Хелијум: својства, карактеристике, примена

Хелијум је инертни гас 18. групе периодне таблице. Ово је други лакши елемент након водоника. Хелиј је гас без боје, мириса и укуса, који постаје течност на температури од -268.9 ° Ц. Тачка кључања и тачка смрзавања су нижа у односу на било коју другу познату супстанцу. Ово је једини елемент који се не чврсти након хлађења при нормалном атмосферском притиску. Да би хелијум могао проћи у чврсто стање потребно је 25 атмосфера на температури од 1 К.

Историја открића

Хелиум је пронађен у атмосфери гасова око Сунца, француског астронома Пиерре Зхансена, који је 1868. године током мрквања открио жуту жуту линију у спектру соларне хромосфере. Првобитно је претпостављено да ова линија представља елемент натријум. Исте године, енглески астроном Јосип Норман Лоцкер је приметио жуту линију у соларном спектру који није одговарала познатим натријумским линијама Д1 и Д2, па је тако назвао линијом Д3. Лоцкер је дошао до закључка да је то узроковано супстанцом на Сунцу, непознатом на Земљи. Он и хемичар Едвард Франкланд у име елемента користили су грчко име Сунце "хелиос".

1895. године британски хемичар Сир Виллиам Рамсаи доказао је постојање хелијума на Земљи. Добио је узорак ураниферног минерала клавејта, а након проучавања гасова насталих током загревања, утврдио је да се жута жута линија у спектру поклапа са линијом Д ₃ која се посматра у соларном спектру. Дакле, нови елемент је коначно успостављен. Године 1903. Рамзи и Фредериц Содд су утврдили да је хелијум производ спонтаног распада радиоактивних супстанци.

Дистрибуција у природи

Маса хелијума је око 23% укупне масе свемира, а елемент је други по величини у простору. Концентрисан је у звезде, где је формиран од водоника као резултат термонуклеарне фузије. Иако је у земаљској атмосфери, хелијум је у концентрацији од 1 дела на 200 хиљада (5 ппм) иу малим количинама налази се у радиоактивним минералима, гвожду метеорита, али иу минералним изворима, велике количине елемента налазе се у Сједињеним Државама (нарочито у Тексасу, Мексико, Канзас, Оклахома, Аризона и Утах) као компонента (до 7,6%) природног гаса. Његове мале резерве пронађене су у Аустралији, Алжиру, Пољској, Катару и Русији. У Земљиној кори, концентрација хелијума је само око 8 делова на милијарду.

Изотопи

Једро сваког атома хелијума садржи два протона, али, као и други елементи, има изотопе. Оне садрже од једног до шест неутрона, тако да су њихови масени бројеви у распону од три до осам. Стабилни од њих су елементи у којима је маса хелијума одређена атомским бројевима 3 ( ³ Хе) и 4 ( ⁴ Хе). Сви остали су радиоактивни и веома брзо се распадају у друге супстанце. Земљани хелијум није изворни састојак планете, формиран је као резултат радиоактивног распада. Алфа честице које емитују језгра тешких радиоактивних супстанци су језгра изотопа ⁴ Хе. Хелијум се не акумулира у великим количинама у атмосфери, јер гравитација Земље није довољна да спречи његово постепено цурење у свемир. Трагови ³ Он се на Земљи објашњавају негативним бета распадањем ретког елемента водоника-3 (тритијума). ⁴ Он је најчешћи стабилни изотоп: однос броја атома од ⁴ Хе до ³ Хе је око 700 хиљада до 1 у атмосфери и око 7 милиона до 1 у неким минералима који садрже хелиум.

Физичке особине хелијума

Тачка кључања и тачка топљења овог елемента су најнижи. Из тог разлога, хелијум постоји као гас, изузев екстремних услова. Гасовито Он се у води раствара мање од било ког другог гаса, а брзина дифузије кроз чврста тела је три пута већа од зрачења. Индекс рефракције је најближи 1.

Топлотна проводљивост хелијума је друга само на топлотну проводљивост водоника, а његова специфична топлота је необично висока. При нормалним температурама, током експанзије, загрева се и испод 40 К се хлади. Због тога, при Т <40 К, хелијум може бити претворен у течност експанзијом.

Елемент је диелектричан ако није у јонизованом стању. Као и други племенити гасови, хелијум има метастабилне нивое енергије који омогућавају да остане јонизован у електричном пражњењу када напон остане испод потенцијала јонизације.

Хелијум-4 је јединствен по томе што има две течне облике. Уобичајени се назива хелијум И и постоји на температурама од тачке кључања од 4.21 К (-268.9 ° Ц) до око 2.18 К (-271 ° Ц). Испод 2.18 К, топлотна проводљивост ⁴ Хе постаје 1000 пута већа од бакра. Овај облик се назива хелијум ИИ, како би га разликовао од обичног. Има суперфлуидност: вискозност је толико ниска да се не може мјерити. Хелијум ИИ се простире у танку фолију на површини било које додане субстанце, а овај филм тече без трења, чак и против гравитације.

Мање обиље хелијума-3 формира три различите течности, од којих су две суперфлуиди. Суперфлуидност у ⁴ Откривена је од стране совјетског физичара Петра Леонидовича Капице средином тридесетих година прошлог века, а исти феномен у ³ Он је први пут примијетио Доуглас Д. Осхеров, Давид М. Лее и Роберт С. Рицхардсон из Сједињених Држава 1972. године.

Текућа мешавина два изотопа хелиума-3 и -4 на температурама испод 0,8 К (-272,4 ° Ц) подијељена је на два слоја - практично чиста ³ Хе и мешавину ⁴ Хе и 6% хелијум-3. Распуштање од ³ Хе до ⁴ Хе праћено је ефектом хлађења, који се користи у пројектовању криостата у којима температура хелијума пада испод 0.01 К (-273.14 ° Ц) и одржава се неколико дана.

Везе

У нормалним условима, хелијум је хемијски инертан. У екстремним случајевима могуће је створити елементе који нису стабилни у нормалним условима температуре и притиска. На пример, хелијум може формирати једињења са јодом, волфрамом, флуором, фосфором и сумпором када је изложен електричном сипајућу пражњаву када је бомбардован електром или у стању плазме. Тако су створени ХеНе, ХгХе ₁₀ , ВХ ₂ и молекуларни иони Хе ₂ ⁺ , Хе ₂ ⁺⁺ , ХеХ ⁺ и ХеД ⁺ . Ова техника омогућила је и добијање неутралних молекула Хе ₂ и ХгХе.

Плазма

У Универзуму је претежно расподељен ионизовани хелијум, чија својства се значајно разликују од молекуларног. Електрони и протони нису повезани и имају врло високу електричну проводљивост, чак иу делимично јонизованом стању. Заразне честице су снажно погођене магнетним и електричним пољима. На пример, у соларном ветру, јонови хелијума, заједно са јонизованим водоником, комуницирају са магнетосфером Земље, што узрокује сјеверно свјетло.

Откривање депозита у САД

Након бушења бунара у Дектеру у Кансасу 1903. године, добијен је негоривни гас. У почетку није било познато да садржи хелиум. Какву врсту гаса је утврдио геолог државе Ерасмус Хавортх, који је прикупио своје узорке и установио да је на Универзитету у Канзасу уз помоћ лекара Цади Хамилтон и Давид МцФарланд открио да садржи 72% азота, 15% метана, 1% водоника и 12% није идентификовано. Након даљих анализа, истраживачи су открили да је 1,84% узорка хелијум. Тако је сазнао да је овај хемијски елемент присутан у огромним количинама у цревима Велике равнице, одакле се може извући из природног гаса.

Индустријска производња

То је учинило Сједињене Државе светским лидером у производњи хелијума. На предлог Сир Рицхард Трелфалла, америчка морнарица је финансирала три мала експериментална постројења за добијање ове супстанце током Првог светског рата, како би се обезбедиле балонске балоне са лаганим незапаљивим подизним гасом. За овај програм, произведено је укупно 5.700 м ^{3 од} 92%, иако је пре тога произведено мање од 100 литара гаса. Део овог волумена је коришћен у првом хелијском броду хелијума америчке морнарице, Ц-7, који је 7. децембра 1921. године први пут полетео од Хамптон Роадс , Ва. , До Боллинг Фиелд, Васхингтон, ДЦ .

Иако је процес нискотемпературне гашења плина у то време био недовољно развијен да би се показао значајним током Првог светског рата, производња је настављена. Хелијум се углавном користио као гас за повећање у ваздухоплову. Потражња за њом расла је током Другог светског рата, када је почела да се користи за заштиту електролучног заваривања. Елемент је био важан и за пројекат стварања атомске бомбе "Манхаттан".

Национална резерва САД

Године 1925. влада Сједињених Држава је створила Национални резерват за хелијум у Амарилоу у Тексасу, како би обезбедио војне летилице током рата и комерцијалне авионе у миру. Употреба гаса после Другог свјетског рата је опала, али је залога повећана 1950. године како би се, између осталог, осигурала снабдијевање као расхладна течност која се користи у производњи ракете горива кисеоником и водоником током свемирске трке и хладног рата. Употреба хелијума у САД-у 1965. била је осам пута већа од максималне потрошње у рату.

Након усвајања закона о хелијуму 1960. године, Завод за планину је уговорио 5 приватних предузећа да извуку елемент од природног гаса. За овај програм изграђен је гасовод од 425 км, који повезује ове биљке са владином делимично испражњеном гасном пољу у близини Амарилоа у Тексасу. Смеша хелијум-азот је испуштен у подземно складиште и остао тамо док није постао потребан.

До 1995. сакупљена је једна милијарда кубних метара, а Национална резерва износила је 1,4 милијарде долара, што је довело до тога да конгрес Сједињених Америчких Држава напусти 1996. године. Након усвајања закона о приватизацији хелијума из 1996. године Министарство природних ресурса започело је ликвидирање депозитара 2005. године.

Обим чистости и производње

Хелиум, произведен пре 1945. године, има чистоћу од око 98%, преосталих 2% чине азот, што је било довољно за зрачне бродове. Године 1945. произведена је мала количина гаса од 99,9 процената која се користи за заваривање лука. До 1949. године чистоћа резултирајућег елемента достигла је 99,995%.

Током година, Сједињене Државе су произвеле више од 90% светског комерцијалног хелијума. Од 2004. године произведено је 140 милиона м ³ годишње, од чега је 85% у Сједињеним Државама, 10% у Алжиру, а остало у Русији и Пољској. Главни извори хелијума у свету су гасна поља Тексаса, Оклахома и Канзаса.

Процес добивања

Хелиум (чистоћа 98,2%) је изолован од природног гаса течењем других компоненти на ниским температурама и при високим притисцима. Адсорпција других гасова помоћу хлађеног активног угљеника омогућава постизање чистоће од 99,995%. Мала запремина хелијума се производи приликом чишћења ваздуха у великој мери. Од 900 тона ваздуха можете добити око 3,17 цу. М гас.

Апликације

Нобле плин проналази примену у различитим областима.

• Хелиум, чије особине омогућавају ултра-ниске температуре, користи се као средство за хлађење у Ларге Хадрон Цоллидер-у, суперпреводни магнети МРИ уређаја и спектрометри нуклеарне магнетне резонанце, сателитска опрема, као и за цурење кисеоника и водоника у ракетама Аполло.
• Као инертни гас за заваривање алуминијума и других метала, у производњи оптичких влакана и полупроводника.
• Да створи притисак у резервоарима за гориво ракетних мотора, посебно оних који раде на течном водику, пошто само гел хелиј задржава агрегатно стање када водоник остаје течност);
• Хе-Не гасни ласери се користе за скенирање бар кодова на благајни у супермаркетима.
• Хелиум-ионски микроскоп вам омогућава да добијете боље слике него електронске.
• Захваљујући својој високој пропустљивости, племенити гас се користи за проверу цурења, на пример, у системима за климатизацију аутомобила, као и за брзо пуњење ваздушних јастука у судару.
• Ниска густина омогућава пуњење декоративних сфера хелијемом. Инертни гас замјењује експлозивни водоник на зрачним бродовима и балонима. На примјер, у метеорологији, сифре с хелијем се користе за подизање мерних инструмената.
• У криогени технологији служи као хладњак, јер је температура овог хемијског елемента у течном стању најмања могућа.
• Хелијум, чија својства нуде ниску реактивност и растворљивост у води (и крви), у мешавини са кисеоником, пронашла је примену у респираторним композицијама за роњење и вршење рада са касетом.
• Метеорити и стене се анализирају за садржај овог елемента како би одредили њихову старост.

Хелијум: својства елемената

Главна физичка својства Он су следећа:

• Атомски број: 2.
• Релативна маса атома хелијума: 4,0026.
• Тачка топљења: не.
• Тачка кључања: -268.9 ° Ц
• Густина (1 атм, 0 ° Ц): 0,1785 г / п.
• Оксидација каже: 0.