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Steckbrief: Helium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

4,0026

Symbol: He

Internationale Bezeichung (IUPAC): Helium

Ursprung: Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelben Spektrallinie bei einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne.

Bedeutung: helios = Sonne

Daten Periodensystem

Periode: 1

Gruppe: 18 (III A)

Gruppenname: Edelgase

Oxidationszahl:

Atommasse [u]: 4,0026

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred):

Elektronegativität (nach Pauling):

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): gasförmig

Dichte [g/cm²]: 0,0001785

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: -272,2

Siedetemperatur [°C]: -268,93

Kristallstruktur: hexagonal

Verwendung im Alltag

Unter hohem Druck abgefülltes Helium ist frei verkäuflich und wird aus Erdgas gewonnen. Es wird für viele verschiedene Zwecke benutzt, für die ein Gas mit mindestens einer der vorteilhaften Eigenschaften des Heliums benötigt wird, zum Beispiel sein niedriger Siedepunkt, die geringe Dichte, die geringe Löslichkeit, die hohe Wärmeleitfähigkeit oder sein reaktionsträges Verhalten.

Beatmungsgas: Helium-Sauerstoff-Gemische (80:20) dienen für Asthmatiker als Beatmungsgas ? die Viskosität des Gasgemisches ist wesentlich geringer als die von Luft und es lässt sich daher leichter atmen.
Tauchgas: Beim kommerziellen Tauchen werden verschiedene Gemische mit Helium wie Trimix (bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium) als Atemgas verwendet.
Traggas: Da Helium nur ein Siebtel der Dichte von Luft hat, dient es auch als Traggas für Ballons oder Luftschiffe. Durch sein inertes Verhalten und seine Unbrennbarkeit hat es das Traggas Wasserstoff weitgehend verdrängt, auch wenn Dichte und damit Tragfähigkeit ungünstiger als bei Wasserstoff und die Kosten deutlich höher sind.
Schutzgas: In der Schweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung als Inertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoff zu schützen. Zudem lässt sich bei Einsatz von Helium die Einbrenntiefe und die Schweißgeschwindigkeit steigern sowie die Bildung von Spritzern verringern, was insbesondere bei Roboterschweißungen und bei der Verarbeitung von Aluminium und rostfreien Stählen zum Einsatz kommt.
Kühlmittel: Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope ⁴He und ³He) als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen (etwa 1 bis 4 Kelvin) eingesetzt. Mit ⁴He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1 K erreichen. Das Isotop ³He erlaubt den Einsatz als Kühlmittel bis etwa 1 mK. Gerade beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel, damit die Supraleiter vom Typ I unter der Sprungtemperatur bleiben. Praktische Anwendungen sind hier die Kernspintomographie (MRT), die Magnetoenzephalographie (MEG) in der Medizintechnik sowie die Magnetresonanzspektroskopie (NMR) in der Forschung. Ebenso kann komprimiertes Heliumgas als Kühlmittel eingesetzt werden, insbesondere dort, wo ein besonders inertes Kühlmittel benötigt wird. Als Beispiel sei der Thorium-Hochtemperaturreaktor (kurz THTR) genannt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist hier die Herstellung von optischen Glasfasern in heliumgekühlten Falltürmen. Zu beachten ist, dass Helium zwar eine hohe spezifische aber eine niedrige molare Wärmekapazität besitzt. Dies ist insbesondere bei geschlossenen Apparaturen problematisch, da es im Falle eines Temperaturanstiegs (zum Beispiel bei Stromausfall) schnell zu einer massiven Druckerhöhung kommt.
Lecksuchgas: Bei Vakuumanlagen wird Helium als Lecksuchgas eingesetzt, indem die Vakuumapparatur mit einer Pumpe evakuiert wird und ein Massenspektrometer hinter die Pumpe gehängt wird. Wird nun die Apparatur mit Helium angeblasen, kann mit Hilfe des Massenspektrometers ein eventueller Heliumeintritt in die Apparatur detektiert und somit die Leckrate gemessen werden. Diese Eigenschaft wird unter anderem auch bei der Lecksuche in Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmeübertragern für Klimaanlagen oder Benzintanks für Autos benutzt.
Raketen: Helium wird in Gasform in der Raketentechnik eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff von den Treibstoffpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird. Bei druckgasgeförderten Flüssigtreibstoffraketen drückt Helium den Treibstoff in die Triebwerke. Helium wird hier aufgrund seines niedrigen Gewichtes und niedrigen Siedetemperatur benutzt. Da es als Edelgas nicht mit dem Treibstoff reagieren kann, stellten auch aggressive Hypergolische Treibstoffe kein Problem dar.
Laser: Helium wird in zwei Lasertypen eingesetzt: Dem Helium-Neon-Laser und dem Helium-Cadmium-Laser.
Gaschromatographie: Reinsthelium dient zudem als Trägergas in der Gaschromatographie (Analytik).
Lampen: In Gasentladungsröhren leuchtet Helium gelblich/weiß.
Stirlingmotoren: Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften ist Helium das beste Arbeitsmedium für Stirlingmotoren.
Kontrastmittel: Hyperpolarisiertes ³He wird in der Diagnostik versuchsweise als Kontrastmittel für kernspintomographische Aufnahmen der Lunge verwendet.

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen: Entsprechend der Urknalltheorie entstand der größte Teil des heute im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Das große Vorkommen im Universum unterstützt die Urknalltheorie. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse der sichtbaren Materie bestehen aus Helium, obwohl Wasserstoffatome achtmal häufiger sind. Außerdem wird Helium durch Kernfusion in Sternen produziert. Dieses so genannte Wasserstoffbrennen liefert die Energie, die die Sterne auf der Hauptreihe, also die Mehrheit aller Sterne, zum Leuchten bringt. Dieser Prozess liefert den Sternen die Energie für den größten Teil ihres Lebens. Wenn der größte Teil des Wasserstoffes am Ende des Lebens eines Sterns im Kern aufgebraucht ist, zieht sich der Kern zusammen und erhöht seine Temperatur. Dadurch kann nun Helium zu Kohlenstoff verbrannt werden (Heliumflash, Heliumbrennen). In einer Schale um diesen Kern findet weiterhin das Wasserstoffbrennen statt. Auch Kohlenstoff kann weiter zu anderen Elementen verbrannt werden. Dieser Prozess wird normalerweise bis zum Eisen fortgesetzt, falls keine Supernovaexplosion auftritt. Bei einer Supernovaexplosion werden auch schwerere Elemente als Eisen synthetisiert, die durch die Explosion im Weltraum verteilt werden. Im Verlauf der Zeit reichert sich die interstellare Materie dadurch mit Helium und schwereren Elementen an, so dass später entstandene Sterne auch einen größeren Anteil an Helium und schwereren Elementen haben. Helium kommt in geringen Mengen in der Erdatmosphäre (5,2 ppm) sowie in Erdgas und Erdöl (0,4 %) vor. Der Anteil Heliums an der Erdatmosphäre ist so niedrig, da das meiste Helium, das auf der Erde entsteht, wegen seiner Leichtigkeit und aufgrund der Tatsache, dass es sich kaum mit anderen Elementen verbindet, in den Weltraum entweicht. Ungefähr 1000 km über dem Meeresspiegel ist Helium das vorherrschende Element, da es sich dort ansammelt.

Häufigkeit: 4,20 ⋅ 10^-7 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)