Helium
Entdecke die Welt des Heliums: Das Element, das Luftballons fliegen lässt und Stimmen ins Komische verwandelt. Dieser Text enthüllt dir die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Helium und erklärt, warum es so reaktionsträge ist. Neugierig geworden? Im Artikel findest du tiefergehende Informationen und sogar ein Video!
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Grundlagen zum Thema Helium
Helium – Chemie
Bestimmt hast du bereits etwas von dem Element Helium gehört. Es ist das Element, das Luftballons schweben lässt. Wenn man Helium einatmet, bekommt man eine Micky-Maus-Stimme. Aber wie ist Helium aufgebaut? Und welche physikalischen und chemischen Merkmale hat Helium? Die Antworten auf diese Fragen und viele weitere Informationen zu den Eigenschaften von Helium findest du in diesem Text.
Was ist Helium? – einfach erklärt
Helium ist ein Element mit dem chemischen Formelzeichen $\ce{He}$. Neben Wasserstoff ist Helium das einzige Element in der zweiten Periode des Periodensystems der Elemente. Helium ist im Vergleich zu Wasserstoff jedoch weder brennbar noch explosiv. Im Periodensystem der Elemente steht Helium in der 8. Hauptgruppe und der 1. Periode. Es ist also ein Edelgas.
Helium – chemische Eigenschaften
Betrachtet man Helium auf atomarer Ebene, so besitzt es eine Elektronenschale mit zwei Valenzelektronen, die Schale ist also voll besetzt. Seine Ordnungszahl ist zwei. Helium ist sehr reaktionsträge – es geht keine Verbindung mit anderen Elementen ein. Helium liegt nie als Molekül, sondern nur einatomig vor. Im Kern sind je zwei Neutronen und Protonen zu finden. Da es zwei positive und zwei negative Ladungen besitzt, ist das Heliumatom nach außen elektrisch neutral.
Es sind mehrere Heliumisotope bekannt, von denen die meisten aber instabil sind. Isotope eines Elements unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen im Atomkern.
Helium – Steckbrief
In der folgenden Tabelle sind die physikalischen Eigenschaften von Helium zusammengefasst:
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Helium – Aggregatzustand | gasförmig. Es handelt sich um ein farbloses, geruchloses Gas. |
| Helium – Schmelzpunkt | $\pu{-272,2°C}$. Helium liegt also niemals als Feststoff vor. |
| Helium – Siedepunkt | $\pu{-268,9°C}$ |
| Helium –Dichte | $\pu{0,17 g/cm3}$ |
| Helium – Atommasse | $\pu{4,002u}$ |
Helium – Vorkommen
Helium ist das häufigste Element im Universum. Beispielsweise leuchten Sterne, weil sie unglaublich große Mengen an Wasserstoff in Helium umwandeln. Darauf ist auch der Name Helium zurückzuführen. Dieser leitet sich vom griechischen Wort helios für Sonne ab. In der Geschichte des Heliums wurde dieser Stoff zuerst im Sonnenspektrum nachgewiesen. Das natürliche Vorkommen von Helium in der Atmosphäre der Erde ist sehr gering. Der Anteil in der Luft ist minim. Außerdem ist Helium in geringer Prozentzahl Bestandteil von Erdgas.
Helium – künstliche Gewinnung
Wie bereits erwähnt kommt Helium in Erdgas vor. Unter hohem Druck und bei niedrigen Temperaturen kann Erdgas verflüssigt werden und reines Helium kann gewonnen werden. Dieser Vorgang wird als Gasverflüssigung bezeichnet.
Helium – Verwendung
Für was braucht man Helium? Darüber gibt folgende Liste Auskunft:
- Ballongas: Da es leichter als Luft ist, steigen die Ballons auf.
- Stickstoffersatz in Gasflaschen, die von Tiefseetauchern benutzt werden
- Schutzgas für verschiedene industrielle Anwendungen, da es nicht brennbar ist. Schutzgase ersetzen die atmosphärische Luft, da diese brennbar ist.
Dieses Video
In diesem Video erfährst du, was Helium ist. Ein Heliumatom ist ziemlich einfach aufgebaut. Bemerkenswert ist, dass Helium aus einzelnen Atomen besteht. Daraus leiten sich seine bemerkenswerten Eigenschaften ab. Die Chemie dagegen ist eher langweilig. Man sagt: Helium ist der edelste aller bekannten Stoffe. Schließlich besprechen wir Vorkommen, Gewinnung und Verwendung. Es ist auch gelungen, flüssiges Helium herzustellen.
Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zum Thema Helium zu bearbeiten. Viel Spaß!
Transkript Helium
Hallo und ganz herzlich willkommen (Bitte mit Mickimaus -Stimme). Meine Stimme klingt komisch, nicht? Das passiert, wenn man das Gas Helium einatmet. Ihr merkt schon, worum es heute geht: Um das chemische Element „Helium“.
Wo steht Helium im PSE, dem Periodensystem der Elemente? Ich hoffe, euch gefällt das gewählte PSE. Helium befindet sich in der VIII. Hauptgruppe. Dort stehen die Edelgase. Das chemische Element Helium steht ganz oben links.
Woher kommt der Name Helium? Helium kommt aus dem Griechischen. Der Name leitet sich von „helios“ ab. Das heißt Sonne. Denn Helium wurdeoptisch auf der Sonne entdeckt.
Wie ist ein Helium – Atom aufgebaut? Ein Helium – Atom besitzt zwei Protonen und zwei Neutronen. Sie bilden den Atomkern. Die Elektronenhüllebesteht aus zwei Elektronen.
Was sagt das Teilchenmodell über Helium? Wie alle Edelgase besteht der Stoff Helium aus einzelnenTeilchen. Man sagt auch, Helium liegt atomar vor.
Die Stoffeigenschaften Helium ist ein atomarer Stoff. Die Teilchen sind sehr klein. Die Anziehung dazwischen ist äußerst gering. Daher siedetHelium sehr niedrig. Die Siedetemperatur liegt bei unvorstellbaren -267 °C. Zum Vergleich: Die tiefste auf der Erde gemessene Temperatur betrug etwa -90 °C, war damit fast 180 °C (!) höher. Das ist ja richtig warm, nicht war? Achtung: Das war ein Spaß! Die Heliumverflüssigung gelang erstmals Heike Kammerlingh – Onnes im Jahre 1908. Die Dichte des Heliums ist sehr gering. Ein Liter hat eine Masse von nur 0,17 g.
Chemische Eigenschaften Die Chemie des Heliums gibt es eigentlich gar nicht. Dennwie alle Edelgase ist Helium wenig reaktiv. Helium ist das trägste aller Edelgase. Es bildet keine einzige chemische Verbindung.
Das edelste Edelgas Im gewöhnlichen Leben findet man das Wort „edel“ in Begriffen wie „Edelleute“, „Edelsteine“ oder „Edelmetalle“. Edel in der Chemie heißt reaktionsträge. In diesem Sinne ist Helium viel edler als Gold oder Edelsteine.
Vorkommen und Gewinnung Helium ist das häufigste Element des Weltalls. In der Atmosphäre kommen auf einen Kubikmeter Luft nur46 ml Helium. Das ist der Inhalt eines einzigen Weinbrandglases (auf einen Müllcontainer). Aus der Luft lässt sich Helium somit nicht gewinnen. Aber es gibt eine ergiebige Heliumquelle: Das Erdgas. Manche Erdgasquellen enthalten einige Prozent Helium. Das Helium wird aus dem Gemisch durch Gasverflüssigunggewonnen.
Verwendung Helium wird als Ballongas verwendet. Es ist leicht und kannBallons zum Steigen bringen. Man verwendet Helium aufVolksfesten und für Wetterballons. Der Vorteil gegenüber Wasserstoff ist seine absolute Unbrennbarkeit. Früher wurde Helium in der Beleuchtung eingesetzt. Es liefert ein schönes gelbes Licht. Heute verwendet manmeist Leuchtstofflampen. Beim Tauchen ersetzt Helium den (statt) Stickstoff imAtemgas. Dadurch wird die Taucherkrankheit vermieden.
Und zuletzt: Beim Einatmen für die Mickimaus – Stimme aufpassen! Helium ist völlig ungiftig, aber erstickend! Keine kleinen Kinder allein mit Helium spielen lassen!
Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüs Euer André
Helium Übung
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Gib an, woher der Name von Helium stammt.
TippsHelium ist das edelste aller Elemente.
Der griechische Gott Helios war für den Weg der Sonne über den Himmel zuständig.
LösungHelium gehört zu den Edelgasen. Es ist sehr reaktionsträge und zeigte sich daher nicht durch Reaktionen mit anderen Stoffen. Bei der Untersuchung der Sonne fiel auf, dass zwei Elemente stark vertreten waren. Das waren Wasserstoff und Helium. Von der Sonne hat das Helium dann auch seinen Namen erhalten. Bei der Kernfusion von zwei Wasserstoffatomen entsteht in der Hitze und dem ungeheuren Druck der Sonne ein Helium-Atom.
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Bestimme die Eigenschaften von Helium.
TippsHelium siedet bei -269°C.
Die Dichte von Helium ist geringer als die von Luft.
LösungHelium besteht aus Atomen, die sehr klein sind. Zwischen den Atomen herrschen fast keine Wechselwirkungen, wodurch der Zusammenhalt äußerst gering ist. Das erklärt den sehr niedrigen Siedepunkt von -269°C. Dieser liegt fast am absoluten Nullpunkt von -273,15 °C (0K). Bei dieser Temperatur gibt es keine Bewegung mehr, alles kommt zum Stillstand.
Die Teilchen nehmen einen großen Abstand zueinander ein. Dadurch ist die Dichte des Gases Helium sehr gering. Sie ist sogar kleiner als die von Luft. Aus diesem Grund steigen mit Helium gefüllte Ballons nach oben.
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Zeige den Aufbau eines Helium-Atoms.
TippsAn welcher Stelle im PSE befindet sich Helium?
Es steht an der 2. Stelle. Helium besitzt daher 2 Protonen.
LösungHelium besitzt im Kern 2 positiv geladene Protonen, die von 2 Elektronen in der Atomhülle umkreist werden. Das Atom ist also sehr klein und besitzt eine vollbesetzte äußere Schale.
Das erste Bild zeigt ein Atom als Kugel, so wie Dalton es sich vorgestellt hatte. Das letzte zeigt das Modell des Rosinenkuchens, welches auf Thompson zurückgeht. Es besagt, dass Protonen und Elektronen gleichmäßig im Atom verteilt vorliegen. Das Kern-Hülle-Modell kommt wahrscheinlich dem wirklichen Zustand eines Atoms schon näher.
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Erkläre was man unter der Edelgaskonfiguration versteht.
TippsBeginne mit der Verortung der Edelgase im Periodensystem.
Am Ende erfolgt die Begründung für die Reaktionsträgheit.
LösungDas Erreichen der Edelgaskonfiguration ist eine Triebkraft für chemische Reaktionen. So reagiert ein Alkalimetall, 1. Hauptgruppe, mit einem Halogen, 7. Hauptgruppe, damit beide eine Edelgaskonfiguration erhalten. Das Metall gibt ein Elektron ab und besitzt dann die Konfiguration des Edelgases der Periode davor. Das Halogen nimmt ein Elektron auf, um die Elektronenkonfiguration des direkt folgenden Edelgases zu erreichen. Diese Reaktion ist sehr heftig. Es wird viel Energie frei. Das Produkt dieser Reaktion, ein Salz, ist dadurch deutlich energieärmer als seine Ausgangsstoffe. Daher ist es sehr stabil, was sich in den hohen Schmelzpunkten von Salzen zeigt.
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Gib die Verwendungszwecke von Helium an.
TippsHelium besitzt eine geringere Dichte als Luft.
Helium beugt einem Tiefenrausch vor.
LösungHelium ist das edelste aller Edelgase. Es geht daher praktisch keinerlei Reaktionen ein. Das macht es zu einem guten und ungefährlichen Gas für Ballons und Luftschiffe. Früher wurden Zeppeline mit Wasserstoff befüllt. Da dieser brennbar ist, war er aber eine große Gefahr für alle Reisenden.
Beim Tauchen wird dem Sauerstoff Helium als Ersatz für den Stickstoff zugemischt. Dieser bildet beim Aufstieg nicht so schnell Bläschen im Blut wie Stickstoff. Helium hilft so, die Taucherkrankheit zu verhindern.
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Erläutere die Veränderung der Stimme beim Einatmen von Helium.
TippsDer Schall und damit auch die Stimme breiten sich in Luft mit einer Geschwindigkeit von 333 $\frac{m}{s}$ aus.
In Helium kann sich der Schall mit über 900 $\frac{m}{s}$ ausbreiten, da Helium viel weniger dicht ist als Luft.
LösungDer hohe Ton beim Einatmen von Helium geht also auf die geringere Dichte und die damit verbundene höhere Schallgeschwindigkeit zurück. Eine höhere Geschwindigkeit bedeutet nämlich eine höhere Frequenz. Je höher die Frequenz eines Tons ist, desto höher hört er sich für uns an. Ab einer bestimmten Frequenz hören wir Töne aber nicht mehr.
Beim Einatmen von Helium ist trotz der Ungiftigkeit des Stoffes Vorsicht geboten. Es kann erstickend wirken, da kein Sauerstoff aufgenommen wird. Bei mehrmaligem und tiefem Einatmen kann es zur Bewusstlosigkeit kommen.
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3:30 Wasserstoff ist das häufigste Element im Weltall
supi