Helij: svojstva, karakteristike, aplikacije

Helij - inertnog plina grupe 18 periodnog sistema. Ovo je drugi najlakši element nakon vodika. Helij - plin bez boje, mirisa i okusa koji postaje tečnost na temperaturi od -268,9 ° C. tačka ključanja i njegova smrzavanja paljenja niža od bilo koje druge poznate supstance. To je jedini element koji se ne učvrsti uz hlađenje na normalnom atmosferskom pritisku. Preselio se u čvrstom stanju mora biti 25 atmosfera, na temperaturi od 1 K.

Povijest otkrića

Helijum je pronađen u atmosferi plina oko Sunca, francuski astronom Pierre Zhansenom da je 1868. godine za vrijeme pomračenja je pronašao jarko žuta linija u spektru sunčevog hromosfere. U početku se pretpostavljalo da je ova linija predstavlja natrijum element. Iste godine, engleski astronom Dzhozef Norman Lockyer primetili žutu liniju u solarnom spektru, koji nije odgovarao na poznate natrija linije D ₁ i D _2, i zbog toga se zove ona linija D _3. Lockyer zaključili da je uzrokovan supstance u nepoznatom Sunce na Zemlji. On i kemičar Edward Frankland u elementu naslova pomoću grčko ime 'Helios' Sun.

Godine 1895., britanski kemičar Sir Uilyam Ramzay je dokazao postojanje helija na Zemlji. On je dobio minerala uzorak cleveite uranijuma ležaj, a nakon uvida u gasova formirane tokom grijanja, utvrđeno je da svijetle žute linije u spektru poklapa sa linijom D _3, posmatrano u solarnom spektru. Dakle, novi element je konačno instaliran. 1903. Ramsay i Frederick Soddy otkrili da helijum je proizvod spontanog raspadanja radioaktivnih supstanci.

Distribucija u prirodi

Mase helija je oko 23% od ukupne mase svemira, a element je drugi najčešći u svemiru. Ona je koncentrisana u zvezde, gde se stvara vodonik iz rezultat fuzije. Iako je helijum u atmosferi je u koncentraciji od 1 dijela na 200.. (5 ppm) i sadržan je u malim količinama radioaktivnih minerala, meteorit žlijezda, kao i mineralnih izvora, velike količine elementa nalaze u Sjedinjenim Američkim Državama (posebno u Teksasu, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, i Arizona) kao komponentu (7,6%) prirodnog plina. Mala i rezerve otkrivene su u Australiji, Alžir, Poljska, Katar i Rusija. Koncentracije kora helijum je samo oko 8 ppb.

izotopi

Srž svakog atom helijuma sadrži dva protona, ali, kao i kod drugih elemenata, ima izotopa. Sadrže 1-6 neutrona, tako da je njihova masa brojevima od tri do osam godina. Stabilno ovih su elementi čija težina se određuje helijum atomski broj 3 ⁽³ He) i 4 ⁽⁴ He). Sve ostale radioaktivne i brzo se raspadaju u druge supstance. Zemljina helijum nije originalni dio planete, formirana je kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestica koje emituje jezgra radioaktivnih teških tvari izotopa ⁴ On je jezgra. Helijum ne akumulira u velikim količinama u atmosferi, jer je Zemljina gravitacija nije dovoljno kako bi se spriječilo progresivno curi u prostor. Tragovi ³ On je u svijetu objasnio negativan beta decay hidrogen rijetkih 3 elementa (tricij). ⁴ On je najčešći stabilnih izotopa: ⁴ omjer On atomi prema ³ On je oko 700 hiljada do 1 atmosfere i oko 7 miliona do 1 u nekim mineralima helijum-bogat ..

Fizičke osobine helijuma

ključanja i topljenja od ove stavke su najniže. Iz tog razloga, helijum postoji kao plin, osim u ekstremnim uvjetima. On gas se rastvara u vodi manje od bilo koje druge plina, a stopa difuzije kroz čvrste tijelo je tri puta veći od zraka. Njegova indeks prelamanja od najbližih približava 1.

Toplinske vodljivosti helijuma je drugi samo vodonik toplotne provodljivosti, specifična toplina i njegova izuzetno visoka. Na običnoj temperaturi je grijana tijekom ekspanzije, i ispod 40 K - ohladi. Zbog toga, kod T <40 K helij se može pretvoriti u tečnost širi.

Element je izolator, ako se ne nalazi u jonizovanim državi. Kao i kod drugih plemenitih gasova, helijum ima metastabilno nivo energije koji omogućavaju da se jonizovana električnim pražnjenja kada je napon ispod ionizacije potencijala.

Helij-4 je jedinstven po tome što ima dva tečnih oblika. I obično zove helijum I i postoji na temperaturama u rasponu od tačke ključanja 4,21 K (-268,9 ° C) do oko 2,18 K (-271 ° C). Donja toplinska provodljivost 2,18 K ⁴ On postaje 1000 puta veća od bakra. Ovaj oblik se zove helij II, da bi se razlikovao od običnih. Ona je Superfluid: viskoznost je toliko niska da se ne može mjeriti. Helij II širi u tanki sloj na površini svaka supstanca koja se bavi, a ovaj film teče bez trenja i protiv gravitacije.

Manje u izobilju helijum-3 predstavlja tri različita tečne faze, od kojih su dva Superfluid. Superfluidnosti u ⁴ On je otkrio Sovjetski fizičar Petrom Leonidovichem Kapitsey sredinom 1930-ih godina, a isti fenomen u ³ On je prvi put primetio Douglas D. Osheroff, David M. Lee i Robert C. Richardson SAD-u 1972.

Tečni mješavina dva izotopa helija-3 i -4 na temperaturama ispod 0,8 K (-272,4 ° C) je podijeljena u dva sloja - u osnovi čista ³ On i ⁴ je mješavina sa 6% helija-3. Raspad ³ On je u ⁴ On je u pratnji hlađenje efekta koji se koristi u kriostat strukture u kojima je temperatura helij ispod 0.01 K (-273,14 ° C) i održava za nekoliko dana.

veze

U normalnim uvjetima, helij je hemijski inertan. U ekstremnim može stvoriti element spoj koji pri normalnom pokazatelji temperaturi i pritisku nisu stabilni. Na primjer, helijum mogu formirati spojevi s jodom, volfram, fluor, fosfor i sumpor, kada podvrgnuti električno pražnjenje sjaj ili elektron bombardovanja u plazmi državi. Tako je nastao HeNe, HgHe _{10 ka 2} i molekularne jona je ₂ ⁺ ₂ Nije ^++, heh ⁺ i HED ^+. Ova tehnika je također bio neutralan molekula je ₂ i HgHe.

plazma

U svemiru pogodno distribuira jonizovanog helijuma, čija je imovina znatno razlikuju od molekularne. Elektrona i protona nije bila povezana, i ima vrlo visoku električnu vodljivost čak i djelomično jonizovana države. Na nabijene čestice je pod velikim uticajem magnetskih i električnih polja. Na primjer, u solarni vetar helijem jona interakciju sa jonizujućeg vodika magnetosferu zemlje, uzrokujući aurora borealis.

Otkriće depozita u SAD-u

Nakon bušenja u 1903. godine u Dexter, Kansas, je dobijen nezapaljivog plina. U početku, nije bilo poznato da ona sadrži helij. Koji plin je pronađen, identifikovan državni Erasmus Haworth geolog, koji je sakupio svoju uzoraka i Univerziteta u Kanzasu preko hemičara Kedi Gamiltona i David McFarland je utvrdio da sadrži 72% dušika, 15% metana, 1% vodika i 12% nije identifikovan. Nakon što je proveo naknadne analize, istraživači su otkrili da 1,84% uzorka helijuma. Tako da znamo da je ovaj hemijski element je prisutan u velikim količinama u dubinama Great Plains, gdje se može izdvojiti iz prirodnog plina.

industrijska proizvodnja

To je učinilo SAD svjetske proizvodnje lidera helijuma. Na prijedlog Sir Richard Threlfall, američke mornarice finansira tri pilot postrojenje male proizvesti ovu supstancu za vrijeme Prvog svjetskog rata kako bi se osigurala baraž balone lagan nezapaljiv gas dizanje. Prema ovom programu su proizvedene u ukupno 5700 m ³ 92 posto je, iako je to bilo dobiti samo najmanje 100 litara plina. Dio ovog iznosa je korišten u prvi svjetski helijuma cepelin američke mornarice C-7, koja je svoje prvo putovanje iz Hampton Roads (Virginia) u Bolling Field (Washington, DC) 7. Dec 1921.

Iako je proces niske temperature tekućeg plina u to vrijeme nije bio dovoljno razvijen da bude značajan za vrijeme Prvog svjetskog rata, nastavio proizvodnju. Helijum se uglavnom koristi kao lift plina u avionu. Potražnja za to je povećana za vrijeme Drugog svjetskog rata, kada je koristi oklopljeni zavarivanje. Element također ima veliki značaj u stvaranju atomske bombe "Manhattan".

Američki Nacionalni rezervat

1925. godine, vlada SAD je stvorio Nacionalni rezervat helijuma u Amarillo, Texas, za pružanje vojne cepelina u vrijeme rata i komercijalnih cepelina u miru. Korištenje plina pala nakon Drugog svjetskog, ali akcija je povećan 1950. godine da, između ostalog, opskrbljuje kao rashladno sredstvo koristi u proizvodnji kisika i vodika potisni tokom trke prostor i Hladnog rata. Korištenje helijuma u Sjedinjenim Američkim Državama 1965. godine, osam puta veći nego na vrhuncu potrošnje u ratu.

Nakon usvajanja zakona o helijuma 1960 rudarstva Bureau Streak 5 privatnim kompanijama da izvuče element iz prirodnog gasa. Ovaj program je izgrađen 425 kilometara cjevovoda za povezivanje ove biljke sa vladom djelomično ispražnjena plinskom polju u blizini Amarillo, Texas. Helij-azot mješavina upumpava u podzemno skladište, gdje je ostao sve dok nema potrebe za to.

Do 1995. godine, obim zaliha je sastavljen milijardi kubnih metara, dok je dug Nacionalne rezerve od 1,4 milijardi dolara, što je izazvalo američki Kongres 1996. godine da postepeno iz nje. Nakon usvajanja 1996. Zakona o privatizaciji helijuma Ministarstva prirodnih resursa pokrenula likvidacije radnju u 2005. godini.

Čista i proizvodnja

Helijum proizvedenih do 1945. godine imala čistoće od oko 98%, ostali 2% su bili u dušik koji je dovoljan za cepelina. U 1945. je proizvela mala količina 99,9 posto plina za upotrebu u zavarivanje. Do 1949. godine, čistoća rezultat elementa završila 99.995%.

Dugi niz godina u SAD je proizvela više od 90% svjetske komercijalne helij. Od 2004. godine, svake godine je ispalo 140 milijuna m ^3, od čega 85% se javljaju u SAD-u, 10% je izvedena u Alžiru, a ostatak - u Rusiji i Poljskoj. Glavni izvori helijuma u svijetu su prirodni plinska polja u Teksasu, Oklahoma i Kansas.

Proces za dobivanje

Helijum (čistoće 98,2%) se oporavio od ukapljivanja prirodnog plina od strane drugih komponenti na niskim temperaturama i pri visokim pritiscima. Apsorpciju drugih gasova hlađeni aktivni ugljen može postići čistoće 99.995%. Mala količina helija proizvedenih tokom zraka ukapljivanje na velikih razmjera. Od 900 tona vazduha može dobiti oko 3,17 kubnih metara. m plina.

Područja primjene

Noble plina se primjenjuje u različitim oblastima.

• Helijum, koji svojstva omogućiti da dobiju vrlo niske temperature, koristi se kao rashladni agent u LHC, MRI superprovodni magnet aparata i nuklearna magnetna rezonanca spektrometri, satelitska oprema, kao i za ukapljivanje kisika i vodika u raketama "Apollo".
• Kao inertnog plina za zavarivanje aluminija i dr. Metala u proizvodnji poluvodiča i optičkih vlakana.
• .. Za kreiranje pritisak u rezervoarima goriva raketnih motora, posebno onih koji rade na tečni vodonik, t samo helijuma čuva svoje agregatno stanje kada vodika ostaje tekućine);
• He-Ne plina laseri se koriste za skeniranje barkoda na blagajni u supermarketima.
• Helijum-ion mikroskop vam omogućava da dobijete najbolju sliku od elektronskih.
• Zbog visoke propusnosti plemenitog plina se koristi za testiranje curenja, na primjer, u klima-uređaj automobila, kao i brzog punjenja jastuk na sudar.
• Niske gustoće omogućuje dekorativne kuglice ispunjen helijem. Inertnog plina je zamijenjen eksplozivne vodonik u cepelina i balonima. Na primjer, u meteorologiji, helijum baloni se koriste za podizanje mjernog instrumenta.
• Kriogenim za hlađenje se koristi, jer je temperatura hemijskog elementa u najmanju moguću tečno stanje.
• Helijum, koje karakteristike osigurati mu nisku reaktivnost i rastvorljivost u vodi (i krvi), u smjesi s kisikom je našao primjenu u respiratornom formulacije za ronjenje i držanje caisson rad.
• Meteoriti i stijene su analizirani za sadržaj ovog elementa za utvrđivanje njihove starosti.

Helijum: svojstva elementa

On je glavni fizičke osobine su kako slijedi:

• Atomski broj: 2.
• Relativne mase atom helijuma: 4,0026.
• Tačka topljenja: nema.
• Tačka: -268,9 ° C.
• Gustina (1 bankomat, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oksidacijsko stanje 0.