Helium

Helium (He) je bezbarvý, bez zápachu, bez chuti, netoxický, inertní monatomický chemický prvek, který v periodické tabulce vede skupinu vzácných plynů a jehož atomové číslo je 2. Jeho bod varu a bodu tání je nejnižší mezi prvky a existuje pouze jako plyn s výjimkou extrémních podmínek.

Neznámá žlutá spektrální čára ve světle byla poprvé pozorována při zatmění Slunce v roce 1868 francouzským astronomem Pierrem Janssenem, kterému je společně připisován objev tohoto prvku s Normanem Lockyerem, který pozoroval stejné zatmění a byl první, kdo navrhl, aby to byl nový prvek, který pojmenoval helium. V roce 1903 byly nalezeny velké zásoby helia na nalezištích zemního plynu ve Spojených státech, které jsou zdaleka největším dodavatelem tohoto plynu. Látka se používá v kryogenice, v hlubinných dýchacích systémech, k chlazení supravodivých magnetů, v heliové datování, pro nafukování balónů, pro zajištění zdvihu ve vzducholodích a jako ochranný plyn pro mnoho průmyslových použití (jako je obloukové svařování a pěstování křemíkových destiček). Vdechování malého objemu plynu dočasně mění zabarvení a kvalitu lidského hlasu. Chování dvou kapalných fází helia-4, helia I a helia II, je důležité pro výzkumníky studující kvantovou mechaniku (zejména fenomén supratekutosti) a pro ty, kteří se zabývají účinky, které mají teploty blízké absolutní nule na hmotu (například supravodivost).

Helium je druhým nejlehčím prvkem a je druhým nejrozšířenějším v pozorovatelném vesmíru. Většina helia vznikla během Velkého třesku, ale nové helium vzniká jako výsledek jaderné fúze vodíku v [[Hvězdy]. Na Zemi je helium poměrně vzácné a vzniká přirozeným radioaktivním rozpadem některých prvků, protože alfa částice, které jsou emitovány, se skládají z jader helia. Toto radiogenní helium je zachyceno zemním plynem v koncentraci až sedm procent objemu, ze kterého je komerčně extrahováno nízkoteplotním separačním procesem zvaným frakční destilace.

První důkaz helia byl pozorován 18. srpna 1868 jako jasně žlutá čára s vlnovou délkou 587,49 nanometrů ve spektru chromosféry Slunce. Tuto čáru objevil francouzský astronom Pierre Janssen během úplného zatmění Slunce v indickém Gunturu. Původně se předpokládalo, že tato čára je sodíková. 20. října téhož roku pozoroval anglický astronom Norman Lockyer žlutou čáru ve slunečním spektru, kterou pojmenoval D3 Fraunhoferova čára, protože byla poblíž známých D1 a D2 řádků sodíku. Došel k závěru, že ji způsobil prvek ve Slunci neznámý na Zemi. Lockyer a anglický chemik Edward Frankland pojmenovali prvek řeckým slovem pro Slunce ἥλιος (helios).

26. března 1895 britský chemik Sir William Ramsay izoloval helium na Zemi zpracováním minerálu cleveitu (odrůda uranitu s nejméně 10% prvků vzácných zemin) s minerálními kyselinami. Ramsay hledal argon, ale po oddělení dusíku a kyslíku z plynu uvolněného kyselinou sírovou si všiml jasně žluté čáry, která odpovídala linii D3 pozorované ve spektru Slunce. Tyto vzorky byly identifikovány jako helium Lockyerem a britským fyzikem Williamem Crookesem. Byl nezávisle izolován z cleveitu ve stejném roce chemiky Perem Teodorem Clevem a Abrahamem Langletem ve švédské Uppsale, kteří shromáždili dostatek plynu k přesnému určení jeho atomové hmotnosti. Helium byl také izolován americkým geochemikem Williamem Francisem Hillebrandem před Ramsayovým objevem, když si všiml neobvyklých spektrálních čar při testování vzorku minerálu uraninitu. Hillebrand však přisoudil tyto čáry dusíku. Jeho gratulační dopis Ramsaymu nabízí zajímavý případ objevu a téměř objevu ve vědě.

V roce 1907 Ernest Rutherford a Thomas Royds prokázali, že alfa částice jsou heliová jádra tím, že nechali částice proniknout tenkou skleněnou stěnou evakuované trubice a následně vytvořili výboj v trubici, aby mohli studovat spektra nového plynu uvnitř. V roce 1908 bylo helium poprvé zkapalněno holandským fyzikem Heikem Kamerlinghem Onnesem ochlazením plynu na méně než jeden kelvin. Pokusil se ho zpevnit dalším snížením teploty, ale neuspěl, protože helium nemá trojbodovou teplotu, při které jsou pevné, kapalné a plynné fáze v rovnováze. Onnesův student Willem Hendrik Keesom byl nakonec schopen zpevnit 1 cm3 helia v roce 1926.

V roce 1938 ruský fyzik Pjotr Leonidovič Kapica zjistil, že helium-4 nemá téměř žádnou viskozitu při teplotách blízkých absolutní nule, což je jev, který se dnes nazývá supratekutost. Tento jev souvisí s Boseho-Einsteinovou kondenzací. V roce 1972 byl stejný jev pozorován u helia-3, ale při teplotách mnohem bližších absolutní nule, americkými fyziky Douglasem D. Osheroffem, Davidem M. Leem a Robertem C. Richardsonem. Předpokládá se, že jev u helia-3 souvisí s párováním fermionů helia-3 za vzniku bosonů, analogicky k Cooperovým párům elektronů produkujícím supravodivost.

Po těžbě ropy v roce 1903 v Dexteru v Kansasu vznikl plynový gejzír, který by nehořel, státní geolog Kansasu Erasmus Haworth shromáždil vzorky unikajícího plynu a odvezl je zpět na Univerzitu v Kansasu v Lawrence, kde s pomocí chemiků Hamiltona Cadyho a Davida McFarlanda zjistil, že plyn se skládá z 72% objemových dusíku, 15% metanu (což nestačí k tomu, aby byl plyn hořlavý), 1% vodíku a 12% neidentifikovatelného plynu. Při další analýze Cady a McFarland zjistili, že 1,84% vzorku plynu tvoří helium. To ukázalo, že navzdory své celkové vzácnosti na Zemi je helium koncentrováno ve velkém množství pod americkými Velkými pláněmi, které jsou k dispozici pro těžbu jako vedlejší produkt zemního plynu. Největší zásoby helia byly v Hugotonu a nedalekých plynových polích na jihozápadě Kansasu a v pánvích Texasu a Oklahomy.

Díky tomu se Spojené státy staly předním světovým dodavatelem helia. Na návrh sira Richarda Threlfalla sponzorovalo námořnictvo Spojených států během první světové války tři malé experimentální továrny na výrobu hélia. Celkem bylo v programu vyrobeno 200 tisíc kubických stop (5 700 m3) 92% helia, i když předtím bylo získáno jen několik kubických stop (méně než 100 litrů) plynu. Část tohoto plynu byla použita v první heliem plněné vzducholodi na světě, C-7 amerického námořnictva, která 1. prosince 1921 uletěla svou první plavbu z Hampton Roads ve Virginii na Bolling Field ve Washingtonu, D.C.

Ačkoli proces extrakce pomocí nízkoteplotního zkapalňování plynu nebyl vyvinut včas, aby byl významný během první světové války, výroba pokračovala. Helium bylo primárně používáno jako zvedací plyn v plavidlech lehčích než vzduch. To využívalo zvýšenou poptávku během druhé světové války, stejně jako požadavky na stíněné obloukové svařování. Hmotnostní spektrometr helia byl také životně důležitý v projektu atomové bomby Manhattan.

Vláda Spojených států zřídila v roce 1925 v Amarillu v Texasu národní heliovou rezervu s cílem zásobovat vojenské vzducholodě v době války a komerční vzducholodě v době míru. Kvůli americkému vojenskému embargu vůči Německu, které omezilo dodávky helia, byl Hindenburg nucen používat jako zvedací plyn vodík. Používání helia po druhé světové válce bylo sníženo, ale v 50. letech byla rezerva rozšířena, aby byla zajištěna dodávka kapalného helia jako chladicí kapaliny pro výrobu raketového paliva kyslík/vodík (mimo jiné použití) během Space Race a studené války. Používání helia ve Spojených státech v roce 1965 bylo více než osmkrát vyšší než nejvyšší válečná spotřeba.

Doporučujeme:  Gilles de laTourette porucha

Po novelách zákonů o heliu z roku 1960 (Public Law 86-777) zařídil důlní úřad Spojených států pět soukromých závodů na zpětné získávání helia ze zemního plynu. Pro tento program na ochranu helia postavil úřad 684 km dlouhý plynovod z Bushtonu v Kansasu, aby tyto závody spojil s částečně vyčerpaným vládním plynovým polem Cliffside nedaleko Amarilla v Texasu. Tato směs helia a dusíku byla vstřikována a skladována v plynovém poli Cliffside až do doby, kdy byla dále čištěna.

Do roku 1995 se podařilo nashromáždit miliardu krychlových metrů plynu a rezerva byla zadlužená 1,4 miliardy amerických dolarů, což přimělo Kongres Spojených států v roce 1996 k postupnému vypouštění rezervy. Výsledný „zákon o privatizaci helia z roku 1996“ (Public Law 104-273) nařídil ministerstvu vnitra Spojených států, aby začalo s vyprazdňováním rezervy do roku 2005.

Helium vyráběné v letech 1930 až 1945 bylo asi z 98,3% čisté (2% dusík), což bylo dostatečné pro vzducholodě. V roce 1945 bylo vyrobeno malé množství 99,9% helia pro svařovací účely. V roce 1949 byla k dispozici komerční množství 99,95% helia třídy A.

Po mnoho let vyráběly Spojené státy ve světě více než 90% komerčně využitelného hélia, zatímco zbytek vyráběly těžební závody v Kanadě, Polsku, Rusku a dalších státech. V polovině 90. let zahájil provoz nový závod v Arzewu v Alžírsku, který produkuje 600 milionů kubických stop (1,7×107
m3) s dostatečnou produkcí na pokrytí veškeré evropské poptávky. Mezitím do roku 2000 vzrostla spotřeba hélia v USA na více než 15 000 metrických tun. V letech 2004–2006 byly vybudovány další dva závody, jeden v Ras Laffenu v Kataru a druhý v Skikdě v Alžírsku, ale od začátku roku 2007 funguje Ras Laffen na 50% a Skikda se teprve rozjíždí. Alžírsko se rychle stalo druhým předním výrobcem hélia. Během této doby vzrostla spotřeba hélia i náklady na výrobu hélia. V období let 2002 až 2007 se ceny hélia zdvojnásobily a jen během roku 2008 hlavní dodavatelé zvýšili ceny přibližně o 50%.[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]

Helium je nejméně reaktivní vzácný plyn po neonu a tedy druhý nejméně reaktivní ze všech prvků; je inertní a monatomický za všech standardních podmínek. Vzhledem k relativně nízké molární (atomové) hmotnosti helia je v plynové fázi jeho tepelná vodivost, měrné teplo a rychlost zvuku větší než u jakéhokoli jiného plynu s výjimkou vodíku. Z podobných důvodů a také kvůli malé velikosti atomů helia je rychlost difuze helia pevnými látkami třikrát větší než u vzduchu a přibližně 65% než u vodíku.

Helium je méně rozpustné ve vodě než jakýkoli jiný známý plyn a index lomu helia je blíže jednotě než index lomu jakéhokoli jiného plynu. Helium má záporný Joule-Thomsonův koeficient při normální teplotě okolí, což znamená, že se zahřívá, když se nechá volně expandovat. Pouze pod svou Joule-Thomsonovou inverzní teplotou (okolo 32 až 50 K při 1 atmosféře) se při volné expanzi ochlazuje. Po vychlazení pod tuto teplotu může být helium zkapalněno expanzním chlazením.

Heliová výbojka ve tvaru atomového symbolu prvku

Většina mimozemského helia se nachází v plazmovém stavu, s vlastnostmi zcela odlišnými od atomového helia. V plazmě nejsou elektrony helia vázány na jeho jádro, což má za následek velmi vysokou elektrickou vodivost, i když je plyn pouze částečně ionizován. Nabité částice jsou silně ovlivněny magnetickými a elektrickými poli. Například ve slunečním větru spolu s ionizovaným vodíkem, částice interagují se zemskou magnetosférou, což vede k Birkelandovým proudům a polární záři.

Pod bodem varu 4,22 Kelvina a nad bodem lambda 2,1768 kelvina existuje izotop helium-4 v normálním bezbarvém kapalném stavu, nazývaném helium I. Podobně jako jiné kryogenní kapaliny i helium I se při zahřátí vaří a při snížení teploty se smršťuje.

Helium I má plynný index lomu 1,026, což činí jeho povrch tak špatně viditelným, že se často používají plováky z polystyrénu, které ukazují, kde je povrch. Tato bezbarvá kapalina má velmi nízkou viskozitu a hustotu osminu hustoty vody, což je pouze jedna čtvrtina hodnoty očekávané od klasické fyziky. K vysvětlení této vlastnosti je potřeba kvantová mechanika, a proto se oba typy kapalného helia nazývají kvantové kapaliny, což znamená, že vykazují atomové vlastnosti v makroskopickém měřítku. To může být důsledek toho, že jeho bod varu je tak blízko absolutní nule, což zabraňuje náhodnému molekulárnímu pohybu (tepelné energii) zakrýt atomové vlastnosti.

Tekuté helium pod jeho lambda bodem začíná vykazovat velmi neobvyklé vlastnosti, ve stavu zvaném helium II. Vaření helia II není možné kvůli jeho vysoké tepelné vodivosti; tepelný příkon místo toho způsobuje odpařování kapaliny přímo do plynu. Izotop helia-3 má také supratekutou fázi, ale jen při mnohem nižších teplotách; v důsledku toho se o takových vlastnostech v izotopu helia-3 ví méně.

Na rozdíl od běžných kapalin se hélium II bude plazit po povrchu, aby dosáhlo stejné hladiny; po krátké chvíli se hladiny v obou kontejnerech vyrovnají. Rollinův film pokrývá také vnitřek většího kontejneru; pokud by nebyl utěsněn, hélium II by se vyplížilo ven a uniklo.

Helium II je supratekutou kapalinou, kvantově-mechanickým stavem hmoty s podivnými vlastnostmi. Když například protéká kapilárami tenkými jako 10−7 až 10−8 m, nemá měřitelnou viskozitu. Při měření mezi dvěma pohyblivými disky však byla pozorována viskozita srovnatelná s viskozitou plynného helia. Současná teorie to vysvětluje použitím modelu dvou kapalin pro helium II. V tomto modelu se na kapalné helium pod bodem lambda pohlíží tak, že obsahuje podíl atomů helia v přízemním stavu, které jsou supratekutou kapalinou a proudí přesně s nulovou viskozitou, a podíl atomů helia v excitovaném stavu, které se chovají spíše jako běžná kapalina.

Ve fontánovém efektu je zkonstruována komora, která je spojena se zásobníkem hélia II slinutým diskem, kterým supratekuté hélium snadno uniká, ale kterým supratekuté hélium nemůže projít. Pokud je vnitřek nádoby zahřát, supratekuté hélium se změní na supratekuté hélium. Pro udržení rovnovážné frakce supratekutého hélia supratekuté hélium uniká a zvyšuje tlak, což způsobuje, že kapalina z nádoby vytéká.

Tepelná vodivost helia II je větší než u jakékoli jiné známé látky, milionkrát vyšší než u helia I a několikasetkrát vyšší než u mědi. Je to proto, že k vedení tepla dochází výjimečným kvantově-mechanickým mechanismem. Většina materiálů, které dobře vedou teplo, má valenční pásmo volných elektronů, které slouží k přenosu tepla. Helium II takové valenční pásmo nemá, ale přesto dobře vede teplo. Tok tepla je řízen rovnicemi, které jsou podobné vlnové rovnici používané k charakterizaci šíření zvuku ve vzduchu. Když je zavedeno teplo, pohybuje se rychlostí 20 metrů za sekundu rychlostí 1,8 K prostřednictvím helia II jako vlny ve jevu známém jako druhý zvuk.

Doporučujeme:  Filiální zbožnost

Helium II také vykazuje plíživý efekt. Když povrch přesahuje úroveň helia II, hélium II se pohybuje po povrchu, zdánlivě proti síle gravitace. Helium II unikne z nádoby, která není utěsněna plížením po bocích, dokud nedosáhne teplejší oblasti, kde se odpaří. Pohybuje se v 30 nm silném filmu bez ohledu na povrchový materiál. Tento film se nazývá Rollinův film a je pojmenován po muži, který jako první charakterizoval tuto vlastnost, Bernardu V. Rollinovi. V důsledku tohoto plíživého chování a schopnosti hélia II rychle unikat malými otvory je velmi obtížné omezit tekuté hélium. Pokud není nádoba pečlivě konstruována, hélium II se bude plížit po povrchu a ventily, dokud nedosáhne nějakého teplejšího místa, kde se odpaří. Vlny šířící se přes Rollinův film se řídí stejnou rovnicí jako gravitační vlny v mělké vodě, ale spíše než gravitace je obnovující silou Van der Waalsova síla. Tyto vlny jsou známé jako třetí zvuk.

Existuje osm známých izotopů helia, ale pouze helium-3 a helium-4 jsou stabilní. V zemské atmosféře je jeden atom He-3 na každý milion atomů He-4. Na rozdíl od většiny prvků se množství izotopů helia značně liší podle původu, kvůli různým procesům vzniku. Nejběžnější izotop, helium-4, vzniká na Zemi alfa rozpadem těžších radioaktivních prvků; alfa částice, které vznikají, jsou plně ionizovaná jádra helia-4. Helium-4 je neobvykle stabilní jádro, protože jeho jádra jsou uspořádána do kompletních skořápek. Vzniklo také v obrovském množství během nukleosyntézy Velkého třesku.

Helium-3 je na Zemi přítomno pouze ve stopových množstvích; většina z nich od vzniku Země, i když některé padají na Zemi uvězněné v kosmickém prachu. Stopová množství vznikají také při beta rozpadu tritia. Kameny ze zemské kůry mají izotopové poměry lišící se až desetinásobně, a tyto poměry mohou být použity pro zkoumání původu hornin a složení zemského pláště. He-3 je mnohem hojnější ve hvězdách, jako produkt jaderné fúze. V mezihvězdném prostředí je tedy podíl He-3 na He-4 přibližně stokrát vyšší než na Zemi. Mimoplanetární materiál, jako je měsíční a asteroidový regolith, má stopové množství helia-3 z bombardování slunečními větry. Povrch Měsíce obsahuje helium-3 v koncentraci řádově 0,01 ppm. Řada lidí, počínaje Geraldem Kulcinskim v roce 1986, navrhla prozkoumat Měsíc, těžit měsíční regolith a používat helium-3 pro fúzi.

Je možné produkovat exotické izotopy helia, které se rychle rozpadají na jiné látky. Nejkratším těžkým izotopem helia je helium-5 s poločasem přeměny 7,6×10−22 sekund. Helium-6 se rozpadá vyzařováním beta částice a má poločas přeměny 0,8 sekundy. Helium-7 také vyzařuje beta částici stejně jako gama paprsek. Helium-7 a helium-8 vznikají v určitých jaderných reakcích. Je známo, že helium-6 a helium-8 vykazují jaderné halo. Helium-2 (dva protony, žádné neutrony) je radioizotop, který se rozpadá emisí protonů na protium s poločasem přeměny 3×10−27 sekund.

Helium je chemicky neaktivní za všech normálních podmínek kvůli své nulové valenci. Je to elektrický izolátor, pokud není ionizovaný. Stejně jako u ostatních ušlechtilých plynů má helium metastabilní energetické hladiny, které mu umožňují zůstat ionizované v elektrickém výboji s napětím nižším, než je jeho ionizační potenciál. Helium může tvořit nestabilní sloučeniny, známé jako excimery, s wolframem, jódem, fluorem, sírou a fosforem, pokud je vystaveno elektrickému zářivému výboji, prostřednictvím elektronového bombardování nebo je jinak plazmou. HeNe, HgHe10, WHe2 a molekulární ionty He2+, He22+, HeH+, a HeD+ byly vytvořeny tímto způsobem. Tato technika také umožnila výrobu neutrální molekuly He2, která má velké množství pásových systémů, a HgHe, která je zřejmě držena pohromadě pouze polarizačními silami. Teoreticky mohou být možné i další skutečné sloučeniny, například fluorohydrid helia (HHeF), který by byl analogický k HArF, objevenému v roce 2000. Výpočty ukazují, že dvě nové sloučeniny obsahující vazbu helium-kyslík by mohly být stabilní. Dva nové molekulární druhy, předpovězené pomocí teorie, CsFHeO a N(CH3)4FHeO, jsou deriváty metastabilního aniontu [F– HeO], poprvé teoretizovaného v roce 2005 skupinou z Tchaj-wanu. Tyto předpovědi mohou vést ke zhroucení chemické ušlechtilosti helia. Nyní jediným zbývajícím skutečným ušlechtilým prvkem bude neon.[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]

Helium bylo vloženo do dutých molekul uhlíkové klece (fullerenů) zahřátím pod vysokým tlakem. Vytvořené molekuly endoedrálního fullerenu jsou stabilní až do vysokých teplot. Když se vytvoří chemické deriváty těchto fullerenů, helium zůstává uvnitř. Pokud se použije helium-3, může být snadno pozorováno jadernou magnetickou rezonanční spektroskopií helia. Bylo hlášeno mnoho fullerenů obsahujících helium-3. Ačkoli atomy helia nejsou vázány kovalentními nebo iontovými vazbami, tyto látky mají odlišné vlastnosti a jednoznačné složení, jako všechny stechiometrické chemické sloučeniny.

Helium je druhým nejhojnějším prvkem ve známém vesmíru (po vodíku), tvoří 23% baryonové hmotnosti vesmíru. Drtivá většina helia vznikla nukleosyntézou Velkého třesku jednu až tři minuty po Velkém třesku. Měření jeho hojnosti tak přispívá ke kosmologickým modelům. Ve hvězdách vzniká jadernou fúzí vodíku v reakcích protonového a protonového řetězce a CNO cyklu, který je součástí hvězdné nukleosyntézy.

V zemské atmosféře je objemová koncentrace helia pouze 5,2 částic na milion. Koncentrace je nízká a poměrně konstantní i přes kontinuální produkci nového helia, protože většina helia v zemské atmosféře uniká do vesmíru několika procesy. V zemské heterosféře je část horní atmosféry, helium a další lehčí plyny nejhojnějšími prvky.

Téměř veškeré helium na Zemi je výsledkem radioaktivního rozpadu. Produkt rozpadu se nachází především v minerálech uranu a thoria, včetně cleveitů, smolince, karnotitu a monazitu, protože emitují alfa částice, které se skládají z jader helia (He2+), k nimž se elektrony snadno kombinují. Tímto způsobem se v celé litosféře ročně vytvoří odhadem 3000 tun helia. V zemské kůře je koncentrace helia 8 částic na miliardu. V mořské vodě je koncentrace pouze 4 částice na bilion. Malé množství je také v minerálních pramenech, sopečném plynu a meteorickém železe. Protože helium je podobným způsobem zachycováno nepropustnou vrstvou horniny jako zemní plyn, největší koncentrace na planetě se nacházejí v zemním plynu, ze kterého pochází většina komerčního helia. Koncentrace se v širokém rozmezí od několika ppm až po více než 7% v malém plynovém poli v okrese San Juan v Novém Mexiku.

Pro použití ve velkém měřítku se helium získává frakční destilací ze zemního plynu, který obsahuje až 7% helia. Protože helium má nižší bod varu než jakýkoli jiný prvek, používá se nízká teplota a vysoký tlak ke zkapalnění téměř všech ostatních plynů (většinou dusíku a metanu). Vzniklý surový heliový plyn je čištěn následnými expozicemi snižujícím se teplotám, při nichž se téměř veškerý zbývající dusík a další plyny vysrážejí z plynné směsi. Jako finální krok čištění se používá aktivní uhlí, obvykle vzniká 99,995% čistého helia třídy A. Hlavní nečistotou v heliu třídy A je neon. V závěrečném výrobním kroku se většina vyrobeného helia zkapalní kryogenním procesem. To je nezbytné pro aplikace vyžadující kapalné hélium a také to umožňuje dodavatelům hélia snížit náklady na dálkovou dopravu, protože největší kontejnery s kapalným héliem mají více než pětkrát větší kapacitu než největší trubkové přívěsy s plynným héliem. V roce 2005 bylo přibližně sto šedesát milionů krychlových metrů hélia vytěženo ze zemního plynu nebo staženo ze zásob hélia, přičemž přibližně 83% pocházelo ze Spojených států, 11% z Alžírska a většina zbytku z Ruska a Polska. Ve Spojených státech se většina hélia těží ze zemního plynu v Kansasu, Oklahomě a Texasu. Difuze surového zemního plynu prostřednictvím speciálních polopropustných membrán a dalších bariér je další metodou k rekuperaci a čištění hélia.
Hélium lze syntetizovat bombardováním lithia nebo boru vysokorychlostními protony, ale to není ekonomicky životaschopná metoda výroby.

Doporučujeme:  Partnerské účinky

Helium se používá k mnoha účelům, které vyžadují některé z jeho jedinečných vlastností, jako je nízký bod varu, nízká hustota, nízká rozpustnost, vysoká tepelná vodivost nebo inertnost. Helium je komerčně dostupné v kapalné nebo plynné formě. Jako kapalina může být dodáváno v malých nádobách zvaných Dewars, které pojmou až 1000 litrů helia, nebo ve velkých nádobách ISO, které mají jmenovitý objem až 11 000 galonů (41 637 litrů). V plynné formě jsou malá množství helia dodávána ve vysokotlakých lahvích o objemu až 300 standardních kubických stop, zatímco velká množství vysokotlakého plynu jsou dodávána v trubkových přívěsech, které mají objem až 180 000 standardních kubických stop.

Vzhledem ke své nízké hustotě a nehořlavosti je helium vhodným plynem pro plnění vzducholodí, jako je například vzducholoď Goodyear.

Vzhledem k tomu, že je lehčí než vzduch, vzducholodě a balóny se nafukují heliem pro vzlet. Zatímco plynný vodík je přibližně o 7% více vztlakový, helium má výhodu v tom, že je nehořlavé (kromě toho, že zpomaluje hoření). V raketové technice se helium používá jako odlučovací médium k přemístění paliva a oxidantů v zásobních nádržích a ke kondenzaci vodíku a kyslíku pro výrobu raketového paliva. Používá se také k proplachování paliva a oxidantů z pozemních podpůrných zařízení před startem a k předchlazení kapalného vodíku v kosmických vozidlech. Například nosná raketa Saturn V používaná v programu Apollo potřebovala ke startu asi 13 milionů kubických stop (370 000 m³) helia.

Helium-neonové lasery mají různé aplikace, včetně čteček čárových kódů.

Pro svou inertnost a vysokou tepelnou vodivost, průhlednost neutronů a také proto, že v podmínkách reaktoru netvoří radioaktivní izotopy, se helium používá jako médium pro přenos tepla v některých plynem chlazených jaderných reaktorech.[84] Helium se používá jako stínící plyn v procesech obloukového svařování na materiálech, které jsou snadno kontaminovány vzduchem.

Helium se používá jako ochranný plyn při pěstování křemíkových a germaniových krystalů, při výrobě titanu a zirkonia a při plynové chromatografii, protože je inertní. Díky své inertnosti, tepelně a kaloricky dokonalé povaze, vysoké rychlosti zvuku a vysoké hodnotě poměru tepelné kapacity je také užitečné v nadzvukových aerodynamických tunelech[85] a impulsních zařízeních[86].

Vzhledem k tomu, že se rozptyluje pevnými látkami třikrát rychleji než vzduch, helium se používá jako sledovací plyn k detekci úniků ve vysokovakuových zařízeních a vysokotlakých nádobách.[84]

Helium ve směsi s těžším plynem, jako je xenon, je užitečné pro termoakustické chlazení díky výslednému vysokému poměru tepelné kapacity a nízkému Prandtlovu číslu.[87] Nehybnost helia má ekologické výhody oproti konvenčním chladicím systémům, které přispívají k poškozování ozonu nebo globálnímu oteplování.[88]

Tekuté helium se používá k chlazení supravodivých magnetů v moderních MRI skenerech.

Použití hélia snižuje zkreslující účinky teplotních rozdílů v prostoru mezi čočkami u některých dalekohledů, a to kvůli jeho extrémně nízkému indexu lomu. Tato metoda se používá zejména u solárních dalekohledů, kde by vakuově těsná trubice dalekohledu byla příliš těžká.[89][90]

Stáří hornin a minerálů, které obsahují uran a thorium, lze odhadnout měřením hladiny hélia procesem známým jako heliové datování.

Tekuté helium se používá k chlazení některých kovů na extrémně nízké teploty potřebné pro supravodivost, například v supravodivých magnetech pro zobrazování pomocí magnetické rezonance. Velký hadronový urychlovač v CERNu používá 96 tun kapalného helia k udržení teploty na 1,9 Kelvina.[91] Helium při nízkých teplotách se používá také v kryogenice.

Neutrální helium za standardních podmínek je netoxické, nehraje žádnou biologickou roli a nachází se ve stopových množstvích v lidské krvi. Pokud je vdechnuto dostatečné množství helia, aby byl nahrazen kyslík potřebný pro normální dýchání, je možná asfyxie. Bezpečnostní problémy kryogenního helia jsou podobné jako u tekutého dusíku; jeho extrémně nízké teploty mohou vést k popáleninám za studena a poměr rozpínání kapaliny a plynu může způsobit explozi, pokud nejsou namontována tlaková odlehčovací zařízení.

S nádobami s plynným heliem o teplotě 5 až 10 K by se mělo zacházet tak, jako by obsahovaly kapalné helium díky rychlé a významné tepelné roztažnosti, ke které dochází, když je plyn helium o teplotě nižší než 10 K zahřát na pokojovou teplotu.

Hlas osoby, která vdechla helium, dočasně mění zabarvení tak, že zní vysokým tónem. Rychlost zvuku v heliu je téměř trojnásobná oproti rychlosti zvuku ve vzduchu; protože základní frekvence dutiny naplněné plynem je úměrná rychlosti zvuku v plynu, při vdechnutí helia dochází k odpovídajícímu zvýšení rezonančních frekvencí hlasového ústrojí.[92] (Opačného účinku, snížení frekvencí, lze dosáhnout vdechnutím hustého plynu, jako je fluorid sírový.)

Vdechování hélia může být nebezpečné, pokud se provádí v nadbytku, protože hélium je jednoduchý asfyxikátor, a tak vytlačuje kyslík potřebný pro normální dýchání.[93] Dýchání čistého hélia průběžně způsobuje smrt udušením během několika minut. Vdechování hélia přímo z tlakových lahví je extrémně nebezpečné, protože vysoká průtoková rychlost může mít za následek barotrauma, fatálně praskající plicní tkáň.[93][94] Nicméně smrt způsobená héliem je poměrně vzácná, ve Spojených státech byly v letech 2000 až 2004 hlášeny pouze dvě úmrtí.[94]

Při vysokých tlacích (více než 20 atm nebo 2 MPa) může směs helia a kyslíku (heliox) vést k nervovému syndromu vysokého tlaku, jakémusi reverznímu anestetickému účinku; přidáním malého množství dusíku do směsi lze problém zmírnit.[95][96]

Barvy (E100-199) • Konzervanty (E200-299) • Antioxidanty a regulátory kyselosti (E300-399) • Zahušťovadla, stabilizátory a emulgátory (E400-499) • Regulátory pH a protispékavé látky (E500-599) • Látky zvýrazňující chuť (E600-699) • Různé (E900-999) • Další chemické látky (E1100-1599)

Vosky (E900-909) • Syntetické glazury (E910-919) • Zlepšující látky (E920-929) • Obalové plyny (E930-949) • Sladidla (E950-969) • Pěnicí látky (E990-999)

Peroxid vápenatý (E930) • Argon (E938) • Helium (E939) • Dichlordifluormethan (E940) • Dusík (E941) • Oxid dusný (E942) • Butan (E943a) • Isobutan (E943b) • Propan (E944) • Kyslík (E948) • Vodík (E949)