Helium (alkuaine): ominaisuudet, isotoopit, käyttö ja turvallisuus
Helium (He): jalokaasu — ominaisuudet, isotoopit (3He, 4He), käyttö ilmailusta lääketieteeseen ja teollisuuteen sekä turvallisuus, riskit ja käsittelyohjeet.
Helium on kemiallinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on He, järjestysluku 2 ja atomipaino noin 4,002602. Heliumia on 9 isotooppia, joista vain kaksi on stabiileja. Ne ovat3 He ja4 He. 4He on ylivoimaisesti yleisin isotooppi.
Heliumia kutsutaan jalokaasuksi, koska se ei säännöllisesti sekoitu muiden kemikaalien kanssa ja muodosta uusia yhdisteitä. Sillä on kaikista alkuaineista alhaisin kiehumispiste. Se on maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine vedyn jälkeen, eikä sillä ole väriä tai hajua. Helium kuitenkin hehkuu punaruskeana, kun se asetetaan sähkökenttään. Helium ei yleensä reagoi minkään muun aineen kanssa. Tähtitieteilijät havaitsivat heliumin olemassaolon vuonna 1868, kun sen spektri tunnistettiin Auringon valossa. Tämä tapahtui ennen kuin se löydettiin Maasta.
Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Helium on erittäin kevyt alkalinen kaasu huoneenlämpötilassa. Sillä on täydellinen elektronikuori (1s2), minkä vuoksi se on kemiallisesti erittäin vähän reaktiivinen. Heliumilla on alhaisin kiehumispiste kaikista alkuaineista (n. 4,22 K eli −268,93 °C standardi-ilmanpaineessa) ja se ei jäädy normaalipaineessa: kiinteäksi se muuttuu vain kun sitä puristetaan hyvin korkeassa paineessa. Heliumin tiheys kaasuna on paljon ilman tiheyttä pienempi, minkä vuoksi se nousee ilmassa.
Erityisen huomionarvoinen on helium-4:n kvanttimekaaninen käyttäytyminen hyvin alhaisissa lämpötiloissa: alle noin 2,17 K lämpötilassa 4He muuttuu supernesteeksi (ns. lambda-piste), jolla on poikkeuksellisia ominaisuuksia kuten kitkaton virtaus ja hyvin suuri lämmönjohtavuus. Myös 3He osoittaa supernestemäisiä ominaisuuksia, mutta vasta paljon matalammissa lämpötiloissa ja erilaisella parattice (fermionipariutuminen).
Isotoopit
Heliumin tunnetuista isotoopeista yleisimmät ja pysyvimmät ovat 3He ja 4He. Muita isotooppeja (esim. 5He–10He) esiintyy vain radioaktiivisina ja lyhytikäisinä ytiminä, jotka hajoavat nopeasti. 4He syntyy luonnossa usein alfahajoamisen seurauksena, sillä alfahiukkanen on käytännössä 4He-ydin. 3He on harvinaisempi ja sillä on erityisiä käyttötarkoituksia (esim. neutrinodetektorit, matalalämpötila-fysiikka ja tutkimus).
Käyttö
- Ilmapallot ja ilmalaivat: Helium on ilmaista nostetta antava kaasu, koska sen tiheys on ilmaa kevyempi ja se on asiaan sopivasti ei-palava.
- Kryotekniikka: Heliumin alhainen kiehumispiste tekee siitä korvaamattoman jäähdytysaineen superjohtaville magneeteille (esim. MRI-laitteet), hiukkasfysiikan kokeille ja muille laitteille, jotka vaativat muutamia kelvinejä tai pienempiä lämpötiloja.
- Teollisuus ja elektroniikka: Heliumia käytetään suojakaasuna hitsauksessa, puolijohteiden valmistuksessa ja valokuitujen silittämisessä.
- Tutkimus: He-3 on tärkeä säteily- ja neutronidetektoreissa sekä matalan lämpötilan tutkimuksissa.
- Muut: kaasututkimuksissa (kaasutonernointi), lekkageiden etsinnässä (heliumin pienet atomit läpäisevät vuodot helposti), kaasukromatografiassa kantajana ja ilmakehän sekoittajaksi sukellussekoituksissa (heliox) syvänmeren sukelluksessa.
Esiintyminen ja tuotanto
Heliumia syntyy ydinfuusion seurauksena tähdissä ja maapallolla sitä muodostuu radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä esimerkiksi toriumin ja uraanin hajoamistuotteena. Maapallon helium esiintyy pääosin luonnonkaasuvarannoissa, josta se erotetaan teollisesti. Helium on maapallolla uusiutumaton luonnonvara: kun se karkaa ilmakehään, se voi ajan myötä hävitä avaruuteen, koska sen atomit ovat niin kevyitä.
Heliumin saatavuus on ollut huolenaihe: suurimmat tuotantolähteet löytyvät luonnonkaasuesiintymistä, ja maailmanlaajuinen tarjonta voi vaihdella kysynnän ja varastopolitiikan mukaan. Tämän vuoksi kierrätys, talteenotto ja järkevä käyttö ovat tärkeitä.
Historia
Heliumin olemassaolo huomattiin ensin Auringon spektrissä vuonna 1868, kun tutkijat havaitsivat uuden spektriviivan. Nimi helium tulee kreikan sanasta Helios (Aurinko). Helium löydettiin myöhemmin Maasta (vuonna 1895) lähinnä tutkimalla uraani- ja toriumpitoisia mineraaleja.
Käyttöturvallisuus ja riskit
Helium ei ole myrkyllistä eikä palavaa, mutta se voi aiheuttaa vakavan vajeen hapesta suljetuissa tiloissa. Hengittäminen voi aiheuttaa puheen korkeuden tilapäisen muutoksen (äänen "jännittyminen"), mutta suuret määrät voivat johtaa hypoksiaan ja tukehtumiseen, koska keuhkot eivät saa happea. Lisäksi paineistetun kaasun käsittelyyn liittyy painevaara ja nestemäinen helium voi aiheuttaa kylmäpalovammoja kosketuksessa.
- Älä hengitä puhdasta heliumia hengitysilmana; käytä sitä ainoastaan valvotuissa, tarkoituksenmukaisissa sovelluksissa.
- Työskentely nestemäisen heliumin kanssa edellyttää suojavarusteita ja oikeaa koulutusta kylmäpalovammojen ja indikaattoreiden vuoksi.
- Tila, jossa käytetään suuria määriä heliumia, tulisi varustaa hapenpuolesta varoittavilla laitteilla.
Ympäristö- ja talousnäkökulma
Heliumin tuotanto liittyy usein luonnonkaasun poraukseen ja tuotantoon, joten sen taloudellinen ja ympäristöllinen vaikutus riippuu laajemmista energiaketjun valinnoista. Koska helium on maapallolla rajallinen ja luontaisesti uusiutumaton, sen säästävä käyttö, kierrätys teollisuudessa sekä strateginen varastointi ovat tärkeitä keinoja varmistaa saatavuus tulevaisuudessa.
Heliumilla on ainutlaatuinen asema sekä arkipäiväisissä sovelluksissa (ilmapallot) että huipputeknisissä ja tieteellisissä sovelluksissa (kryotekniikka, lääketieteelliset laitteet, tutkittavat kvantti-ilmiöt). Sen fyysiset ominaisuudet — inerttiys, alhainen kiehumispiste ja pieni atomikoko — tekevät siitä korvaamattoman monissa käyttökohteissa, mutta samalla sen rajallisuus maan päällä edellyttää vastuullista käyttöä.
Heliumia käytetään ilmapallojen ja ilmalaivojen täyttämiseen, koska sen tiheys on ilmaa kevyempi. Se ei pala, joten se on turvallista tällaisessa käytössä. Sitä käytetään myös joissakin hehkulampuissa. Ihmiset voivat hengittää heliumia: se saa heidän äänensä kuulostamaan korkeammalta kuin normaalisti. Tämä on vitsi, mutta se on vaarallista, sillä jos he hengittävät sitä liikaa, hypoksia voi vahingoittaa tai tappaa heidät, koska he eivät hengitä normaalia ilmaa. Liiallinen heliumin hengittäminen voi myös aiheuttaa pitkäaikaisia vaikutuksia äänihuuliin.
Heliumia syntyy auringon ja vastaavien tähtien ydinfuusioprosessissa. Tässä prosessissa kaksi vetyatomia fuusioituu yhteen yhdeksi heliumatomiksi. Maapallolla sitä syntyy raskaiden radioaktiivisten alkuaineiden, kuten toriumin ja uraanin, luonnollisessa radioaktiivisessa hajoamisessa, vaikka muitakin esimerkkejä on olemassa. Tällaisten hajoamisten lähettämät alfahiukkaset koostuvat helium-4-ytimistä.
Koska helium on erittäin kevyt, se on kaasu, jota käytetään Goodyearin ilmalaivan kaltaisten ilmalaivojen täyttämiseen.
Historia
Heliumin löysi ranskalainen tähtitieteilijä Pierre Janssen 18. elokuuta 1868 kirkkaan keltaisena viivana Auringon kromosfäärin spektrissä. Viivan luultiin olevan natriumia. Samana vuonna myös englantilainen tähtitieteilijä Norman Lockyer havaitsi sen ja totesi sen johtuvan uudesta alkuaineesta. Lockyer ja englantilainen kemisti Edward Frankland nimesivät alkuaineen heliumiksi auringon kreikankielisestä sanasta ἥλιος (helios).
Ominaisuudet
Helium on neonin jälkeen toiseksi vähiten reagoiva jalokaasu. Se on kaikista alkuaineista toiseksi vähiten reaktiivinen. Se on kemiallisesti inertti ja yksiatominen kaikissa standardiolosuhteissa. Helium on vähiten veteen liukeneva yksiatominen kaasu.
Käyttää
Heliumia käytetään suojakaasuna pii- ja germaniumkiteiden kasvattamisessa, titaanin ja zirkoniumin valmistuksessa sekä kaasukromatografiassa, koska se on inertti. Heliumia käytetään suojakaasuna kaarihitsauksessa.
Heliumia sekoitetaan hapen ja muiden kaasujen kanssa syvän vedenalaisessa sukelluksessa, koska se ei aiheuta typpinarkoosia.
Heliumia käytetään myös vedyn ja hapen tiivistämiseen rakettipolttoaineen valmistukseen. Sitä käytetään polttoaineen ja hapettimen poistamiseen maalaitteista ennen raketin laukaisua. Sitä käytetään nestemäisen vedyn jäähdyttämiseen avaruusaluksissa ennen raketin laukaisua.
Heliumia käytetään lämmönsiirtovälineenä joissakin ydinreaktoreissa, joita jäähdytetään kaasulla. Heliumia käytetään myös joissakin kiintolevyasemissa. Matalissa lämpötiloissa olevaa heliumia käytetään kryogeniikassa.
Supply
Heliumista on tullut maapallolla harvinaista. Jos sitä pääsee ilmaan, se poistuu planeetalta. Toisin kuin vety, joka reagoi hapen kanssa muodostaen vettä, helium ei ole reaktiivinen. Se pysyy kaasuna. Vuoden 1925 heliumlain jälkeen Yhdysvallat keräsi heliumia kansalliseen heliumvarastoon monien vuosien ajan. Amerikkalainen helium on peräisin Great Plainsin alueen kaivoista. Tällä hetkellä Qatar toimittaa enemmän heliumia kuin Yhdysvallat.
Useat tutkimusorganisaatiot ovat antaneet lausuntoja heliumin niukkuudesta ja säilymisestä. Nämä järjestöt julkaisivat poliittisia suosituksia jo vuonna 1995 ja vielä vuonna 2016, joissa kehotettiin Yhdysvaltojen hallitusta varastoimaan ja säilyttämään heliumia heliumin luonnollisten rajoitusten ja alkuaineen ainutlaatuisen luonteen vuoksi. Tutkijoille helium on korvaamaton, koska se on välttämätön erittäin matalien lämpötilojen tuottamisessa. Matalissa lämpötiloissa olevaa heliumia käytetään kryogeniikassa ja tietyissä kryogeniikan sovelluksissa. Nestemäistä heliumia käytetään tiettyjen metallien jäähdyttämiseen erittäin alhaisiin lämpötiloihin, joita tarvitaan suprajohtavuuteen, kuten magneettikuvauksessa käytettävissä suprajohtavissa magneeteissa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on heliumin kemiallinen symboli?
V: Heliumin kemiallinen symboli on He.
K: Kuinka monta heliumin isotooppia on olemassa?
V: Heliumia on 9 isotooppia, joista vain kaksi on stabiileja.
K: Mikä tekee heliumista jalokaasun?
V: Heliumia kutsutaan jalokaasuksi, koska se ei säännöllisesti sekoitu muiden kemikaalien kanssa ja muodosta uusia yhdisteitä.
K: Minkä värinen ja tuoksuinen helium on?
V: Heliumilla ei ole väriä eikä hajua. Kun se kuitenkin asetetaan sähkökenttään, se hehkuu punaisenoranssina.
K: Milloin tähtitieteilijät havaitsivat heliumin esiintymisen ensimmäisen kerran?
V: Tähtitieteilijät havaitsivat heliumin esiintymisen ensimmäisen kerran vuonna 1868, kun sen spektri tunnistettiin Auringon valossa. Tämä tapahtui ennen kuin se löydettiin Maasta.
K: Mihin tarkoituksiin heliumia käytetään Maassa?
V: Maassa heliumia käytetään ilmapallojen ja ilmalaivojen täyttämiseen, koska sen tiheys on ilmaa kevyempi, sekä joissakin hehkulampuissa. Sitä voidaan myös hengittää, mutta se voi olla vaarallista, jos sitä hengitetään liikaa, sillä se voi aiheuttaa hypoksiaa, joka voi vahingoittaa tai tappaa henkilön, joka ei hengitä normaalia ilmaa, ja aiheuttaa pitkäaikaisia vaikutuksia äänihuuliin.
Kysymys: Miten heliumia syntyy luonnollisesti maapallolla?
V: Maapallolla heliumia syntyy raskaiden radioaktiivisten alkuaineiden, kuten toriumin ja uraanin, luonnollisesta radioaktiivisesta hajoamisesta, vaikka muitakin esimerkkejä on olemassa. Tällaisten hajoamisten lähettämät alfahiukkaset koostuvat helium-4-ytimistä.
Etsiä