Helium

• Symbol: He
• Ordungszahl: 2

VIII. Hauptgruppe (Edelgase)

Namensbedeutung

Das Element Helium (He) wurde wegen seines Vorkommens auf der Sonne nach der griechischen Bezeichnung für unser Zentralgestirn (Sonne = helios) benannt. (engl.: helium)

Allgemein

Helium wurde 1895 unabhängig voneinander durch W. Ramsey, N.A. Langlet und P.T. Cleve entdeckt. Es ist ein Element der 1. Periode und der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems mit der Ordnungszahl 2. Helium gehört wie Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon zu den Edelgasen. Im Weltall ist Helium mit 7,19% nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. Es entsteht in Sonnen durch Kernverschmelzungsprozesse von Wasserstoff unter Freisetzung von Energie. Die von radioaktiven Stoffen ausgesandten alpha-Teilchen bestehen aus zweifach positiv geladenen Heliumkernen, die immerhin etwa 20% der primären kosmischen Strahlen bilden. Auf der Erde ist das Element Helium nur ein Spurengas. Das ursprünglich vorhandene Helium ging verloren, da es von der Erdgravitation nicht zurückgehalten wurde. Terrestrisches Helium ist somit das Ergebnis natürlicher radioaktiver Zerfallsprozesse. Die Erdatmosphäre wird zu ungefähr einem Prozent von Edelgasen gebildet. In 100 Litern Luft befinden sich ca. 0,5 ml Helium. Im Meereswasser liegt die mittlere Konzentration bei 7 ppt. Helium ist Bestandteil von manchen Erdgasen (zwischen 0,5 bis 9%) und kommt in Uranmineralien vor.

Eigenschaften

Helium kommt unter Normalbedingungen nur elementar vor. Es ist ein farb- und geruchloses, einatomiges Gas. Es ist das am schwersten zu verflüssigende Gas, da es erst unter -269°C in diesen Aggregatzustand übergeht. Nur knapp über dem absoluten Nullpunkt wird es fest. Helium hat somit die tiefste Schmelz- und Siedetemperatur aller Elemente. Die Eigenschaften des Heliums werden wie die aller Edelgase durch die abgeschlossene Valenzelektronenschale bestimmt. Diese Edelgasschale ist sehr stabil. Dies wird durch die ungewöhnlich hohen Ionisierungsenergien deutlich. Alle Edelgase zeigen die jeweils höchste Ionisierungsenergie ihrer Periode, wobei die Werte innerhalb der Gruppe mit steigender Atommasse stetig abnimmt (von Helium mit 24,6 eV zu Radon mit 10,7 eV). Alle Edelgase sind äußerst reaktionsträge. Sie werden deshalb auch als inerte Gase bezeichnet. Von Helium sind keine stabilen Verbindungen bekannt. Nur unter Laborbedingungen konnte Heliumdifluorid und HeNe-Ionen untersucht werden.

Von besonderem Interesse ist die Tatsache, daß flüssiges Helium in zwei Modifikationen existiert: Verhält sich Helium I wie eine normale Flüssigkeit, so ist Helium II suprafluid und suprawärmeleitend! Dies bedeutet, daß Helium II Wärme zehnmillionenmal so gut leitet wie Helium I (1000-mal besser als Silber) und seine Flüssigkeitsviskosität praktisch null ist. Helium II hat darüber hinaus die seltsame Fähigkeit, alle festen Oberflächen mit einem dünnen Film zu überziehen. Diese Schicht ist nur wenige 100 Atome dick. Diese Phänomene werden auf Quanteneffekte zurückgeführt, eine vollkommen befriedigende Erklärung gibt es allerdings noch nicht. Das Element hat außerdem die Fähigkeit, die verschiedensten Materialien zu durchdringen. So diffundiert es durch Kunststoffe und Gummi, aber auch durch die meisten Glassorten. Helium ist wie alle Edelgase für Organismen nicht essentiell.

Isotope

Die wichtigsten Isotope dieses Elements sind zwei natürliche Isotope, die beide stabil sind. Am häufigsten ist das mit der Massenzahl 4 mit einem Anteil von 99,99986%, gefolgt von He-3 mit 0,00014%. Dieses zweite Isotop stand jedoch erst seit den Atomwaffenversuchen der 50er Jahre in nennenswerten Mengen zur Verfügung. Es entsteht als Produkt des ß-Zerfalls von Tritium. Erwähnenswert sind noch zwei instabile Isotopen: He-6 und He-8 die beide ß-minus-Strahlung emittieren und eine Halbwertszeit von 808,1 bzw. 122 ms aufweisen.

Verwendung

Die Weltproduktion für Helium liegt bei etwa 4500 t jährlich. Es wird ganz wesentlich aus Luft durch fraktionierte Kondensation und Destillation, kombiniert mit der Adsorption an Aktivkohle gewonnen. Helium wird neben Neon und Argon als Füllgas für Leuchtstoffröhren verwendet. Helium-Neon-Gemische werden in Gas-Lasern eingesetzt. In Luftschiffen und Wetterballons ersetzt es seit langem das brennbare Wasserstoffgas, ist aber deutlich teurer. Darüber hinaus wird es beim Tiefseetauchen als „Taucherluft“ in einem Verhältnis von 80 Vol.% Helium und 20 Vol.% Sauerstoff verwendet. Flüssiges Helium spielt mit der tiefsten Siedetemperatur aller Elemente eine wichtige Rolle in der Forschung und der Kältetechnik.

Elementdaten

• Helium (OZ: 2)
• VIII. Hauptgruppe
• Edelgase

Normalzustand

• Gas, farb- und geruchlos, einatomig

• CAS-Nummer: 7440-59-7
• Kernladungszahl: 2
• rel. Atommasse: 4,002602
• Kernladung: 1,70

Radien

• Atomradius: 128,0 pm
• Ionenradius: – pm
• Kovalenzradius: 0 pm

• Konfiguration: 1s²
• Oxidationszahlen: keine
• Ionisierungseng.: 24,587
• Dichte: 0,17 g/L

Elektronegativität

• Pauling: –
• Allred & Rochow: –
• Pearson: 12,3 eV

Temperatur

• Schmelzpunkt: 0.95 K (-272,2 °C)
• Siedepunkt: 4.216 K (-268,9 °C)

Natürliche Isotope

• He-3: 0,000138%, He-4: 99,999862%

Entdeckung

• 1895 / Ramsey, Langet u. Cleve / Schottland u. Schweden