Helium

Helium (von altgriechisch ἥλιος hélios, deutsch ‚Sonne‘) ist ein chemisches Element und hat die Ordnungszahl 2. Sein Elementsymbol ist He. Im Periodensystem steht es in der 18. IUPAC-Gruppe, der früheren VIII. Hauptgruppe und zählt damit zu den Edelgasen. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales und ungiftiges Gas.

Eigenschaften
1s2 2He Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Helium, He, 2
Elementkategorie	Edelgase
Gruppe, Periode, Block	18, 1, s
Aussehen	Farbloses Gas
CAS-Nummer	7440-59-7
EG-Nummer	231-168-5
ECHA-InfoCard	100.028.334
ATC-Code	V03AN03
Massenanteil an der Erdhülle	0,004 ppm
Atomar
Atommasse	4,002602(2) u
Kovalenter Radius	28 pm
Van-der-Waals-Radius	140 pm
Elektronenkonfiguration	1s2
1. Ionisierungsenergie	24.58738880(15) eV ≈ 2372.32 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	54.4177650(3) eV ≈ 5250.51 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	0,1785 kg·m−3
Magnetismus	diamagnetisch (${\displaystyle \chi _{m}}$ = −1,1 · 10−9)
Schmelzpunkt	0,95 K (−272,2 °C, bei 2,5 MPa)
Siedepunkt	4,15 K (−269 °C)
Molares Volumen	(fest) 21,00 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	0,0840 kJ/mol
Schmelzenthalpie	0,02 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	970 m·s−1 bei 273,15 K
Spezifische Wärmekapazität	5193 J·kg−1·K−1
Wärmeleitfähigkeit	0,1513 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	0
Elektronegativität	5,50 (Allred&Rochow); 4,86 (Mulliken); 5,2 (Durchschnitt); keine Angaben zur (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 3He 0,000137 % Stabil 4He 99,999863 % Stabil 5He {syn.} 7,618 · 10−22 s n 0,60 4He 6He {syn.} 806,7 ms β− 3,508 6Li
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin- Quanten- zahl I γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 3He 1/2 −20,38016 · 107 0,442 152,45
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Achtung H- und P-Sätze H: 280 P: 403
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Helium bleibt bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig, erst nahe dem absoluten Nullpunkt wird es flüssig. Es ist die einzige Substanz, die selbst am absoluten Nullpunkt (0 K bzw. −273,15 °C) unter Normaldruck nicht fest wird. Neben Neon ist Helium das einzige Element, für welches selbst unter Extrembedingungen bis jetzt keine Verbindungen nachgewiesen werden konnten, die nicht sofort nach der Bildung zerfallen sind. Helium kommt nur atomar vor.

Das häufigste stabile Isotop ist ⁴He mit 99,9998(2) % Anteil; das einzige weitere stabile Isotop ist das auf der Erde extrem seltene ³He mit 0,0002(2)% Anteil. Weitere exotische Isotope sind die Halokerne ⁶He und ⁸He mit 2 bzw. 4 zusätzlichen Neutronen, die sich in einem unerwartet großen Abstand vom eigentlich Atomkern aufhalten. Diproton (²He) ist ein hypothetisches Heliumisotop aus zwei Protonen und ohne Neutronen im Kern.

Das Verhalten der beiden flüssigen Phasen Helium I und Helium II (rsp. Helium-I und Helium-II) (insbesondere das Phänomen der Suprafluidität) von ⁴He ist Gegenstand aktueller Forschungen auf dem Gebiet der Quantenmechanik. Flüssiges Helium ist ein unverzichtbares Hilfsmittel zur Erzielung tiefster Temperaturen. Diese sind unter anderem zur Kühlung von Infrarotdetektoren von Weltraumteleskopen und zur Untersuchung von Eigenschaften wie der Supraleitung von Materie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich.

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum und macht etwa ein Viertel der Gesamtmasse der Materie im Universum aus. Nach anerkannter Theorie vereinigten sich rund zehn Sekunden nach dem Urknall Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Atomkernen. Etwa 25 % der entstandenen Masse sind ⁴He und Spuren von ³He. Somit ist der größte Teil des Heliums schon beim Urknall entstanden. Das später im Inneren von Sternen durch Fusion von Wasserstoff entstandene Helium fusionierte zum größten Teil weiter zu schwereren Elementen.

Auf der Erde wird ⁴He in Form von Alphateilchen bei dem Alphazerfall verschiedener radioaktiver Elemente wie Uran oder Radium gebildet. Helium entsteht daraus, wenn das Alphateilchen anderen Atomen zwei Elektronen entreißt. Der Großteil des auf der Erde vorhandenen Heliums ist daher nichtstellaren Ursprungs. Das so entstandene Helium sammelt sich in natürlichen Erdgasvorkommen in Konzentrationen bis zu 16 Volumenprozent. Daher kann Helium durch fraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen werden.

Erste Hinweise auf Helium entdeckte 1868 der französische Astronom Jules Janssen bei Untersuchungen des Lichtspektrums der Chromosphäre der Sonne, wobei er die bis dahin unbekannte gelbe Spektrallinie von Helium fand.

Helium findet Anwendungen in der Tieftemperaturtechnik, besonders als Kühlmittel für supraleitende Magneten, in Tiefsee-Atemgeräten, bei der Altersbestimmung von Gesteinen, als Füllgas für Luftballons, als Traggas für Luftschiffe und als Schutzgas für verschiedene industrielle Anwendungen (zum Beispiel beim Metallschutzgasschweißen, als Trägergas bei der Kapillargaschromatographie und bei der Herstellung von Silizium-Wafern). Nach dem Einatmen von Helium verändert sich aufgrund der im Vergleich zu Luft höheren Schallgeschwindigkeit kurzzeitig die Stimme („Micky-Maus-Stimme“).