Когнитивни факти за всичко / образуване / Хелий: свойства, характеристики, приложение

Хелий: свойства, характеристики, приложение

Хелий е инертен газ от 18 -та група периодичнитаблици. Това е вторият най -лек елемент след водорода. Хелий е безцветен газ, без мирис и вкус, който става течен при температура -268.9 ° C. Точките му на кипене и замръзване са по -ниски от тези на всяко друго известно вещество. Това е единственият елемент, който не се втвърдява при охлаждане при нормално атмосферно налягане. За да се втвърди хелий, имате нужда от 25 атмосфери при температура 1 K.

История на откритието

В околната газова атмосфера е намерен хелийСлънце, от френския астроном Пиер Янсен, който през 1868 г. по време на затъмнение откри ярко жълта линия в спектъра на слънчевата хромосфера. Първоначално се смяташе, че тази линия представлява елемента натрий. През същата година английският астроном Джоузеф Норман Локиер наблюдава жълта линия в слънчевия спектър, която не съответства на известните натриеви D линии₁ и Г.₂, и затова го нарече линия D₃... Локиер заключава, че е причинено от вещество в Слънцето, непознато на Земята. Той и химикът Едуард Франкленд използваха гръцкото име за слънцето, „хелиос“, за елемента.

През 1895 г. британският химик сър Уилям Рамзидоказва съществуването на хелий на Земята. Той взе проба от ураноносния минерал клевеит и след като изследва газовете, образувани по време на нагряването му, установи, че ярко жълтата линия в спектъра съвпада с линията D₃наблюдавани в слънчевия спектър.Така новият елемент най -накрая беше инсталиран. През 1903 г. Рамзи и Фредерик Соду установяват, че хелият е продукт на спонтанното разпадане на радиоактивни вещества.

Разпространение сред природата

Масата на хелия е около 23% от общата масаВселената и елементът е вторият по разпространение в космоса. Той е концентриран в звезди, където се образува от водород в резултат на термоядрен синтез. Въпреки че в земната атмосфера хелий се намира в концентрация от 1 част на 200 хиляди (5 ppm) и се намира в малки количества в радиоактивни минерали, метеоритно желязо, а също и в минерални извори, големи количества от елемента се намират в САЩ (особено в Тексас, Ню Мексико, Канзас, Оклахома, Аризона и Юта) като компонент (до 7,6%) от природния газ. Малки резервати са открити в Австралия, Алжир, Полша, Катар и Русия. В земната кора концентрацията на хелий е само около 8 части на милиард.

Изотопи

Ядрото на всеки атом на хелий съдържа два протона,но подобно на други елементи, той има изотопи. Те съдържат от един до шест неутрона, така че масовото им число варира от три до осем. Стабилни от тях са елементи, за които масата на хелия се определя от атомни номера 3 (³Той) и 4 (⁴Той).Всички останали са радиоактивни и се разпадат много бързо в други вещества. Земният хелий не е оригиналният компонент на планетата, той се е образувал в резултат на радиоактивно разпадане. Алфа частиците, излъчвани от ядрата на тежки радиоактивни вещества, са ядрата на изотопа ⁴Той. Хелий не се натрупва в големи количества в атмосферата, тъй като гравитацията на Земята е недостатъчна, за да попречи на постепенното й бягане в космоса. Следи ³Не на Земята се обясняват с отрицателния бета-разпад на редкия елемент водород-3 (тритий). ⁴Той е най -разпространеният стабилен изотоп: съотношението на броя на атомите ⁴Той да ³Той е около 700 хиляди към 1 в атмосферата и около 7 милиона до 1 в някои минерали, съдържащи хелий.

Физични свойства на хелия

Точката на кипене и топене на този елементнай -ниската. Поради тази причина хелият съществува като газ, освен в екстремни условия. Той се разтваря във вода по -малко от всеки друг газ и скоростта на дифузия през твърди вещества е три пъти по -голяма от тази на въздуха. Индексът на пречупване е най -близо до 1.

Топлинната проводимост на хелия е на второ мястотоплопроводимост на водорода и специфичната му топлина е необичайно висока. При обикновени температури той се нагрява по време на разширяването, а под 40 K се охлажда. Следователно, при T <40 K, хелият може да се превърне в течност чрез разширение.

Елемент е диелектрик, ако не е намеренв йонизирано състояние. Подобно на други благородни газове, хелият има метастабилни енергийни нива, които му позволяват да остане йонизиран в електрически разряд, когато напрежението остане под йонизационния потенциал.

Хелий-4 е уникален с това, че има две течностиформи. Общият се нарича хелий I и съществува при температури от точката на кипене от 4,21 K (-268,9 ° C) до около 2,18 K (-271 ° C). Под 2.18 K топлопроводимост ⁴Той става 1000 пъти повече от медта.Тази форма се нарича Хелий II, за да се различава от нормалната форма. Той е свръхтечен: вискозитетът е толкова нисък, че не може да бъде измерен. Хелий II се разпространява в тънък слой върху повърхността на всяко вещество, до което се докосне, и този филм тече без триене дори срещу гравитацията.

По-малкото количество хелий-3 образува три различни течни фази, две от които са свръхтечни. Свръхтечение в ⁴Той е открит от съветския физик Пьотър Леонидович Капица в средата на 30-те години на миналия век и същото явление през ³За първи път е видян от Дъглас Д. Ошеров, Дейвид М. Лий и Робърт С. Ричардсън от САЩ през 1972 г.

Течна смес от два изотопа на хелий -3 и -4 при температури под 0.8 K (-272.4 ° C) е разделена на два слоя -почти чист ³Той и смесва ⁴Той с 6% хелий-3. Разтваряне ³Той влиза ⁴Той е придружен от охлаждащ ефект, който се използва при проектирането на криостати, при които температурата на хелия пада под 0,01 K (-273,14 ° C) и се поддържа при тази температура в продължение на няколко дни.

Връзки

При нормални условия хелият е химически инертен.При екстремни условия е възможно да се създадат връзки на елемент, които не са стабилни при нормални температури и налягане. Например, хелият може да образува съединения с йод, волфрам, флуор, фосфор и сяра, когато е изложен на електрически сияен разряд, когато е бомбардиран с електрони или в плазмено състояние. По този начин, HeNe, HgHe₁₀, WHE₂ и молекулярни йони He₂⁺, Не₂⁺⁺, Той Х⁺ и HeD⁺... Тази техника също направи възможно получаването на неутрален He₂ и HgHe.

Плазма

Във Вселената тя е широко разпространенайонизиран хелий, чиито свойства се различават значително от молекулния хелий. Неговите електрони и протони не са свързани и той има много висока електрическа проводимост дори в частично йонизирано състояние. Заредените частици са силно повлияни от магнитни и електрически полета. Например, при слънчевия вятър, хелиевите йони, заедно с йонизирания водород, взаимодействат с магнитосферата на Земята, причинявайки полярното сияние.

Полеви открития в САЩ

След пробиване на кладенец през 1903 г. в Декстър,В щата Канзас е получен незапалим газ. Първоначално не е било известно, че съдържа хелий. Какъв газ е открит, е определено от геолога на щата Еразъм Хауърт, който е събрал пробите му и в университета в Канзас, с помощта на химиците Кади Хамилтън и Дейвид Макфарланд, е установил, че той съдържа 72% азот, 15% метан, 1% водород и 12% не са идентифицирани. Чрез последващи анализи учените установяват, че 1,84% от пробата е хелий. Така те научиха, че този химичен елемент присъства в огромни количества в недрата на Великите равнини, откъдето може да бъде извлечен от природен газ.

Промишлено производство

Това направи САЩ лидер в светапроизводство на хелий. По предложение на сър Ричард Трелфол ВМС на САЩ финансираха три малки пилотни завода за подготовката на това вещество по време на Първата световна война, за да осигурят балони за бараж с лек, негорим газ за повдигане. По тази програма са произведени общо 5700 м3.³ 92% Той, въпреки че преди това е получилсамо по -малко от 100 литра газ. Част от този обем е използван в първия хелиев дирижабъл на ВМС на САЩ, който прави първото си пътуване от Хамптън Роудс, Вирджиния, до Болинг Фийлд, Вашингтон, окръг Колумбия на 7 декември 1921 г.

Въпреки че процесът на нискотемпературно втечняване на газ вМакар и да не е достатъчно развито, за да се окаже значимо по време на Първата световна война, производството продължава. Хелият се използва главно като повдигащ газ в самолети. Търсенето за него нараства по време на Втората световна война, когато се използва при заваръчни екранирани дъги. Елементът беше важен и в проекта за атомна бомба в Манхатън.

Национален резерв на САЩ

През 1925 г. правителството на САЩсъздаде Националния резерв на хелий в Амарило, Тексас, с цел да осигури военни дирижабли във война и търговски дирижабли в мирно време. Използването на газ намалява след Втората световна война, но запасите се увеличават през 50-те години на миналия век, за да подкрепят, наред с други неща, неговото снабдяване като охлаждаща течност, използвана при производството на кислородно-водородно ракетно гориво по време на космическата надпревара и Студената война. Използването на хелий в Съединените щати през 1965 г. е осем пъти по -голямо от пиковата консумация по време на войната.

След приемането на закона за хелия през 1960 г., Минно делобюрото е сключило договор с 5 частни предприятия за извличане на елемента от природен газ. За тази програма е построен 425-километров газопровод, който свързва тези централи с частно изчерпано газово находище в близост до Амарило в Тексас. Сместа от хелий-азот се изпомпва в подземното хранилище и остава там до необходимостта.

До 1995 г. запас от един милиардкубически метра, а дългът на Националния резерв възлиза на 1,4 млрд. долара, което накара Конгреса на САЩ през 1996 г. да го прекрати постепенно. След закона за приватизация на хелий от 1996 г. Министерството на природните ресурси започна да ликвидира съоръжението за съхранение през 2005 г.

Чистота и обем на производството

Хелий, произведен преди 1945 г., е чистоколо 98%, останалите 2% са азот, което е достатъчно за дирижабли. През 1945 г. е произведено малко количество от 99,9 % газ за използване при дъгово заваряване. До 1949 г. чистотата на получения елемент достига 99,995%.

През годините САЩ са произвеждали над 90% от световния търговски хелий. От 2004 г. се произвежда годишно 140 милиона м³, 85% от които идват от САЩ, 10% са произведени в Алжир, а останалите в Русия и Полша. Основните източници на хелий в света са газовите находища в Тексас, Оклахома и Канзас.

Процес на получаване

Хелий (чистота 98,2%) е изолиран от естественгаз чрез втечняване на други компоненти при ниски температури и високо налягане. Адсорбцията на други газове с охладен активен въглен постига 99,995% чистота. Малко количество хелий се произвежда чрез втечняване на въздух в голям мащаб. От 900 тона въздух могат да се получат около 3,17 кубически метра. м газ.

Области на приложение

Благородният газ е намерил приложение в различни области.

Хелий, чиито свойства дават възможност за получаванесвръхниски температури, се използва като охлаждащ агент в Големия адронен колайдер, свръхпроводящи магнити за ЯМР машини и ядрено-магнитен резонансен спектрометър, сателитно оборудване, както и за втечняване на кислород и водород в ракети Аполо.
Като инертен газ за заваряване на алуминий и други метали, при производството на влакна и полупроводници.
За създаване на налягане в резервоарите за гориво на ракетатадвигатели, особено тези, които работят с течен водород, тъй като само газообразният хелий запазва агрегатното си състояние, когато водородът остава течен);
Газовите лазери He-Ne се използват за сканиране на баркодове на гишетата за каси в супермаркетите.
Хелиево -йонният микроскоп произвежда по -добри изображения от електронния микроскоп.
Благодарение на високата си пропускливост, благородният газИзползва се за проверка на течове, например в климатичните системи за автомобили, и за бързо надуване на въздушни възглавници при сблъсък.
Ниската плътност позволява пълнене декоративнобалони с хелий. Инертният газ е заменил експлозивния водород в дирижабли и балони. Например в метеорологията балоните с хелий се използват за повдигане на измервателни уреди.
В криогенната технология той служи като охлаждаща течност, тъй като температурата на този химичен елемент в течно състояние е възможно най -ниската.
Хелий, чиито свойства му осигуряват ниско съдържаниереактивността и разтворимостта във вода (и кръв), смесени с кислород, са намерили приложение в дихателните състави за гмуркане и работа с кесон.
Метеоритите и скалите се анализират за съдържанието на този елемент, за да се определи тяхната възраст.