Helium

Helium

Uppgift: Jag ska välja ett ämne eller material. Antingen en ickemetall eller ett modernt material såsom plast.

Utförande: Jag valde Helium eftersom det kändes intressant. Därefter läste jag igenom avsnittet i läroboken om helium och sökte efter fakta på nätet. Jag märkte dock att det inte fanns tillräckligt, så jag gick till ett bibliotek och sökte vidare i ett Kemilexikon.

Historia: Vid solförmörkelsen 1868 observerade den franske astronomen P.J.C. Janssen (1824-1907) en ny linje från solspektrumet (se bild nedan). Den brittiske astronomen Norman Lockyer hänförde detta till ett nytt tidigare okänt grundämne, som han kallade för helium. Detta förblev ett hypotetiskt ämne under 25 år, ända till William Ramsay, tillsammans med William Crookes, år 1895 fann samma spektrum från den gas som kunde bildas genom upphettning eller behandling med svavelsyra av det radioaktiva uranmineralet Cleveit . Bara två veckor senare publicerade uppsalakemisterna P.T. Cleve och N.A. Langlet samma resultat. Samma år upptäckte den tyska fysikern Heinrich Kayser att argonpreparat framställda ur luft också innehåller helium. Därmed var heliums existens på jorden bevisad.

Ämnets egenskaper: Helium är en smaklös, luktlös och färglös gas. Det är också det ämne (hittills upptäckt av människan) med lägst kokpunkt, bara 4,216 Kelvin. Det är den av alla gaser, efter väte, med lägst vikt. Heliums plats på periodiska systemet är i rad 1, kolumn 18. Av detta kan vi dra slutsatsen att helium är en ädelgas, varför den har väldigt liten reaktivitet. På jorden förekommer helium som en blandning av två isotoper, 42He och 32He, den senare i mycket låg koncentration, 0,000138 atomprocent (% sett till antal atomer). Båda bildas i radioaktiva processer. 32He bildas genom sönderfall av den sällsynta väteisotopen tritium:

31H → 32He + e-.

Allt 42He på jorden har bildats genom sönderfall av tunga, radioaktiva grundämnen, t.ex. uran. Alfapartiklar α-strålning är atomkärnor av 42He utan elektroner. Helium ansamlas genom sådana processer i jordskorpan, läcker ut i atmosfären och finns i olika halter i all naturgas.

Kemisk uppbyggnad:

Helium består av två elektroner, samt två protoner och två neutroner i atomkärnan. Atomnumret är 2. Atommassan ligger på 4.002602 gram/mol.

Framställning:

Helium framställs ur heliumrik naturgas genom en metod som kallas fraktionerad destillation.  Detta innebär att naturgas, som innehåller ett antal olika gaser, leds in i en destillationskammare där den där kyls ner och sedan kondenseras vid olika temperaturer. När Heliumgasen "filtrerats" från andra ämnen/molekylföreningar och till största delen består av helium, finns det dock lite gasrester kvar. Helium med en renhet av 99,995 % får man genom att aktivt kol får absorbera resterna av de andra gaserna vid låg temperatur.

Samma process använder man för att framställa brännoljor, smörjoljor, råbensin med flera från råolja.

Den består i att man leder in oljan i en destillationskammare och värmer upp den så att den förångas. Olika molekylföreningar i råoljan har olika kokpunkter, detta utnyttjar man. Ångan leds upp i destillationskammaren, som har olika nivåer, ångan kondenseras i de olika nivåerna och samlas upp i kärl. I den lägsta nivån, där kokpunkten är högst, samlas resterna upp. En våning högre där kokpunkten är lägre samlas olja som används till smöroljor upp.

All naturgas innehåller en viss del helium, men de största fyndigheterna med heliumrik naturgas är naturgaskällor i Texas, New Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona och Utah, där halterna kan variera från 0,4 upp till ca 8 volymprocent. Mindre förekomster finns även i Canada, f.d. Sovjetunionen, Polen, Sydafrika och Saharaöknen.

Användning:

Helium är det ämne som näst efter väte är vanligast förekommande i Universum och har en rad ganska skilda användningsområden.

Helium används inom metallurgin som skyddsgas vid svetsning och vid metallframställning (utgör ca 20 % av användningen) samt inom rymdtekniken som tryckmedium i bränsletankar för raketer (ca 18 %), särskilt för flytande väte, eftersom helium är det enda ämne som är en gas vid så låga temperaturer. Gasen har också medicinsk användning (ca 8 %). I blandning med syre ingår den i heliumluft, vars densitet bara är ca 30 % av densiteten för vanlig luft, den strömmar därför lättare genom lungorna. Helium i blandning med luft eller syre används även av dykare och andra som arbetar under tryck för att undvika skador vid dykning (dykarsjukan etc). En mindre andel helium (ca 4 %) används som lyftgas i ballonger för militära och meteorologiska syften (väderballonger t.ex.). Lyftförmågan är bara 7-8 % mindre än för väte och uppgår till ca 0,8 kg/m3 vid jordytan men har fördelen att den ej har vätets brandfarlighet. Helium används också som bärgas vid kromatografisk analys, för läcksökning i vakuumanläggningar, som projektiler i kärnreaktioner i form av alfapartiklar eller heliumjoner, i laserteknik, vid framställning av optiska fibrer, i lysrör där helium ger gult ljus etcetera.

Flytande helium har stor betydelse inom lågtemperaturfysiken, som faktiskt motsvarar ca 30 % av heliumförbrukningen. Flytande, extremt kallt helium används för att studera olika ämnens egenskaper vid mycket låga temperaturer och för kylning av supraledande magneter i medicinska och vetenskapliga instrument.

Kuriosa: Att andas in helium är i regel inte farligt, men andas du in så mycket att du får syrebrist kan det dock vara innebära en risk. Som konsekvens av inandning av helium så får man under några tiotals sekunder en väldigt pipig röst. Detta beror på att ljudvågor transporteras snabbare i helium än i vanlig luft. Ljudv&...