Heelium (1)

Levimus
Planeedil Maa on heelium vähelevinud element, mida leidub looduses vaid vabas olekus. Üldvarusid atmosfääris hinnatakse 3,7*10Combintonnile, kerguse tõttu esineb peamiselt ülakihtides, kust levib aeglaselt kosmosesse. Sel teel on suurem osa heeliumist, mis Maal on tekkinud radioaktiivse lagunemise käigus miljardite aastate jooksul, planeedilt lahkunud. He sisaldub looduslikes gaasides ja absorbeerunult haruldastes radioaktiivsetes mineraalides kleveiidis, monatsiidis ja torianiidis (kuni 10,5 l/kg). Atmosfääris esineb peamiselt Heelium-4, Heelium-3 osakaal on väga väike.
Universumis on He üks levinumaid elemente. He tekib termotuumasünteesil prootonitest tähtede sisemuses (seejuures vabaneb 175 milj kWh energiat 1 kg He kohta).
Saamine
Tänapäeval eraldatakse He peaaegu eranditult vastavatest looduslikest gaasidest , kus võib sisalduda isegi 2-7% He. Tavalises tööstustoormes on enamasti siiski vaid mõni kümnendik (min 0,1-0,4) protsenti heeliumi. Gaas kuivatatakse ja vabastatakse CO2 –st, seejärel jahutatakse astmeliselt põhikomponentide eraldamiseks, kuni saadakse küllalt puhas He.
Omadused
He on:

• Kõige inertsem tuntud ainetest. Ei moodusta keemilisi ühendeid ega klatraate. Molekulidevahelised vastasmõjud on heeliumis väiksemad kui üheski teises aines. He aatom (ühtlasi molekul) on molekulaarsetest struktuuridest lihtsaim.
  
• Vähe kerge gaas, veskinikust vaid 1,98 korda suurema tihedusega (õhust 7 korda kergem). Sellest tuleneb gaasilise He suur difusioonivõime (tungib kiiresti läbi väikeste avade, omab head jahutusvõimet, läbib kergesti õhukesi kilesid). He läbib ka paljusid metalle (läbimatud on raud ja plaatinametallid), polümeere, klaasi (tugevasti sõltuvalt klaasiliigist) jt materjale.
  
• Parim gaasiline elektrijuht ; soojusjuhtivuselt 2.kohal (vesiniku järel).
  
• Erakordselt vähelahustuv vees jt polaarsetes, sh bioloogilistes vedelikes. Sellel põhineb He kasutamine tuukrite hingamissegudes (väldib kessoontõbe, kuna välisrõhu muutumisel ei teki veres gaasimulle).
  
• Madalaima sulamis-, keemis- ja kriitilise temperatuuriga (kõige raskemini vedelduv ja tahkestuv) aine. Tahke He saamiseks on vaja rakendada täiendavalt rõhku (min 2,5 MPa) ~0K juures (esmakordselt saadi alles 1926).
  

Vedelal heeliumil on anomaalsed, nn kvantvedeliku omadused. Temperatuuril alla 2,17K (olenevalt rõhust) läheb vedela Heelium-4 laiemas diapasoonis püsiv vorm, He I, hüppeliselt üle teise olekusse – moodustub nn He II, mille mitmed omadused ( soojusjuhtivus , viskoossus, tihedus jnt) on teravalt erinevad. He II on ülivoolav vedelik, mis läbib äärmiseid peeneid (alla 100 nm) kapillaare; soojusjuhtivus ületab He I soojusjuhtivuse u 300 milj korda.
Ülivoolavus ilmneb ka isotoobi Heelium-3 korral, kuid hoopis nullilähedasematel (2,6*10CombinCombinK) temperatuuridel . Üldiselt on aga selle haruldase isotoobi füüsikalised parameetrid tunduvalt erinevad Heelium-4 vastavatest näitajatest.
Vedela He temperatuuril ilmneb ka universaalsem, nn madaltemperatuurne ülijuhtivus – nähtus, mille puhul teatud metallide, sulamite, keraamiliste kompositsioonide ja mõnede keemiliste ühendite elektriline takistus muutub hüppeliselt nulliks (alalisvoolu suhtes takistus puudub). Nähtuse avastas hollandi füüsik H.Kamerlingh-Onnes (1911 Leidenis), kes esimesena sai vedelat He (1908) ja uuris selle omadusi. Absoluutse nulli (0K) lähedased temperatuurid seostuvad eelkõige vedela He kasutamisega.
Toodang ja kasutamine
Heeliumi aastane maailmatoodang on erinevatel andmetel 4,5-10 tuhat tonni. Peamised kasutusalad on raketikütuse tehnoloogia ja tuumaenergeetika (kokku ca 60% toodangust); metallide keevitamisel, lõikamisel ja sulatamisel inertkeskkonna loomine (15%); tuukrite hingamissegud; teatud gaaslaserid; madalate temperatuuride füüsikas ja ülijuhtivates magnetites (nt tuumamagnetresonants-spektroskoopias) ning teatud analüüsimetoodikates (nt kandegaasina kromatograafis). Ka Eestis kasutatakse He pidevalt mitmetes teadusasutustes.
He rakendatakse ka, sageli segus Ne-ga, gaaslahendus- ja signaallampide täiteks.
Ajalooliselt esimene He laialdasem kasutusala oli dirižaablite täitmine, mida tarvitasid sakslased 1915. a Londoni pommitamiseks. He-ga täidetud aerostaate on rakendatud ka kaitsesõjas ( peamiselt Teises maailmasõjas kaitseks lennukite vastu). Dirižaableid on periooditi kasutatud ka inimeste ja kaupade transpordil ning ehitus-ja montaažitöödel.
Nimetus ja avastamine
Prantsuse õpetlane Jules Janssen võttis ette pika reisi Indiasse , kus Päikese krooni nähtavus arvati olevat parem. Sealt lähetas ta Pariisi Teaduste Akadeemiale telegrammi, milles teatas, et avastas Päikese spektris vesiniku spektrijoonte kõrval eredad kollased jooned, mis polnud iseloomulikud ühelegi tol ajal tuntud elemendile. Võrreldes hoolikalt kõikide tuntud ainete spektreid, jõudis ta veendumusele, et tegu on senitundmatu elemendiga. Nüüd lähetas Janssen akadeemiasse oma uurimistulemustest pikema aruande, kuid post liikus aeglaselt ja kiri jõudis Pariisi alles 24. okt 1868 a. Samal päeval saabus siia ka Joseph Norman Lockyeri kiri Londonist, mis oli teel olnud kõigest neli päeva. Järgmisel päeval loeti mõlemad kirjad akadeemia koosolekul ette. Kaks teadlast maailma eri paikadest teatasid peaaegu üheaegselt uue elemendi avastamisest Päikesel. Akadeemia laskis selleks puhuks vermida isegi medali, mille ühel küljel on teadlaste bareljeefid, teisel aga Kreeka päikesejumala Apolloni kujutis. Möödus veel kaks aastat, ja Lockyer ning Edward Frankland nimetasid uue elemendi Päikese kreekakeelse nimetuse järgi heeliumiks ( helios – päike).
Esinemine Maal tuvastati 1881 itaalia teadlase L. Palmieri poolt Vesuuvi vulkaaniliste gaaside spektrist. Heeliumi eraldas 1895 W. Ramsay kleveiidist.
Joseph Norman Lockyer
Jules Janssen