Heelium (He): omadused, isotoobid, kasutus ja tähtsus universumis

Heelium on keemiline element. Selle keemiline sümbol on He, aatomiarv 2 ja aatommass umbes 4,002602. Heeliumil on 9 isotoopi, millest ainult kaks on stabiilsed. Need on ^3He ja ^4He. ^4He on kaugelt kõige levinum isotoop.

Täiendavalt: heeliumi aatomis on kaks elektroni, mis paiknevad täidetud 1s-omahaldusega (1s2), mistõttu ta on väga keemiliselt inertne. Ülejäänud isotoopid on radioaktiivsed või väga lühikese elueaga ning neid esineb looduses vaid väikeses koguses või tekivad need laboris.

Heeliumi nimetatakse väärisgaasiks, sest see ei segune regulaarselt teiste kemikaalidega ja ei moodusta uusi ühendeid. Sellel on kõigist elementidest kõige madalam keemistemperatuur. Ta on vesiniku järel teine kõige levinum element universumis ning tal ei ole värvi ega lõhna. Elektrivälja sattudes heliumil on siiski punakasoranž helendus. Heelium ei reageeri tavaliselt millegi muuga. Astronoomid avastasid heeliumi olemasolu 1868. aastal, kui selle spekter tuvastati Päikese valguses. See oli enne selle avastamist Maal.

Lisaks ajaloole: 1868. aastal kirjeldasid samas kontekstis spektrijoontesid Jules Janssen ja Joseph Norman Lockyer, ning nimi "heelium" pärineb kreeka sõnast helios (Päike). Maa peal eraldasid heeliumi esimestena William Ramsay ja teised teadlased 1895. aastal, kui uurisid uraanirikkaid mineraale (näiteks cleveiti).

Füüsikalised omadused

• Kehaolek: normaalrõhul on heelium gaasiline. Selle aurustumistemperatuur on väga madal — vedel heelium keeb umbes 4,22 K juures (1 atm).
• Tahkesse olekusse muutumine nõuab tugevat rõhku: heelium ei tahkestu tavalise rõhu juures isegi lähedal absoluutsele nullile ja tahkestamiseks on vaja kõrget rõhku (~25 atm või rohkem).
• Superfluiditeet: vedel ^4He läbib nn lambda-ülemineku ~2,17 K juures ja muutub supervedelikuks — sellel on peaaegu mitteeksisteeriv viskoossus, see suudab voolata läbi väga kitsaste kapillaaride ja moodustab vihmavee-laadseid kihte.
• Kvantaruum: ^4He tuum on boson (paaritud aatomid moodustavad makroskoopilise kvantoleku), ^3He on fermion — selle tõttu on nende kvantkäitumine madalatel temperatuuridel väga erinev.
• Atmosfääriline kontsentratsioon: Maa õhus on heeliumi suhteline kontsentratsioon väga väike (järgu paar parts per million), mistõttu on ta Maal suhteliselt napp ressurss võrreldes universumi üldise rohkele esinemisele.

Isotoobid

Peamised isotoobid on ^4He ja ^3He. ^4He on kõige levinum ja stabiilne — see tekib nii tähtedes tuumasünteesi kui ka radioaktiivse lagunemise käigus (alfa-osakeste kujul). ^3He on haruldasem, esineb primaarsete allikatena nii mõningates gaasiväljadest kui ka kosmiliste protsesside tulemusena; seda kasutatakse madalatel temperatuuridel teadusuuringutes ja neutronidetektorites. Ülejäänud heeliumi isotoobid on väga lühiajalised ja tekivad peamiselt laboritingimustes või radioaktiivse lagunemise kõrvalproduktina.

Kasutus

Heeliumit kasutatakse õhupallide ja õhulaevade täitmiseks, sest selle tihedus on õhust kergem. Ta ei põle, seega on ta selliseks kasutamiseks ohutu. Ta on laialt kasutusel ka muudes valdkondades:

• Vedela heeliumi külmutusainedena madalatel temperatuuridel (näiteks MRI magnetite ja teiste ülijuhtivate magnetite jahutamiseks).
• Laborite ja teadusuuringute jaoks dilatsioonjahutid (dilution refrigerators) ning fundamentaalsete kvantnähtuste uurimine — eriti 3He ja 4He kombineerimisel.
• Hoolduses ja tööstuses inertsena atmosfäärina keevitamisel, gaaside segamisel ja reaktiivsete keskkondade vältimiseks.
• Lekete tuvastamine: heelium on sobiv lekkekaitsega asukohadiagnostikas, kuna ta on kerge ja inertne.
• Sukeldumissegud: sügavásukeldumisel kasutatakse helioksi (helium–hapnik) segusid, et vähendada lämmastiku anesteesiat (narcoosi).
• Elektron- ja pooljuhttehnoloogias ning gaaskromatograafias spetsiifiliste rakenduste jaoks.

Samuti on populaarne inimeste heeliumi sissehingamine, sest see muudab hääle helikõrgust; see on aga nali, mis võib olla ohtlik — liiga suur annus võib põhjustada hüpoksia (õhupuudus) ja tõsiseid tervisekahjustusi ning potentsiaalselt surma. Lisaks võib korraga väga järsk hingamine ja rõhu muutused kahjustada häälepaeltele.

Tootmine ja kättesaadavus

Maailmas saadakse kommertskasutuseks enamasti heelium maagaasist, kus see esineb mõnes gaasiväljas mõne protsendi tasemel; gaas eraldatakse ja puhastatakse fraktsioneeriva destilleerimise teel. Kuna loomulik tee heeliumi tekkele Maa sees (peamiselt uraani ja tooriumi ning uraani, radioaktiivne lagunemine) on aeglane ja piiratud, ei taasta see varusid kiiresti — seepärast räägitakse sageli heeliumi "lõppemisest" ja rõhutatakse taaskasutuse ning ringlussevõtu tähtsust. Ühelt poolt vabaneb heelium atmosfäärist ja tõuseb kerge gaasina kosmosesse, mistõttu kaotused on püsivad.

Tähtsus universumis ja päritolu

Heelium tekib tuumasünteesi käigus tähtedes: neli vesiniku tuuma sulanduvad üheks heeliumi tuumaks. Suures plaanis tekitasid Big Bangi tuumasüntees ja hilisem tähtede tuumareaktsioonide jada suures koguses ^4He, mistõttu heelium moodustab olulise osa universumi massist (lihtsaimate elementide hulgas on heelium tihti teisel kohal). Maal tekib heelium ka raskemate radioaktiivsete elementide loodusliku radioaktiivse lagunemise teel, kuigi need allikad on lokaalset laadi — selliste lagunemiste käigus eralduvad alfa-osakesed koosnevad heelium-4 tuumadest, mis pärast elektronide lisandumist saavad neutraalseteks heeliumi aatomiteks.

Ohutus ja keskkonnamõjud

• Isiklik ohutus: heelium on keemiliselt mitteaktiivne ega mürgine, kuid gaasilise heeliumi sissehingamine suures koguses võib viia hapnikupuuduseni ja tekitada teadvusekaotuse. Seetõttu ei tohi kasutada suletud ruumides ega suurtes kogustes ilma sobiva ventilatsioonita.
• Keskkond: kuigi heelium ei ole saasteaine, on tema globaalsele varule oluline mõju selle kadu atmosfääri väljavoolu ja kosmosesse. Seetõttu on tähtis säilitada, taaskasutada ja majanduslikult kasutada saadud varusid.

Kokkuvõttes on heelium erakordselt huvitav element: universumi vaatevinklist väga levinud ja tähtede siseprotsesside oluline produkt, kuid Maal suhteliselt napp ja väärtuslik materjal, millel on kriitilised rakendused teaduses, meditsiinis ja tööstuses.

Küsimused ja vastused

K: Mis on heeliumi keemiline sümbol?

K: Mitu heeliumi isotoopi on olemas?

K: Mis teeb heeliumist väärisgaasi?

K: Mis värvi ja lõhnaga on heelium?

K: Millal avastasid astronoomid esimest korda heeliumi olemasolu?

K: Millised on heeliumi kasutusalad Maal?

K: Kuidas tekib heelium looduslikult Maal?

Otsing