Heliu: proprietăți, caracteristici, aplicație

Heliul este un gaz inert al grupului al 18-lea al mesei periodice. Acesta este al doilea element cel mai ușor după hidrogen. Heliul este un gaz fără culoare, miros și gust, care devine lichid la o temperatură de -268,9 ° C. Punctul de fierbere și punctul de îngheț este mai mic decât cel al oricărei alte substanțe cunoscute. Acesta este singurul element care nu se solidifică la răcire la presiune atmosferică normală. Pentru ca heliul să treacă într-o stare solidă, sunt necesare 25 de atmosfere la o temperatură de 1 K.

Istoria descoperirii

Heliu a fost găsit în atmosfera de gaz din jurul soarelui, astronomul francez Pierre Zhansenom că, în 1868 în timpul unei eclipse a găsit o linie de galben strălucitor în spectrul cromosfera solare. Sa presupus inițial că această linie reprezintă elementul de sodiu. În același an, astronomul englez Norman Lockyer a observat o linie galbenă în spectrul solar, care nu este în concordanță cu cele cunoscute linii de sodiu D₁ și D₂, și așa a numit-o linia D₃. Lockyer a ajuns la concluzia că a fost cauzată de o substanță de pe Soare, necunoscută pe Pământ. El și chimistul Edward Frankland în numele elementului folosit numele grec al soarelui "helios".

În 1895 chimistul britanic Sir William Ramsay a dovedit existența heliului pe Pământ. A obținut o mostră din mineralul uranifer al claveitului și, după ce a studiat gazele formate în timpul încălzirii sale, a constatat că linia galben strălucitoare din spectru coincide cu linia D₃, observate în spectrul solar. Astfel, noul element a fost stabilit în cele din urmă. În 1903, Ramzi și Frederic Sodd au stabilit că heliul este produsul decăderii spontane a substanțelor radioactive.

Distribuția în natură

Masa de heliu este de aproximativ 23% din masa totală a universului, iar elementul este al doilea cel mai frecvent în spațiu. Este concentrată în stele, unde este formată din hidrogen ca rezultat al fuziunii termonucleare. Deși heliu în atmosferă este într-o concentrație de 1 parte la 200 mii. (5 ppm) și este conținut în cantități mici de minerale radioactive, glanda meteorit, precum și surse minerale, cantități mari de element găsit în Statele Unite (mai ales în Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah și Arizona) ca și componentă (până la 7,6%) de gaze naturale. Mici și rezervele sale au fost descoperite în Australia, Algeria, Polonia, Qatar și Rusia. In concentratia crusta heliu este de numai aproximativ 8 ppb.

izotopi

Nucleul fiecărui atom de heliu conține doi protoni, dar, ca și alte elemente, are izotopi. Acestea conțin unu până la șase neutroni, deci numărul lor de masă se situează între trei și opt. Stabil din acestea sunt elemente în care masa heliului este determinată de numerele atomice 3 (³El) și 4 (⁴El). Toate celelalte sunt radioactive și se rup foarte rapid în alte substanțe. Héliumul pământului nu este constituentul original al planetei, ci a fost format ca rezultat al dezintegrării radioactive. Particulele alfa emise de nucleele substanțelor radioactive grele sunt nucleele izotopului ⁴El. Heliul nu se acumulează în cantități mari în atmosferă, deoarece gravitatea Pământului nu este suficientă pentru a preveni scurgerea treptată în spațiu. piese ³El este explicat pe Pământ prin decăderea negativă beta a unui element rar de hidrogen-3 (tritiu). ⁴El este cel mai comun izotop stabil: raportul dintre numărul de atomi ⁴El să ³Are aproximativ 700 mii la 1 în atmosferă și aproximativ 7 milioane până la 1 în unele minerale care conțin heliu.

Proprietățile fizice ale heliului

Punctul de fierbere și punctul de topire al acestui element sunt cele mai scăzute. Din acest motiv, heliul există ca gaz, cu excepția condițiilor extreme. El gaz se dizolvă în apă mai mică decât cea a oricărui alt gaz, iar viteza de difuzie prin corp solid este de trei ori mai mare decât cea a aerului. Indicele său de refracție este cel mai apropiat de 1.

Conductivitatea termică a heliului este a doua numai la conductivitatea termică a hidrogenului, iar căldura specifică este neobișnuit de ridicată. La temperaturi obișnuite, în timpul expansiunii, se încălzește, iar sub 40 K se răcește. Prin urmare, pentru T<40 K, heliul poate fi transformat într-un lichid prin extindere.

Un element este un dielectric dacă nu este în stare ionizată. Ca și alte gaze nobile, heliul are niveluri de energie metastabile care îi permit să rămână ionizată într-o descărcare electrică atunci când tensiunea rămâne sub potențialul de ionizare.

Helium-4 este unic prin faptul că are două forme lichide. Cel obișnuit se numește heliu I și există la temperaturi de la punctul de fierbere de 4,21 K (-268,9 ° C) la aproximativ 2,18 K (-271 ° C). Conductivitate termică sub 2,18 K ⁴El devine de 1000 de ori mai mult decât cuprul. Această formă este numită heliul II, pentru ao deosebi de cea obișnuită. Are superfluiditate: vâscozitatea este atât de mică încât nu poate fi măsurată. Heliu II curge într-o peliculă subțire pe suprafața oricărei substanțe pe care o atinge și acest film curge fără frecare chiar împotriva gravitației.

Hélium-3 mai puțin abundent formează trei faze lichide diferite, dintre care două sunt suprafluide. Suprafluiditate în ⁴A fost descoperit de un fizician sovietic Petr Leonidovich Kapitza la mijlocul anilor 1930, și același fenomen în ³A fost prima dată observată de Douglas D. Osherov, David M. Lee și Robert S. Richardson din Statele Unite în 1972.

Un amestec lichid de doi izotopi heliu-3 și -4 la temperaturi sub 0,8 K (-272.4 ° C) este împărțit în două straturi - un mod esențial pur ³El și amestecurile ⁴El cu 6% heliu-3. dizolvare ³El a intrat ⁴Ea este însoțită de un efect de răcire utilizat în proiectarea criostanților în care temperatura heliului scade sub 0,01 K (-273,14 ° C) și este menținută timp de câteva zile.

conexiuni

În condiții normale, heliul este inert chimic. În cazuri extreme, este posibil să se creeze conexiuni de elemente care, în condiții normale de temperatură și presiune, nu sunt stabile. De exemplu, heliu se pot forma compuși cu iod, wolfram, fluor, fosfor și sulf, atunci când este supus unei descărcări electrice incandescente sau prin bombardament de electroni în stare de plasmă. Astfel, HeNe, HgHe₁₀, whe₂ și ionii moleculari He₂⁺, Nu₂⁺⁺, heh⁺ și HeD⁺. Această tehnică a făcut de asemenea posibilă obținerea de molecule neutre He₂ și HgHe.

plasmă

In universul distribuit avantajos heliu ionizat, ale cărui proprietăți diferă în mod substanțial de la nivel molecular. Electronii și protonii nu sunt conectați și au o conductivitate electrică foarte ridicată, chiar și într-o stare parțial ionizată. Particulele încărcate sunt puternic afectate de câmpurile magnetice și electrice. De exemplu, în vântul solar cu ioni de heliu interactioneaza cu ionizat pamantul magnetosferă hidrogen, provocând aurora boreală.

Descoperirea depozitelor în SUA

După forarea puțului în 1903, în Dexter, Kansas, a fost obținut gaz incombustibil. Inițial, nu a fost cunoscut faptul că acesta conține heliu. Care gaz a fost găsit, de stat identificat Erasmus Haworth geolog, care și-a colectat probe sale și la Universitatea din Kansas prin chimiștii Cady Hamilton și David McFarland a constatat că acesta conține 72% azot, 15% metan, 1% hidrogen și 12% nu a fost identificat. Dupa ce a petrecut analiza ulterioară, cercetatorii au descoperit ca 1,84% din eșantionul de heliu. Deci, noi știm că acest element chimic este prezent în cantități mari în adâncimi de Great Plains, în cazul în care acesta poate fi extras din gazul natural.

Producția industrială

Acest lucru a făcut din Statele Unite, producția mondială de lider heliu. La sugestia lui Sir Richard threlfall, Marina US finanțat trei instalație pilot mici pentru a produce această substanță în timpul primului război mondial pentru a se asigura baloane de baraj cu gaz ușor de ridicare neinflamabil. Pentru acest program, un total de 5700 m³ 92% El, deși înainte de aceasta au fost obținute doar mai puțin de 100 de litri de gaz. O parte a acestui volum a fost utilizată în primul airship de heliu din lume US Navy C-7, care a făcut primul său zbor de pe drumurile Hampton (Virginia) în Bolling Field (Washington, DC) 7 decembrie 1921.

Deși procesul de lichefiere a gazelor la temperaturi joase la acea vreme nu a fost suficient de dezvoltat pentru a se dovedi semnificativ în timpul primului război mondial, producția a continuat. Heliul a fost folosit în principal ca gaz de ridicare în aeronave. Cererea a crescut în timpul celui de-al doilea război mondial, când a început să fie folosit pentru sudarea prin arc cu ecranare. Elementul a fost, de asemenea, important în proiectul de creare a bombei atomice "Manhattan".

Rezervația Națională a Statelor Unite ale Americii

În 1925, guvernul Statelor Unite a creat rezerva națională de heliu în Amarillo, Texas, pentru a oferi dirijabile militare în timp de război și dirijabile comerciale în timp de pace. Utilizarea gazului a scăzut după a doua lume, dar stocul a fost crescut în 1950 pentru a oferi, printre altele, furnizează ca un lichid de răcire utilizat în producția de gaz propulsor de oxigen-hidrogen în timpul cursei spațiu și Războiul Rece. Utilizarea heliului în SUA în 1965 a fost de opt ori consumul de vârf al războiului.

După adoptarea legii privind heliul în 1960, Biroul Munte a contractat 5 întreprinderi private pentru a extrage un element din gazele naturale. Pentru acest program, a fost construită o conductă de gaz de 425 km, care a legat aceste plante de un câmp de gaze parțial epuizat de guvern lângă Amarillo, Texas. Amestecul de heliu-azot a fost pompat în depozitul subteran și a rămas acolo până a fost necesar.

Până în 1995, a fost colectat un stoc de 1 miliard de metri cubi, iar Rezerva Națională a fost de 1,4 miliarde de dolari, determinând Congresul SUA să renunțe treptat în 1996. După adoptarea în 1996 a Legii privind privatizarea heliului, Ministerul Resurselor Naturale a procedat la lichidarea depozitarului în anul 2005.

Puritate și volume de producție

Heliu produs până în 1945 an a avut o puritate de aproximativ 98%, iar altele 2% au fost în azotul care este suficient pentru dirijabile. În 1945, o cantitate mică de 99,9 procente de gaz a fost produsă pentru a fi utilizată în sudură cu arc. Până în 1949, puritatea elementului rezultat a ajuns la 99,995%.

De-a lungul anilor, Statele Unite au produs mai mult de 90% din heliul comercial din lume. Din 2004, acesta a fost produs anual la 140 milioane m³, 85% din care se încadrează în SUA, 10% au fost produse în Algeria, iar restul - în Rusia și Polonia. Principalele surse de heliu din lume sunt câmpurile de gaze din Texas, Oklahoma și Kansas.

Procesul de obținere

Heliul (puritate 98,2%) este izolat din gazele naturale prin lichefierea altor componente la temperaturi scăzute și la presiuni ridicate. Adsorbția altor gaze cu carbonul activat răcit permite obținerea unei purități de 99,995%. Un volum mic de heliu este produs atunci când lichefiați aerul la scară largă. Din 900 de tone de aer puteți obține aproximativ 3.17 metri cubi. m de gaz.

Domenii de aplicare

Gazul nobil a găsit aplicații în diverse domenii.

• Heliu, proprietăți care permit obținerea de temperaturi foarte scăzute, este utilizat ca agent de răcire în LHC, MRI aparate magnet supraconductor și spectrometre de rezonanță magnetică nucleară, echipamente prin satelit, precum și pentru lichefierea oxigenului și hidrogenului în rachete „Apollo“.
• Ca gaz inert pentru sudarea aluminiului și a altor metale, în producția de fibre optice și semiconductori.
• Pentru a crea presiune în rezervoarele de combustibil ale motoarelor cu rachete, în special cele care lucrează cu hidrogen lichid, deoarece numai gazul de heliu își păstrează starea agregată când hidrogenul rămâne lichid);
• He-Ne gaze lasere Folosit pentru scanarea codurilor de bare la casele din supermarketuri.
• Microscopul cu ioni de heliu vă permite să obțineți imagini mai bune decât cele electronice.
• Datorită permeabilității ridicate, gazul nobil este folosit pentru a verifica scurgeri, de exemplu, în sistemele de climatizare auto, precum și pentru umplerea rapidă a airbagurilor într-o coliziune.
• Densitatea scăzută permite umplerea sferelor decorative cu heliu. Gazul inert înlocuiește hidrogenul exploziv în aeronave și baloane. De exemplu, în meteorologie, bilele de heliu sunt folosite pentru ridicarea instrumentelor de măsurare.
• În tehnologia criogenică servește ca agent de răcire, deoarece temperatura acestui element chimic în stare lichidă este cea mai mică posibilă.
• Heliu, proprietăți care îi furnizează o reactivitate scăzută și o solubilitate în apă (și sânge), într-un amestec cu oxigen a găsit aplicarea în formulările respiratorii pentru scufundări și desfășurarea lucrului cheson.
• Meteorite și roci sunt analizate pentru conținutul acestui element pentru a determina vârsta lor.

Heliu: proprietăți element

Proprietățile fizice de bază ale lui El sunt după cum urmează:

• Număr atomic: 2.
• Masa relativă a atomului de heliu: 4,0026.
• Punctul de topire: nu.
• Punct de fierbere: -268,9 ° C
• Densitate (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / p.
• Stările de oxidare: 0.