Helium

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Helium
He-TableImage.png
Tecken
He
Atomnr.
2
Grupp
18
Period
1
Block
s
Allmänt
Ämnesklass ädelgaser
Densitet 0,1785 kg/m3 (273 K)
Utseende I gasform färglös
Utseende
Atomens egenskaper
Atommassa 4,002602 u
Atomradie (beräknad) inga data (31) pm pm
Kovalent radie 32 pm
van der Waalsradie 140 pm
Elektronkonfiguration 1s2
Elektronkonfiguration
e per skal 2
Oxidationstillstånd (O) 0 (okänd)
Kristallstruktur Hexagonal (hcp)
Kristallstruktur
Ämnets fysiska egenskaper
Aggregationstillstånd gas
Magnetiska egenskaper icke magnetisk
Smältpunkt 0,95 K (−272 °C)
Kokpunkt 4,22 K (-269 °C)
Molvolym 21,0 m3/mol
Ångbildningsvärme 0,0845 kJ/mol
Smältvärme 5,23 kJ/mol
Ljudhastighet 970 m/s vid 293,15 K
Diverse
Värmekapacitet 5 193 J/(kg·K)
Värmeledningsförmåga 0,152 W/(m·K)
1a jonisationspotential 2372,3 kJ/mol
2a jonisationspotential 5250,5 kJ/mol
Stabilaste isotoper
Isotop F % Halv.tid Typ Energi (MeV) Prod.
3He 0,000137 % 3He, stabil isotop med 1 neutron
4He 99,999863 % 4He, stabil isotop med 2 neutroner
6He syntetisk 806,7 ms β- 3,508 6Li
SI-enheter & STP används om ej annat angivits.

Helium är grundämne nummer två i det periodiska systemet, en färglös och luktlös ädelgas. Helium har den lägsta kokpunkten av alla grundämnen, och endast vid högt tryck kan helium fås att övergå i fast form. I naturen förekommer helium som obundna atomer som inte reagerar alls med andra ämnen. På grund av att heliumatomerna är så små och på grund av deras ovilja att reagera med andra atomer, har helium lätt för att långsamt sippra ut ur lagringsbehållare.

Den radioaktiva alfastrålningen (α-strålning) består av elektronlösa 4He-kärnor som vid atomsönderfallet bryts loss från den radioaktiva atomkärnan.


Heliumatomen[redigera | redigera wikitext]

Isotoper[redigera | redigera wikitext]

Helium har två stabila isotoper:

  • Den helt övervägande 4He, vars atomer är bosoner
  • 3He-atomerna är fermioner. Endast 1,4 ppm av de naturligt förekommande heliumatomerna på jorden utgörs av 3He.


De radioaktiva isotoperna

  • 6He, med halveringstiden 805ms och
  • 8He, med halveringstiden 122ms

förekommer inte naturligt och övergår vanligen till litium genom β-sönderfall[1]

Kärnornas bindningsenergi[redigera | redigera wikitext]

Bindningsenergi per nukleon. D är deuterium (2H), T är tritium (3H)

Isotoperna har olika bindningsenergi:

  • 4He har en bindningsenergi av 7.07 Megaelektronvolt (MeV) per nukleon, vilket är det högsta värdet för atomer med masstal under 12. Först 12C har en högre bindningsenergi per nukleon. 4He är därmed mycket stabil.
  • 3He har en bindningsenergi av 2.57 MeV per nukleon vilket är jämförbart med det radioaktiva 3He (Tritium).[2]

Kärnfusion med 3He[redigera | redigera wikitext]

3He har diskuterats som lämpligt bränsle i fusionskraftverk genom deuterium-helium3- och helium3-helium3-fusionerna vilka varken generar fria neutroner eller radioaktiva kärnor.

2H + 3He 4He + 1H
3He + 3He 4He + 2 1H

Jämfört med Deuterium-Tritium-fusionen som används i de flesta forskningsreaktorer är de extra tekniska svårigheterna vid Helium-fusion betydande: Deuterium fusionerar lättare med andra deuteriumkärnor än med 3He och för att fusionera två 3He-kärnor behövs mycket höga temperaturer och tryck.[3]

Kemiska egenskaper[redigera | redigera wikitext]

Genom dess elektronstruktur och elektronernas närhet till kärnan, är helium inert. Med 24.6 eV är joniseringsenergin den högsta av alla atomers.[2] Helium ingår därför endast i specialfall molekyl- eller jon-liknande förbindelser.

Vattenlösligheten är lägst av kända gaser: Endast 1.5 mg Helium kan lösas i en liter vatten vid 20 °C och 1000 hPa.[4]

Aggregationstillstånd[redigera | redigera wikitext]

Gasform[redigera | redigera wikitext]

Helium är vid rumstemperatur en färglös gas. Som andra ädelgaser deltar den ogärna i kemiska reaktioner.

Flytande helium[redigera | redigera wikitext]

Fasdiagram för 4He
Fasdiagram för 3He

Vid temperaturer under 4 K (−269 °C) kondenserar helium till en färglös vätska. Flytande helium har flera speciella egenskaper:

  • Kokpunkten är den lägsta av alla grundämnen. Alla andra grundämnen har en kokpunkt över 20 K.[2]
  • Helium är flytande vid den absoluta nollpunkten. Alla andra grundämnen är fasta vid 10 K.[2]
  • Suprafluiditet, som uppträder vid olika temperaturer beroende av isotopen.[5]

Isotopernas tillståndsdiagramm och termodynamiska data skiljer sig starkt:

Egenskap 4He 3He
Kritiskt tryck[2] 229 kPa 124 kPa
Kritisk temperatur[2] 5,20 K 3,37 K
Kokpunkt vid atmosfärstryck[2] 4,215 K 3,191 K
Övergång till suprafluiditet (atmosfärstryck)[5] 2,17 K 1 mK

Supraflytande 4He[redigera | redigera wikitext]

Supraflytande helium "kryper" över barriärer för att nå lägre potential.

Vid lambdapunkten, 2,17 K, övergår 4He i en supraflytande fas utan viskositet. Vätskan kan flyta genom kapillärer utan mätbar friktion[6] och den kan flyta över barriärer till en lägre potential. Genom den andra ljudvågen får vätskan en mycket hög värmeledningsförmåga.

I litteratur kallas ofta den "vanligt" flytande fasen i 4He för helium I. Den supraflytande fasen kallas helium II.[7]

Det finns flera teorier om Suprafluiditet i 4He:

Supraflytande 3He[redigera | redigera wikitext]

Vid temperaturer under 1 mK kan även 3He kan bli supraflytande. Supraflytande 3He har en mer komplicerad struktur än 4He och måste förklaras med andra teorier.[8]

Helium i fast form[redigera | redigera wikitext]

Endast vid låga temperaturer och tryck högre än 2.5 MPa, (25 atmosfärer), kan helium inta fast form. Kristallstrukturen är hexagonal (hcp) eller i specialfall kubiskt rymdcentrerat (bcc).

Förekomst[redigera | redigera wikitext]

Proton-protonkedjan

I universum[redigera | redigera wikitext]

I universum är helium det näst vanligaste grundämnet:[4] Enligt Big Bang-teorin skedde en tidig nukleosyntes av lätta atomkärnor inom 20 minuter efter Big Bang. Efter denna skall 25% av universums massa ha bestått av 4He och 10 ppm av 3He. Heliumhalten stämmer ungefär med vad som idag observeras i utomgalaktiska H II-regioner.[9][10]

Helium är också vanligt i solsystemet: Solens, liksom många andra stjärnors, värme uppstår huvudsakligen genom proton-proton-processen där helium bildas ur väte. Solens fotosfär innehåller 25% helium[11] och heliumhalten i solvinden är någon viktprocent av vätehalten.[12]. Jupiters atmosfär innehåller 10 volymprocent helium.[13]

I månytans regolit, som utsätts för solvinden, finns också helium. Förhållandet mellan de stabila isotoperna [3He]/[4He] är 0.3 viktprocent, betydligt högre än på jorden.[12]

På jorden[redigera | redigera wikitext]

I jordens atmosfär är heliumhalten endast 5.2 ppm.[14] Högre koncentrationer förekommer i naturgas, som kan innehålla ett par procent helium. Mycket av detta har bildats vid alfasönderfall av tunga grundämnen i jordens innandöme.[15]


Produktion och marknad[redigera | redigera wikitext]

Utvinningsprocess[redigera | redigera wikitext]

Naturgasen varur helium skall utvinnas, bör ha en heliumhalt av minst 0,4 %. Den genomgår först en förbehandling där koldioxid, vattenånga och tyngre kolväten tas bort. Därefter avskiljs metan och kväve i flera steg genom fraktionerad destillation. Produkten är ett råhelium med 50 till 70% helium, kvävgas liksom små mängder metan, vätgas och neon. Råhelium renas genom kondensation av kvävgas och metan, oxidering av vätet och pressure-swing-adsorption (PSA) till 99,99 % renhet.[16]

Produktionsdata[redigera | redigera wikitext]

Världsmarknaden domineras av USA: 2014 producerade USA 73 miljoner m³ (Mm³) helium. Dessutom frigjordes 30 Mm³ ur USA:s strategiska reserv, National Helium Reserve (Cliffside). Andra länder, framför allt Algeriet och Qatar, framställde tillsammans 79 Mm³. Inom Europeiska unionen producerar Odolanow i Polen, vars naturgas har en heliumhalt om 0,08 till 0,45 %, årligen 3 Mm³.[17][18]

I USA gick det mesta heliumet till kylteknik (32%) och andra tekniska ändamål. Endast 2 % användes i andningsgaser.

Helium med 99,997 % renhet, Helium-A, handlades 2014 för USD 7,21 per Mm³.[17]

Trender[redigera | redigera wikitext]

Det har spekulerats i huruvida USA's strategiska reserv tar slut, men 2014 fanns lager för att upprätthålla nuvarande försäljning åtminstone till 2022. Dessutom har andra länder kunnat öka produktionen.

I takt med att naturgas används som bränsle, utan att ta vara på heliuminnehållet, minskar världens heliumtillgångar. Reserverna i USA, Algeriet och Ryssland beräknas dock vara över 7 miljarder m³.[17]


Användning och risker[redigera | redigera wikitext]

Lyftgas[redigera | redigera wikitext]

Helium används sedan länge i gasballonger och luftskepp eftersom den billigare vätgasen medför eldfara och explosionsrisk. Helium har i luft (jordens atmosfär) en lyftkraft på ca 0,0108996108 N/liter eller 0,00110994 kg/liter. Det innebär att en människa på 80 kg behöver ca 72100 heliumballonger, med volymen 1 liter styck, för att lyfta från marken.

Andningsgas[redigera | redigera wikitext]

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.

Helium-syrgas-blandningar vid spirometri[19] och vid dykning, som andningsgas (Heliox) för att minska kvävenarkosen.

Det berömda fenomenet Kalle Anka-röst, som människor får när de inhalerar heliumblandningar, beror på att ljudets hastighet är högre i helium än i luft. Inandning av en tyngre ädelgas, som xenon, skulle ha motsatt effekt på rösten, men prova aldrig detta då xenon är bedövande.

Förpackningsgas[redigera | redigera wikitext]

Helium används som förpackningsgas i livsmedel och har E-nummer E 939.

Skyddsgas[redigera | redigera wikitext]

Helium används även inom svetsindustrin eftersom det är en inert gas (det vill säga den brinner inte, och skyddar, om den utledes över svetsskarven, syrets i luften skadliga oxidering på smältan). Vanligt använt inom metallisk laserskärning och inom metallurgi för att hindra oönskade kemiska reaktioner.

Kylmedium (flytande helium)[redigera | redigera wikitext]

Flytande helium används som kylmedium inom lågtemperaturtekniken, exempelvis för att kyla supraledande magneter i MRI.[19]

Supraflytande helium med en värmeledningsförmåga mer än hundra gånger högre än koppar vid rumstemperatur kan användas som värmeavledare.[20]

Andra användningar[redigera | redigera wikitext]

Ett urladdningsrör med helium

Helium används även inom belysningsteknik.

Säkerhet[redigera | redigera wikitext]

Neutralt helium vid normala förhållanden är inte giftig, spelar ingen biologisk roll och hittas i mycket små mängder i människans blod. Om tillräckligt mycket helium andas in, kan syret som behövs för normal andning ersättas, och kvävning kan inträffa.

Säkerhetsfrågorna för helium med en låg temperatur liknar dem för flytande kväve. Dess extremt låga temperatur kan resultera i köldskador, vilka blir allvarligare med sprej än vid kontakt med vätska. I det senare fallet bildas ett så kallat Leidenfrost-skikt mot huden, som tillfälligt hindrar direktkontakten. Vidare kan omvandlingen från vätska till gas 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 värmeutvidgningen som uppstår, när helium i gasform under -265 °C värms till rumstemperatur.

Historia[redigera | redigera wikitext]

Jules Janssen som upptäckte Heliums spektrum

Vid en solförmörkelse 1868 upptäckte fransmannen Jules Janssen spektrallinjer i solens spektrum, som inte tillhörde något känt atomslag, varför engelsmannen Norman Lockyer antog att de kom från ett hittills okänt grundämne som sedan han och den engelske astronomen Edward Frankland kallade helium (efter grekiska ἥλιος [hêlios] - Solen). År 1895 framställde den engelske kemisten William Ramsay helium genom att lösa ett uranhaltigt mineral i syra, vilket identifierades av Lockyer och Frankland som helium och samma år detekterade den tyske fysikern Heinrich Kayser spektrallinjer från helium i en ädelgasblandning framställd ur luft. Samma år framställde engelsmannen N.A. Langley och oberoende de svenska kemisterna Per Teodor Cleve och Abraham Langlet helium med exakt samma metod. 1905 upptäcktes att naturgas från en källa i Dexter, Kansas innehöll 2% helium.[16]

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 en detander(dekompressor) lyckades holländaren Heike Kamerlingh Onnes år 1908 få helium att undan för undan, med hjälp av välkonstruerade värmeväxlare kallna alltmer och till slut kondensera. Just detta renderade honom 1913 års nobelpris.[21]

Med kokande helium som köldmedium kunde exempelvis metallernas resistivitet vid mycket låga temperaturer studeras. Av speciellt intresse var förstås dåtidens resistansnormal kvicksilver (som via destillation enkelt kunde renas i varje laboratorium som behövde en noggrann normal för exempelvis elektrisk spänning). Kamerlingh Onnes fann år 1911 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 (se supraledning).

Under första världskriget blev helium, som inert fyllgas i luftskepp och spärrballonger, militärt relevant. 1925 antog USA Helium Conservation Act som förbjöd försäljning till icke-statliga ändamål. Denna reglering lättades först efter Hindenburgkatastrofen 1937.[16]

Redan Kamerlingh Onnes beskrev att något speciellt hände i flytande helium vid 2 K men upptäckten av suprafluiditet under 1930-talet brukar tillerkännas Pjotr Kapitsa[7].

Suprafluiditet i 3He upptäcktes först i början av 1970-talet av Lee, Richardson och Osheroff[8]

På grund av att den sällsynta 3He-isotopen kan ha värde som fusionsbränsle har man sedan 2004 spekulerat i möjligheten att utvinna 3He ur månytan för att lösa jordens energibehov.[3][22][23]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Noter[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ Chart of the nuclides. Knolls Atomic Power Laboratory. 12th edition, 1977. ISBN Bilaga till Physics Handbook, 2 upplagan, 91-44-16572-2 
  2. ^ [a b c d e f g] Carl Nordling & Jonny Österman (1983). Physics Handbook. Studentlitteraur. ISBN 91-44-16572-2 
  3. ^ [a b] Mark Williams (2007). ”Energie vom Mond”. Technology Review [På tyska] (31 Augusti). http://www.heise.de/tr/artikel/Energie-vom-Mond-280259.html. Läst 25 april 2015. 
  4. ^ [a b] ”Helium und Wasser”. Lenntech BV. http://www.lenntech.de/pse/wasser/helium/helium-und-wasser.htm. Läst 26 april 2015. 
  5. ^ [a b] Thuneberg, Erkki. ”Helium”. http://ltl.tkk.fi/research/theory/helium.html. Läst 3 april 2015. 
  6. ^ Smith & Höjgaard Jensen (1989). Transport Phenomena. Clarendon Press, Oxford. Sid. 354. ISBN 0-19-851985-0. http://books.google.ca/books?id=xPt9AAAAIAAJ&pg=PA354&hl=sv&source=gbs_toc_r&cad=3#v=onepage&q&f=false 
  7. ^ [a b] Kungliga Vetenskapsakademin (1978-10-17). ”The Nobel Prize in Physics 1978”. Pressmeddelande. Läst 3 april 2015.
  8. ^ [a b] Kungliga Vetenskapsakademin (1996-10-09). ”Nobelpriset i fysik 1996”. Pressmeddelande. Läst 3 april 2015.
  9. ^ J. Beringer et al. Revised by K.A. Olive & J.A. Peacock (2012). ”21. Big Bang Cosmology”. Review of Particle Physics: sid. 21.3.7, p.18f. http://pdg.lbl.gov/2012/reviews/rpp2012-rev-bbang-cosmology.pdf. Läst 26 april 2015. 
  10. ^ Wright, Edward L.. ”Big Bang Nucleosynthesis”. http://www.astro.ucla.edu/~wright/BBNS.html. Läst 26 april 2015. 
  11. ^ ”The suns vital statistics”. Stanford Solar Center. http://solar-center.stanford.edu/vitalstats.html. Läst 21 april 2015. 
  12. ^ [a b] Harrison H. Schmitt (2014). ”Synthesis of Current Data on Helium and Hydrogen Concentrations in Lunar Regolith”. Search and Discovery (American Association of Petroleum Geologists) (Artikel# 70162). http://www.searchanddiscovery.com/documents/2014/70162schmitt/ndx_schmitt. Läst 25 april 2015. 
  13. ^ Williams, David R.. ”Jupiter Fact Sheet”. NASA. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/jupiterfact.html. Läst 26 april 2015. 
  14. ^ ”The Atmosphere”. National Weather Service. http://web.archive.org/web/20080113234621/http://www.srh.weather.gov/jetstream/atmos/atmos_intro.htm. Läst 21 april 2015. 
  15. ^ http://www.sciencedaily.com/releases/2008/01/080102093943.htm
  16. ^ [a b c] Cris Cavette. ”How helium is made”. How products are made. http://www.madehow.com/Volume-4/Helium.html. Läst 19 april 2015. 
  17. ^ [a b c] John E. Hamak (Januari 2015). ”Helium”. U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/helium/mcs-2015-heliu.pdf. Läst 19 april 2015. 
  18. ^ ”Odolanow, Poland”. Inter-American Corporation. http://www.helium-corp.com/worldproduction/odolanow.html. Läst 19 april 2015. 
  19. ^ [a b] ”Vad du bör veta om gas på sjukhus”. AGA / Linde Gas Therapeutics. http://www.agalindehomecare.se/international/web/lg/se/like35lglgtse.nsf/repositorybyalias/gas_pa_sjukhus/$file/Vad_du_bor_veta_2008.pdf. Läst 26 april 2015. 
  20. ^ Lebrun, Philippe (1997). Superfluid Helium as a Technical Coolant. CERN, LHC Project Report No. 125. Sid. 4. http://cds.cern.ch/record/330851/files/lhc-project-report-125.pdf 
  21. ^ Nordström. ”Nobel Prize in Physics 1913 - Presentation Speech, Kamerlingh Onnes.”. Nobel Media AB. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1913/press.html. Läst 3 april 2015. 
  22. ^ Harrison H. Schmitt (2004). ”Mining the Moon”. Popular Mechanics (October): sid. 56-63. http://www.searchanddiscovery.com/documents/2004/schmitt/images/schmitt.pdf. Läst 25 april 2015. 
  23. ^ Could Helium-3 really solve Earth's energy problems?, Keith Veronese.