Heliul: proprietăți, caracteristici, aplicații

Heliu - gaz inert din grupa 18 a tabelului periodic. Acesta este al doilea cel mai ușor element de după hidrogen. Heliu - gaz fără culoare, miros și gust, care devine lichid la o temperatură de -268.9 ° C. punctul de fierbere și punctul său de congelare mai mică decât cea a oricărei alte substanțe cunoscute. Acesta este singurul element care nu se solidifică cu răcire la presiune atmosferică normală. Sa mutat în stare solidă trebuie să fie de 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. Inițial sa presupus că această linie reprezintă elementul de sodiu. În același an, astronomul englez Dzhozef Norman Lockyer a observat o linie galbenă în spectrul solar, care nu corespund liniilor de sodiu cunoscute D ₁ și D _2, și , prin urmare , este numit - o linie de D _3. Lockyer a concluzionat că a fost cauzată de o substanță în necunoscut Soare pe Pământ. El și chimist Edward Frankland în elementul titlu folosind numele grecesc „Helios“ Sun.

În 1895, chimistul britanic Sir Uilyam Ramzay a dovedit existența heliu pe Pământ. El a primit mostre de minerale cleveite purtătoare de uraniu, și după examinarea gazelor formate în timpul încălzirii, se constată că luminos linie galbenă în spectrul coincide cu linia D _3, observate în spectrul solar. Astfel, un nou element a fost în cele din urmă instalat. In 1903 Ramsay si Frederick Soddy a constatat că heliu este un produs al descompunerii 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. Acesta este concentrat în stele, unde hidrogenul este format din fuziunea rezultată. 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 atomului de heliu conține doi protoni, dar, ca și cu alte elemente, are izotopi. Ele conțin de la unu la șase neutroni, astfel încât numărul lor în masă variind de la trei la opt. Stabil acestea sunt elementele a căror greutate este determinată de heliu numărul atomic 3 ⁽³ He) și 4 ⁽⁴ El). Toate celelalte radioactive și se distrug rapid în alte substanțe. heliu Pamantului nu este o parte originală a planetei, sa format ca urmare a dezintegrarii radioactive. Particulele alfa emise de nuclee de substanțe radioactive grele sunt izotopul ⁴ El nucleu. Heliul nu se acumulează în cantități mari în atmosferă, deoarece gravitația Pământului nu este suficientă pentru a preveni scurgerea în mod progresiv în spațiu. Urme de ³ El din lume sunt explicate hidrogen negativ dezintegrarea beta rare 3 elemente (tritiu). ⁴ El este cel mai frecvent de izotopi stabili: ⁴ raportul dintre El atomi spre ³ El este de aproximativ 700 de mii la 1 atmosferă și aproximativ 7 milioane de 1 în unele minerale bogate heliu ..

Proprietățile fizice ale heliu

de fierbere și de topire punct al acestui articol sunt cele mai mici. Din acest motiv, heliu există ca un gaz, cu excepția în condiții 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 cel mai aproape de 1 se apropie.

Conductivitatea termică a heliului este al doilea numai o conductivitate termică de hidrogen, căldura specifică și ei extraordinar de mare. La temperaturi obișnuite, este încălzită în timpul expansiunii, și sub 40 K - răcit. Prin urmare, la T <40 K heliu poate fi transformată într-un lichid prin expansiune.

Elementul este un izolator, în cazul în care nu este în stare ionizat. Ca și în cazul altor gaze nobile, heliu are un nivel de energie metastabile care îi permit să fie ionizat printr-o descărcare electrică atunci când o tensiune este sub potențialul de ionizare.

Heliu-4 este unic prin faptul că are două forme lichide. Usual numit heliu I și există la temperaturi variind de la punctul de fierbere al 4,21 K (-268,9 ° C) până la aproximativ 2,18 K (-271 ° C). conductivitate termică mai mică de 2,18 K ⁴ El devine de 1000 de ori mai mare decât cea a cuprului. Această formă se numește heliu al II-lea, pentru a se distinge de comun. Acesta a superfluid: vâscozitate este atât de mică încât nu poate fi măsurat. Heliul II se extinde într-un film subțire pe suprafața oricărei substanțe care este în cauză, iar acest film curge fără frecare chiar și împotriva gravitației.

Mai puțin abundent heliu-3 formează trei faze lichide diferite, dintre care două sunt superfluid. Belșug în ⁴ El a fost descoperit de fizicianul sovietic Petrom Leonidovichem Kapitsey la mijlocul anilor 1930, și același fenomen în ³ El a fost observat pentru prima dată de Douglas D. Osheroff, David M. Lee, si Robert C. Richardson a Statelor Unite în 1972.

Un amestec lichid de doi izotopi de heliu-3 și -4 la temperaturi sub 0,8 K (-272.4 ° C) este împărțit în două straturi - un mod esențial pur ³ El și ⁴ amestec El cu 6% heliu - 3. Dizolvarea ³ El în ⁴ El este însoțit de efectul de răcire utilizat în structurile criostat în care temperatura heliului este sub 0,01 K (-273,14 ° C) și se menține timp de câteva zile.

conexiuni

În condiții normale, heliu este chimic inert. In extrema poate crea un element de compus care, la temperatură normală și indicatori de 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 , a fost creat HeNe, HgHe _10, whe ₂ și ionii moleculari A ₂ ⁺ ₂ Nu ^++, Heh ⁺ și HED ^+. Această tehnică a fost , de asemenea , o moleculă neutră A ₂ și HgHe.

plasmă

In universul distribuit avantajos heliu ionizat, ale cărui proprietăți diferă în mod substanțial de la nivel molecular. Electronii și protonii nu a fost legat, și are o conductivitate electrica foarte mare chiar și într-o stare parțial ionizat. La particule încărcate este puternic influențat 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 găurire în 1903 Dexter, Kansas, a fost obținut prin gaz neinflamabil. 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 Kedi Gamiltona 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. Conform acestui program au fost produse în total de 5700 m ³ 92 la suta El, cu toate că acest lucru a fost obținut doar cel puțin 100 de litri de gaz. O parte din această sumă a fost utilizată în lume primul dirijabil heliu US Navy C-7, care a făcut călătoria sa de fată de la Hampton Roads (Virginia) la Bolling de câmp (Washington, DC) 07 decembrie 1921.

Deși procesul de gaz lichid la temperatură joasă, la acel moment nu a fost suficient de dezvoltată pentru a fi semnificativă în timpul primului război mondial, producția a continuat. Heliul este utilizat, în general, ca un gaz lift de aeronave. Cererea pentru aceasta a crescut în timpul al doilea război mondial, când a fost utilizat cu o sudură cu arc electric. Elementul de asemenea, are o mare importanță în crearea bombei atomice „Manhattan“.

rezerva US National

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 de heliu în Statele Unite în 1965, de opt ori mai mare decât consumul de vârf în timp de război.

După adoptarea legii privind heliu 1960 Bureau Mining Streak 5 companii private pentru a extrage elementul din gaze naturale. Acest program a fost construit 425 km de conducte pentru a conecta aceste plante cu câmpul de gaz guvernamental parțial epuizat aproape Amarillo, Texas. amestec heliu-azot pompat în depozitare subterană și a rămas acolo până când nu este nevoie în ea.

Până în 1995, volumul de stoc a fost asamblat de miliarde de metri cubi, în timp ce datoria a rezervei naționale de 1,4 miliarde de dolari, ceea ce a determinat Congresul SUA în anul 1996 de a elimina din ea. După adoptarea în 1996 a legii privind privatizarea heliu Ministerul Resurselor Naturale a lansat un magazin de lichidare în 2005.

Curat și 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, a produs o cantitate mică de 99,9 procente de gaz pentru utilizare la sudarea cu arc electric. 1949, puritatea elementului rezultat a ajuns la 99,995%.

Timp de mulți ani în Statele Unite, a produs mai mult de 90% din heliu comercial din lume. Din 2004, în fiecare an , a fost elaborat 140 de milioane m ^3, din care 85% au loc în Statele Unite, 10% a fost efectuat în Algeria, iar restul - în Rusia și Polonia. Principalele surse de heliu din lume sunt câmpuri de gaze naturale din Texas, Oklahoma si Kansas.

Procedeul de obținere a

Heliu (puritate 98,2%) este recuperată din lichefierea gazelor naturale de către alte componente la temperaturi scăzute și la presiuni ridicate. Adsorbția altor gaze răcite carbon activat poate atinge puritatea de 99,995%. O cantitate mică de heliu produsă în timpul lichefierii aerului la scară largă. Din cele 900 de tone de aer se pot obține aproximativ 3.17 metri cubi. m gaz.

Domenii de aplicare

gaz nobil a fost aplicat 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“.
• Deoarece gazul inert pentru sudarea aluminiului și altele. Metale în fabricarea semiconductorilor și fibre optice.
• .. Pentru a crea o presiune în rezervoarele de combustibil ale motoarelor de rachete, în special a celor care operează pe hidrogen lichid, t la numai heliu gazos își păstrează starea de agregare atunci când hidrogen rămâne lichid);
• He-Ne lasere cu gaz sunt utilizate pentru a scana codul de bare de pe box - office în supermarket - uri.
• Microscop Heliu-ion vă permite să obțineți cea mai bună imagine decât electronică.
• Datorită permeabilitate ridicată a gazului nobil este folosit pentru a testa scurgeri de informații, de exemplu, în sistemele de aer condiționat auto, precum și umplerea rapidă a airbagului la coliziune.
• densitate scăzută permite bile decorative umplute cu heliu. Gazul inert este înlocuit cu hidrogen gazos exploziv în dirijabile și baloane. De exemplu, în meteorologie, baloane cu heliu sunt folosite pentru a ridica instrumentul de măsurare.
• Agentul de răcire criogenice este utilizat, deoarece temperatura elementului chimic în stare lichidă minimă 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.
• Meteoritii și roci sunt analizate pentru conținutul acestui element pentru a determina vârsta lor.

Heliul: proprietățile elementului

El Principalele proprietăți fizice sunt după cum urmează:

• Număr atomic: 2.
• Masa relativă a atomului de heliu: 4.0026.
• Punct de topire: nr.
• Punct de fierbere: -268,9 ° C
• Densitate (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oxidarii starea 0.