Hel (pierwiastek)

Hel (He, ) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 2, z grupy helowców (gazów szlachetnych) w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach.

Hel stanowi ok. 23% masy wszystkich pierwiastków we Wszechświecie i na Słońcu. W skorupie ziemskiej jego zawartość wynosi 5,5 ppb (5,5%) w/w, natomiast w atmosferze – 5 ppm (5%) 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 –  i . Znanych jest także kilka syntetycznych izotopów nietrwałych (T½ poniżej 1 sekundy), z których najbardziej stabilne są  i .

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  oraz . 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 atm). Tworzy kryształy o strukturze fluorytu.

Nie ma żadnego znaczenia biologicznego.

Odkrycie helu 
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 stały 
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”).

Zastosowania helu 
 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). 
 
 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  może zostać wykorzystany w kontrolowanej reakcji termojądrowej z deuterem do uzyskiwania energii bez powstawania niepożądanych odpadów promieniotwórczych. Na Ziemi  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.

Otrzymywanie helu 
 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.

Zobacz też 
 ciekły hel

Uwagi

Przypisy 

 
Gazy szlachetne