Helium: Eigenschaften und Verwendung des Elements

Beschreibung

Helium ist ein Edelgas, das in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle spielt. In diesem Blog-Beitrag werden seine Eigenschaften, häufige Verwendungen und Zubereitungsmethoden behandelt.

Einführung in das Element

Helium ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges, inertes, einatomiges Gas, das die Gruppe der Edelgase im Periodensystem anführt. Es ist nach Wasserstoff das zweitleichteste Element im Universum und kommt hauptsächlich in Sternen, einschließlich unserer Sonne, vor. Helium wird aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, einschließlich der niedrigen Siede- und Schmelzpunkte, die es ideal für kryogene und hochtechnologische Anwendungen machen, in verschiedenen Bereichen eingesetzt.

Chemische Eigenschaften Beschreibung

Helium ist aufgrund seiner vollständigen äußeren Elektronenhülle chemisch inert und daher äußerst stabil. Als Edelgas geht es unter normalen Bedingungen nicht ohne Weiteres Verbindungen mit anderen Elementen ein. Seine fehlende Reaktivität macht es für Anwendungen, bei denen es auf chemische Stabilität ankommt, sehr wertvoll. Helium reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Sauerstoff, Stickstoff oder anderen Gasen und ist auch in Gegenwart von Hitze oder Feuer nicht brennbar.

Helium ist außerdem farb- und geruchlos, was zu seiner Sicherheit und Zweckmäßigkeit in verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen beiträgt. Obwohl es größtenteils chemisch inert ist, kann es bei hohen Drücken und Temperaturen unter kontrollierten Laborbedingungen Verbindungen mit Elementen wie Natrium, Kalium und Lithium eingehen.

Physikalische Eigenschaften

Helium hat mehrere bemerkenswerte physikalische Eigenschaften, die es in einer Vielzahl von Bereichen nützlich machen. In der folgenden Tabelle sind die physikalischen Eigenschaften von Helium zusammengefasst:

Der niedrige Siede- und Schmelzpunkt von Helium macht es zum einzigen Element, das bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt flüssig bleibt, was ihm einzigartige Anwendungen in der Kryotechnik und Unterkühlung ermöglicht. Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Allgemeine Anwendungen

Helium wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, von medizinischen Anwendungen bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik. Einige der häufigsten Anwendungen sind:

1. Kryotechnik: Helium ist für die Kühlung supraleitender Magnete in MRT-Geräten und Teilchenbeschleunigern unerlässlich. Durch seinen niedrigen Siedepunkt kann es extrem niedrige Temperaturen erreichen.
2. Ballons und Luftschiffe: Helium wird zum Befüllen von Ballons und Luftschiffen verwendet, da es leichter als Luft und nicht brennbar ist, im Gegensatz zu Wasserstoff, der leicht entflammbar ist.
3. Atemgasgemische: Beim Tauchen wird Helium in Gasgemischen (wie Trimix) verwendet, um eine Stickstoffnarkose bei hohen Drücken zu verhindern.
4. Aufspüren von Lecks: Helium wird aufgrund seiner geringen Atomgröße und seines geringen Molekulargewichts zur Erkennung von Lecks in Hochvakuumsystemen verwendet.
5. Schweißen: Helium dient als Schutzgas beim Lichtbogenschweißen, da es die Oxidation von Werkstoffen verhindert und so qualitativ hochwertige Schweißnähte gewährleistet.

Aufbereitungsmethoden

Helium wird in erster Linie aus Erdgasvorkommen gewonnen, wo es in kleinen Mengen vorkommt. Die Gewinnung erfolgt in der Regel durch:

• Kryogenische Destillation: Bei diesem Verfahren wird das Erdgas auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt, so dass sich das Helium von anderen Gasen trennen kann.
• Druckwechseladsorption: Bei dieser Methode werden Adsorptionsmittel verwendet, um Helium von anderen Bestandteilen des Erdgases zu trennen.

Helium kann auch als Nebenprodukt bei der Raffination von Uranerz oder aus dem radioaktiven Zerfall von schwereren Elementen wie Thorium und Uran gewonnen werden, die bei ihrem Zerfallsprozess Helium freisetzen.

Verwandte Industrieprodukte

Mehrere Produkte sind von Helium abhängig oder werden unter Verwendung von Helium im Herstellungsprozess produziert. Dazu gehören:

• Kryogene Gefriergeräte: Diese Systeme, die in der Medizin und Wissenschaft eingesetzt werden, sind zur Kühlung auf Helium angewiesen.
• Supraleitende Magnete: Diese Magnete, die in MRT-Geräten und anderen High-Tech-Ausrüstungen eingesetzt werden, benötigen flüssiges Helium, um niedrige Temperaturen zu halten.
• Helium-Neon-Laser: Diese Laser, die häufig in der wissenschaftlichen Forschung und in Barcode-Scannern eingesetzt werden, sind für ihren Betrieb auf Helium angewiesen.
• Halbleiterherstellung: Helium wird bei der Herstellung von Halbleitern verwendet, insbesondere für Prozesse, die sehr niedrige Temperaturen oder kontrollierte Atmosphären erfordern.

Häufig gestellte Fragen

Warum wird in Ballons Helium anstelle von Wasserstoff verwendet?
Helium ist nicht brennbar, während Wasserstoff leicht entflammbar ist und ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt, insbesondere in Situationen, in denen es zu einer Explosion kommen kann.

Kann Helium auf der Erde hergestellt werden?
Helium wird in der Regel aus Erdgasvorkommen gewonnen, kann aber auch durch Kernreaktionen hergestellt werden, z. B. durch den Zerfall von radioaktiven Elementen.

Ist Helium schädlich für den Menschen?
Helium ist ungiftig und gilt im Allgemeinen als sicher. Allerdings kann das Einatmen großer Mengen Helium den Sauerstoff in der Lunge verdrängen, was zum Ersticken führen kann.

Warum ist Helium so teuer?
Helium ist relativ selten und teuer in der Gewinnung. Für die Abtrennung und Reinigung von Helium aus Erdgas sind spezielle Anlagen erforderlich.

Wie wird Helium in der Medizin verwendet?
Helium wird in der Kryotechnik verwendet, um die supraleitenden Magneten in MRT-Geräten zu kühlen, und ist auch Bestandteil von Atemgasmischungen für Patienten mit Atemproblemen.