Wieso hat Helium einen Schmelzpunkt von unter 0 Kelvin?
Wieso hat Helium als einziges Element unter Normaldruck einen Schmelzpunkt von unter 0 Kelvin bzw. warum ist Helium bei 0 Kelvin noch flüssig?
6 Antworten
Weil Helium besonders ist, es ist ja auch unter 2 Kelvin ein Supraflurid, es gibt keine Moleküle wo Helium enthalten ist, es hat einen kritischen Punkt bei ca. 5 Kelvin und es hat bei hohem Druck 2 Feste Kristalformen (bcc und fcp).
Das ist ein Gitter, und zwar kein Molkülgitter. So ganz hab ich's nicht mehr auf dem Schirm, aber auf jeden Fall kommt man da mit einfachem Chemiewissen nicht mehr weiter.
Naja eine Schmelze wurde beschrieben. Ich bezweifle die Anwesenheit von He2- in dieser Schmelze sehr.
So wie ich es verstanden habe, treten keine He²⁻-Ionen auf, sondern Na⁺-Ionen, He-Atome und Elektronenpaare, jeweils auf verschiedenen Gitterplätzen in einem kubischen Gitter. Ist ohnehin Exotenkram, und vielleicht auch nur der besten Platzausnutzung geschuldet, ohne dass He wirklich gebunden ist. Wird halt einfach reingequetscht.
Der Schmelzpunkt eines Materials ist dadurch bestimnt, dass das Material hier im flüssigen Zustand genauso viel "Freie Energie" hat wie im festen Zustand. In die Freie Energie geht die Entropie (Wandelbarkeit) mit ein, und diese ist ein Maß dafür, wie viele "Freiheitsgrade" das System hat - bei Festkörpern sitzt jedes Atom/Molekül an seinem Platz und kann nur ein bisschen hin- und herschwingen, bei einer Flüssigkeit kann ein Atom/Molekül sich praktisch frei durch die gesamte Flüssigkeit bewegen.
Das heißt, bei Helium muss auch für T -> 0 die Entropie in der Flüssigkeit noch größer bleiben als im Festkörper - was aber dem Nernstschen Satz widersprechen würde (nach dem die Entropie für T -> 0 immer auch gegen 0 geht) - oder wir haben hier noch andere Phänomene, die hineinspielen.
In der Tat ist Helium leicht genug, dass sich Quantenphänomene bemerkbar machen. Als "Bosonen" folgen die Heliumatome alle derselben Wellenfunktion, und die Wellenfunktion gibt an, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, eins der Quanten in einem bestimmten Raumbereich vorzufinden. Auch wenn man sich das Helium als Festkörper vorstellt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen, das sich gerade noch im Innern befunden hat, an der Oberfläche auftaucht, groß genug, um beobachtet werden zu können. Aber der "Zusammenhalt" ist noch groß genug, dass man das Teilchen praktisch nie weiter entfernt von der zusammenhängenden Masse vorfindet (was ein Gas bedeuten würde). Damit verhält sich auch der Festkörper wie eine Flüssigkeit.
(Genau genommen kann man zwischen den Heliumatomen nicht unterscheiden, nur die Gesamtzahl muss bleiben - man kann also beibachten, dass sich an der Oberfläche ein Teilchen "manifestiert", während sich gleichzeitig woanders eins "demanifestiert'.)
Übrigens hat man auch beim Lithium "Suprafluidität" festgestellt, und theoretisch müsste jeder Stoff bei genügend niedrigen Temperaturen suprafluid werden - nur sid dafür weit niedrigere Temperaturen notwendig als man erzeugen kann. - Es sei denn, man betrachtet Gruppen aus einigen Tausenden von Atomen schon als fähig, Festkörper oder Flüssigkeiten zu bilden, dann hat man auch bei schweren Elementen nachgewiesen, dass sie ein "Bose-Einstein-Kondensat" bilden können. Da auch suprafluides Helium ein Bose-Einstein-Kondensat ist, geht man davon aus, dass auch die schwereren Elemente in diesem Zustand sich als suprafluid herausstellen, wenn man sie in makroskopischen Mengen in diesem Zustand darstellen kann.
Helium wird bei Normaldruck nicht unter 0 K flüssig, sondern gar nicht.
Der Hintergrund dürfte die sog. Nullpunktsenergie sein. Auch Schwingungszustände sind gequantelt, und der niedrigste Schwingungszustand muss nicht 0 sein. Bei 0 K ist die kinetische Energie der Teilchen nicht unbedingt Null, sondern nur die geringstmögliche. Und beim He liegt sie halt über der Bindungsenergie.
Außerdem geht Helium schon bei etwas über 0 K in Helium-2 über, wo die Teilchen (He-Atome) ihre Individualität verlieren und sich - als Bosonen - wie eine Welle verhalten. Bosonen können - im Gegensatz zu Fermionen - allen denselben Zustand annehmen, also hier alle in die gleiche Richtung strömen, sodass Helium-2 keinerlei Reibung aufweist, supraflüssig ist.
Und wenn du dich fragst, warum He bei m.W. 25 bar doch fest wird, und wie Nullpunktsenergie und Suprafluidität zusammenhängen, dann frag nicht mich, da verflüssigt sich mein Verständnis.
Hi,
Die Beschreibung "...unter 0 Kelvin..." ist unsinnig, weil dieser Zustand nicht existiert. Bei 0°K ist ein theoretischer energieloser Zustand erreicht, bei dem sogar keine Rotation mehr um den eigenen Ruhepunkt stattfinden würde.
Im sogenannten Phasendiagramm eines Stoffes sieht man, daß der feste, flüssige und gasförmige Zustand nur bei bestimmten Drücken vorkommt. Das gleiche gilt übrigens auch für CO2, das bei Normaldruck sublimiert. Erst unter Druck wird es bei Raumtemperatur flüssig, (bzw. überkritisch)
m.f.G.
anwesende
Helium hat 2 Elektronen, welche eine abgeschlossene, kugelsymmetrische Elektronenschale bilden, das 1s-Orbital. Dieses Orbital ist energetisch sehr stabil, die Elektronen sind sehr fest an den Atomkern gebunden.
Um bei Normaldruck einen Feststoff zu bilden, braucht man Valenzelektronen die nicht ganz so fest gebunden sind, so dass die Atome o. Moleküle untereinander über Dipol-Wechselwirkungen und /oder über Ionenbindungen wechselwirken können, so dass eine relativ starre Struktur entsteht die für einen Festkörper typisch ist.
Dipol-Wechselwirkungen gibt es beim Helium nicht, weil die Elektronen kugelsymmetrisch verteilt sind. Es gibt beim Helium auch keine freien Valenzelektronenpaare (wie z. B. beim Sauerstoff), die für einen o. mehrere negativen Ladungsschwerpunkt/-e im Atom sorgen würden.
Ionenbindungen gibt es bei Helium normalerweise auch nicht, da Helium unter Normalbedingungen nicht (teil-)ionisiert ist.
Helium lässt sich auch nur sehr schwer (mit hohem Energieaufwand) ionisieren.
Bei den Edelgasen, die im Periodensystem unterm Helium stehen, sind die äußersten Elektronen nicht mehr so fest gebunden, weil
1.) der Abstand der äußeren Elektronenschalen (Orbitale) vom Atomkern größer wird u.
2.) die inneren Elektronenschalen die positive Ladung des Atomkern nach außen hin zum teil abschirmen.
Außerdem treten bei den schwereren Edelgasen auch Orbitale auf, die nicht mehr kugelsymmetrisch sind. Dadurch haben diese Atome bzw. Moleküle ein elektrisches Dipolmoment und können sich bei sehr niedrigen Temperaturen über Dipol-Wechselwirkungen gegenseitig anziehen und auch bei Normaldruck einen Festkörper bilden.
Bei den Elementen, die keine Edelgase sind, haben die Atome ein o. mehrere ungebundene Valenzelektronen und können kovalente Bindungen und/oder Ionenbindungen eingehen. Beide Arten von Bindungen sind deutlich stärker als Dipol-Wechselwirkungen. Daher sind viele Stoffe, in denen kovalente Bindungen und/oder Ionenbindungen vorkommen, bei Normaldruck und Zimmertemperatur (und oft auch noch bei deutlich höheren Temperaturen) fest.
Erklärt immer noch nicht, warum sich das Zeug selbst bei Entzug aller thermischer Energie weigert, fest zu werden.
Was ist mit Na2He in diesen Molekül ist Helium enthalten?!