Het tweede element in het periodiek systeem is helium, He, atoomnummer 2. Alle heliumatomen hebben 2 protonen in hun kern en 2 elektronen. Er zijn twee isotopen van helium waarvandat 2 neutronen in de kern bevat verreweg de overhand heeft, met veel kleinere aantallen van de lichtere isotoop,
dat 2 protonen en 1 neutron in de kern heeft en een massagetal van 3.
Helium is een edelgas wat betekent dat het alleen bestaat als atomen van de elementen die nooit aan andere atomen gebonden zijn. Figuur 3.3 is een weergave van het heliumatoom met zijn 2 elektronen. Het Lewis-symbool van helium is gewoon He met 2 stippen. Dit toont een zeer belangrijk kenmerk van atomen. Wanneer elektronen worden toegevoegd aan atomen met een toenemend atoomnummer, worden ze toegevoegd op verschillende niveaus die bekend staan als elektronenschillen. Het ene elektron in waterstof, H, gaat in de eerste elektronenschil, die met de laagst mogelijke energie. Het tweede elektron dat wordt toegevoegd om het heliumatoom te maken, komt ook in de eerste elektronenschil terecht. Deze laagste elektronenschil kan maximaal slechts 2 elektronen bevatten, dus helium heeft een gevulde elektronenschil. Atomen met een gevulde elektronenschil hebben niet de neiging elektronen te verliezen, te winnen of te delen en raken daarom niet betrokken bij andere atomen door chemische binding. Dergelijke atomen bestaan alleen in de gasfase en de elementen waaruit zij bestaan worden edelgassen genoemd. Helium is de eerste van de edelgassen.
Heliumgas heeft een zeer lage dichtheid van slechts 0,164 g/L bij 25˚C en 1 atm druk. Elementair helium is de op één na minst dichte stof, na waterstofgas. Het is deze eigenschap van lage dichtheid die helium zo nuttig maakt in ballonnen, waaronder weerballonnen, die dagenlang in de lucht kunnen blijven en zeer grote hoogten kunnen bereiken.
Helium wordt uit de grond gepompt met sommige bronnen van aardgas, waarvan sommige tot 10% helium per volume bevatten. Helium werd voor het eerst in de zon waargenomen door de specifieke golflengten van het licht dat door hete heliumatomen wordt uitgezonden. Ondergrondse bronnen van helium werden ontdekt door naar aardgas zoekende boorders in het zuidwesten van Kansas, die probeerden het gas uit een nieuwe bron tot ontbranding te brengen en tot hun teleurstelling constateerden dat het niet wilde branden, omdat het vrijwel zuiver helium was!
Het chemisch niet-reactieve helium heeft geen chemische toepassingen, behalve het verschaffen van een chemisch inerte atmosfeer. Helium is een niet-giftig, reukloos, smaakloos, kleurloos gas, dat wordt gebruikt vanwege zijn unieke fysische eigenschappen. Toepassingen in weerballonnen en luchtschepen werden eerder al genoemd. Wegens zijn lage oplosbaarheid in bloed wordt helium gemengd met zuurstof voor ademhaling door diepzeeduikers en personen met bepaalde ademhalingskwalen. Het gebruik van helium door duikers voorkomt de zeer pijnlijke aandoening die “the bends” wordt genoemd en die wordt veroorzaakt door stikstofbellen die zich vormen uit stikstofgas dat in het bloed is opgelost.
Het grootste gebruik van helium is als de superkoude vloeistof, die kookt bij een temperatuur van slechts 4,2 K boven het absolute nulpunt (-269˚C), vooral in de groeiende wetenschap van de cryogenica, die zich bezighoudt met zeer lage temperaturen. Sommige metalen zijn supergeleiders bij dergelijke temperaturen, zodat helium wordt gebruikt om elektromagneten te koelen, waardoor relatief kleine magneten zeer krachtige magnetische velden kunnen ontwikkelen. Dergelijke magneten zijn onderdelen van het zeer nuttige chemische instrument dat bekend staat als nucleaire magnetische resonantie (NMR). Hetzelfde soort instrument, dat is aangepast voor klinische toepassingen en MRI wordt genoemd, wordt gebruikt als medisch diagnostisch instrument om delen van het lichaam te scannen op aanwijzingen voor tumoren en andere aandoeningen.
Hydrogen Wants to be Like Helium
Bestudering van het Lewis-symbool van helium (rechts, figuur 3.3) en de Lewis formule van elementair waterstof, H2, (figuur 3.1) blijkt dat elk van de twee waterstofatomen in het H2 molecuul aanspraak kan maken op 2 elektronen en daardoor op het heliumatoom gaat lijken. Herinner u dat helium een edelgas is dat zeer tevreden is met zijn 2 elektronen. Elk van de H-atomen in H2 is tevreden met 2 elektronen, hoewel ze worden gedeeld. Dit wijst op een basisregel van de chemische binding dat atomen van een element de neiging hebben dezelfde elektronenconfiguratie te krijgen als die van het dichtstbijzijnde edelgas. In dit geval krijgt waterstof, dat in het periodiek systeem net voor helium staat, de edelgasconfiguratie van helium door elektronen te delen.
Geef een antwoord