Helium: Porovnání verzí

Aktuální verze z 15. 11. 2025, 23:30

Rozbalit box

Obsah boxu

Helium (chemická značka He) je bezbarvý, netoxický ušlechtilý plyn bez chuti a zápachu, který stojí na prvním místě v 18. skupině periodické tabulky prvků. Jeho protonové číslo je 2. Po vodíku je druhým nejlehčím a druhým nejrozšířenějším prvkem v pozorovatelném vesmíru, kde tvoří přibližně 24 % celkové hmotnosti elementů. Na Zemi je však poměrně vzácné.

Helium má nejnižší bod varu a bod tání ze všech známých prvků a za normálního atmosférického tlaku existuje pouze jako plyn. V pevném stavu ho lze dosáhnout pouze za extrémně vysokého tlaku. Jeho jedinečné vlastnosti, zejména extrémně nízká teplota zkapalnění, z něj činí nepostradatelnou látku v mnoha špičkových technologických a vědeckých aplikacích.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Helium je chemicky téměř zcela inertní. Jako ušlechtilý plyn má plně zaplněnou valenční elektronovou slupku, což mu brání ve vytváření chemických vazeb za normálních podmínek. Jsou známy pouze nestabilní sloučeniny zvané excimery, které se využívají v některých typech laserů. Díky své nízké atomové hmotnosti a slabým van der Waalsovým silám mezi atomy má extrémně nízké teploty fázových přechodů.

Nejpozoruhodnější vlastností helia je jeho chování při teplotách blízkých absolutní nule (−273,15 °C). Při ochlazení pod 2,17 K (−270,98 °C) přechází kapalné helium (známé jako Helium I) do stavu zvaného supratekuté helium (Helium II). V tomto stavu ztrácí veškerou viskozitu, což mu umožňuje protékat bez tření i těmi nejmenšími kapilárami a dokonce "šplhat" po stěnách nádob. Tento jev je projevem kvantově mechanických efektů na makroskopické úrovni a souvisí s tvorbou Boseho-Einsteinova kondenzátu.

Helium je také po vodíku druhým nejméně hustým plynem, jeho hustota je přibližně sedmkrát nižší než hustota vzduchu. To je důvodem, proč balóny a vzducholodě naplněné heliem stoupají vzhůru. Rychlost šíření zvuku v heliu je téměř třikrát vyšší než ve vzduchu, což způsobuje charakteristické zvýšení tónu hlasu po jeho vdechnutí.

⏳ Historie objevů

Helium bylo jako první prvek objeveno mimo Zemi. Během úplného zatmění Slunce 18. srpna 1868 si francouzský astronom Pierre Janssen při pozorování sluneční chromosféry v Indii všiml ve spektru jasně žluté čáry, která neodpovídala žádnému známému prvku. Původně se domníval, že jde o sodík. Nezávisle na něm, 20. října téhož roku, anglický astronom Norman Lockyer také pozoroval tuto neznámou spektrální čáru a dospěl k závěru, že se jedná o nový prvek přítomný na Slunci. Lockyer a anglický chemik Edward Frankland navrhli pro tento prvek název "helium" podle řeckého boha Slunce, Hélia.

Trvalo téměř tři desetiletí, než bylo helium prokázáno i na Zemi. V roce 1895 skotský chemik Sir William Ramsay při pokusech s minerálem cleveitem (odrůda uraninitu) izoloval plyn, který po spektroskopické analýze vykazoval stejnou žlutou čáru, jakou pozorovali Janssen a Lockyer. Tím byla existence helia na Zemi potvrzena. Ve stejném roce se podařilo izolovat helium také švédským chemikům Per Teodoru Cleveovi a Abrahamu Langletovi v Uppsale.

V roce 1903 byly objeveny velké zásoby helia v ložiscích zemního plynu v Kansasu ve Spojených státech, což poprvé umožnilo jeho produkci ve velkém měřítku. První zkapalnění helia se podařilo nizozemskému fyzikovi Heikemu Kamerlinghovi Onnesovi v roce 1908 ochlazením plynu na teplotu nižší než jeden kelvin.

🌍 Výskyt a těžba

Ačkoliv je helium ve vesmíru všudypřítomné, na Zemi je jeho výskyt omezený a je považováno za neobnovitelný zdroj. V zemské atmosféře se nachází jen ve stopovém množství (přibližně 5,2 ppm), protože jeho lehké atomy neustále unikají gravitačnímu poli Země do vesmíru. Téměř veškeré komerčně dostupné helium na Zemi pochází z radioaktivního rozpadu alfa těžkých prvků, jako jsou uran a thorium, v zemské kůře. Během milionů let se takto vzniklé helium hromadí v porézních horninách a je zachyceno v ložiscích zemního plynu, ze kterých se následně těží.

Největšími světovými producenty helia jsou tradičně Spojené státy (zejména státy Texas, Kansas a Wyoming), Katar a Alžírsko. V posledních letech se na významného producenta vypracovalo také , především díky spuštění Amurského plynárenského a zpracovatelského závodu na Dálném východě. Dalšími menšími producenty jsou Kanada, Polsko a Austrálie.

Těžba helia probíhá frakční destilací zemního plynu. Protože helium má ze všech složek zemního plynu nejnižší bod varu, lze ho od ostatních plynů (především methanu a dusíku) oddělit postupným ochlazováním směsi, dokud všechny ostatní složky nezkapalní. Surové helium (s koncentrací 50–70 %) se následně dále čistí na vyšší stupně čistoty (až 99,9999 %), které jsou vyžadovány pro specifické technologické aplikace.

💰 Ekonomika a světové zásoby

Helium je strategická surovina s omezenými a nerovnoměrně rozloženými světovými zásobami. Jeho cena na světových trzích je velmi volatilní a v posledních dvou desetiletích prošla několika obdobími výrazného růstu, známými jako "helium shortages" (nedostatky helia). Tyto krize byly způsobeny kombinací faktorů, včetně rostoucí poptávky, výpadků v produkci a změn v politice správy strategických rezerv, zejména americké Federal Helium Reserve.

Federal Helium Reserve, podzemní zásobník poblíž Amarilla v Texasu, byla založena v roce 1925 a po desetiletí hrála klíčovou roli ve stabilizaci světového trhu. V roce 1996 však americký Kongres nařídil její privatizaci a postupný rozprodej zásob, což vedlo k uměle nízkým cenám a následně k tržním šokům, když se zásoby ztenčily. K roku 2025 se role této rezervy výrazně zmenšila a světový trh je více závislý na aktuální produkci z Kataru, Ruska a dalších zdrojů.

Předpokládá se, že globální poptávka po heliu bude nadále růst, tažena především sektory elektroniky (výroba polovodičů), zdravotnictví (přístroje MRI) a kosmického průmyslu. V reakci na to probíhá intenzivní geologický průzkum nových ložisek, například v Tanzanii nebo v Jižní Africe, která nejsou vázána na těžbu fosilních paliv. Rostoucí cena také motivuje vývoj technologií pro recyklaci a zpětné zkapalňování helia, aby se snížila spotřeba tohoto cenného zdroje.

🔬 Vědecké a průmyslové využití

Díky svým unikátním vlastnostem je helium nepostradatelné v řadě klíčových odvětví.

🧪 Kryogenika: Největší a nejdůležitější využití helia je v kryogenice jako chladicího média. Kapalné helium je jedinou látkou, která dokáže dosáhnout teplot potřebných pro chlazení supravodivých magnetů. Ty jsou srdcem přístrojů pro magnetickou rezonanci (MRI) v nemocnicích, NMR spektrometrů v chemických laboratořích a urychlovačů částic, jako je například Velký hadronový urychlovač v CERNu.
🎈 Aerostatika: Pro svou nízkou hustotu a nehořlavost (na rozdíl od vodíku) se helium používá k plnění meteorologických balónů, vědeckých výškových balónů a velkých vzducholodí.
🛠 Svařování: Jako inertní plyn vytváří helium ochrannou atmosféru při obloukovém svařování materiálů, které by jinak reagovaly se vzdušným kyslíkem nebo dusíkem, například hliníku nebo nerezové oceli.
💻 Elektronika: Při výrobě polovodičů, LCD panelů a optických vláken je nutné udržovat ultračisté prostředí. Helium se používá k čištění a jako nosný plyn pro chemické procesy, protože nereaguje s citlivými materiály.
🤿 Dýchací směsi: Směsi helia a kyslíku (tzv. Heliox) nebo helia, kyslíku a dusíku (Trimix) se používají pro hloubkové potápění. Helium nahrazuje dusík, aby se předešlo dekompresní nemoci a dusíkové narkóze ve velkých hloubkách.
🛰 Kosmický průmysl: Kapalné helium se používá k chlazení přístrojů na satelitech. Plynným heliem se také proplachují a tlakují palivové nádrže raketových motorů na kapalný vodík a kyslík.
🔎 Detekce úniků: Díky svým malým atomům dokáže helium proniknout i mikroskopickými trhlinami. Používá se proto k testování těsnosti vakuových systémů, potrubí a různých průmyslových zařízení.

🎈 Běžné a rekreační využití

Široké veřejnosti je helium známé především jako plyn pro plnění "létajících" balónků na oslavách a poutích. Právě tato jeho vlastnost – schopnost vznášet se – fascinuje děti i dospělé.

Dalším populárním rekreačním využitím je inhalace malého množství helia pro dočasnou změnu hlasu. Rychlost zvuku v heliu je přibližně třikrát vyšší než ve vzduchu, což způsobuje posun rezonančních frekvencí hlasového ústrojí směrem k vyšším tónům. Hlas pak zní komicky tence a písklavě, podobně jako hlas kreslených postaviček.

Je však kriticky důležité varovat před nebezpečím spojeným s vdechováním helia. Inhalace helia přímo z tlakové láhve je extrémně nebezpečná a může způsobit okamžitou smrt. Plyn z láhve je pod vysokým tlakem a velmi studený, což může způsobit barotrauma (poškození plic z přetlaku) nebo jejich omrznutí. I vdechování z balónku může být rizikové, protože helium vytlačuje z plic kyslík. Opakované nebo hluboké vdechování může vést k asfyxii (udušení) a ztrátě vědomí.

⚔️ Kritika a kontroverze

Rostoucí využívání helia pro rekreační účely, zejména pro plnění párty balónků, je předmětem sílící kritiky ze strany vědecké komunity a průmyslových expertů. Kritici argumentují, že plýtvání cenným a neobnovitelným zdrojem na takto pomíjivou zábavu je nezodpovědné v době, kdy je helium klíčové pro život zachraňující lékařské technologie (MRI) a zásadní vědecký výzkum.

Nositel Nobelovy ceny za fyziku, Robert Coleman Richardson, byl jedním z hlasitých zastánců omezení prodeje helia pro rekreační účely a zvýšení jeho ceny tak, aby odrážela jeho skutečnou hodnotu a vzácnost. Podle něj by měly vlády zavést opatření na ochranu zbývajících zásob pro budoucí generace a strategické aplikace.

Další kontroverze se týká environmentálního dopadu. Uniklé helium z balónků sice nepůsobí jako skleníkový plyn, ale samotné balónky představují plastový odpad, který ohrožuje divoká zvířata, zejména mořské živočichy, kteří si je mohou plést s potravou. Mnoho ekologických organizací proto vede kampaně proti vypouštění balónků do atmosféry.

⚛️ Pro laiky

Představte si helium jako nejmenšího a nejlehčího "samotáře" mezi všemi prvky. Je tak lehký, že kdyby nebyl uvězněn hluboko pod zemí, dávno by z naší planety utekl do vesmíru – a přesně to se děje, když například praskne balónek. Je to jako pustit z ruky pírko, které ale letí stále výš, až zmizí.

Jeho "samotářská" povaha znamená, že se téměř nikdy nespojuje s jinými prvky. Zatímco kyslík se rád váže na vodík (vytvoří vodu) nebo železo (vytvoří rez), helium si ostatních prvků nevšímá. Proto mu říkáme "ušlechtilý" nebo "inertní" plyn. Tato vlastnost je skvělá pro průmysl, protože ho můžeme použít jako ochranný štít při svařování nebo výrobě čipů, aniž by nám zničil materiál.

A proč mění hlas? Zvuk jsou vlastně vibrace vzduchu, které se šíří určitou rychlostí. Když máte v plicích místo vzduchu helium, které je mnohem lehčí, zvukové vlny jím prosviští skoro třikrát rychleji. Vaše hlasivky sice kmitají stejně, ale rychlejší šíření zvuku změní rezonanci ve vašem krku a ústech, což má za následek onen vysoký, "šmoulí" hlas.

Zdroje