HELIUM: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, RISICO'S, GEBRUIK - CHEMIE - 2026

Het helium is een scheikundig element met symbool He. Het is het eerste edelgas in het periodiek systeem en bevindt zich meestal uiterst rechts ervan. Onder normale omstandigheden is het een inert gas, aangezien geen van de weinige verbindingen stabiel is; Het zet ook erg snel uit en is de stof met het laagste kookpunt van allemaal.

Op een populair niveau is het een bekend gas, want bij talloze evenementen of kinderfeestjes is het gebruikelijk om te zien hoe een ballon opstijgt totdat hij verloren gaat in de lucht. Wat echter echt en voor altijd verloren is gegaan in de hoeken van het zonnestelsel, en daarbuiten, zijn de heliumatomen die vrijkomen zodra de ballon explodeert of leegloopt.

Helium-opgeblazen ballonnen, zo dicht mogelijk bij dit element in alledaagse situaties. Bron: Pixabay.

Er zijn zelfs mensen die, en terecht, van mening zijn dat heliumballonnen een ongepaste praktijk voor dit gas vormen. Gelukkig heeft het belangrijkere en interessantere toepassingen, dankzij de fysische en chemische eigenschappen die het scheiden van andere chemische elementen.

Vloeibaar helium is bijvoorbeeld zo koud dat het alles kan bevriezen, zoals een metaallegering, en het in een supergeleidend materiaal kan veranderen. Evenzo is het een vloeistof die superfluïditeit vertoont, in staat om tegen de wanden van een glazen container te klimmen.

De naam komt van het feit dat het voor het eerst op de zon werd geïdentificeerd en niet op aarde. Het is het op een na meest voorkomende element in het hele universum en hoewel de concentratie ervan verwaarloosbaar is in de aardkorst, kan het worden verkregen uit de reserves van aardgas en radioactieve mineralen zoals uranium en thorium.

Hier demonstreert helium nog een merkwaardig feit: het is een gas dat veel meer in de ondergrond voorkomt dan in de atmosfeer, waar het uiteindelijk uit de aarde en haar zwaartekrachtsveld ontsnapt.

Geschiedenis

Helium is niet op aarde ontdekt maar op de zon. De naam komt van het Griekse woord 'helios' wat zon betekent. Het bestaan ​​van het element op zich stond in contrast met het periodiek systeem van Dmitri Mendelejev, aangezien er geen plaats was voor een nieuw gas; Met andere woorden, er werd toen absoluut niets vermoed van edelgassen.

De naam 'helium', geschreven als 'helium' in het Engels, eindigde met het achtervoegsel -ium dat ernaar verwijst als een metaal; juist omdat het bestaan ​​van een ander gas dan zuurstof, waterstof, fluor, chloor en stikstof niet kon worden toegelaten.

Deze naam werd aangewezen door de Engelse astronoom Norman Lockyer, die vanuit Engeland bestudeerde wat de Franse astronoom Jules Janssen in India tijdens een zonsverduistering in 1868 waarnam.

Het was een gele spectraallijn van een tot dan toe onbekend element. Lockyer beweerde dat dit te wijten was aan de aanwezigheid van een nieuw chemisch element in de zon.

In 1895, bijna twintig jaar later, herkende de Schotse chemicus Sir William Ramsay hetzelfde spectrum van een restgas toen hij een radioactief mineraal bestudeerde: cleveiet. Dus er was ook helium hier op aarde.

Fysische en chemische eigenschappen

Verschijning

Ampul met een heliummonster dat gloeit na een elektrische schok. Bron: hoge resolutie afbeeldingen van chemische elementen

Helium is een kleurloos, reukloos gas dat smaakloos en ook inert is. Wanneer er echter een elektrische schok wordt toegepast, begint deze, afhankelijk van het spanningsverschil, te gloeien als een grijsachtig-paarse waas (afbeelding hierboven) en vervolgens te gloeien met een oranje gloed. Daarom zijn de heliumlampen oranje.

Atoomnummer (Z)

twee

Molaire massa

4,002 g / mol

Smeltpunt

-272,2 ºC

Kookpunt

-268,92 ºC

Dichtheid

-0,1786 g / L, onder normale omstandigheden, dat wil zeggen in de gasfase.

-0,145 g / ml, bij het smeltpunt, vloeibaar helium.

-0,125 g / ml, net als het helium begint te koken.

-0,187 g / ml, bij 0 K en 25 atm, dat wil zeggen vast helium bij die specifieke omstandigheden van druk en temperatuur.

Drievoudig punt

2,177 K en 5,043 kPa (0,04935 atm)

Kritisch punt

5,1953 K en 0,22746 MPa (2,2448 atm)

Warmte van fusie

0,0138 kJ / mol

Warmte van verdamping

0,0829 kJ / mol

Molaire warmtecapaciteit

20,78 J / (mol K)

Dampdruk

0,9869 atm bij 4,21 K. Deze waarde geeft u een idee van hoe vluchtig helium kan zijn en hoe gemakkelijk het kan ontsnappen bij kamertemperatuur (bijna 298 K).

Ionisatie-energieën

-Eerste: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gasvormig)

-Tweede: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gasvormig)

De ionisatie-energieën voor helium zijn vooral hoog omdat het gasvormige atoom een ​​elektron moet verliezen, dat een sterke effectieve nucleaire lading ervaart. Het kan ook worden begrepen door te kijken naar de kleine afmetingen van het atoom en hoe "dicht" de twee elektronen bij de kern zijn (met zijn twee protonen en twee neutronen).

Oplosbaarheid

In water wordt 0,97 ml opgelost per 100 ml water bij 0 ºC, wat betekent dat het slecht oplosbaar is.

Reactiviteit

Helium is het op een na minst reactieve chemische element in de natuur. Onder normale omstandigheden is het correct om te zeggen dat het een inert gas is; Nooit (zo lijkt het) kan een heliumverbinding in een kamer of laboratorium worden gemanipuleerd zonder dat er enorme druk op wordt uitgeoefend; of misschien dramatisch hoge of lage temperaturen.

Een voorbeeld hiervan is de verbinding Na ₂ He, die alleen stabiel is onder een druk van 300 GPa, gereproduceerd in een diamanten aambeeldcel.

Hoewel de chemische bindingen in Na ₂ He "vreemd" zijn omdat hun elektronen zich goed in de kristallen bevinden, zijn het verre van eenvoudige Van der Walls-interacties en bestaan ​​ze daarom niet simpelweg uit heliumatomen die worden ingevangen door moleculaire aggregaten. . Hier ontstaat het dilemma tussen welke heliumverbindingen echt zijn en welke niet.

Stikstofmoleculen kunnen bijvoorbeeld onder hoge druk een heliumatoom vangen om een ​​soort clathraat te vormen, He (N ₂ ) ₁₁ .

Evenzo zijn er de endohedrale complexen van fullereenkationen, C ₆₀ ^{+ n} en C ₇₀ ^{+ n} , in de holten waarvan ze heliumatomen kunnen huisvesten; en het moleculaire kation HeH ⁺ (He-H ⁺ ), gevonden in zeer verre nevels.

Oxidatiegetal

Nieuwsgierigheid die proberen om het oxidatiegetal van helium kwikverbindingen berekening zal blijken dat dit gelijk aan 0. In de Na ₂ hebben, bijvoorbeeld zou kunnen denken dat de formule correspondeert met hypothetische Na ₂ ⁺ I ^2- ; maar zo zou men aannemen dat het een puur ionisch karakter heeft, terwijl zijn banden in werkelijkheid verre van zo zijn.

Bovendien krijgt helium geen elektronen omdat het ze niet kan opnemen in de 2s-orbitaal, energetisch niet beschikbaar; Het is ook niet mogelijk om ze te verliezen vanwege de kleine afmetingen van zijn atoom en de grote effectieve nucleaire lading van zijn kern. Daarom participeert helium (in theorie) altijd als He ^0- atoom in zijn afgeleide verbindingen.

Structuur en elektronische configuratie

Helium neemt, net als alle gassen die op macroschaal worden waargenomen, het volume in van de containers waarin het wordt opgeslagen, en heeft dus een onbepaalde vorm. Wanneer de temperatuur echter zakt en begint af te koelen tot onder -269 ºC, condenseert het gas tot een kleurloze vloeistof; helium I, de eerste van de twee vloeibare fasen voor dit element.

De reden waarom helium bij zo'n lage temperatuur condenseert, is te wijten aan de lage verstrooiingskrachten die de atomen bij elkaar houden; ongeacht de beschouwde fase. Dit kan worden verklaard door de elektronische configuratie:

1s ²

Waarin twee elektronen de 1s atomaire orbitaal bezetten. Het heliumatoom kan worden gevisualiseerd als een bijna perfecte bol, waarvan de homogene elektronische periferie waarschijnlijk niet gepolariseerd raakt door de effectieve kernlading van de twee protonen in de kern.

Aldus zijn spontane en geïnduceerde dipoolmomenten zeldzaam en erg zwak; dus de temperatuur moet het absolute nulpunt naderen zodat de He-atomen langzaam genoeg naderen en bereiken dat hun verspreidende krachten een vloeistof definiëren; of nog beter, een heliumkristal.

Dimeren

In de gasfase is de ruimte die de He-atomen scheidt zodanig dat kan worden aangenomen dat ze altijd van elkaar gescheiden zijn. Zo erg zelfs dat het helium in een flesje met een klein volume kleurloos lijkt totdat het wordt onderworpen aan een elektrische ontlading, die zijn atomen ioniseert in een grijsachtige en zwak verlichte mist.

In de vloeibare fase kunnen de He-atomen, zelfs met hun zwakke interacties, echter niet langer "genegeerd" worden. Nu stelt de verspreidingskracht hen in staat om tijdelijk samen te voegen om dimeren te vormen: He-He of He ₂ . Daarom kan helium I worden gezien als enorme clusters van He ₂ in evenwicht met zijn atomen in de dampfase.

Daarom is helium I zo moeilijk te onderscheiden van zijn dampen. Als deze vloeistof uit de luchtdichte verpakking wordt gemorst, ontsnapt deze als een witachtige gloed.

Helium II

Als de temperatuur nog verder daalt en 2.178 K (-270.972 ºC) raakt, treedt een faseovergang op: helium I wordt omgezet in helium II.

Vanaf dit punt wordt de toch al fascinerende heliumvloeistof een supervloeistof of kwantumvloeistof; dat wil zeggen, hun macroscopische eigenschappen manifesteren zich alsof He ₂ dimeren individuele atomen waren (en misschien zijn ze dat ook). Het mist volledige viscositeit, aangezien er geen oppervlak is dat een atoom kan stoppen tijdens het glijden of "klimmen".

Daarom kan helium II tegen de wanden van een glazen container klimmen en de zwaartekracht overwinnen; hoe hoog ze ook zijn, zolang het oppervlak maar op dezelfde temperatuur blijft en dus niet verdampt.

Hierdoor kan vloeibaar helium niet in glazen containers worden bewaard, omdat het bij de minste scheur of opening zou ontsnappen; lijkt erg op hoe het zou gebeuren met een gas. In plaats daarvan wordt roestvrij staal gebruikt om dergelijke vaten te ontwerpen (Dewars-tanks).

Kristallen

Zelfs als de temperatuur daalde tot 0 K (het absolute nulpunt), zou de verstrooiingskracht tussen de He-atomen niet sterk genoeg zijn om ze in een kristallijne structuur te ordenen. Om stolling te laten plaatsvinden, moet de druk stijgen tot ongeveer 25 atm; en dan verschijnen compacte hexagonale heliumkristallen (hcp).

Geofysische studies tonen aan dat deze hcp-structuur ongewijzigd blijft, ongeacht hoeveel druk toeneemt (tot de orde van gigapascals, GPa). Er is echter een smal gebied in hun druk-temperatuurdiagram waar deze hcp-kristallen een overgang ondergaan naar een lichaamsgerichte kubische fase (bcc).

Waar te vinden en te verkrijgen

Kosmos en rotsen

Helium vertegenwoordigt het op een na meest voorkomende element in het heelal en 24% van zijn massa. Bron: Pxhere.

Helium is het tweede meest voorkomende element in het hele universum, na waterstof. Sterren produceren constant onmetelijke hoeveelheden heliumatomen door twee waterstofkernen samen te smelten tijdens het proces van nucleosynthese.

Evenzo is elk radioactief proces dat α-deeltjes uitzendt een bron van de productie van heliumatomen als ze een interactie aangaan met de elektronen in de omgeving; bijvoorbeeld met die van een rotsachtig lichaam in afzettingen van radioactieve mineralen van uranium en thorium. Deze twee elementen ondergaan radioactief verval, te beginnen met uranium:

Radioactief verval van uranium bij de vorming van alfadeeltjes, die later in ondergrondse afzettingen worden omgezet in een heliumatoom. Bron: Gabriel Bolívar.

Daarom zullen in de rotsen waar deze radioactieve mineralen zijn geconcentreerd, de heliumatomen worden ingevangen, die vrijkomen zodra ze worden verteerd in zure media.

Enkele van deze mineralen zijn cleveiet, carnotiet en uraniniet, allemaal samengesteld uit uraniumoxiden (UO ₂ of U ₃ O ₈ ) en onzuiverheden van thorium, zware metalen en zeldzame aarden. Het helium, geïrrigeerd via ondergrondse kanalen, kan zich ophopen in aardgasreservoirs, minerale bronnen of in meteoorijzers.

Geschat wordt dat jaarlijks een massa helium gelijk aan 3000 ton wordt geproduceerd in de lithosfeer, door het radioactieve verval van uranium en thorium.

Lucht en zeeën

Helium is niet erg oplosbaar in water, dus vroeg of laat stijgt het op uit de diepte (waar het ook vandaan komt), totdat het de lagen van de atmosfeer kruist en uiteindelijk de ruimte bereikt. De atomen zijn zo klein en licht dat het zwaartekrachtveld van de aarde ze niet kan tegenhouden in de atmosfeer.

Door het bovenstaande is de concentratie helium zowel in de lucht (5,2 ppm) als in de zeeën (4 ppt) erg laag.

Als men het vervolgens uit een van deze twee media zou willen extraheren, zou de "beste" optie lucht zijn, die eerst zou moeten worden onderworpen aan liquefactie om alle samenstellende gassen te condenseren, terwijl het helium in een gasvormige toestand blijft.

Het is echter niet praktisch om helium uit de lucht te halen, maar uit gesteenten verrijkt met radioactieve mineralen; of beter nog, uit aardgasreserves, waar helium tot 7% ​​van zijn totale massa kan vertegenwoordigen.

Vloeibaar maken en distilleren van aardgas

In plaats van de lucht vloeibaar te maken, is het gemakkelijker en rendabeler om aardgas te gebruiken, waarvan de heliumsamenstelling ongetwijfeld veel groter is. De grondstof bij uitstek (commercieel) voor het winnen van helium is dus aardgas, dat ook kan worden onderworpen aan gefractioneerde destillatie.

Het eindproduct van de distillatie wordt afgewerkt met actieve kool, waar een zeer zuiver helium doorheen stroomt. En tot slot wordt helium gescheiden van neon door een cryogeen proces waarbij vloeibaar helium wordt gebruikt.

Isotopen

Helium komt voornamelijk in de natuur voor als de ⁴ He- isotoop , waarvan de kale kern het beroemde α-deeltje is. Dit ⁴ He- atoom heeft twee neutronen en twee protonen. In minder overvloed is de isotoop ³ He, die maar één neutron heeft. De eerste is zwaarder (heeft een hogere atomaire massa) dan de tweede.

Het isotooppaar ³ He en ⁴ He zijn dus degenen die de meetbare eigenschappen bepalen en wat we begrijpen van helium als een chemisch element. Gegeven dat ³ He lichter is, wordt aangenomen dat de atomen ervan een hogere kinetische energie hebben en dat ze daarom een ​​nog lagere temperatuur nodig hebben om samen te smelten tot een supervloeistof.

De ³ Hij wordt hier op aarde als een zeer zeldzame soort beschouwd; in maanbodems komt het echter meer voor (ongeveer 2000 keer meer). Dat is de reden waarom de maan het onderwerp is geweest van projecten en verhalen als mogelijke bron van ³ He, die zou kunnen worden gebruikt als nucleaire brandstof voor het ruimtevaartuig van de toekomst.

Onder andere isotopen van helium kunnen worden genoemd, met hun respectieve halfwaardetijden: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) en ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

Risico's

Helium is een inert gas en neemt daarom niet deel aan de reacties die in ons lichaam optreden.

De atomen komen praktisch in en uit uitgeademd zonder dat hun interacties met biomoleculen een bijwerking veroorzaken; behalve in het geluid dat wordt uitgezonden door de stembanden, die hoger en frequenter worden.

Mensen die (met mate) helium uit een ballon inademen, spreken met een hoge stem, vergelijkbaar met die van een eekhoorn (of eend).

Het probleem is dat als hij een ongeschikte hoeveelheid helium inademt, hij het risico loopt te verstikken, aangezien zijn atomen de zuurstofmoleculen verdringen; en daarom kun je pas ademen als je al dat helium uitademt, dat op zijn beurt door de druk het longweefsel kan scheuren of barotrauma kan veroorzaken.

Er zijn gevallen gemeld van mensen die zijn overleden door het inademen van helium vanwege wat zojuist is uitgelegd.

Aan de andere kant, hoewel het geen brandgevaar vormt gezien het gebrek aan reactiviteit met zuurstof (of een andere stof), kan het lek fysiek gevaarlijk zijn als het onder hoge druk wordt opgeslagen en het ontsnapt.

Toepassingen

De fysische en chemische eigenschappen van helium maken het niet alleen een bijzonder gas, maar ook een zeer bruikbare stof voor toepassingen die extreem lage temperaturen vereisen. In deze sectie komen enkele van deze toepassingen of gebruiken aan de orde.

Druk- en ontluchtingssystemen

In sommige systemen is het nodig om de druk te verhogen (onder druk te zetten), en hiervoor moet een gas worden geïnjecteerd of aangevoerd dat geen interactie heeft met een van zijn componenten; bijvoorbeeld met reagentia of oppervlakken die gevoelig zijn voor ongewenste reacties.

Zo kan de druk worden verhoogd met volumes helium, waarvan de chemische inertie het ideaal maakt voor dit doel. De inerte atmosfeer die het levert, overtreft in bepaalde gevallen die van stikstof.

Voor het omgekeerde proces, dat wil zeggen het spoelen, wordt ook helium gebruikt vanwege het vermogen om alle zuurstof, waterdampen of enig ander gas mee te nemen waarvan u de aanwezigheid wilt verwijderen. Op deze manier wordt de druk van het systeem verlaagd zodra het helium is geleegd.

Lekdetectie

Helium kan door de kleinste scheur lekken, dus het dient ook om lekken op te sporen in leidingen, hoogvacuümcontainers of cryogene tanks.

Soms kan de detectie visueel of door aanraking worden gedaan; Het is echter meestal een detector die "signaleert" waar en hoeveel helium ontsnapt uit het te inspecteren systeem.

Draaggas

Heliumatomen, zoals vermeld voor zuiveringssystemen, kunnen, afhankelijk van hun druk, zwaardere moleculen met zich meedragen. Dit principe wordt bijvoorbeeld dagelijks gebruikt bij gaschromatografie-analyse, omdat het het verstoven monster langs de kolom kan slepen, waar het in wisselwerking staat met de stationaire fase.

Ballonnen en luchtschepen

Helium wordt gebruikt om luchtschepen op te blazen en is veel veiliger dan waterstof omdat het geen brandbaar gas is. Bron: Pixabay.

Vanwege zijn lage dichtheid in vergelijking met lucht en, nogmaals, zijn gebrek aan reactiviteit met zuurstof, is het gebruikt om ballonnen op te blazen op kinderfeestjes (gemengd met zuurstof zodat niemand stikt door het inademen), en luchtschepen (bovenste afbeelding) , zonder brandgevaar.

Duiken

Helium is een van de belangrijkste componenten van de zuurstoftanks waarmee duikers ademen. Bron: Pxhere.

Wanneer duikers naar grotere diepten afdalen, vinden ze het moeilijk om te ademen vanwege de grote druk die door het water wordt uitgeoefend. Dat is de reden waarom helium wordt toegevoegd aan hun zuurstoftanks om de dichtheid van het gas dat duikers inademen en uitademen te verminderen, en dus kan het met minder inspanning worden uitgeademd.

Booglassen

Tijdens het lasproces levert de elektrische boog voldoende warmte om de twee metalen samen te laten komen. Indien uitgevoerd onder een heliumatmosfeer, zal het gloeiende metaal niet reageren met de zuurstof in de lucht om zijn respectievelijke oxide te worden; daarom voorkomt helium dat dit gebeurt.

Supergeleiders

Vloeibaar helium wordt gebruikt om de magneten te koelen die worden gebruikt in scanners voor beeldvorming met kernmagnetische resonantie. Bron: Jan Ainali

Vloeibaar helium is zo koud dat het metalen in supergeleiders kan bevriezen. Hierdoor is het mogelijk zeer krachtige magneten te vervaardigen die, gekoeld met vloeibaar helium, zijn gebruikt in beeldscanners of nucleaire magnetische resonantiespectrometers.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde . (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17 april 2019). Heliumhydride-ion voor het eerst in de ruimte gedetecteerd: bewijs gevonden voor ongrijpbare chemie vanaf de eerste minuten van het universum. Hersteld van: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19 augustus 2009). Helium. Chemie in zijn element. Hersteld van: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Hersteld van: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, en Bassett, WA (1988). Kristalstructuur en dichtheid van helium tot 232 Kbar. Hersteld van: Articles.adsabs.harvard.edu
6. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Helium. PubChem-database. CID = 23987. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 februari 2017). Omhoog, omhoog en weg: chemici zeggen 'ja', helium kan verbindingen vormen. Utah State University. Hersteld van: phys.org
8. Steve Gagnon. (sf). Isotopen van het Element Helium. Jefferson Lab. Hersteld van: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Hersteld van: chemistryexplained.com