HELIUM

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

H

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

14

15

16

17

He

Li

Be

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

?

?

?

 

?

 

 ?

 

 

 

 

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

 

 

 

 

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

 

He, atomnr. 2, molvekt 4,002602 g, elektronkonfigurasjon: 1s2, smeltepunkt < -272,2 C(26 atm.), kokepunkt -268,934 C (-269,96 C for helium-3), tetthet 0,1785 g/l (0,1215 g/cm3 ved kokepunktet).

Helium hører til gruppe 18 i det periodiske systemet (også benevnt 8a eller hovedgruppe VIII eller 8 og kjent som 'edelgassene'), og har (1981) 7 kjente isotoper hvorav de to letteste, helium 3 og 4, er de eneste stabile. Av de andre er det bare 6 og 8 som har registrerbare halveringstider, begge på under sekundet.

HISTORIE
Rhodos er en øy i Egeerhavet hvor frosne nordboere ofte kommer sammen og legger seg ærbødig langflate for den store gule kolossen på himmelen som sender varme, nærende stråler og mykner sjelene.

Helios, sønn av titanene Hyperion og Euryphaessa (Theia), kjører solvognen over himmelen fra det skinnende palasset sitt ved Kolchis i Lilleasia til det like skinnende palasset langt ute i vesterhavet et sted. Hver natt seiler han ut fra vestpalasset med vognen og hestene i en gyllen ferjebåt smidd av Hephaistos og ankommer alltid Kolchis i god tid før soloppgang. Hans søstre er Selene (Månen) og Eos (morgenrøden), hans hustru nymfen Rhode og hans barn Phaethon, Prote og Klymene. Helios ser alle gjerninger (som ikke er mørkets) og han tas derfor som vitne ved edsavleggelser. Han er også kvegeier, og hvis man kommer til en øy hvor det gresser et kveg for hver dag i (det greske) året, bør man være forsiktig med å forgripe seg på dem.

Da Zeus hadde fordelt alle øyer og byer slik at hver av gudene hadde sin, var han fornøyd med seg selv inntil han kom på at han hadde glemt Helios! 'Akk!' sa han. 'Nå må jeg begynne omigjen helt fra starten!'
'Neida, herre,' svarte Helios høflig. 'Jeg har på følelsen at en ny øy er i ferd med å dukke opp av havet like sør for Lilleasia. Hvis jeg får den vil jeg være fornøyd med det jeg får, jeg.'

Og da Rhodos var vel oppe av havet ble den høytidelig overdratt til Helios, som tok den i eie, ektet øyas nymfe Rhode og ble stamfar til øyas befolkning. De dyrket ham trofast, og i sin stormaktstid, da øya var en av de store sjømakter, bygde de en over 32 meter høy bronsestatue av ham overskrevs over havneinnløpet. Et av oldtidens 7 store underverk.

Denne kolossen sto ferdig i 292 f.v.t. (påbegynt 304) men ble bare 66 år gammel. I 226 tok et jordskjelv ham og slengte ham i havet. Så kom romerne til Rhodos og gjorde slutt på blomstringstiden. Og de små menn med kors i hendene kom og rhodonerne var ikke lenger tro mot Helios.

Men Helios red stadig over himmelen med den glitrende vognen sin, og når ingenting kom i veien for ham, så han alt og øste lys og varme over alle de små menneskene som ikke trodde på ham og drev og pitlet rundt der nede og gjorde gjerninger. Gjerninger som ble rarere og rarere. 'Jaja, iallfall tar de ennå imot lyset mitt slik jeg gir dem det og prøver ikke å dele det opp og hakke det i stykker slik de gjør med alt annet,' sa han til seg selv fortrøstningsfullt. Men straks kom det en mann, litt større enn de andre, ut av et mørkt rom, og han hadde en underlig glassting i hånden.

Denne mannen het Isaac Newton, og i hånden hadde han et prisme. Med prismet påviste han at lys kunne deles opp i sine bestanddeler, og at bestanddelene var bølger med forskjellige lengder. Den tyske optikeren Joseph Fraunhofer oppdaget i 1814 at det fantes mørke linjer i solspekteret. I 1855 konstruerte den tyske kjemikeren Robert Wilhelm Bunsen en brenner drevet med naturgass, som hadde en varm og nesten usynlig flamme. Han fant at når han sendte lyset fra kjemikalier som ble glødet i denne flammen gjennom et Newton-prisme, ble det ikke spredd ut til et jevnt spektrum, men samlet seg i linjer ved visse bølgelengder som var spesifikke for grunnstoffene. I samarbeid med fysikeren Gustav Robert Kirchhoff utviklet han spektralanalysen.

En dag kom det noe i veien for Helios under hans ferd over himmelen, som det av og til gjør. Under den totale solformørkelsen i 1868 benyttet den franske astronomen Pierre Jules César Janssen sjansen til å studere emisjonspekteret av solkoronaen, og i det spekteret fant han en gul spektrallinje som han ikke kunne reprodusere i laboratoriet. Den engelske astronomen Joseph Norman Lockyer gjorde de samme erfaringene og mente at det måtte finnes et grunnstoff på Solen som ikke var funnet på jorden. Han foreslo å kalle det helium etter Helios, solguden.

Hans konklusjon ble møtt med en viss skepsis av kjemikerne. Astronomer hadde ikke noe med å oppdage grunnstoffer, mente de, og "solstoffet" til Lockyer var lenge en stående vits i kjemikerkretser.

Italieneren L.Palmieri fant i 1882 heliumlinjer i en spektralanalyse av lava fra Vesuv, men fikk ingen internasjonal tilslutning til oppdagelsen. I 1889 fant den amerikanske mineralogen og kjemikeren William Francis Hillebrand at mineralet uraninitt eller bekblende avga en reaksjonstreg gass når det ble løst i syre. Han trodde det var nitrogen, men i 1895 analyserte den skotske kjemikeren Sir William Ramsay med hjelp fra den engelske fysikeren og kjemikeren William Crookes spekteret til denne gassen og fant at det stemte med helium. Den svenske kjemikeren Per Theodor Cleve og hans assistent Nils Abraham Langlet gjorde det samme arbeidet samtidig, men kom litt senere ut med rapporten. Samme år fant den tyske fysikeren H. Kayser også heliumlinjer i spekteret av et argonpreparat utvunnet av luft. Dermed var heliums eksistens uomtvistelig fastslått, og Lockyer, som levde til 1920, kunne triumfere.

At alfapartikler er identiske med heliumkjerner ble bevist av den newzealandske fysikeren Ernest Rutherford i 1903 i et (for ham typisk) sinnrikt eksperiment, som også involverte en imponerende prøve på glassblåserkunst. Et indre, uhyre tynnvegget rør ble omgitt av et ytre, lufttomt rør. Inn i det indre blåste man en porsjon radongass og forseglet det. Så sto radongassen der inne og avga alfapartikler. Noen av dem trengte gjennom den tynne veggen, og etter noen dager kunne man i et spektrogram av innholdet i det ytre røret tydelig se heliumlinjer.

Helium ble først kondensert i 1908 av den nederlandske fysikeren H. Kamerlingh-Onnes.

Navnet Helios stammer fra indoeuropeisk sauel- 'sol' og er nært beslektet med vår betegnelse for solen som gjennom norrønt sól og det germanske sowula, sowila-, kommer fra den samme roten.

GEOLOGI
I universet er helium det nest hyppigste av alle grunnstoffer, og utgjør 8 % av alle atomer. En viss del av dette har sannsynligvis vært tilstede siden universets barndom, og er produsert under kjernereaksjoner i det tette, hete proto-universet som eksisterte kort tid etter Big Bang. Men alle normale stjerner bruker fusjon av hydrogenkjerner til helium som energikilde, og det meste av universets helium stammer antakelig fra dette. Heliumproduksjonen foregår bare i stjernenes innerste deler, og det produserte helium tømmes for en stor del ikke ut i universet når stjernene dør, men blir igjen i restene. Det er også bare en svært liten del av en stjernes hydrogen som konverteres til helium under livsløpet. Likevel sees det forskjeller i heliuminnhold mellom forskjellige stjerner, og tilsynelatende er det en sammenheng med alderen. F.eks. er heliuminnholdet i vår egen sol ofte målt til ca. 6.5 %. Men disse målingene er vanskelige, og usikkerheten stor.

Heliumisotopen helium-4 har lavere bindingsenergi pr. nukleon enn alle andre atomkjerner, og er derfor ekstra stabil og et hyppig reaksjonsprodukt. Når 4 hydrogen kombineres til helium frigjøres (4 x 1,00782522 - 4,0026036) x 931,478 = 26,7309 MeV. Til sammenlikning kan det nevnes at man får 14,4374 MeV ut av å fusjonere 4 helium 4 til oksygen 16. Inne i stjernene omsettes ikke hydrogenkjernene direkte tli helium ved at fire av dem plutselig går sammen, de innfanges en og en etter forskjellige prosesser, avhengig av temperaturen i stjernenes indre og dermed av størrelsen på dem. 4 millioner grader er minstekravet for at en stjerne skal kunne produsere energi i sitt indre. Da er den såkalte proton-proton-kjeden mulig. Den består av følgende trinn:

1: 1H+ + 1H+ -> 2H+ + b + + n (kjernekollisjon)
2:
b + + b - -> g (antipartikkelannihilasjon)
3: 1H+ + 2H+ -> 3He2+ +
g (kjernekollisjon)
4: 2He2+ + 3He2+ -> 4He2+ + 2 1H+ (kjernekollisjon)
(
n står her for nøytrino, b + for positroner og b - for elektroner, g er en gammakvant, alle kjernene i stjernesenteret er fullioniserte og svømmer rundt i et hav av løsrevne elektroner.)

Dette er prosessen som ifølge teorien er aktiv i vår egen sol. Men kommer kjernetemperaturen opp i 10 millioner grader er 'karbon-nitrogen-kjeden' den mest sannsynlige:

1: 1H+ + 12C6+ -> 13N7+ + g (kjernekollisjon)
2: 13N7+ -> 13C6+ +
b + + n (spontan radioaktivitet, halveringstid 9,96 min)
3: 1H+ + 13C6+ -> 14N7+ +
g (kjernekollisjon)
4: 1H+ + 14N7+ -> 15O8+ +
g (kjernekollisjon)
5: 15O8+ -> 15N7+ +
b + + n (spontan radioaktivitet, h-tid 2,03 min)
6: 1H+ + 15N7+ -> 12C6+ + 4He2+ (kjernekollisjon)

Flere varianter av disse kjedene er mulige i stjerner hvor kjernene er enda varmere. Trinn 6 kan også gi 16O og prosessen kan gå videre til enda tyngre kjerner.

Men helium-4-kjerner er også p.g.a. sin energitetthet et egnet produkt for tunge atomkjerner som har overskuddsenergi å kvitte seg med. Hvis man plotter bindingsenergi pr. nukleon mot atomnummeret får man en kurve som synker bratt fra hydrogen og utover. Men den flater ut ved jern, og begynner så å stige igjen. Og de tyngste kjernene har så mye mer pr. nukleon enn de foregående at det er energimessig lønnsomt for dem å avspalte en liten energipakke i form av en heliumkjerne. Dette er en av de naturlige radioaktive prosessene, og kalles alfa-nedbrytning, mens den fraspaltede heliumkjernen går under navnet alfapartikkel.

Så godt som alt helium som finnes på jorden er dannet i radioaktive prosesser. Jorden besto i sin tidligste barndom av drøye 6 % helium i likhet med resten av solsystemet, men da solen tente seg opp, hadde det aller meste av gassene på Jorden, særlig de letteste, samlet seg i en atmosfære rundt en steinkjerne, som er den vi trår på idag, og det første energirike blaffet av intens stråling fra solen blåste av hele denne atmosfæren. Den måtte bygges opp pånytt igjen ved hjelp av utgassing fra det indre.

Men i jordskorpen finnes det flerfoldige millioner tonn alfastrålende radioaktive stoffer, og gjennom Jordens eksistens har de produsert atskillige millioner tonn helium. Mye av dette har også unnsluppet ut i verdensrommet, men det danner seg en likevektstilstand der det unnviker like mye som det produseres, og det vil alltid være en viss mengde. I den øvre, faste jordskorpen regnes det at det finnes 0,0000004 % helium, og det gjør det til det 78. hyppigste grunnstoffet på denne statistikken. Helium utgjør bare ca. 0,000542 volum-% av atmosfæren nede ved jordoverflaten, men p.g.a. sin lave molekylvekt synker partialtrykket av helium saktere i høyden enn for de andre gassene, og i store høyder, 800 til 1500 km. er faktisk helium den hyppigste komponenten i atmosfæren.

Naturlig helium består for det meste av den ultrastabile isotopen 4He, men det finnes også et lite tilskudd av helium-3 som (1981) utgjør 0,000138 atom-%. Storparten av dette stammer fra produksjon av hydrogenisotopen tritium (3H) som dannes i naturlige kjernereaksjoner med kosmiske stråler eller nøytroner fra naturlig spaltning av uran 238. Men denne produksjonen har i senere år fått en betydelig tilvekst ved nøytroninnfanging i vanlig hydrogen i atomreaktorer og i atombombeeksplosjoner. Tritium er selv radioaktiv og går med en halveringstid på 12,323 år under beta-emisjon over til helium 3.

Helium produseres kommersielt utelukkende av naturgass. Visse naturgassleier i USA, først og fremst i Texas, Kansas og Oklahoma, hvor berggrunnen er rik på uranmineraler, inneholder mye helium. Innholdet varierer for det meste mellom 0,4 og 2,3 volum-%, man kan i enkelttilfeller nå opp i 9 %. Også i Saskatchewan i Canada og i det tidligere Sovjetunionen produseres helium av naturgass.

KJEMI
Ved normale betingelser er helium en gass uten farve, uten lukt, uten smak, uten nesten noen ting. Det er egentlig galt å si at helium har noen kjemi overhodet. Av alle edelgasser er helium den vanskeligste å lage forbindelser av. Etter eksperimenter med helium som har blitt ionisert sammen med andre reagenser i ionisasjonskammeret til et massespektrometer har man lykkes i å fastslå eksistensen av et difluorid, HeF2, av de molekylære ionene He2+, He22+ og HeH+, og av et neonid(!) HeNe massespektrometrisk. Men det er ustabile eksistenser, som går i stykker straks de er dannet, og man må ha fintmerkende instrumenter for overhodet å registrere dem.

Som de andre edelgassene danner helium ikke molekyler, men foreligger i normaltilstanden som en enatomig gass. Med de små atomene likner helium nokså mye en ideell gass, og den er den av alle gassene som klart best tilfredsstiller likningene i den klassiske kinetiske gassteorien. Kokepunktet (4,22 K) ligger temmelig nær det absolutte nullpunkt og den kan ikke fryses under sitt eget damptrykk, men stivner først under et trykk på 25 atmosfærer. Frossent helium har den uvanlige egenskapen at det kan forandre volum med opptil 30 % under trykkforandringer. P.g.a. at kokepunktet er så lavt har heliumgass en uvanlig høy tetthet like over det, og beholdere med helium ved 5 til 10 K bør behandles som om de inneholdt flytende helium p.g.a. den store volumøkningen ved oppvarming til normale temperaturer. Helium er mindre løselig i vann enn alle andre gasser og er også lite løselig i andre løsningsmidler. Med unntak av hydrogen har helium en høyere termisk ledningsevne enn andre gasser.

Flytende helium forekommer i to tilstander, med en overgangsfase som inntrer ved 2,174 K, og ikke er fullstendig før ved 0 K (det absolutte nullpunkt.) Den kaldere fasen kalles helium II og har så bemerkelsesverdige egenskaper at den betraktes som en egen aggregattilstand (ved siden av den faste, flytende og gassformige,) som kalles den superfluide. Denne overgangen skjer merkelig nok bare med helium 4. Helium 3 viser ingen slike egenskaper ved lave temperaturer. Helium II ekspanderer ved avkjøling, og det har en varmeledningsevne som er flere hundre ganger større enn de beste metalliske varmeledere. I motsetning til andre væsker blir den mer lettflytende ved lavere temperatur. Ved f.eks. 1 K har den 100 ganger lavere viskositet enn ved overgangspunktet, og gjennom et kapillærrør kan det da renne mer helium II på noen sekunder enn det kan strømme heliumgass på flere uker. Hvis du fyller et reagensglass med helium II og anbringer det i et tomt, trangt begerglass ved en temperatur på under 2,174 K, vil du etter noen tid se at helium II står like høyt i begge karene.

Heliumforbindelser:

Heliumdifluorid. Uhyre ustabilt. Egenskaper ellers ukjent.

Heliumneonid. Uhyre ustabilt. Egenskaper ellers ukjent.

 

BIOLOGI
Helium har ingen biologiske funksjoner.

UTNYTTELSE
På solglitrende, messingblanke maidager går det med mye helium. Helium har klare fordeler som ballonggass i forhold til hydrogen. Selv om gassen er dobbelt så tung, har den bare 8 % mindre bæreevne, og tapet ved diffusjon gjennom duken er mindre. Dessuten er den hverken brennbar eller eksplosjonsfarlig. På 1930-tallet hadde U.S.A. så å si monopol på heliumproduksjon, og da det hydrogenfylte luftskipet Hindenburg brant opp i 1937 ble de klandret fordi de ikke ville selge helium til nazi-Tyskland. Siden viste det seg at det var et impregneringsmiddel i duken som egentlig var brannårsaken, selv om hydrogenet trolig forsterket den, et faktum som ble underslått av tyskerne. Ballonger som mistes av barn stiger opp, opp og forsvinner tilslutt ut av syne. Langt oppe i stratosfæren sprenges de av den økende trykkforskjellen og slipper heliumet sitt tilbake til naturen, som det ble stjålet fra.

Ikke bare folk som skal oppover bruker helium. "Heliumluft" er en gass med samme oksygeninnhold som luft, men hvor de andre komponentene er erstattet med helium. Dykkere bruker den fordi helium er så lite løselig i blod, og man får derfor ikke så store problemer med dykkersyke, som skyldes blæredannelse av nitrogen oppløst i blodet når men bruker vanlig luft. Dessuten er heliumlufta lettere å puste i, siden den ikke veier mer enn 1/3 av vanlig luft. Når man puster i slik heliumluft blir stemmen fordreid til en slags "Donald Duck"-stemme. Det skyldes at lydhastigheten er høyere enn i vanlig luft (lydhastigheten i helium er rundt 965 m/s, mot 333 m/s for luft). Når vi snakker former vi stemmebånd og hals slik vi vanligvis gjør for å lage en "normal" lyd, men den nye lydhastigheten i hulrommene i halsen gjør at lyden får en høyere frekvens enn før. Det tar noen åndedrag før det virker, for vanligvis lager man lyder på utpust, og det tar tid å skifte ut all lufta i lungene.

Helium brukes også av dem som vil ha det kaldt, og var særlig viktig i den tidligste forskningen på supraledere, da superleding ikke kunne oppnås ved temperaturer særlig over det absolutte nullpunkt. Enkelte vitenskapelige instrumenter fungerer bedre jo lavere temperaturen er, og kjøles derfor med flytende helium.

I de senere tiårene har helium foruten av ballong- og luftskipoppstigere vært brukt også av noen andre som vil opp, opp, opp! Helium er det eneste som holder seg i gassform ved flytende hydrogens temperatur, og i raketter som benytter seg av sistnevnte drivstoff, brukes store mengder helium til å holde drivstofftankene under trykk. Dermed går det ---- opp!

Forøvrig har helium noe anvendelse som beskyttelsesatmosfære ved sveising og fremstilling av metaller og halvledere som lett antennes eller korroderer i luft. Luften holdes unna arbeidsflaten ved at man blåser gassen over den.

Helium brukes i gasstermometre p.g.a. sin nære tilnærming til ideale gassers temperatur- og trykkoppførsel. I slike termometre holdes gassen lukket i en beholder med konstant volum, og man måler trykket, som varierer proporsjonalt med temperaturen.

Noe helium brukes også i utladningslamper, helst som tilsetning til neon. Også i gasslasere brukes det helium.

Dessuten kan den brukes til å finne lekkasjer, da de små heliumatomene finner fram til hull og sprekker som andre molekyler ignorerer, og den unnslupne gassen siden kan påvises spektroskopisk.

I tillegg til alt dette brukes helium også som vindtunnellgass for supersoniske studier, og den gode varmeledingsevnen og den kjemiske inertheten fører til at den brukes som kjølegass i høytemperaturreaktorer.

Hovedkilder:

Prof.dr.phil. Haakon Haraldsen (Asch.konv.leks.5.utg.b.8)
CRC Handbook of Chemistry anf Physics, 57th ed. 1976-77.
Gunnar Hägg: Allmän och oorganisk kemi. Almqvist & Wiksell, Stockholm, 1966.
Eva Novotny: Introduction to Stellar Atmospheres and Interiors. Oxford University Press, London 1973.
Robert Graves: The Greek Myths. Penguin, Harmondsworth 1984.

:-) LEF