Helium.html



Voor de gelijknamige compiler en taalvariant van de programmeertaal Haskell, zie Helium (Haskell).

Helium is een scheikundig element met symbool He en atoomnummer 2. Het is een kleurloos, inert edelgas.

bewerk Ontdekking

Helium werd in 1868 door de Fransman Pierre Janssen en de Engelsman Norman Lockyer onafhankelijk van elkaar ontdekt. Beiden bestudeerden het licht van de zon tijdens een zonsverduistering die in dat jaar plaatsvond, en zagen met een spectroscoop een emissielijn van een tot dan toe onbekend element. Eduard Frankland bevestigde de waarnemingen van Janssen en was degene die voorstelde om het element naar de zon te vernoemen. Hij stelde het achtervoegsel -ium voor, omdat hij verwachtte dat het element een metaal zou zijn. Toen het element in 1895 door Sir William Ramsay uit cleviet werd gewonnen bleek het geen metaal te zijn, maar de naam werd niet aangepast. De Zweedse chemici Nils Langlet en Per Theodor Cleve voerden onafhankelijk van Ramsay ongeveer gelijktijdig hetzelfde experiment uit.

In het jaar 1907 toonden Ernest Rutherford en Thomas Royds aan dat alfadeeltjes niets anders waren dan heliumkernen. In 1908 lukte het de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes als eerste om helium vloeibaar te maken door het gas tot 0,9 K af te koelen. Hij werd hiervoor met een Nobelprijs onderscheiden. Zijn leerling Willem Hendrik Keesom, die hem inmiddels als directeur van het laboratorium was opgevolgd, lukte het in 1926 als eerste helium onder hoge druk in vaste vorm om te zetten.

Helium is genoemd naar de zon (Grieks helios), omdat het element daar het eerst ontdekt werd.

bewerk Toepassingen

Helium wordt vaak gebruikt als vulmiddel voor ballonnen en luchtschepen, die lichter dan lucht moeten zijn. Bij ballonnen en luchtschepen kan men dan denken aan reclametoepassingen, maar ook atmosferisch en militair onderzoek zijn belangrijke toepassingen. Helium verdient de voorkeur boven waterstof omdat het niet brandbaar is, en daarmee veiliger. De vooroorlogse zeppelins werden met waterstof gevuld. Een belangrijke les in dit opzicht was de ramp met de kolossale zeppelin de Hindenburg. Helium is qua stijgvermogen met 92,64% van dat van waterstof een goede vervanging. Wel is helium veel kostbaarder dan waterstof, want het is moeilijker te winnen.

In december 1993 brak er in een Belgisch hotel tijdens een oudejaarsfeest brand uit. Er vielen 15 doden. Onder de aanwezigen was de zanger Lee Towers. Er werd beweerd dat de brand zo snel om zich heen greep door het brandbare gas in de ballonnetjes waarmee de feestzaal versierd was. Dat gas was helium. Het verhaal werd door veel kranten gepubliceerd en er werd geroepen dat helium verboden moest worden. In werkelijkheid is helium absoluut onbrandbaar, en juist daarom wordt het veel toegepast.

Bij inademen van zuiver helium ontstaat de heliumstem, doordat de snelheid van het geluid in helium veel groter is dan in lucht.

Een mengsel van helium en zuurstofgas wordt vaak gebruikt bij diepzeeduiken, omdat helium inert is, minder goed in bloed oplost dan stikstofgas en 2,5 keer sneller diffundeert dan stikstof. Deze snelle diffusie vermindert de decompressietijd, ook is er niet zoals bij stikstof het gevaar voor narcose en treden er in gewrichten minder bellen op.

Doordat helium het laagste smelt- en kookpunt heeft van alle elementen is het een zeer geschikt koelmiddel voor veel toepassingen die extreem lage temperaturen behoeven, zoals supergeleidende magneten en cryogene research. Helium wordt ook gebruikt als inert draaggas in de gaschromatografie.

Neonlamp gevuld met helium.

Ook wordt Helium soms gebruikt in neonlampen. Helium zorgt voor een goudgeel licht.

Tevens wordt helium in toenemende mate gebruikt voor lektesten, dit vanwege het kleine molecuul. Een voorwerp wordt onder druk gezet met helium, waarna in een stikstof-omgeving het aantal heliummoleculen wordt gemeten. Zijn deze niet in de stikstof aanwezig, dan is het voorwerp (bv een drukvat) lekdicht.

Vloeibaar helium wordt steeds meer gebruikt bij MRI-scans (Magnetic Resonance Imaging) in de medische sector (als koeling voor de gebruikte elektromagneten, zie boven). Andere toepassingen zijn: aandrijfvloeistof (onder hoge druk) in raketten, als inert afdekgas bij booglassen, als inert gas waarin silicium en germanium kristallen kunnen aangroeien, als koelmiddel voor kernreactoren en als gas voor supersonische windtunnels. Daar helium echter niet met de cascademethode vloeibaar kan gemaakt worden, is het (bijv. in vergelijking met vloeibare stikstof) een erg duur gas.

De vorming van helium uit waterstof, een kernfusiereactie waarbij zeer veel energie vrijkomt, vormt de basis van de energie van sterren maar ook die van de waterstofbom. Helium kan gesynthetiseerd worden door lithium of boor met zeer snelle protonen te beschieten.

bewerk Opmerkelijke eigenschappen

Helium is een kleurloos en reukloos edelgas en heeft een extreem laag kookpunt (4,2 kelvin), het laagste van alle elementen. Het is in de meeste omstandigheden chemisch inert. Het is na waterstof het meest voorkomende element in het universum. Helium bestaat uit losse atomen. Het is alleen bij extreem lage temperatuur vloeibaar te maken. Helium is niet brandbaar.

De specifieke warmte van helium is erg hoog, en heliumdamp is erg compact, maar zet snel uit bij hogere temperatuur. De kritische temperatuur van Helium is slechts 5,19 K (0 kelvin is het absolute nulpunt).

Helium is het enige element dat bij normale druk niet in een vaste stof overgaat beneden een bepaalde temperatuur. Het kan alleen onder hoge druk (minimaal 2,6 MPa) vast worden gemaakt. Vast ³He en ⁴He hebben de unieke eigenschap dat hun volume onder nog meer druk met meer dan 30% kan afnemen.

Bij temperaturen beneden 1 K is 2,6 MPa voldoende om helium vast te maken. Bij hogere temperaturen loopt dat echter hard op. Zo is er bij 15 K al een druk van rond 100 MPa voor nodig, en bij kamertemperatuur zelfs zo'n 20 GPa. Helium ondergaat bij ongeveer 15 K ook een overgang tussen kubische en hexagonale stapelingen. Bij veel lagere temperatuur en druk treedt een derde vorm op, waarbij de atomen zich ordenen volgens een lichaamsgecentreerd kubische structuur. Al deze ordeningen zijn vergelijkbaar qua energie en dichtheid. De redenen voor de veranderingen hebben te maken met interacties tussen de atomen.

Helium is een edelgas en als zodanig in vrijwel alle omstandigheden chemisch inert, maar wanneer helium gebombardeerd wordt met elektronen kan het verbindingen aangaan met wolfraam, jodium, fluor, zwavel en fosfor. Van alle gassen lost helium het slechtst op in water.

bewerk Natuurlijke verschijningsvorm

Helium komt in de aardatmosfeer in zeer kleine hoeveelheden (1 op 200.000 moleculen) voor: het wordt op aarde geproduceerd als bijproduct van radioactief verval van sommige zware metalen. Met name geldt dit voor de uranium- en thoriummineralen, zoals clevieten, pekblende, kartoniet, monaziet en beryl; het wordt in deze mineralen uit zware elementen gevormd door radioactief verval in de vorm van alfadeeltjes. Het helium kan uit deze mineralen gewonnen worden. Ook komt het voor in sommige mineraalwaters (met name in IJsland) en in vulkanische gassen, en in sommige natuurlijke gasreserves (onder andere in de Verenigde Staten), waar het meeste commerciële helium uit gewonnen wordt.

Helium is via spectroscopie in grote hoeveelheden aangetoond, met name in sterren. Het speelt een belangrijke rol in de proton-protoncyclus en de koolstof-stikstofcyclus, waar sterren een groot deel van hun energieproductie aan ontlenen.

bewerk Superfluïditeit

De ⁴He isotoop van helium komt in twee vormen voor: ⁴He I en ⁴He II. Helium I is een gewone vloeistof, maar helium II is een superfluïde vloeistof. Een superfluïde vloeistof heeft een viscositeit van 0 en is daardoor met geen enkele andere substantie te vergelijken. Als de temperatuur beneden het lambdapunt komt, verandert helium I abrupt in helium II. Bij ⁴He ligt het lambdapunt op 2,174 K.

Aangezien de transformatie van He I naar He II een continue faseovergang is, zonder latente warmte bij het lambda punt, kunnen He I en He II niet naast elkaar bestaan.

Helium was een van de eerste stoffen waarbij een kwantummechanisch effect op macroscopisch niveau werd waargenomen.

Voor de ³He isotoop vindt deze overgang pas bij 2,6 mK plaats - slechts enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt. Dit komt doordat het superfluïde effect is gebaseerd op de zogenaamde Bose-Einsteincondensatie. En ⁴He-atomen zijn bosonen, terwijl ³He-atomen fermionen zijn, die slecht in paren kunnen 'condenseren'. Zo'n paar als geheel, dat zich pas bij extreem lage temperatuur vormt, is weer een boson.

bewerk Isotopen

De meest voorkomende heliumisotoop is ⁴He, dat een kern heeft die uit twee protonen en twee neutronen bestaat. Dit is een ongebruikelijk stabiele nucleaire configuratie omdat de kern een volle schil heeft met een zogenaamd magisch aantal kerndeeltjes.

Veel zwaardere kernen vervallen door emissie van een ⁴He-kern, een proces dat alfaverval wordt genoemd. Heliumkernen worden daarom ook wel alfadeeltjes genoemd. Een groot deel van het op aarde aanwezige helium is zo ontstaan. Een tweede heliumisotoop, ³He, heeft slechts 1 neutron. Er zijn ook zwaardere isotopen, maar deze zijn radioactief. ³He komt op Aarde relatief minder voor, omdat verval van zwaardere elementen alleen ⁴He produceert en atmosferisch helium relatief snel naar het heelal weglekt. De verhouding tussen de twee isotopen (³He/⁴He) is in de Zon (gemeten in de zonnewind^[1][2]) ongeveer vier keer hoger dan in meteorieten^[3] en 300 keer hoger dan in de aardatmosfeer.^[3]

In de geochemie wordt de verhouding ³He/⁴He gebruikt om de oorsprong van lava en magma te bepalen. Het idee is dat de bovenmantel door convectiestroming alle oorspronkelijk erin aanwezige gassen is kwijtgeraakt, maar dat de ondermantel nog relatief veel van de uit de Zonnenevel afkomstige ³He bevat. Lava's en magma's met een hogere ³He/⁴He, zoals bij hotspotvulkanisme voorkomen, worden verondersteld uit een relatief ongemengd reservoir afkomstig te zijn. Het vermoeden is dat dit reservoir zich in de D"-laag of nabij de kern-mantelgrens bevindt. Dat betekent dat deze magma's afkomstig zijn van relatief veel grotere diepte dan gebruikelijk.

Volgens de Oerknaltheorie werden ³He en ⁴He beide in grote hoeveelheden gevormd in oerknal-nucleosynthese tijdens de Oerknal.

bewerk Toxicologie en veiligheid

Vaten gevuld met helium in gasvorm, die bij 5 tot 10 K opgeslagen worden, moeten behandeld worden alsof ze vloeibaar helium bevatten in verband met de grote toename in druk wanneer het gas tot kamertemperatuur wordt verwarmd.

Meer afbeeldingen die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden in de categorie Helium van Wikimedia Commons.