Helij

Helij,  ₂He

Helij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Helij, He, 2
Serija	Plemeniti gasovi
Grupa, Perioda, Blok	18, 1, s
Izgled	bezbojni gas
Zastupljenost	4 · 10−7 %
Atomske osobine
Atomska masa	4,002602 u
Atomski radijus (izračunat)	128 () pm
Kovalentni radijus	28 pm
Van der Waalsov radijus	140 pm
Elektronska konfiguracija	1s2
Broj elektrona u energetskom nivou	2
1. energija ionizacije	2372,3 kJ/mol
2. energija ionizacije	5250,5 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	plinovito
Kristalna struktura	heksagonalna
Gustoća	0,1786 kg/m3
Magnetizam	dijamagnetičan (${\displaystyle \chi _{m}}$ = −1,1 · 10−9)[1]
Tačka topljenja	0,95 K (−272,2 °C)
Tačka ključanja	4,22 K (−268,93 °C)
Molarni volumen	22,4 · 10−3 m3/mol
Toplota isparavanja	0,0829 kJ/mol
Toplota topljenja	0,0138 kJ/mol
Pritisak pare	100 k Pa pri 4,21 K
Brzina zvuka	972 m/s pri 273,15 K
Specifična toplota	5193 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	0 S/m
Toplotna provodljivost	0,1513 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	0
Oksid	nema
Elektrodni potencijal	-
Elektronegativnost	- (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 3He 0,000137 % Stabilan 4He 99,999863 % Stabilan 5He sin 7 · 10−24 s n 0,60 4He 6He sin 806,7 ms β− 3,508 6Li 7He sin 2,9 · 10−21 s n 0,60 6He 8He sin 119 ms β− + n 7Li 9He sin 7 · 10−21 s n 8He 10He sin 2,7 · 10−21 s n 9He
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Simbol nepoznat
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: ? S: 9-23[2]
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Helij (latinski: helium) jest hemijski element sa simbolom He i atomskim brojem 2. On je bezbojni, neotrovni monoatomski gas, bez ukusa i mirisa. Spada u plemenite gasove. Njegova tačka topljenja i ključanja su najniže među svim hemijskim elementima, a u prirodi postoji isključivo kao gas, dok pod ekstremnim uslovima temperature i pritiska može se prevesti u tečno stanje. On je drugi hemijski element po lahkoći, odmah poslije vodika, te drugi po rasprostranjenosti u svemiru, čineći oko 24% ukupne elementarne mase, odnosno više od 12 puta veću masu nego svi teži elementi zajedno.

Njegova rasprostranjenost je sličnih vrijednosti i na Suncu i Jupiteru. To je iz razloga visoke nuklearne vezujuće energe helija ⁴ He (po nukleonu) u odnosu na sljedeća tri elementa nakon helija. Ova vezujuća energija helija ⁴He je razlog zašto je on proizvod i nuklearne fuzije i radioaktivnog raspada. Najveći dio helija u svemiru je upravo izotop ⁴He, a vjeruje se da je nastao tokom Velikog praska. Velike količine novog helija se stvaraju nuklearnom fuzijom vodika u zvijezdama.

Helij je dobio ime po grčkom božanstvu Helios koje je predstavljalo Sunce. Prvi put je zapažen proučavanjem nepoznate žute spektralne linije u sunčevoj svjetlosti tokom pomračenja Sunca 1868. godine koje je primijetio francuski astronom Jules Janssen. Janssen zajedno sa Normanom Lockyerom se smatra otkrivačem elementa. Lockyer je prvi objavio da bi te žute linije mogle biti naznaka novog elementa, kojem je on i dao ime. Formalno otkriće helija uslijedilo je 1895. godine, kada su dvojica švedskih hemičara Per Teodor Cleve i Nils Abraham Langlet pronašli helij kojeg je otpuštala uranijeva ruda cleveit. Godine 1903. velike rezerve helija su pronađene u poljima prirodnog gasa u dijelovima SAD, koje su i danas najveći proizvođač helija na svijetu.

Helij se koristi u kriotehnici (što je najveća oblast njegove upotrebe, trošeći oko četvrtine ukupne proizvodnje), naročito za hlađenje superprovodničnih magneta, što se najviše koristi za skenere magnetne rezonance. Druge industrijske upotrebe helija, kao što je gas za pritisak i čišćenje, za stvaranje zaštite atmosfere i lučno zavarivanje te procese rasta kristala, koriste oko polovine svjetske proizvodnje gasa. Dobro poznato korištenje helija je i kao gasa za balone i cepeline,^[3] međutim u tu svrhu koriste se zanimarive količine proizvodnje. Kao i kod bilo kojeg gasa čija se gustoća razlikuje od običnog zraka, udisanjem male količine helija privremeno se mijenja boja i kvalitet ljudskog glasa. U naučnom istraživanju, ponašanje dvije fluidne faze helija ⁴ He (helij I i helij II) je važno za istraživače koji proučavaju kvantnu mehaniku (naročito osobine superfluidnosti) te one koji istražuju fenomene poput superprovodljivosti koja se javlja kod supstanci blizu apsolutne nule.

Na Zemlji je on relativno rijedak, samo 0,00052% po zapremini u atmosferi. Najveći dio zemaljskog helija koji danas postoji stvoren je prirodnim radioaktivnim raspadom težih radioaktivnih elemenata (torija i uranija, mada postoje i drugi primjeri), jer se alfa čestica emitirana tokom takvih raspada sastoji od nukleona helija-4. Ovaj radiogenski helij je zarobljen zajedno sa prirodnim gasom u koncentracijama koje dostižu i do 7% po zapremini, a takav helij se danas komercijalno vadi procesom odvajanja na niskim temperaturama zvanim frakciona destilacija. Helija ima u organičenim količinama i jedan je od malobrojnih elemenata koji mogu, nakon što dospiju u atmosferu, podignu se u najviše slojeve atmosfere i odu u svemir.^[4]

Prvi dokaz postojanja helija dobijen je 18. augusta 1868. godine, kao svijetla žuta linija talasne dužine 587,49 nanometara u spektru hromosfere Sunca. Liniju je otkrio francuski astronom Jules Janssen tokom potpunog pomračenja Sunca u gradu Guntur, Indija.^[5] U prvi mah, za ovu liniju se smatralo da je natrijeva. Ubrzo 20. oktobra iste godine, engleski astronom Norman Lockyer je posmatrao istu žutu liniju u sunčevom spektru koju je nazvao D3 Fraunhoferova linija jer je bila u blizini tada već poznatih D1 i D2 linija natrija.^[6] On je zaključio da je ona uzrokovana elementom na Suncu koji je nepoznat na Zemlji. Lockyer i engleski hemičar Edward Frankland dali su ime novom elementu po grčkoj riječi za Sunce ἥλιος (helios).^[7][8]

Italijanski fizičar Luigi Palmieri prvi je otkrio 1882. godine postojanje helija na Zemlji, putem njegovih D3 spektralnih linija pri analizi lave na Vezuvu. Škotski hemičar William Ramsay 26. marta 1895. godine uspio je izolirati helij na Zemlji tretiranjem minerala cleveita (jednog oblika uraninita sadržaja najmanje 10% rijetkih zemnih elemenata) mineralnim kiselinama. Ramsay je tražio argon, ali je nakon što je odvojio dušik i kisik iz gasa oslobođenih sumpornom kiselinom, primijetio je svijetlu žutu spektralnu liniju koja je odgovarala D3 liniji posmatranoj u spektru Sunca.^[6][9] Ovi uzroci su identificirani kao helij od strane Lockyera i britanskog fizičara William Crookesa. Nezavisno od njih, helij je izdvojen iz cleveita iste godine, nakon što su hemičari Per Teodor Cleve i Abraham Langlet u švedskom gradu Uppsala prikupili dovoljno gasa da tačno odrede njegovu atomsku težinu.^[10][11] Helij je također izolirao i američki geohemičar William Francis Hillebrand prije Ramsayevog otkrića, kada je primijetio neuobičajene spektralne linije tokom testiranja uzorka minerala uraninita. Međutim, Hillebrand je te linije pripisao dušiku.

Ernest Rutherford i Thomas Royds demonstrirali su 1907. godine da su alfa čestice zapravo jezgra atoma helija, tako što su omogućili da čestice uđu u tanki stakleni zid vakuumirane cijevi, a zatim su vršili pražnjenja u cijevi proučavajući spektar novog gasa u cijevi. Godine 1908. holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes je uspio prevesti helij u tečno stanje tako što ga je ohladio do temperature od 1 K.^[12] Pokušao je i da dođe do čvrstog helija i dalje snižavajući temperaturu, međutim helij nema trojnu tačku temperature na kojoj su čvrsto, tečno i gasovito stanje u ekvilibriju. Onnesov učenik Willem Hendrik Keesom je 1926. godine uspio da dobije kocku čvrstog helija od 1 cm³ tako što je dodatno povećao vanjski pritisak.^[13] Ruski fizičar Peter Leonidovič Kapica otkrio je 1938. godine helij-4 koji gotovo nema viskoznost pri gotovo apsolutnoj nuli. Taj fenomen se naziva superfluidnost.^[14] Ovaj fenomen je povezan sa Bose-Einsteinovom kondenzacijom. Isti fenomen je posmatran 1972. godine kod helija-3, ali na temperaturama mnogo bližim apsolutnoj nuli, što je uspjelo američkim fizičarima Douglas D. Osheroffu, David M. Leeju i Robert C. Richardsonu. Za fenomen kod helija-3 smatra se da je povezan sa uparivanjem helij-3 fermiona u bozone, analogno Cooperovim parovima elektrona koji daju superprovodljivost.^[15]

Iz perspektive kvantne mehanike, helij je drugi najjednostavniji model atoma, nakon atoma vodika. Helij se sastoji od dva elektrona u atomskim orbitalama koji okružuju jezgro sastavljeno iz dva protona i nekoliko neutrona, u zavisnosti od izotopa. U skladu sa Newtonovom mehanikom, nijedan sistem koji se sastoji iz više od dvije čestice ne može se riješiti tačnom analitičkim matematičkim pristupom (vidi problem tri tijela) pa tako ni helij nije izuzetak. Međutim, neophodne su numeričke matematičke metode, čak i za riješavanje sistema od jednog jezga i dva elektrona. Takve metode izračunske hemije se koriste za kreiranje kvantnomehaničkog prikaza veza elektrona helija, koji su tačni unutar manje od 2% od tačne vrijednosti, a za to je potrebno samo nekoliko koraka izračuna.^[16] U takvim modelima otkriveno je da svaki elektron u heliju djelimično zaklanja jezgro drugom elektronu, tako da je efektivni nuklearni naboj Z koji djeluje na svaki elektron iznosi oko 1,69 jedinica, a ne 2 naboja klasičnog golog jezgra helija.

Helij je drugi najslabije reaktivni plemeniti gas, nakon neona, a samim tim i drugi najslabije reaktivni element uopće.^[17] On je inertni i monoatomski gas u svim standardnim uslovima. Pošto helij ima relativno malu molarnu (atomsku) masu, njegova toplotna provodljivost, specifična toplota i brzina zvuka u njemu u gasnoj fazi je veća nego u svim drugim gasovima osim vodika. Iz sličnih razloga i zbog male veličine atoma helija, brzina difuzije helija kroz čvrsta tijela je tri puta veća nego kod običnog zraka i oko 65% od one kod vodika.^[6]

Helij se najmanje rastvara u vodi od svih monoatomskih gasova,^[18] i, općenito, spada u gasove koji se najmanje rastvaraju u vodi (gasovi CF₄, SF₆ i C₄F₈ imaju niže molarne odnose rastvorljivosti: 0,3802, 0,4394 i 0,2372 x₂/10⁻⁵, respektivno, u odnosu na helijevih 0,70797 x₂/10⁻⁵),^[19], dok je indeks prelamanja helija je bliže jedinici nego kod bilo kojeg drugog gasa.^[20] Helij ima i negativan Joule-Thomsonov koeficijent u normalnoj temperaturi okruženja, što znači da se on zagrijava kada mu se dopusti slobodno širenje. Samo ispod svoje Joule-Thomson temperature inverzije (oko 32 do 50 K pri 1 atmosferi), on se hladi pri slobodnom širenju.^[6] Kada se pothladi ispod ove temperature, helij se može prevesti u tečno stanje putem hlađenja pri širenju. Većina vanzemaljskog helija se nalazi u stanju plazme, sa osobinama potpuno drugačijim od onih koje ima atomski helij. U plazmi, elektroni helija nisu povezani sa jezgrom, što rezultira vrlo velikom električnom provodnošću, čak i kada je gas samo djelimično ioniziran. Na nabijene čestice snažno utiču magnetska i električna polja. Naprimjer, u Sunčevom vjetru zajedno sa ioniziranim vodikom, čestice reagiraju sa Zemljinom magnetosferom povećavajući Birkelandove struje i auroru.^[21]

Postoji osam poznatih izotopa helija, međutim samo su dva postojana ³He i ⁴He. U Zemljinoj atmosferi postoji otprilike jedan ³He atom na svakih milion ⁴He atoma.^[22] Za razliku od većine drugih elemenata, izotopska rasprostranjenost helija se značajno razlikuje u zavisnosti od porijekla nastanka helija, te zbog različitih procesa njegovog formiranja. Najčešći izotop ⁴He nastaje na Zemlji putem alfa raspada težih radioaktivnih elemenata. Alfa čestica koja nastaje u tom raspadu je potpuno ionizirano jezgro ⁴He. Izotop helija-4 ima neobično stabilno jezgro jer su njegovi nukleoni postavljeni u potpune orbitale. Također, helij je nastao u ogromnim količinama tokom nukleosinteze u vrijeme Velikog praska.^[23]

Iako je na Zemlji rijedak, helij je drugi najrasprostranjeniji element u poznatom svemiru (poslije vodika), čineći oko 23% njegove barionske mase.^[22] Najveći dio helija je stvoren nukleosintezom između jedne i tri minute nakon Velikog praska. Kao takvog, mjerenje njegove rasprostranjenosti u svemiru doprinosi i teoriji kosmoloških modela. U zvijezdama, on se stvara nuklearnom fuzijom vodika u lančanim proton-proton reakcijama i CNO ciklusu, kao dijela zvjezdane nukleosinteze.^[23]

U litosferi helij se također javlja, ali u veoma malim količinama. Praktično sav helij koji je postojao na Zemlji nije mogao da gradi jedinjenja sa drugim elementima pa je zbog male mase napustio atmosferu Zemlje.

Helij se dobija uglavnom iz zemnog gasa koji je bogat ovim elementom. Ovog bogatog helijem gasa najviše ima u SAD. Helij se dobija i frakcionom destilacijom tečnog zraka. Svjetska produkcija helija iznosi oko 4500 tona u toku godine.

Iako su baloni najpoznatija oblast korištenja helija, oni učestvuju malehnim udjelom u potrošnji helija.^[24] Helij se koristi u mnoge svrhe, naročito tamo gdje su neophodne jedinstvene osobine, poput niske tačke ključanja, malehne gustoće, slabe rastvorljivosti, visoke toplotne provodljivosti ili internosti. Po podacima iz 2008. godine, svjetska godišnja proizvodnja helija iznosila je 32 milion kg (193 miliona kubnih metara) helija, a najviše helija (oko 22% od ukupne proizvodnje 2008. godine) potrošeno je za kriogene aplikacije, najvećim dijelom za hlađenje superprovodljivih magneta u medicinskim skenerima za magnetnu rezonancu.^[25] Ostale značajnije oblasti upotrebe (oko 60% ukupne proizvodnje 1996. godine) bile su čišćenje sistema, održavanje kontrolirane atmosfere, zavarivanje i otkrivanje istjecanja.

Helij se koristi kao zaštitni gas u kojem rastu silicijski i germanijski kristali, te za proizvodnju titanija i cirkonija i u gasnoj hromatografiji,^[1] jer je inertan. Također zbog inertnosti, savršene termalne i kalorijske prirode, velike brzine zvuka i visokih vrijednosti odnosa toplotnog kapaciteta, koristan je u supersoničnim zračnim tunelima^[26] i impulsnim pogonima.^[27]

Zabilježeno je nekoliko slučajeva samoubistava helijem, tako što su samoubice udisale čisti helij. Iako helij sam po sebi nije otrovan i inertan je, obdukcija nije pokazala nikakve patološke promjene kod tih žrtava, nego je uzrok bila asfiksacija (gušenje). U tim slučajevima, kao što su bila tri slučaja samoubistva u Beču 2006. godine, helij zamjenjuje kisik u plućima što dovodi od klasičnog gušenja.^[28]

Commons ima datoteke na temu: Helij

• Helium (Jefferson lab)
• Helij na stranici Periodic videos, Univerzitet u Nottinghamu