Pierwiastek Hel: Drugi pierwiastek chemiczny

Ten artykuł dotyczy pierwiastka chemicznego. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.

Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach.

Hel

wodór ← hel → –
– ↑ He ↓ Ne 2 He
Wygląd
bezbarwny
hel świecący w silnym polu elektrycznym
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	4,0026 ± 0,0001
Stan skupienia	gazowy
Gęstość	0,1785 kg/m³
Temperatura wrzenia	−268,928 °C
Numer CAS	7440-59-7
PubChem	23987
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny • van der Waalsa 31 pm 28 pm 140 pm Konfiguracja elektronowa 1s2 Zapełnienie powłok 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Allreda 5,50 Potencjały jonizacyjne I 2372,3 kJ/mol II 5250,5 kJ/mol
Właściwości fizyczne Punkt potrójny −270,973 °C, 5,043 kPa Punkt krytyczny −267,9550 °C; 0,22746 MPa Ciepło parowania 0,0845 kJ/mol Ciepło topnienia 5,23 kJ/mol Ciepło właściwe 5193 J/(kg·K) Przewodność cieplna 0,152 W/(m·K) Układ krystalograficzny heksagonalny Prędkość dźwięku 970 m/s (298,15 K) Objętość molowa 21,0×10−6 m3/mol (ciało stałe)
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 3He 0,000137% stabilny izotop z 1 neutronem 4He 99,999863% stabilny izotop z 2 neutronami 6He {syn.} 806,7 ms β− 3,508 6Li 8He {syn.} 122 ms β− 10,65 8Li
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2017-10-18] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanej karty charakterystyki Uwaga Zwroty H H280 Zwroty P P410+P403 Numer RTECS MH6520000
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)
Multimedia w Wiki Commons
Hasło w Wikisłowniku

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 – 5 ppm (5×10⁻⁴%) v/v. 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 Europie ilość ta jest bardzo mała (z wyjątkiem Polski – do 3%). Praktycznie cały hel, który mógł pierwotnie być na Ziemi, z powodu niereaktywności nie związał się w żaden związek i uleciał z atmosfery w Kosmos.

Występuje w postaci dwóch trwałych izotopów – 3
He i 4
He. Znanych jest także kilka syntetycznych izotopów nietrwałych (T_½ poniżej 1 sekundy), z których najbardziej stabilne są 6
He i 8
He.

Hel jest najmniej aktywnym pierwiastkiem chemicznym, z najwyższą spośród pierwiastków energią jonizacji (24,59 eV). Znane są jego związki metastabilne (np. HHeF, (HeO)(CsF) i LiHe) i krótko żyjące cząsteczki HeNe i jony He+
oraz He2+
. Tworzy też stabilne stałe związki międzycząsteczkowe, np. NeHe₂ i He@H₂O. 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.

Nie ma żadnego znaczenia biologicznego.

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. 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.

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 pierwiastków: < 0,95 K (pod ciśnieniem 26 atm). W zależności od ciśnienia hel w stanie stałym może zmieniać objętość o 30%. W temperaturze poniżej 0,2–0,4 K hel stały przechodzi przemianę fazową do formy o właściwościach nadciekłych („hel nadstały”).

• Hel w postaci ciekłej jest używany do chłodzenia, gdy potrzebne są ekstremalnie niskie temperatury, ze względu na 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 cenę stosuje się w aerostatach najczęściej ogrzane powietrze.^{[potrzebny przypis]}
• 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).
• 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.
• Hel dostarczony do płuc powoduje zmianę wysokości głosu, ponieważ częstość drgań strun głosowych w komorze rezonansowej, jaką jest krtań, 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 sześciofluorku siarki. Wdychanie większych ilości helu może prowadzić do utraty przytomności, a nawet śmierci.
• Hipotetycznie izotop 3
  He może zostać wykorzystany w kontrolowanej reakcji termojądrowej z deuterem do uzyskiwania energii bez powstawania niepożądanych odpadów promieniotwórczych. Na Ziemi 3
  He występuje jedynie śladowo, natomiast znaczne ilości mogą występować w gruncie księżycowym, w związku z czym rozważane są projekty jego wydobycia i transportu z Księżyca na Ziemię.

• Głównie z gazu ziemnego bogatego w ten pierwiastek (złoża m.in. w Stanach Zjednoczonych);
• Przeróbka skroplonego powietrza metodą destylacji frakcyjnej.

Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo posiada jedyną w Unii Europejskiej instalację do pozyskiwania helu w odazotowni gazu ziemnego w Odolanowie i w okolicach Grodziska Wielkopolskiego oraz w instalacji membranowej przy kopalni Kościan-Brońsko; ostateczne oczyszczenie przeprowadzane jest w Odolanowie. W 2012 roku zakończyła się 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.

• ciekły hel