Ήλιο

Ήλιο
Γενικά
Όνομα	Ήλιο
Σύμβολο	He
Ατομικός αριθμός	2
Χημικός ομάδα	Ευγενή αέρια
Ομάδα Περίοδος Τομέας	18 1 s
Ατομικό βάρος	4,002602 g/mol
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Ηλεκτρονική διαμόρφωση	1s2
Ηλεκτρόνια ανά ενεργ. στάθμη	2
Ιδιότητες
Σημείο τήξης	-272,2°C (0,95 K)(25 bar)
Σημείο βρασμού	-268,93°C (4,22 K)
Πυκνότητα	0,1786 kg/m3 (0°C, 1 bar)
Κρίσιμο σημείο	5,19 Κ, 2,27 bar
Θερμότητα εξατμίσεως	0,0829 kJ/mol
Διαλυτότητα στο νερό	8,61 cm3/kg
Θερμική αγωγιμότητα	0,1418 W/(m*K)(0°C)
Ενέργεια ιονισμού	1η: 2372,3 kJ/mol 2η: 5250,5 kJ/mol
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το χημικό στοιχείο ήλιο είναι το πρώτο μέλος της χημικής ομάδας των ευγενών αερίων, έχει σύμβολο το He και ατομικό αριθμό 2. Είναι αέριο, άχρωμο, άοσμο και άγευστο και έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού από κάθε άλλο χημικό στοιχείο.

Είναι το δεύτερο πιο διαδεδομένο χημικό στοιχείο του σύμπαντος μετά το υδρογόνο (76% H, 23% He). Αντίθετα στην ατμόσφαιρα ανευρίσκεται μόνο σε ίχνη (5,24 ppm) επειδή είναι εξαιρετικά ελαφρύ και δεν μπορεί να συγκρατηθεί από το βαρυτικό πεδίο της γης.

Τη ήλιο παράγεται από την πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου στα άστρα, ενώ στη γη από τη ραδιενεργό διάσπαση βαρύτερων στοιχείων.

Ιστορία

Το ήλιο είναι το μοναδικό χημικό στοιχείο που ανακαλύφθηκε πρώτα έξω από τη γη. Κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης ηλίου, στις 18 Αυγούστου 1868, παρατηρήθηκε μία νέα κίτρινη γραμμή στο φάσμα της χρωμόσφαιρας του ήλιου (στα 587,49 nm), κοντά στις αντίστοιχες γραμμές του νατρίου. Αυτό οδήγησε τον Άγγλο αστρονόμο Norman Lockyer και τον Άγγλο χημικό Edward Frankland να προτείνουν την ύπαρξη ενός νέου χημικού στοιχείου, δίνοντάς το όνομα του ήλιου στον οποίο ανακαλύφθηκε.

Στη συνέχεια η ίδια κίτρινη γραμμή παρατηρήθηκε από το L. Palmieri στα 1881 στο φάσμα αερίων ηφαιστειακής προέλευσης από τον Βεζούβιο, ενώ τελικά η ύπαρξή του στη γη επιβεβαιώθηκε οριστικά από τον Βρετανό χημικό William Ramsay στα 1895. Αυτός απομόνωσε και ταυτοποίησε ως ήλιο το αέριο που είχε βρεθεί σε ορυκτό ουράνιο και το οποίο μέχρι τότε θεωρούνταν λανθασμένα ότι ήταν άζωτο.

Ιδιότητες

Το ήλιο είναι αέριο άχρωμο, άοσμο, άγευστο και μη-τοξικό. Έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού από κάθε άλλο χημικό στοιχείο ενώ είναι το μοναδικό υγρό το οποίο είναι αδύνατο να παγώσει μόνο με την ελάττωση της θερμοκρασίας. Είναι απαραίτητη και η αύξηση της πίεσης. Επίσης είναι το μοναδικό υλικό που δεν διαθέτει τριπλό σημείο, δηλαδή ένα συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης στον οποίο θα συνυπάρχουν σε ισορροπία οι τρεις καταστάσεις της ύλης – στερεό, υγρό και αέριο.

Στη φύση απαντάται σε δύο σταθερά ισότοπα, ³He και ⁴He, από τα οποία το πρώτο απαντάται σπάνια. Όπως όλα τα ευγενή αέρια έχει σταθερή ηλεκτρονική διαμόρφωση και το άτομό του είναι άπολο και σφαιρικό. Είναι το πιο αδρανές χημικό στοιχείο και οι μόνες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων είναι ασθενείς δυνάμεις van der Waals.

Έχει τη μικρότερη διαλυτότητα στο νερό από κάθε άλλο γνωστό αέριο, ενώ ο δείκτης διάθλασης είναι πιο κοντά στη μονάδα από κάθε άλλο γνωστό αέριο.

Ίσως η πιο εντυπωσιακή από τις ιδιότητές του είναι η ικανότητά να μετατρέπεται σε υπερρευστό. Όταν το υγρό φυσικό ήλιο (το συνηθισμένο ισότοπο ⁴He) ψυχθεί ακόμα περισσότερο στους 2,2 Κ (γνωστό ως θερμοκρασιακό σημείο λ) μετασχηματίζεται σε μια νέα κατάσταση που έχει αρκετά παράξενες ιδιότητες. Η αρχική “φυσιολογική” κατάσταση ονομάζεται ήλιο-Ι η οποία μετασχηματίζεται στην κατάσταση ήλιο-ΙΙ. Στο σημείο που λαμβάνει χώρα ο μετασχηματισμός από την κατάσταση Ι στην κατάσταση ΙΙ, η ειδική θερμότητα αυξάνεται απότομα ενώ παρατηρείται και ακόμα πιο απότομη αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας της τάξης του 10⁶. Αντίθετα το ιξώδες του υλικού γίνεται ουσιαστικά μηδέν.

Το υπερρευστό ήλιο έχει την ιδιότητα να περνάει εύκολα πολύ λεπτά τριχοειδή αγγεία και σχισμές, που σχεδόν αποτρέπουν εντελώς τη ροή όλων των άλλων υγρών. Επίσης, η τεράστια θερμική αγωγιμότητα έχει ως αποτέλεσμα το ήλιο-ΙΙ να μην βράζει με την θέρμανση του αλλά κατευθείαν να εξατμίζεται από υγρό σε αέριο.

Ίσως η πιο εντυπωσιακή ιδιότητά του, είναι η ικανότητά του να καλύπτει με ένα φιλμ πάχους μερικών εκατοντάδων ατόμων όλες τις στερεές επιφάνειες με τις οποίες έρχεται σε επαφή και βρίσκονται κάτω από το θερμοκρασιακό σημείο λ. Η παραπάνω ιδιότητα μπορεί να παρατηρηθεί κάνοντας το εξής πείραμα: βυθίζουμε τον πυθμένα ενός κατάλληλου δοχείου μέσα σε ένα λουτρό ηλίου-ΙΙ και περιμένουμε η θερμοκρασία των τοιχωμάτων να πέσει κάτω από το σημείο λ. Τότε θα παρατηρήσουμε το υπερρευστό ήλιο να σκαρφαλώνει, ουσιαστικά χωρίς τριβές και υπερνικώντας την βαρύτητα, τις πλευρές του δοχείου και να το γεμίζει μέχρι να εξισωθούν οι επιφάνειες μέσα και έξω από αυτό.

Παραγωγή

Όπως αναφέρθηκε το ήλιο είναι το δεύτερο πιο διαδεδομένο χημικό στοιχείο στο σύμπαν και παράγεται στα άστρα από την πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου. Κατά την αντίδραση αυτή μόνο ένα 0,7% της αρχικής μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια, διατηρώντας έτσι ουσιαστικά σταθερή τη μάζα του άστρου. Χαρακτηριστικά μπορούμε να αναφέρουμε ότι στον ήλιο κάθε δευτερόλεπτο που περνάει μετατρέπονται περίπου 600 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου σε 595,5 εκατομμύρια τόνους ηλίου με τους εναπομείναντες 4,5 εκατομμύρια τόνους να εκπέμπονται ως ενέργεια. Αυτή η ενέργεια, που παράγεται βαθιά στο εσωτερικό του ήλιου με τη μορφή ακτίνων γ υψηλής ενέργειας, αλληλεπιδρά με το αστρικό υλικό και σταδιακά μετατρέπεται σε φωτόνια μεγαλύτερου μήκους κύματος.

Στη γη, το ήλιο υπάρχει στην ατμόσφαιρα αλλά σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις, που φτάνουν μέχρι και το 7%, στο φυσικό αέριο από το οποίο και παράγεται με κλασματική απόσταξη. Καθώς το ήλιο έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού από κάθε άλλο χημικό στοιχείο, με την εφαρμογή χαμηλών θερμοκρασιών και υψηλών πιέσεων επιτυγχάνεται η υγροποίηση και ο διαχωρισμός των υπόλοιπων αερίων (κυρίως άζωτο και μεθάνιο). Με επιπλέον διαδοχικές υγροποιήσεις των προσμίξεων σε συνεχώς χαμηλότερες θερμοκρασίες και ένα τελικό στάδιο ενεργού άνθρακα, επιτυγχάνεται τελική καθαρότητα ηλίου της τάξης του 99,995%.

Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί ηλίου σήμερα είναι οι Η.Π.Α., η Αλγερία και σε μικρότερες ποσότητες η Ρωσία και Πολωνία.

Χρήσεις

Η πιο γνωστή χρήση του είναι ως ανυψωτικό, στην πλήρωση αερόπλοιων και μπαλονιών καθώς είναι ελαφρύτερο από τον αέρα. Προτιμάται από το υδρογόνο γιατί δεν είναι εύφλεκτο ενώ έχει το 92,64% της ανυψωτικής ικανότητας αυτού (περίπου 1 kg/m³). Παρόλα αυτά η χρήση αυτή δεν είναι πια τόσο σημαντική και χρησιμοποιείται κυρίως σε μετεωρολογικά μπαλόνια.

Η κύρια χρήση είναι ως κρυογενικό ρευστό για την ψύξη σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες διάφορων μετάλλων ή άλλων υλικών όπως στην περίπτωση της απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό (magnetic resonance imaging).

Επίσης, λόγω της πολύ μικρής διαλυτότητάς του στο νερό, χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο του αζώτου σε συνθετικό αέρα αναπνευστικών συσκευών για μεγάλα βάθη, για την αντιμετώπιση της λεγόμενης νόσου των δυτών (βλέπε άρθρο για το άζωτο). Χρησιμοποιείται ως ψυκτικό σε ορισμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες, στην αέρια χρωματογραφία, για τον εντοπισμό σημείων πιθανής διαρροής σε βιομηχανικό εξοπλισμό και για τη δημιουργία αδρανής ατμόσφαιρας για την προστασία σημαντικών ιστορικών αντικειμένων. Τέλος, χρησιμοποιείται για την χρονολόγηση ορυκτών που περιέχουν ουράνιο και θόριο, καθώς είναι γνωστό ότι αυτά τα ραδιενεργά υλικά διασπώνται εκπέμποντας σωματίδια α, δηλαδή πυρήνες ηλίου.

Ως πρόσθετο τροφίμων χρησιμοποιείται με τον κωδικό Ε939.

Ασφάλεια - Υγεία

Το ήλιο δεν είναι τοξικό και ανευρίσκεται σε πολύ μικρές ποσότητες στο αίμα των ανθρώπων.

Βιβλιογραφία

• Greenwood N.N. and Earnshaw A., “Chemistry of the elements”, 2nd ed., Reed Educational and Professional Publishing Ltd, 1997.
• Το ήλιο στην αγγλική σελίδα της Βικιπαίδειας
• Μία σελίδα με πληροφορίες για τα πρόσθετα τροφίμων.