Helium

Helium on alkuaine, joka on väritön ja hajuton jalokaasu. Se on tunnetun maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine vedyn jälkeen, ja sitä on maailman­kaikkeuden tunnetusta massasta noin neljäs­osa. Sen kemiallinen merkki on He () ja järjestysluku 2.
Heliumilla ei ole tunnettuja stabiileja yhdisteitä ja se esiintyy luonnossa aina yksiatomisena. Heliumilla on kaikista alkuaineista alhaisin kiehumispiste (−268,9 °C), joten se on normaaleissa olosuhteissa kaasu. Helium esiintyy kiinteässä olomuodossa vain erittäin korkeassa paineessa ja matalassa lämpötilassa. Heliumkaasua käytetään esimerkiksi hitsauksessa, jäähdytyksessä ja rakettitekniikassa. Heliumia käytetään myös nostekaasuna esimerkiksi säähavaintopalloissa, ilmalaivoissa ja ilmapalloissa, koska se on kevyempää kuin ilma. Nestemäistä heliumia käytetään erityisesti suprajohteiden jäähdyttämiseen.
Heliumin löysivät 1868 tähtitieteilijät Pierre Janssen ja Joseph Lockyer sekä kemisti Edward Frankland tutkiessaan Auringon spektriä.
Ominaisuudet.
Fysikaaliset ominaisuudet.
Helium on väritön ja hajuton kaasu. Koska heliumin moolimassa on suhteellisen pieni, sen lämmönjohtavuus, ominaislämpö ja äänen nopeus ovat suurempia kuin muilla kaasuilla, paitsi vedyllä. Helium jähmettyy korkeassa paineessa ja matalassa lämpötilassa (noin 1–1,5 K). Kiinteä helium on väritöntä, lähes näkymätöntä ja erittäin kokoonpuristuvaa. Helium pystyy myös läpäisemään monia aineita diffuusion avulla. Koska helium on hyvin kevyttä, se karkaa avaruuteen maan ilmakehästä.
Heliumin kiehumispiste on alhaisin kaikista alkuaineista (−268,9 °C). Helium on myös ainoa alkuaine, joka ei kiinteydy absoluuttisen nollapisteen lähellä normaalissa paineessa. Riittävän suuren paineen alaisena sen jähmettymispiste on −272,2 °C. Kiinteä helium on yksi pehmeimmistä ja kokoonpuristuvimmista kiinteistä aineista.
Isotoopit.
Heliumilla on tunnettuja isotooppeja, joiden massaluvut ovat 3–10. Näistä vain isotoopit 3He ja 4He ovat stabiileja. Ylivoimaisesti yleisin on isotooppi 4He, jonka ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia. 4He-ytimiä syntyy myös raskaiden ydinten alfa­hajoamisessa.
3He, heliumin toinen ei-radioaktiivinen isotooppi, on mahdollinen ratkaisu maailman energiapulaan, jos fuusioreaktio kyetään ottamaan hyötykäyttöön. Robert Coleman Richardson sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1996 3He-isotooppia koskevista tutkimuksista. Lähimmät 3He-varannot sijaitsevat Kuussa.
Kemialliset ominaisuudet.
Helium kuuluu jalokaasuihin. Helium on kaikista alkuaineista kemiallisesti passiivisin, ja se on lähes kaikissa olosuhteissa atomaarinen ja reagoimaton. Molekulaarista heliumia esiintyy vain heikkona yhdisteenä ja lähellä absoluuttista nollapistettä. Heliumin liukoisuus veteen on pienin kaikista tunnetuista kaasuista. Heliumin Joulen ja Thomsonin ilmiön arvo on negatiivinen, eli helium lämpenee, kun se laajenee.
Helium voi muodostaa epästabiileja yhdisteitä volframin, jodin, fluorin, rikin ja fosforin kanssa, jos helium ensin ionisoidaan, jolloin sitä pommitetaan elektronien avulla, tai se on plasman muodossa. Näin on muodostettu muun muassa HeNe-, HgHe10- ja WHe2-molekyylit sekä He+-, He22+-, HeH+- ja HeD+-ionit sekä myös neutraali He2-molekyyli. Ainoa aikaansaatu stabiili heliumyhdiste on molekyyli, jossa heliumatomi on sitoutunut fullereenipallon sisälle. Lisäksi eräiden yhdisteiden arvellaan olevan laskennallisesti mahdollisia, mutta niitä ei ole vielä pystytty valmistamaan. Tällaisia ovat muun muassa HHeF ja HeBeO.
Myrkyllisyys ja vaikutus ihmiseen.
Äänen nopeus heliumissa on kolme kertaa niin suuri kuin ilmassa. Helium ei nosta äänen korkeutta, vaan äänihuulten resonanssitaajuutta, jolloin tuotetun puheen spektri nousee. Helium on myrkytöntä, mutta suurina määrinä syrjäyttää hapen verestä. Helium voi aiheuttaa ilmarinnan. Keuhkoihin imetty helium ei myöskään toimi hengitysrefleksin aiheuttajana siten kuin esimerkiksi hiilidioksidi.
Tutkimuksen historia.
Helium on siitä poikkeuksellinen alkuaine, että se löydettiin alun perin maapallon ulkopuolelta, kun tähtitieteilijät Pierre Janssen ja Joseph Lockyer sekä kemisti Edward Frankland vuonna 1868 havaitsivat Auringon spektrissä siihen saakka tuntemattoman alkuaineen spektriviivan. Viiva näkyi vain täydellisen auringonpimennyksen aikana, ja sen aallonpituus oli 587,49 nm. Viiva nimettiin D3:ksi, sillä D2 ja D1 ovat natriumin viivoja. Heliumin nimi tulee kreikan Aurinkoa tarkoittavasta sanasta "helios". Helium oli ensimmäinen ennen avaruudesta kuin maasta löytynyt alkuaine. Heliumin ium-pääte viittaa siihen, että löytäjät epäilivät löytäneensä metallin eikä kaasua. Kun muut jalokaasut myöhemmin löydettiin, ne saivat "-on"-päätteiset nimet.
Ensimmäisen kerran heliumia löydettiin maasta 1895, kun William Ramsay käsitteli kleveiittiä typpihapolla ja erotti syntyvästä kaasusta typen ja hapen. Hän oletti löytävänsä argonia, mutta analysoituaan kaasun spektrin, hän huomasi siinä spektriviivan, joka täsmälleen vastasi auringosta otetun spektrin D3 viivaa. Samana vuonna Per Teodor Cleve ja Abraham Langlet eristivät heliumia niin paljon, että saivat määritettyä sen atomipainon.
Vuonna 1907 Ernest Rutherford ja Thomas Royds osoittivat, että alfahiukkaset ovat heliumytimiä. Vuonna 1908 hollantilainen kemisti Heike Kamerlingh Onnes jäähdytti heliumia alle 1 kelvinin lämpö­tilaan, jolloin se muuttui nestemäiseksi. Hän yritti myös saada heliumin jähmettymään laskemalla lämpötilaa edelleen, mutta yritys epäonnistui. Ensimmäisen kerran kiinteää heliumia muodosti Willem Hendrik Keesom, joka nosti heliumkaasun paineen noin 25 ilmakehän paineeseen. Vuonna 1938 venäläinen Pjotr Kapitsa huomasi, että helium-4 muuttui supranesteeksi lähellä absoluuttista nollapistettä. Yhdysvaltalaiset fyysikot Douglas Dean Osheroff, David Morris Lee ja Robert Coleman Richardson huomasivat saman ilmiön helium-3:lla vuonna 1972. Yhdysvaltalaiset saivat tutkimuksestaan Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1996.
Ensimmäisen maailmansodan aikana Yhdysvallat tuotti noin 5 700 m3 heliumia, josta osa käytettiin maailman ensimmäiseen heliumkäyttöiseen ilmalaivaan US Navy's C-7:hen. Vuonna 1925 Yhdysvallat perusti Texasiin heliumvaraston sekä aseellista että siviilikäyttöä varten.
Esiintyminen.
Helium on tunnetun maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine vedyn jälkeen, ja sitä on maailman­kaikkeuden tunnetusta massasta noin neljäs­osa (23 %). Heliumia syntyy tähdissä vetyatomien fuusioituessa. Nykyisen alkuräjähdysteorian mukaan suurin osa heliumista on kuitenkin syntynyt jo 1–3 minuutin kuluessa alkuräjähdyksestä.
Maan ilmakehässä heliumia on 5 ppm, joka vastaa noin 0,0005 tilavuusprosenttia. Pieni määrä selittyy sillä, että helium karkaa avaruuteen keveytensä takia. Lähes kaikki Maassa esiintyvä helium on syntynyt raskaiden alkuaineiden, kuten uraanin ja toriumin radio­aktiivisessa hajoamisessa. Alfahajoamisessa syntyy 4He-ydin, joka saatuaan ympärilleen kaksi elektronia muuttuu neutraaliksi heliumatomiksi.
Tuottaminen.
Suurin osa ihmisen käyttöön tuotetusta heliumista on peräisin maakaasusta, josta sitä erotetaan teollisesti. Eniten sitä tuotetaan Yhdys­valloissa (84 %) ja Algeriassa (10 %). Muita tuottajia ovat Kanada, Kiina, Puola, Qatar ja Venäjä. Kaikkiaan heliumia tuotettiin vuonna 1984 noin 150 miljoonaa kuutiometriä. Koska heliumilla on erittäin matala kiehumispiste, maakaasun (metaani ja typpi) muut kaasut voidaan nesteyttää. Saadusta kaasuseoksesta helium voidaan erottaa aktiivihiilellä, joka sitoo muut kaasut itseensä. Tuotteena syntyy 99,995 % heliumia. Heliumia voidaan myös puhdistaa puoliläpäisevien kalvojen avulla, sillä helium ei reagoi muiden aineiden kanssa. Helium voi tällöin diffuusion avulla mennä erittäin pienenkin aukon läpi toisin kuin muut kaasut.
Heliumia voidaan tuottaa myös pommittamalla litium- ja booriatomeja erittäin nopeilla protoneilla, mutta tämä tuotantotapa ei ole taloudellisesti kannattava.
Vuonna 2015 arvioituna Maassa käytettävissä olevien heliumvarojen saatavuuskriisi tulee 2040-luvulla. Heliumia on varastoitu Texasin Amarillossa olevaan entiseen kaivokseen noin miljardi kuutiometriä.
Käyttö.
Helium, joka on ilmaa kevyempi, soveltuu käytettäväksi ilmalaivoissa, sääpalloissa ja ilmapalloissa. Se ei ole lainkaan räjähdysherkkää, toisin kuin vety, ja siitä syystä se on turvallisempi. Heliumin aiheuttama noste on noin 93 % vedyn aiheuttamasta nosteesta.
Alhaisen kiehumislämpötilansa vuoksi nestehelium on erittäin hyödyllinen aine alhaisten lämpö­tilojen tutkimuksessa, koska tutkittava näyte saadaan riittävän kylmäksi yksinkertaisesti saattamalla se kosketuksiin nesteheliumin kanssa. Nesteheliumin tärkeä käyttöalue on myös suprajohtavien magneettien jäähdytys −269 celsius­asteeseen magneettikuvauslaitteissa ja hiukkaskiihdyttimissä. Korkean lämmönjohtavuutensa ja keveytensä ansiosta heliumia voidaan käyttää ydinvoimaloiden jäähdytyksessä. Kryogeniikka on tärkein yksittäinen heliumin käyttökohde ja vuonna 2003 28 % tuotetusta heliumista käytettiin tähän tarkoitukseen.
Heliumia voidaan käyttää metallien suojakaasuna esimerkiksi TIG-hitsauksessa, jos metallit reagoivat herkästi ilman hapen kanssa. Heliumia saa käyttää myös elintarvikkeiden pakkauskaasuna (E-koodi 939).
Helium on tyypillisin kantokaasu kaasu-, kaasu-neste- ja kaasu-kiinteäkromatografiamenetelmissä. Heliumin etuna on, että sen alhaisen atomimassan vuoksi sen ominaisuudet poikkeavat huomattavasti analyyttien ominaisuuksista. Lisäksi se on reagoimatonta, eikä absorboidu kolonnien täytemateriaaleihin. Heliumin matalan tiheyden vuoksi myös painehäviö on pieni.
Heliumia voidaan käyttää myös lasereissa neonin kanssa seoksena. Heliumia on käytetty myös raketeissa viilentämään polttoainevetyä, paineistamaan polttoainetta sekä laukaisuissa.
Heliumia tarvitaan myös ydinvoimaloissa merkittäviä määriä käytetyn uraanipolttoaineen säilytykseen, näin estetään säiliön korroosio.
Heliumin ja hapen tai tavallisen ilman seosta käytetään hengityslaitteissa hyvin syvälle sukellettaessa. Heliumin ja hapen seokseen voidaan lisätä myös typpeä (Trimix) tai vetyä (Hydreliox). Helium on myrkytöntä eikä liukene vereen, mutta voisi silti teoriassa aiheuttaa tukehtumisen, jos se syrjäyttää hapen keuhkoista. Heliumin käyttö ehkäisee typpinarkoosia sekä happimyrkytystä.