Helium

Hoofdstuk 1 Inleiding

Helium behoord tot de edelgassen, net zoals neon, argon, krypton, xenon en radon. Samen zijn ze groep VIII in het periodiek systeem. Edelgassen hebben in de loop der tijd een aantal verschillende namen gehad. In het begin werden ze ‘zeldzame gassen’ genoemd, omdat ze zo moeilijk te vinden waren. Ze werden ook wel ‘inerte gassen’ genoemd, omdat de mensen dachten dat ze niet met andere stoffen reageerden. Edelgassen is een veel betere naam, omdat ze net zoals edelen niet zo maar met ‘iedereen omgaan’. Helium ontstaat, net zoals argon en radon, bij de afbraak van onstabiele of radio-actieve chemische elementen in onderaards gesteente. Een deel van die gassen ontsnapt uit de scheuren en spleten en komt in de atmosfeer terecht. In de aardbodem ligt ongeveer 300 x zoveel helium als in de atmosfeer.

Hoofdstuk 2 Naam

Helium is na waterstof het meest voorkomende element uit het heelal. Het ontstaat in sterren uit waterstof. Ongeveer 25% van de totale massa van de zon bestaat uit helium. Helium is daarom genoemd naar de zon. In het Grieks is helium : Helios.

Hoofdstuk 3 Ontdekking

Helium is het enige element waarvan men eerst het bestaan in de ruimte en pas later het bestaan op de aarde had ontdekt. Op 18 augustus 1868 bestudeerde de Engelse astronoom Sir Joseph Lokyer de zonsverduistering met een spectroscoop. Lokyer ontdekte een nieuwe lijn in het spectrum van de zon. Hij stelde vast dat het om een nieuw element ging. Hij noemde het helium.

In 1895 ontdekte Ramsay het bestaan van helium op aarde. Het gas kwam vrij bij een radio-actief verval van uranium

William Ramsay was een Brits chemicus. Hij was in 1880 een hoogleraar in de chemie aan het Universiteit College in Bistol en in 1887 tot 1913 aan de Universiteit College in Londen. Hij deed veel chemische onderzoekingen op het gebied van grensvlakspanningen. In 1894 identificeerde hij helium en isoleerde hij argon uit lucht, in 1898 isoleerde hij de edele gassen: krypton, neon en xenon. In 1905 ontdekte hij \'radiothorium\'. In 1902 werd hij geadeld. Later ontving hij voor de ontdekking van de edele gassen en de vaststelling van hun plaats in het periodiek systeem de Nobelprijs voor scheikunde.

Hoofdstuk 4 Het winnen van Helium

Helium komt voor in de lucht (atmosfeer) en het word uit gasbronnen gewonnen. Behalve aardgas kun je ook andere gassen diep uit de grond pompen. Deze gassen zijn soms rijk aan helium. In de Verenigde Staten zijn ook veel gasbronnen voor helium. Vooral in Noord-amerika, met name de Rocky Mountains. Helium zit vaak in de bergen ‘opgesloten’. Ook zit helium in de aardgas velden in Canada, Engeland, Nederland, Algerije, Rusland, Kazakstan, Azerbeidzjan, Oekraine, Oezbekistan, Kirgizie en polen.

Hoofdstuk 5 Bereiding van nu

Zuiver helium kan in het laboratorium worden bereid door uraanhoudende mineralen, maar het meest word helium gewoon gedestilleerd.

Lucht moet verschillende bewerkingen ondergaan om helium eruit te halen. Om te beginnen wordt de lucht samengeperst tot een 6 x zo hoge druk als normaal. De lucht word dan afgekoeld zodat het water, de koolstofdioxide en andere onzuiverheden bevriezen tot ijskristallen, die er eenvoudig uit te halen zijn. De gezuiverde lucht wordt vervolgens nog een keer afgekoeld tot een extreem lage temperatuur. Daardoor nemen alle gassen in de lucht een vloeibare vorm aan. De vloeibare lucht word in een distlleervat gepompt en een deel van de vloeibare stikstof wordt eruit gehaald. De vloeistof die overblijft bevat alle gassen uit de lucht, met een beetje minder stikstof en zuurstof. De vloeibare lucht wordt overgepompt naar een weer ander distilleervat, waarin de druk minder hoog is. In dit vat worden de gassen uit de vloeistof gekookt en op verschillende niveaus in het vat verzameld in de vorm van vloeistoffen. De gassen worden weer afgevoerd en in een andere toren nogmaals gedestilleerd om ze verder te zuiveren. Dan kan je de heliumgassen eruit halen, want de rest is al bevroren.

Hoofdstuk 6 Toepassingen

Toepassing 1: Helium in de lucht (ballonnen)

Helium wordt vaak gebruikt als vulmiddel voor ballonnen, zeppelins en andere luchtschepen die lichter dan lucht moeten zijn. Bij ballonnen en zeppelins kan je dan denken aan reclametoepassingen, maar ook atmosferisch en militair onderzoek zijn belangrijke toepassingen. Helium is beter te gebruiken dan waterstof, omdat het niet zo brandbaar is als waterstof en dus veiliger. Een belangrijke les was de ramp met de zeppelin de Hindenburg. Helium is wel duurder dan waterstof, omdat helium moeilijker is te verkrijgen.

Toepassing 2: Heliumstem

Bij het inademen van Helium kan je een ‘heliumstem’ krijgen
De Heliumstem is een afwijkende stemklank wanneer iemand helium heeft ingeademd. Het lijkt dan of de toonhoogte van de stem verhoogd is. Een basstem verandert bijna in het stemmetje van Donald Duck. Het te lang inademen van helium kan gevaarlijk zijn.

Toepassing 3: Duiken

Het gasvormig helium word ook gebruikt om een mengsel van zuurstof/heliumgas te maken. Het wordt gebruikt voor duiken tot grotere diepten (tot ca. 45 m) Het is beter dan gewone lucht of zuurstof-stikstofmengsels. Er ontstaat bij de laatste mengsel gemakkelijk de caissonziekte, terwijl bij het gebruik van zuurstof-heliummengsels dit gevaar, als je het goed gebruikt, niet aanwezig is en bovendien de duiker niet het gevaar loopt verdoofd te geraken.

Toepassing 4: Lasers

Je kan van helium lasers maken. Het wordt gebruikt om barcodes te scannen in winkels en supermarkten, het hechten van het netvlies, snijden van metalen en het boren van miniscuul kleine gaatjes. Het zit in cd-spelers en ze worden gebruikt voor lichtshows.

Toepassing 5: MRI-scans

Vloeibaar helium wordt steeds meer gebruikt bij MRI-scans (Magnetic Resonance Imaging) in de medische sector. De magneten van een MRI-apparaat worden gekoeld met vloeibaar helium.

Toepassing 6: Beschermgas

Helium wordt bij het lassen van metalen zoals aluminium, titaan, molybdeen, magnesium of roestvrij staal gebruikt als beschermgas om vorming van oxiden en nitriden tegen te gaan. Het wordt puur en gemengd met andere edelgassen gebruikt.

Hoofdstuk 7 Toepassing uitgewerkt

Helium in de lucht

Drijven op water
Archimedes vroeg zich al tijden af waarom sommige dingen in water drijven en andere niet. Toen hij een bad nam, kreeg hij ineens een ingeving: hij riep \"Eureka!\" sprong de badkuip uit. Hij had ontdekt dat iets blijft drijven als het lichter is dan water. Dat komt door de waterdruk: hoe dieper je gaat, hoe groter die wordt. Het drukverschil tussen de boven- en onderkant van een drijvend voorwerp kan net genoeg zijn om het tegen de zwaartekracht in naar boven te duwen. Maar dan moet dat voorwerp wel lichter zijn dan water.

Drijven op lucht
Water is niet de enige stof waarvoor de wet van Archimedes geldt: die gaat op voor andere vloeistoffen, maar ook voor gassen zoals lucht. Omdat lucht een stuk lichter is dan water, kunnen de mensen er niet in drijven: wij zijn zwaarder dan lucht, maar met materiaal dat lichter is dan lucht gaat dat zonder problemen. Als je daar genoeg van neemt, kun je ook zwaardere dingen optillen. Mensen bijvoorbeeld, of een complete luchtballon. Warme lucht, waterstof en helium zijn zulke stoffen die lichter zijn dan lucht. Warme lucht is lichter dan koude lucht, omdat het een groter volume inneemt. Een liter warme lucht bevat minder moleculen dan een liter koude - en is dus lichter. De gassen waterstof en helium hebben de lichtste atomen van allemaal. Daarom zijn ze per deeltje al lichter dan lucht. Als je die twee gassen ook nog eens verwarmt, duwt de lucht ze volgens de wet van Archimedes makkelijk omhoog.

Een van de eerste ballons werd door de Franse broers Montgolfier gebouwd. Deze ballon werd in Parijs getest.

De Franse broers Joseph en Jacques Montgolfier waren de eersten die met een papieren ballon vol warme lucht de lucht ingingen. Ballons werden daarna voor allerlei taken ingezet: legers gebruikten ze om te verkennen, maar tegenwoordig worden ze gebruikt om op grote hoogte metingen aan de atmosfeer te doen. Eerst dachten de mensen dat de zeppeling een hele goeie transportmiddel zou worden. De zeppelings waren gigantische ballons, gevuld met het lichte gas waterstof. Ze konden enorme hoeveelheden lading vervoeren, maar bleken door hun waterstof ook erg gevaarlijk. Waterstof is namelijk niet alleen licht: het is ook erg brandbaar. De ramp met de zeppelin Hindenburg in 1937 was het einde van het zeppelin-tijdperk. Ballonnen bleven ook na de ramp met de Hindenburg aantrekkingskracht uitoefenen op mensen. Het brandbare waterstof werd ingeruild voor helium of hete lucht. Die stoffen zijn zwaarder dan waterstof en leveren dus minder stijgkracht, maar ze zijn niet brandbaar.

Vanwege de hoge kosten wordt in een luchtballon ook wel een mengsel van 80% helium en 20% waterstof gebruikt. Het luchtschip of de ballon word aan de buitenzijde gevuld met helium en aan de binnenzijde met waterstof, zo word het explosief gevaar verminderd.

Hoofdstuk 8 Eigenschappen

Het smeltpunt

Het smeltpunt van helium is –272,2 °C. Omdat het zo’n laag smeltpunt heeft, wordt het vaak gebruikt als een koelmiddel voor bv: een kernreactor.

Het kookpunt

Het kookpunt van helium is heel laag. (- 268,9 °C) Daardoor is de brandbaarheid ook heel laag. Het wordt dan gebruikt voor de vulling van een luchtballon, want dan vliegt het niet gauw in de fik. Het is veel veiliger.

Fase

Als de fase van helium gas is, dan word het bijvoorbeeld gebruikt voor het diepzeeduiken Ze maken er dan een mengsel van met zuurstof.

De dichtheid

De dichtheid van Helium is kleiner dan de dichtheid van lucht, daardoor zweeft helium in de lucht. Dit is ook een reden voor het gebruik van Helium als vulling voor ballonnen.

Kleur

Als je elektrische stroom door helium laat gaan, krijg je goud-gele kleur. Als je de gassen met elkaar, of met kwik-damp of argon mengt, kan je een groot aantal kleuren maken. De bliksem heeft een lichtblauwe kleur, omdat lucht uit een mengsel van verschillende gassen bestaat.

Hoofdstuk 9 Extra

HELIUM I & II

Om helium in vloeibare vorm te krijgen moet je het afkoelen tot –268,92°C. Het is een kleurloze vloeistof en zo doorzichtig dat je met het blote oog de oppervlakte van de vloeistof niet kan zien. Helium I bestaat alleen bij een temperatuur die maar een paar graden boven het absolute nulpunt( -273,15) ligt.

In helium I zitten altijd belletjes, maar als je het afkoelt tot net boven het absolute nulpunt, zet het uit en komt het helemaal tot rust. Het is dan Helium II geworden. Het is dan net als alle andere vloeistoffen.

Hoofdstuk 10 Nawoord

Dit zijn de bronnen die ik heb gebruikt:

Boeken:

Chemistry, schrijvers: John C. Bailar/ Therald Moeller/ Jacob Kleinberg/ Cyrus O. Guss/ Mary E. Castellion/ Clyde Metz.

Chemistry second edition, schrijvers: Stuart J. Baum/ Charles W.J. Scaife.

Internet: http://www.mcs.drexel.edu/~crorres/Archimedes/contents.html
http://www.howstuffworks.com/helium.htm/printable
http://www.periodieksysteem.com