Helium (He) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Helium (He) ist das zweitleichteste und nach Wasserstoff zweithäufigste chemische Element im Universum. Es besitzt die Ordnungszahl 2 und gehört zu den Edelgasen. Helium ist farblos, geruchlos, nicht brennbar und unter gewöhnlichen Bedingungen chemisch nahezu reaktionsträge.

Bekannt ist Helium vor allem als Füllgas für schwebende Luftballons. Doch das unscheinbare Gas besitzt außergewöhnliche Eigenschaften: Es wurde zuerst auf der Sonne entdeckt, bevor Wissenschaftler es auf der Erde nachweisen konnten. Es besitzt den niedrigsten Siedepunkt aller chemischen Elemente und kann bei extrem tiefen Temperaturen einen ungewöhnlichen Zustand erreichen, in dem es nahezu reibungsfrei fließt. Heute ist Helium für die moderne Medizin, die Tieftemperaturphysik und zahlreiche wissenschaftliche Anwendungen von großer Bedeutung.

Helium im Periodensystem – Steckbrief

Die angegebenen physikalischen Werte beziehen sich überwiegend auf gewöhnliches Helium mit seiner natürlichen Isotopenzusammensetzung, die fast vollständig aus Helium-4 besteht. Temperatur und Druck beeinflussen die Zustandsgrößen.

Was ist Helium?

Helium ist ein chemisches Element, dessen Atome aus zwei Protonen im Atomkern und zwei Elektronen in der Atomhülle bestehen. Die häufigste Form besitzt zusätzlich zwei Neutronen im Kern. Im Gegensatz zu Wasserstoff, der unter normalen Bedingungen zweiatomige Moleküle (H₂) bildet, liegt Helium als einzelnes Atom vor. Man bezeichnet es deshalb als einatomiges Gas.

Helium ist das erste Element der Edelgasgruppe. Zu dieser Gruppe gehören außerdem Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon und Oganesson. Edelgase zeichnen sich dadurch aus, dass ihre äußere Elektronenschale vollständig besetzt ist. Deshalb gehen sie unter gewöhnlichen Bedingungen nur sehr selten chemische Bindungen ein.

Warum ist Helium ein Edelgas?

Die Elektronenkonfiguration von Helium lautet 1s². Beide Elektronen befinden sich im energetisch niedrigsten Orbital, dem 1s-Orbital. Die erste Elektronenschale kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Bei Helium ist sie deshalb vollständig besetzt. Diese besonders stabile Elektronenkonfiguration erklärt, warum Helium so reaktionsträge ist.

Um einem neutralen Heliumatom ein Elektron zu entziehen, muss sehr viel Energie aufgewendet werden. Seine erste Ionisierungsenergie beträgt etwa 2372 kJ/mol und ist damit die höchste aller chemischen Elemente. Unter gewöhnlichen Bedingungen bildet Helium daher keine stabilen neutralen chemischen Verbindungen. Unter extremen Bedingungen können allerdings ungewöhnliche heliumhaltige Verbindungen und kurzlebige Molekülionen entstehen. Helium ist also chemisch außerordentlich reaktionsträge, aber nicht unter allen denkbaren Bedingungen völlig bindungsunfähig.

Welche Eigenschaften hat Helium?

Helium ist ein farb- und geruchloses Gas mit einer außergewöhnlich geringen Dichte. Es ist nicht brennbar, unterstützt keine Verbrennung und besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Seine ungewöhnlichsten Eigenschaften zeigen sich jedoch bei sehr tiefen Temperaturen.

Warum ist Helium leichter als Luft?

Ein Heliumatom besitzt eine Masse von ungefähr vier atomaren Masseneinheiten. Die wichtigsten Bestandteile der Luft, Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂), besitzen dagegen Molekülmassen von etwa 28 beziehungsweise 32 atomaren Masseneinheiten. Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck hat Helium deshalb eine wesentlich geringere Dichte als Luft.

Ein mit Helium gefüllter Ballon erfährt in der Atmosphäre einen Auftrieb. Ist die Auftriebskraft größer als das Gesamtgewicht des Ballons einschließlich seiner Füllung, steigt er auf. Helium ist dabei ungefähr siebenmal leichter als Luft. Anders als Wasserstoff ist Helium nicht brennbar. Das macht es für viele Anwendungen als Traggas sicherer.

Warum besitzt Helium den niedrigsten Siedepunkt aller Elemente?

Helium verflüssigt sich bei Normaldruck erst bei etwa −269 °C, also nur wenig oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts von −273,15 °C. Der Grund liegt in den besonders schwachen Anziehungskräften zwischen den Heliumatomen.

Da Heliumatome sehr klein und ihre Elektronen stark gebunden sind, lassen sich ihre Elektronenhüllen nur schwer verformen. Dadurch sind die zwischenatomaren London-Dispersionskräfte ungewöhnlich schwach. Zusätzlich spielen quantenmechanische Effekte eine wichtige Rolle. Helium bleibt deshalb bis zu außergewöhnlich tiefen Temperaturen gasförmig.

Kann Helium fest werden?

Helium besitzt eine weitere Besonderheit: Unter Normaldruck wird es selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nicht fest. Während die meisten Stoffe beim Abkühlen zunächst flüssig und schließlich fest werden, bleibt Helium unter diesen Bedingungen flüssig.

Erst durch zusätzlichen Druck lässt es sich verfestigen. Bei sehr tiefen Temperaturen sind dafür ungefähr 25 bar erforderlich. Dieses Verhalten hängt mit den schwachen zwischenatomaren Kräften und der quantenmechanischen Nullpunktsbewegung seiner Atome zusammen. Die Nullpunktsbewegung beschreibt die Tatsache, dass Teilchen selbst im energetisch niedrigsten Zustand nicht vollständig zur Ruhe kommen.

Suprafluidität – wenn flüssiges Helium fast ohne Reibung fließt

Eine der faszinierendsten Eigenschaften des Heliums ist die Suprafluidität. Wird flüssiges Helium-4 bei seinem Sättigungsdampfdruck unter etwa 2,17 Kelvin abgekühlt, verändert sich sein physikalisches Verhalten grundlegend. Dieser Übergang wird als Lambda-Übergang bezeichnet. Oberhalb dieser Temperatur spricht man von Helium I, darunter von Helium II.

Was bedeutet suprafluid?

In einer suprafluiden Flüssigkeit kann ein Teil der Flüssigkeit ohne gewöhnliche viskose Reibung strömen. Viskosität bezeichnet den inneren Fließwiderstand einer Flüssigkeit. Honig besitzt beispielsweise eine höhere Viskosität als Wasser. Suprafluides Helium zeigt dagegen quantenphysikalische Eigenschaften, die sich mit der klassischen Strömungslehre allein nicht erklären lassen.

Zu seinen auffälligen Verhaltensweisen gehören:

• Strömung durch extrem feine Kapillaren mit ungewöhnlich geringem Widerstand

• außergewöhnlich hohe effektive Wärmeleitfähigkeit

• die Ausbildung dünner Flüssigkeitsfilme auf Oberflächen

• besondere Temperatur- und Druckeffekte, etwa der thermomechanische Effekt

Diese Erscheinungen entstehen durch kollektive quantenmechanische Zustände vieler Heliumatome. Die Suprafluidität ist deshalb ein wichtiges Forschungsgebiet der Tieftemperatur- und Quantenphysik.

Wo kommt Helium vor?

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste chemische Element im Universum. Auf der Erde ist es dagegen vergleichsweise selten. Dieser Unterschied hängt mit seiner Entstehungsgeschichte und seinen physikalischen Eigenschaften zusammen.

Helium im Universum – ein Produkt des Urknalls und der Sterne

Ein großer Teil des heute vorhandenen Heliums entstand bereits wenige Minuten nach dem Urknall. Während der sogenannten primordialen Nukleosynthese bildeten sich aus Protonen und Neutronen die ersten leichten Atomkerne. Neben Wasserstoff entstand dabei vor allem Helium-4.

Nach heutigen kosmologischen Modellen entfielen auf Helium-4 ungefähr 25 Prozent der Masse der ursprünglich gebildeten gewöhnlichen Materie. Auch im Inneren von Sternen entsteht Helium. In unserer Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne in mehreren Reaktionsschritten zu Helium-4. Dabei wird Energie freigesetzt, die letztlich zur Sonnenstrahlung beiträgt. Helium ist damit nicht nur ein Bestandteil der Sterne, sondern auch ein wichtiges Produkt der Kernfusion, durch die viele Sterne ihre Energie gewinnen.

Wie entsteht Helium auf der Erde?

Auf der Erde entsteht Helium unter anderem beim radioaktiven Zerfall schwerer Atomkerne. Bestimmte Uran- und Thoriumisotope senden beim Zerfall Alphateilchen aus. Ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen und ist damit der Atomkern eines Helium-4-Atoms. Nimmt dieser Kern später zwei Elektronen auf, entsteht ein neutrales Heliumatom.

Über geologische Zeiträume kann sich Helium in geeigneten Gesteinsschichten und unterirdischen Gaslagerstätten anreichern.

Warum wird Helium aus Erdgas gewonnen?

Bestimmte Erdgaslagerstätten enthalten neben Methan und anderen Gasen auch Helium. Da Helium chemisch kaum reagiert, kann es dort über sehr lange Zeiträume erhalten bleiben, sofern die geologischen Bedingungen eine Anreicherung ermöglichen.

Industriell wird Helium überwiegend aus heliumhaltigem Erdgas gewonnen. Dazu nutzt man unter anderem Verfahren der Gasreinigung und Tieftemperaturtrennung. Nicht jedes Erdgasvorkommen enthält wirtschaftlich nutzbare Heliummengen.

Warum ist Helium auf der Erde so selten?

Helium besitzt eine geringe Atommasse und kann sich langfristig aus der oberen Erdatmosphäre ins Weltall verlieren. Außerdem wird es kaum in chemischen Verbindungen gebunden.

Während große Mengen Wasserstoff beispielsweise im Wasser gespeichert sind, fehlen für Helium vergleichbare natürliche chemische Speicher. Einmal freigesetztes Helium lässt sich aus der Atmosphäre wegen seiner geringen Konzentration nur mit großem Aufwand zurückgewinnen. Deshalb gilt Helium als wertvoller Rohstoff, mit dem möglichst sparsam umgegangen werden sollte.

Die Isotope von Helium: Helium-3 und Helium-4

Helium besitzt zwei stabile Isotope. Beide enthalten zwei Protonen, unterscheiden sich jedoch durch die Anzahl ihrer Neutronen.

Helium-4 – das häufigste Heliumisotop

Helium-4 bildet den überwiegenden Anteil des natürlichen Heliums. Sein Atomkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Er ist identisch mit einem Alphateilchen. Helium-4 ist besonders stabil und spielt eine wichtige Rolle bei der Kernfusion in Sternen sowie beim radioaktiven Alphazerfall.

Helium-3 – ein seltenes Isotop für die Forschung

Helium-3 besitzt nur ein Neutron und ist wesentlich seltener als Helium-4. Es wird unter anderem in der Tieftemperaturphysik, bei bestimmten Neutronendetektoren und in wissenschaftlichen Messverfahren eingesetzt.

Auch Helium-3 kann bei extrem tiefen Temperaturen suprafluid werden. Die dafür erforderlichen Temperaturen liegen jedoch wesentlich niedriger als bei Helium-4. Die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Isotope sind eng mit ihrer Quantenstatistik verbunden: Helium-4-Atome sind Bosonen, Helium-3-Atome dagegen Fermionen.

Die Entdeckung von Helium – zuerst auf der Sonne gefunden

Die Entdeckungsgeschichte des Heliums ist ungewöhnlich: Helium wurde zunächst im Licht der Sonne nachgewiesen, bevor es auf der Erde eindeutig identifiziert werden konnte.

1868 – eine unbekannte Linie im Sonnenspektrum

Am 18. August 1868 beobachtete der französische Astronom Pierre Jules César Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Indien das Spektrum der Sonnenatmosphäre. Dabei fiel ihm eine auffällige gelbe Spektrallinie auf.

Unabhängig davon untersuchte der britische Astronom Joseph Norman Lockyer das Sonnenspektrum und erkannte ebenfalls eine bislang unbekannte Linie. Ein Spektrum entsteht, wenn Licht nach seinen Wellenlängen zerlegt wird. Jedes chemische Element besitzt charakteristische Spektrallinien, die mit den möglichen Energieübergängen seiner Elektronen zusammenhängen.

Die unbekannte Linie deutete deshalb auf ein bis dahin nicht identifiziertes Element hin. Der Name Helium leitet sich vom griechischen Wort helios für Sonne ab.

1895 – Helium wird auf der Erde isoliert

Erst 1895 gelang es dem britischen Chemiker William Ramsay, Helium aus dem uranhaltigen Mineral Cleveit freizusetzen und anhand seines Spektrums zu identifizieren.

Im selben Jahr untersuchten die schwedischen Wissenschaftler Per Teodor Cleve und Nils Abraham Langlet das Gas unabhängig und bestimmten sein Atomgewicht. Damit war nachgewiesen, dass das zuvor im Sonnenlicht entdeckte Element auch auf der Erde vorkommt.

Die Geschichte des Heliums zeigt eindrucksvoll, wie die Spektroskopie die Entdeckung chemischer Elemente ermöglicht – selbst über die Entfernung zwischen Erde und Sonne hinweg.

Wofür wird Helium verwendet?

Helium besitzt eine Kombination ungewöhnlicher Eigenschaften: Es ist leicht, nicht brennbar, chemisch reaktionsträge und kann extrem tiefe Temperaturen erreichen. Diese Eigenschaften machen es für zahlreiche technische und wissenschaftliche Anwendungen wertvoll.

Helium in der Medizin – Kühlung von MRT-Geräten

Eine der wichtigsten Anwendungen von Helium ist die Kühlung supraleitender Magnete. In vielen Magnetresonanztomografen (MRT) werden sehr starke Magnetfelder benötigt. Dafür kommen häufig supraleitende Magnetspulen zum Einsatz.

Supraleitung bedeutet, dass ein Material unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom ohne messbaren elektrischen Widerstand leiten kann. Viele dieser Magnete müssen auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden. Flüssiges Helium eignet sich dafür besonders gut, weil es bei Normaldruck erst bei etwa 4,2 Kelvin siedet.

Moderne MRT-Systeme können den Heliumverbrauch durch geschlossene Kühlsysteme und verbesserte Magnettechnik deutlich reduzieren. Manche Bauarten benötigen nur noch sehr geringe Heliummengen.

Helium in Forschung und Tieftemperaturtechnik

Helium ist für zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen unverzichtbar. Es wird beispielsweise eingesetzt bei:

• Experimenten zur Supraleitung

• Untersuchungen quantenphysikalischer Effekte

• Kühlung wissenschaftlicher Magnete

• Tieftemperaturmessungen

• bestimmten Teilchenbeschleunigern und Forschungsanlagen

Mit Helium-3 und Helium-4 lassen sich außerdem besondere Kühlverfahren verwirklichen, die Temperaturen weit unter einem Kelvin ermöglichen.

Helium als Schutzgas

Helium wird in bestimmten Schweißverfahren als Schutzgas verwendet. Das Gas schützt die erhitzten Werkstoffe vor unerwünschten Reaktionen mit Bestandteilen der Umgebungsluft.

Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und chemischen Reaktionsträgheit kann Helium bei speziellen Schweißanwendungen Vorteile bieten.

Helium zur Lecksuche

Helium eignet sich besonders gut zum Aufspüren kleinster Undichtigkeiten. Dazu wird ein Bauteil oder ein geschlossenes System mit Helium beaufschlagt. Mit empfindlichen Messgeräten lässt sich feststellen, ob Helium durch undichte Stellen austritt.

Solche Prüfverfahren werden beispielsweise in der Vakuumtechnik, im Anlagenbau und bei der Herstellung hochwertiger technischer Komponenten eingesetzt.

Helium in Luftballons und Luftschiffen

Helium ist leichter als Luft und nicht brennbar. Deshalb wird es als Traggas in Ballons, Forschungsballons und bestimmten Luftschiffen eingesetzt.

Früher wurde häufig Wasserstoff verwendet, der bei gleicher Temperatur und gleichem Druck eine noch geringere Dichte besitzt und deshalb etwas mehr Auftrieb liefert. Wasserstoff ist jedoch brennbar und kann mit Luft explosionsfähige Gemische bilden. Helium bietet hier einen wichtigen Sicherheitsvorteil.

Da Helium ein begrenzter Rohstoff ist, sollte seine Verwendung für kurzlebige Anwendungen wie Partyballons allerdings kritisch betrachtet werden.

Helium in der Atemgas- und Tauchtechnik

Bei bestimmten Tieftauchverfahren wird Helium als Bestandteil spezieller Atemgasgemische verwendet. Helium besitzt eine geringere Dichte als Stickstoff und kann bei hohen Umgebungsdrücken die Atemarbeit verringern.

Solche Anwendungen erfordern jedoch eine genaue Kontrolle der Gaszusammensetzung und besondere medizinische und technische Sicherheitsmaßnahmen. Reines Helium ist kein Atemgas, da es keinen Sauerstoff enthält.

Ist Helium gefährlich?

Helium ist chemisch ungiftig, nicht brennbar und unter gewöhnlichen Bedingungen sehr reaktionsträge. Das bedeutet jedoch nicht, dass der Umgang mit Helium grundsätzlich ungefährlich ist.

Wird Helium in hoher Konzentration eingeatmet, verdrängt es den für die Atmung notwendigen Sauerstoff. Dadurch kann es innerhalb kurzer Zeit zu Sauerstoffmangel und Bewusstlosigkeit kommen. Besonders gefährlich ist das Einatmen von Helium aus Druckgasbehältern, da zusätzlich schwere Druckverletzungen entstehen können.

Flüssiges Helium kann aufgrund seiner extrem niedrigen Temperatur außerdem schwere Kälteverletzungen verursachen.

Warum verändert Helium die Stimme?

Eine bekannte, aber gefährliche Erscheinung ist die Veränderung der Stimme nach dem Einatmen von Helium. Helium besitzt eine deutlich geringere Dichte als Luft. Dadurch ist die Schallgeschwindigkeit in Helium wesentlich höher.

Das verändert die Resonanzfrequenzen des Vokaltrakts und damit die Klangfarbe der Stimme. Die Stimme klingt deshalb ungewöhnlich hoch und hell.

Die Schwingungsfrequenz der Stimmbänder selbst muss dabei nicht entsprechend ansteigen. Vor allem die Resonanzeigenschaften der mit Gas gefüllten Hohlräume verändern sich.

Das absichtliche Einatmen von Helium ist wegen der Gefahr eines akuten Sauerstoffmangels nicht zu empfehlen.

Welche biologische Bedeutung hat Helium?

Im Gegensatz zu Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff besitzt Helium keine bekannte essentielle biologische Funktion. Es wird nicht als Baustein biologischer Moleküle benötigt und ist an den gewöhnlichen Stoffwechselreaktionen des menschlichen Körpers nicht beteiligt.

Seine Bedeutung für den Menschen liegt deshalb vor allem in seinen technischen und medizinischen Anwendungen.

Fünf faszinierende Fakten über Helium

1. Helium wurde zuerst auf der Sonne entdeckt. Bereits 1868 fanden Astronomen Hinweise auf Helium im Sonnenspektrum. Erst 1895 wurde es auf der Erde eindeutig identifiziert.

2. Helium besitzt den niedrigsten Siedepunkt aller Elemente. Bei Normaldruck wird Helium erst bei ungefähr −269 °C flüssig.

3. Helium wird unter Normaldruck nicht fest. Selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bleibt es flüssig. Zur Verfestigung ist zusätzlicher Druck erforderlich.

4. Flüssiges Helium kann suprafluid werden. Unter etwa 2,17 Kelvin zeigt Helium-4 außergewöhnliche quantenphysikalische Fließeigenschaften.

5. Helium ist im Universum häufig, auf der Erde aber wertvoll. Obwohl Helium das zweithäufigste Element des Universums ist, sind wirtschaftlich nutzbare Vorkommen auf der Erde begrenzt.

Helium im Online-Periodensystem von blume

Helium steht mit der Ordnungszahl 2 in der ersten Periode und in der 18. Gruppe des Periodensystems. Als erstes Edelgas zeigt es besonders anschaulich, wie eine vollständig besetzte Elektronenschale die chemischen Eigenschaften eines Elements beeinflusst.

Im Online-Periodensystem von blume lassen sich Helium und die weiteren chemischen Elemente im Zusammenhang ihrer Stellung, ihres Atomaufbaus und ihrer Eigenschaften entdecken.

Wissenschaftliche Quellen und Literatur

Buchquellen

• Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

• Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Kapitel „Die Historie des Atom-Modells“.

Ergänzende wissenschaftliche Referenzquellen

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Standard Atomic Weights.

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Data for Helium.

• NIST: Atomic Weights and Isotopic Compositions for Helium.

• NIST Chemistry WebBook: Helium – Stoffdaten.

• American Physical Society: Discovery of Helium, 1868.