Helium behoort tot de groep van edelgassen. Vloeibaar helium is de koudste vloeistof ter wereld. In deze geaggregeerde toestand heeft het een aantal unieke kenmerken, zoals superfluïditeit en supergeleiding. We zullen later meer te weten komen over de eigenschappen ervan.
Heliumgas
Helium is een eenvoudige stof die in gasvormige toestand wijdverbreid in het heelal voorkomt. In het periodiek systeem van Mendelejev is hij de tweede en staat direct na waterstof. Het verwijst naar inerte of edelgassen.
Het element wordt aangeduid als "Hij". De naam komt uit het Oudgrieks en betekent "zon". In eerste instantie werd aangenomen dat het metaal was. Het bleek echter een monoatomisch gas te zijn. Helium is de op één na lichtste chemische stof en is smaak-, kleur- en geurloos. Heeft het laagste kookpunt.
Onder normale omstandigheden is het een ideaal gas. Naast gasvormig kan het in een vaste en vloeibare toestand zijn. De inertie komt tot uiting in inactieve interactie met andere stoffen. Het is praktisch onoplosbaar in water. Voor industriële doeleinden wordt het gewonnen uit aardgas en wordt het gescheiden van onzuiverheden metsterke koeling gebruiken.
Gas kan gevaarlijk zijn voor mensen. Een toename van de concentratie in de lucht leidt tot een gebrek aan zuurstof in het bloed, wat in de geneeskunde zuurstofgebrek wordt genoemd. Wanneer het in grote hoeveelheden wordt ingenomen, veroorzaakt het braken, bewustzijnsverlies en soms de dood.
Vloeibaar maken van helium
Elk gas kan onder bepaalde omstandigheden in een vloeibare staat van aggregatie gaan. Vloeibaar maken wordt zowel in de industrie als in wetenschappelijk onderzoek veel toegepast. Voor sommige stoffen is het voldoende om gewoon de druk te verhogen. Andere, zoals helium, worden pas vloeibaar als ze worden afgekoeld.
Als de gastemperatuur boven het kritieke punt ligt, zal het niet condenseren, ongeacht de druk. Voor helium is het kritieke punt 5,19 Kelvin, voor zijn 3He-isotoop is het 3,35 K.
Vloeibaar helium is een bijna perfecte vloeistof. Het wordt gekenmerkt door de afwezigheid van oppervlaktespanning, viscositeit. Na verandering van druk en temperatuur blijft het volume hetzelfde. Vloeibaar helium heeft een extreem lage spanning. De stof is kleurloos en zeer vloeibaar.
Eigenschappen van vloeibaar helium
In vloeibare toestand is helium slecht te onderscheiden, omdat het lichtstralen zwak breekt. Onder bepaalde omstandigheden heeft het de eigenschappen van een kwantumvloeistof. Hierdoor kristalliseert het bij normale druk niet uit, zelfs niet bij een temperatuur van -273,15 Celsius (absoluut nul). Alle andere bekende stoffen stollen onder deze omstandigheden.
De temperatuur waarbij vloeibaar helium begint te koken is -268,9 graden Celsius. De fysische eigenschappen van zijn isotopen variëren aanzienlijk. Helium-4 kookt bijvoorbeeld bij 4,215 K.
Het is een Bose-vloeistof, die wordt gekenmerkt door faseovergangen bij temperaturen van 2, 172 Kelvin en lager. De He II-fase wordt gekenmerkt door superfluïditeit en superthermische geleidbaarheid. Bij temperaturen onder de fase treden He I en He II gelijktijdig op, waardoor er twee geluidssnelheden in de vloeistof ontstaan.
Helium-3 is een Fermi-vloeistof. Het kookt bij 3,19 Kelvin. Een isotoop kan alleen bij zeer lage temperaturen (enkele millikelvins) superfluïditeit bereiken als er voldoende aantrekkingskracht tussen zijn deeltjes is.
Helium supervloeibaarheid
De wetenschap heeft de studie van het concept van superfluïditeit te danken aan de academici S. P. Kapitsa en L. D. Landau.
De academicus concludeerde dat nadat de temperatuur van helium onder 2, 172 K is gedaald, de stof overgaat van de fase van de normale toestand naar een volledig nieuwe, helium-II genaamd. In deze fase passeert de stof zonder de minste wrijving de haarvaten en smalle gaatjes. Deze toestand wordt "superfluïditeit" genoemd.
In 1941 ging Landau L. D. door met het bestuderen van de eigenschappen van vloeibaar helium en ontwikkelde de theorie van superfluïditeit. Uitleggenhij nam het met kwantummethoden, waarbij hij het concept van het energiespectrum van excitaties toepast.
Helium toepassingen
Het element helium werd in 1868 ontdekt in het spectrum van de zon. Op aarde werd het in 1895 ontdekt door William Ramsay, waarna het lange tijd werd bestudeerd en niet werd gebruikt in de economische sfeer. Bij industriële activiteit werd het tijdens de Eerste Wereldoorlog gebruikt als brandstof voor luchtschepen.
Gas wordt actief gebruikt voor verpakkingen in de voedingsindustrie, bij het smelten van metalen. Geologen gebruiken het om fouten in de aardkorst op te sporen. Vloeibaar helium wordt voornamelijk gebruikt als koelmiddel dat ultra-lage temperaturen kan handhaven. Deze eigenschap is noodzakelijk voor wetenschappelijk onderzoek.
De koelvloeistof wordt gebruikt in cryogene elektrische machines, in scanning tunneling microscopen, in apparaten van medische NMR tomografen, in geladen deeltjesversnellers.
Conclusie
Helium is een inert of edelgas dat in interactie met andere stoffen een lage activiteit vertoont. In het periodiek systeem van chemische elementen staat het op de tweede plaats, achter waterstof. In de natuur bevindt materie zich in gasvormige toestand. Onder bepaalde omstandigheden kan het naar andere aggregatiestaten gaan.
Het belangrijkste kenmerk van vloeibaar helium is de supervloeibaarheid en het onvermogen om te kristalliseren bij normale druk, zelfs als de temperatuur het absolute nulpunt bereikt. De eigenschappen van de isotopen van een stof zijn niet hetzelfde. hun kritischetemperaturen, hun kookomstandigheden en de spins van hun deeltjes.
