Ako je moguće i u upotrebi, koriste seosnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.
Helij (latinski:helium) jesthemijski element sasimbolomHe iatomskim brojem 2. On je bezbojni, neotrovni monoatomski gas, bez ukusa imirisa. Spada u plemenite gasove. Njegovatačka topljenja i ključanja su najniže među svim hemijskim elementima, a u prirodi postoji isključivo kaogas, dok pod ekstremnim uslovima temperature i pritiska može se prevesti u tečno stanje. On je drugihemijski element po lahkoći, odmah poslijevodika, te drugi po rasprostranjenosti usvemiru, čineći oko 24% ukupne elementarne mase, odnosno više od 12 puta veću masu nego svi teži elementi zajedno.
Njegova rasprostranjenost je sličnih vrijednosti i naSuncu iJupiteru. To je iz razloga visoke nuklearne vezujuće energe helija4He (po nukleonu) u odnosu na sljedeća tri elementa nakon helija. Ova vezujuća energija helija4He je razlog zašto je on proizvod inuklearne fuzije i radioaktivnog raspada. Najveći dio helija u svemiru je upravo izotop4He, a vjeruje se da je nastao tokomVelikog praska. Velike količine novog helija se stvarajunuklearnom fuzijom vodika uzvijezdama.
Helij je dobio ime po grčkom božanstvuHelios koje je predstavljalo Sunce. Prvi put je zapažen proučavanjem nepoznate žutespektralne linije u sunčevoj svjetlosti tokompomračenja Sunca 1868. godine koje je primijetio francuski astronomJules Janssen. Janssen zajedno sa Normanom Lockyerom se smatra otkrivačem elementa. Lockyer je prvi objavio da bi te žute linije mogle biti naznaka novog elementa, kojem je on i dao ime. Formalno otkriće helija uslijedilo je 1895. godine, kada su dvojica švedskih hemičaraPer Teodor Cleve iNils Abraham Langlet pronašli helij kojeg je otpuštalauranijeva rudacleveit. Godine 1903. velike rezerve helija su pronađene u poljima prirodnog gasa u dijelovima SAD, koje su i danas najveći proizvođač helija na svijetu.
Helij se koristi ukriotehnici (što je najveća oblast njegove upotrebe, trošeći oko četvrtine ukupne proizvodnje), naročito za hlađenje superprovodničnih magneta, što se najviše koristi za skeneremagnetne rezonance. Druge industrijske upotrebe helija, kao što je gas za pritisak i čišćenje, za stvaranje zaštite atmosfere i lučno zavarivanje te procese rasta kristala, koriste oko polovine svjetske proizvodnje gasa. Dobro poznato korištenje helija je i kao gasa zabalone icepeline,[3] međutim u tu svrhu koriste se zanimarive količine proizvodnje. Kao i kod bilo kojeg gasa čija se gustoća razlikuje od običnog zraka, udisanjem male količine helija privremeno se mijenja boja i kvalitet ljudskog glasa. U naučnom istraživanju, ponašanje dvije fluidne faze helija4He (helij I i helij II) je važno za istraživače koji proučavajukvantnu mehaniku (naročito osobine superfluidnosti) te one koji istražuju fenomene poputsuperprovodljivosti koja se javlja kod supstanci blizuapsolutne nule.
Helij laser
NaZemlji je on relativno rijedak, samo 0,00052% po zapremini uatmosferi. Najveći dio zemaljskog helija koji danas postoji stvoren je prirodnim radioaktivnim raspadom težih radioaktivnih elemenata (torija iuranija, mada postoje i drugi primjeri), jer se alfa čestica emitirana tokom takvih raspada sastoji odnukleona helija-4. Ovaj radiogenski helij je zarobljen zajedno sa prirodnim gasom u koncentracijama koje dostižu i do 7% po zapremini, a takav helij se danas komercijalno vadi procesom odvajanja na niskim temperaturama zvanimfrakciona destilacija. Helija ima u organičenim količinama i jedan je od malobrojnih elemenata koji mogu, nakon što dospiju u atmosferu, podignu se u najviše slojeve atmosfere i odu u svemir.[4]
Prvi dokaz postojanja helija dobijen je 18. augusta1868. godine, kao svijetla žuta linija talasne dužine 587,49nanometara u spektruhromosfere Sunca. Liniju je otkrio francuski astronomJules Janssen tokom potpunog pomračenja Sunca u gradu Guntur,Indija.[5] U prvi mah, za ovu liniju se smatralo da jenatrijeva. Ubrzo 20. oktobra iste godine, engleski astronom Norman Lockyer je posmatrao istu žutu liniju usunčevom spektru koju je nazvao D3 Fraunhoferova linija jer je bila u blizini tada već poznatih D1 i D2 linija natrija.[6] On je zaključio da je ona uzrokovana elementom na Suncu koji je nepoznat na Zemlji. Lockyer i engleski hemičar Edward Frankland dali su ime novom elementu po grčkoj riječi za Sunce ἥλιος (helios).[7][8]
Italijanski fizičarLuigi Palmieri prvi je otkrio 1882. godine postojanje helija na Zemlji, putem njegovih D3 spektralnih linija pri analizi lave naVezuvu. Škotski hemičarWilliam Ramsay 26. marta 1895. godine uspio je izolirati helij na Zemlji tretiranjem minerala cleveita (jednog oblikauraninita sadržaja najmanje 10% rijetkih zemnih elemenata) mineralnimkiselinama. Ramsay je tražioargon, ali je nakon što je odvojio dušik i kisik iz gasa oslobođenihsumpornom kiselinom, primijetio je svijetlu žutu spektralnu liniju koja je odgovarala D3 liniji posmatranoj u spektru Sunca.[6][9] Ovi uzroci su identificirani kao helij od strane Lockyera i britanskog fizičaraWilliam Crookesa. Nezavisno od njih, helij je izdvojen iz cleveita iste godine, nakon što su hemičari Per Teodor Cleve i Abraham Langlet u švedskom graduUppsala prikupili dovoljno gasa da tačno odrede njegovu atomsku težinu.[10][11] Helij je također izolirao i američki geohemičarWilliam Francis Hillebrand prije Ramsayevog otkrića, kada je primijetio neuobičajene spektralne linije tokom testiranja uzorka minerala uraninita. Međutim, Hillebrand je te linije pripisaodušiku.
Tečni helij
Ernest Rutherford iThomas Royds demonstrirali su 1907. godine da su alfa čestice zapravo jezgra atoma helija, tako što su omogućili da čestice uđu u tanki stakleni zidvakuumirane cijevi, a zatim su vršili pražnjenja u cijevi proučavajući spektar novog gasa u cijevi. Godine 1908. holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes je uspio prevesti helij u tečno stanje tako što ga je ohladio do temperature od 1 K.[12] Pokušao je i da dođe do čvrstog helija i dalje snižavajući temperaturu, međutim helij nema trojnu tačku temperature na kojoj su čvrsto, tečno i gasovito stanje u ekvilibriju. Onnesov učenik Willem Hendrik Keesom je 1926. godine uspio da dobije kocku čvrstog helija od 1cm3 tako što je dodatno povećao vanjski pritisak.[13] Ruski fizičarPeter Leonidovič Kapica otkrio je 1938. godine helij-4 koji gotovo nemaviskoznost pri gotovo apsolutnoj nuli. Taj fenomen se nazivasuperfluidnost.[14] Ovaj fenomen je povezan sa Bose-Einsteinovom kondenzacijom. Isti fenomen je posmatran 1972. godine kod helija-3, ali na temperaturama mnogo bližim apsolutnoj nuli, što je uspjelo američkim fizičarima Douglas D. Osheroffu, David M. Leeju i Robert C. Richardsonu. Za fenomen kod helija-3 smatra se da je povezan sa uparivanjem helij-3fermiona ubozone, analogno Cooperovim parovima elektrona koji daju superprovodljivost.[15]
Iz perspektivekvantne mehanike, helij je drugi najjednostavniji modelatoma, nakon atomavodika. Helij se sastoji od dvaelektrona u atomskim orbitalama koji okružuju jezgro sastavljeno iz dvaprotona i nekoliko neutrona, u zavisnosti od izotopa. U skladu sa Newtonovom mehanikom, nijedan sistem koji se sastoji iz više od dvije čestice ne može se riješiti tačnom analitičkim matematičkim pristupom (vidiproblem tri tijela) pa tako ni helij nije izuzetak. Međutim, neophodne su numeričke matematičke metode, čak i za riješavanje sistema od jednog jezga i dva elektrona. Takve metode izračunske hemije se koriste za kreiranje kvantnomehaničkog prikaza veza elektrona helija, koji su tačni unutar manje od 2% od tačne vrijednosti, a za to je potrebno samo nekoliko koraka izračuna.[16] U takvim modelima otkriveno je da svaki elektron u heliju djelimično zaklanja jezgro drugom elektronu, tako da je efektivni nuklearni nabojZ koji djeluje na svaki elektron iznosi oko 1,69 jedinica, a ne 2 naboja klasičnoggolog jezgra helija.
Pražnjenje u cijevi oblika atomskog simbola helija napunjenoj helijem
Helij je drugi najslabije reaktivni plemeniti gas, nakonneona, a samim tim i drugi najslabije reaktivni element uopće.[17] On je inertni i monoatomski gas u svim standardnim uslovima. Pošto helij ima relativno malumolarnu (atomsku) masu, njegovatoplotna provodljivost, specifična toplota ibrzina zvuka u njemu u gasnoj fazi je veća nego u svim drugim gasovima osim vodika. Iz sličnih razloga i zbog male veličine atoma helija, brzina difuzije helija kroz čvrsta tijela je tri puta veća nego kod običnog zraka i oko 65% od one kod vodika.[6]
Helij se najmanje rastvara u vodi od svih monoatomskih gasova,[18] i, općenito, spada u gasove koji se najmanje rastvaraju u vodi (gasovi CF4, SF6 i C4F8 imaju niže molarne odnose rastvorljivosti: 0,3802, 0,4394 i 0,2372 x2/10−5, respektivno, u odnosu na helijevih 0,70797 x2/10−5),[19], dok jeindeks prelamanja helija je bliže jedinici nego kod bilo kojeg drugog gasa.[20] Helij ima i negativanJoule-Thomsonov koeficijent u normalnoj temperaturi okruženja, što znači da se on zagrijava kada mu se dopusti slobodno širenje. Samo ispod svoje Joule-Thomson temperature inverzije (oko 32 do 50 K pri 1 atmosferi), on se hladi pri slobodnom širenju.[6] Kada se pothladi ispod ove temperature, helij se može prevesti u tečno stanje putem hlađenja pri širenju. Većina vanzemaljskog helija se nalazi u stanjuplazme, sa osobinama potpuno drugačijim od onih koje ima atomski helij. U plazmi, elektroni helija nisu povezani sa jezgrom, što rezultira vrlo velikom električnom provodnošću, čak i kada je gas samo djelimično ioniziran. Na nabijene čestice snažno utičumagnetska i električna polja. Naprimjer, u Sunčevom vjetru zajedno sa ioniziranim vodikom, čestice reagiraju sa Zemljinommagnetosferom povećavajući Birkelandove struje iauroru.[21]
Postoji osam poznatihizotopa helija, međutim samo su dva postojana3He i4He. U Zemljinoj atmosferi postoji otprilike jedan3Heatom na svakih milion4He atoma.[22] Za razliku od većine drugih elemenata, izotopska rasprostranjenost helija se značajno razlikuje u zavisnosti od porijekla nastanka helija, te zbog različitih procesa njegovog formiranja. Najčešći izotop4He nastaje na Zemlji putem alfa raspada težih radioaktivnih elemenata. Alfa čestica koja nastaje u tom raspadu je potpuno ionizirano jezgro4He. Izotop helija-4 ima neobično stabilno jezgro jer su njegovinukleoni postavljeni u potpune orbitale. Također, helij je nastao u ogromnim količinama tokomnukleosinteze u vrijeme Velikog praska.[23]
Iako je na Zemlji rijedak, helij je drugi najrasprostranjeniji element u poznatom svemiru (poslijevodika), čineći oko 23% njegovebarionske mase.[22] Najveći dio helija je stvoren nukleosintezom između jedne i tri minute nakonVelikog praska. Kao takvog, mjerenje njegove rasprostranjenosti u svemiru doprinosi i teoriji kosmoloških modela. U zvijezdama, on se stvara nuklearnom fuzijom vodika u lančanim proton-proton reakcijama iCNO ciklusu, kao dijela zvjezdane nukleosinteze.[23]
Ulitosferi helij se također javlja, ali u veoma malim količinama. Praktično sav helij koji je postojao na Zemlji nije mogao da gradi jedinjenja sa drugim elementima pa je zbog male mase napustio atmosferu Zemlje.
Helij se dobija uglavnom iz zemnog gasa koji je bogat ovim elementom. Ovog bogatog helijem gasa najviše ima uSAD. Helij se dobija i frakcionom destilacijom tečnog zraka. Svjetska produkcija helija iznosi oko 4500tona u toku godine.
Iako su baloni najpoznatija oblast korištenja helija, oni učestvuju malehnim udjelom u potrošnji helija.[24] Helij se koristi u mnoge svrhe, naročito tamo gdje su neophodne jedinstvene osobine, poput niske tačke ključanja, malehne gustoće, slabe rastvorljivosti, visoke toplotne provodljivosti ili internosti. Po podacima iz 2008. godine, svjetska godišnja proizvodnja helija iznosila je 32 milion kg (193 miliona kubnih metara) helija, a najviše helija (oko 22% od ukupne proizvodnje 2008. godine) potrošeno je za kriogene aplikacije, najvećim dijelom za hlađenje superprovodljivih magneta u medicinskim skenerima za magnetnu rezonancu.[25] Ostale značajnije oblasti upotrebe (oko 60% ukupne proizvodnje 1996. godine) bile su čišćenje sistema, održavanje kontrolirane atmosfere, zavarivanje i otkrivanje istjecanja.
Helij se koristi kao zaštitni gas u kojem rastusilicijski igermanijski kristali, te za proizvodnjutitanija icirkonija i ugasnoj hromatografiji,[1] jer je inertan. Također zbog inertnosti, savršene termalne i kalorijske prirode, velike brzine zvuka i visokih vrijednosti odnosa toplotnog kapaciteta, koristan je u supersoničnim zračnim tunelima[26] i impulsnim pogonima.[27]
Zabilježeno je nekoliko slučajevasamoubistava helijem, tako što su samoubice udisale čisti helij. Iako helij sam po sebi nije otrovan i inertan je, obdukcija nije pokazala nikakve patološke promjene kod tih žrtava, nego je uzrok bilaasfiksacija (gušenje). U tim slučajevima, kao što su bila tri slučaja samoubistva uBeču 2006. godine, helij zamjenjuje kisik u plućima što dovodi od klasičnog gušenja.[28]
↑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 58 (347–352): 65–67.doi:10.1098/rspl.1895.0006.
↑Emsley, John (2001).Nature's Building Blocks, Oxford: Oxford University Press. str. 175–179.ISBN0-19-850341-5
↑Langlet, N. A. (1895).Das Atomgewicht des Heliums. Zeitschrift für anorganische Chemie (njem.) 10 (1): 289–292.doi:10.1002/zaac.18950100130
↑Kapitza, P. (1938). "Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point". Nature 141 (3558): 74.doi:10.1038/141074a0
↑Osheroff, D. D.; Richardson, R. C.; Lee, D. M. (1972).Evidence for a New Phase of Solid He3. Phys. Rev. Lett. 28 (14): 885–888doi:10.1103/PhysRevLett.28.885
↑Weiss, Ray F. (1971). "Solubility of helium and neon in water and seawater".J. Chem. Eng. Data.16 (2): 235–241.doi:10.1021/je60049a019
↑Scharlin, P.; Battino, R. Silla, E.; Tuñón, I.; Pascual-Ahuir, J. L. (1998). "Solubility of gases in water: Correlation between solubility and the number of water molecules in the first solvation shell".Pure & Appl. Chem.70 (10): 1895–1904.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)doi:10.1351/pac199870101895
↑Stone, Jack A.; Stejskal, Alois (2004). "Using helium as a standard of refractive index: correcting errors in a gas refractometer".Metrologia.41 (3): 189–197.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)doi:10.1088/0026-1394/41/3/012
↑Buhler, F.; Axford, W. I.; Chivers, H. J. A.; Martin, K. (1976). "Helium isotopes in an aurora".J. Geophys. Res.81 (1): 111–115.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)doi:10.1029/JA081i001p00111
12Emsley, John (2001).Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. str.175–179.ISBN0-19-850341-5.
↑Beckwith, I.E.; Miller, C. G. (1990). "Aerothermodynamics and Transition in High-Speed Wind Tunnels at Nasa Langley".Annual Review of Fluid Mechanics.22 (1): 419–439.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)doi:10.1146/annurev.fl.22.010190.002223
↑Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid (2007).Suicidal asphyxiation with helium: Report of three cases Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle (njem. / eng.). Wiener Klinische Wochenschrift 119 (9–10): 323–325,doi:10.1007/s00508-007-0785-4
