Helium feiten

Helium is een scheikundig element met symbool He en atoomnummer 2. Het is een kleurloos edelgas.

Ontdekking

Helium werd in 1868 door de Fransman Pierre Janssen en de Engelsman Norman Lockyer onafhankelijk van elkaar ontdekt. Beiden bestudeerden het licht van de zon tijdens een zonsverduistering die in dat jaar plaatsvond, en zagen met een spectroscoop een emissielijn van een tot dan toe onbekend element. Edward Frankland bevestigde de waarnemingen van Janssen en was degene die voorstelde om het element naar de zon te noemen. 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 het jaar 1907 toonden Ernest Rutherford en Thomas Royds aan dat alfadeeltjes niets anders waren dan heliumkernen. In 1908 lukte het de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes als eerste om helium vloeibaar te maken door het gas tot 0,9 kelvin af te koelen. Hij werd hiervoor met een Nobelprijs onderscheiden. Zijn leerling Willem 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.

Toepassingen

Ballonnen

Helium wordt vaak gebruikt als vulmiddel voor ballonnen en luchtschepen, die immers lichter dan lucht moeten zijn. Men kan dan denken aan reclametoepassingen, maar ook atmosferisch en militair onderzoek zijn belangrijke toepassingen. Helium verdient de voorkeur boven waterstof omdat het niet brandbaar is, en daarmee veiliger.

Het stijgvermogen van helium is 93% van dat van waterstof, een goede vervanging dus. Wel is helium veel kostbaarder dan waterstof, want het is moeilijker te winnen. Bovendien kan het niet met de cascademethode vloeibaar gemaakt worden, waardoor het duur in het gebruik is, bijvoorbeeld bij transport en ook bij toepassing als koelmiddel, vergeleken met vloeibare stikstof.

De vooroorlogse zeppelins konden niet met helium gevuld worden, omdat alleen de Amerikanen in grote hoeveelheden over dit kostbare gas beschikten en het niet aan Duitsland wilden leveren. Duitsland was officieel nog een bevriende staat, maar men was er niet zeker van dat het land van Adolf Hitler het gas alleen voor vredelievende doeleinden zou gebruiken. De zeppelins werden dus met waterstof gevuld, wat in 1937 resulteerde in de ramp met de kolossale Hindenburg, waarna voor de zeppelins het doek viel.

Koelmiddel

Doordat 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 en kernreactoren. In vloeibare vorm wordt het gebruikt bij MRI-scans in de medische sector, als koeling voor de supergeleidende elektromagneten.

Gasontladingslamp gevuld met helium

Diepzeeduiken

Diepzeeduikers ademen vaak een mengsel van helium en zuurstof in, mede omdat zuurstof bij hogere omgevingsdruk giftig is en stikstof onder hoge druk kan leiden tot stikstofnarcose en caissonziekte. Door een deel van de zuurstof en stikstof te vervangen worden deze effecten beperkt. De lage dichtheid van helium zorgt verder voor een afname van de viscositeit van het ademmengsel waardoor het makkelijker adembaar is bij hoge omgevingsdruk.

Overige

Van de chemische inertie wordt gebruikgemaakt bij toepassing als draaggas in de gaschromatografie, als beschermgas bij booglassen en als gas waarin silicium- en germanium-kristallen kunnen aangroeien.

Tot het scala van toepassingen behoort ook het gebruik in gasontladingslampen waar het voor een goudgeel licht zorgt. Vanwege het kleine molecuul wordt het gebruikt voor lektesten, bijvoorbeeld van drukvaten. Het vat wordt dan onder druk gezet met helium, waarna in een stikstof-omgeving het aantal heliumatomen wordt gemeten; zijn die er niet, dan is het vat lekdicht. Voor raketaandrijving wordt afdampend gas gebruikt, dat vrijgelaten wordt uit een houder met vloeibaar helium onder hoge druk. Verder wordt het gas toegepast in supersonische windtunnels.

Productie

De vorming van helium uit waterstof, een kernfusiereactie waarbij zeer veel energie vrijkomt, vormt de basis van de energie van sterren maar ook die van de waterstofbom. Helium kan gesynthetiseerd worden door lithium of boor met zeer snelle protonen te beschieten. Dit komt doordat er bij radioactief verval α-straling vrijkomt, wat helium-kernen zijn. Helium wordt ook bij aardgas gevonden (1% helium). Door scheidingstechnieken kan het helium van het aardgas gescheiden worden.

Opmerkelijke eigenschappen

Helium is een kleurloos en reukloos edelgas en heeft een extreem laag kookpunt (4,2 Kelvin), het laagste van alle elementen. Het is in de meeste omstandigheden chemisch inert. Het is na waterstof het meest voorkomende element in het universum. Helium bestaat uit losse atomen. Het is alleen bij extreem lage temperatuur vloeibaar te maken.

De specifieke warmte van helium is erg hoog, en heliumdamp is erg compact, maar zet snel uit bij hogere temperatuur. De kritische temperatuur van Helium is slechts 5,19 K.

Helium is het enige element dat bij normale druk niet in een vaste stof overgaat beneden een bepaalde temperatuur. Het kan alleen onder hoge druk (minimaal 2,6 MPa) vast worden gemaakt. Vast 3He en 4He hebben de unieke eigenschap dat hun volume onder nog meer druk met meer dan 30% kan afnemen.

Bij temperaturen beneden 1 K is 2,6 MPa voldoende om helium vast te maken. Bij hogere temperaturen loopt dat snel op. Zo is er bij 15 K al een druk van rond 100 MPa voor nodig, en bij kamertemperatuur zelfs zo'n 20 GPa.

Vast helium ondergaat bij ongeveer 15 K een overgang tussen kubische en hexagonale stapelingen.[bron?] Bij veel lagere temperatuur en hogere druk treedt een derde vorm op, waarbij de atomen zich ordenen volgens een ruimtelijk gecentreerde kubische structuur.[bron?] Al deze ordeningen zijn vergelijkbaar qua energie en dichtheid. De oorzaak voor de veranderingen heeft te maken met interacties tussen de atomen.

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. Van alle gassen lost helium het slechtst op in water.

Helium-3 is het product van radioactief verval van tritium. Het edelgas stapelt zich soms ook op in kernreactoren. Een dergelijke heliumvergiftiging was er de oorzaak van dat de Duitse atoombom in de Tweede Wereldoorlog niet kon worden gebouwd. De experimentele kernreactor werkte niet goed.[1] In de moderne W88 kernkoppen van de Verenigde Staten werd daarom een filter,[2] waarschijnlijk van palladium,[3] ingebouwd om de verontreiniging van de tritium in de "primary", de eerste fase van de ontsteking van deze waterstofbom te voorkomen. In de Verenigde Staten heeft een verontreiniging met helium tot "fizzles" geleid. Dat houdt in dat de neutronen van een kernsplitsing tijdens de ontploffing door helium worden geabsorbeerd. Dan zijn er niet genoeg neutronen beschikbaar om het reservoir met lithium-6 - deuterium te bombarderen. De bom haalt dan maar een fractie van de beoogde explosieve kracht. De Amerikaanse codenaam van het zeer geheime filter is "Terrazo".[4]

Natuurlijke verschijningsvorm

Helium komt in de aardatmosfeer in zeer kleine hoeveelheden (1 op 200.000 moleculen) voor: het wordt op aarde geproduceerd als bijproduct van radioactief verval van sommige zware metalen. Met name geldt dit voor de uranium- en thoriummineralen, zoals clevieten, pekblende, kartoniet, monaziet en beril; het wordt in deze mineralen uit zware elementen gevormd door radioactief verval in de vorm van alfadeeltjes. Het helium kan uit deze mineralen gewonnen worden. Ook komt het voor in sommige mineraalwaters (met name in IJsland) en in vulkanische gassen, en in sommige natuurlijke gasreserves (onder andere in de Verenigde Staten), waaruit het meeste commerciële helium gewonnen wordt.

Helium is via spectroscopie in grote hoeveelheden aangetoond, met name in sterren. Het speelt een belangrijke rol in de proton-protoncyclus en de koolstof-stikstofcyclus, waar sterren een groot deel van hun energieproductie aan ontlenen.

 

Bron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Helium