Helium

Helium er et grunnstoff med symbol He og atomnummer 2. Det er en fargeløs, luktfri, smakløs, ikke-giftig gass og den første i edelgass-gruppen i periodesystemet. Kokepunktet for helium er blant de laveste av alle grunnstoffene.

Helium
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 m³/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 konduktivitet		0,152 W/(m·K)
SI-enheter & STP er brukt, hvis ikke annet er nevnt. MV = Manglende verdi.

Etter hydrogen er helium det letteste og mest forekommende grunnstoffet i det observerbare universet. Helium utgjør omtrent 24 % av den totale massen til alle grunnstoffene, tilsvarende tolv ganger massen til alle de tyngre grunnstoffene til sammen. Lignende forekomst av grunnstoffet finner man også i solen og i Jupiter. Dette kommer av den svært høye kjernefysiske bindingsenergien (per nukleon) til helium-4 med hensyn til de neste tre grunnstoffene etter helium. Bindingsenergien til helium-4 forklarer også hvorfor den er et produkt av både kjernefysisk fusjon og radioaktivt henfall. Det meste av heliumet i universet er helium-4, og det antas å ha blitt dannet under Big Bang. Store mengder nytt helium blir dannet av kjernefysisk fusjon av hydrogen i stjerner.

Heliumlaser

Helium er oppkalt etter den greske guden for solen, Helios. Den ble først oppdaget av den franske astronomen Jules Janssen i 1868, da som en ukjent gul spektrallinje-signatur i sollyset under en solformørkelse. Janssen er sammen med Norman Lockyer kreditert med oppdagelsen av grunnstoffet. Lockyer var den første til å foreslå at linjen kom som følge av et nytt grunnstoff, som han navnga. Den formelle oppdagelsen av grunnstoffet ble gjort av to svenske kjemikere, Per Teodor Cleve og Nils Abraham Langlet, i 1895. De fant at helium kom fra uranmalmet Cleveitt. I 1903 ble store reserver av helium funnet i naturgassfelt i deler av USA.

Flytende helium brukes innen kuldeteknikk (dets største enkeltbruk, bestående av omtrent én fjerdedel av produksjonen), spesielt innen kjøling av superledende magneter, hvor den største kommersielle applikasjonen er MRI-scannere. Den andre industrielle bruken av helium – slik som trykk- og spylegass, beskyttelse ved buesveising og i prosesser som å dyrke krystaller for å lage slikonskiver – utgjør halvparten av gassen som produseres. Et velkjent, men mindre utbredt bruksområde, er som løftegass i ballonger og luftskip. Som med enhver gass med tetthet ulik luftens, fører inhalerering av små mengder helium til midlertidig endring en klangen og kvaliteten til en persons stemme. Innen vitenskapelig forskning er oppførselen til de to væskefasene til helium-4 (helium I og helium II) viktig for forskere som studerer kvantemekanikk (spesielt egenskapene til superfluiditet) og for de som ser på fenomener som superleding produsert i materie nær det absolutte nullpunkt.

På jorden er helium relativt sjelden – 5,2 ppm etter volum i atmosfæren. Det meste av det jordiske heliumet som finnes i dag dannes av naturlig radioaktivt henfall av tyngre radioaktive grunnstoff (thorium og uran, selv om det finnes andre eksempler) etter hvert som alfapartiler utstrålt fra slike henfall består av helium-4-kjerner. Dette radiogene heliumet fanges i naturgass i konsentrasjoner opp til 7 % per volum, og vinnes ut derfra til kommersiell bruk via en lavtemperaturprosess kalt fraksjonert destillasjon.

Historie

Vitenskapelige oppdagelser

De første bevisene for helium ble observert 18. august 1868, da som en lys gul linje med en bølgelengde på 587,49 Nm i kromosfærens spekter. Linjen ble oppdaget av den franske astronomen Jules Janssen under en total solformørkelse i Guntur i India. Opprinnelig var det antatt at det dreide seg om natrium. 20. oktober samme år observerte den engelske astronomen Norman Lockyer en gul linje i solens spektrum. Denne ga han navnet Fraunhoferlinje D₃ fordi den var nær de kjente D₁- og D₂-linjene til natrium. Han konkluderte med at den kom av et grunnstoff på solen som var ukjent på jorden. Lockyer og den engelske kjemikeren Edward Frankland oppkalte grunnstoffet etter det greske ordet for sol, ἥλιος (helios), som ifølge gresk mytologi kjørte solvognen over himmelen.

Spektrallinje av helium.

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

William Ramsay, oppdageren av helium på jorden

Den 26. mars 1895 lyktes den skotske kjemikeren William Ramsay 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 spekter. Denne gassprøven ble indentifisert som helium av Lockyer og den britiske fysikeren William Crookes.

Uavhengig av hverandre samme år klarte kjemikerne 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 uraninitt. 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 heliumioner. I 1907 påviste Ernest Rutherford og Thomas Royds, at alfapartikkel er heliumkjerne, 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 fysikerne Douglas Dean Osheroff, David Morris Lee og Robert Coleman Richardson.

Utvinning og bruk

Etter en oljeboring i Dexter, Kansas i USA ble det utvunnet en gass som ikke kunne brenne. Kansas statsgeolog, 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 heliumproduksjonsanlegg ble bygget av United States Navy under første verdenskrig etter forslag fra Richard Threlfall, for å bruke en ikke brennbar gass til sperreballonger. Totalt ble det fremstilt 5 700 m² 92 % ren helium i disse produksjonsanleggene mot bare mindre enn 1 kubikkmeter før programmet startet. Noe av denne gassen ble brukt i verdens første heliumfylte luftskip, C-7, som fløy sin jomfrutur fra Hampton Roads i Virginia til Bolling Field i Washington, D.C. den 1. desember 1921.

Faser og egenskaper

Heliumatomets elektronskall

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 ned mot 0 K, da smeltepunktet ligger på -272,2 °C (0,95 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 2.1768 K 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

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.

CAS-nummer: 7440-59-7

Helium-fylt værballong

Bruk og misbruk

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.

Fusjon

Når to 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.

Litteratur

• «helium (He)» (engelsk). Encyclopædia Britannica. 
• Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks (engelsk). Oxford: Oxford University Press. s. 175–179. ISBN 0-19-850341-5. 
• Hampel, Clifford A. (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements (engelsk). New York: Van Nostrand Reinhold. s. 256–268. ISBN 0-442-15598-0. 
• Harper, Douglas. «helium». Online Etymology Dictionary (engelsk). 
• Kochhar, R. K. (1991). «French astronomers in India during the 17th – 19th centuries». Journal of the British Astronomical Association (engelsk). 101 (2): 95–100. Bibcode:1991JBAA..101...95K. 
• Langlet, N. A. (1895). «Das Atomgewicht des Heliums». Zeitschrift für anorganische Chemie (tysk). 10 (1): 289–292. doi:10.1002/zaac.18950100130. 
• Munday, Pat (1999). Mark C. Carnes, red. Biographical entry for W.F. Hillebrand (1853–1925), geochemist and U.S. Bureau of Standards administrator in American National Biography (engelsk). 10–11. Oxford University Press. s. 808–9; 227–8. 
• Ramsay, William (1895). «On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3, One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note». Proceedings of the Royal Society of London (engelsk). 58 (347–352): 65–67. doi:10.1098/rspl.1895.0006. 
• Ramsay, William (1895). «Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I». Proceedings of the Royal Society of London (engelsk). 58 (347–352): 80–89. doi:10.1098/rspl.1895.0010. 
• Ramsay, William (1895). «Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--». Proceedings of the Royal Society of London (engelsk). 59 (1): 325–330. doi:10.1098/rspl.1895.0097. 
• Rose, Melinda (oktober 2008). «Helium: Up, Up and Away?» (engelsk). Photonics Spectra. Besøkt 13. november 2016. 
• Stewart, Alfred Walter (2008). Recent Advances in Physical and Inorganic Chemistry (engelsk). BiblioBazaar, LLC. s. 201. ISBN 0-554-80513-8. 
• Thomson, William (3. august 1871). «Inaugural Address of Sir William Thomson». Nature (engelsk). 4 (92): 261–278 [268]. Bibcode:1871Natur...4..261.. doi:10.1038/004261a0. 
• Weaver, E.R. (1919). «Bibliography of Helium Literature». Industrial & Engineering Chemistry (engelsk). 

Eksterne lenker

• Helium UiO