Det andra grundämnet i det periodiska systemet är helium, He, atomnummer 2. Alla heliumatomer har 2 protoner i kärnan och 2 elektroner. Det finns två isotoper av helium varavsom innehåller 2 neutroner i kärnan är den överlägset dominerande, med mycket mindre antal av den lättare isotopen,
som har 2 protoner och 1 neutron i sin kärna och masstalet 3.
Helium är en ädelgas vilket innebär att den endast existerar i form av atomer av grundämnen som aldrig är bundna till andra atomer. Figur 3.3 är en representation av heliumatomen som visar dess 2 elektroner. Lewis-symbolen för helium är helt enkelt He med 2 punkter. Detta visar en mycket viktig egenskap hos atomer. När elektroner läggs till i atomer med ökande atomnummer läggs de till på olika nivåer som kallas elektronskal. Den ena elektronen i väte, H, hamnar i det första elektronskalet, det som har den lägsta möjliga energin. Den andra elektron som läggs till för att skapa heliumatomen hamnar också i det första elektronskalet. Detta lägsta elektronskal kan innehålla högst två elektroner, så helium har ett fyllt elektronskal. Atomer med fyllda elektronskal har ingen tendens att förlora, få eller dela elektroner och blir därför inte förenade med andra atomer genom kemisk bindning. Sådana atomer existerar ensamma i gasfasen och de grundämnen som de består av kallas ädelgaser. Helium är den första av ädelgaserna.
Heliumgas har en mycket låg densitet på endast 0,164 g/L vid 25˚C och 1 atm tryck. Elementärt helium är det näst minst täta ämnet efter vätegas. Det är denna egenskap med låg densitet som gör helium så användbart i ballonger, inklusive väderballonger, som kan hålla sig uppe i luften i flera dagar och nå mycket höga höjder.
Helium pumpas upp från marken med vissa naturgaskällor, av vilka vissa innehåller upp till 10 volymprocent helium. Helium observerades först i solen genom de specifika våglängder av ljus som avges av heta heliumatomer. Underjordiska källor till helium upptäcktes av borrare som letade efter naturgas i sydvästra Kansas som försökte tända gas från en ny brunn och blev besvikna när de upptäckte att den inte ville brinna, eftersom den var praktiskt taget ren helium!
Helium är kemiskt oreaktivt och har inga kemiska användningsområden, förutom för att ge en kemiskt inert atmosfär. Helium är en giftfri, luktfri, smaklös och färglös gas som används på grund av sina unika fysiska egenskaper. Tillämpningar i väderballonger och luftskepp har nämnts tidigare. På grund av sin låga löslighet i blodet blandas helium med syre för andning av djuphavsdykare och personer med vissa andningsbesvär. Genom att dykare använder helium undviker man det mycket smärtsamma tillstånd som kallas ”the bends” och som orsakas av kvävebubblor som bildas av kvävegas löst i blodet.
Det största användningsområdet för helium är den superkalla vätskan, som kokar vid en temperatur på endast 4,2 K över den absoluta nollpunkten (-269˚C), särskilt inom den växande vetenskapen kryogenik, som handlar om mycket låga temperaturer. Vissa metaller är supraledare vid sådana temperaturer, vilket innebär att helium används för att kyla elektromagneter som gör det möjligt för relativt små magneter att utveckla mycket kraftfulla magnetfält. Sådana magneter är komponenter i det mycket användbara kemiska verktyget kärnmagnetisk resonans (NMR). Samma typ av instrument som modifierats för kliniska tillämpningar och kallas MRT används som ett medicinskt diagnostiskt verktyg för att skanna delar av kroppen för att hitta tecken på tumörer och andra sjukdomar.
Väte vill vara som helium
Undersökning av Lewis-symbolen för helium (till höger, figur 3.3) och Lewisformeln för elementärt väte, H2, (figur 3.1) visar att var och en av de två väteatomerna i H2-molekylen kan göra anspråk på två elektroner och därmed komma att likna heliumatomen. Kom ihåg att helium är en ädelgas som är mycket nöjd med sina 2 elektroner. Var och en av H-atomerna i H2 är nöjd med 2 elektroner, även om de delas. Detta visar på en grundläggande regel för kemisk bindning som innebär att atomer av ett grundämne tenderar att få samma elektronkonfiguration som den närmaste ädelgasen. I detta fall får väte, som kommer strax före helium i det periodiska systemet, heliums ädelgaskonfiguration genom att dela elektroner.
Lämna ett svar