Czy hel jest palny? Poznaj właściwości tego gazu

Hel nie jest palny i nie podtrzymuje spalania. To gaz szlachetny całkowicie bezpieczny pod względem pożarowym, ponieważ jego atomy nie wchodzą w reakcje z tlenem. W dalszej części artykułu wyjaśniamy, z czego wynika ta niereaktywność, jakie inne cechy sprawiają, że hel unosi balony, oraz gdzie jeszcze wykorzystuje się ten pierwiastek.

Czym jest hel i gdzie występuje?

Hel (symbol He, liczba atomowa 2) należy do grupy helowców, zwanych też gazami szlachetnymi. Jego konfiguracja elektronowa 1s² oznacza całkowicie wypełnioną powłokę walencyjną, co czyni go jednym z najmniej aktywnych pierwiastków w całym układzie okresowym. W kosmosie stanowi około 23% masy materii, lecz na Ziemi jest pierwiastkiem rzadkim – w atmosferze występuje zaledwie w ilości 5 ppm.

Największą zawartość helu odnotowuje się w niektórych złożach gazu ziemnego. W polskich odwiertach jego stężenie dochodzi nawet do 3%, co stawia nasz kraj w czołówce europejskich producentów tego surowca. Praktycznie cały pierwotny hel ziemski ulotnił się w przestrzeń kosmiczną właśnie z powodu swojej bierności chemicznej, nie tworząc trwałych związków.

Dlaczego hel się nie pali?

Spalanie to gwałtowna reakcja chemiczna z wydzieleniem ciepła, która do zajścia wymaga utleniacza – najczęściej tlenu. Hel ma najwyższą energię jonizacji spośród pierwiastków (24,59 eV), co oznacza, że jego elektrony są niezwykle silnie związane z jądrem. W efekcie nie jest zdolny do tworzenia wiązań, a tym samym do jakiejkolwiek reakcji spalania.

Atom helu posiada trwale obsadzoną podpowłokę 1s – jest „spełniony” elektronowo i nie wykazuje dążności do oddawania ani przyjmowania elektronów.

W przeciwieństwie do wodoru, który z tlenem tworzy wybuchową mieszaninę, hel pozostaje obojętny nawet w wysokiej temperaturze. Dlatego dziś wypełnia się nim sterowce i balony, zastępując niebezpieczny wodór odpowiedzialny m.in. za katastrofę Hindenburga. Ta zasadnicza różnica między obydwoma gazami jest często źródłem nieporozumień, ponieważ oba unoszą się w powietrzu.

Podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne

W warunkach normalnych hel jest bezbarwnym, bezwonnym gazem o gęstości około 0,1785 kg/m³. Jest aż siedmiokrotnie lżejszy od powietrza, co bezpośrednio wyjaśnia jego zdolność do unoszenia. Ma również ekstremalnie niską temperaturę wrzenia (–268,928°C), dlatego bardzo łatwo przechodzi w stan ciekły, a następnie – jako jedyny pierwiastek – nawet w temperaturze zera bezwzględnego pozostaje cieczą pod ciśnieniem atmosferycznym.

Równanie Clapeyrona dla gazu doskonałego (pV = nRT) pozwala szybko oszacować gęstość helu w różnych warunkach. Podstawienie masy molowej M ≈ 4 g/mol do wzoru ρ = pM/RT pokazuje, że przy tym samym ciśnieniu i temperaturze jest on wyraźnie rzadszy niż mieszanina azotu i tlenu, której masa molowa sięga 29 g/mol.

Jak hel unosi balony i sterowce?

Zjawisko unoszenia opiera się na prawie Archimedesa. Siła wyporu działająca na balon o objętości V wynosi Fw = ρpowietrza·g·V, natomiast ciężar zawartego w nim helu to FHe = ρHe·g·V. Różnica między tymi wartościami daje efektywną siłę nośną, zdolną unieść dodatkowy ładunek. Balon o pojemności 20 litrów może podnieść około 20 gramów, nie licząc masy własnej powłoki.

Współczesne sterowce reklamowe, balony meteorologiczne czy dekoracje eventowe wykorzystują hel właśnie ze względu na tę bezpieczną siłę wyporu. Nawet przy przypadkowym kontakcie z ogniem nie następuje zapłon – płomień gaśnie, zamiast rozprzestrzeniać się po powierzchni czaszy.

Gdzie jeszcze wykorzystuje się hel?

Chłodnictwo i kriogenika

Ciekły hel dzięki temperaturze wrzenia bliskiej 4,2 K (–268,9°C) jest niezastąpiony przy chłodzeniu nadprzewodzących magnesów w skanerach rezonansu magnetycznego. Bez niego nie mogłyby działać także akceleratory cząstek – w CERN-ie używa się go do schładzania Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Medycyna i nurkowanie

W mieszaninach oddechowych hel zastępuje azot, tworząc tzw. heliox. Dzięki małej gęstości obniża opór w drogach oddechowych, ułatwiając wentylację pacjentów z ciężką obturacją oskrzeli. Podobną zasadę stosuje się w głębokim nurkowaniu technicznym, gdzie zmniejszenie ryzyka narkozy azotowej ma znaczenie decydujące o bezpieczeństwie.

Gaz ten służy również do napełniania balonów do kontrapulsacji wewnątrzaortalnej. Urządzenie to, wprowadzane przez tętnicę udową, pompuje hel w rytm pracy serca i wspomaga krążenie u osób z ostrą niewydolnością.

Przemysł i badania

Jako gaz osłonowy hel chroni stopione metale przed utlenianiem podczas spawania, a jego niewielkie atomy pozwalają wykrywać nawet najdrobniejsze nieszczelności instalacji próżniowych i gazowych. Lasery helowo-neonowe emitują charakterystyczną czerwoną wiązkę znaną z czytników kodów kreskowych. W 2017 roku doniesiono o pierwszym stabilnym termodynamicznie związku helu – Na2He – powstającym pod ciśnieniem powyżej 113 GPa, co obaliło wieloletnie przekonanie o absolutnej niereaktywności tego pierwiastka.

Izotopy helu i perspektywy energetyczne

Naturalny hel składa się głównie z izotopu 4He, lecz istnieje także niezwykle rzadki, lżejszy izotop – hel-3 (³He). Na Ziemi występuje w ilościach śladowych, natomiast jego znaczne pokłady znajdują się w regolicie księżycowym, naniesionym tam przez wiatr słoneczny. Właśnie hel-3 uznaje się za potencjalne paliwo do kontrolowanej fuzji termojądrowej, która mogłaby zapewnić czystą energię bez odpadów promieniotwórczych.

W odróżnieniu od zwykłych elektrowni atomowych, fuzja z udziałem helu-3 przekształca bezpośrednio 70% energii reakcji w energię elektryczną, bez konieczności podgrzewania pary wodnej i napędzania turbin.

Tak wysoka wydajność przewyższa zarówno współczynniki elektrowni węglowych (ok. 45%), jak i jądrowych (ok. 37%). To sprawia, że w przyszłości hel-3 mógłby napędzać nie tylko ziemskie sieci energetyczne, lecz także statki kosmiczne. Póki co jednak wydobycie tego izotopu z Księżyca napotyka bariery technologiczne i logistyczne, choć pierwsze próbki zostały dostarczone już w ramach misji Apollo.

Czy hel jest całkowicie bezpieczny?

Pod kątem pożarowym hel nie stwarza żadnego zagrożenia – jest niepalny i nie podtrzymuje ognia. Warto jednak pamiętać o innych aspektach: w zamkniętych pomieszczeniach wypiera tlen z powietrza, co grozi niedotlenieniem. Bezpośrednie wdychanie gazu z butli może uszkodzić płuca wskutek wysokiego ciśnienia. Ponadto zmiana barwy głosu po nabraniu helu, choć wydaje się zabawna, wynika z przyspieszenia drgań strun głosowych w ośrodku o mniejszej gęstości i przy nadmiernym użyciu może zakończyć się omdleniem.

Zrozumienie, że hel to pierwiastek obojętny chemicznie, wyjaśnia nie tylko jego niepalność, ale też liczne funkcje – od chłodzenia magnesów po bezpieczne unoszenie dekoracji. Jego izotopowa odmiana, hel-3, rysuje natomiast dalekosiężną wizję niemal bezstratnej produkcji energii, choć na razie pozostaje ona w sferze badań.