Hel (He) – właściwości, działanie i występowanie helu

Hel (He) to pierwiastek, który kojarzy się z unoszącymi się w górę balonami i zabawnym głosem. W rzeczywistości jednak ten niezwykły gaz wspierał marynarkę wojenną w czasie II Wojny Światowej, a dziś ratuje życia za pośrednictwem zaawansowanej diagnostyki medycznej. Niełatwo było jednak odkryć, zlokalizować i mądrze wykorzystać trudno uchwytny hel!



Symbol helu, jego liczba atomowa i masa. Źródło: shutterstockSymbol helu, jego liczba atomowa i masa. Źródło: shutterstock
  1. Historia helu
  2. Właściwości helu – jakie związki tworzy?
  3. Występowanie i pozyskiwanie helu
  4. Zastosowania helu
  5. Wpływ helu na zdrowie
  6. Hel a środowisko naturalne
Jako drugi najlżejszy pierwiastek chemiczny na świecie, hel umiejscowiony jest na drugiej pozycji w układzie okresowym pierwiastków. Co ciekawe, jest również drugim najczęściej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, stanowiąc aż 23% masy całego kosmosu. Nic dziwnego, że odkryty został po raz pierwszy… na Słońcu!

Historia helu

18 sierpnia 1868 r. nastąpiło całkowite zaćmienie Słońca. Traf chciał, że francuski astronom Pierre Janssen był akurat w Indiach, gdzie miał możliwość obserwowania tego spektakularnego zjawiska. Jego celem było zbadanie tzw. chromosfery, czyli swoistej atmosfery Słońca. Gdy obserwował spektrum za pomocą specjalistycznych przyrządów astronomicznych, zauważył dziwną żółtą linię, w rzeczywistości falę o długości 587.49 nanometrów, której nie umiał zidentyfikować. Dwa miesiące później tą samą linię w Londynie dostrzegł Anglik sir Norman Lockyer, który nie dał się jednak łatwo zbić z tropu i we współpracy z chemikiem Edwardem Franklandem odkrył, że owa linia musi być śladem nieznanego dotąd pierwiastka. A ponieważ odkryty został na Słońcu, brytyjski duet nadał mu nazwę helu od greckiego boga słońca, Heliosa.

Niespełna dwadzieścia lat później ta sama tajemnicza fala zaobserwowana została w gazach wznoszących się nad wulkanem Wezuwiusz, ale dopiero w 1895 r. obecność helu na Ziemi została definitywnie potwierdzona przez duet szwedzkich chemików Pera Teodora Cleve’a oraz Nilsa Abrahama Langera. W 1903 r. Sir William Ramsay oraz Frederick Soddy odkryli dodatkowo, że hel jest produktem spontanicznego rozpadu substancji radioaktywnych – Ramsey znalazł wcześniej jego ślady w minerale zawierającym uran.
Tabela przedstawiająca właściwości helu; opracowanie własne

Właściwości helu – jakie związki tworzy?

Hel jest obojętnym, bezbarwnym i bezwonnym gazem, którego nie sposób wyczuć żadnym z naszych zmysłów. Ma wyjątkowo niską gęstość i stąd jest lżejszy niż powietrze, swobodnie się w nim unosząc. Jego temperatura topnienia wynosi -272.2 stopnie C; temperatura wrzenia zaś -268.3 C. Jak się łatwo domyśleć, w niskich temperaturach hel przyjmuje postać cieczy, ale aż w dwóch wariantach: hel I istnieje w przedziale temperatur od -268.9 do – 271 stopni C; hel II w niższych temperaturach, kiedy to staje się aż 1000 razy lepszym przewodnikiem elektrycznym niż miedź i nabiera charakteru nadciekłego, co oznacza, że jego opór przed cieknięciem jest tak niski, że nie da się go zmierzyć. W efekcie rozlewa się cienkim filmem na każdej substancji, z którą się zetknie i płynie bez tarcia nawet naprzeciw siły grawitacji.

W normalnych warunkach hel jest pierwiastkiem niewchodzącym w reakcje w chemiczne z innymi związkami. Jak inne szlachetne gazy posiada jednak zdolność do pozostawania w postaci zjonizowanej i wówczas tworzy niestabilne związki z jodem, siarką czy fluorem zwane ekscymerami. Naukowcom w specyficznych warunkach udało się także stworzyć związki z rtęcią, neonem czy wolframem, a nawet kwas HeH+, o tak wysokim poziomie reaktywności, że musi być przetrzymywany w całkowitej izolacji. Od początku XXI w. w laboratoriach udało się zsyntetyzować szereg dalszych ciekawych wiązań z helem, ale ich zastosowanie ogranicza się jak dotąd do sfery czysto badawczej. 

Ciekawostka: Hel jest jednym znanym nam pierwiastkiem, który nie może przyjąć formy ciała stałego w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego. Aby zmienić jego stan skupienia na stały niezbędne jest zaaplikowanie ciśnienia o wysokości 25 atmosfer przy temperaturze -272 stopnie C.
Hel po raz pierwszy odkryty został na Słońcu. Źrodło: shutterstock

Występowanie i pozyskiwanie helu

Najczęściej występującym w stanie naturalnym izotopem helu jest He-4 (hel posiadający cztery neutrony w jądrze), stanowiący aż 99.999% całej objętości tego gazu na Ziemi. W naszej atmosferze stanowi przy tym zaledwie 0.0005%, prawdziwe złoża ukryte są raczej pod powierzchnią, a konkretnie w złożach gazu ziemnego, gdzie hel wynosi już „aż” 0.1%. Odkrycia tego dokonano dopiero na początku XX w., ale i wówczas nie bardzo wiedziano jak je można wykorzystać. Poza tym niewielkie ilości helu znajdywane są również w promieniotwórczych minerałach, żelazie pochodzącym z meteorytów oraz naturalnych wodach mineralnych.

Dziś hel pozyskuje się przede wszystkim ze wspomnianych wyżej złóż gazu ziemnego, występujących przede wszystkim na obszarze Stanów Zjednoczonych, a konkretnie stanów Teksas, Kansas, Nowy Meksyk, Oklahoma, Arizona i Utah. Mniejsze złoża, które również eksploatowane są na potrzeby przemysłowe, znajdują się w Algierii, Australii, Katarze, Rosji oraz Polsce – z zakładów w Wielkopolsce pozyskuje się nawet 3 miliony metrów sześciennych helu rocznie. Sam proces produkcji obejmuje tzw. odazotowanie helonośnych złóż poprzez rozdział mieszaniny gazowej prowadzony w niskiej temperaturze. Uzyskana tym sposobem ciecz zawiera nawet 80% czystego helu, a następnie jest oczyszczana w specjalnych zakładach za pomocą intensywnego schładzania, przy którym wytrącają się główne zanieczyszczenia. Po przepuszczeniu przez filtr węglowy otrzymuje się hel o czystości na poziomie 99.999%.

Zastosowania helu

Pierwszym przełomowym zastosowaniem helu na świecie były sterowce wykorzystywane w ograniczonej skali w czasie I Wojny Światowej. Dzięki obniżeniu kosztów lekkiego gazu wykorzystano je szerzej jednak dopiero w bataliach II Wojny Światowej, kiedy słynne zeppeliny eskortowały tysiące amerykańskich okrętów do walki, a nawet umieszczały w wodzie specjalne podsłuchy pozwalające wykryć obecność łodzi podwodnych. Owa funkcja była na tyle donośna, że jeszcze w latach 60-tych Kongres USA zdecydował się wpompować łącznie ponad 32 miliardy stóp sześciennych helu w naturalną komorę skalną znajdującą się pod polem w Teksasie. Dzięki tej rezerwie Stany Zjednoczone od wielu lat są liderem w zakresie produkcji helu.

Obecnie najważniejszym zastosowaniem helu na globalną skalę jest aparatura do wykonywania rezonansu magnetycznego oraz nuklearnego rezonansu magnetycznego. Oba te typy urządzeń wykorzystują olbrzymie magnesy, które do prawidłowego działania wymagają bardzo niskich temperatur, a płynny hel jest środkiem najlepiej spełniającym rolę chłodzącą.

Ponadto hel wykorzystywany jest w procesach spawania aluminium, gdzie tworzy neutralną atmosferę oraz w napędzie rakietowym, przede wszystkim, aby zapewnić odpowiednie napięcie zbiornikom z paliwem w postaci płynnego wodoru.  Meteorologom służy jako gaz napełniający balony z przyrządami pomiarowymi, zaś a butlach tlenowych dla nurków pozwala uzyskać odpowiednie ciśnienie tlenu. Wreszcie, hel stosowany jest również w procesach kriogenicznych jako najskuteczniejsza ciecz chłodząca.

Wpływ helu na zdrowie

Dzięki swojej niskiej gęstości hel wykorzystywany jest do popularnego triku imprezowego polegającego na zmianie barwy głosu. Wdychany z balonika gaz dociera do strun głosowych, które ze względu na jego niską gęstość muszą znacznie szybciej wibrować, podnosząc ton na bardzo wysoki. Niestety, choć tak zabawna, sztuczka ta może w rzeczywistości być bardzo groźna dla zdrowia. Napełnienie płuc helem może bowiem prowadzić do śmierci, gdyż zastępuje on tlen niezbędny do oddychania i powoduje uduszenie. W literaturze opisane są tragiczne wypadki inhalacji helem.  Najczęściej obserwuje się jednak takie negatywne efekty jak zawroty głowy, nudności, wymioty, a nawet utratę przytomności.

Ogólnie hel jako pierwiastek jest jednak nietoksyczny i nie odgrywa żadnej roli biologicznej, choć w śladowych ilościach wykrywany jest we krwi. Oczywiście, w postaci ciekłej, tak jak inne gazy kriogeniczne, stwarza ryzyko poważnych odmrożeń tkanki, prowadzących do nekrozy. Należy również z ostrożnością obchodzić się ze zbiornikami helu, które teoretycznie mogą wybuchnąć przy nieodpowiedniej kombinacji ciśnienia i temperatury.
Sterowce zazwyczaj napełniane są helem – mniej ryzykownym niż wodór. Źródło: shutterstock

Hel a środowisko naturalne

Na Ziemi helu jest stosunkowo niewiele, a jego zasoby są nieodnawialne. Tak naprawdę raczej grozi nam kompletne wyeksploatowanie źródeł cennego pierwiastka niż jakiekolwiek zagrożenie ze strony gazu, który jest tak lekki, że ulatnia się nawet w powietrzu.
Ekolodzy jednak podkreślają, że ludzie zbyt lekkomyślnie wypuszczają co roku w powietrze tysiące balonów napełnionych helem. Co wydaje się niewinną rozrywką, w rzeczywistości stwarza zagrożenie dla zwierząt, przede wszystkim ptaków i stworzeń morskich. Na świecie opisuje się liczne przypadki konsumpcji silikonowych balonów czy zaplątania się w zdradzieckie sznurki. Jeśli więc świętować z balonami, to tylko na uwięzi!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

  1. Stephanie Pappas; “Facts About Helium”; data dostępu: 2021-06-29
  2. Anne Marie Helmenstine; “10 Helium Facts”; data dostępu: 2021-06-29
  3. Lenntech; “Helium”; data dostępu: 2021-06-29
  4. Lorraine Boissoneault; “How Scientists Discovered Helium, the First Alien Element, 150 Years Ago”; data dostępu: 2021-06-29
  5. University of Florida; “Liquid helium”; data dostępu: 2021-06-29
  6. NIH, National Institute of General Medical Sciences; “Helium: An Abundant History and a Shortage Threatening Scientific Tools”; data dostępu: 2021-06-29
Ocena (4.0) Oceń: