Definicja pojęcia:

hel

Hel – jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu He i liczbie atomowej 2. Należy do grupy helowców – gazów szlachetnych. Nazwa helu pochodzi od greckiego ἥλιος, od greckiego Tytana Słońca, Heliosa, łac. helium, czyli oświetlony.
  1. Historia helu
  2. Charakterystyka helu
  3. Izotopy helu
  4. Występowanie helu
  5. Zastosowanie helu

Historia helu

Po raz pierwszym istnienie helu zaobserwowano w 1868 roku w widmie chromosfery Słońca jako jasnożółtą linię o długości fali z 587,49 nm. Dokonał tego francuski astronom Jules Janssen podczas całkowitego zaćmienia Słońca obserwowanego w Guntur w Indiach. Jednak początkowo przyjęto, że linia ta zawiera sód i dopiero angielski astronom Norman Lockyer doszedł do wniosku, że było to spowodowane przez pierwiastek nieznany na Ziemi. Lockyer wraz z angielskim chemikiem Edwardem Franklandem nazwał nowy pierwiastek greckim słowem oznaczającym Słońce, czyli helios.

W 1895 roku szkocki chemik Sir William Ramsay traktując mineralny cleveit kwasami mineralnymi wyizolował hel w warunkach eksperymentalnych. Poszukiwał on argonu, lecz po wyizolowaniu azotu i tlenu z gazu uwolnionego przez kwas siarkowy zauważył jasnożółtą linię widmową, która została zidentyfikowana jako hel przez Lockyera i brytyjskiego fizyka Williama Crookesa. W tym samym roku hel został wyizolowany także przez Teodora Cleve'a i Abrahama Langleta w Szwecji, a ponadto określono masę atomową nowego pierwiastka. W kolejnych latach badacze odkrywali strukturę oraz właściwości helu.
Podstawowe informacje o helu. Źródło: shutterstock

Charakterystyka helu

Hel jest drugim w kolejności (za wodorem) najlżejszym i najliczniejszym pierwiastkiem w obserwowalnym wszechświecie. Składa się z dwóch elektronów na orbitach atomowych otaczających jądro zawierające dwa protony i (zwykle) dwa neutrony. Hel jest drugim w kolejności najsłabiej reaktywnym gazem szlachetnym (po neonie), a tym samym drugim najsłabiej reaktywnym ze wszystkich pierwiastków. Stabilność i niska energia stanu chmur elektronowych w helu odpowiada za chemiczną obojętność pierwiastka, a także brak interakcji atomów helu ze sobą, przez co ma on najniższe temperatury topnienia i wrzenia spośród wszystkich pierwiastków.

Do cech helu należy zaliczyć chemiczną obojętność oraz jednorodność we wszystkich standardowych warunkach. Ze względu na stosunkowo niską masę molową (atomową) helu, jego przewodność cieplna, ciepło właściwe i prędkość dźwięku w fazie gazowej są większe niż jakikolwiek innego gazu za wyjątkiem wodoru. Z tych powodów oraz niewielkich rozmiarów cząsteczek monatomowych helu dyfunduje on przez ciała stałe w tempie trzy razy szybszym niż powietrze. Ponadto jest najsłabiej rozpuszczalnym gazem monatomowym w wodzie i jednym z słabiej rozpuszczalnych gazów w wodzie.

W odróżnieniu od innych pierwiastków hel pozostanie płynny aż do zera absolutnego przy normalnym ciśnieniu. Często trudno jest jednak odróżnić ciało stałe od ciekłego helu, ponieważ współczynnik załamania światła dwóch faz jest prawie taki sam. Ciało stałe tego pierwiastka ma wyraźną temperaturę topnienia i strukturę krystaliczną, natomiast jest wysoce ściśliwe.

Hel jest izolatorem elektrycznym. Podobnie jak w przypadku innych gazów szlachetnych wykazuje metastabilne poziomy energii, które pozwalają mu pozostać zjonizowanym w wyładowaniu elektrycznym o napięciu poniżej swojego potencjału jonizacji. W postaci zjonizowanej nie jest natomiast dobrym izolatorem elektrycznym. W wyniku potraktowania helu wyładowaniami jarzeniowymi, bombardowaniem elektronami lub redukowaniem go do plazmy może tworzyć niestabilne związki (ekskimery) z fluorem, fosforem, jodem, siarką i wolframem. A pod wpływem wysokiego ciśnienia hel może tworzyć związki z różnymi innymi pierwiastkami, na przykład można otrzymywać kryształy klatratu helowo-azotowego (He(N2)11).
Hel po wzbudzeniu na tle innych gazów szlachetnych. Źródło: shutterstock

Izotopy helu

Spośród znanych dziewięciu izotopów helu tylko dwa (3He, 4He) są stabilne. Co za tym idzie możliwe jest powstawanie mniej trwałych izotopów helu, które ulegają szybkiemu rozpadowi. Izotop 5He jest ciężkim izotopem helu o najkrótszym okresem półtrwania wynoszącym 7,6 × 10−22  s. Z kolei izotop 6He rozpada się emitując przy tym cząstkę beta, a jego okres półtrwania wynosi 0,8 sekundy. Podobnie do poprzedniego izotopu, izotop 7He również emituje cząstkę beta, a ponadto promień gamma. Izotop ten jak również 8He powstają w określonych reakcjach jądrowych.

Występowanie helu

Zdecydowana większość helu powstała w wyniku nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu pomiędzy 1 a 3 minutą po tym wydarzeniu. Hel po wodorze jest drugim najliczniejszym pierwiastkiem w wszechświecie jaki jest znany, chociaż na Ziemi jest rzadki i występuje wyłącznie w śladowych ilościach.

W ziemskiej atmosferze stężenie helu objętościowo wynosi zaledwie 5,2 części na milion. Pomimo ciągłej produkcji nowego helu stężenie to jest stale niskie ze względu na przemieszczanie się tego pierwiastka w przestrzeń kosmiczną, za sprawą czego w heterosferze górnej części atmosfery jest najpowszechniejszym pierwiastkiem. Większość helu na Ziemi jest wynikiem rozpadu radioaktywnego. W dużych ilościach znajduje się on w minerałach uranu i toru, karnotytu. W skorupie ziemskiej stężenie helu wynosi 8 części na miliard. Natomiast w wodzie morskiej stężenie to wynosi zaledwie 4 części na bilion. Ponadto niewielkie ilości znaleźć można także w gazach wulkanicznych i meteorytach.

Największym naturalny źródłem helu na Ziemi jest gaz ziemny, ze złóż którego wydobywa się większość komercyjnie wykorzystywanego helu. Jego stężenie waha się w szerokim zakresie od kilku ppm do ponad 7% w złożu gazu ziemnego w hrabstwie San Juan w stanie Nowy Meksyk.
Widmo emisyjne helu. Źródło: (teravolt (talk)) / Public domain

Zastosowanie helu

Ze względu na unikatowe właściwości (takie jak niska temperatura wrzenia, niska gęstość, niska rozpuszczalność, wysoka przewodność cieplna oraz bezwładność) hel jest wykorzystywany do wielu celów. Spośród całkowitej produkcji helu na świecie hel najpowszechniejsze zastosowanie ma w kriogenice, a w szczególności w medycynie do chłodzenia magnesów nadprzewodzących w skanerach MRI i spektrometrach NMR.

Narkotyczne właściwości helu, są wykorzystywane w celu zmniejszenia skutków spowodowanych nurkowaniem na duże głębokości. Natomiast jak w przypadku każdego gazu, którego gęstość różni się od gęstości powietrza, wdychanie niewielkiej ilości helu tymczasowo zmienia barwę ludzkiego głosu.

Znajdziemy ten gaz w laserach helowo-neonowych, czyli w niskoenergetycznych laserach gazowych o czerwonej wiązce świetlnej. Zanim lasery te zostały zastąpione laserami diodowymi, miały praktyczne zastosowanie jako czytniki kodów kreskowych i wskaźniki laserowe.

Hel zmieszany z cięższym gazem (takim jak np. ksenon) jest używany w chłodnictwie termoakustycznym. Jak również jest stosowany jako czynnik przenoszący ciepło w niektórych reaktorach jądrowych chłodzonych gazem.

Do innych głównych zastosowań (choć w mniejszym stopniu) można zaliczyć udział w systemach ciśnieniowych i czyszczących, spawaniu, utrzymaniu kontrolowanej mieszaniny gazów oraz wykrywaniu nieszczelności. Ponadto zastosowanie helu redukuje skutki oddziaływania temperatury na elementy optyczne w teleskopach. Ma to zastosowanie szczególnie w teleskopach słonecznych, w których inne rozwiązania byłyby zbyt obciążające zestaw.

Hel jest także powszechnie stosowanym gazem nośnym do chromatografii gazowej. A wiek skał i minerałów zawierających uran i tor oszacować można poprzez pomiar poziomu helu za pomocą tzw. procesu datowania helem. Jak również jest on stosowany w niektórych dyskach twardych.
Dobrze znanym zastosowaniem helu jest gaz nośny w balonach. Źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Coc A., Vangioni-Flam E., Descouvemont P., Adahchour A., Angulo C. 2004. ; “Updated Big Bang Nucleosynthesis confronted to WMAP observations and to the Abundance of Light Elements. ”; Astrophysical Journal 600 (2): 544–552.;
  2. Dong X., Oganov A.R., Goncharov A.F., Stavrou E., Lobanov S., Saleh G., Qian G.-R., Zhu Q., Gatti C., Deringer V.L., Dronskowski R., Zhou X.-F., Prakapenka V.B., Konôpková Z., Popov I.A., Boldyrev A.I., Wang H.-T. 2017. ; “A stable compound of helium and sodium at high pressure. ”; Nature Chemistry 9 (5): 440–445.;
  3. Emsley J. 2001. ; “Nature's Building Blocks. ”; Oxford University Press, Oxford.;
  4. Glenn C.D. (red.) 2005. ; “Helium.Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. ”; Wiley-Interscience.;
  5. Hwang S.-C., Lein R.D., Morgan D.A. 2005. ; “Noble Gases. ”; Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley.;
  6. Lewars E.G. 2008. ; “Modeling marvels. Computational anticipation of novel molecules. ”; Springer. ;
  7. Linde D.R. (red.) 2005. ; “The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics, 86st edition.”; CRC Press, Boca Raton.;
  8. Meija J., Coplen T.B., Berglund M.H., Brand W.A., Bièvre P.D., Groening M., Holden N.E., Irrgeher J., Loss R.D., Walczyk T., Prohaska T. 2016. ; “Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report). ”; Pure and Applied Chemistry 88: 265–291;
  9. Nath B.B. 2013.; “ The Story of Helium and the Birth of Astrophysics. ”; Springer, New York.;
  10. Stone J.A., Stejskal A. 2004. ; “Using helium as a standard of refractive index: correcting errors in a gas refractometer. ”; Metrologia 41 (3): 189–197.;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 5.0
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź