Helij (He) – definicija, lastnosti, izotopi in uporaba

Helij je kemični element s kemijskim simbolom He, atomsko število 2 in atomsko maso približno 4,002602. Obstaja več izotopov helija, od katerih sta stabilna le dva: ^3He in ^4He. Izotop ^4He je daleč najpogostejši in predstavlja večino naravnega helija na Zemlji.

Lastnosti

Helij je najlažji izmed žlahtnih plinov in ima pri standardnih pogojih majhno gostoto (približno 0,1786 g/L pri 0 °C in 1 atm). Je monatomaren plin z elektronsko konfiguracijo 1s², zelo nereaktiven in praktično ne tvori običajnih spojin. Med vsemi elementi ima najnižje vrelišče (4,222 K pri 1 atm) in pri atmosferskem tlaku nima stalne trdne oblike (led nastane šele pri zelo visokem tlaku). Pod normalen pogoji je brez barve in vonja; ko ga razbujamo v električnem polju, oddaja značilne svetlobne črte (videti so rumeno-rdeče/oranžne in druge črte), kar je pomagalo pri njegovem odkritju v Sončevem spektru.

Posebne nizkotemperaturne lastnosti: tekoči helij je ključnega pomena za hlajenje zaradi znižanja temperature do nekaj kelvinov. ^4He postane supertekoč pri temperaturah pod lambda točko 2,17 K, kar vodi do nenavadnih pojavov (npr. izjemno nizka viskoznost). ^3He prav tako pokaže supertekočnost, vendar pri mnogo nižjih temperaturah (miliKelvinih) in ob drugih mehanizmih meddelčnega uparjanja.

Izotopi

Glavna stabilna izotopa sta ^4He (najbolj razširjen) in redkejši ^3He. Poleg teh obstaja več kratkotrajnih radioaktivnih izotopov helija, vendar so njihovi življenski časi zelo kratki. ^4He nastaja tudi kot delci alfa pri naravnem radioaktivnem razpadu težkih elementov (npr. torija ali urana), zato je veliko helija na Zemlji produkt takšnega razpada. ^3He je veliko redkejši in ima pomembne tehnološke uporabe (npr. v detektorjih nevtronov in kot hladilno sredstvo v posebnih nizkotemperaturnih aplikacijah).

Vloga v vesolju in nastanek

Helij je po vodiku drugi najpogostejši element v vesolju. V zvezdah nastaja z jedrsko fuzijo, kjer se v procesu združevanja (npr. pri zvezdah kot je Sonce) štirje vodikovi jedri lahko združijo v jedro helija (procesi, kot je proton-proton cikel ali trojni alfa proces pri težjih zvezdah). Astronomi so helij prepoznali v sončnem spektru že leta 1868, preden so ga izolirali na Zemlji.

Uporaba

Polnjenje balonov in zračnih ladij: helijeva gostota je manjša od gostote zraka, zato omogoča vzgon; ker ne gori, je varnejši od vodika.
Nizkotemperaturna tehnologija: tekoči helij se uporablja za hlajenje superprevodnikov (npr. v MRI napravah in velikih magnetih), v raziskavah supervodenja in za doseganje temperatur nekaj kelvinov ali nižje.
Raziskave in industrija: žarnice, varilni procesi (helij kot zaščitni plin pri TIG varjenju), polprevodniška industrija, plinski nosilec v plinsko-kromatografskih analizah.
Morske in potapljaške mešanice: helij se uporablja v dihalnih zmesi (npr. heliox, trimix) za globoko potapljanje, da zmanjša nitrogensko narkotično delovanje.
Detekcija puščanj in merilna tehnika: zaradi majhne atomske velikosti in inertnosti se uporablja pri detekciji puščanj (heliumska testiranja) in kot merilno plin v instrumentih.
V jedrski fiziki in astronomiji: uporaba v eksperimentih, nevtronskih detektorjih (predvsem ^3He), ter pri raziskavah visokih energij.

Pridobivanje in zaloge

Na Zemlji helij največkrat pridobivajo iz zemeljskega plina, kjer se pojavlja kot stranski komponent (izločen pri procesih destilacije zemeljskega plina). Ker je helij lahek in pobegne v vesolje, se na Zemlji kopiči predvsem kot produkt radioaktivnega razpada težkih elementov v zemeljski skorji. Zaradi omejenih virov in porabe v industriji ter raziskavah je dostopnost helija strateškega pomena; včasih pride do pomanjkanja in priprav na recikliranje v velikih uporabah (npr. v laboratorijih in medicinskih centrih).

Varnost

Helij ni strupen in ne vžge; glavna nevarnost je dušenje (hipoksija), saj pri prekomernem vdihavanju helija ne dobimo kisika in se zmanjša oskrba telesa s kisikom. To lahko povzroči poškodbe ali smrt. Vdihavanje helija za zabavo (sprememba glasu) ni varno, še posebej pri znižanem dovodu kisika. Tekoči helij predstavlja tveganje za ozebline ali poškodbe zaradi izjemno nizkih temperatur, prav tako pa so pri rokovanju s stisnjenim helijem potrebni ukrepi za preprečevanje poškodb zaradi visokega tlaka.

Zgodovina odkritja

Astronomi so helij najprej zaznali v spektru Sonca leta 1868; linijo sta opazovala Jules Janssen in Norman Lockyer, ki je tudi predlagal ime po grškem sončnem bogu Helios. Helij na Zemlji je bil prvič izoliran in prepoznan leta 1895 s strani sir Williama Ramsaya, ki ga je odkril v mineralu klevit (cleveit) oziroma v zemeljskem plinu in potrdil, da gre za nov element.

Helij ostaja ključni element v sodobni znanosti in tehnologiji, predvsem zaradi svojih edinstvenih nizkotemperaturnih lastnosti, redkosti in inertnosti. Zaradi strateške pomembnosti se vzpostavljajo tudi prakse za učinkovitejšo rabo in reciklažo helija v industrijskih in raziskovalnih obratih.

Ker je helij zelo lahek, je najprimernejši plin za polnjenje zračnih ladij, kot je Goodyear blimp.

Oskrba

Helij je na Zemlji redek. Če se sprosti v zraku, zapusti planet. V nasprotju z vodikom, ki reagira s kisikom in tvori vodo, helij ni reaktiven. Ostane kot plin. Po sprejetju zakona o heliju leta 1925 so ZDA dolga leta zbirale helij v nacionalni rezervi helija. Ameriški helij izvira iz vrtin na območju Velikih ravnic. Trenutno več helija kot ZDA dobavlja Katar.

Več raziskovalnih organizacij je objavilo izjave o pomanjkanju in ohranjanju helija. Te organizacije so že leta 1995 in še leta 2016 objavile politična priporočila, v katerih so vlado Združenih držav Amerike pozvale k shranjevanju in ohranjanju helija zaradi naravnih omejitev zalog helija in edinstvene narave tega elementa. Za raziskovalce je helij nenadomestljiv, saj je bistven za pridobivanje zelo nizkih temperatur. Helij pri nizkih temperaturah se uporablja v kriogeniki in v nekaterih aplikacijah kriogenike. Tekoči helij se uporablja za hlajenje nekaterih kovin na izjemno nizke temperature, ki so potrebne za superprevodnost, na primer v superprevodnih magnetih za slikanje z magnetno resonanco.

Vprašanja in odgovori

V: Kakšen je kemijski simbol za helij?

O: Kemijski simbol za helij je He.

V: Koliko je izotopov helija?

O: Obstaja 9 izotopov helija, od katerih sta le dva stabilna.

V: Zakaj je helij žlahtni plin?

O: Helij se imenuje žlahtni plin, ker se ne meša redno z drugimi kemikalijami in ne tvori novih spojin.

V: Kakšno barvo in vonj ima helij?

O: Helij nima barve ali vonja. Vendar pa se v električnem polju rdeče-oranžno sveti.

V: Kdaj so astronomi prvič zaznali prisotnost helija?

O: Astronomi so prisotnost helija prvič zaznali leta 1868, ko so njegov spekter prepoznali v svetlobi Sonca. To je bilo pred njegovim odkritjem na Zemlji.

V: Kaj je nekaj načinov uporabe helija na Zemlji?

O: Na Zemlji se helij uporablja za polnjenje balonov in zračnih ladij, saj je njegova gostota manjša od gostote zraka, uporablja pa se tudi v nekaterih vrstah žarnic. Lahko ga tudi vdihavamo, vendar je to lahko nevarno, če ga vdihnemo preveč, saj lahko povzroči hipoksijo, ki lahko poškoduje ali ubije osebo, ki ne diha običajnega zraka, in dolgoročne posledice za glasilke.

V: Kako helij nastaja na Zemlji?

O: Na Zemlji helij nastaja z naravnim radioaktivnim razpadom težkih radioaktivnih elementov, kot sta torij in uran, čeprav obstajajo tudi drugi primeri. Delci alfa, ki se oddajajo pri takih razpadih, so sestavljeni iz jeder helija-4.