Kognitivní fakta o všem / Vzdělání: / Helium: vlastnosti, vlastnosti, aplikace

Helium: vlastnosti, vlastnosti, aplikace

Hélium je inertní plyn 18. skupiny periodických látekstoly. Po vodíku je to druhý nejlehčí prvek. Helium je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, který se při teplotě -268,9 ° C stává kapalným. Jeho body varu a tuhnutí jsou nižší než u jakékoli jiné známé látky. Je to jediný prvek, který při normálním atmosférickém tlaku neztuhne. Aby hélium ztuhlo, potřebujete 25 atmosfér při teplotě 1 K.

Historie objevu

V okolní plynné atmosféře bylo nalezeno heliumSlunce od francouzského astronoma Pierra Jansena, který v roce 1868 během zatmění objevil ve spektru sluneční chromosféry jasně žlutou čáru. Původně se předpokládalo, že tato linie představuje prvek sodík. Ve stejném roce pozoroval anglický astronom Joseph Norman Lockyer žlutou čáru ve slunečním spektru, která neodpovídala známým sodíkovým čarám D₁ a D₂, a proto tomu říkal linka D₃... Lockyer dospěl k závěru, že to bylo způsobeno látkou na slunci neznámou na Zemi. On a chemik Edward Frankland používali pro prvek řecké jméno pro slunce „helios“.

V roce 1895 britský chemik Sir William Ramsayprokázal existenci helia na Zemi. Získal vzorek minerálního cleveitu nesoucího uran a po prozkoumání plynů vzniklých při jeho zahřívání zjistil, že jasně žlutá čára ve spektru se shoduje s linií D₃pozorované ve slunečním spektru.Nový prvek byl tedy nakonec nainstalován. V roce 1903 Ramsay a Frederick Soddu zjistili, že helium je produkt spontánního rozpadu radioaktivních látek.

Šíří se v přírodě

Hmotnost helia je asi 23% z celkové hmotnostiVesmír a živel jsou druhým nejhojnějším v prostoru. Je koncentrován ve hvězdách, kde je vytvořen z vodíku v důsledku termonukleární fúze. Přestože se v zemské atmosféře nachází helium v koncentraci 1 díl na 200 tisíc (5 ppm) a nachází se v malém množství v radioaktivních minerálech, meteorickém železe a v minerálních pramenech, velké množství prvku se nachází ve Spojených Státy (zejména v Texasu, Novém Mexiku, Kansasu, Oklahomě, Arizoně a Utahu) jako součást (až 7,6%) zemního plynu. Malé rezervy byly nalezeny v Austrálii, Alžírsku, Polsku, Kataru a Rusku. V zemské kůře je koncentrace helia jen asi 8 dílů na miliardu.

Izotopy

Jádro každého atomu helia obsahuje dva protony,ale jako ostatní prvky má izotopy. Obsahují od jednoho do šesti neutronů, takže jejich hmotnostní čísla se pohybují od tří do osmi. Stabilní z nich jsou prvky, pro které je hmotnost helia určena atomovými čísly 3 (³On) a 4 (⁴On).Všechny ostatní jsou radioaktivní a velmi rychle se rozpadají na jiné látky. Zemské hélium není původní složkou planety, vzniklo v důsledku radioaktivního rozpadu. Částice alfa emitované jádry těžkých radioaktivních látek jsou jádry izotopu ⁴On. Helium se v atmosféře neakumuluje ve velkém množství, protože gravitace Země je nedostatečná na to, aby nemohla postupně unikat do vesmíru. Stopy ³Ne na Zemi se vysvětluje negativním rozpadem beta vzácného prvku vodíku-3 (tritium). ⁴Je nejhojnějším stabilním izotopem: poměrem počtu atomů ⁴On do ³V atmosféře je asi 700 tisíc ku 1 a v některých minerálech obsahujících helium asi 7 miliónů na 1.

Fyzikální vlastnosti helia

Bod varu a tání tohoto prvkunejnižší. Z tohoto důvodu existuje helium jako plyn, s výjimkou extrémních podmínek. Plyn se ve vodě rozpouští méně než kterýkoli jiný plyn a rychlost difúze přes pevné látky je třikrát vyšší než u vzduchu. Jeho index lomu je nejblíže 1.

Tepelná vodivost helia je na druhém místětepelná vodivost vodíku a jeho specifické teplo je neobvykle vysoké. Při běžných teplotách se při expanzi zahřívá a pod 40 K chladí. Proto při T <40 K lze helium přeměnou na kapalinu expanzí.

Prvek je dielektrikum, pokud není nalezenv ionizovaném stavu. Stejně jako ostatní vzácné plyny má helium metastabilní energetické hladiny, které mu umožňují zůstat ionizované v elektrickém výboje, když napětí zůstává pod ionizačním potenciálem.

Helium-4 je jedinečné v tom, že má dvě kapalinyformuláře. Společný se nazývá helium I a existuje při teplotách od bodu varu 4,21 K (-268,9 ° C) do zhruba 2,18 K (-271 ° C). Tepelná vodivost pod 2,18 K. ⁴Stává se 1000krát více než měď.Tato forma se nazývá helium II, aby se odlišila od normální formy. Je nadbytečný: viskozita je tak nízká, že ji nelze měřit. Helium II se šíří do tenkého filmu na povrchu jakékoli látky, které se dotkne, a tento film proudí bez tření i proti gravitaci.

Méně hojné helium-3 tvoří tři různé kapalné fáze, z nichž dvě jsou superfluidní. Superfluidita v ⁴Objevil ho sovětský fyzik Petr Leonidovič Kapitsa v polovině třicátých let minulého století a stejný jev v r. ³Poprvé to viděli Douglas D. Osherov, David M. Lee a Robert S. Richardson z USA v roce 1972.

Kapalná směs dvou izotopů helia -3 a -4 při teplotách pod 0,8 K (-272,4 ° C) se rozdělí na dvě vrstvy -téměř čisté ³On a míchá ⁴On s 6% helia-3. Rozpuštění ³On v ⁴Je doprovázen chladicím efektem, který se používá při konstrukci kryostatů, u nichž teplota helia klesá pod 0,01 K (-273,14 ° C) a při této teplotě se udržuje několik dní.

Spojení

Za normálních podmínek je helium chemicky inertní.V extrémních podmínkách je možné vytvořit spoje prvku, které nejsou stabilní za normálních teplot a tlaků. Například helium může tvořit sloučeniny s jodem, wolframem, fluórem, fosforem a sírou, když je vystaveno elektrickému doutnavému výboje při bombardování elektrony nebo v plazmatickém stavu. Tedy HeNe, HgHe₁₀, WHE₂ a molekulárních iontů He₂⁺, Ne₂⁺⁺, HeH⁺ a HeD⁺... Tato technika také umožnila získat neutrální He₂ a HgHe.

Plazma

Ve vesmíru je převážně rozšířenýionizované helium, jehož vlastnosti se výrazně liší od molekulárního helia. Jeho elektrony a protony nejsou vázány a má velmi vysokou elektrickou vodivost i v částečně ionizovaném stavu. Nabité částice jsou silně ovlivněny magnetickými a elektrickými poli. Například ve slunečním větru ionty helia spolu s ionizovaným vodíkem interagují s magnetosférou Země, což způsobuje polární záři.

Terénní objev v USA

Po vyvrtání studny v roce 1903 v DexteruKansaský stát, byl získán nehořlavý plyn. Původně nebylo známo, že by obsahoval helium. Jaký plyn byl nalezen, určil geolog státu Erasmus Haworth, který shromáždil jeho vzorky, a na univerzitě v Kansasu za pomoci chemiků Cadyho Hamiltona a Davida McFarlanda zjistili, že obsahuje 72% dusíku, 15% metanu, 1% vodíku a 12% nebylo identifikováno. Následnými analýzami vědci zjistili, že 1,84% vzorku bylo helium. Dozvěděli se tedy, že tento chemický prvek je v obrovských množstvích přítomen v útrobách Velké planiny, odkud jej lze extrahovat ze zemního plynu.

Průmyslová produkce

Díky tomu se Spojené státy staly lídrem světaprodukce helia. Na návrh sira Richarda Trellfalla americké námořnictvo financovalo tři malé pilotní závody na přípravu této látky během první světové války, aby poskytly palbám balónů lehký, nehořlavý vztlakový plyn. V rámci tohoto programu bylo vyrobeno celkem 5700 m.³ 92 procent On, i když dříve obdrželjen necelých 100 litrů plynu. Část tohoto objemu byla použita v první heliové vzducholodi C-7 amerického námořnictva, která se poprvé vydala z Hampton Roads ve Virginii do Bolling Field ve Washingtonu 7. prosince 1921.

Ačkoli proces nízkoteplotního zkapalňování plynu vI když to nebylo dostatečně vyvinuté, aby se ukázalo jako významné během první světové války, výroba pokračovala. Helium se používalo hlavně jako vztlakový plyn v letadlech. Poptávka po něm rostla během druhé světové války, kdy byl používán při svařování stíněným obloukem. Tento prvek byl také důležitý v projektu atomové bomby na Manhattanu.

Národní rezervace USA

V roce 1925 vláda USAzaložil National Helium Reserve v Amarillu v Texasu s cílem poskytovat vojenské vzducholodě ve válce a komerční vzducholodě v době míru. Využití plynu po druhé světové válce pokleslo, ale zásoby byly v padesátých letech zvýšeny, aby mimo jiné zajišťovaly jeho dodávky jako chladicí kapaliny používané při výrobě raketového paliva kyslík-vodík během vesmírných závodů a studené války. Použití helium ve Spojených státech v roce 1965 představovalo osmkrát válečnou špičkovou spotřebu.

Po přijetí zákona o héliu 1960, Těžbapředsednictvo najalo 5 soukromých podniků na těžbu prvku ze zemního plynu. Pro tento program byl vybudován 425 km plynovod, spojující tyto závody s vládním částečně vyčerpaným plynovým polem poblíž Amarillo v Texasu. Směs helia a dusíku byla čerpána do podzemních zásobníků a zůstala tam, dokud nenastala potřeba.

Do roku 1995 zásoba jedné miliardymetrů krychlových a dluh národní rezervy činil 1,4 miliardy dolarů, což přimělo americký kongres v roce 1996 k jeho postupnému vyřazení. Podle zákona o privatizaci helia z roku 1996 zahájilo ministerstvo přírodních zdrojů v roce 2005 likvidaci skladovacího zařízení.

Čistota a objem výroby

Hélium vyrobené před rokem 1945 bylo čistéasi 98%, zbylá 2% tvořil dusík, což na vzducholodě stačilo. V roce 1945 bylo vyrobeno malé množství 99,9 procent plynu pro použití při obloukovém svařování. V roce 1949 dosáhla čistota výsledného prvku 99,995%.

Spojené státy za ta léta vyprodukovaly přes 90% světového komerčního helia. Od roku 2004 se ročně vyrobí 140 milionů m³„85% z toho je ve Spojených státech, 10% bylo vyrobeno v Alžírsku a zbytek v Rusku a Polsku. Hlavními zdroji helia na světě jsou plynová pole v Texasu, Oklahomě a Kansasu.

Proces příjmu

Hélium (čistota 98,2%) je izolováno z přírodního prostředíplyn zkapalněním ostatních složek při nízkých teplotách a vysokých tlacích. Adsorpce jiných plynů s ochlazeným aktivním uhlím dosahuje čistoty 99,995%. Malé množství helia se vyrábí zkapalněním vzduchu ve velkém. Z 900 tun vzduchu můžete získat asi 3,17 metrů krychlových. m plynu.

Oblasti aplikace

Vzácný plyn našel uplatnění v různých oblastech.

Hélium, jehož vlastnosti umožňují získatultra nízké teploty, se používá jako chladicí činidlo v Large Hadron Collider, supravodivých magnetech pro stroje MRI a spektrometry nukleární magnetické rezonance, satelitní zařízení a také pro zkapalňování kyslíku a vodíku v raketách Apollo.
Jako inertní plyn pro svařování hliníku a dalších kovů, při výrobě vláken a polovodičů.
Vytvořit tlak v palivových nádržích raketymotory, zejména ty, které běží na kapalný vodík, protože pouze plynné helium si zachovává stav agregace, když vodík zůstává kapalný);
Plynové lasery He-Ne se používají ke skenování čárových kódů na pokladnách v supermarketech.
Heliumiontový mikroskop vytváří lepší snímky než elektronový mikroskop.
Díky své vysoké propustnosti je vzácný plynSlouží ke kontrole těsnosti, například v klimatizačních systémech automobilů, a k rychlému nafouknutí airbagů při kolizi.
Nízká hustota umožňuje plnění dekorativníbalónky s heliem. Inertní plyn nahradil výbušný vodík ve vzducholodi a balónech. Například v meteorologii se helium balóny používají ke zvedání měřicích přístrojů.
V kryogenní technologii slouží jako chladivo, protože teplota tohoto chemického prvku v kapalném stavu je nejnižší možná.
Hélium, jehož vlastnosti mu zajišťují minimumreaktivita a rozpustnost ve vodě (a krvi), smíchané s kyslíkem, našly uplatnění v dýchacích přípravcích pro potápění a kesonovou práci.
Meteority a horniny jsou analyzovány na obsah tohoto prvku, aby se určil jejich věk.