193 J/(kg·K)
Elektrisk ledningsevne 0 S/m
Termisk ledningsevne 0,152 W/(m·K)
Første ionisasjonspotensiale 2 372,3 kJ/mol
Andre ionisasjonspotensiale 5 250,5 kJ/mol

SI-enheter & STP er brukt, hvis ikke annet er nevnt. MV = Manglende verdi – legg gjerne inn.

Helium er et grunnstoff med atomnummer 2, og kjemisk symbol He.

Historie[rediger | rediger kilde]

Vitenskapelig oppdagelse[rediger | rediger kilde]

Spektrallinje av helium.

Første gang «spor» av helium ble observert var 18. august 1868 i byen Guntur i India. Det var den franske astronomen Pierre Janssen som under en total solformørkelse oppdaget en klar gul spektrallinje med bølgelengde 587.49 nanometer i emisjonspekteret fra solens kromosfære. Den gang regnet man med at det var fra grunnstoffet natrium.

Den 20. oktober same år oppdaget den engelske astronomen Norman Lockyer en gul linje i solens emisjonspekter, som han kalte Fraunhoferlinje D3 fordi denne lå tett opp til linje D1 og D2 i natriums emisjonsspekter. Han konkluderte med at linjen skyldes et grunnstoff i solen som var ukjent på jorden. Lockyer og den engelske kjemikeren Edward Frankland ga grunnstoffet navnet etter det greske navnet på sol, ἥλιος (helios), som i følge gresk mytologi kjørte solvognen over himmelen.[1]

Den italienske fysikeren Luigi Palmieri oppdaget for første gang helium på jorden i 1882, gjennom D3 spektrallinjen når han studerte lavaen fra Vesuv.

William Ramsay, oppdageren av helium på jorden.

Den 26. mars 1895 lyktes den skotske kjemikeren William Ramsey å utvinne helium på jorden ved å behandle mineralet cleveitt (en variant av bekblende som inneholder minst 10 % sjeldne jordarter) med mineralsyre. Ramsey så etter argon, men etter å ha separert oksygen og nitrogen fra gassen med svovelsyre, så han en klar gul spektrallinje som stemte med D3 linjen som var observert tidligere i solens kromosfære. Denne gassprøven ble indentifisert som helium av Lockyer og den britiske fysikeren William Crookes.

Uavhengig av hverandre samme år klarte kjemikerene Per Teodor Cleve og Abraham Langlet å isolere gassen fra cleveitt i Uppsala i Sverige. Langlet samlet så mye gass at han kunne måle nøyaktig atomvekten til helium. Helium ble også observert før Ramsey oppdaget helium av den amerikanske geokjemikeren William Francis Hillebrand da han analyserte prøver fra cleveitt. Han kunne se noen uvanlige spektrallinjer, men han konkluderte feil med at det var nitrogen han hadde sett. Hillebrand sende et gratulasjons-brev til Ramsey etter han hadde oppdaget hva gassen var.

I årene 1899 og 1900 arbeidet fysikerne Ernest Rutherford og Paul Villard med å separere ulike strålinger til tre forskjellige typer: alfa, beta og gamma. Rutherford hadde en hypotese der han tenkte at alfapartikkelen besto av 2 ladete helium ioner. I 1907 påviste Ernest Rutherford og Thomas Royds, at alfapartikkel er helium kjerne, ved å stråle partiklene inn i en tynn-vegget lufttom glassbeholder, for så å undersøke den fangete gassen ved å sende elektriske ladninger gjennom glassbeholderen og studere emisjonspekteret til den nylig fangete gassen.

Ved å kjøle ned helium til mindre enn 1 kelvin klarte den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes i 1908 å få helium til flytende væske. Han prøvde videre å få helium i fast fase ved å fryse helium ytterligere ned, men klarte det ikke fordi helium ikke har trippelpunkt. En av studentene til Onnes, Willem Hendrik Keesom klarte i 1926 å få 1 cm3 helium i fast form ved å påføre ekstra trykk.

Den russiske fysikeren Pjotr Leonidovitch Kapitsa oppdaget at helium-4 har nesten ingen viskositet nær det absolutte nullpunktet, et fenomen vi i dag kaller superfluid. Dette fenomenet er relatert til Bose-Einstein-kondensasjon. I 1972 ble det samme fenomenet observert med helium-3, men da med temperaturer mye nærmere det absolutte nullpunktet av de amerikanske fysikerene Douglas Dean Osheroff, David Morris Lee og Robert Coleman Richardson.

Utvinning og bruk[rediger | rediger kilde]

Etter en oljeboring i Dexter, Kansas i USA ble det utvinnet en gass som ikke kunne brenne. Kansas stats geolog Erasmus Haworth tok ut en prøve av gassen fra feltet som han tok med seg til universitetet i Kansas ved Lawrence, der sammen med kjemikeren Hamilton Cady og David McFarland, kunne de konstatere at gassen besto av 72% nitrogen, 15% metan, 1% hydrogen og 12% uidentifisert gass. Videre analyse av gassen viste at 1,84% av gassprøven var helium. Dette viste at til tross for helium er sjelden på jorden så var det store mengder å finne av gassen i undergrunnen på Great Plains i USA.

Dette satte USA i stand til å bli verdensledende leverandør av helium. Tre helium produksjonsanlegg ble bygget av United States Navy under den første verdenskrig etter forslag fra Sir Richard Threlfall, for å bruke en ikke brennbar gass til sperreballonger. Totalt ble det fremstilt 5700 kubikkmeter 92% ren helium i disse produksjonsanleggene mot bare mindre en 1 kubikkmeter før programmet startet. Noe av denne gassen ble brukt i verdens første helium fylte luftskip C-7 som fløy sin jomfrutur fra Hampton Roads i Virginia til Bolling Field i Washington, D.C. den 1. december 1921.

Faser og egenskaper[rediger | rediger kilde]

Neonlysrør fylt med helium.

Ved romtemperatur er helium en gass. Kokepunkt er på -268.92°C (4,22 K) og helium er eneste grunnstoff som forblir flytende til 0 K. I universet er helium det nest mest vanlige grunnstoffet (etter hydrogen). Etter big bang var det dannet omtrent 24 vektprosent Helium, 75 % Hydrogen, og små mengder andre lette grunnstoffer. Det dannes stadig helium fra hydrogen i stjerner, og ved radioaktiv nedbrytning ved kjernereaksjoner, men balansen har totalt ikke endret seg mye.

Helium er en lett edelgass med en rekke interessante egenskaper:

  • Det er det nest letteste grunnstoffet
  • Helium er elektrisk isolerende, men ionisert Helium i plasma har meget høy elektrisk ledningsevne
  • Det er den mest inerte edelgassen og dermed det minst reaktive grunnstoffet, Helium er enatomisk (monoatmisk) under nesten alle forhold og danner bare ustabile forbindelser med noen andre atomer i glødende plasma (plasma som varmes av elektrisk strøm)
  • Helium har høyere lydhastighet enn luft.
  • Helium har lavere tetthet enn luft. Dette høres tydelig når f.eks helium brukes som blandegass i pustegass ved dypdykk som såkalt «donaldstemme».
  • Helium har stor termiske ledningsevne og høy varmekapasitet, og den kan derfor brukes som kjølemiddel i luftkjølt utstyr med høy ytelse.
  • Den har høyere diffusjonsrate gjennom fast stoff enn de fleste andre gasser, tre ganger luft, men 65% av hydrogen.
  • Den har lavest løselighet i vann av alle gasser
  • Ulikt andre grunnstoffer forblir helium i væskeform ned til det absolutte nullpunkt. Det kreves et trykk på 2,5 MPa (ca. 25 bar) ved 1-1,5 K for å få Helium i fast form.

Under det såkalte lambdapunktet ved 2.1768K er flytende Helium i Helium I tilstand over til helium II tilstand. I denne tilstanden er Helium superflytende og har flere merkelige egenskaper på grunn av kvantemekaniske forhold. Det har en termisk ledningsevne over alle andre stoff, f.eks flere hundre ganger kobber. Det kan derfor ikke koke, isteden fordamper He II tilstand direkte til gass. Den har tilsynelatende null viskositet i tynne kapillærrør, og vil derfor kunne lekke gjennom selv meget små åpninger. Det dannes en overflatefilm på ca. 30 nm tykkelse som vil krype ut av for eksempel beholdere. Om man lot en skål flyte på Helium II ville helium krype opp over kanten inn i skålen og raskt fylle den.

Isotoper[rediger | rediger kilde]

Naturlig forekommende helium består av 2 stabile isotoper: 3He (0,000137 %) og 4He (99,999863 %). I tillegg er 6 ustabile (og dermed radioaktive) isotoper kjent. De mest stabile av disse er 6He med halveringstid 806,7 ms og 8He med halveringstid 119,0 ms. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 1 nanosekund.[2]

CAS-nummer: 7440-59-7

Helium-fylt værballong

Bruk og misbruk[rediger | rediger kilde]

Helium brukes i ballonger fordi det gir god oppdrift. Hydrogen er billigere og gir litt bedre oppdrift enn helium, men på grunn av eksplosjonsfaren er den langt farligere å bruke. Helium er en edelgass og er derfor ikke reaktiv.

Ved langvarige og/eller dype dykk brukes ofte en gassblanding med oksygen og helium som pustegass. Den lave tettheten gjør at et åndedrag med helium gir en fordreid stemme. Denne «Donald Duck-effekten» har ført til at enkelte bruker gassen til underholdning.

Å puste inn helium er meget risikabelt. Hvis du puster inn en gass som ikke inneholder oksygen, ventilerer du meget raskt ut det oksygenet som er i lunger og blodbane og oksygenmetningen i blodet faller umiddelbart. Resultatet kan etter svært kort tid bli besvimelse på grunn av oksygenmangel. Hjerterytmen kan også forstyrres og det er ikke alltid at åndedrettet starter igjen av seg selv i slike tilfeller. Hvis det ikke er noen i nærheten som forstår hva som er i ferd med å skje, og umiddelbart setter igang med livredning, kan denne «selskapsleken» fort bli fatal. Man skal derfor aldri puste inn en gass som ikke inneholder oksygen – selv ikke bare bitte lite grann.

Fusjon[rediger | rediger kilde]

Når fire hydrogenatomer smeltes sammen ved kjernefysisk fusjon dannes det et heliumatom. Det er dette som skjer på solen. Det er gjort mange forsøk på å lage en fusjonsreaktor på jorden basert på en variant av slik fusjon, men vi er fortsatt på det stadiet at målet er at de skal produsere mer energi enn de bruker. Problemet er at fusjonsprosesser krever ekstreme temperaturer og trykk (slik vi finner i solens kjerne) for å fungere.

Referanser[rediger | rediger kilde]

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]