3.3: Hel – pierwszy gaz szlachetny

Drugim elementem w układzie okresowym jest hel, He, liczba atomowa 2. Wszystkie atomy helu mają w swoich jądrach 2 protony i 2 elektrony. Istnieją dwa izotopy helu, z których, który zawiera 2 neutrony w jądrze, jest zdecydowanie dominujący, z dużo mniejszą liczbą lżejszego izotopu, , który ma 2 protony i 1 neutron w jądrze i liczbę masową 3.

Hel jest gazem szlachetnym, co oznacza, że istnieje tylko jako atomy pierwiastków, które nigdy nie są związane z innymi atomami. Rysunek 3.3 przedstawia atom helu, pokazując jego 2 elektrony. Symbol Lewisa helu to po prostu He z dwoma kropkami. To pokazuje bardzo ważną cechę atomów. Ponieważ elektrony są dodawane do atomów z rosnącą liczbą atomową, są one dodawane na różnych poziomach zwanych powłokami elektronowymi. Jeden elektron w wodorze, H, trafia do pierwszej powłoki elektronowej, tej o najniższej możliwej energii. Drugi elektron dodany do atomu helu również trafia do pierwszej powłoki elektronowej. Ta najniższa powłoka elektronowa może zawierać maksymalnie tylko 2 elektrony, więc hel ma wypełnioną powłokę elektronową. Atomy z wypełnioną powłoką elektronową nie mają tendencji do tracenia, zyskiwania lub dzielenia się elektronami i dlatego nie łączą się z innymi atomami poprzez wiązania chemiczne. Takie atomy istnieją samodzielnie w fazie gazowej, a pierwiastki, z których się składają, nazywane są gazami szlachetnymi. Hel jest pierwszym z gazów szlachetnych.

Gaz hel ma bardzo małą gęstość wynoszącą zaledwie 0,164 g/L w temperaturze 25˚C i ciśnieniu 1 atm. Pierwiastkowy hel jest drugą, obok wodoru, substancją o najmniejszej gęstości. To właśnie ta cecha niskiej gęstości sprawia, że hel jest tak przydatny w balonach, w tym balonach meteorologicznych, które mogą pozostawać w górze przez wiele dni, osiągając bardzo duże wysokości.

Hel jest pompowany z ziemi za pomocą niektórych źródeł gazu ziemnego, z których niektóre zawierają do 10% objętości helu. Hel został po raz pierwszy zaobserwowany w słońcu przez specyficzne długości fali światła emitowanego przez gorące atomy helu. Podziemne źródła helu zostały odkryte przez wiertników poszukujących gazu ziemnego w południowo-zachodnim Kansas, którzy próbowali zapalić gaz z nowego odwiertu i z rozczarowaniem stwierdzili, że nie będzie się palił, ponieważ był to praktycznie czysty hel!

Chemicznie niereaktywny, hel nie ma żadnych zastosowań chemicznych, z wyjątkiem zapewnienia chemicznie obojętnej atmosfery. Nietoksyczny, bezwonny, bez smaku, bezbarwny gaz, hel jest używany ze względu na jego unikalne właściwości fizyczne. Wcześniej wspomniano o zastosowaniach w balonach meteorologicznych i sterowcach. Ze względu na niską rozpuszczalność we krwi, hel jest mieszany z tlenem do oddychania przez nurków głębinowych i osoby z niektórymi schorzeniami układu oddechowego. Używanie helu przez nurków pozwala uniknąć bardzo bolesnego stanu zwanego „zakrętami”, spowodowanego przez pęcherzyki azotu tworzące się z azotu rozpuszczonego we krwi.

Największym zastosowaniem helu jest super zimna ciecz, która wrze w temperaturze zaledwie 4,2 K powyżej zera bezwzględnego (-269˚C), zwłaszcza w rozwijającej się nauce kriogeniki, która zajmuje się bardzo niskimi temperaturami. Niektóre metale są nadprzewodnikami w takich temperaturach, dlatego hel jest wykorzystywany do chłodzenia elektromagnesów, dzięki czemu stosunkowo małe magnesy mogą wytwarzać bardzo silne pola magnetyczne. Takie magnesy są składnikami bardzo użytecznego narzędzia chemicznego znanego jako magnetyczny rezonans jądrowy (NMR). Ten sam rodzaj instrumentu zmodyfikowany do zastosowań klinicznych i nazwany MRI jest używany jako medyczne narzędzie diagnostyczne do skanowania fragmentów ciała w poszukiwaniu dowodów na istnienie guzów i innych dolegliwości.

Hydrogen Wants to be Like Helium

Badanie symbolu Lewisa helu (po prawej, Rysunek 3.3) i wzór Lewisa pierwiastkowego wodoru, H2, (Rysunek 3.1) pokazuje, że każdy z dwóch atomów wodoru w cząsteczce H2 może posiadać 2 elektrony i w ten sposób upodobnić się do atomu helu. Przypomnijmy, że hel jest gazem szlachetnym, który jest bardzo zadowolony ze swoich dwóch elektronów. Każdy z atomów H w H2 jest zadowolony z 2 elektronów, chociaż są one współdzielone. Wskazuje to na podstawową zasadę wiązania chemicznego, że atomy danego pierwiastka mają tendencję do nabywania tej samej konfiguracji elektronowej, co najbliższy gaz szlachetny. W tym przypadku, wodór, który jest tuż przed helu w układzie okresowym, zyskuje konfiguracji gazu szlachetnego helu przez dzielenie elektronów.

.