Hel (pierwiastek)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Ten artykuł dotyczy pierwiastka chemicznego. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.
Hel
wodór ← hel →
Wygląd
bezbarwny
hel świecący w silnym polu elektrycznym
hel świecący w silnym polu elektrycznym
Widmo emisyjne helu
Widmo emisyjne helu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a. hel, He, 2
(łac. helium)
Grupa, okres, blok 18 (VIIIA), 1, s
Stopień utlenienia 0
Właściwości metaliczne gaz szlachetny
Masa atomowa 4,002602(2) u[2][a]
Stan skupienia gazowy
Gęstość 0,1785 kg/m³
Temperatura wrzenia −268,928 °C[1]
Numer CAS 7440-59-7
PubChem 23987
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 2, z grupy helowców (gazów szlachetnych) w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach.

Hel stanowi ok. 23% masy wszystkich pierwiastków we Wszechświecie i na Słońcu. W skorupie ziemskiej jego zawartość wynosi 5,5 ppb (5,5×10−7%) w/w, natomiast w atmosferze stanowi 5 ppm (5×10−4%) v/v[4]. Pochodzi głównie z rozpadu jąder promieniotwórczych w naturalnych szeregach promieniotwórczych. W większych stężeniach występuje w gazie ziemnym. W złożach w Stanach Zjednoczonych jego zawartość dochodzi do 1%, w złożach występujących w Europie ilość ta jest bardzo mała (z wyjątkiem Polski – do 3%). Praktycznie cały hel, który mógł pierwotnie istnieć na Ziemi, nie mogąc związać się z żadnym innym pierwiastkiem, jako bardzo lekki opuścił atmosferę Ziemi.

Występuje w postaci dwóch izotopów trwałych – 3He i 4He. Znanych jest także kilka syntetycznych izotopów nietrwałych (T½ < 1 sekundy), z których najbardziej stabilne są 6He i 8He.

Hel jest najmniej aktywnym pierwiastkiem chemicznym, z najwyższą spośród wszystkich pierwiastków energią jonizacji (24,59 eV)[5]. Znane są jego związki metastabilne (np. HHeF, (HeO)(CsF) i LiHe)[5] i krótko żyjące cząsteczki HeNe i jony He+ oraz He2+[6]. Tworzy też stabilne stałe związki międzycząsteczkowe, np. NeHe2 i He@H2O[5]. Na przełomie 2016/2017 doniesiono o otrzymaniu pierwszego stałego związku helu, Na2He, który jest trwały termodynamicznie pod ciśnieniem powyżej 113 GPa (ok. 1,1×106 atm). Tworzy kryształy o strukturze fluorytu[5].

Nie ma żadnego znaczenia biologicznego.

Odkrycie helu[edytuj | edytuj kod]

Hel odkryto najpierw na Słońcu, później na Ziemi. Podczas całkowitego zaćmienia Słońca, które miało miejsce 18 sierpnia 1868 roku i było widoczne w Indiach, astronom Pierre Janssen, badając widmo korony słonecznej, zaobserwował pomarańczowy prążek odpowiadający długości fali 587,6 nm, którego nie można było przypisać do żadnego spośród znanych wówczas pierwiastków. Ten sam prążek w widmie Słońca zaobserwował 20 października 1868 r. angielski astronom Norman Lockyer. Lockyer i angielski chemik Edward Frankland nadali nowemu pierwiastkowi – emitującemu falę o długości 587,6 nm – nazwę helium od greckiego boga słońca – Heliosa[7]. Przez wiele lat hel był uważany za pierwiastek, który występuje na Słońcu, ale nie występuje na Ziemi. W roku 1895 William Ramsay otrzymał hel po potraktowaniu kleweitu (rudy uranowej) kwasem siarkowym. Ramsay przesłał próbkę gazu do Williama Crookesa i Normana Lockyera, którzy zidentyfikowali hel[8].

Hel stały[edytuj | edytuj kod]

Hel jako jedyny pierwiastek pozostaje ciekły nawet w temperaturze zera bezwzględnego (pod ciśnieniem atmosferycznym) i zestala się dopiero w podwyższonym ciśnieniu. Ma najniższą temperaturę krzepnięcia spośród wszystkich pierwiastków: <0,95 K (pod ciśnieniem 26 atm). W zależności od ciśnienia hel w stanie stałym może zmieniać objętość o 30%[9]. W temperaturze poniżej 0,2–0,4 K hel stały przechodzi przemianę fazową do formy o właściwościach nadciekłych ("hel nadstały")[10][11][12].

Zastosowania helu[edytuj | edytuj kod]

  • Hel w postaci ciekłej jest używany do chłodzenia tam, gdzie potrzebne są ekstremalnie niskie temperatury, ze względu na jego bardzo niską temperaturę wrzenia. Stosuje się go m.in. do chłodzenia nadprzewodników.
  • Jako najlżejszy gaz bezpieczny (niepalny) był stosowany do wypełniania statków powietrznych lżejszych od powietrza, czyli aerostatów (balony, sterowce). Obecnie ze względu na wysokie koszty jego pozyskania, zamiast helu stosuje się w aerostatach najczęściej ogrzane powietrze.
  • Ze względu na niską rozpuszczalność w osoczu krwi, używany jest jako składnik mieszanki do oddychania w głębokim nurkowaniu.[potrzebny przypis]
  • Hel jest używany jako gaz napędowy w balonach do kontrapulsacji wewnątrzaortalnej (cewnik zakończony balonem wprowadzany jest do aorty najczęściej przez tętnicę udową, napełnianie i opróżnianie balonu gazem zgodnie z rytmem serca wspomaga niewydolne krążenie)[13].
  • Hel w mieszaninie z tlenem może być używany do wentylacji mechanicznej pacjentów z ciężką obturacją oskrzeli. Hel ma znacznie mniejszą gęstość niż azot. Zastąpienie azotu helem obniża liczbę Reynoldsa i zmienia charakter przepływu gazów w drogach oddechowych z turbulentnego na laminarny co istotnie obniża opory przepływu. Metoda ma charakter eksperymentalny i nie została wdrożona do powszechnej praktyki klinicznej[14].
  • Hel dostarczony do płuc powoduje zmianę wysokości głosu – dzieje się tak, ponieważ częstość drgań strun głosowych w komorze rezonansowej, jaką jest krtań, ściśle zależy od gęstości ośrodka, w którym te drgania zachodzą (prędkość dźwięku w helu jest ok. 3 razy większa niż w powietrzu). Przeciwny efekt ma wdychanie ksenonu lub sześciofluorku siarki.[potrzebny przypis]
  • Hipotetycznie izotop 3He może zostać wykorzystany w kontrolowanej reakcji termojądrowej z deuterem do uzyskiwania energii bez powstawania niepożądanych odpadów promieniotwórczych. Na Ziemi 3He występuje jedynie śladowo, natomiast znaczne ilości tego izotopu występować mogą w gruncie księżycowym, w związku z czym rozważane są projekty jego wydobycia i transportu z Księżyca na Ziemię[15][16].

Otrzymywanie helu[edytuj | edytuj kod]

Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo posiada jedyną na terytorium Unii Europejskiej instalację do pozyskiwania helu. Stanowi ona część odazotowni gazu ziemnego w Odolanowie. Część surowca pozyskiwana jest także w odazotowni w okolicach Grodziska Wielkopolskiego oraz w instalacji membranowej przy kopalni Kościan-Brońsko; ostateczne oczyszczenie tego helu przeprowadzane jest w Odolanowie[17]. W 2012 roku zakończyła się jej dwuletnia, warta 27,7 mln zł modernizacja, która poprawiła ergonomiczność oraz o ok. 30% wydajność instalacji. Dzięki niej Polska jest jednym z sześciu krajów na świecie produkujących hel. Wśród głównych odbiorców są: Austria, Francja, Niemcy, Szwajcaria, Turcja, Wielka Brytania, kraje bałkańskie[18].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Z uwagi na zmienność abundancji izotopów pierwiastka w naturze, podany został zakres wartości masy atomowej dla naturalnych źródeł tego pierwiastka. Znane są próbki geologiczne, w których pierwiastek ten ma skład izotopowy odbiegający od występującego w większości źródeł naturalnych. Masa atomowa pierwiastka w tych próbkach może więc różnić się od podanej w stopniu większym niż wskazana niepewność. Duże różnice w składzie izotopowym tego pierwiastka w źródłach naturalnych nie pozwalają na podanie wartości masy atomowej z większą dokładnością.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b c CRC Handbook of Chemistry and Physics, William M. Haynes (red.), wyd. 97, Boca Raton: CRC Press, 2016, s. 4-64, 4-117, ISBN 978-1-4987-5429-3.
  2. Juris Meija i inni, Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 88 (3), 2016, s. 265–291, DOI10.1515/pac-2015-0305.c?
  3. Charles N. Singman, Atomic volume and allotropy of the elements, „Journal of Chemical Education”, 61 (2), 1984, s. 137, DOI10.1021/ed061p137 (ang.).c?
  4. Helium: geological information, Webelements.com [dostęp 2020-07-13] (ang.).
  5. a b c d Xiao Dong i inni, A stable compound of helium and sodium at high pressure, „Nature Chemistry”, 9 (5), 2017, s. 440–445, DOI10.1038/nchem.2716, PMID28430195 (ang.).
  6. Periodic Table: Helium Lawrence Livermore National Laboratory.
  7. Ignacy Eichstaedt: Księga pierwiastków. Warszawa: Wiedza Powszechna, 1973, s. 68. OCLC 839118859.
  8. Ignacy Eichstaedt: Księga pierwiastków. Warszawa: Wiedza Powszechna, 1973, s. 73. OCLC 839118859.
  9. C.R. Hammond, The Elements. Helium, [w:] CRC Handbook of Chemistry and Physics, David R. Lide (red.), wyd. 88, Boca Raton: CRC Press, 2007, s. 4-16 – 4-17, ISBN 978-0-8493-0488-0.
  10. E. Kim, M.H.W. Chan, Probable observation of a supersolid helium phase, „Nature”, 427 (6971), 2004, s. 225–227, DOI10.1038/nature02220, PMID14724632 (ang.).c?
  11. E. Kim, M.H.W. Chan, Observation of superflow in solid helium, „Science”, 305 (5692), 2004, s. 1941–1944, DOI10.1126/science.1101501, ISSN 1095-9203, PMID15345778 [dostęp 2020-07-13] (ang.).c?
  12. Henry R. Glyde, Defects and perfect flows, „Nature”, 444 (7120), 2006, s. 693–695, DOI10.1038/444693a, PMID17151649 (ang.).c?
  13. Kontrapulsacja wewnątrzaortalna.
  14. Neil R. Maclntyre, Richard D. Branson, Wentylacja Mechaniczna, Wydawnictwo ADI, 2008, ISBN 83-900299-2-8.
  15. Andrzej Kublik: Rosja i Chiny walczą o energię z Księżyca. Gazeta Wyborcza, 2006-04-13. [dostęp 2009-01-10].
  16. Mariusz Błoński: Wyścig po paliwo z kosmosu. Kopalniawiedzy.pl, 15-12-2006. [dostęp 2009-01-10].
  17. Leszek Kadej: Hel - najcenniejsza domieszka w gazie ziemnym. WysokieNapiecie.pl, 2018-10-02.
  18. Michał Duszczyk. PGNiG umacnia pozycję głównego producenta helu. „Dziennik Gazeta Prawna”. 36 (3174), s. A12, 21 lutego 2012. ISSN 2080-6744. 

Star of life.svg Przeczytaj ostrzeżenie dotyczące informacji medycznych i pokrewnych zamieszczonych w Wikipedii.