Helium

He ↓ Ne Vodík ← Helium • 1s2 3,4 He 2 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ↓Periodická tabulka prvků↓
Obecné
Název (lat.), značka, číslo	Helium (Helium), He , 2
Registrační číslo CAS	7440-59-7
Umístění v PSP	18 skupina, 1. perioda, blok s
Char. skupina	Vzácné plyny
Hmotnostní zlomek v zem. kůře	0,003 až 0,008 ppm
Konc. v mořské vodě	0,000 006 9 mg/l
Počet přírodních izotopů	2
Vzhled	bezbarvý plyn
[[Soubor:|255px|]]
Atomové vlastnosti
Rel. at. hmotnost	4,002602 u
Atomový poloměr	31 pm
Kovalentní poloměr	28 pm
van der Waalsův poloměr	140 pm
Elektronová konfigurace	1s2
Elektronů v hladinách	2
Oxidační číslo	0
Fyzikální vlastnosti
Skupenství	Plynné
Krystalová struktura	Šesterečná
Hustota	0,179 kg/m3
Kritická hustota	{{{kritická hustota}}} g cm-3
Tvrdost	(Mohsova stupnice)
Magnetické chování	Diamagnetický
Měrná magnetická susceptibilita	{{{magnetická susceptibilita}}}
Teplota tání	−272,2 °C (0,95 K)
Teplota varu	−268,93 °C (4,22 K)
Kritická teplota	{{{kritická teplota c}}} °C ({{{kritická teplota k}}} K)
Teplota trojného bodu	{{{teplota trojného bodu c}}} °C ({{{teplota trojného bodu k}}} K)
Teplota přechodu do supravodivého stavu	{{{teplota supravodivosti}}}
Teplota změny krystalové modifikace	{{{teplota změny modifikace}}}
Tlak trojného bodu	{{{tlak trojného bodu}}} kPa
Kritický tlak	{{{kritický tlak}}} kPa
Molární objem	{{{molární objem}}} · 10−6 m3/mol
Dynamický viskozitní koeficient	{{{dynamický viskozitní koef.}}}
Kinematický viskozitní koeficient	{{{kinematický viskozitní koef.}}}
Tlak nasycené páry	{{{tlak nasycené páry}}}
Rychlost zvuku	972 m/s
Index lomu	{{{index lomu}}}
Relativní permitivita	{{{relativní permitivita}}}
Elektrická vodivost	S·m-1
Měrný elektrický odpor	10-8Ω m
Teplotní součinitel el. odporu	{{{součinitel elektrického odporu}}}
Tepelná vodivost	0,1513 W·m−1·K−1
Povrchové napětí	{{{povrchové napětí}}}
Termodynamické vlastnosti
Skupenské teplo tání	0,0138 kJ/mol
Specifické teplo tání	{{{spec. teplo tání}}}
Skupenské teplo varu	0,0829 kJ/mol
Specifické teplo varu	{{{spec. teplo varu}}}
Molární atomizační entalpie	{{{molární atomizační entalpie}}}
Entalpie fázové přeměny modifikace	{{{entalpie fázové přeměny modifikace}}}
absolutní entropie	{{{absolutní entropie}}}
Měrná tepelná kapacita	20,786 Jmol-1K-1 5193 Jkg-1K-1
Molární tepelná kapacita	{{{molární tepelná kapacita}}}
Spalné teplo na m³	{{{spalné teplo na m3}}}
Spalné teplo na kg	{{{spalné teplo na kg}}}
Různé
Van der Waalsovy konstanty	{{{van der Waalsovy konstanty}}}
Teplotní součinitel délkové roztažnosti	{{{součinitel délkové roztažnosti}}}
Redoxní potenciál	V
Elektronegativita	4,5 (Paulingova stupnice)
Ionizační energie	1: 2372,3 kJ/mol 2: 5250,5 kJ/mol
Iontový poloměr	93 pm
Izotopy
izo výskyt t1/2 rozpad en. MeV prod. 3He 0,000137% je stabilní s 1 neutrony 4He 99.999863% je stabilní s 2 neutrony
Bezpečnost
R-věty
S-věty	S9,S23
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP.

Helium, chemická značka He, (lat. Helium) je plynný chemický prvek, patřící mezi inertní plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. V přírodě se vyskytuje jako izotop ⁴helium (se čtyřmi nukleony) a ve stopovém množství i izotop ³helium (se třemi nukleony).

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Výbojka helia

Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní – helium vytváří pouze jednu chemickou sloučeninu a to s fullereny. Ve vodě je velmi málo rozpustné 8,8 ml He v 1000 ml vody.^[zdroj?]

Helium a i ostatní vzácné plyny mají malé elektrické průrazné napětí, snadno se ionizují a dobře vedou elektrický proud. Toho se využívá při výrobě výbojek. Helium září intenzivně žlutě.

Helium je jediná látka, která při nízkých teplotách a normálním tlaku zůstává kapalná až k teplotě absolutní nuly. Pevné helium lze získat pouze za zvýšeného tlaku. Helium má také ze všech známých látek nejnižší bod varu.

Kapalné helium je látka, která vyniká velkým množstvím zajímavých vlastností. Je supratekuté, to znamená, že dokáže bez tření protékat libovolnými předměty a téct bez tření po libovolných předmětech. Tepelná vodivost helia je tři milionkrát větší než u mědi při pokojové teplotě.

Historický vývoj

Samotný objev helia byl učiněn zkoumáním spektra sluneční korony, kdy v roce 1868 při zatmění Slunce francouzský astronom Pierre Janssen objevil neznámé žluté spektrální linie, které byly přiřazeny doposud neznámému prvku, pojmenovaném po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. Teprve v roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi.

Výskyt v přírodě

Helium je na Zemi přítomno jen velmi vzácně. V zemské atmosféře se vyskytuje jen ve vyšších vrstvách a díky své mimořádně nízké hmotnosti postupně z atmosféry vyprchává do meziplanetárního prostoru. V atmosféře Země (do výšky 200 km) tvoří 0,000524 objemových procent (tj. 5,24 ppm).

Poprvé bylo helium izolováno z minerálu smolince. V menším množství až 9 % se nachází v zemním plynu, z něhož se také získává vymrazováním. Vzácně vyvěrá helium i trhlinami v zemi, nejznámější oblasti těchto vývěrů leží ve Skalistých horách v USA a v Kanadě. Předpokládá se, že veškeré toto helium je produktem jaderného rozpadu prvků v zemské kůře (alfa částice jsou jádry atomů helia).

Ve vesmírném měřítku je helium druhým nejvíce zastoupeným prvkem. Vyskytuje se především ve všech svítících hvězdách, kde je jedním z mezistupňů termonukleární syntézy, jež je podle současných teorií základním energetickým zdrojem ve Vesmíru. Tvoří přibližně 25 % hmoty okolního pozorovatelného Vesmíru.

Helium se vyskytuje v atmosféře plynných obrů, kde se jeho objemová koncentrace pohybuje mezi 3 a 19%, a po vodíku nejrozšířenější prvek v atmosféře. Z kamenných planet se vyskytuje zejména na Merkuru, a rovněž se vyskytuje na Měsíci.

Získávání

Vzducholoď plněná heliem

He@C60

• Od roku 1917 se v Severní Americe získává helium z ložisek zemního plynu. Od methanu a ostatních plynů se odděluje frakční destilací.
• Další možnost je zahřívat minerály, ve kterých se helium vyskytuje, teplotou okolo 1 200 °C. K takovým minerálům patří cleveit, monazit a thorianit. Plyny, které se uvolňují z minerálů, je nutno od sebe oddělit, aby bylo možno získat čisté helium.

Využití

Nákres chování helia II – tzv. supratekutý film, který tekuté helium vytváří na každém povrchu

Nákres chování helia v závislosti na teplotě a tlaku

Vzhledem ke své extrémně nízké hustotě a inertnímu chování se helium používá k plnění balónů (balónek díky Heliu vyletí ke stropu) a vzducholodí jako náhrada hořlavého vodíku. Značnou nevýhodou je zde ovšem jeho poměrně vysoká cena. Navíc má atom helia velmi malý průměr, snadno difunduje skrze pevné materiály a dochází tak ke ztrátám.

Směsí helia, kyslíku a dusíku se plní tlakové láhve s dýchací směsí, určenou pro potápění do velkých hloubek. Na rozdíl od dusíku totiž ani pod velkým tlakem nezpůsobuje tzv. hloubkové opojení, takže potápěč je schopen pracovat ve velkých hloubkách i přes 300 metrů. Zároveň omezuje vznik otravy kyslíkem a současně zmenšuje riziko kesonové nemoci, která vzniká při rychlém výstupu potápěče na hladinu uvolněním bublinek plynného dusíku v krvi s možností mechanického poškození různých tkání.

Helium se také používá jako nosný plyn pro kapilární plynovou chromatografii s hmotově spektrometrickou detekcí. Další aplikací v oboru analytické chemie je rentgenová fluorescence, kde tvoří ochrannou atmosféru mezi zdrojem záření a vzorkem a zabraňuje tak pohlcování fotonů rentgenového záření argonem ze vzduchu.

Mimořádně nízká teplota varu předurčuje kapalné helium jako jedno ze základních médií pro kryogenní techniky, především pro výzkum i praktické využití supravodivosti a supratekutosti různých materiálů.

Helium se ve směsi s neonem používá k plnění reklamních osvětlovačů, obloukových lamp a doutnavek. Helium má intenzivně žlutou barvu.

Nízká viskozita je důvodem pro použití hélia ve stirlingově motoru.

Helium má uplatnění v hodinářském průmyslu v hodinkách pro hlubiné ponory, vyrovnávajících tlak pomocí heliového ventilu.

Sloučeniny

He@C₆₀ je jedna ze dvou doposud známých sloučenin hélia (které se také slučuje s Hg). Sférická koule je fulleren a uvnitř v dutině tohoto fullerenu je uzavřen jeden atom helia. Fullereny vznikají kondenzací grafitových par v heliu. Při kondenzaci par ale může dojít k radikálovému mechanismu, jehož výsledkem je tato sloučenina.

Páry grafitu nelze normální cestou získat, protože uhlík má teplotu tání více 3500 °C a teplota varu je ještě o mnoho vyšší (přes 4800 °C). Proto se k přípravě par grafitu využívá laseru.

Supratekutost

S heliem je spojen zajímavý fyzikální úkaz, zvaný supratekutost. Kapalné helium se totiž vyskytuje ve dvou formách – helium I při teplotách 2,1768–4,21 K a helium II při teplotách nižších než 2,1768 K (za normálního tlaku) (tzv. lambda bod).

Mezi heliem I a heliem II neexistuje skupenské teplo, což znamená, že tyto dvě formy helia se nemohou vyskytovat v jedné nádobě současně vedle sebe. Nad lambda teplotou se může vyskytovat pouze helium I a pod lambda teplotou pouze helium II.

Zatímco helium I se chová jako běžné tekutiny, vykazuje helium II velmi neobvyklé vlastnosti. Především nemá tato kapalina prakticky žádné vnitřní tření, a proto teče nesmírně rychle, ale dokonce díky kapilárnímu jevu přetéká stěny nádob, ve kterých je uchováno a vytéká horním koncem do něj ponořené kapiláry (jev zvaný fontánový efekt), což budí zdání, jako by helium II nebylo vůbec ovlivněno gravitací.

Navíc má supratekuté helium největší tepelnou vodivost ze všech doposud známých látek.

Další literatura

• Cotton F. A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9
• ANDRONIKAŠVILI, E. L. Vzpomínky na kapalné hélium. Praha : Mladá Fronta, 1983. Autobiografie.

Související články

• Vodík
• Supravodivost
• Supratekutost
• Inertní plyn

Externí odkazy

• (česky) Helium v encyklopedii plynů na encyclopedia.airliquide.com
• Rozsáhlá publikace o heliu na webu České asociace technických plynů catp.cz (PDF)
• Alchymie 21. století - vědci přinutili helium, aby se chovalo jako vodík, článek na technet.idnes.cz
• Na Jupiteru prší hélium, článek na astro.cz
• Chemický vzdělávací portál
• (anglicky) U.S. Government's Bureau of Land Management: Sources, Refinement, and Shortage. Z historie.
• U.S. Geological Survey publications on helium Helium
• Where is all the helium? *It's Elemental – Helium
• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Helium

---