|  | ||||||
VOORKOMEN
8.10-7 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit helium; het is het 72e element in rangorde van voorkomen. In de dampkring bedraagt het percentage 5,2.10-4.
Men treft het aan in uraanhoudende mineralen als restproduct van de radioactieve vervalreeks van 238U en in aardgasvelden. De hoeveelheid helium in aardgas varieert sterk (van ca. 0,5 tot 9 %).
Helium is één van de meest voorkomende elementen in het universum.
WINGEBIEDEN
De voornaamste heliumbevattende aardgasvelden liggen in de Verenigde Staten van Amerika (New Mexico, Oklahoma, Kansas en Utah), Canada, Nederland, Engeland, Algerije, Rusland (Siberië), Kazakstan, Azerbeidzjan, Oekraïne, Oezbekistan, Kirgizië en Polen.
NAAM
De naam is afgeleid van het Griekse woord helios, dat zon betekent. De naam is door de ontdekkers van het element gegeven vanwege het feit dat helium, vóór dat het op aarde kon worden aangetoond, op de zon door middel van het zonnespectrum ontdekt was.
ONTDEKKING
Helium werd in 1868 zowel door P-.J-.C. Janssen als door Sir N. Lockyer ontdekt bij het onderzoek naar het zonnespectrum. Het spectrum vertoonde een heldere gele lijn in de buurt van de natrium-D-lijn. Sir Lockyer postuleerde het bestaan van een 'zonne-element': helium, een stelling die door vele wetenschappers sterk in twijfel werd getrokken.
In 1881 werd het door L. Palmieri aangetoond bij de (spectraal)analyse van lava afkomstig van de Vesuvius. Sir W. Ramsay slaagde er in 1895 in helium te isoleren uit het uraanhoudende mineraal cleveiet. Ook P. T. Cleve en N. A. Langlet slaagden hierin (onafhankelijk van Ramsay). Pas later werd het in de atmosfeer gevonden.
BEREIDING VROEGER
In 1898 werd helium voor het eerst verkregen door destillatie van vloeibare lucht (als onderdeel van de neonfractie). In 1908 lukte het H. Kamerlingh Onnes (Leiden) helium vloeibaar te maken, bij 4,2 K (- 269 ºC). Hij kreeg in 1913 de Nobelprijs voor natuurkunde.
BEREIDING NU
Zuiver helium kan in het laboratorium worden bereid door uraanhoudende mineralen (cleveiet, monaziet, thorianiet) te verhitten in een porseleinen buis tot ca. 1200 °C. Op grote schaal wordt helium bereid door gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht of van vloeibaar aardgas.
TOEPASSINGEN EN TOELICHTING
Luchtballon, -schip
Vanwege het onontbrandbare en explosievrije karakter wordt helium - in plaats van waterstof - als vulling voor luchtballons of luchtschepen gebruikt. Tevens heeft helium het voordeel dat het minder snel door de wand dringt dan waterstof.
Vanwege de hoge kosten wordt ook wel een mengsel van 80 % helium en 20 % waterstof gebruikt. Ook kunnen verschillende compartimenten worden aangebracht en wordt het luchtschip of de ballon aan de buitenzijde gevuld met helium en aan de binnenzijde met waterstof. Hierdoor wordt het gevaar voor explosies sterk teruggedrongen. Helium als ballonvulling wordt veel gebruikt bij ballonnen voor meteorologisch onderzoek. Deze ballonnen kunnen een hoogte van 40 km bereiken. In de bemande ballonvaart wordt vrijwel alleen nog gebruik gemaakt van warme lucht als draaggas. Ballonnen die op grote hoogte varen, zoals bij de pogingen non-stop rond de wereld te varen, hebben meestal een dubbel systeem: een compartiment gevuld met helium en daaromheen een compartiment voor warme lucht.
Er bestaan plannen om luchtschepen te gebruiken voor het vervoer van zware en volumineuze ladingen. Ook voor personenvervoer met luchtschepen, bijvoorbeeld naar vakantiebestemmingen, wordt de haalbaarheid nagegaan.
Gas duikerklok
Bij het werken op grote diepten wordt door de overdruk veel stikstof in het bloed opgelost. Als de druk snel afneemt kan de opgeloste stikstof gasbellen vormen in het bloed, wat tot de zogenoemde caissonziekte leidt. Dit kan men voorkomen door een bepaalde tijd te decompresseren in een tank, waarin de druk zeer geleidelijk wordt verlaagd. Ook kan men andere gasmengsels gebruiken. Zo werd bij het vestigen van het diepterecord (520 m) gebruik gemaakt van een mengsel van 50 % helium, 49 % waterstof en 1 % zuurstof. In duikerklokken wordt meestal een mengsel van 80 % helium en 20 % zuurstof gebruikt. Omdat helium veel minder oplost in het bloed dan stikstof wordt de kans op (soms fatale) complicaties bij afname van de druk sterk verkleind.
Lektestgas
Lekken in (gas)leidingen kunnen worden opgespoord met behulp van verschillen in warmtegeleiding, de zogenoemde Thermo Conduction Detection (TCD). Omdat de warmtegeleiding van helium veel groter is dan die van de meeste andere gassen is helium een zeer geschikt gas voor deze methode.
Laser
In een gewone gasontladingsbuis is het aantal atomen dat in aangeslagen toestand verkeert relatief laag. Er worden in verhouding weinig fotonen uitgezonden, zodat een vrij zwakke lichtbron ontstaat. Onder bepaalde omstandigheden en bij bepaalde stoffen kan men bereiken dat het aantal atomen in een hoger energieniveau groter is dan het aantal atomen in een lager energieniveau. Dit heet “populatie-inversie”. Bij populatie-inversie is de kans op gestimuleerde emissie groter dan de kans op absorptie. Gestimuleerde emissie houdt in dat een atoom in aangeslagen toestand wordt gestimuleerd tot het uitzenden van een foton zodra het wordt getroffen door een ander foton. Er zijn dan twee fotonen met dezelfde frequentie, fase en richting. Door de lichtbundel vele malen heen en weer te laten gaan tussen twee spiegels in de gasontladingsbuis, kan men bereiken dat één foton vele malen een atoom stimuleert om een identiek foton uit te zenden. Het aantal fotonen neemt hierbij sterk toe. Omdat een van de twee spiegels in de laser een klein gedeelte (bijv. 1 of 2 %) van het licht doorlaat, treedt een zeer sterke monochromatische bundel naar buiten. Een dergelijke gasontladingsbuis wordt een laser genoemd (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Het voordeel van lasers is dat ze monochromatische lichtbundels opleveren, die bijzonder energierijk (kunnen) zijn en vrijwel niet divergeren. De golflengte van het uitgezonden licht is afhankelijk van de stof waarmee de laser is gevuld.
Er zijn gaslasers en vastestoflasers. Bij gaslasers komen de atomen in aangeslagen toestand door botsingen met elektronen. Bij vastestoflasers is de vaste stof in kristalvorm aanwezig en kan ze in aangeslagen toestand gebracht worden door bijvoorbeeld licht uit een flitslamp.
Lasers worden tegenwoordig veel gebruikt. Enkele bekende toepassingen zijn het hechten van netvlies (en andere chirurgische toepassingen), het snijden van metalen en het boren van minuscuul kleine gaatjes. Ook bij kassa's met streepjescodelezers, in computers en communicatieapparatuur met glasvezels en in CD-spelers wordt gebruikt gemaakt van laserbronnen.
De op scholen veel gebruikte laserbronnen zijn gevuld met een mengsel van helium en neon. De tussen de elektroden versnelde elektronen brengen heliumatomen in aangeslagen toestand; deze zorgen er op hun beurt - via botsingen - voor dat neonatomen in een metastabiele aangeslagen toestand komen. Helium-neon-lasers leveren oranjeachtig licht met een golflengte van 632,8 nm. Ook in het infrarode gebied (1152 en 3391 nm) is deze laser bruikbaar.
Deze laser wordt ingezet bij precisiemeting voor cartografische doeleinden. Ook bij de aanleg van de Kanaaltunnel werd er gebruik van gemaakt voor de positiebepalingen.
Beschermgas
Helium wordt bij het lassen van metalen als aluminium, titaan, molybdeen, magnesium of roestvrij staal toegepast als beschermgas om vorming van oxiden en nitriden tegen te gaan. Het wordt zowel puur gebruikt als gemengd met andere edelgassen (bijv. argon; zie ook 18 - Argon).
Bij de productie van metalen (onder andere titaan en zirkonium) en van halfgeleiders en bij raketmotoren wordt helium als beschermgas gebruikt.
Kernreactorkoelmiddel
In compacte snelle kweekreactoren (zonder moderator en met 239PuO2 in UO2 als splijtstof) wordt gekoeld met vloeibaar natrium of met heliumgas (onder hoge druk). De warmtegeleiding van helium is groter dan van de meeste andere gassen.
VERDERE TOEPASSINGEN
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element):
(bij)vulling in gasontladingsbuizen (geeft geel licht)
(precisie)gasthermometer
bepalen van de ouderdom (met behulp van in mineralen/gesteenten opgesloten helium)
dragergas bij de gaschromatografie
hulpgas in CO2-lasers
koelen van maser (een laser voor microgolven), bijv. in een satelliet
koelen van materiaal voor supergeleidende magneten
massaspectrometrie opsporen of volgen van onderaardse water- en gasstromen
stralingsdetectoren
therapie voor astmapatiënten (80 % He/20 % O2 ; bij een lagere dichtheid gaat het ademen veel beter)
vulling in de brandstoftanks van raketten (helium - in de tanks vloeibaar - verdampt als de hoeveelheid brandstof afneemt en houdt zo de ruimte onder druk; voor de Saturnusraket is ongeveer 3,7. 105 m3 nodig)
windtunnel (supersonisch).