Toepassingen
Helium wordt vaak gebruikt als vulmiddel voor balonnen, zeppelins en andere luchtschepen die lichter dan lucht moeten zijn. Bij balonnen en zeppelins kan men dan denken aan reclametoepassingen, maar ook atmosferisch en militair onderzoek zijn belangrijke toepassingen. Helium verdient de voorkeur boven waterstof, dat in vroeger tijden gebruikt werd, omdat het niet brandbaar is, en daarmee veiliger is. Een belangrijke les in dit opzicht was de ramp met de kolossale zeppelin de Hindenburg, hoewel bij recent onderzoek gebleken is dat niet zo zeer de waterstof maar de uiterst brandbare, zelfs ontplofbare lak aan de buitenkant de boosdoener was. Helium is qua stijgvermogen met 92,64% van dat van waterstof een goede vervanging. Wel is helium veel kostbaarder dan waterstof, want moeilijker te winnen.
Bij inademen van zuiver helium ontstaat iets wat veel mensen erg grappig vinden, de heliumstem.
Een mengsel van helium en zuurstof wordt vaak gebruikt bij diepzeeduiken, omdat helium inert is, minder goed in bloed oplost dan stikstof en 2,5 keer sneller diffundeert dan stikstof. Deze snelle diffusie vermindert de decompressietijd, ook is er niet als bij stikstof gevaar voor narcose en treden er in gewrichten minder bellen op.
Omdat helium het laagste smelt- en kookpunt heeft van alle elementen is het een zeer geschikt koelmiddel voor veel toepassingen die extreem lage temperaturen behoeven, zoals supergeleidende magneten en cryogene research. Helium wordt ook gebruikt als inert draaggas in de gas chromatografie.
Vloeibaar helium wordt steeds meer gebruikt bij MRI scans (Magnetic Resonance Imaging) in de medische sektor. Andere toepassingen zijn: aandrijfvloeistof (onder hoge druk) in raketten, als inert afdekgas bij booglassen, als inert gas waarin silicium en germanium kristallen kunnen aangroeien, als koelmiddel voor kernreactoren en als gas voor supersonische windtunnels.
De vorming van helium uit waterstof, een kernreaktie waarbij zeer veel energie vrijkomt, vormt de basis van de waterstofbom. Helium kan gesynthetiseerd worden door lithium of boor met zeer snelle protonen te beschieten.
Geschiedenis
Helium werd in 1868 door de fransman Pierre Janssen en engelsman Norman Lockyer onafhankelijk van elkaar ontdekt. Beiden bestudeerden het licht van de zon tijdens een zonsverduistering die in dat jaar plaats vond, en zagen met een spectroscoop een emissielijn van een tot dan onbekend element. Eduard Frankland bevestigde de waarnemingen van Janssen en was degene die voorstelde om het element naar de zon (Grieks: helios) te vernoemen. Hij stelde het achtervoegsel -ium voor, omdat hij verwachtte dat het element een metaal zou zijn. Toen het element in 1895 door Sir William Ramsay uit cleviet werd gewonnen bleek het geen metaal te zijn, maar de naam werd niet aangepast. De Zweedse chemici Nils Langlet en Per Theodor Cleve voerden onafhankelijk van Ramsay ongeveer gelijktijdig hetzelfde experiment uit.
In 1907 toonden Ernest Rutherford en Thomas Royds aan dat alfadeeltjes niets anders waren dan helium kernen. In 1908 lukte het de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes als eerste om helium vloeibaar te maken door het gas tot 0,9 K af te koelen. Hij werd hiervoor met een Nobelprijs onderscheiden. Zijn leerling Willem Hendrik Keesom, die hem inmiddels als directeur van het laboratorium was opgevolgd, lukte het in 1926 als eerste helium onder hoge druk in vaste vorm om te zetten.
Verspreiding
Helium is na waterstof het element dat het meest in het heelal voorkomt. Het is via spectroscopie in grote hoeveelheden aangetoond, met name in sterren. Het speelt een belangrijke rol in de proton-proton reactie en de koolstofcyclus waar sterren een groot deel van hun energieproduktie aan ontlenen.
Helium komt in de aardatmosfeer in kleine hoeveelheden voor (1 op 200.000 moleculen). Verder wordt het als vervalprodukt in verschillende radioactieve mineralen aangetroffen. Men name geldt dit voor de uranium- and thoriummineralen, zoals clevieten, pekblende, kartoniet, monaziet and beril; het wordt in deze elementen gevormd door radioactief verval in de vorm van alfadeeltjes. Het kan uit deze mineralen gewonnen worden. Helium wordt ook aangetroffen in sommige mineraalwaters (1 molecuul per duizend in sommige bronnen in IJsland), in vulkanische gassen, en in sommige natuurlijke gasreserves (onder andere in de Verenigde Staten), waar het meeste commerciële helium uit gewonnen wordt.
Verbindingen
Helium is een edelgas en als zodanig in vrijwel alle omstandigheden chemisch inert, maar wanneer helium gebombardeerd wordt met elektronen kan het verbindingen aangaan met wolfraam, jodium, fluor, zwavel en fosfor.
Isotopen
De meest voorkomende is isotoop 4He, dat een kern heeft die uit twee protonen en twee neutronen bestaat. Dit is een ongebuikelijk stabiele nucleaire configuratie omdat de nucleonen een volle schil heeft met een zogenaamd magisch aantal kerndeeltjes. Veel zwaardere kernen vervallen door emissie van een 4He kern, een proces dat alfaverval wordt genoemd. Helium kernen worden daarom ook wel alfadeeltjes genoemd. Een groot deel van het op aarde aanwezige helium is zo ontstaan. Een tweede heliumisotoop, 3He, heeft slechts 1 neutron. Er zijn ook zwaardere isotopen, maar deze zijn radioactief. 3He komt op aarde nauwelijks voor, omdat verval van zwaardere elementen alleen 4He produceert en atmosferisch helium relatief snel naar het heelal weglekt.
3He en 4He werden beide in grote hoeveelheden gevormd tijdens de Big Bang.
Verschijnigsvormen
Vloeibaar helium 4He komt in twee vormen voor: 4He I en 4He II, met een scherpe overgang tussen beide vormen bij 2.174 (2,189 ?) K, het zogenaamde lambda punt. Boven deze temperatuur komt de 4He I vorm voor, een normale vloeistof; daaronder 4He II, dat met geen andere substantie te vergelijken is. 4He II gedraagt zich als een superfluïde vloeistof, als gevolg van bepaalde kwantum effekten, en was de eerste stof waarbij dit effekt op macroscopisch niveau werd waargenomen. Deze overgang vindt voor 3He bij een veel lagere temperatuur plaats dan voor 4He, omdat het superfluïde effekt is gebaseerd op condensatie van bosonen, die in paren condenseren. Aangezien de transformatie van een hogere orde is, zonder latente warmte bij het lambda punt, kunnen 3He-3 en 4He niet naast elkaar bestaan.
Helium II heeft totaal geen viscositeit en zijn warmtegeleiding is veel groter is van enige andere stof. Voorts vertoont helium II een thermodynamisch fontein effekt.; wanneer twee vaten die helium II bevatten door een nauwe (capillaire) leiding worden verbonden, en één van beide vaten wordt verwarmd, zal er helium naar het verwarmde vat stromen. Omgekeerd zal een geforceerde stroming van helium het helium dat het capillair verlaat afkoelen, het mechanocalorische effekt.
Hittegolven bewegen zich in helium II op dezelfde wijze als geluidsgolven, dit fenomeen wordt het 'tweede geluid' genoemd. Wanneer een vaste stof in kontakt wordt gebracht met helium II ontstaat een dunne heliumfilm van 50 tot 100 atomen dik. Over deze laag kan het overige helium zich geheel wrijvingsloos bewegen. Als gevolg hiervan is het niet mogelijk om helium II in een open vat te bewaren zonder dat het over de rand van het vat vloeit. Bij normale vloeistoffen zou dat alleen met een hevel lukken.
Een hoeveelheid helium II zal niet als geheel roteren; een poging om de vloeistof in draaiing te brengen zal resulteren in kleine wervelingen die door de vloeistof verspreid zijn.
Waarschuwing
Vaten gevuld met helium in gasvorm, die bij 5 tot 10 K opgeslagen worden moeten behandeld worden alsof ze vloeibaar helium bevatten in verband met de grote toename in druk wanneer het gas tot kamertemperatuur wordt verwarmd.
Zie ook: - Scheikunde
- Periodiek systeem
- Isotopen tabel
- Lijst met elementen
- Naburige elementen
Externe links: simple:Helium
