Helium

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−1
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 0,0002(2) % Stabil 4He 99,9998(2) % Stabil 5He {syn.} 6,028 · 10−22 s n 0,735 4He 6He {syn.} 806,92 ms β− 3,50521 6Li
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin 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
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.

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 eigentlichen 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 beim 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“).

1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus webelements.com (Helium) entnommen.
3. ↑ Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements (IUPAC Technical Report) In: Pure and Applied Chemistry Vol. 83, No. 2, 2011, S. 359–396.
4. ↑ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
5. 1 2 Eintrag zu helium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd).  Abgerufen am 11. Juni 2020.
6. 1 2 Eintrag zu helium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
7. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus webelements.com (Helium) entnommen.
8. 1 2 3 Eintrag zu Helium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 25. April 2017. (JavaScript erforderlich)
9. ↑ R. E. Glick: On the Diamagnetic Susceptibility of Gases. In: J. Phys. Chem. 1961, 65, 9, S. 1552–1555; doi:10.1021/j100905a020.
10. 1 2 Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337; doi:10.1021/je1011086.
11. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus webelements.com (Helium) entnommen.
12. ↑ L. C. Allen, J. E. Huheey: The definition of electronegativity and the chemistry of the noble gases.
13. 1 2 3 4 5 6 F. G. Kondev, M. Wang, W. J. Huang, S. Naimi, G. Audi: The NUBASE2020 evaluation of nuclear physics properties *. In: Chinese Physics C. 2021, Band 45, Nummer 3, S. 030001 doi:10.1088/1674-1137/abddae.
14. 1 2 M. Wang, W. J. Huang, F. G. Kondev, G. Audi, S. Naimi: The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references*. In: Chinese Physics C. 2021, Band 45, Nummer 3, S. 030003 doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
15. ↑ C. R. Hammond: The Elements. In: R. C. Weast (ed.). Handbook of Chemistry and Physics, 59th edition, CRC Press, 1977
16. ↑ Eintrag zu Helium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 27. März 2013.