Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Nytt helium uppstår genom fusionsprocesser istjärnorna och genomalfastrålning från radioaktiva grundämnen. Koncentrationen i jordensatmosfär är låg, så helium utvinns mest urnaturgas.
Helium används inom flera teknikområden: Eftersom gasen är lätt ochinert med små obundna atomer passar den som kontrollerad atmosfär, vid läcksökning och somdrivgas i raketer. Flytande helium är ett viktigt kylmedel inom lågtemperaturtekniken och i detsupraflytande tillståndet blir ämnet en mycket god värmeledare.
Bindningsenergi per nukleon. D ärdeuterium (2H), T ärtritium (3H)
Heliumatomens kärna består av tvåprotoner och en eller fleraneutroner. Det omgivande elektronmolnet har tvåelektroner som fyller1s-orbitalen. Av alla atomer har helium den minsta radien.[5]
Helium har två naturliga stabilaisotoper med olika fysikaliska egenskaper vid låg temperatur, dessutom några instabila syntetiska isotoper.
Den på jorden helt övervägande isotopen Helium-4, eller4He, har två neutroner och är enboson. Kärnan har enbindningsenergi av 7,07 Megaelektronvolt (MeV) pernukleon, vilket är det högsta värdet bland alla atomer medmasstal under 12.4He-kärnan är därmed mycket stabil.
Helium-3- eller3He-atomen har endast en neutron och är därmed enfermion. På jorden är den sällsynt och utgör endast 1,34 ppm av luftens heliumatomer.[13]
Man har diskuterat om3He kan användas som bränsle ifusionskraftverk, genomdeuterium-helium3- och helium3-helium3-fusionerna:
2H +3He
→4He
+1H
3He +3He
→4He
+ 21H
Till skillnad från de i forskningsreaktorer vanligen använda DT och DD-processerna, skulle3He-fusion ha fördelen att varken generera neutroner eller radioaktiva isotoper. De reaktortekniska extra-svårigheterna för3He-fusion är dock betydande: Deuteriumkärnor fusionerar lättare med varandra än med3He och för att fusionera två3He-kärnor behövs mycket högre temperaturer och tryck än för DT- och DD-Processerna.[14]
På grund av heliums speciella egenskaper behandlas i följande avsnitt suprafluiditet som ettaggregationstillstånd även om detta inte stämmer exakt med gängse allmän definition
Till skillnad från de flesta andra grundämnen beror övergångarna mellan heliums aggregationstillstånd starkt av isotopen.
Vid 0 °C och 1000 kPa är helium en färglös gas utan lukt och smak.Densiteten är 0,178 kg/m3, eller knappt en sjundedel avluftens. En heliumballong med volymen 1 m3lyfter 1,115 kg, inklusive sin egen massa. Den låga densiteten inverkar även påljudhastigheten, som är 971 m/s, eller knappt 3 gånger ljudhastigheten i luft.[5]
Vid temperaturer under 1 mK kan även3He bli supraflytande. Supraflytande3He har en mer komplicerad struktur än4He och måste förklaras med andra teorier.[19]
Endast vid låga temperaturer och tryck högre än 2,5 MPa, (cirka 25 atmosfärer), kan helium inta fast form.Kristallstrukturen ärhexagonal (hcp) eller i vissa fallkubisktrymdcentrerat (bcc).
Fast helium sublimeras inte till gasform. Det finns därmed ingentrippelpunkt enligt gängse definition. Som trippelpunkt kan man istället ange jämviktspunkten mellan faserna "gas", "flytande" och "supraflytande" (för4He: 2,172 K och 5,035 kPa) eller den mellan faserna "flytande", "supraflytande" och "fast" (för4He: 1,76 K och 3,02 MPa). Dessa motsvararlambdapunktens lägsta och högsta tryck.[20]
På grund av elektronstrukturen och elektronernas närhet till kärnan är heliuminert. Med 24,6 eV är joniseringsenergin den högsta av alla atomers.[5] Helium ingår därför endast i specialfallmolekyl- ellerjon-liknande förbindelser.
Dihelium (He2, ChEBI ID:33685[21]) är en mycket löst bundendimer som uppstår genomvan der Waals-kraft. I dimeren är avståndet mellan atomerna hela 5,2 nm och bindningsenergin 1,1 mK[22] (10-7eV). Eftersom vibrationsenergi lätt bryter upp molekylen är den instabil, utom vid temperaturer näraabsoluta nollpunkten. Dihelium kan joniseras och den negativa jonen He2- ärmetastabil med livslängd över 1 μs.[23]
Iuniversum är helium det näst vanligaste grundämnet:[25] EnligtBig Bang-teorin skedde en tidignukleosyntes av lätta atomkärnor inom 20 minuter efter Big Bang. Efter denna skall 25 % av universums massa ha bestått av4He och 10 ppm av3He. Heliumhalten stämmer ungefär med vad som idag observeras i utomgalaktiskaH II-regioner.[26][27]
Helium är också vanligt isolsystemet:solens, liksom många andra stjärnors, värme uppstår huvudsakligen genomproton-proton-processen där helium bildas urväte. Solensfotosfär innehåller 25 % helium[28] och heliumhalten isolvinden är någon viktprocent av vätehalten.[29] I solvinden är mol-förhållandet mellan3He och4He ca. 430 ppm.[30]
Planeternas atmosfär har olika heliumkoncentration. Allmänt sett är den större i stora planeter:
Tabell: Volymmässig heliumkoncentration i solsystemets planetatmosfärer.
Månytansregolit, som utsätts för solvinden, innehåller också helium. Förhållandet mellan de stabila isotoperna [3He]/[4He] är 0,03 viktprocent, liknande förhållandet i solvinden och betydligt högre än på jorden.[29]
Ijordens innandöme bildas helium vidalfasönderfall av tunga grundämnen.[38]Naturgas kan därför innehålla ett par procent helium. Heliumrik naturgas finns normalt över kristallina bergarter innehållandeuran ellertorium. För att helium skall hållas kvar i ett lagerställe måste det vara täckt av täta sedimentära bergarter.Kväve fungerar som bärgas för heliumtransport i berget.[39] Ivår atmosfär är heliumkoncentrationen dock endast 5,2 ppm[32] eftersom heliumatomerna snabbt avges till världsrymden.
Naturgasen ur vilken helium utvinns bör ha en halt av minst 0,4 %. Den genomgår först en förbehandling därkoldioxid,vattenånga och tyngrekolväten tas bort. Därefter avskiljsmetan ochkväve i flera steg genomfraktionerad destillation. Produkten är ett råhelium med 50 till 70 % helium, kvävgas liksom små mängder metan,vätgas ochneon. Råhelium renas genom kondensation av kvävgas och metan, oxidering av vätet och pressure-swing-adsorption (PSA) till 99,99 % renhet.[40]
Världens heliumutvinning år 2016 uppskattas till 132 miljoner m³. Marknaden domineras avUSA ochQatar:
2016 producerade USA 63 miljoner m³ helium.[41] Produktionen kommer ur källor i norraTexas,Oklahoma,Kansas och östraColorado men också längre västerut, runtKlippiga bergen.[42] Dessutom frigjordes 22 miljoner m³ helium ur den statliga strategiska reserven (National Helium Reserve) i Cliffside utanförAmarillo, Texas.
InomEuropeiska unionens område finns helium i sydvästraPolen. År 2015 utvanns där 1 miljon m³ ur naturgasresevoarer med en heliumhalt om 0,22 till 0,42 %.[44] En produktionsenhet står iOdolanow.[45]
En kubikmeter helium med 99,997 % renhet,Helium-A, handlades 2016 för 7,21 US dollar.[41] Priset från USA:s strategiska reserv styrs avHelium Privatisation Act från 1996.[42]
I takt med att naturgas förbrukas som bränsle, utan att ta vara på heliuminnehållet, minskar världens lätt utvinnbara heliumtillgångar. Det har spekulerats i heliumbrist om USA:s strategiska reserv skulle uttömmas, men år 2016 innehöll reserven 735 miljoner m³ vilket skulle räcka att upprätthålla nuvarande försäljning åtminstone i 30 år. Världensheliumresurser uppskattas till 52 miljarder m³.[41]
I USA går en tredjedel av heliumkonsumtionen till kylanvändningar. Flytande helium är ett viktigt kylmedium inom lågtemperaturtekniken och för att nå temperaturer under 17 K finns det knappast något alternativ.[46] I de flesta fall inträffarsupraledning under 17 K så en vanlig användning är att kyla supraledande magneter, exempelvis i de medicinska undersökningsmetodernamagnetisk resonanstomografi (MRI),kärnmagnetisk resonans (NMR) ochelektronspinnresonans.[47][48]
Omagnetisk behållare för transport av flytande helium. Denna typ används för att fylla supraledande magneter som kräver låga temperaturer, till exempel NMR och MRI.
Supraflytande helium vid 1,9 K har en värmeledningsförmåga mer än hundra gånger högre än syrefri (OF-)koppar och är därmed en mycket effektiv värmeledare.[49]
Helium används även vid svetsning: Eftersom den ärinert hindrar den, om den utledes över svetsskarven, luftens syres skadliga oxidering av smältan. Här kan helium dock ofta ersättas medargon.[50][41]
Heliumatomerna utgör mycket små partiklar som lätt diffunderar genom öppningar. Den lättflyktiga gasen används därför gärna vid läcksökning ivakuumkärl och bränslesystem.[50]
En mindre del av världens heliumförbrukning går till helium-syrgas-blandningar. De används medicinskt, vidspirometri[47] och för att lindra symptom vid lungsjukdomar men även som andningsgas viddykning (Heliox) för att minskakvävenarkosen. En nackdel med helium vid dykning är den höga värmeledningsförmågan som kan kyla kroppen.[51]
Den höga ljudhastigheten skapar det berömda fenomenetKalle Anka-röst som människor får när de inhalerar helium-syre-blandningar. Varning: Inandning av rent helium bör aldrig ske på grund av att syremättningen i blodet sjunker blixtsnabbt och det är stor risk för att man förlorar medvetandet, och det finns risk för att man dör eller får hjärnskador av syrebrist.
Neutralt helium vid normala förhållanden är inte giftig, spelar ingen biologisk roll och hittas i mycket små mängder i människans blod. Om stora mängder helium inandas, kansyret som behövs för normalandning ersättas, ochkvävning inträffa.
Säkerhetsfrågorna för helium med en låg temperatur liknar dem för flytandekväve. Dess extremt låga temperatur kan resultera iköldskador, vilka blir allvarligare medsprej än vid kontakt med vätska. I det senare fallet bildas ett så kallatLeidenfrost-skikt mot huden, som tillfälligt hindrar direktkontakten. Vidare kan omvandlingen frånvätska tillgas orsaka explosioner, om inte någon tryckkammare är installerad.
Containrar med helium i gasform vid runt -265 °C ska hanteras som om de innehöll flytande helium, på grund av den snabba och betydande utvidgningen som uppstår, när helium i gasform under -265 °C värms tillrumstemperatur.
HeliumsemissionsspektrumJules Janssen som upptäckte heliums spektrum
Vid en solförmörkelse1868 upptäckte fransmannenJules Janssenspektrallinjer isolensspektrum, som inte tillhörde något känt atomslag, varför engelsmannenNorman Lockyer antog att de kom från ett hittills okänt grundämne som sedan han och den engelske astronomenEdward Frankland kalladehelium (eftergrekiskaἥλιος [hêlios] - solen). År1895 framställde den engelske kemistenWilliam Ramsay helium genom att lösa ett uranhaltigt mineral i syra, vilket identifierades av Lockyer och Frankland som helium och samma år detekterade den tyske fysikernHeinrich Kayser spektrallinjer från helium i en ädelgasblandning framställd ur luft. Samma år framställde engelsmannenN.A. Langley och oberoende de svenska kemisternaPer Teodor Cleve ochAbraham Langlet helium med exakt samma metod. År 1905 upptäcktes att naturgas från en källa iDexter,Kansas innehöll 2 % helium[40] och 1909 visadeErnest Rutherford ochThomas Royds attalfapartiklar var heliumkärnor.[52]
Helium var den sista av gaserna som man lyckades överföra i vätskeform. Det såg till och med ut som om helium kanske var den enda egentliga gasen, det vill säga okondenserbar till skillnad från ångor enligt gammal definition. Genom att utnyttja den temperatursänkning som erhålls när en komprimerad gas utvecklar arbete i endetander(dekompressor) lyckades holländarenHeike Kamerlingh Onnes år1908 få helium att undan för undan, med hjälp av välkonstrueradevärmeväxlare kallna alltmer och till slut kondensera. Just detta renderade honom1913 årsnobelpris i fysik.[53]
Med kokande helium som köldmedium kunde metallernas resistivitet vid mycket låga temperaturer studeras. Av speciellt intresse var dåtidens resistansnormalkvicksilver. Kamerlingh Onnes fann år1911 att resistiviteten hos just kvicksilver vid 4,2 K, det vill säga helt nära heliums kokpunkt vid normalt atmosfärstryck, försvann på ett abrupt och helt oväntat sätt (sesupraledning).
Redan Kamerlingh Onnes beskrev att något speciellt hände i flytande helium vid 2 K men upptäckten av suprafluiditet under 1930-talet brukar tillerkännasPjotr Kapitsa.[18]
Glödande ultrarent helium.
År 1937 blev USA:s heliumproduktion i praktiken ett statligt monopol. Under 1950-talet spekulerade man i att helium skulle bli en viktig resurs i detkalla kriget och 1960 antogs ett tillägg tillHelium Act som lätinrikesdepartementet lagra överskott i en nationell reserv i den delvis tömda gaskällanBush Dome Reservoir i Cliffside nära Amarillo i Texas, och dessutom lånafederala medel för att köpa helium från privata producenter. Man tecknade 22-åriga köpekontrakt och snart öppnades privata anläggningar för heliumutvinning. När produktionen så mångdubblades medan konsumtionen endast steg marginellt, tillfördes Cliffside under tiden 1964 till 1972 årligen mer än ⅔ av USA:s heliumproduktion. 1973 hade USA byggt upp en överdimensionerad nationell reserv om 970 Mm³ råhelium till stora kostnader. Regeringen bröt köpekontrakten, vilket ledde till drastiskt minskad produktion och långvariga rättsprocesser.[42]
Efter 1975 steg heliumkonsumtionen snabbare och under 1980-talet förbättrades lönsamheten hos USA:s privata utvinnare.
År 2006 producerade USA 90% av världens helium.[54] Med lagenHelium Privatisation Act från detta år blev USA:s heliumproduktion helt privat och de federala källornalades i malpåse.[42] De följande åren ökade Algeriets produktion och 2005 började Qatar anrika stora mängder[43].
Eftersom den sällsynta3He-isotopen kan ha värde som fusionsbränsle har man sedan 2004 spekulerat i möjligheten att utvinna3He ur månytan för att lösa jordens energibehov.[14][55][56]
^Michael E. Wieser und Tyler B. Coplen:Atomic weights of the elements (IUPAC Technical Report) In:Pure and Applied Chemistry Vol. 83, No. 2, 2011, S. 359–396.
^Helium i substansdatabasenGESTIS-Stoffdatenbank hosIFA (Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung). Läst 12 juli 2009.(JavaScript krävs)
^Shuen-Chen Hwang, Robert D. Lein, Daniel A. Morgan (2005). "Noble Gases". Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley. pp. 343–383. doi:10.1002/0471238961.0701190508230114.a01.
^L. C. Allen, J. E. Huheey:The definition of electronegativity and the chemistry of the noble gases.
