Helium

Helium
Atomsymbol	He
Ordnungszahl	2
Relative Atommasse	4,002602
Elektronegativität	5,2
Schmelzpunkt	-272,2 °C
Siedepunkt	-268,93 °C

Helium (von altgriechisch ἥλιος hélios „Sonne“) ist ein chemisches Element und gehört zu den Edelgasen. Es ist nach Wasserstoff das im Universum am häufigsten vorkommende chemische Element.

Helium wird aus Erdgas gewonnen, in dem es einen Anteil bis zu 7% haben kann. Das größte Förderland ist die USA, die etwa 90% der gesamten Weltmenge liefern. Spontan entsteht Helium auch beim radioaktiven Zerfall: Dabei wird ein Heliumkern (2 Protonen und 2 Neutronen) abgespalten, der aber nach kurzer Zeit zwei Elektronen einfängt, so dass wieder ein stabiles Atom entsteht.

Die Sonne und viele Sterne im Universum erzeugen ihre Energie aus der Verschmelzung (Kernfusion) von Wasserstoffatomen zu Heliumatomen. In der Sonne unseres Planetensystems hat Helium einen Massenanteil von 25%.

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1 Eigenschaften

He ist einatomig und farblos und nach Wasserstoff das leichteste aller Gase. Von allen Elementen besitzt es den niedrigsten Schmelzpunkt. Die relative Atommasse ist 4,00260; es gibt zwei stabile He-Isotope: 3He (0,00013%) und 4He (99,9998%). Die Elektronenkonfiguration ist (1s)2. He hat bei Atmosphärendruck keinen festen Zustand; die Zustandsänderung flüssig fest erfolgt nur unter Überdruck bei sehr niedrigen Temperaturen. Die Schmelzwärme zeigt anormales Verhalten: Bei sehr niedrigen Temperaturen geht sie gegen Null, und es muss anschließend Wärme zugeführt werden, um He zu gefrieren.

2 Zustandsdiagramm

He ist die einzige Substanz ohne einen Tripelpunkt, an dem eine feste, eine flüssige und eine dampfförmige Phase koexistieren. Es bildet drei allotrope feste Modifikationen und zwei flüssige Modifikationen. 4He-I ist eine normale Flüssigkeit, kühlt man sie durch Drucksenkung ab, so geht sie bei 2,177 K und 0,0504 bar in die Modifikation 4He-II über. Die Trennlinie beider Flüssigkeiten im Zustandsdiagramm heißt λ-Kurve. 4He-II ist eine Supraflüssigkeit, d. h. sie ist völlig reibungsfrei (Viskosität = 0). 4He-II fließt über oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelegene Hindernisse hinweg auf das tiefstmögliche Niveau. Dies wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes entdeckt (Onnes-Effekt). Hebt man ein Gefäß aus einem 4He-ll Bad, so fließt ein etwa 100 Atomschichten dicker Film (Rollin-Film) innen im Gefäß hoch, über die Außenkante hinweg zurück ins Bad. Dieses und andere überraschende Phänomene erklärt die Quantenphysik.

3 Nachweis

He wird qualitativ und quantitativ mit Hilfe der Spektralanalyse bestimmt.

4 Vorkommen

He ist das zweithäufigste Element im Universum, auf der Erde ist es dagegen seltener als Gold und Platin. Die Luft enthält 4,6 cm^3 He pro mg, davon sind nur 0,00016% He-3. Wegen seiner geringen Atommasse entweicht He dauernd aus der Atmosphäre ins All. Die Zusammensetzung der Lufthülle bleibt jedoch konstant, weil der Sonnenwind und die radioaktiven Mineralien der Erdkruste He nachliefern. Auch das industriell genutzte He entweicht letztlich fast vollständig in die Atmosphäre. Die Weltvorräte werden auf 7•10^11 mol He geschätzt, vorwiegend enthalten in Erdgasvorkommen der USA, Kasachstans und Algeriens. Thermalquellen enthalten bis zu 10% He.

5 Gewinnung

Kleinere Mengen durch Erhitzen von uran- und thoriumhaltigen Mineralien wie Cleveit, Monazit und Thorianit im Porzellanrohr bei 1.200°C. In diesen Mineralien ist He wahrscheinlich als Clathrat physikalisch gebunden. Bis 1917 war das die einzige Darstellungsmethode. Großtechnisch gewinnt man heute 99% reines He überwiegend aus der Verflüssigung von Erdgasen. In den USA wird dem geförderten Erdgas das He entzogen und in leeren Erdgasfeldern gespeichert (bislang etwa 5•10^10 mol). Das außerordentlich seltene und stabile Heliumisotop [3He] wird mit Hilfe der Kernreaktionen 6Li(n,α)3H und 3Hβ-→3He in Kernreaktoren gewonnen.

6 Verwendung

Lichtbogen-Schweißen unter He-Atmosphäre, Atemgas (80% He, 20% 02) für Taucher und für therapeutische Zwecke, Kompensations-Füllgas für Raketen-Treibstofftanks, Füllgas für Ballons (als Ersatz für den hoch entzündlichen Wasserstoff), Lecksuchgeräte in der Vakuumtechnologie, Kühlflüssigkeit (4He und 3He) in der Tiefsttemperatur-Technologie, Kühlgas für Kernreaktoren.

In Europa werden etwa 8•10^8 mol/Jahr verbraucht.

7 Sonstiges

Nach dem Einatmen von Helium wird die menschliche Stimme für einen kürzeren Zeitraum plötzlich höher ("Micky-Maus-Stimme"), was damit zusammenhängt, dass das Helium die Schallgeschwindigkeit beim Auftreffen auf den Stimmbändern merklich verändert.