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Die Superkräfte des Heliums: Warum ist dieses Gas so schwer zu fassen?
Helium ist in der Chemie als das kleinste und leichteste Edelgas bekannt, es ist aber auch eines der am wenigsten reaktiven Elemente. Aufgrund dieser Eigenschaften galt es allgemein als unwahrscheinlich, dass Helium Verbindungen bildet, zumindest unter normalen Bedingungen. Mit fortschreitender wissenschaftlicher Forschung entdecken wir jedoch nach und nach das seltsame Verhalten und Potenzial von Helium in extremen Umgebungen.
Die erste Ionisierungsenergie von Helium beträgt 24,57 eV und ist damit die höchste aller Elemente. Dies erschwert es Heliumatomen, zusätzliche Elektronen aufzunehmen und kovalente Verbindungen mit anderen Substanzen einzugehen.
Helium hat eine einzigartige Struktur mit einer vollständigen Elektronenhülle, die es bei chemischen Reaktionen extrem inaktiv macht. Seine Elektronenaffinität liegt nahe Null und sein äußerer Elektronenschalenradius beträgt lediglich 0,29 Å, was bedeutet, dass Heliumatome unter normalen Umständen fast keine Wechselwirkung mit anderen Atomen haben.
Obwohl Helium keine chemischen Bindungen mit anderen Atomen eingeht, ist es bei extrem niedrigen Temperaturen durch Van-der-Waals-Kräfte möglich, Moleküle zu bilden.
Obwohl Helium aufgrund seines niedrigen Siedepunkts (4,2 K) nahezu schwer zu finden ist, haben Forscher Wege gefunden, es chemisch reaktiv zu machen. Durch Anwendung von hohem Druck kann die Abstoßung zwischen Heliumatomen und anderen Substanzen überwunden werden und sie haben die Möglichkeit, feste Verbindungen zu bilden. Beispielsweise kann Helium im Inneren der Erde oder anderer Planeten mit Natrium eine stabile Dinatrium-Helium-Verbindung bilden.
Untersuchungen zu Helium haben gezeigt, dass dieses Gas unter Hochdruckbedingungen auch mit anderen Gasen wie Stickstoff reagieren kann und dabei Helium-Stickstoff-Verbindungen entstehen, die in dieser Umgebung existieren. Helium wurde in bestimmten Mineralien auch in Verbindung mit Silizium gefunden. So wurde 2007 erstmals beobachtet, dass Helium in die Silikatstruktur eindringt und Heliumsilikat bildet.
Unter hohem Druck kann Helium bestimmte Silikatstrukturen durchdringen und so die Festigkeit und Stabilität des Materials deutlich erhöhen.
Obwohl Helium bei normaler Temperatur und normalem Druck nicht leicht Verbindungen bildet, hat seine Reaktivität unter extremen Bedingungen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt. Beispielsweise können Verbindungen aus Helium und bestimmten Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken allmählich Feststoffe mit unterschiedlicher Struktur bilden. Beispielsweise verändern Heliumatome in Calciumzirkoniumfluorid ihre Struktur bei Temperaturänderungen, was mögliche Anwendungen in der Materialwissenschaft bietet.
Neben seinen bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften ist auch das Phänomen der Heliumeinkapselung eine wichtige Forschungsrichtung. Beispielsweise kann Helium Einschlusskomplexe mit anderen größeren Molekülen wie Perfluorolefinen bilden, und diese Strukturen können bei der Entwicklung von Hochleistungsmaterialien genutzt werden. Tatsächlich ist es Wissenschaftlern gelungen, polare Heliumhydrate ohne Luft zu erzeugen, was eine beispiellose Chance für die zukünftige Materialentwicklung darstellt.
Die hohe Inaktivität von Helium könnte das Geheimnis seiner Anwendung in neuen Materialien und Strukturen sein und ist auch ein aktuelles Thema für künftige wissenschaftliche Untersuchungen.
Aufgrund der extremen Eigenschaften von Helium hat seine Existenz in der Struktur von Sternen im geheimnisvollen Universum auch zu eingehender Forschung zu seinem chemischen Reaktionsmechanismus geführt. Wissenschaftler glauben, dass die Reaktivität und Einschlusseigenschaften von Helium eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des Universums gespielt haben könnten. Die Erforschung weiterer potenzieller Anwendungen von Helium kann in zukünftigen Forschungen unser Verständnis dieses Gases verändern.
Verstecken sich im Mysterium Helium also noch weitere Eigenschaften und Anwendungspotenziale, die wir bislang noch nicht entdeckt haben?
