Entdeckung von Helium. Wo wurde Helium erstmals entdeckt? So lesen Sie das chemische Element Helium

Wissen darüber, wie etwas Neues entdeckt wurde, ist immer interessant und aufschlussreich. Wir können jeden Tag Dinge nutzen oder auf verschiedene Phänomene stoßen, wissen aber nicht, von wem sie entdeckt wurden und unter welchen Umständen. In diesem Zusammenhang habe ich beschlossen, dem Abschnitt „Erudite Corner“ regelmäßig Informationen darüber hinzuzufügen, wie bestimmte Phänomene oder Erfindungen entdeckt wurden. Beginnen wir mit der Physik. Heute schauen wir uns an, wer und wie Vakuum und Helium entdeckt wurden.

Entdeckung von Helium. Wie Helium entdeckt wurde.

Die französischen und englischen Astronomen Jules Jansen und Joseph Norman Lockyer entdeckten 1868 bei der Beobachtung von Sonnenprotuberanzen eine Linie in ihrem Spektrum, die sie aus keinem der damals bekannten Elemente bestimmen konnten. Im Jahr 1871 führte Lockyer den Ursprung dieser Spektrallinie auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in der Sonne zurück und nannte es „Helium“ (griechisch für „Sonne“). Erst 1895 entdeckte der englische Physiker und Chemiker William Ramsay erstmals Helium auf der Erde. Als er das radioaktive Mineral Kleveit erhitzte, sah er dieselbe Spektrallinie im Spektrum des freigesetzten Gases.

Ein Vakuum öffnen. Wie das Vakuum entdeckt wurde.

Die Ehre, das Vakuum entdeckt zu haben, gebührt dem italienischen Mathematiker und Physiker Evangelista Torricelli (1608–1647), einem Schüler von Galileo Galilei. Im Jahr 1643 führte der italienische Physiker Viviani im Auftrag von Torricelli das berühmte Experiment durch. Er füllte ein langes, an einem Ende verschlossenes Glasrohr mit Quecksilber und tauchte das freie Ende in einen Becher mit Quecksilber. Es wurde festgestellt, dass bei ausreichender Länge des Rohrs der darin enthaltene Quecksilbergehalt abnimmt und sich über der Quecksilberoberfläche ein Hohlraum bildet. Torricelli erklärte dieses Phänomen damit, dass der atmosphärische Druck, der auf die Oberfläche des Quecksilbers im Becher wirkt, durch das Gewicht der Quecksilbersäule ausgeglichen wird. Die Höhe dieser Säule auf Meereshöhe beträgt etwa 760 Millimeter. Wenn die Länge des Rohrs diesen Wert überschreitet, bildet sich über der Oberfläche des Quecksilbers ein Hohlraum. Um zu beweisen, dass der Raum über dem Quecksilber leer blieb, ließ Torricelli Wasser hinein, das „mit schrecklichem Druck“ in diesen Raum strömte und ihn vollständig füllte. So lehnte Torricelli die bis dahin vorherrschende Erklärung ab, wonach Quecksilber das Rohr, Wasser das Saugrohr der Pumpeinheit usw. fülle, weil „die Natur Angst vor der Leere hat“, und bewies die Existenz eines atmosphärischen Drucks. Der luftlose Raum über der freien Oberfläche der Flüssigkeit in einem oben geschlossenen Behälter wird als Torricelli-Hohlraum bezeichnet.

Video. Was ist ein Vakuum?

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Helium ist ein echtes Edelgas. Es ist bisher nicht gelungen, ihn zu einer Reaktion zu zwingen. Das Heliummolekül ist einatomig.

In puncto Leichtigkeit steht dieses Gas nach Wasserstoff an zweiter Stelle; Luft ist 7,25-mal schwerer als Helium.

Helium ist in Wasser und anderen Flüssigkeiten nahezu unlöslich. Und ebenso löst sich in flüssigem Helium kein einziger Stoff nennenswert auf.

Festes Helium kann bei keiner Temperatur gewonnen werden, es sei denn, der Druck wird erhöht.

In der Geschichte der Entdeckung, Erforschung und Anwendung dieses Elements finden sich die Namen vieler prominenter Physiker und Chemiker aus verschiedenen Ländern. Sie interessierten sich für Helium und arbeiteten mit Helium: Jansen (Frankreich), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (England), Palmieri (Italien), Keesom, Kamerlingh-Onnes (Holland), Feynman, Onsager (USA), Kapitza, Kikoin , Landau (Sowjetunion) und viele andere prominente Wissenschaftler.

Das einzigartige Aussehen des Heliumatoms wird durch die Kombination zweier erstaunlicher natürlicher Strukturen bestimmt – absolute Meister in Kompaktheit und Stärke. Im Heliumkern, Helium-4, sind beide intranuklearen Hüllen gesättigt – sowohl Protonen als auch Neutronen. Das elektronische Dublett, das diesen Kern umrahmt, ist ebenfalls gesättigt. Diese Designs sind der Schlüssel zum Verständnis der Eigenschaften von Helium. Dies ist die Ursache seiner phänomenalen chemischen Trägheit und der rekordkleinen Größe seines Atoms.

Die Rolle des Kerns des Heliumatoms – des Alphateilchens – ist in der Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte der Kernphysik von enormer Bedeutung. Wenn Sie sich erinnern, war es die Untersuchung der Alphateilchenstreuung, die Rutherford zur Entdeckung des Atomkerns führte. Durch den Beschuss von Stickstoff mit Alphateilchen gelang erstmals die gegenseitige Umwandlung von Elementen – etwas, von dem viele Generationen von Alchemisten jahrhundertelang geträumt hatten. Zwar wurde bei dieser Reaktion nicht Quecksilber zu Gold, sondern Stickstoff zu Sauerstoff, aber das ist fast genauso schwierig. Dieselben Alphateilchen waren an der Entdeckung des Neutrons und der Herstellung des ersten künstlichen Isotops beteiligt. Später wurden Curium, Berkelium, California und Mendelevium mithilfe von Alphateilchen synthetisiert.

Wir haben diese Fakten nur zu einem Zweck aufgelistet – um zu zeigen, dass Element Nr. 2 ein sehr ungewöhnliches Element ist.

Terrestrisches Helium

Helium ist ein ungewöhnliches Element und seine Geschichte ist ungewöhnlich. Es wurde 13 Jahre früher als auf der Erde in der Sonnenatmosphäre entdeckt. Genauer gesagt wurde im Spektrum der Sonnenkorona eine leuchtend gelbe D-Linie entdeckt, und was sich dahinter verbarg, wurde erst zuverlässig bekannt, nachdem Helium aus irdischen Mineralien mit radioaktiven Elementen gewonnen wurde.

Helium in der Sonne wurde vom Franzosen J. Jansen entdeckt, der seine Beobachtungen am 19. August 1868 in Indien durchführte, und vom Engländer J.H. Lockyer – 20. Oktober desselben Jahres. Briefe beider Wissenschaftler trafen am selben Tag in Paris ein und wurden im Abstand von mehreren Minuten auf einer Sitzung der Pariser Akademie der Wissenschaften am 26. Oktober verlesen. Akademiker, erstaunt über solch einen seltsamen Zufall, beschlossen, zu Ehren dieses Ereignisses eine Goldmedaille zu gewinnen.

Im Jahr 1881 berichtete der italienische Wissenschaftler Palmieri über die Entdeckung von Helium in vulkanischen Gasen. Allerdings wurde seine später bestätigte Botschaft von nur wenigen Wissenschaftlern ernst genommen. Terrestrisches Helium wurde 1895 von Ramsay erneut entdeckt.

In der Erdkruste gibt es 29 Isotope, bei deren radioaktivem Zerfall Alphateilchen entstehen – hochaktive, energiereiche Kerne aus Heliumatomen.

Grundsätzlich entsteht terrestrisches Helium beim radioaktiven Zerfall von Uran-238, Uran-235, Thorium und instabilen Zerfallsprodukten. Ungleich geringere Mengen Helium entstehen durch den langsamen Zerfall von Samarium-147 und Wismut. Alle diese Elemente erzeugen nur das schwere Isotop Helium – 4 He, dessen Atome als Überreste von Alphateilchen betrachtet werden können, die in einer Hülle aus zwei gepaarten Elektronen – in einem Elektronendublett – vergraben sind. In frühen geologischen Perioden gab es wahrscheinlich andere natürlich radioaktive Serien von Elementen, die bereits von der Erdoberfläche verschwunden waren und den Planeten mit Helium sättigten. Eine davon war die nun künstlich nachgebildete Neptunium-Serie.

Anhand der Menge an Helium, die in einem Gestein oder Mineral eingeschlossen ist, kann man dessen absolutes Alter beurteilen. Diese Messungen basieren auf den Gesetzen des radioaktiven Zerfalls: Beispielsweise verwandelt sich die Hälfte von Uran-238 in 4,52 Milliarden Jahren in Helium und Blei.

Helium reichert sich langsam in der Erdkruste an. Eine Tonne Granit mit 2 g Uran und 10 g Thorium produziert über eine Million Jahre nur 0,09 mg Helium – ein halber Kubikzentimeter. Die wenigen uran- und thoriumreichen Mineralien weisen einen recht hohen Heliumgehalt auf – mehrere Kubikzentimeter Helium pro Gramm. Allerdings liegt der Anteil dieser Mineralien an der natürlichen Heliumproduktion nahe bei Null, da sie sehr selten sind.

Natürliche Verbindungen, die alphaaktive Isotope enthalten, sind nur eine Primärquelle, aber kein Rohstoff für die industrielle Produktion von Helium. Zwar halten einige Mineralien mit dichter Struktur – einheimische Metalle, Magnetit, Granat, Apatit, Zirkon und andere – das darin enthaltene Helium fest. Im Laufe der Zeit durchlaufen die meisten Mineralien jedoch Prozesse der Verwitterung, Rekristallisation usw., und Helium verlässt sie.

Aus kristallinen Strukturen freigesetzte Heliumblasen begeben sich auf eine Reise durch die Erdkruste. Ein sehr kleiner Teil davon löst sich im Grundwasser. Um mehr oder weniger konzentrierte Heliumlösungen zu bilden, sind besondere Bedingungen erforderlich, vor allem hohe Drücke. Ein anderer Teil des wandernden Heliums entweicht durch Poren und Risse von Mineralien in die Atmosphäre. Die verbleibenden Gasmoleküle fallen in unterirdische Fallen, wo sie sich über Dutzende oder Hunderte Millionen Jahre ansammeln. Bei den Fallen handelt es sich um lockere Gesteinsschichten, deren Hohlräume mit Gas gefüllt sind. Das Bett solcher Gaslagerstätten besteht normalerweise aus Wasser und Öl, und oben sind sie von gasundurchlässigen Schichten aus dichtem Gestein bedeckt.

Da sich auch andere Gase (hauptsächlich Methan, Stickstoff, Kohlendioxid) in der Erdkruste bewegen, und zwar in viel größeren Mengen, kommt es nicht zu reinen Heliumansammlungen. Helium kommt in Erdgasen als geringfügige Verunreinigung vor. Sein Gehalt überschreitet nicht Tausendstel, Hundertstel und selten Zehntel Prozent. Ein hoher Heliumgehalt (1,5...10 %) in Methan-Stickstoff-Lagerstätten ist ein äußerst seltenes Phänomen.

Erdgas erwies sich als praktisch die einzige Rohstoffquelle für die industrielle Produktion von Helium. Um es von anderen Gasen zu trennen, nutzt man die außergewöhnliche Flüchtigkeit von Helium, verbunden mit seiner niedrigen Verflüssigungstemperatur. Nachdem bei der Tiefenkühlung alle anderen Bestandteile des Erdgases kondensiert sind, wird das Heliumgas abgepumpt. Anschließend wird es von Verunreinigungen gereinigt. Die Reinheit von Fabrikhelium erreicht 99,995 %.

Die Heliumreserven auf der Erde werden auf 5·10 14 m 3 geschätzt; Berechnungen zufolge wurde im Laufe von zwei Milliarden Jahren ein Dutzend Mal mehr davon in der Erdkruste gebildet. Diese Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis ist durchaus verständlich. Helium ist ein leichtes Gas und entweicht wie Wasserstoff (wenn auch langsamer) nicht aus der Atmosphäre in den Weltraum. Wahrscheinlich wurde während der Existenz der Erde das Helium unseres Planeten immer wieder erneuert – das alte verdampfte in den Weltraum und stattdessen gelangte frisches Helium in die Atmosphäre – von der Erde „ausgeatmet“.

In der Lithosphäre gibt es mindestens 200.000 Mal mehr Helium als in der Atmosphäre; Noch mehr potenzielles Helium ist im „Mutterleib“ der Erde gespeichert – in alphaaktiven Elementen. Der Gesamtgehalt dieses Elements in der Erde und der Atmosphäre ist jedoch gering. Helium ist ein seltenes und diffuses Gas. Auf 1 kg Erdmaterial kommen nur 0,003 mg Helium, und sein Gehalt in der Luft beträgt 0,00052 Volumenprozent. Eine solch niedrige Konzentration ermöglicht noch keine wirtschaftliche Gewinnung von Helium aus der Luft.

Helium im Universum

Das Innere und die Atmosphäre unseres Planeten sind arm an Helium. Das bedeutet aber nicht, dass es überall im Universum wenig davon gibt. Nach modernen Schätzungen bestehen 76 % der kosmischen Masse aus Wasserstoff und 23 % aus Helium; für alle anderen Elemente bleibt nur 1 % übrig! Somit kann die Materie der Welt als Wasserstoff-Helium bezeichnet werden. Diese beiden Elemente dominieren Sterne, planetarische Nebel und interstellares Gas.

Reis. 1. Kurven der Elementhäufigkeit auf der Erde (oben) und im Weltraum.
Die „kosmische“ Kurve spiegelt die herausragende Rolle von Wasserstoff und Helium im Universum und die besondere Bedeutung der Heliumgruppe für die Struktur des Atomkerns wider. Die größte relative Häufigkeit haben diejenigen Elemente und Isotope, deren Massenzahl in vier unterteilt ist: 16 O, 20 Ne, 24 Mg usw.

Wahrscheinlich enthalten alle Planeten des Sonnensystems radiogenes (während des Alpha-Zerfalls entstandenes) Helium, und große Planeten enthalten auch Relikthelium aus dem Weltraum. Helium ist in der Atmosphäre des Jupiter reichlich vorhanden: Nach einigen Angaben sind es 33 %, nach anderen 17 %. Diese Entdeckung bildete die Grundlage für die Handlung einer der Geschichten des berühmten Wissenschaftlers und Science-Fiction-Autors A. Azimov. Im Zentrum der Geschichte steht ein (möglicherweise in der Zukunft realisierbarer) Plan für die Lieferung von Helium vom Jupiter und sogar die Lieferung einer Armada kybernetischer Maschinen auf Kryotrons zum nächsten Satelliten dieses Planeten – Jupiter V (mehr darüber). unten). Eingetaucht in das flüssige Helium der Jupiteratmosphäre (ultratiefe Temperaturen und Supraleitung sind notwendige Bedingungen für den Betrieb von Kryotrons) werden diese Maschinen Jupiter V zum Gehirnzentrum des Sonnensystems machen ...

Der Ursprung des stellaren Heliums wurde 1938 von den deutschen Physikern Bethe und Weizsäcker erklärt. Später wurde ihre Theorie mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern experimentell bestätigt und verfeinert. Sein Wesen ist wie folgt.

Heliumkerne werden bei Sterntemperaturen aus Protonen in Fusionsprozessen verschmolzen, die für jedes Kilogramm Helium 175 Millionen Kilowattstunden Energie freisetzen.

Verschiedene Reaktionszyklen können zur Heliumsynthese führen.

Unter Bedingungen nicht sehr heißer Sterne wie unserer Sonne überwiegt offenbar der Proton-Proton-Zyklus. Es besteht aus drei nacheinander wechselnden Transformationen. Zunächst verbinden sich zwei Protonen mit enormer Geschwindigkeit zu einem Deuteron – einer Struktur aus einem Proton und einem Neutron; In diesem Fall werden Positron und Neutrino getrennt. Als nächstes verbinden sich Deuteron und Proton zu leichtem Helium unter Emission eines Gammaquants. Schließlich reagieren zwei 3-He-Kerne und verwandeln sich in ein Alphateilchen und zwei Protonen. Ein Alphateilchen wird dann, nachdem es zwei Elektronen aufgenommen hat, zu einem Heliumatom.

Das gleiche Endergebnis liefert ein schnellerer Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus, dessen Bedeutung unter Sonnenbedingungen nicht sehr groß ist, aber bei Sternen, die heißer als die Sonne sind, nimmt die Rolle dieses Zyklus zu. Es besteht aus sechs Schritten – Reaktionen. Kohlenstoff spielt hier die Rolle eines Katalysators für den Prozess der Protonenfusion. Die bei diesen Umwandlungen freigesetzte Energie ist die gleiche wie beim Proton-Proton-Zyklus – 26,7 MeV pro Heliumatom.

Die Heliumsynthesereaktion ist die Grundlage für die energetische Aktivität von Sternen und ihr Leuchten. Folglich kann die Heliumsynthese als Urvater aller Reaktionen in der Natur und als Ursache für Leben, Licht, Hitze und meteorologische Phänomene auf der Erde angesehen werden.

Helium ist nicht immer das Endprodukt von Sternfusionen. Nach der Theorie von Professor D.A. Frank-Kamenetsky, bei der sequentiellen Fusion von Heliumkernen entstehen 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, und das Einfangen von Protonen durch diese Kerne führt zur Bildung anderer Kerne. Die Synthese von Kernen schwerer Elemente bis hin zu transuranischen Elementen erfordert außergewöhnliche ultrahohe Temperaturen, die bei instabilen „Novae“- und „Supernovae“-Sternen entstehen.

Der berühmte sowjetische Chemiker A.F. Kapustinsky nannte Wasserstoff und Helium Protoelemente – Elemente der Primärmaterie. Ist es nicht dieser Vorrang, der die Erklärung für die Sonderstellung von Wasserstoff und Helium im Periodensystem der Elemente verbirgt, insbesondere die Tatsache, dass die erste Periode im Wesentlichen keine Periodizität aufweist, die für andere Perioden charakteristisch ist?

Der beste...

Das Heliumatom (auch bekannt als Molekül) ist die stärkste molekulare Struktur. Die Bahnen seiner beiden Elektronen sind genau gleich und bewegen sich extrem nahe am Kern. Um den Heliumkern freizulegen, muss eine Rekordenergiemenge aufgewendet werden – 78,61 MeV. Daher die phänomenale chemische Passivität von Helium.

In den letzten 15 Jahren ist es Chemikern gelungen, mehr als 150 chemische Verbindungen schwerer Edelgase zu gewinnen (Verbindungen schwerer Edelgase werden in den Artikeln „Krypton“ und „Xenon“ besprochen). Die Trägheit von Helium bleibt jedoch nach wie vor über jeden Verdacht erhaben.

Berechnungen zeigen, dass selbst wenn ein Weg gefunden würde, beispielsweise Heliumfluorid oder -oxid herzustellen, diese während der Bildung so viel Energie absorbieren würden, dass die resultierenden Moleküle durch diese Energie von innen heraus „explodiert“ würden.

Heliummoleküle sind unpolar. Die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung zwischen ihnen sind äußerst gering – geringer als bei jeder anderen Substanz. Daher - die niedrigsten Werte der kritischen Werte, der niedrigste Siedepunkt, die niedrigste Verdampfungs- und Schmelzwärme. Die Schmelztemperatur von Helium existiert bei Normaldruck überhaupt nicht. Flüssiges Helium verfestigt sich bei einer Temperatur, egal wie nahe am absoluten Nullpunkt, nicht, es sei denn, zusätzlich zur Temperatur ist es einem Druck von 25 Atmosphären oder mehr ausgesetzt. In der Natur gibt es keinen anderen Stoff dieser Art.

Es gibt auch kein anderes Gas, das in Flüssigkeiten, insbesondere in polaren, so vernachlässigbar löslich ist und so wenig zur Adsorption neigt wie Helium. Es ist der beste Stromleiter unter den Gasen und nach Wasserstoff der zweitbeste Wärmeleiter. Seine Wärmekapazität ist sehr hoch und seine Viskosität niedrig.

Helium dringt erstaunlich schnell durch dünne Trennwände aus einigen organischen Polymeren, Porzellan, Quarz und Borosilikatglas. Es ist merkwürdig, dass Helium durch weiches Glas 100-mal langsamer diffundiert als durch Borosilikatglas. Helium kann auch viele Metalle durchdringen. Nur Eisen und Metalle der Platingruppe sind für ihn völlig undurchdringlich, selbst wenn sie erhitzt werden.

Eine neue Methode zur Gewinnung von reinem Helium aus Erdgas basiert auf dem Prinzip der selektiven Permeabilität.

Wissenschaftler zeigen außerordentliches Interesse an flüssigem Helium. Erstens ist es die kälteste Flüssigkeit, in der sich zudem kein einziger Stoff merklich löst. Zweitens ist es die leichteste Flüssigkeit mit einer minimalen Oberflächenspannung.

Bei einer Temperatur von 2,172°K kommt es zu einer abrupten Änderung der Eigenschaften von flüssigem Helium. Die resultierende Spezies wird üblicherweise als Helium II bezeichnet. Helium II kocht völlig anders als andere Flüssigkeiten; es kocht beim Sieden nicht, seine Oberfläche bleibt völlig ruhig. Helium II leitet Wärme 300 Millionen Mal besser als normales flüssiges Helium (Helium I). Die Viskosität von Helium II ist praktisch Null, sie ist tausendmal geringer als die Viskosität von flüssigem Wasserstoff. Daher verfügt Helium II über Superfluidität – die Fähigkeit, ohne Reibung durch Kapillaren mit beliebig kleinem Durchmesser zu fließen.

Ein weiteres stabiles Heliumisotop, 3 He, geht bei einer Temperatur, die nur Hundertstel Grad von der absoluten Kugel entfernt ist, in einen supraflüssigen Zustand über. Superflüssiges Helium-4 und Helium-3 werden Quantenflüssigkeiten genannt: Sie zeigen quantenmechanische Effekte, bereits bevor sie erstarren. Dies erklärt die sehr detaillierte Untersuchung von flüssigem Helium. Und mittlerweile produzieren sie jede Menge davon – Hunderttausende Liter pro Jahr. Festes Helium wurde jedoch kaum untersucht: Die experimentellen Schwierigkeiten bei der Untersuchung dieses kältesten Körpers sind groß. Zweifellos wird diese Lücke geschlossen, denn vom Verständnis der Eigenschaften des festen Heliums versprechen sich die Physiker viel Neues: Schließlich handelt es sich auch hier um einen Quantenkörper.

Inert, aber sehr notwendig

Ende des letzten Jahrhunderts veröffentlichte die englische Zeitschrift Punch einen Cartoon, in dem Helium als schlau zwinkernder kleiner Mann dargestellt wurde – ein Bewohner der Sonne. Der Text unter dem Bild lautete: „Endlich wurde ich auf der Erde gefangen! Das ging lange genug so! Ich frage mich, wie lange es dauern wird, bis sie herausfinden, was sie mit mir machen sollen?“

Tatsächlich vergingen 34 Jahre seit der Entdeckung des terrestrischen Heliums (der erste Bericht darüber wurde 1881 veröffentlicht), bis es praktische Anwendung fand. Eine gewisse Rolle spielten dabei die ursprünglichen physikalischen, technischen, elektrischen und in geringerem Maße auch chemischen Eigenschaften von Helium, die einer langen Untersuchung bedurften. Die Haupthindernisse waren die Zerstreutheit und die hohen Kosten von Element Nr. 2.

Die Deutschen waren die ersten, die Helium verwendeten. Im Jahr 1915 begannen sie damit, ihre Luftschiffe, die London bombardierten, damit zu befüllen. Bald wurde leichtes, aber nicht brennbares Helium zu einem unverzichtbaren Füllstoff für Flugzeuge. Der Niedergang des Luftschiffbaus, der Mitte der 30er Jahre einsetzte, führte zu einem gewissen Rückgang der Heliumproduktion, allerdings nur für kurze Zeit. Dieses Gas erregte zunehmend die Aufmerksamkeit von Chemikern, Metallurgen und Maschinenbauingenieuren.

Viele technologische Prozesse und Vorgänge können nicht an der Luft durchgeführt werden. Um eine Wechselwirkung des resultierenden Stoffes (oder Ausgangsmaterials) mit Luftgasen zu vermeiden, werden spezielle Schutzumgebungen geschaffen; und es gibt kein geeigneteres Gas für diese Zwecke als Helium.

Helium ist inert, leicht, mobil und ein guter Wärmeleiter. Es ist ein ideales Mittel, um leicht entzündliche Flüssigkeiten und Pulver von einem Behälter in einen anderen zu pressen. Diese Funktionen erfüllt es in Raketen und Lenkflugkörpern. Einzelne Phasen der Kernbrennstoffproduktion finden in einer Helium-Schutzumgebung statt. Brennelemente von Kernreaktoren werden in mit Helium gefüllten Behältern gelagert und transportiert.

Mit Hilfe spezieller Lecksucher, deren Wirkungsweise auf der außergewöhnlichen Diffusionsfähigkeit von Helium beruht, erkennen sie kleinste Leckagemöglichkeiten in Kernreaktoren und anderen unter Druck oder Vakuum stehenden Systemen.

Die letzten Jahre waren geprägt von einem erneuten Aufschwung im Luftschiffbau, nun auf einer höheren wissenschaftlich-technischen Grundlage. In einer Reihe von Ländern wurden und werden Luftschiffe mit Heliumfüllung mit einer Tragfähigkeit von 100 bis 3000 Tonnen gebaut. Sie sind wirtschaftlich, zuverlässig und bequem für den Transport großer Güter wie Gaspipelines, Ölraffinerien und Strom Leitungsstützen usw. Die Füllung aus 85 % Helium und 15 % Wasserstoff ist feuerfest und reduziert den Auftrieb im Vergleich zu einer Wasserstofffüllung nur um 7 %.

Hochtemperatur-Kernreaktoren eines neuen Typs, in denen Helium als Kühlmittel dient, haben ihren Betrieb aufgenommen.

Flüssiges Helium wird in der wissenschaftlichen Forschung und Technologie häufig verwendet. Ultratiefe Temperaturen begünstigen eine tiefgreifende Kenntnis der Materie und ihrer Struktur – bei höheren Temperaturen werden subtile Details der Energiespektren durch die thermische Bewegung der Atome verdeckt.

Es gibt bereits supraleitende Magnetspulen aus Speziallegierungen, die bei Temperaturen von flüssigem Helium starke Magnetfelder (bis zu 300.000 Oersted) erzeugen und dabei einen vernachlässigbaren Energieverbrauch aufweisen.

Bei der Temperatur von flüssigem Helium werden viele Metalle und Legierungen zu Supraleitern. Supraleitende Relais – Kryotrons – werden zunehmend in der Konstruktion elektronischer Computer eingesetzt. Sie sind einfach, zuverlässig und sehr kompakt. Supraleiter und damit flüssiges Helium werden für die Elektronik notwendig. Sie sind in der Konstruktion von Infrarotstrahlungsdetektoren, molekularen Verstärkern (Masern), optischen Quantengeneratoren (Lasern) und Instrumenten zur Messung ultrahoher Frequenzen enthalten.

Natürlich erschöpfen diese Beispiele nicht die Rolle von Helium in der modernen Technologie. Aber wenn es nicht die begrenzten natürlichen Ressourcen und die extreme Verlustleistung von Helium gäbe, hätte es viel mehr Anwendungen gefunden. Es ist beispielsweise bekannt, dass Lebensmittel in Heliumkonserven ihren ursprünglichen Geschmack und ihr ursprüngliches Aroma behalten. Aber „Helium“-Konserven bleiben immer noch eine „Sache für sich“, denn es gibt nicht genug Helium und es wird nur in den wichtigsten Industrien verwendet und dort, wo es nicht ohne Helium auskommen kann. Daher ist es besonders anstößig zu erkennen, dass bei brennbarem Erdgas viel größere Mengen Helium durch chemische Syntheseapparate, Öfen und Hochöfen gelangen und in die Atmosphäre entweichen, als bei Helium, das aus heliumhaltigen Quellen gewonnen wird.

Heute gilt es als rentabel, Helium nur dann freizusetzen, wenn sein Gehalt im Erdgas nicht weniger als 0,05 % beträgt. Die Reserven an diesem Gas nehmen ständig ab und es ist möglich, dass sie noch vor dem Ende dieses Jahrhunderts erschöpft sein werden. Allerdings wird das Problem des „Heliummangels“ zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich gelöst sein – teils durch die Schaffung neuer, fortschrittlicherer Methoden zur Trennung von Gasen, der Gewinnung der wertvollsten, wenn auch unbedeutenden Fraktionen aus ihnen, und teils dank der kontrollierten Kernfusion. Helium wird ein wichtiges Nebenprodukt der Aktivität „künstlicher Sonnen“ werden.

Heliumisotope

In der Natur gibt es zwei stabile Heliumisotope: Helium-3 und Helium-4. Das leichte Isotop ist auf der Erde millionenfach weniger verbreitet als das schwere. Dies ist das seltenste stabile Isotop, das es auf unserem Planeten gibt. Drei weitere Heliumisotope wurden künstlich gewonnen. Sie sind alle radioaktiv. Die Halbwertszeit von Helium-5 beträgt 2,4·10 –21 Sekunden, von Helium-6 0,83 Sekunden und von Helium-8 0,18 Sekunden. Das schwerste Isotop, interessant, weil in seinen Kernen drei Neutronen pro Proton sind, wurde erstmals in den 60er Jahren in Dubna untersucht. Versuche, Helium-10 zu gewinnen, waren bisher erfolglos.

Letztes festes Gas

Helium war das letzte aller Gase, das in den flüssigen und festen Zustand überführt wurde. Die besonderen Schwierigkeiten bei der Verflüssigung und Verfestigung von Helium werden durch die Struktur seines Atoms und einige Merkmale seiner physikalischen Eigenschaften erklärt. Insbesondere Helium kühlt sich wie Wasserstoff bei Temperaturen über – 250 °C beim Ausdehnen nicht ab, sondern erwärmt sich. Andererseits ist die kritische Temperatur von Helium extrem niedrig. Aus diesem Grund wurde flüssiges Helium erst 1908 und festes Helium erst 1926 gewonnen.

Heliumluft

Luft, in der der gesamte oder der größte Teil des Stickstoffs durch Helium ersetzt ist, ist heute keine Neuigkeit mehr. Es wird häufig an Land, unter der Erde und unter Wasser eingesetzt.

Heliumluft ist dreimal leichter und viel beweglicher als normale Luft. In der Lunge verhält es sich aktiver – es liefert schnell Sauerstoff und leitet Kohlendioxid schnell ab. Deshalb wird Patienten mit Atemstörungen und einigen Operationen Heliumluft verabreicht. Es lindert Erstickungsgefahr, behandelt Asthma bronchiale und Erkrankungen des Kehlkopfes.

Durch das Einatmen von Heliumluft wird eine Stickstoffembolie (Caisson-Krankheit) praktisch ausgeschlossen, für die Taucher und Spezialisten anderer Berufe, die unter Hochdruckbedingungen arbeiten, beim Übergang von Hochdruck zu Normaldruck anfällig sind. Die Ursache dieser Erkrankung ist insbesondere bei Bluthochdruck die Löslichkeit von Stickstoff im Blut. Wenn der Druck abnimmt, wird es in Form von Gasblasen freigesetzt, die Blutgefäße verstopfen und Nervenknoten schädigen können. Im Gegensatz zu Stickstoff ist Helium in Körperflüssigkeiten praktisch unlöslich und kann daher keine Dekompressionskrankheit verursachen. Darüber hinaus verhindert Heliumluft das Auftreten einer „Stickstoffnarkose“, die äußerlich einer Alkoholvergiftung ähnelt.

Früher oder später wird die Menschheit lernen müssen, lange Zeit auf dem Meeresboden zu leben und zu arbeiten, um die Mineral- und Nahrungsressourcen des Schelfs ernsthaft nutzen zu können. Und in großen Tiefen ist Heliumluft, wie die Experimente sowjetischer, französischer und amerikanischer Forscher gezeigt haben, immer noch unverzichtbar. Biologen haben bewiesen, dass ein längeres Einatmen von Heliumluft keine negativen Veränderungen im menschlichen Körper verursacht und keine Veränderungen im genetischen Apparat gefährdet: Die Heliumatmosphäre hat keinen Einfluss auf die Zellentwicklung und die Häufigkeit von Mutationen. Es gibt Arbeiten, deren Autoren Heliumluft als das optimale Luftmedium für Raumfahrzeuge betrachten, die lange Flüge ins Universum unternehmen. Doch bislang ist künstliche Heliumluft noch nicht über die Erdatmosphäre hinaus aufgestiegen.

Helium, das typischerweise durch den radioaktiven Zerfall von Uran-238 und Uran-235 entsteht, wurde 13 Jahre früher in der Sonnenatmosphäre gefunden als auf der Erde. Dieses Gas hat die niedrigsten kritischen Werte, den niedrigsten Siedepunkt und die niedrigste Verdampfungs- und Schmelzwärme. Die Schmelztemperatur von Helium existiert bei Normaldruck überhaupt nicht. In der Natur kommt kein anderer Stoff dieser Art vor...

Helium ist ein ungewöhnliches Element und seine Geschichte ist etwas mysteriös und unverständlich. Es wurde 13 Jahre früher in der Sonnenatmosphäre gefunden als auf der Erde. Genauer gesagt wurde im Spektrum der Sonnenkorona eine leuchtend gelbe D-Linie entdeckt, und was sich dahinter verbarg, wurde erst zuverlässig bekannt, nachdem Helium aus irdischen Mineralien mit radioaktiven Elementen gewonnen wurde.

Wie entsteht Helium?

Es entsteht hauptsächlich terrestrisches Helium beim radioaktiven Zerfall von Uran-238, Uran-235, Thorium und instabilen Zerfallsprodukten. Helium reichert sich langsam in der Erdkruste an. Eine Tonne Granit mit 2 g Uran und 10 g Thorium produziert über eine Million Jahre nur 0,09 mg Helium – ein halber Kubikzentimeter. Die sehr wenigen uran- und thoriumreichen Mineralien haben einen recht hohen Heliumgehalt – mehrere Kubikzentimeter Helium pro Gramm.

Im Laufe der Zeit durchlaufen die meisten Mineralien Prozesse der Verwitterung, Rekristallisation usw. und Helium verlässt sie. Die aus den kristallinen Strukturen freigesetzten Heliumblasen lösen sich teilweise im Grundwasser auf. Ein anderer Teil des Heliums entweicht durch Poren und Risse von Mineralien in die Atmosphäre. Die verbleibenden Gasmoleküle fallen in unterirdische Fallen, wo sie sich über Dutzende oder Hunderte Millionen Jahre ansammeln. Die Fallen sind hier lockere Gesteinsschichten, deren Hohlräume mit Gas gefüllt sind. Das Bett solcher Gaslagerstätten besteht normalerweise aus Wasser oder Öl, und oben sind sie von gasundurchlässigen Schichten aus dichtem Gestein bedeckt.

Heliumsynthese – der Beginn des Lebens

Das Innere und die Atmosphäre unseres Planeten sind arm an Helium. Das bedeutet aber nicht, dass es überall im Universum wenig davon gibt. Nach modernen Schätzungen bestehen 76 % der kosmischen Masse aus Wasserstoff und 23 % aus Helium; Für alle anderen Elemente bleibt nur ein Prozent übrig. Somit kann die Materie der Welt als Wasserstoff-Helium bezeichnet werden. Diese beiden Elemente dominieren Sterne, planetarische Nebel und interstellares Gas. Die Heliumsynthesereaktion ist die Grundlage für die energetische Aktivität von Sternen und ihr Leuchten. Folglich kann die Heliumsynthese als Urvater aller Reaktionen in der Natur und als Ursache für Leben, Licht, Hitze und meteorologische Phänomene auf der Erde angesehen werden.

Erdgase sind praktisch die einzige Rohstoffquelle für die industrielle Produktion von Helium. Helium kommt in Erdgasen als geringfügige Verunreinigung vor. Sein Gehalt überschreitet nicht Tausendstel, Hundertstel, selten Zehntel Prozent. Ein hoher Heliumgehalt (1,5–10 %) in Methan-Stickstoff-Lagerstätten ist ein äußerst seltenes Phänomen. Zur Trennung von anderen Gasen wird die außergewöhnliche Flüchtigkeit von Helium, verbunden mit seiner niedrigen Verflüssigungstemperatur, genutzt. Nachdem bei der Tiefenkühlung alle anderen Bestandteile des Erdgases kondensiert sind, wird das Heliumgas abgepumpt. Anschließend wird es von Verunreinigungen gereinigt. Die Reinheit von Fabrikhelium erreicht 99,995 %. Flüssiges Helium entsteht durch die Verflüssigung von Heliumgas.

Eigenschaften von Helium

Helium-Gas– ein Inertgas ohne Farbe, Geruch oder Geschmack. Flüssiges Helium– eine farblose, geruchlose Flüssigkeit mit einem Siedepunkt bei normalem Atmosphärendruck von 101,3 kPa (760 mm Hg), 4,215 K (minus 268,9 °C) und einer Dichte von 124,9 kg/m 3.

Helium ist nicht giftig, nicht brennbar und nicht explosiv, führt jedoch in hohen Konzentrationen in der Luft zu Sauerstoffmangel und Erstickungsgefahr. Flüssiges Helium ist eine niedrigsiedende Flüssigkeit, die Erfrierungen der Haut und Schäden an der Schleimhaut der Augen verursachen kann.

Heliumatom(auch bekannt als Molekül) ist die stärkste molekulare Struktur. Die Bahnen seiner beiden Elektronen sind genau gleich und bewegen sich extrem nahe am Kern. Um den Heliumkern freizulegen, muss eine Rekordenergiemenge (78,61 eV) aufgewendet werden. Dies impliziert die phänomenale chemische Passivität von Helium.

Heliummoleküle sind unpolar. Die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung zwischen ihnen sind äußerst gering – geringer als bei jeder anderen Substanz. Aus diesem Grund hat Helium die niedrigsten kritischen Werte, den niedrigsten Siedepunkt und die niedrigste Verdampfungs- und Schmelzwärme. Die Schmelztemperatur von Helium existiert bei Normaldruck überhaupt nicht. Flüssiges Helium verfestigt sich bei einer Temperatur, egal wie nahe am absoluten Nullpunkt, nicht, es sei denn, zusätzlich zur Temperatur ist es einem Druck von 25 Atmosphären oder mehr ausgesetzt. In der Natur gibt es keinen anderen Stoff dieser Art. Es ist der beste Stromleiter unter den Gasen und nach Wasserstoff der zweitbeste Wärmeleiter. Seine Wärmekapazität ist sehr hoch und seine Viskosität dagegen gering.

Helium, Luftschiffe, Taucher und Atomenergie...

Helium wurde erstmals in Deutschland eingesetzt. Im Jahr 1915 begannen die Deutschen damit, ihre Luftschiffe, die London bombardierten, damit zu füllen. Bald wurde leichtes, aber nicht brennbares Helium zu einem unverzichtbaren Füllstoff für Flugzeuge. Der Niedergang des Luftschiffbaus, der Mitte der 30er Jahre einsetzte, führte zu einem gewissen Rückgang der Heliumproduktion, allerdings nur für kurze Zeit. Dieses Gas erregte zunehmend die Aufmerksamkeit von Chemikern, Metallurgen und Maschinenbauingenieuren.

Ein weiterer Einsatzbereich von Helium ergibt sich aus der Tatsache, dass viele technologische Prozesse und Vorgänge nicht an der Luft durchgeführt werden können. Um eine Wechselwirkung des resultierenden Stoffes (oder Rohstoffs) mit Luftgasen zu vermeiden, werden spezielle Schutzumgebungen geschaffen, und es gibt kein Gas, das für diese Zwecke besser geeignet ist als Helium.

In Helium schützende Umgebung durchlaufen getrennte Stufen der Gewinnung von Kernbrennstoff. Brennelemente von Kernreaktoren werden in mit Helium gefüllten Behältern gelagert und transportiert. Mit Hilfe spezieller Lecksucher, deren Wirkungsweise auf der außergewöhnlichen Diffusionsfähigkeit von Helium beruht, erkennen sie kleinste Leckagemöglichkeiten in Kernreaktoren und anderen unter Druck oder Vakuum stehenden Systemen.

In der wissenschaftlichen Forschung und Technik weit verbreitet flüssiges Helium. Ultratiefe Temperaturen begünstigen eine tiefgreifende Kenntnis der Materie und ihrer Struktur – bei höheren Temperaturen werden subtile Details der Energiespektren durch die thermische Bewegung der Atome verdeckt.

Es gibt bereits supraleitende Magnetspulen aus Speziallegierungen, die bei der Temperatur von flüssigem Helium starke Magnetfelder (bis zu 300.000 Oersted) erzeugen und dabei kaum Energie verbrauchen. Bei der Temperatur von flüssigem Helium bilden sich viele Metalle und Legierungen Supraleiter. Supraleitende Kryotronrelais werden zunehmend in der Konstruktion elektronischer Computer eingesetzt. Sie sind einfach, zuverlässig und sehr kompakt. Supraleiter und damit flüssiges Helium werden für die Elektronik notwendig. Sie sind in der Konstruktion von Infrarotstrahlungsdetektoren, molekularen Verstärkern (Masern), optischen Quantengeneratoren (Lasern) und Instrumenten zur Messung ultrahoher Frequenzen enthalten.

Helium-Sauerstoff-Gemische wurde zu einem zuverlässigen Mittel zur Vorbeugung von Dekompressionskrankheiten und brachte einen großen Zeitgewinn beim Heben von Tauchern. Bekanntlich ist die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten unter sonst gleichen Bedingungen direkt proportional zum Druck. Bei Tauchern, die unter hohem Druck arbeiten, ist im Blut viel mehr Stickstoff gelöst als unter normalen Bedingungen an der Wasseroberfläche. Beim Aufstieg aus der Tiefe, wenn sich der Druck dem Normalwert nähert, nimmt die Löslichkeit des Stickstoffs ab und sein Überschuss beginnt freigesetzt zu werden. Bei schnellem Anstieg erfolgt die Freisetzung überschüssiger gelöster Gase so heftig, dass das mit Gas gesättigte blut- und wasserreiche Gewebe des Körpers mit einer Masse von Stickstoffblasen aufschäumt – wie Champagner beim Öffnen einer Flasche.

Die Bildung von Stickstoffblasen in den Blutgefäßen stört die Funktion des Herzens, ihr Auftreten im Gehirn stört dessen Funktionen und all dies zusammen führt zu schweren Funktionsstörungen des Körpers und letztendlich zum Tod. Um die Entstehung der beschriebenen Phänomene, der sogenannten „Dekompressionskrankheit“, zu verhindern, erfolgt der Aufstieg der Taucher, also der Übergang vom Hochdruck zum Normaldruck, sehr langsam.

In diesem Fall werden überschüssige gelöste Gase nach und nach freigesetzt und es treten keine schmerzhaften Störungen auf. Durch den Einsatz künstlicher Luft, bei der Stickstoff durch weniger lösliches Helium ersetzt wird, sind schädliche Störungen nahezu ausgeschlossen. Dies ermöglicht es, die Tauchtiefe des Tauchers zu erhöhen (bis zu 100 Meter oder mehr) und die Zeit, die er unter Wasser verbringt, zu verlängern.

„Helium“-Luft hat eine dreimal geringere Dichte als normale Luft. Daher ist es einfacher, diese Luft einzuatmen als normale Luft (die Arbeit der Atemmuskulatur nimmt ab). Dieser Umstand ist bei Atemwegserkrankungen wichtig. Deshalb „Helium“-Luft auch verwendet in Medizin bei der Behandlung von Asthma, Erstickungsgefahr und anderen Krankheiten.

Noch nicht ewig, aber schon harmlos

Entwickelt im Los Alamos National Laboratory, benannt nach E. Fermi (New Mexico) neuer Motor, was die Wahrnehmung des Autos als eine der Hauptverursacher der Umweltverschmutzung gravierend verändern kann. Mit einem Wirkungsgrad, der mit dem eines Verbrennungsmotors (30–40 %) vergleichbar ist, weist er keine seiner Hauptnachteile auf: bewegliche Teile, die zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß geschmiert werden müssen, und umweltschädliche Emissionen durch unvollständige Verbrennung von Kraftstoff.

Tatsächlich geht es um die Verbesserung des bekannten externen Verbrennungsmotors, der bereits 1816 vom schottischen Priester R. Stirling vorgeschlagen wurde. Dieser Motor wurde in Fahrzeugen aufgrund seines komplexeren Designs im Vergleich zum Verbrennungsmotor nicht weit verbreitet Materialverbrauch und Kosten. Der von amerikanischen Wissenschaftlern vorgeschlagene thermoakustische Energiewandler, bei dem komprimiertes Helium als Arbeitsmedium dient, unterscheidet sich jedoch positiv von seinem Vorgänger durch das Fehlen sperriger Wärmetauscher, die seinen Einsatz in Personenkraftwagen verhinderten, und könnte in naher Zukunft zu einem werden umweltfreundliche Alternative nicht nur zum Verbrennungsmotor, sondern auch Solarenergiewandler, Kühlschrank, Klimaanlage. Das Ausmaß seiner Anwendung ist immer noch schwer vorstellbar.

Helium(He) ist ein Edelgas, das das zweite Element des Periodensystems der Elemente sowie das zweitgrößte Element im Universum ist. Es gehört zu den einfachen Stoffen und ist unter Standardbedingungen (Standardtemperatur und -druck) ein einatomiges Gas.

Helium Es ist geschmacks-, farb- und geruchlos und enthält keine Giftstoffe.

Unter allen einfachen Stoffen hat Helium den niedrigsten Siedepunkt (T = 4,216 K). Bei atmosphärischem Druck ist es selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt unmöglich, festes Helium zu gewinnen – um in eine feste Form überzugehen, benötigt Helium einen Druck über 25 Atmosphären. Es gibt nur wenige chemische Verbindungen von Helium und alle sind unter Standardbedingungen instabil.
Natürlich vorkommendes Helium besteht aus zwei stabilen Isotopen, He und 4He. Das „He“-Isotop ist sehr selten (Isotopenhäufigkeit 0,00014 %), wobei 99,99986 % für das 4He-Isotop gelten. Neben natürlichen sind auch 6 künstliche radioaktive Heliumisotope bekannt.
Das Erscheinen von fast allem im Universum, Helium, war die primäre Nukleosynthese, die in den ersten Minuten nach dem Urknall stattfand.
Derzeit fast alle Helium entsteht aus Wasserstoff als Ergebnis der Kernfusion im Inneren von Sternen. Auf unserem Planeten entsteht Helium beim Alpha-Zerfall schwerer Elemente. Der Teil des Heliums, der durch die Erdkruste entweicht, kommt als Teil des Erdgases heraus und kann bis zu 7 % seiner Zusammensetzung ausmachen. Zum Highlight Helium Aus Erdgas wird die fraktionierte Destillation eingesetzt – ein Verfahren zur Niedertemperaturtrennung von Elementen.

Geschichte der Entdeckung von Helium

Am 18. August 1868 wurde eine totale Sonnenfinsternis erwartet. Astronomen auf der ganzen Welt bereiteten sich aktiv auf diesen Tag vor. Sie hofften, das Rätsel der Protuberanzen zu lösen – leuchtende Vorsprünge, die im Moment einer totalen Sonnenfinsternis an den Rändern der Sonnenscheibe sichtbar sind. Einige Astronomen glaubten, dass es sich bei den Protuberanzen um hohe Mondberge handelte, die im Moment einer totalen Sonnenfinsternis von den Sonnenstrahlen beleuchtet wurden; andere dachten, die Protuberanzen seien Berge auf der Sonne selbst; wieder andere sahen in den Sonnenvorsprüngen feurige Wolken der Sonnenatmosphäre. Die Mehrheit glaubte, Protuberanzen seien nichts weiter als eine optische Täuschung.

Während einer in Europa beobachteten Sonnenfinsternis im Jahr 1851 sah der deutsche Astronom Schmidt nicht nur Sonnenvorsprünge, sondern konnte auch feststellen, dass sich ihre Umrisse im Laufe der Zeit veränderten. Basierend auf seinen Beobachtungen kam Schmidt zu dem Schluss, dass Protuberanzen heiße Gaswolken sind, die durch riesige Eruptionen in die Sonnenatmosphäre geschleudert werden. Doch selbst nach Schmidts Beobachtungen hielten viele Astronomen die feurigen Projektionen immer noch für eine optische Täuschung.

Erst nach der totalen Sonnenfinsternis vom 18. Juli 1860, die in Spanien beobachtet wurde, als viele Astronomen die Sonnenvorsprünge mit eigenen Augen sahen und es dem Italiener Secchi und dem Franzosen Dellar gelang, sie nicht nur zu skizzieren, sondern auch zu fotografieren, gelang es niemandem hatte Zweifel an der Existenz von Protuberanzen.

Bereits 1860 wurde ein Spektroskop erfunden – ein Gerät, das es ermöglicht, durch Beobachtung des sichtbaren Teils des optischen Spektrums die qualitative Zusammensetzung des Körpers zu bestimmen, aus dem das beobachtete Spektrum gewonnen wird. Am Tag der Sonnenfinsternis nutzte jedoch keiner der Astronomen ein Spektroskop, um das Spektrum der Protuberanzen zu untersuchen. Sie erinnerten sich an das Spektroskop, als die Sonnenfinsternis bereits vorüber war.

Deshalb nahm jeder Astronom in Vorbereitung auf die Sonnenfinsternis von 1868 ein Spektroskop in die Liste seiner Beobachtungsinstrumente auf. Jules Jansen, ein berühmter französischer Wissenschaftler, vergaß dieses Gerät nicht, als er nach Indien reiste, um Protuberanzen zu beobachten, wo die Bedingungen für die Beobachtung einer Sonnenfinsternis nach Berechnungen der Astronomen am besten waren.

In dem Moment, als die funkelnde Sonnenscheibe vollständig vom Mond bedeckt war, sah Jules Jansen, der mit einem Spektroskop die orangeroten Flammen untersuchte, die von der Sonnenoberfläche austraten, zusätzlich zu den drei bekannten Linien im Spektrum aus Wasserstoff: Rot, Grün-Blau und Blau, ein Neues, Unbekanntes – leuchtendes Gelb. Keine der damals den Chemikern bekannten Substanzen hatte eine solche Linie in dem Teil des Spektrums, in dem Jules Jansen sie entdeckte. Die gleiche Entdeckung, allerdings zu Hause in England, machte der Astronom Norman Lockyer.

Am 25. Oktober 1868 erhielt die Pariser Akademie der Wissenschaften zwei Briefe. Einer, geschrieben am Tag nach der Sonnenfinsternis, stammte aus Guntur, einer kleinen Stadt an der Ostküste Indiens, von Jules Jansen; Ein weiterer Brief vom 20. Oktober 1868 stammte aus England von Norman Lockyer.

Die eingegangenen Briefe wurden bei einem Treffen von Professoren der Pariser Akademie der Wissenschaften verlesen. Darin berichteten Jules Jansen und Norman Lockyer unabhängig voneinander über die Entdeckung derselben „Sonnenmaterie“. Lockyer schlug vor, diese neue Substanz, die mit einem Spektroskop auf der Sonnenoberfläche gefunden wurde, Helium zu nennen, vom griechischen Wort für Sonne – Helios.

Dieser Zufall überraschte das wissenschaftliche Treffen der Professoren der Akademien und zeugte gleichzeitig von der Objektivität der Entdeckung einer neuen chemischen Substanz. Zu Ehren der Entdeckung der Substanz von Solarfackeln (Protuberanzen) wurde eine Medaille geprägt. Auf der einen Seite dieser Medaille befinden sich Porträts von Jansen und Lockyer, auf der anderen Seite ein Bild des antiken griechischen Sonnengottes Apollo in einem von vier Pferden gezogenen Streitwagen. Unter dem Streitwagen befand sich eine Inschrift auf Französisch: „Analyse der Sonnenvorsprünge am 18. August 1868.“

Im Jahr 1895 machte der Londoner Chemiker Henry Myers William Ramsay, einen berühmten englischen Physikochemiker, auf den damals vergessenen Artikel des Geologen Hildebrand aufmerksam. In diesem Artikel argumentierte Hildebrand, dass einige seltene Mineralien beim Erhitzen in Schwefelsäure ein Gas abgeben, das nicht brennt und die Verbrennung nicht unterstützt. Zu diesen seltenen Mineralien gehörte Kleveit, das Nordenskiöld, der berühmte schwedische Polarforscher, in Norwegen gefunden hatte.

Ramsay beschloss, die Natur des in Kleveit enthaltenen Gases zu untersuchen. In allen Chemiegeschäften in London gelang es Ramsays Assistenten, nur ... ein Gramm Kleveit zu kaufen und dafür nur 3,5 Schilling zu zahlen. Nachdem er aus der resultierenden Kleveitmenge mehrere Kubikzentimeter Gas isoliert und von Verunreinigungen gereinigt hatte, untersuchte Ramsay es mit einem Spektroskop. Das Ergebnis war unerwartet: Das aus Kleveit freigesetzte Gas war … Helium!

Da Ramsay seiner Entdeckung nicht traute, wandte er sich an William Crookes, den damals größten Spezialisten für Spektralanalyse in London, mit der Bitte, das aus Kleveit isolierte Gas zu untersuchen.

Crookes untersuchte das Gas. Das Ergebnis der Studie bestätigte Ramsays Entdeckung. So wurde am 23. März 1895 auf der Erde eine Substanz entdeckt, die 27 Jahre zuvor auf der Sonne gefunden worden war. Am selben Tag veröffentlichte Ramsay seine Entdeckung und sandte eine Nachricht an die Royal Society of London und eine andere an den berühmten französischen Chemiker Akademiker Berthelot. In einem Brief an Berthelot bat Ramsay darum, seine Entdeckung einem wissenschaftlichen Treffen von Professoren der Pariser Akademie zu melden.

15 Tage nach Ramsay isolierte der schwedische Chemiker Langlais unabhängig von ihm Helium aus Kleveit und berichtete wie Ramsay dem Chemiker Berthelot von seiner Entdeckung des Heliums.

Zum dritten Mal wurde Helium in der Luft entdeckt, wo es laut Ramsay aus seltenen Mineralien (Cleveit usw.) bei Zerstörung und chemischen Umwandlungen auf der Erde stammen sollte.

Helium wurde in geringen Mengen auch im Wasser einiger Mineralquellen gefunden. Beispielsweise wurde es von Ramsay in der Heilquelle von Cauterets in den Pyrenäen gefunden, der englische Physiker John William Rayleigh fand es im Wasser der Quellen des berühmten Ferienortes Bath, der deutsche Physiker Kaiser entdeckte Helium in den zufließenden Quellen den Schwarzwaldbergen. Helium kam jedoch in einigen Mineralien am häufigsten vor. Es kommt in Samarskit, Fergusonit, Columbit, Monazit und Uranit vor. Das Mineral Thorianit von der Insel Ceylon enthält besonders viel Helium. Ein Kilogramm Thorianit setzt bei glühender Hitze 10 Liter Helium frei.

Bald stellte sich heraus, dass Helium nur in Mineralien vorkommt, die radioaktives Uran und Thorium enthalten. Von einigen radioaktiven Elementen emittierte Alphastrahlen sind nichts anderes als die Kerne von Heliumatomen.

Aus der Geschichte...

Seine ungewöhnlichen Eigenschaften ermöglichen eine breite Nutzung von Helium für vielfältige Zwecke. Der erste, aufgrund seiner Leichtigkeit absolut logische Einsatz ist der Einsatz in Ballons und Luftschiffen. Darüber hinaus ist es im Gegensatz zu Wasserstoff nicht explosiv. Diese Eigenschaft des Heliums nutzten die Deutschen im Ersten Weltkrieg auf Kampfluftschiffen. Der Nachteil besteht darin, dass ein mit Helium gefülltes Luftschiff nicht so hoch fliegen kann wie ein mit Wasserstoff gefülltes Luftschiff.

Während des Ersten Weltkriegs bombardierte die deutsche Führung mit Luftschiffen (Zeppeline) große Städte, vor allem die Hauptstädte Englands und Frankreichs. Zur Befüllung wurde Wasserstoff verwendet. Daher war der Kampf gegen sie relativ einfach: Ein Brandprojektil, das die Hülle des Luftschiffs traf, entzündete Wasserstoff, der sofort aufflammte und das Gerät ausbrannte. Von den 123 im Ersten Weltkrieg in Deutschland gebauten Luftschiffen wurden 40 durch Brandgranaten verbrannt. Doch eines Tages wurde der Generalstab der britischen Armee von einer Nachricht von besonderer Bedeutung überrascht. Direkte Treffer durch Brandgranaten auf den deutschen Zeppelin blieben erfolglos. Das Luftschiff ging nicht in Flammen auf, sondern strömte langsam mit einem unbekannten Gas aus und flog zurück.

Militärexperten waren ratlos und konnten trotz einer dringenden und ausführlichen Diskussion der Frage der Nichtbrennbarkeit des Zeppelins durch Brandgranaten keine notwendige Erklärung finden. Das Rätsel wurde vom englischen Chemiker Richard Threlfall gelöst. In einem Brief an die britische Admiralität schrieb er: „... Ich glaube, dass die Deutschen eine Möglichkeit erfunden haben, Helium in großen Mengen herzustellen, und dieses Mal haben sie die Hülle ihres Zeppelins nicht wie üblich mit Wasserstoff gefüllt, sondern mit Helium..."

Die Glaubwürdigkeit von Threlfalls Argumenten wurde jedoch durch die Tatsache gemindert, dass es in Deutschland keine nennenswerten Heliumquellen gab. Helium ist zwar in der Luft enthalten, aber davon gibt es dort nur wenig: Ein Kubikmeter Luft enthält nur 5 Kubikzentimeter Helium. Die Kältemaschine des Linde-Systems, die mehrere hundert Kubikmeter Luft in einer Stunde verflüssigt, konnte in dieser Zeit nicht mehr als 3 Liter Helium produzieren.

3 Liter Helium pro Stunde! Und um einen Zeppelin zu füllen, braucht man 5-6.000 Kubikmeter. m. Um eine solche Menge Helium zu gewinnen, musste eine Linde-Maschine etwa zweihundert Jahre lang ununterbrochen arbeiten; zweihundert solcher Maschinen würden in einem Jahr die erforderliche Menge Helium liefern. Der Bau von 200 Anlagen zur Umwandlung von Luft in Flüssigkeit zur Herstellung von Helium ist wirtschaftlich sehr unrentabel und praktisch sinnlos.

Woher bekamen deutsche Chemiker Helium?

Wie sich später herausstellte, konnte dieses Problem relativ einfach gelöst werden. Lange vor dem Krieg wurden deutsche Reedereien, die Güter nach Indien und Brasilien transportierten, angewiesen, zurückkehrende Schiffe nicht mit gewöhnlichem Ballast, sondern mit Monazitsand zu beladen, der Helium enthält. So entstand eine Reserve an „Helium-Rohstoffen“ – etwa 5.000 Tonnen Monazitsand, aus dem Helium für die Zeppeline gewonnen wurde. Darüber hinaus wurde Helium aus dem Wasser der Nauheimer Mineralquelle gewonnen, was bis zu 70 Kubikmeter ergab. m Helium täglich.

Der Vorfall mit dem feuerfesten Zeppelin war der Anstoß für neue Suchen nach Helium. Chemiker, Physiker und Geologen begannen intensiv nach Helium zu suchen. Es erlangte plötzlich einen enormen Wert. Im Jahr 1916 kostete 1 Kubikmeter Helium 200.000 Rubel in Gold, also 200 Rubel pro Liter. Wenn man bedenkt, dass ein Liter Helium 0,18 g wiegt, dann kostet 1 g davon über 1000 Rubel.

Helium wurde zum Jagdobjekt für Händler, Spekulanten und Börsenmakler. Helium wurde in erheblichen Mengen in Erdgasen entdeckt, die aus dem Erdinneren in Amerika im Bundesstaat Kansas austraten, wo nach dem Kriegseintritt Amerikas in der Nähe der Stadt Fort Worth eine Heliumanlage gebaut wurde. Doch der Krieg endete, die Heliumreserven blieben ungenutzt, die Kosten für Helium sanken stark und beliefen sich Ende 1918 auf etwa vier Rubel pro Kubikmeter.

Das so mühsam gewonnene Helium wurde von den Amerikanern erst 1923 zum Befüllen des inzwischen friedlichen Luftschiffs Shenandoah genutzt. Es war das erste und einzige mit Helium gefüllte Luftfracht-Passagierschiff der Welt. Allerdings war sein „Leben“ nur von kurzer Dauer. Zwei Jahre nach seiner Geburt wurde die Shenandoah durch einen Sturm zerstört. 55.000 Kubikmeter m, fast der gesamte über sechs Jahre gesammelte Heliumvorrat der Welt löste sich während eines nur 30 Minuten dauernden Sturms spurlos in der Atmosphäre auf.

Anwendung von Helium

Helium in der Natur

Meistens terrestrisch Helium entsteht beim radioaktiven Zerfall von Uran-238, Uran-235, Thorium und instabilen Zerfallsprodukten. Ungleich geringere Mengen Helium entstehen durch den langsamen Zerfall von Samarium-147 und Wismut. Alle diese Elemente erzeugen nur das schwere Isotop Helium – He 4, dessen Atome als Überreste von Alphateilchen betrachtet werden können, die in einer Hülle aus zwei gepaarten Elektronen – in einem Elektronendublett – vergraben sind. In frühen geologischen Perioden gab es wahrscheinlich andere natürlich radioaktive Serien von Elementen, die bereits von der Erdoberfläche verschwunden waren und den Planeten mit Helium sättigten. Eine davon war die nun künstlich nachgebildete Neptunium-Serie.

Anhand der Menge an Helium, die in einem Gestein oder Mineral eingeschlossen ist, kann man dessen absolutes Alter beurteilen. Diese Messungen basieren auf den Gesetzen des radioaktiven Zerfalls: Beispielsweise wird die Hälfte von Uran-238 umgewandelt Helium und führen.

Helium sammelt sich langsam in der Erdkruste an. Eine Tonne Granit mit 2 g Uran und 10 g Thorium produziert über eine Million Jahre nur 0,09 mg Helium – ein halber Kubikzentimeter. Die sehr wenigen uran- und thoriumreichen Mineralien haben einen relativ hohen Heliumgehalt – mehrere Kubikzentimeter Helium pro Gramm. Allerdings liegt der Anteil dieser Mineralien an der natürlichen Heliumproduktion nahe bei Null, da sie sehr selten sind.

Auf der Erde gibt es wenig Helium: 1 m 3 Luft enthält nur 5,24 cm 3 Helium und jedes Kilogramm Erdmaterial enthält 0,003 mg Helium. Aber was die Verbreitung im Universum angeht, steht Helium nach Wasserstoff an zweiter Stelle: Helium macht etwa 23 % der kosmischen Masse aus. Ungefähr die Hälfte des gesamten Heliums ist in der Erdkruste konzentriert, hauptsächlich in ihrer Granithülle, die die Hauptreserven an radioaktiven Elementen angesammelt hat. Der Heliumgehalt in der Erdkruste ist gering – 3 x 10 -7 Massen-%. Helium reichert sich in freien Gasansammlungen im Untergrund und in Ölen an; Solche Vorkommen erreichen industrielle Ausmaße. Maximale Heliumkonzentrationen (10–13 %) wurden in freien Gasansammlungen und Gasen von Uranbergwerken sowie (20–25 %) in spontan aus dem Grundwasser freigesetzten Gasen gefunden. Je älter gasführende Sedimentgesteine ​​sind und je höher der Gehalt an radioaktiven Elementen darin ist, desto mehr Helium ist in der Zusammensetzung von Erdgasen enthalten.

Heliumextraktion

Helium wird im industriellen Maßstab aus Erd- und Erdölgasen mit sowohl Kohlenwasserstoff- als auch Stickstoffzusammensetzung hergestellt. Basierend auf der Qualität der Rohstoffe werden Heliumvorkommen in folgende Kategorien eingeteilt: reichhaltig (He-Gehalt > 0,5 Vol.-%); normal (0,10-0,50) und schlecht< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Die weltweiten Heliumreserven belaufen sich auf 45,6 Milliarden Kubikmeter. Große Vorkommen befinden sich in den Vereinigten Staaten (45 % der Weltressourcen), gefolgt von Russland (32 %), Algerien (7 %), Kanada (7 %) und China (4 %).
Auch bei der Heliumproduktion sind die USA führend (140 Millionen Kubikmeter pro Jahr), gefolgt von Algerien (16 Millionen).

Russland liegt mit 6 Millionen Kubikmetern pro Jahr weltweit an dritter Stelle. Das Heliumwerk Orenburg ist derzeit die einzige inländische Quelle der Heliumproduktion, und die Gasproduktion ist rückläufig. Von besonderer Bedeutung sind in diesem Zusammenhang Gasfelder in Ostsibirien und im Fernen Osten mit hohen Heliumkonzentrationen (bis zu 0,6 %). Einer der vielversprechendsten ist Kovykta ha ist ein Kondensatfeld im Norden der Region Irkutsk. Experten zufolge enthält es etwa 25 % der Weltbevölkerung x Heliumreserven.

Indikatorname	Helium (Klasse A) (gemäß TU 51-940-80)	Helium (Klasse B) (gemäß TU 51-940-80)	Hochreines Helium, Güteklasse 5,5 (gemäß TU 0271-001-45905715-02)	Hochreines Helium, Güteklasse 6,0 (gemäß TU 0271-001-45905715-02)
Helium, nicht weniger
Stickstoff, nicht mehr
Sauerstoff + Argon
Neon, mehr nicht
Wasserdampf, mehr nicht
Kohlenwasserstoffe, nicht mehr
CO2 + CO, nicht mehr
Wasserstoff, nicht mehr

Sicherheit

– Helium ist nicht giftig, nicht brennbar, nicht explosiv
– Helium darf an allen überfüllten Orten verwendet werden: bei Konzerten, Werbeveranstaltungen, Stadien, Geschäften.
– Heliumgas ist physiologisch inert und stellt keine Gefahr für den Menschen dar.
– Helium ist nicht gefährlich für die Umwelt, daher ist eine Neutralisierung, Wiederverwertung und Entsorgung seiner Rückstände in Flaschen nicht erforderlich.
– Helium ist viel leichter als Luft und löst sich in den oberen Schichten der Erdatmosphäre auf.

Helium (Klassen A und B gemäß TU 51-940-80)
Technischer Name	Helium-Gas
Chemische Formel
OON-Nummer
Transportgefahrenklasse
Physikalische Eigenschaften
Körperlicher Status	Unter normalen Bedingungen - Gas
Dichte, kg/m³	Unter normalen Bedingungen (101,3 kPa, 20 °C) 1627
Siedepunkt, C bei 101,3 kPa
Temperatur des 3. Punktes und sein Gleichgewichtsdruck C, (mPa)
Löslichkeit in Wasser	unbedeutend
Brand- und Explosionsgefahr	feuer- und explosionsgeschützt
Stabilität und Reaktivität
Stabilität	Stabil
Reaktivität	Inertgas
Gefahr für den Menschen
Giftige Wirkung	Ungiftig
Gefahr für die Umwelt	Hat keine schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt
Einrichtungen	Es gelten alle Mittel

Lagerung und Transport von Helium

Heliumgas kann mit allen Verkehrsträgern gemäß den Regeln für den Gütertransport auf einem bestimmten Verkehrsträger transportiert werden. Der Transport erfolgt in speziellen braunen Stahlflaschen und -behältern für den Heliumtransport. Flüssiges Helium wird in Transportgefäßen wie STG-40, STG-10 und STG-25 mit einem Volumen von 40, 10 und 25 Litern transportiert.

Regeln für den Transport von Flaschen mit technischen Gasen

Der Transport gefährlicher Güter in der Russischen Föderation wird durch folgende Dokumente geregelt:

1. „Vorschriften für die Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (geändert durch Verordnungen des Verkehrsministeriums der Russischen Föderation vom 11. Juni 1999 Nr. 37, vom 14. Oktober 1999 Nr. 77; registriert beim Ministerium für Richter der Russischen Föderation am 18. Dezember 1995, Registrierungsnummer 997).

2. „Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (ADR), dem Russland am 28. April 1994 offiziell beigetreten ist (Regierungserlass Nr. 76 der RF vom 02.03.1994).

3. „Straßenverkehrsordnung“ (Verkehrsordnung 2006), nämlich Artikel 23.5, der festlegt, dass „die Beförderung ... gefährlicher Güter ... nach besonderen Vorschriften erfolgt.“

4. „Kodex der Russischen Föderation über Ordnungswidrigkeiten“, Artikel 12.21 Teil 2, der die Haftung für Verstöße gegen die Vorschriften für die Beförderung gefährlicher Güter in Form einer „Verwaltungsstrafe für Fahrer in Höhe des Ein- bis Dreifachen“ vorsieht Mindestlohn oder Entzug der Fahrerlaubnis für einen Zeitraum von ein bis drei Monaten; für Transportbeamte das Zehn- bis Zwanzigfache des Mindestlohns.“

Gemäß Abschnitt 3, Abschnitt 1.2: „Die Vorschriften gelten nicht für ... den Transport einer begrenzten Menge gefährlicher Stoffe in einem Fahrzeug, dessen Transport als Transport ungefährlicher Fracht angesehen werden kann.“ Darin heißt es auch: „Eine begrenzte Menge gefährlicher Güter wird in den Anforderungen für den sicheren Transport einer bestimmten Art gefährlicher Güter festgelegt. Bei der Festlegung können die Anforderungen des Europäischen Übereinkommens über die internationale Beförderung gefährlicher Güter herangezogen werden.“ (ADR).“ Die Frage nach der Höchstmenge an Stoffen, die als ungefährliche Güter transportiert werden dürfen, hängt daher von der Untersuchung des Abschnitts 1.1.3 des ADR ab, der Ausnahmen von den europäischen Vorschriften für die Beförderung gefährlicher Güter im Zusammenhang mit verschiedenen Umständen festlegt.

So heißt es beispielsweise gemäß Absatz 1.1.3.1 „Die Bestimmungen des ADR gelten nicht ... für die Beförderung gefährlicher Güter durch Privatpersonen, wenn diese Güter für den Einzelhandelsverkauf verpackt sind und für den persönlichen Verbrauch, den Haushalt, bestimmt sind.“ Nutzung, Freizeit oder Sport, sofern Maßnahmen getroffen wurden, um ein Austreten des Inhalts unter normalen Beförderungsbedingungen zu verhindern.“

Eine Gruppe von Ausnahmen, die in den Vorschriften für die Beförderung gefährlicher Güter offiziell anerkannt sind, sind jedoch Ausnahmen im Zusammenhang mit Mengen, die in einer Beförderungseinheit befördert werden (Abschnitt 1.1.3.6).

Alle Gase werden nach der ADR-Klassifizierung in die zweite Stoffklasse eingeordnet. Nicht brennbare, ungiftige Gase (Gruppen A – neutral und O – oxidierend) gehören zur dritten Transportkategorie, wobei die Höchstmenge auf 1000 Einheiten begrenzt ist. Hochentzündlich (Gruppe F) – auf die Sekunde genau, die maximale Menge ist auf 333 Einheiten begrenzt. Mit „Einheit“ meinen wir hier 1 Liter des Fassungsvermögens des Behälters, der das komprimierte Gas enthält, oder 1 kg verflüssigtes oder gelöstes Gas. Daher ist die maximale Menge an Gasen, die in einer Transporteinheit als ungefährliche Ladung befördert werden darf, wie folgt: