Hel stanowi ok. 23% masy wszystkich pierwiastków we Wszechświecie i na Słońcu. W skorupie ziemskiej jego zawartość wynosi 5,5 ppb (5,5×10−7%) w/w, natomiast w atmosferze – 5 ppm (5×10−4%) v/v[5]. Pochodzi głównie z rozpadu jąder promieniotwórczych w naturalnych szeregach promieniotwórczych. W większych stężeniach występuje w gazie ziemnym. W złożach w Stanach Zjednoczonych jego zawartość dochodzi do 1%, w Europie ilość ta jest bardzo mała (z wyjątkiem Polski – do 3%). Praktycznie cały hel, który mógł pierwotnie być na Ziemi, z powodu niereaktywności nie związał się w żaden związek i uleciał z atmosfery w Kosmos.
Występuje w postaci dwóch trwałych izotopów – 3 He i 4 He. Znanych jest także kilka syntetycznych izotopów nietrwałych (T½ poniżej 1 sekundy), z których najbardziej stabilne są 6 He i 8 He.
Hel jest najmniej aktywnym pierwiastkiem chemicznym, z najwyższą spośród pierwiastków energią jonizacji (24,59 eV)[6]. Znane są jego związki metastabilne (np. HHeF, (HeO)(CsF) i LiHe)[6] i krótko żyjące cząsteczki HeNe i jony He+ oraz He2+ [7]. Tworzy też stabilne stałe związki międzycząsteczkowe, np. NeHe2 i
He@H2O[6]. Na przełomie 2016/2017 doniesiono o otrzymaniu pierwszego stałego związku helu, Na2He, który jest trwały termodynamicznie pod ciśnieniem powyżej 113 GPa (ok. 1,1×106 atm). Tworzy kryształy o strukturze fluorytu[6].
Nie ma żadnego znaczenia biologicznego.
Odkrycie helu
Hel odkryto najpierw na Słońcu, później na Ziemi. Podczas całkowitego zaćmienia Słońca, które miało miejsce 18 sierpnia 1868 roku i było widoczne w Indiach, astronom Pierre Janssen, badając widmokorony słonecznej, zaobserwował pomarańczowy prążek odpowiadający długości fali 587,6 nm, którego nie można było przypisać do żadnego spośród znanych wówczas pierwiastków. Ten sam prążek w widmie Słońca zaobserwował 20 października 1868 r. angielski astronom Norman Lockyer. Lockyer i angielski chemik Edward Frankland nadali nowemu pierwiastkowi – emitującemu falę o długości 587,6 nm – nazwę helium od greckiego boga słońca – Heliosa[8]. Przez wiele lat hel był uważany za pierwiastek, który występuje na Słońcu, ale nie występuje na Ziemi. W roku 1895 William Ramsay otrzymał hel po potraktowaniu kleweitu (rudy uranowej) kwasem siarkowym. Ramsay przesłał próbkę gazu do Williama Crookesa i Normana Lockyera, którzy zidentyfikowali hel[9].
Hel stały
Hel jako jedyny pierwiastek pozostaje ciekły nawet w temperaturze zera bezwzględnego (pod ciśnieniem atmosferycznym) i zestala się dopiero w podwyższonym ciśnieniu. Ma najniższą temperaturę krzepnięcia spośród pierwiastków: < 0,95 K (pod ciśnieniem 26 atm). W zależności od ciśnienia hel w stanie stałym może zmieniać objętość o 30%[10]. W temperaturze poniżej 0,2–0,4 K hel stały przechodzi przemianę fazową do formy o właściwościach nadciekłych („hel nadstały”)[11][12][13].
Zastosowania helu
Hel w postaci ciekłej jest używany do chłodzenia, gdy potrzebne są ekstremalnie niskie temperatury, ze względu na bardzo niską temperaturę wrzenia. Stosuje się go m.in. do chłodzenia nadprzewodników.
Jako najlżejszy gaz bezpieczny (niepalny) był stosowany do wypełniania statków powietrznych lżejszych od powietrza, czyli aerostatów (balony, sterowce). Obecnie ze względu na cenę stosuje się w aerostatach najczęściej ogrzane powietrze.[potrzebny przypis]
Hel jest używany jako gaz napędowy w balonach do kontrapulsacji wewnątrzaortalnej (cewnik zakończony balonem wprowadzany jest do aorty najczęściej przez tętnicę udową, napełnianie i opróżnianie balonu gazem zgodnie z rytmem serca wspomaga niewydolne krążenie)[14].
Hel w mieszaninie z tlenem może być używany do wentylacji mechanicznej pacjentów z ciężką obturacją oskrzeli. Hel ma znacznie mniejszą gęstość niż azot. Zastąpienie azotu helem obniża liczbę Reynoldsa i zmienia charakter przepływu gazów w drogach oddechowych z turbulentnego na laminarny, co istotnie obniża opory przepływu. Metoda ma charakter eksperymentalny i nie została wdrożona do powszechnej praktyki klinicznej[15].
Hel dostarczony do płuc powoduje zmianę wysokości głosu[16][17], ponieważ częstość drgań strun głosowych w komorze rezonansowej, jaką jest krtań, zależy od gęstości ośrodka, w którym te drgania zachodzą (prędkość dźwięku w helu jest ok. 3 razy większa niż w powietrzu). Przeciwny efekt ma wdychanie sześciofluorku siarki[18]. Wdychanie większych ilości helu może prowadzić do utraty przytomności, a nawet śmierci[17][16][19].
Hipotetycznie izotop 3 He może zostać wykorzystany w kontrolowanej reakcji termojądrowej z deuterem do uzyskiwania energii bez powstawania niepożądanych odpadów promieniotwórczych. Na Ziemi 3 He występuje jedynie śladowo, natomiast znaczne ilości mogą występować w gruncie księżycowym, w związku z czym rozważane są projekty jego wydobycia i transportu z Księżyca na Ziemię[20][21].
Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo posiada jedyną w Unii Europejskiej instalację do pozyskiwania helu w odazotowni gazu ziemnego w Odolanowie i w okolicach Grodziska Wielkopolskiego oraz w instalacji membranowej przy kopalni Kościan-Brońsko; ostateczne oczyszczenie przeprowadzane jest w Odolanowie[22]. W 2012 roku zakończyła się dwuletnia, warta 27,7 mln zł modernizacja, która poprawiła ergonomiczność oraz o ok. 30% wydajność instalacji. Dzięki niej Polska jest jednym z sześciu krajów na świecie produkujących hel. Wśród głównych odbiorców są: Austria, Francja, Niemcy, Szwajcaria, Turcja, Wielka Brytania, kraje bałkańskie[23].
↑ Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 4,002602 ± 0,000002. Znane są próbki geologiczne, w których pierwiastek ten ma skład izotopowy odbiegający od występującego w większości źródeł naturalnych. Masa atomowa pierwiastka w tych próbkach może więc różnić się od podanej w stopniu większym niż wskazana niepewność. Duże różnice w składzie izotopowym tego pierwiastka w źródłach naturalnych nie pozwalają na podanie wartości masy atomowej z większą dokładnością.
↑ThomasT.ProhaskaThomasT. i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI: 10.1515/pac-2019-0603(ang.).
↑Charles N.Ch.N.SingmanCharles N.Ch.N., Atomic volume and allotropy of the elements, „Journal of Chemical Education”, 61 (2), 1984, s. 137, DOI: 10.1021/ed061p137(ang.).
↑Helium: geological information [online], Web Elements [dostęp 2020-07-13](ang.).
↑ abcdXiaoX.DongXiaoX. i inni, A stable compound of helium and sodium at high pressure, „Nature Chemistry”, 9 (5), 2017, s. 440–445, DOI: 10.1038/nchem.2716, PMID: 28430195(ang.).
↑Andrzej Kublik: Rosja i Chiny walczą o energię z Księżyca. Gazeta Wyborcza, 2006-04-13. [dostęp 2009-01-10].
↑Mariusz Błoński: Wyścig po paliwo z kosmosu. Kopalniawiedzy.pl, 15-12-2006. [dostęp 2009-01-10].
↑Leszek Kadej: Hel - najcenniejsza domieszka w gazie ziemnym. Wysokie Napięcie, 2018-10-02.
↑MichałM.DuszczykMichałM., PGNiG umacnia pozycję głównego producenta helu, „Dziennik Gazeta Prawna”, 36 (3174), 21 lutego 2012, s. A12, ISSN 2080-6744.
