Helium är grundämne nummer två i det periodiska systemet, en färglös och luktlös ädelgas. Ämnet har lägst kokpunkt av alla grundämnen, och endast vid högt tryck övergår det i fast form.
Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Nytt helium uppstår genom fusionsprocesser i stjärnorna och genom alfastrålning från radioaktiva grundämnen. Koncentrationen i jordens atmosfär är låg, så helium utvinns mest ur naturgas.
Helium används inom flera teknikområden: Eftersom gasen är lätt och inert med små obundna atomer passar den som kontrollerad atmosfär, vid läcksökning och som drivgas i raketer. Flytande helium är ett viktigt kylmedel inom lågtemperaturtekniken och i det supraflytande tillståndet blir ämnet en mycket god värmeledare.
Heliumatomen
miniatyr|vänster|Bindningsenergi per nukleon. D är deuterium (2H), T är tritium (3H)
Heliumatomens kärna består av två protoner och en eller flera neutroner. Det omgivande elektronmolnet har två elektroner som fyller 1s-orbitalen. Av alla atomer har helium den minsta radien.
Helium har två naturliga stabila isotoper med olika fysikaliska egenskaper vid låg temperatur, dessutom några instabila syntetiska isotoper.
Helium-4 Den på jorden helt övervägande isotopen Helium-4, eller 4He, har två neutroner och är en boson. Kärnan har en bindningsenergi av 7,07 Megaelektronvolt (MeV) per nukleon, vilket är det högsta värdet bland alla atomer med masstal under 12. 4He-kärnan är därmed mycket stabil.
Helium-3 Helium-3- eller 3He-atomen har endast en neutron och är därmed en fermion. På jorden är den sällsynt och utgör endast 1,34 ppm av luftens heliumatomer.
Bindningsenergin per nukleon är 2,57 megaelektronvolt (MeV), vilket är jämförbart med det radioaktiva 3H (tritium). Helium-3 som fusionsbränsle Man har diskuterat om 3He kan användas som bränsle i fusionskraftverk, genom deuterium-helium3- och helium3-helium3-fusionerna: {| |2H + 3He || → 4He || + 1H
|3He + 3He || → 4He || + 2 1H |} Till skillnad från de i forskningsreaktorer vanligen använda DT och DD-processerna, skulle 3He-fusion ha fördelen att varken generera neutroner eller radioaktiva isotoper. De reaktortekniska extra-svårigheterna för 3He-fusion är dock betydande: Deuteriumkärnor fusionerar lättare med varandra än med 3He och för att fusionera två 3He-kärnor behövs mycket högre temperaturer och tryck än för DT- och DD-Processerna.
Syntetiska isotoper De radioaktiva isotoperna 6He, med halveringstiden 805 ms och 8He, med halveringstiden 122 ms förekommer inte naturligt och övergår vanligen till litium genom betasönderfall.
Aggregationstillståndens egenskaper På grund av heliums speciella egenskaper behandlas i följande avsnitt suprafluiditet som ett aggregationstillstånd även om detta inte stämmer exakt med gängse allmän definition
Till skillnad från de flesta andra grundämnen beror övergångarna mellan heliums aggregationstillstånd starkt av isotopen. miniatyr|vänster|Fasdiagram för 4He miniatyr|vänster|Fasdiagram för 3He Egenskap 4He 3He Kritiskt tryck 229 kPa 124 kPa Kritisk temperatur 5,20 K 3,37 K Kokpunkt vid atmosfärstryck 4,215 K 3,191 K Övergång till suprafluiditet (atmosfärstryck) 2,17 K 1 mK Gasform Vid 0 °C och 1000 kPa är helium en färglös gas utan lukt och smak. Densiteten är 0,178 kg/m3, eller knappt en sjundedel av luftens. En heliumballong med volymen 1 m3 lyfter 1,115 kg, inklusive sin egen massa. Den låga densiteten inverkar även på ljudhastigheten, som är 971 m/s, eller knappt 3 gånger ljudhastigheten i luft.
Heliums värmeledningsförmåga är 0,142 W/(m*K) vid 19 °C, eller fem gånger luftens.
Heliumatomen, som är mindre än alla gas-atomer och -molekyler, diffunderar särskilt lätt genom små öppningar.
Flytande helium Vid temperaturer under 4 K (−269 °C) kondenserar helium till en färglös vätska. Flytande helium har flera speciella egenskaper: Kokpunkten är den lägsta av alla grundämnen. Alla andra grundämnen har en kokpunkt över 20 K. Vid atmosfärstryck är helium (supra-)flytande vid absoluta nollpunkten. Alla andra grundämnen är fasta vid 10 K.
Supraflytande helium Supraflytande 4He miniatyr|vänster|stående|Supraflytande helium "kryper" över barriärer. Vid lambdapunkten, 2,17 K, övergår 4He i en supraflytande fas utan viskositet. Vätskan kan flyta genom kapillärer utan mätbar friktion och den kan flyta över barriärer till en lägre potential. Genom den andra ljudvågen får vätskan en mycket hög värmeledningsförmåga.
I litteratur kallas ofta den "vanligt" flytande fasen i 4He för helium I. Den supraflytande fasen kallas helium II.
Det finns flera teorier om suprafluiditet i 4He: Fritz London antog att 4He nära absoluta nollpunkten blir ett Bose–Einstein-kondensat. László Tiszas två-vätske-modell uppfattar helium under lambdapunkten som en blandning av en normalt flytande och en supraflytande fas. Lev Landau införde en ny kvasipartikel: Rotonen för att beskriva supraledningen i 4He
Supraflytande 3He Vid temperaturer under 1 mK kan även 3He bli supraflytande. Supraflytande 3He har en mer komplicerad struktur än 4He och måste förklaras med andra teorier.
Helium i fast form Endast vid låga temperaturer och tryck högre än 2,5 MPa, (cirka 25 atmosfärer), kan helium inta fast form. Kristallstrukturen är hexagonal (hcp) eller i vissa fall kubiskt rymdcentrerat (bcc).
Trippelpunkt Fast helium sublimeras inte till gasform. Det finns därmed ingen trippelpunkt enligt gängse definition. Som trippelpunkt kan man istället ange jämviktspunkten mellan faserna "gas", "flytande" och "supraflytande" (för 4He: 2,172 K och 5,035 kPa) eller den mellan faserna "flytande", "supraflytande" och "fast" (för 4He: 1,76 K och 3,02 MPa). Dessa motsvarar lambdapunktens lägsta och högsta tryck.
Kemiska egenskaper Molekyler och joner På grund av elektronstrukturen och elektronernas närhet till kärnan är helium inert. Med 24,6 eV är joniseringsenergin den högsta av alla atomers. Helium ingår därför endast i specialfall molekyl- eller jon-liknande förbindelser. Dihelium Dihelium (He2, ChEBI ID:33685) är en mycket löst bunden dimer som uppstår genom van der Waals-kraft. I dimeren är avståndet mellan atomerna hela 5,2 nm och bindningsenergin 1,1 mK (10-7eV). Eftersom vibrationsenergi lätt bryter upp molekylen är den instabil, utom vid temperaturer nära absoluta nollpunkten. Dihelium kan joniseras och den negativa jonen He2- är metastabil med livslängd över 1 μs.
Litium-Helium dimer Man har vid temperaturer under 5K även kunnat påvisa en van der Waals-dimer av helium och litium (LiHe).
Löslighet Heliums vattenlöslighet är mycket låg: Endast 1.5 mg helium kan lösas i en liter vatten vid 20 °C och 1013 hPa.
Förekomst miniatyr|right|stående|Proton-protonkedjan I universum I universum är helium det näst vanligaste grundämnet: Enligt Big Bang-teorin skedde en tidig nukleosyntes av lätta atomkärnor inom 20 minuter efter Big Bang. Efter denna skall 25 % av universums massa ha bestått av 4He och 10 ppm av 3He. Heliumhalten stämmer ungefär med vad som idag observeras i utomgalaktiska H II-regioner.
Solen och solsystemet Helium är också vanligt i solsystemet: solens, liksom många andra stjärnors, värme uppstår huvudsakligen genom proton-proton-processen där helium bildas ur väte. Solens fotosfär innehåller 25 % helium och heliumhalten i solvinden är någon viktprocent av vätehalten. I solvinden är mol-förhållandet mellan 3He och 4He ca. 430 ppm.Solar wind helium, neon, and argon isotopic and elemental composition: Data from the metallic glass flown on NASA’s Genesis mission, Grimberg et al, Geochimica et Cosmochimica Acta 72 (2008) 626–645
Planeternas atmosfär har olika heliumkoncentration. Allmänt sett är den större i stora planeter: Venus 0,0012 % (12 ppm)NASA Factsheet Venus, läst 19 juli 2017 Jorden 0,00052 % (5,2 ppm)NASA Factsheet Earth, läst 19 juli 2017 Mars mycket låg / okändNASA Factsheet Mars, läst 19 juli 2017 Jupiter 10,2 %NASA Factsheet Jupiter, läst 19 juli 2017 Saturnus 3,25 %NASA Factsheet Saturn, läst 19 juli 2017 Uranus 15,2 % ± 3,3 %NASA Factsheet Uranus, läst 19 juli 2017 Neptunus 19 % ± 3,2 %NASA Factsheet Neptune, läst 19 juli 2017 Tabell: Volymmässig heliumkoncentration i solsystemets planetatmosfärer.
Månytans regolit, som utsätts för solvinden, innehåller också helium. Förhållandet mellan de stabila isotoperna [3He]/[4He] är 0,03 viktprocent, liknande förhållandet i solvinden och betydligt högre än på jorden.
På jorden I jordens innandöme bildas helium vid alfasönderfall av tunga grundämnen.http://www.sciencedaily.com/releases/2008/01/080102093943.htm Naturgas kan därför innehålla ett par procent helium. Heliumrik naturgas finns normalt över kristallina bergarter innehållande uran eller torium. För att helium skall hållas kvar i ett lagerställe måste det vara täckt av täta sedimentära bergarter. Kväve fungerar som bärgas för heliumtransport i berget. I vår atmosfär är heliumkoncentrationen dock endast 5,2 ppm eftersom heliumatomerna snabbt avges till världsrymden.
Produktion och marknad Anrikningsprocess miniatyr|höger|Anrikningsverk utanför Amarillo, Texas Naturgasen ur vilken helium utvinns bör ha en halt av minst 0,4 %. Den genomgår först en förbehandling där koldioxid, vattenånga och tyngre kolväten tas bort. Därefter avskiljs metan och kväve i flera steg genom fraktionerad destillation. Produkten är ett råhelium med 50 till 70 % helium, kvävgas liksom små mängder metan, vätgas och neon. Råhelium renas genom kondensation av kvävgas och metan, oxidering av vätet och pressure-swing-adsorption (PSA) till 99,99 % renhet.
Tillgång miniatyr|höger|Heliumproduktion i USA Världens heliumutvinning år 2016 uppskattas till 132 miljoner m³. Marknaden domineras av USA och Qatar: 2016 producerade USA 63 miljoner m³ helium. Produktionen kommer ur källor i norra Texas, Oklahoma, Kansas och östra Colorado men också längre västerut, runt Klippiga bergen.The Impact of Selling the Federal Helium Reserve , National Academies Press, Washington D.C., 2000 Dessutom frigjordes 22 miljoner m³ helium ur den statliga strategiska reserven (National Helium Reserve) i Cliffside utanför Amarillo, Texas. Qatars helium anrikas i Ras Laffan. 2016 producerades 50 miljoner m³. Algeriet var världens tredje största producent med 10 miljoner m³.
Produktion i EU Inom Europeiska unionens område finns helium i sydvästra Polen. År 2015 utvanns där 1 miljon m³ ur naturgasresevoarer med en heliumhalt om 0,22 till 0,42 %. En produktionsenhet står i Odolanow.
Pris och trender En kubikmeter helium med 99,997 % renhet, Helium-A, handlades 2016 för 7,21 US dollar. Priset från USA:s strategiska reserv styrs av Helium Privatisation Act från 1996.
I takt med att naturgas förbrukas som bränsle, utan att ta vara på heliuminnehållet, minskar världens lätt utvinnbara heliumtillgångar. Det har spekulerats i heliumbrist om USA:s strategiska reserv skulle uttömmas, men år 2016 innehöll reserven 735 miljoner m³ vilket skulle räcka att upprätthålla nuvarande försäljning åtminstone i 30 år. Världens heliumresurser uppskattas till 52 miljarder m³.
Användningsområden miniatyr|höger|Magnetkamera för MRI Kylmedium I USA går en tredjedel av heliumkonsumtionen till kylanvändningar. Flytande helium är ett viktigt kylmedium inom lågtemperaturtekniken och för att nå temperaturer under 17 K finns det knappast något alternativ. I de flesta fall inträffar supraledning under 17 K så en vanlig användning är att kyla supraledande magneter, exempelvis i de medicinska undersökningsmetoderna magnetisk resonanstomografi (MRI), kärnmagnetisk resonans (NMR) och elektronspinnresonans.
Supraflytande helium vid 1,9 K har en värmeledningsförmåga mer än hundra gånger högre än syrefri (OF-)koppar och är därmed en mycket effektiv värmeledare.
Tryck och rensning Stora mängder helium används i raketer för att trycksätta och rensa tankar med kalla vätskor, exempelvis flytande syre.
Kontrollerad atmosfär