He

Helium


Helium is het kleinste van alle elementen: omdat de kern meer lading heeft dan bij waterstof bevinden de elektronen zich in een iets 'strakkere' baan. Helium is een inert, niet reactief, kleurloos mono-atomair gas. Na waterstof is helium het meest voorkomende element van het heelal. Het is het lichtste edelgas, bekend als vulling van ballonnen en als koelmiddel.
Symbool He Protonen/elektronen 2
Groep 18 Isotopen 3He, 4He
Periode Elektronenconfiguratie 1s2
Blok s Elektronegativiteit (Pauling)
Bij kamertemperatuur gas Atoomstraal 10-12m
Dichtheid 0.17 kg m-3 Relatieve atoommassa 4.0026
Smeltpunt -272 oC
(2 K)
Soortelijke warmte 5100 J kg-1K-1
Kookpunt -268.8 oC
(4.2 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 0.144 W m-1K-1

Vulling van luchtballon en luchtschip

Helium is een edelgas en daardoor onbrandbaar. Dat maakt het veel beter geschikt dan het brandbare, explosieve waterstof als vulmiddel voor luchtballons of luchtschepen. Bijkomend voordeel is dat het minder snel door een ballonwand dringt dan waterstof.

Het nadeel van helium is de hogere prijs en daarom maakt men soms gebruik van een mengsel van 80% helium en 20% waterstof. Een andere oplossing bestaat uit gecompartimenteerde ballonnen met helium in de buitenste compartimenten en waterstof binnenin. Het gevaar voor explosies is dan een stuk kleiner.

 

Ballonnen voor meteorologisch onderzoek, die hoogtes bereiken tot 40 km, zijn uitsluitend gevuld met helium. In de bemande ballonvaart gaat de voorkeur uit naar warme lucht. Voor ballonvaarten op grote hoogte, zoals tijdens recordbrekende non-stop vluchten rond de wereld, zijn dubbele systemen ontwikkeld. Daarbij is een compartiment gevuld met helium omringd door een compartiment met warme lucht.

Duikgas

Bij het duiken op grote diepte (dieper dan 30 m) kan de gebruikelijke zuurstofvoorziening met perslucht tot zogenaamde stikstofnarcose leiden. De hoge druk leidt tot een overdaad aan stikstof in het bloed en weefsel van de duiker. Dit leidt tot een dronken gevoel (vandaar de benaming 'Martini'-effect, of dieptedronkenschap). Het is te voorkomen door (een deel van) de 78% stikstof in perslucht te vervangen door helium. Bekende duikgassen zijn Trimix (stikstof-zuurstof-helium) en Heliox (helium-zuurstof).

Lektestgas

Lekken in (gas)leidingen zijn op te sporen met behulp van verschillen in warmtegeleiding. Helium is een zeer geschikt gas voor deze Thermo Conduction Detection (TCD) omdat het een zeer goede warmtegeleiding heeft, groter dan de meeste andere gassen.

Laser

Een gasmengsel van helium en neon is een geschikt medium voor het opwekken van laserlicht. De allereerste gaslaser (1960) was er mee gevuld en nog steeds is het gasmengsel populair bij laserfabrikanten. Het levert relatief goedkope lasers met licht van allerlei golflengtes. In het zichtbare spectrum gaat het om de kleuren groen, geel, oranje en rood.

 

De rode HeNe laser (golflengte 633 nm) kent de hoogste efficiëntie en deze wordt dan ook veel toegepast in industrie, wetenschap en onderwijs. Bij de aanleg van de Kanaaltunnel werd een HeNe laser gebruikt voor positiebepalingen.

Beschermgas

Bij het lassen van metalen als aluminium, titaan, molybdeen, magnesium of roestvrij staal kan helium als beschermgas dienen. Een constante aanvoer van het inerte gas schermt het hete smeltbad van de las-in-wording af, zodat gassen uit de omgeving er niet op kunnen inwerken. Dit voorkomt de vorming van oxiden en nitriden en verhoogt de kwaliteit van de lasverbinding. Helium is puur te gebruiken, maar ook gemengd met argon (ook een edelgas) of andere gassen (bijvoorbeeld kooldioxide).

 

Ook bij de productie van optische vezels en halfgeleiders wordt helium als beschermgas toegepast. Het voorkomt onzuiverheden als gevolg van de inwerking van omgevingsgassen.

Koelmiddel

Vloeibaar helium (kouder dan - 268,9 ºC) speelt een cruciale rol bij de toepassing van supergeleiding. De veelgebruikte 'traditionele' supergeleidende materialen verliezen alleen bij zeer lage temperaturen hun elektrische weerstand. Ze zijn bijvoorbeeld te vinden in de zeer magneten van MRI-scanners in ziekenhuizen.

 

MRI (de afkorting staat voor magnetic resonance imaging) werkt met zeer krachtige magneetvelden en met radiogolven. De laatste zorgen voor de trilling van de kernen van waterstofatomen in het lichaam, en om dat te kunnen detecteren is het magneetveld nodig. Aangezien verschillende weefsels in het lichaam anders reageren op de radiogolven is een lichaam met MRI 'van binnen' in beeld te brengen

Verdere toepassingen

  • (Bij)vulling in gasontladingsbuizen (geel licht)
  • (Precisie)gasthermometer
  • Dragergas bij de gaschromatografie
  • Opsporen of volgen van onderaardse water- en gasstromen
  • Stralingsdetectoren
  • Therapie voor astma (80% He / 20% O2; bij een lagere dichtheid gaat het ademen veel beter)
  • Drukvulling in brandstoftanks van raketten (verdamping van vloeibaar helium houdt de tank onder druk).
  • Medium in supersone windtunnels

Naam

De naam helium is afgeleid van het Griekse woord helios, dat zon betekent. Helium werd voor het eerst (indirect) op de zon waargenomen.

Ontdekking

Tijdens de zonsverduistering van 1868 zag de Franse astronoom Pierre Jules César Janssen in het zonnespectrum een heldere gele lijn van 588 nm (vlak bij de zogenaamde natrium-D-lijn). Enkele maanden later nam ook zijn Engelse collega Joseph Norman Lockyer de lijn waar. Lockyer concludeerde dat er een 'zonne-element' helium zou moeten zijn, maar veel van zijn tijdgenoten betwijfelden dat.

 

Pas in 1881 stelde de Italiaanse natuurkundige Luigi Palmieri het aardse voorkomen van helium vast bij zijn spectraalanalyse van lava afkomstig van de Vesuvius. In 1895 werd helium voor het eerst geïsoleerd. Dit gebeurde min of meer meer gelijktijdig door de Zweedse geoloog Per Teodor Cleve met zijn landgenoot chemicus Nils Abraham Langlet, en de Schotse chemicus William Ramsay. Zij troffen helium aan in het uraanhoudende mineraal cleveiet. Pas later werd helium ook in de atmosfeer gevonden.

Voorkomen

Helium is één van de meest voorkomende elementen in het universum.

  

Op aarde is het vooral aanwezig in uraanhoudende mineralen (als restproduct van de radioactieve vervalreeks van 238U) en in aardgasvelden. De hoeveelheid helium in aardgas loopt uiteen van ongeveer 0,5% tot bijna 10%. De aardkorst bestaat voor 8.10-7 % uit helium, het staat op de 72e plaats in de lijst van meest voorkomende elementen.

In de dampkring bedraagt het aandeel van helium 5,2.10-4 %

Winning

De voornaamste heliumbevattende aardgasvelden liggen in de Verenigde Staten (New Mexico, Oklahoma, Kansas en Utah), Canada, Nederland, Engeland, Algerije, Rusland (Siberië), Kazakstan, Azerbeidzjan, Oekraïne, Oezbekistan, Kirgizië en Polen.

Vroeger

In 1898 lukte het helium te isoleren via destillatie van vloeibare lucht (als onderdeel van de neonfractie). De Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes slaagde er in 1908 als eerste in om helium vloeibaar te maken, bij 4,2 K (- 269 ºC). Het leverde hem in 1913 de Nobelprijs voor natuurkunde op.

 

Tegenwoordig

Helium is in het laboratorium te bereiden door het verhitten van uraanhoudende mineralen (cleveiet, monaziet, thorianiet) in een porseleinen buis tot ca. 1200 °C. Op industriële schaal wordt helium verkregen door gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht of vloeibaar aardgas.

Deel dit op: