Helium

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(Elementsymbol: He) ist das 1. Element der 8. Hauptgruppe des Periodensystems. Sein Name ist abgeleitet von griechisch: helios = Sonne. Es wurde 1868 von P. JANSSEN anlässlich einer Sonnenfinsternis im Spektrum von Sonnenprotuberanzen entdeckt. WILLIAM RAMSAY isolierte He 1895; 1908 gelang es 11. KAMERLINGH ONNES, He zu verflüssigen.

Eigenschaften

He ist einatomig und farblos und nach Wasserstoff das leichteste aller Gase. Von allen Elementen besitzt es den niedrigsten Schmelzpunkt. Die rel. Atommasse ist 4,00260; es gibt zwei stabile He-Isotope: 3He (0,00013%) und 4He (99,9998%). Die Elektronenkonfiguration ist (1s)2. He hat bei Atmosphärendruck keinen festen Zustand; die Zustandsänderung flüssig fest erfolgt nur unter Überdruck bei sehr niedrigen Temperaturen. Die Schmelzwärme zeigt anormales Verhalten: Bei sehr niedrigen Temperaturen geht sie gegen Null, und es muss anschließend Wärme zugeführt werden, um He zu gefrieren.

Zusatandsdiagramm

He ist die einzige Substanz ohne Tripelpunkt. Es bildet drei allotrope feste Modifikationen und zwei flüssige Modifikationen. 4He-I ist eine normale Flüssigkeit, kühlt man sie durch Drucksenkung ab, so geht sie bei 2,177 K und 0,0504 bar in die Modifikation 4He-II über. Die Trennlinie beider Flüssigkeiten im Zustandsdiagramm heißt λ-Kurve. 4He-II ist eine Supraflüssigkeit, d. h. sie ist völlig reibungsfrei (Viskosität = 0). 4He-II fließt über oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelegene Hindernisse hinweg auf das tiefstmögliche Niveau (Onnes-Effekt). Hebt man ein Gefäß aus einem 4He-ll Bad, so fließt ein etwa 100 Atomschichten dicker Film (Rollin-Film) innen im Gefäss hoch, über die Aussenkante hinweg zurück ins Bad. Dieses und andere überraschende Phänomene erklärt die Quantentheorie.

Nachweis

He wird qualitativ und quantitativ mit Hilfe der Spektralanalyse bestimmt.

Vorkommen

He ist das zweithäufigste Element im Universum, auf der Erde ist es dagegen seltener als Gold und Platin. Die Luft enthält 4,6 cm^3 He pro mg, davon sind nur 0,00016% He-3. Wegen seiner geringen Atommasse entweicht He dauernd aus der Atmosphäre ins All. Die Zusammensetzung der Lufthülle bleibt jedoch konstant, weil der Sonnenwind und die radioaktiven Mineralien der Erdkruste He nachliefern. Auch das industriell genutzte He entweicht letztlich fast vollständig in die Atmosphäre.

Die Weltvorräte werden auf 7•10^11 mol He geschätzt, vorwiegend enthalten in Erdgasvorkommen der USA, Kasachstans und Algeriens. Thermalquellen enthalten bis zu 10% He.

Gewinnung

Kleinere Mengen durch Erhitzen von uran- und thoriumhaltigen Mineralien wie Cleveit, Monazit und Thorianit im Porzellanrohr bei 1.200°C. In diesen Mineralien ist He wahrscheinlich als Clathrat physikalisch gebunden. Bis 1917 war das die einzige Darstellungsmethode. Großtechnisch gewinnt man heute 99% reines He überwiegend aus der Verflüssigung von Erdgasen. In den USA wird dem geförderten Erdgas das He entzogen und in leeren Erdgasfeldern gespeichert (bislang etwa 5•10^10 mol). He-3 wird literweise in Kernreaktoren gewonnen.

Verwendung

Lichtbogen-Schweißen unter He-Atmosphäre, Kühlgas für Kernreaktoren, Atemgas (80% He, 20% 02) für Taucher und für therapeutische Zwecke, Kompensations-Füllgas für Raketen-Treibstofftanks, Füllgas für Ballons, Lecksuchgeräte in der Vakuumtechnologie, Kühlflüssigkeit (4He und 3He) in der Tiefsttemperatur-Technologie. In Europa werden etwa 8•108 mol/a verbraucht.

Quelle

dtv-Atlas, „Chemie Allgemeine & Organische Chemie“ Bd.1, S. 75, ISBN: 3-423-03217-0