Helij: lastnosti, značilnosti, uporaba

Helij je inertni plin 18. Skupine periodične tabele. To je drugi najlažji element po vodiku. Helij je plin brez barve, vonja in okusa, ki postane tekoč pri temperaturi -268,9 ° C. Vrelišče in točka zmrzovanja sta nižja kot pri kateri koli drugi znani snovi. To je edini element, ki se pri hlajenju pri normalnem atmosferskem tlaku ne strdi. Za prehod helija v trdno stanje potrebujemo 25 atmosfere pri temperaturi 1 K.

Zgodovina odkritja

Helij je bilo v plinski atmosferi, ki obdaja sonce, francoski astronom Pierre Zhansenom da je leta 1868 med mrkom je našel svetlo rumeno črto v spektru sončne kromosfera. Prvotno smo domnevali, da je ta črta predstavljala element natrij. V istem letu je angleški astronom Joseph Norman Lockyer opazil rumeno črto v sončnem spektru, ki se ni ujemal z znanim natrijevim D₁ in D₂, zato ga je imenoval linija D₃. Lockyer je prišel do zaključka, da ga je povzročila snov na Soncu, neznana na Zemlji. On in kemik Edward Frankland v imenu elementa uporabljajo grško ime sonca "helios".

Leta 1895 je britanski kemik Sir William Ramsay dokazal obstoj helija na Zemlji. Dobil je vzorec uranifernega minerala klaveita in po proučevanju plinov, ki so nastali med ogrevanjem, je ugotovil, da svetlo rumena črta v spektru sovpada s črto D₃, opazili v solarnem spektru. Tako je bil novi element končno vzpostavljen. Leta 1903 sta Ramzi in Frederic Sodd določila, da je helij produkt spontanega razpada radioaktivnih snovi.

Distribucija v naravi

Masa helija je približno 23% celotne mase vesolja, in element je drugi najpogostejši v prostoru. Koncentrira se v zvezde, kjer je nastala iz vodika zaradi termonuklearne fuzije. Čeprav je helija v atmosferi je v koncentraciji 1 del do 200 th. (5 ppm) in je vsebovana v majhnih količin radioaktivnih mineralov, meteorita žleze, kot tudi mineralne vire, velike količine elementa najdemo v Združenih državah Amerike (še posebej v Teksasu, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah in Arizona) kot sestavnega dela (7,6%) zemeljskega plina. Njegove majhne zaloge so odkrili v Avstraliji, Alžiriji, Poljski, Katarju in Rusiji. V zemeljski skorji je koncentracija helija le okoli 8 delov na milijardo.

Izotopi

Jedro vsakega atoma helija vsebuje dva protona, vendar ima, kot drugi elementi, izotope. Vsebujejo od enega do šest nevtronov, zato so njihove množinske številke v razponu od treh do osmih. Stabilno od teh so elementi, v katerih je masa helija določena z atomskimi števili 3 (³On) in 4 (⁴On). Vsi ostali so radioaktivni in se zelo hitro razgradijo v druge snovi. Zemeljski helij ni prvotna sestavina planeta, je nastala kot posledica radioaktivnega razpada. Alfa delci, ki jih oddajajo jedro težkih radioaktivnih snovi, so jedro izotopa ⁴On. Helij se v atmosferi ne kopiči v velikih količinah, ker težnost Zemlje ni dovolj, da bi preprečila njeno postopno uhajanje v vesolje. Odtisi ³Na Zemlji je pojasnjen z negativnim beta-razpadom redkega elementa vodika-3 (tritij). ⁴Je najpogostejši stabilni izotop: razmerje med številom atomov ⁴On ³V atmosferi je okoli 700 tisoč do 1, v nekaterih mineralih, ki vsebujejo helij, okoli 7 milijonov do 1.

Fizikalne lastnosti helija

Vrelišče in tališče tega elementa sta najnižja. Iz tega razloga helij obstaja kot plin, z izjemo ekstremnih pogojev. Plinasto On v vodi se raztopi manj kot kateri koli drug plin, hitrost difuzije skozi trdne snovi pa je trikrat večja od temperature zraka. Njegov refrakcijski indeks je najbližji 1.

Toplotna prevodnost helija je druga samo za toplotno prevodnost vodika, njegova specifična toplota pa je nenavadno visoka. Pri običajnih temperaturah se med ekspanzijo segreje in pod 40 K se ohladi. Zato za T<40 K, helij lahko pretvorimo v tekočino z ekspanzijo.

Element je dielektrični, če ni v ioniziranem stanju. Tako kot drugi plemeniti plini ima helij metastabilne ravni energije, ki ji omogočajo, da ostanejo ionizirani v električnem praznjenju, ko napetost ostane pod ionizacijskim potencialom.

Helij-4 je edinstven v tem, da ima dve tekoči obliki. Običajno se imenuje helij I in obstaja pri temperaturah od vrelišča 4,21 K (-268,9 ° C) do približno 2,18 K (-271 ° C). Pod 2,18 K toplotne prevodnosti ⁴Postane 1000-krat več kot baker. Ta oblika se imenuje helium II, da bi jo razlikovali od navadnih. Ima superfluidnost: viskoznost je tako nizka, da je ni mogoče meriti. Helij II teče v tanek film na površini katere koli snovi, na katero se dotakne, in ta film teče brez trenja, tudi proti gravitaciji.

Manj bogat helij-3 tvorijo tri različne tekoče faze, od katerih sta dve superfluidi. Superfluidnost v ⁴Odkril ga je sovjetski fizik Petr Leonidovič Kapitza sredi tridesetih let prejšnjega stoletja, in isti pojav v ³Najprej so ga opazili Douglas D. Osherov, David M. Lee in Robert S. Richardson iz Združenih držav leta 1972.

Tekoča mešanica dveh izotopov helija-3 in -4 pri temperaturah pod 0,8 K (-272,4 ° C) je razdeljena na dve plasti - praktično čista ³On in zmesi ⁴S 6% helijem-3. Razpad ³Vstopi ⁴Spremlja ga hladilni učinek, ki se uporablja pri oblikovanju kriostatov, pri katerih temperatura helija pade pod 0,01 K (-273,14 ° C) in se vzdržuje več dni.

Povezave

V normalnih razmerah je helij kemično inerten. V ekstremnih primerih je mogoče ustvariti elementne povezave, ki pri normalnih temperaturah in tlačnih pogojih niso stabilne. Na primer, lahko helij dobimo spojine z jodom, volfram, fluora, fosforja in žvepla, kadar jo podvržemo praznjenja električnega žarilne ali elektronskega bombardiranja v plazmi. Tako, HeNe, HgHe₁₀, Kje₂ in molekularnih ionov₂⁺, Ne₂⁺⁺, HeH⁺ in HeD⁺. Ta tehnika je omogočila tudi pridobivanje nevtralnih He molekul₂ in HgHe.

Plazma

V vesolju je pretežno porazdeljen ionizirani helij, katerega lastnosti se med seboj močno razlikujejo od molekularne. Elektroni in protoni niso povezani in imajo zelo visoko električno prevodnost celo v delno ioniziranem stanju. Magnetni in električni polji močno vplivajo na polnjene delce. Na primer, v sončnem vetru, ioni ionov, skupaj z ioniziranim vodikom, delujejo z magnetosfero Zemlje, kar povzroča severne luči.

Odkrivanje depozitov v ZDA

Po vrtanju leta 1903 v Dexter, Kansas, je bil pridobljen z nevnetljiv plin. Sprva ni bilo znano, da vsebuje helij. Kateri plin je bilo ugotovljeno, označene stanje Erasmus Haworth geolog, ki je zbral svoje vzorce in University of Kansas preko kemiki Cady Hamilton David McFarland ugotovili, da vsebuje 72% dušika, 15% metana, 1% vodika in 12% ni bila ugotovljena. Po nadaljnji analizi so raziskovalci ugotovili, da je 1,84% vzorca helij. Tako vemo, da je to kemijski element prisoten v velikih količinah v globinah Great Plains, kjer ga je mogoče pridobiti iz zemeljskega plina.

Industrijska proizvodnja

To je Združene države postalo vodilno podjetje na področju proizvodnje helija. Na predlog, ki ga Sir Richard Threlfall, US Navy financira tri majhne pilotni obrat za proizvodnjo te snovi v času prve svetovne vojne, da se zagotovi jeza baloni lahek negorljivo dvižni plin. Za ta program je skupaj 5700 m³ 92 odstotkov On, čeprav je bil pred tem dobil samo manj kot 100 litrov plina. Del te količine je bil uporabljen v prvem svetovnem helijskem zračnem ladju Ameriška mornarica C-7, ki je svoj prvi let od Hampton Roads (Virginia) na Bolling Field (Washington, DC) 7. decembra 1921.

Čeprav postopek tlaka pri nizkih temperaturah v tistem času ni bil dovolj razvit, da bi se v prvi svetovni vojni izkazal za pomembnega, se je proizvodnja nadaljevala. Helij se je večinoma uporabljal kot dvižni plin v letalu. Povpraševanje po njej se je v drugi svetovni vojni povečalo, ko se je začelo uporabljati za varjeno obločno varjenje. Element je bil pomemben tudi za projekt ustvarjanja atomske bombe "Manhattan".

Nacionalna rezerva ZDA

Leta 1925 je vlada Združenih držav ustvarila nacionalno rezervo helija v Amarillo, Texas, zagotoviti vojaške zrakoplove v času vojne in komercialnih zračnih ladij v miru. Uporaba plina padla po drugem svetu, vendar pa je stanje se je leta 1950 povečala za zagotavljanje, med drugim, da dobavlja kot hladilno sredstvo, ki se uporablja za proizvodnjo kisika, vodika pogonsko gorivo v vesoljski tekmi in hladne vojne. Uporaba helija v ZDA leta 1965 je bila osemkrat višja od porabe vojne.

Po sprejetju zakona o heliju leta 1960 je Urad za gorje sklenil 5 zasebnih podjetij za pridobitev elementa iz zemeljskega plina. Za ta program je bil zgrajen plinovod s hitrostjo 425 km, ki je te obrate povezal z delno izpraznjenim plinom v bližini Amarillo v Teksasu. Mešanica helija in dušika je bila črpana v podzemno skladiščenje in ostala tam, dokler ni bilo potrebno.

Do leta 1995 je bilo zbranih 1 milijarde kubičnih metrov, nacionalna rezerva pa je znašala 1,4 milijarde ameriških dolarjev, zaradi česar je ameriški kongres prenehal delovati leta 1996. Po sprejetju zakona o privatizaciji helija leta 1996 je Ministrstvo za naravne vire začelo likvidirati depozitarja v letu 2005.

Čistost in obseg proizvodnje

Helij, proizveden pred letom 1945, je imel čistoto okoli 98%, preostalih 2% pa je predstavljalo dušik, kar je bilo dovolj za dirigible. Leta 1945 je bilo izdelano majhno količino 99,9-odstotnega plina za uporabo pri obločnem varjenju. Do leta 1949 je čistost nastalega elementa dosegla 99,995%.

Z leti so ZDA proizvedle več kot 90% svetovnega komercialnega helija. Od leta 2004 je letno proizvedena na 140 milijonov m³, Od katerih 85% pade na ZDA, 10% je bilo proizvedeno v Alžiriji, ostalo pa v Rusiji in na Poljskem. Glavni viri helija na svetu so plinska polja Teksasa, Oklahoma in Kansasa.

Proces pridobivanja

Helij (čistota 98,2%) je izoliran iz zemeljskega plina z utekočinjenjem drugih komponent pri nizkih temperaturah in pri visokih tlakih. Adsorpcija drugih plinov s hlajenim aktivnim ogljem omogoča doseganje čistosti 99,995%. Majhen volumen helija se proizvaja, ko utekočinjeni zrak v velikem obsegu. Od 900 ton zraka lahko dobite približno 3,17 kubičnih metrov. m plina.

Aplikacije

Plemenit plin je našel uporabo na različnih področjih.

• Helij, katere lastnosti omogočijo pridobitev zelo nizke temperature, ki se uporablja kot hladilno sredstvo v LHC, MRI superprevodne magnetnih naprav in jedrske resonance spektrometrih magnetne, satelitsko opremo, kot tudi za utekočinjenje kisika in vodika v projektilih "Apollo".
• Kot inertni plin za varjenje aluminija in drugih kovin, pri proizvodnji optičnih vlaken in polprevodnikov.
• .. Za ustvarjanje tlaka v rezervoarjih za gorivo raketne motorje, zlasti tistih, ki delujejo na tekoči vodik, t, da le helij ohranja stanje združevanjem pri vodik ostane tekočina);
• On-Ne plinski laserji Uporablja se za skeniranje črtnih kod na blagajnih v supermarketih.
• Helijev-ionski mikroskop vam omogoča boljše slike kot elektronske.
• Zaradi svoje visoke prepustnosti se uporablja žlahtni plin za preverjanje puščanja, na primer v klimatskih sistemih za avtomobile, pa tudi za hitro polnjenje zračnih blazin v trčenju.
• Nizka gostota omogoča polnjenje dekorativnih kroglic s helijem. Inertni plin je zamenjal eksplozivni vodik na zračnih ladjah in balonih. Na primer, v meteorologiji se za dviganje merilnih instrumentov uporabljajo helijeve kroglice.
• V kriogenski tehnologiji služi kot hladilno sredstvo, saj je temperatura tega kemičnega elementa v tekočem stanju najnižja možna.
• Helijev, katere lastnosti se zagotavljajo nizko reaktivnost in topnost (in kri), v zmesi s kisikom je dalo uporabo v formulacijah dihalnih za potapljanje in lastni kesona dela.
• Meteorite in kamnine analiziramo za vsebino tega elementa, da določimo njihovo starost.

Helij: lastnosti elementov

Osnovne fizične lastnosti He so:

• Atomska številka: 2.
• Relativna masa atoma helija: 4,0026.
• Tališče: št.
• Vrelišče: -268,9 ° C.
• Gostota (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / p.
• Oksidacijsko stanje: 0.