Helium

Helium
1s2 3,4 He 2
↓ Periodická tabulka ↓
Obecné
Název, značka, číslo	Helium, He, 2
Cizojazyčné názvy	lat. Helium
Skupina, perioda, blok	18. skupina, 1. perioda, blok s
Chemická skupina	Vzácné plyny
Koncentrace v zemské kůře	0,003 až 0,008 ppm
Koncentrace v mořské vodě	0,000 006 9 mg/l
Koncentrace ve vzduchu	0,000 524%
Vzhled	bezbarvý plyn
Identifikace
Registrační číslo CAS	7440-59-7
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost	4,002602
Atomový poloměr	31 pm
Kovalentní poloměr	28 pm
Van der Waalsův poloměr	140 pm
Iontový poloměr	93 pm
Elektronová konfigurace	1s2
Oxidační čísla	0
Elektronegativita (Paulingova stupnice)	−
Ionizační energie
První	2372,3 kJ/mol
Druhá	5250,5 kJ/mol
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava	Šesterečná
Mechanické vlastnosti
Hustota	0,179 kg/m3
Skupenství	Plynné
Rychlost zvuku	972 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost	0,1513 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání	−272,2 (0,94999999999999 K)
Teplota varu	−268,93 (4,22 K)
Skupenské teplo tání	0,0138 kJ/mol
Skupenské teplo varu	0,0829 kJ/mol
Měrná tepelná kapacita	20,786 Jmol−1K−1 5193 Jkg−1K−1
Elektromagnetické vlastnosti
Měrný elektrický odpor	10−8Ω m
Magnetické chování	Diamagnetický
Bezpečnost
S-věty	S9,S23
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P 3He 0,000137% je stabilní s 1 neutronem 4He 99.999863% je stabilní s 2 neutrony
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Vodík ≺ He ⋎ Ne

Helium, chemická značka He, (lat. Helium) je plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. V přírodě se vyskytuje jako izotop ⁴He (se čtyřmi nukleony) a ve stopovém množství i izotop ³He (se třemi nukleony).

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Výbojka helia

Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní – helium vytváří pouze jednu chemickou sloučeninu a to s fullereny. Ve vodě je velmi málo rozpustné 8,8 ml He v 1000 ml vody.^[zdroj?]

Helium a i ostatní vzácné plyny mají malé elektrické průrazné napětí, snadno se ionizují a dobře vedou elektrický proud. Toho se využívá při výrobě výbojek. Helium září intenzivně žlutě.

Helium je jediná látka, která při nízkých teplotách a normálním tlaku zůstává kapalná až k teplotě absolutní nuly. Pevné helium lze získat pouze za zvýšeného tlaku. Helium má také ze všech známých látek nejnižší bod varu.

Kapalné helium je látka, která vyniká velkým množstvím zajímavých vlastností. Při teplotách pod 2,1768 K je supratekuté, to znamená, že dokáže bez tření protékat libovolnými předměty a téct bez tření po libovolných předmětech. Tepelná vodivost tekutého helia je tři milionkrát větší než u mědi při pokojové teplotě.

Historický vývoj

Samotný objev helia byl učiněn zkoumáním spektra sluneční korony, kdy v roce 1868 při zatmění Slunce francouzský astronom Pierre Janssen objevil neznámé žluté spektrální linie, které byly přiřazeny doposud neznámému prvku, pojmenovaném po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. Teprve v roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi.

V roce 1868 astronomové, francouz Pierre-Jules Janssen a angličan Joseph Norman Lockyer, pozorovali nezávisle na sobě ve slunečním spektru na vlnové délce 587,49 nm žlutou spektrální čáru, která nepatřila žádnému do té doby známému prvku na Zemi. Vzhledem k blízkosti spektrálních čar sodíku D1, D2, byla označena jako spekrální čára D3. Lockyer postuloval, že se jedná o nový prvek a podle starořeckého boha Slunce (Helios) jej nazval helium.

V roce 1881 pozoroval italský fyzik Luigi Palmieri spektrální čáru D3 v plynu unikajícím při zahřívání vulkanické sublimace z Vesuvu.

V letech 1888–1890 pracoval americký mineralog a chemik William F.Hillebrand s minerálem uraninitem a podrobil jej zahřívání s minerálními kyselinami. Uvolněný plyn považoval za dusík.

Skotský chemik William Ramsay opakoval pokus v roce 1895, ovšem s jiným materiálem, minerálem cleveitem (z rodiny uranových rud) a kromě dusíku a argonu isoloval také plyn s odlišnou spektrální linií a potvrdilo se, že se jedná o helium. V témže roce mezitím pracoval s minerálem cleveitem také švédský chemik Per Theodor Cleve a jeho žák Nils Abraham Langlet a získali helium v čistější podobě a větším množství, které stačilo k určení atomové hmotnosti helia. Ramsey, Cleve a Langlet jsou považováni za nezávislé objevitele helia v pozemském materiálu.

Během vrtných prací v roce 1903 v americkém Dexteru, Kansas, byl nalezen zdroj zemního plynu, který obsahoval 12 objemových procent neznámého plynu. Američtí chemici Hamilton Cady a David McFarland z Kansaské univerzity potvrdili v roce 1905, že se jedná o helium. Na počátku 20. století byly objeveny velké zásoby helia v ložiscích zemního plynu v Great Plains a Spojené státy americké se staly světovým dodavatelem tohoto plynu.

V roce 1907 Ernest Rutherford a Thomas Royds demonstrovali fakt, že částice alfa jsou jádra hélia tím, že nechali částice proniknout tenkou skleněnou stěnu evakuované trubice a následným výbojem pozorovali spektrální čáru D3.

V roce 1908 poprvé zkapalnil helium holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes ochlazením plynu na teplotu méně než jeden Kelvin (0K = −273°C). Neúspěšně se pokusil dalším snižováním teploty také o převedení helia do pevného stavu, což dokázal až v roce 1926 jeho žák Willem Hendrik Keesom ovšem za použití vyššího tlaku.

V roce 1938 objevil Petr Leonidovič Kapica supratekutost isotopu ⁴He při teplotách blízkých absolutní nule.

Výskyt v přírodě

Vzducholoď plněná heliem

Zkapalněné helium. Toto helium je nejen kapalina, ale bylo ochlazeno na bod supratekutosti.

Helium je na Zemi přítomno jen velmi vzácně. V zemské atmosféře se vyskytuje jen ve vyšších vrstvách a díky své mimořádně nízké hmotnosti postupně z atmosféry vyprchává do meziplanetárního prostoru. V atmosféře Země (do výšky 200 km) tvoří 0,000524 objemových procent (tj. 5,24 ppm).

Poprvé bylo helium izolováno z minerálu smolince. V menším množství až 9 % se nachází v zemním plynu, z něhož se také získává vymrazováním. Vzácně vyvěrá helium i trhlinami v zemi, nejznámější oblasti těchto vývěrů leží ve Skalistých horách v USA a v Kanadě. Předpokládá se, že veškeré toto helium je produktem jaderného rozpadu prvků v zemské kůře (částice alfa jsou jádry atomů helia).

Ve vesmírném měřítku je helium druhým nejvíce zastoupeným prvkem. Vyskytuje se především ve všech svítících hvězdách, kde je jedním z mezistupňů termonukleární syntézy, jež je podle současných teorií základním energetickým zdrojem ve Vesmíru. Tvoří přibližně 25 % hmoty okolního pozorovatelného Vesmíru.

Helium se vyskytuje v atmosféře plynných obrů, kde se jeho objemová koncentrace pohybuje mezi 3 a 19%, a po vodíku je nejrozšířenější prvek v jejich atmosféře. Z kamenných planet se vyskytuje zejména na Merkuru, a rovněž se vyskytuje na Měsíci.

Získávání

• Od roku 1917 se v Severní Americe získává helium z ložisek zemního plynu. Od methanu a ostatních plynů se odděluje frakční destilací.
• Další možnost je zahřívat minerály, ve kterých se helium vyskytuje, teplotou okolo 1 200 °C. K takovým minerálům patří cleveit, monazit a thorianit. Plyny, které se uvolňují z minerálů, je nutno od sebe oddělit, aby bylo možno získat čisté helium.

Využití

Nákres chování helia II – tzv. supratekutý film, který tekuté helium vytváří na každém povrchu

Vzhledem ke své extrémně nízké hustotě a inertnímu chování se helium používá k plnění balónů (balónek díky heliu vyletí ke stropu) a vzducholodí jako náhrada hořlavého vodíku. Značnou nevýhodou je zde ovšem jeho poměrně vysoká cena. Navíc má atom helia velmi malý průměr, snadno difunduje skrze pevné materiály a dochází tak ke ztrátám.

Směsí helia, kyslíku a dusíku se plní tlakové láhve s dýchací směsí, určenou pro potápění do velkých hloubek. Na rozdíl od dusíku totiž ani pod velkým tlakem nezpůsobuje tzv. hloubkové opojení, takže potápěč je schopen pracovat ve velkých hloubkách i přes 300 metrů. Zároveň omezuje vznik otravy kyslíkem a současně zmenšuje riziko kesonové nemoci, která vzniká při rychlém výstupu potápěče na hladinu uvolněním bublinek plynného dusíku v krvi s možností mechanického poškození různých tkání.

Rychlost zvuku v heliu je řádově 3× větší než ve vzduchu. Pokud člověk nadechne helium, rezonanční frekvence dýchacích cest se změní a to ovlivní zabarvení hlasu. Stejně by se přítomnost hélia projevila při hvízdání nebo hře na dechový hudební nástroj.

Helium se také používá jako nosný plyn pro kapilární plynovou chromatografii s hmotově spektrometrickou detekcí. Další aplikací v oboru analytické chemie je rentgenová fluorescence, kde tvoří ochrannou atmosféru mezi zdrojem záření a vzorkem a zabraňuje tak pohlcování fotonů rentgenového záření argonem ze vzduchu.

Mimořádně nízká teplota varu předurčuje kapalné helium jako jedno ze základních médií pro kryogenní techniky, především pro výzkum i praktické využití supravodivosti a supratekutosti různých materiálů.

Helium se ve směsi s neonem používá k plnění reklamních osvětlovačů, obloukových lamp a doutnavek. Výboj v heliu má intenzivně žlutou barvu.

Nízká viskozita je důvodem pro použití hélia ve Stirlingově motoru.

Helium má uplatnění v hodinářském průmyslu v hodinkách pro hlubinné ponory, vyrovnávajících tlak pomocí heliového ventilu.

Sloučeniny

Nákres chování helia v závislosti na teplotě a tlaku

He@C₆₀ je jedna ze dvou doposud známých sloučenin hélia. Sférická koule je fulleren a uvnitř v dutině tohoto fullerenu je uzavřen jeden atom helia. Fullereny vznikají kondenzací grafitových par v heliu. Při kondenzaci par ale může dojít k radikálovému mechanismu, jehož výsledkem je tato sloučenina.

Páry grafitu nelze normální cestou získat, protože uhlík má teplotu tání více než 3500 °C a teplota varu je ještě o mnoho vyšší (přes 4800 °C). Proto se k přípravě par grafitu využívá laseru.

Supratekutost

S heliem je spojen zajímavý fyzikální úkaz, zvaný supratekutost. Kapalné helium se totiž vyskytuje ve dvou formách – helium I při teplotách 2,1768–4,21 K a helium II při teplotách nižších než 2,1768 K (za normálního tlaku) (tzv. lambda bod). To se týká izotopu ⁴He. Izotop ³He je supratekutý při teplotách pod přibližně 0,002 5 K. Rozdíl mezi izotopy je způsoben tím že atom ⁴He je bosonem (skládá se ze 2 protonů, 2 neutronů a 2 elektronů) zatímco atom ³He je fermionem. Izotop ⁴He je supratekutý díky vzniku Bose-Einsteinova kondenzátu zatímco ³He díky vzniku Cooperových párů.

Mezi heliem I a heliem II neexistuje skupenské teplo, což znamená, že tyto dvě formy helia se nemohou vyskytovat v jedné nádobě současně vedle sebe. Nad lambda teplotou se může vyskytovat pouze helium I a pod lambda teplotou pouze helium II.

Zatímco helium I se chová jako běžné tekutiny, vykazuje helium II velmi neobvyklé vlastnosti. Především nemá tato kapalina prakticky žádné vnitřní tření, a proto teče nesmírně rychle, ale dokonce díky kapilárnímu jevu přetéká stěny nádob, ve kterých je uchováno a vytéká horním koncem do něj ponořené kapiláry (jev zvaný fontánový efekt), což budí zdání, jako by helium II nebylo vůbec ovlivněno gravitací.

Navíc má supratekuté helium největší tepelnou vodivost ze všech doposud známých látek.

Literatura

• Cotton F. A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9
• ANDRONIKAŠVILI, E. L. Vzpomínky na kapalné hélium. Praha : Mladá Fronta, 1983. Autobiografie.

Související články

• Vodík
• Supravodivost
• Supratekutost
• Inertní plyn

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu helium ve Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo hélium ve Wikislovníku
• Seznam děl v Souborném katalogu ČR, jejichž tématem je Helium
• (česky) Helium v encyklopedii plynů na encyclopedia.airliquide.com
• Rozsáhlá publikace o heliu na webu České asociace technických plynů catp.cz (PDF)
• Alchymie 21. století – vědci přinutili helium, aby se chovalo jako vodík, článek na technet.idnes.cz
• Na Jupiteru prší hélium, článek na astro.cz
• Chemický vzdělávací portál
• (anglicky) U.S. Government's Bureau of Land Management: Sources, Refinement, and Shortage. Z historie.
• U.S. Geological Survey publications on helium Helium
• Where is all the helium? *It's Elemental – Helium
• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Helium