2, Helium (He)

gr. helios = Sonne

Das Element Helium:

         
   
  H He Li  
  F Ne Na  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Helium (Nukleosynthese):
Helium ist im Universum das zweithäufigste Element nach dem Wasserstoff. Es wurde wie jener hauptsächlich nach dem Urknall gebildet. Durch die Kernfusionsprozesse im Inneren der Sterne wird es auf Kosten des Wasserstoffanteils ständig nachgebildet.

Auf der Erde ist Helium dank seines flüchtigen und chemisch inerten Charakters sehr stark abgereichert. Es zählt zu den seltensten nichtradioaktiven Elemente.

2 1H → 2H + β+ + 422 keV
2H + 1H → 3He + 5,49 MeV
2 3He → 4He + 2 1H + 12,86 MeV

Helium entsteht auch durch Elektroneneinfang von Alpha-Teilchen beim radioaktiven Zerfall. Der Heliumkern 4He ist der stabilste Atomkern überhaupt. Während das Isotop 4He nach dem Urknall in großen Mengen entstand, kommt das zweite stabile Isotop des He, 3He nur sehr selten vor - in der Größenordnung wie Lithium, Beryllium und Bor - die allesamt als Bruchstücke größerer Kerne nach Supernova-Explosionen entstehen.
Schema stellare Kernfusion von vier Protonen
zu einem Helium-Kern
Vorkommen von Helium: Das Universum besteht zu etwa 23% aus Helium; der Anteil von He-4 nimmt fortwährend durch Fusion aus Wasserstoff zu.

Die Sonne besteht zu 23% ihrer Masse aus Helium. Auf der Erde resultieren die größten Vorkommen durch den radioaktiven Zerfall unterirdischer Uranlagerstätten. So reichert sich das Helium etwa in Erdgaslagerstätten an, wo es bis zu 7% im Methan vorkommen kann. Die Gewinnung erfolgt auch ausnahmslos aus solchen Erdgasen.

Die Atmosphäre der Erde hingegen hat sich an Helium im Laufe ihrer Entstehung stark abgereichert. Während der Frühzeit unseres Planeten ist beinahe das komplette Helium in das freie Weltall entwichen, da die Gravitationskraft der Erde nicht ausreichte, um das Gas in größeren mengen zu binden. Sie enthält gerade noch 5,24 mL/m3 (0,7 mg/kg) Helium, wovon der überwiegende Teil irdischen Ursprungs ist (siehe oben). Dies entspricht 0,000524 Volumen-Prozent (bzw. 0,0000724 Gewichts-Prozent).

Vorkommen von Helium

Sonnen-Oberfläche[1]

Bohrinsel[2]

Uranerze[5]


Helium-Gewinnung:
  • Aus Erdgas. Aus heliumreichen (größer 4 %) Erdgasvorkommen ist die Gewinnung des Edelgases rentabel. Hierzu wird das Erdgas verflüssigt, und das Restgas auf unter -250°C abgekühlt. Dabei verbleibt einzig Helium als gasförmige Komponente.

  • Aus der Luft. Hierbei fällt Helium als Nebenprodukt der Neon-Gewinnung an, wobei es hierin mit bis zu 24% Anteil in der rektifizierten Neon-Helium-Fraktion enthalten ist. Aus dieser wird es gewonnen, indem man das Gasgemisch auf 180 bar verdichtet und auf 50 K abkühlt. Beim anschließenden Entspannen auf 25 bar kondensiert festes Neon aus, während das Helium gasförig bleibt.
Die Helium-Gewinnung durch Luftverflüssigung

Schema Linde-Verfahren.[6]

Schema Edelgas-Gewinnung.[6]

Schema Neon-Gewinnung.[6]


Chemie von Helium: Helium besitzt mit seinen zwei 1s-Elektronen eine komplett gefüllte, chemisch sehr inerte Atomhülle. Es ist das reaktionsträgste Element. He2+-Ionen sind in keiner chemischen Verbindung auch nur annähernd stabil. Daher gibt es keine Helium-Verbindungen.
Physikalische Besonderheiten von Helium bzw. von seinen Verbindungen: Die hervorstechendste Eigenschaft des Heliums ist sein Verhalten beim Abkühlen. So kann es bei Normaldruck nicht verfestigt werden, und kondensiert erst unterhalb -269°C zu einer Flüssigkeit. Unterhalb von ca. -271°C geht das flüssige Helium in supraflüssiges Helium (Helium II) über. Dieses hat gänzlich andere Eigenschaften: Es hat eine sehr hohe Leitfähigkeit, sowohl für Wärme als auch für Elektrizizät. Es zeigt auch den ungewöhnlichen Effekt, dass es in der Lage ist, entgegen der Schwerkraft an Gefäßwandungen hochzukriechen (Onnes-Effekt).

Helium verhält sich von allen Gasen am meisten wie ein ideales Gas. Sein Molvolumen beträgt 22,42 L/mol bei 0°C und 1,013 bar.
Verwendung von Helium :
  • Leichtes Füllgas: Helium wird als Füllgas für Luftschiffe benutzt. Es ist zwar doppelt so schwer wie der Wasserstoff, hat jedoch den Vorteil, dass es nicht brennbar ist.

  • Leuchtstoffröhren: In Leuchtstoffröhren (insbesondere für Werbe- uind Dekorationszwecke) erzeugt Helium ein elfenbeinweißes Licht.

  • Medizinisches Atemgas: In der Intensivmedizin wird ein leicht atembares Gasgemisch aus 80% Helium und 20% Sauerstoff eingesetzt.

  • Kryotechnik: Aufgrund des tiefen Siedepunktes wird Helium als Kühlmittel zum Erreichen tiefster Temperaturen eingesetzt.

  • Stirlingmotoren: Helium ist aufgrund seines geringen spezifischen Gewichts und seiner hohen Wärmeleitfähigkeit das idealste Gas zum Betreiben von Stirling-Motoren. Diese Motoren sind in der Lage, Wärme-Energie direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln.

  • Kernfusionsmedium: 3He wäre zusammen mit Deuterium ein ideales Medium, um Energie mittels Kernfusion zu erzeugen: Während die Energiebilanz ähnlich günstig wie bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium ausfällt, werden hier jedoch nur Protonen (Wasserstoffkerne) anstatt Neutronen freiwerden, was bedeutet, dass keine Radioaktivität auftritt.

Handelsware: Helium wird in Druckgasflaschen (200 bar) in den Handel gebracht, wobei diese grau mit brauner Schulter gefärbt werden.

Verwendung von Helium

Helium-Entladungsröhre[3]

heliumgefüllter Wetterballon[4]

Stirling-Motor[7]


Quellen: [1] Bildquelle: NASA. Das Bild als Werk einer US-Behörde unterliegt der Gemeinfreiheit, wenn nicht anders angegeben.

[2] Gemeinfreies Bild.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Pslawinski. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Wolke. Das Bild wurde vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Jedrzej Pelka. Das Bild wurde vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.

[6] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[7] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Claudio Minonzio. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.