3.3: Helium – Das erste Edelgas

Das zweite Element im Periodensystem ist Helium, He, Ordnungszahl 2. Alle Heliumatome haben 2 Protonen in ihren Kernen und 2 Elektronen. Es gibt zwei Isotope von Helium, von denen, das 2 Neutronen im Kern enthält, bei weitem das vorherrschende ist, mit einer viel geringeren Anzahl des leichteren Isotops, , das 2 Protonen und 1 Neutron in seinem Kern und eine Massenzahl von 3 hat.

Helium ist ein Edelgas, was bedeutet, dass es nur als Atome der Elemente existiert, die niemals an andere Atome gebunden sind. Abbildung 3.3 ist eine Darstellung des Heliumatoms mit seinen 2 Elektronen. Das Lewis-Symbol für Helium ist einfach He mit 2 Punkten. Dies zeigt eine sehr wichtige Eigenschaft von Atomen. Da die Elektronen mit zunehmender Ordnungszahl zu den Atomen hinzugefügt werden, werden sie auf verschiedenen Ebenen hinzugefügt, die als Elektronenschalen bekannt sind. Das eine Elektron in Wasserstoff, H, geht in die erste Elektronenschale, diejenige mit der niedrigsten möglichen Energie. Das zweite Elektron, das zur Bildung des Heliumatoms hinzugefügt wird, befindet sich ebenfalls in der ersten Elektronenhülle. Diese niedrigste Elektronenschale kann maximal 2 Elektronen enthalten, Helium hat also eine gefüllte Elektronenschale. Atome mit gefüllten Elektronenschalen neigen nicht dazu, Elektronen zu verlieren, zu gewinnen oder zu teilen, und gehen daher auch keine chemischen Bindungen mit anderen Atomen ein. Solche Atome existieren allein in der Gasphase, und die Elemente, aus denen sie bestehen, werden als Edelgase bezeichnet. Helium ist das erste der Edelgase.

Heliumgas hat eine sehr geringe Dichte von nur 0,164 g/L bei 25˚C und 1 atm Druck. Elementares Helium ist nach Wasserstoffgas der Stoff mit der zweitgeringsten Dichte. Diese geringe Dichte macht Helium so nützlich für Ballons, einschließlich Wetterballons, die tagelang in der Luft bleiben und sehr große Höhen erreichen können.

Helium wird mit einigen Erdgasquellen aus dem Boden gepumpt, von denen einige bis zu 10 % Helium nach Volumen enthalten. Helium wurde erstmals in der Sonne anhand der spezifischen Wellenlängen des von heißen Heliumatomen ausgesandten Lichts beobachtet. Unterirdische Heliumvorkommen wurden von Bohrern entdeckt, die im Südwesten von Kansas nach Erdgas suchten und versuchten, das Gas aus einer neuen Quelle zu entzünden. Sie mussten enttäuscht feststellen, dass es nicht brannte, da es praktisch reines Helium war!

Helium ist chemisch nicht reaktionsfähig und hat keine chemischen Verwendungszwecke, außer dass es eine chemisch inerte Atmosphäre bildet. Helium ist ein ungiftiges, geruchloses, geschmackloses und farbloses Gas, das aufgrund seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften verwendet wird. Anwendungen in Wetterballons und Luftschiffen wurden bereits erwähnt. Aufgrund seiner geringen Löslichkeit im Blut wird Helium zum Atmen von Tiefseetauchern und Personen mit bestimmten Atemwegserkrankungen mit Sauerstoff gemischt. Die Verwendung von Helium durch Taucher vermeidet den sehr schmerzhaften Zustand der „Taucherkrankheit“, der durch Stickstoffblasen verursacht wird, die sich aus im Blut gelöstem Stickstoffgas bilden.

Die größte Verwendung findet Helium als superkalte Flüssigkeit, die bei einer Temperatur von nur 4,2 K über dem absoluten Nullpunkt (-269˚C) siedet, vor allem in der wachsenden Wissenschaft der Kryotechnik, die sich mit sehr niedrigen Temperaturen befasst. Einige Metalle sind bei solchen Temperaturen supraleitend, so dass Helium zur Kühlung von Elektromagneten verwendet wird, wodurch relativ kleine Magnete sehr starke Magnetfelder entwickeln können. Solche Magnete sind Bestandteile des sehr nützlichen chemischen Werkzeugs, das als Kernspinresonanz (NMR) bekannt ist. Die gleiche Art von Instrument, das für klinische Anwendungen modifiziert wurde und MRI genannt wird, wird als medizinisches Diagnoseinstrument zum Scannen von Körperteilen auf Anzeichen von Tumoren und anderen Krankheiten verwendet.

Wasserstoff will wie Helium sein

Untersuchung des Lewis-Symbols von Helium (rechts, Abbildung 3.3) und der Lewis-Formel des elementaren Wasserstoffs, H2, (Abbildung 3.1) zeigt, dass jedes der beiden Wasserstoffatome im H2-Molekül zwei Elektronen für sich beanspruchen kann und dadurch dem Heliumatom ähnlicher wird. Zur Erinnerung: Helium ist ein Edelgas, das mit seinen 2 Elektronen sehr zufrieden ist. Jedes der H-Atome in H2 ist mit 2 Elektronen zufrieden, auch wenn sie geteilt werden. Dies weist auf eine Grundregel der chemischen Bindung hin, die besagt, dass die Atome eines Elements dazu neigen, die gleiche Elektronenkonfiguration wie das nächstgelegene Edelgas anzunehmen. In diesem Fall erhält der Wasserstoff, der im Periodensystem vor dem Helium steht, die Edelgaskonfiguration des Heliums, indem er sich Elektronen teilt.