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Helium

Helium befindet sich in der Gruppe der Edelgase. Helium wird im Periodensystem der 8. Hauptgruppe (neuere Einteilung Gruppennummer 18) zugeschrieben. Helium hat die Ordnungszahl 2. Helium ist zu 5,246 ppm in der Luft enthalten (Argon 0,934 Vol%, Neon 18 ppm). Bei Raumtemperatur ist Helium ein geruchloses, farbloses Gas.

 

Helium kommt überwiegend in der Erdatmosphäre vor. In sehr geringen Mengen ist Helium aber auch in der Erdkruste zu finden. Überwiegend werden Edelgase aus der Luft gewonnen (Luftzerlegungsanlagen, Verflüssigungsanlagen). Helium wird aber überwiegend aus Erdgas gewonnen. Diese natürlichen Quellen befinden sich in den USA, Kanada, Polen, Russland, Algerien und Katar. Bis zu 7% Helium können sich im Erdgas befinden.

Helium ist in der Natur die Flüssigkeit mit der tiefsten Verdampfungstemperatur. Helium kommt in zwei stabilen Isotopen vor (insgesamt 8 Isotope), die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen (3He, 4He). Eine weitere Besonderheit von Helium ist das Auftreten von zwei Flüssigkeitsgebieten. Helium kann mit einer Qualität von 7.0 angeboten werden. Dies enstricht einer Reinheit von 99,99999%

Isotop Atommasse Anteil
Natürliches Helium Isotopengemisch: 4,02602 100 %
He-Isotop 3He 3,0160293191 0,00013%
He-Isotop 4He 4,00260325415 99,9987%

He I
( 4He) Helium I existiert bei Normaldruck im Bereich von 2,19 K bis 4,2 K (Siedepunkt) als farblose Flüssigkeit.

He II
Wird die Temperatur von 2,19 K unterschritten, so tritt der λ-Übergang (4He) auf. Das flüssige Helium I geht in Helium II über. Helium II besitzt eine außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit von He II zu He I vergrößert sich um das 106-fache. Durch die enorm gute Wärmeleitung tritt innerhalb des He II kein nennenswerter Temperaturunterschied innerhalb der Flüssigkeit auf. Helium II kann nicht sieden, sondern nur an der Oberfläche abdampfen. Flüssiges Helium II wird auch als Suprafluid bezeichnet, da die Flüssigkeit quasi keine Viskosität mehr besitzt.

Anwendung findet Helium in den verschiedensten Bereichen.

Technik und industrielle Anwendungen:
Als Schutzgas oder Inertgas zum Schutz der Schweißstelle vor Sauerstoff. Arbeitsgas bei Laseranwendung. Starkfeld-Magnetfeldabscheider. Technisch wird verflüssigtes Helium (4He und 3He) als Kühlmittel eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von optischen Glasfasern in heliumgekühlten Falltürmen. Wärmebehandlung von Metallen bzw. Bauteilen. In der Lebensmittelindustrie wird Helium als Treibgas oder Verpackungsgas verwendet.
Helium ist aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften hervorragend geeignet für die Verwendung in Stirlingmotoren. Gasförmiges Helium ersetzt in pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff, damit die Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff entnommen wird.

Lasertechnik:
Resonatorgas in Helium-Neon Lasern und Helium-Cadmium Lasern

Messtechnik:
Träger- und Spülgas in der Gaschromatographie. Eich- und Prüfgas in der Analytik. Spürgas bei der Lecksuche von Bauteilen. Die Suche nach Undichtigkeiten in Druckgasarmaturen. wird durch eine Befüllung mit Helium erleichtert. Kernresonanzanalyse (NMR). Beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel. Kühlung von Sensoren.

Tauchen:
Atemgaskomponente in Tauchgasgemischen, z.B. Trimix, Hydreliox oder Heliox

Auftriebsgas
Als Ballongas zur Wetterbeobachtung oder im Gemisch mit Stickstoff für Werbeballons, Dekoballons und Luftballons. Die Auftriebskörper von Luftschiffen werden ebenfalls mit Helium gefüllt.

Als Traggas konkuriert Helium jedoch mit Wasserstoff. Wasserstoff besitz eine geringere Dichte als Helium und erzeugt somit einen höheren Auftrieb bei Ballons und Luftschiffen. Wasserstoff ist jedoch brennbar. Viele unbemannte Wetterballone werden bereits unter hohen Sicherheitsvorkehrungen mit Wasserstoff befüllt. Bemannte Ballone werden häufig ebenfalls mit Wasserstoff befüllt.

Gegenüber einem Heißluftballon ist ein mit Gas gefüllter Ballon lautlos. Heißluftballone sind zwar deutlich günstiger zu betreiben, können jedoch nur wenige Stunden in der Luft bleiben. Ein mit Gas gefüllter Ballon kann mehrer Tage in der Luft bleiben.

Mit dem sichern Einsatz des unbrennbaren Heliums ergeben sich gegenüber Wasserstoff drei Nachteile: Geringere Auftriebskraft, höherer Preis, sowie höhere Diffusionsraten und somit höhere Gasverluste.

Medizin:
Kernspinresonanz-Tomographie. Magnet-Enzephalographie. Helium-Sauerstoff-Gemisch (80:20) dient in der Intensivmedizin als Atemgas.
Hyperpolarisiertes 3He wird in der Diagnostik versuchsweise als Kontrastmittel für kernspintomografische Aufnahmen der Lunge verwendet.

Forschung und Entwicklung:
Kernfusion und Teilchenphysik. Tieftemperaturphysik. Supraleitende Energiespeicher. Supraleitende Materialien und Sensoren. Materialforschung bei tiefen Temperaturen.
Werkstoffuntersuchungen.

Edelgasverbindungen

Lediglich von Krypton, Xenon und Radon sind Edelgasverbindungen sind bisher bekannt. Geforscht wird an weiteren Verbindungen auf Basis von Argon und Neon. Nicht als Edelgasverbindungen gelten Einschlussverbindungen, bei denen die Edelgasatome nur schwach gebunden sind.

Edelgasverbindungen gelten als sehr starke Oxidationsmittel welche zum Zerfall in die ursprünglichen Elemente neigen. Sehr viele dieser Verbindungen sind nur bei sehr tiefen Temperaturen stabil oder insgesamt instabil.

 

Gas Helium, He
2,2746 bar
5,2014 K
69,64 kg/m3
0,05035 bar
2,177 K
4,224 K
Gas Helium, He
22,426
4,0026
2077,2
0,17848
5,2377
3,1605
1,657

 

 

Weitere interessante Daten:

 

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