Hélium: tulajdonságok, jellemzők, alkalmazások

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 17:48

A hélium a periódusos rendszer 18. csoportjába tartozó inert gáz. A hidrogén után a második legkönnyebb elem. A hélium színtelen, szagtalan és íztelen gáz, amely -268,9 °C-on folyékonnyá válik. Forrás- és fagyáspontja alacsonyabb, mint bármely más ismert anyagé. Ez az egyetlen elem, amely normál légköri nyomáson lehűtve nem szilárdul meg. 1 K hőmérsékleten 25 atmoszféra szükséges a hélium megszilárdulásához.

Felfedezési előzmények

A héliumot a Napot körülvevő gáznemű atmoszférában Pierre Jansen francia csillagász fedezte fel, aki 1868-ban egy napfogyatkozás során egy élénksárga vonalat fedezett fel a napkromoszféra spektrumában. Eredetileg ezt a vonalat a nátrium elemre gondolták. Ugyanebben az évben Joseph Norman Lockyer angol csillagász egy sárga vonalat figyelt meg a nap spektrumában, amely nem felelt meg a D₁ és D₂ nátriumvonalaknak., és így nevezte el a vonalat D_{3. Lockyer arra a következtetésre jutott, hogy a Napban lévő, a Földön ismeretlen anyag okozta. Ő és Edward Frankland vegyész használta az elem nevébena Nap görög neve Héliosz.}

1895-ben Sir William Ramsay brit kémikus bebizonyította a hélium létezését a Földön. Mintát kapott az urántartalmú ásványi kleveitből, és miután megvizsgálta a hevítéskor keletkezett gázokat, megállapította, hogy a spektrumban lévő élénksárga vonal egybeesik a D_{3 vonallal. a Nap spektruma. Így végre beépült az új elem. 1903-ban Ramsay és Frederick Soddu megállapította, hogy a hélium a radioaktív anyagok spontán bomlásterméke.}

terjed a természetben

A hélium tömege az univerzum teljes tömegének körülbelül 23%-a, és az elem a második legnagyobb mennyiségben előforduló elem az űrben. Csillagokban koncentrálódik, ahol termonukleáris fúzió eredményeként hidrogénből keletkezik. Bár a hélium a föld légkörében 1 rész per 200 ezer (5 ppm) koncentrációban található, és kis mennyiségben radioaktív ásványokban, meteoritvasban és ásványforrásokban, az elem nagy mennyiségben megtalálható az Egyesült Államokban (különösen Texasban, New Yorkban). Mexikó, Kansas, Oklahoma, Arizona és Utah) a földgáz komponenseként (akár 7,6%). Kisebb tartalékokat találtak Ausztráliában, Algériában, Lengyelországban, Katarban és Oroszországban. A földkéregben a hélium koncentrációja csak körülbelül 8 ppb.

Izotópok

Minden héliumatom magja két protont tartalmaz, de más elemekhez hasonlóan izotópjai is vannak. Egy-hat neutront tartalmaznak, így tömegszámuk háromtól nyolcig terjed. A stabil elemek azok az elemek, amelyek hélium tömegét a 3-as (³He) és 4-es (⁴He) atomszám határozza meg. Az összes többi radioaktív és nagyon gyorsan bomlik más anyagokká. A földi hélium nem a bolygó eredeti alkotóeleme, radioaktív bomlás eredményeként jött létre. A nehéz radioaktív anyagok magjai által kibocsátott alfa-részecskék a ⁴He izotóp magjai. A hélium nem halmozódik fel nagy mennyiségben a légkörben, mert a Föld gravitációja nem elég erős ahhoz, hogy megakadályozza, hogy fokozatosan az űrbe kerüljön. A ³He nyomait a Földön a ritka elem, a hidrogén-3 (trícium) negatív béta-bomlása magyarázza. ⁴A stabil izotópok közül ő a legnagyobb mennyiségben: ⁴Atomok és ^{3Ő körülbelül 700 ezer:1 a légkörben és körülbelül 7 millió:1 egyes héliumtartalmú ásványokban.}

A hélium fizikai tulajdonságai

Ennek az elemnek a forrás- és olvadáspontja a legalacsonyabb. Emiatt a hélium gázként létezik, kivéve extrém körülmények között. Gáznemű He kevésbé oldódik vízben, mint bármely más gáz, és a szilárd anyagokon keresztül történő diffúzió sebessége háromszorosa a levegőnek. A törésmutatója a legközelebb áll az 1-hez.

A hélium hővezető képessége a hidrogéné után a második, fajlagos hőkapacitása pedig szokatlanul magas. Normál hőmérsékleten táguláskor felmelegszik, és 40 K alá hűl. Ezért a T<40 K-n a hélium átalakíthatófolyadék tágulás útján.

Egy elem dielektrikum, ha nincs ionizált állapotban. Más nemesgázokhoz hasonlóan a hélium is metastabil energiaszinttel rendelkezik, amely lehetővé teszi, hogy elektromos kisülés esetén ionizált maradjon, amikor a feszültség az ionizációs potenciál alatt marad.

Hélium-4 egyedülálló abban, hogy két folyékony formája van. A közönséges hélium I-nek hívják, és 4,21 K (-268,9 °C) forrásponttól körülbelül 2,18 K-ig (-271 °C) terjedő hőmérsékleten létezik. 2,18 K alatt a 4He hővezető képessége 1000-szerese lesz a réznek. Ezt a formát hélium II-nek nevezik, hogy megkülönböztessük a normál formától. Szuperfolyékony: a viszkozitása olyan alacsony, hogy nem mérhető. A hélium II vékony filmréteggé terjed a felületen, amihez hozzáér, és ez a film súrlódás nélkül folyik, még a gravitációval szemben is.

A kevésbé bőséges hélium-3 három különálló folyékony fázist alkot, amelyek közül kettő szuperfolyékony. Szuperfolyékonyság a ⁴Pjotr Leonidovics Kapica szovjet fizikus fedezte fel az 1930-as évek közepén, és ugyanezt a jelenséget a ^{3ben figyelte fel először Douglas D Osherov, David M. Lee és Robert S. Richardson az Egyesült Államokból 1972-ben.}

A hélium-3 és -4 két izotópjának folyékony keveréke 0,8 K (-272,4 °C) alatti hőmérsékleten két rétegre oszlik - majdnem tiszta ³Ő és⁴He keveréke 6% hélium-3-mal. ³He feloldódása ^{4Hűtő hatás kíséri, amit a kriosztátok tervezésénél használnak, amelyekben a hélium hőmérséklete csökken.0,01 K (-273,14 °C) alatt van, és több napig ott tartották.}

Kapcsolatok

Normál körülmények között a hélium kémiailag inert. Szélsőséges körülmények között olyan elemcsatlakozásokat hozhat létre, amelyek normál hőmérsékleten és nyomáson nem stabilak. Például a hélium vegyületeket képezhet jóddal, volfrámmal, fluorral, foszforral és kénnel, ha elektromos izzókisülésnek van kitéve, amikor elektronokkal bombázzák vagy plazmaállapotban van. Így HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ és He₂ molekuláris ionok jöttek létre+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{és HeD+}. Ez a technika lehetővé tette a He² és HgHe semleges molekulák előállítását is.

Plazma

A Világegyetemben túlnyomórészt ionizált hélium van eloszlatva, amelynek tulajdonságai jelentősen eltérnek a molekuláristól. Elektronjai és protonjai nincsenek megkötve, elektromos vezetőképessége részlegesen ionizált állapotban is igen magas. A töltött részecskéket erősen befolyásolják a mágneses és elektromos mezők. Például a napszélben a hélium ionok az ionizált hidrogénnel együtt kölcsönhatásba lépnek a Föld magnetoszférájával, ami az aurórákat idézi elő.

USA felfedezés

1903-ban egy kút fúrása után nem gyúlékony gázt nyertek a kansasi Dexterben. Kezdetben nem lehetett tudni, hogy héliumot tartalmaz. Hogy melyik gázt találták meg, azt Erasmus Haworth állami geológus határozta meg, akimintákat gyűjtöttek belőle, és a Kansasi Egyetemen Cady Hamilton és David McFarland kémikusok segítségével megállapították, hogy 72% nitrogént, 15% metánt, 1% hidrogént és 12% nem azonosított. További elemzések után a tudósok megállapították, hogy a minta 1,84%-a hélium volt. Így megtudták, hogy ez a kémiai elem óriási mennyiségben van jelen az alföldi belekben, ahonnan a földgázból kinyerhető.

Ipari termelés

Ez tette az Egyesült Államokat a világ vezető pozíciójává a héliumtermelésben. Sir Richard Threlfall javaslatára az Egyesült Államok haditengerészete három kis kísérleti üzemet finanszírozott ennek az anyagnak az előállítására az első világháborúban, hogy könnyű, nem gyúlékony emelőgázzal láthassák el a léggömböket. A program összesen 5700 m3 92% He-t produkált, bár korábban kevesebb mint 100 liter gázt termeltek. Ennek a kötetnek egy részét a világ első hélium léghajójában, a US Navy C-7-ben használták fel, amely 1921. december 7-én tette első útját a virginiai Hampton Roads-ból Bolling Fieldbe (Washington, DC).

Bár az alacsony hőmérsékletű gáz cseppfolyósítási folyamata akkoriban nem volt elég fejlett ahhoz, hogy az első világháború alatt jelentős legyen, a termelés folytatódott. A héliumot főként légijárművek emelőgázaként használták. A második világháború idején megnőtt az igény, amikor árnyékolt ívhegesztésben használták. Az elem az atombomba-projektben is fontos volt. Manhattan.

USA nemzeti részvények

1925-ben az Egyesült Államok kormánya létrehozta a National Helium Reserve-t Amarillóban, Texasban, hogy háború idején katonai léghajókat, béke idején pedig kereskedelmi léghajókat biztosítson. A gáz felhasználása a második világháború után visszaesett, de az 1950-es években növelték a készletet, hogy többek között az űrverseny és a hidegháború idején oxigén-hidrogén-rakéta-üzemanyagként használt hűtőfolyadékot biztosítsák. Az Egyesült Államok hélium felhasználása 1965-ben nyolcszorosa volt a háborús csúcsfogyasztásnak.

Az 1960-as héliumtörvényt követően a Bányászati Hivatal 5 magáncéggel szerződött az elem földgázból történő kinyerésére. Ehhez a programhoz egy 425 kilométeres gázvezetéket építettek, amely összeköti ezeket az erőműveket egy részben kimerült kormányzati gázmezővel a texasi Amarillo közelében. A hélium-nitrogén keveréket egy föld alatti tárolóba szivattyúzták, és ott is maradt, amíg szükség volt rá.

1995-re egymilliárd köbméter készletet gyűjtöttek össze, és a nemzeti tartalék 1,4 milliárd dolláros adósságot mutatott, ami arra késztette az Egyesült Államok Kongresszusát, hogy 1996-ban fokozatosan megszüntette. A héliumprivatizációs törvény 1996-os elfogadása után a Természeti Erőforrások Minisztériuma 2005-ben megkezdte a tároló felszámolását.

Tisztaság és gyártási mennyiségek

1945 előtt gyártott hélium tisztasága körülbelül 98%, a többi 2%nitrogénnel számolt, ami elegendő volt a léghajókhoz. 1945-ben kis mennyiségű, 99,9 százalékos gázt állítottak elő ívhegesztéshez. 1949-re a kapott elem tisztasága elérte a 99,995%-ot.

Sok éven át az Egyesült Államok termelte a világ kereskedelmi héliumának több mint 90%-át. 2004 óta évente 140 millió m3 termelt, ennek 85%-a az Egyesült Államokból, 10%-a Algériából, a többi pedig Oroszországból és Lengyelországból származik. A világ fő héliumforrásai a texasi, oklahomai és kansasi gázmezők.

Fogadási folyamat

A héliumot (98,2%-os tisztaság) a földgázból vonják ki más komponensek alacsony hőmérsékleten és magas nyomáson történő cseppfolyósításával. Más gázok adszorpciója hűtött aktív szénnel 99,995%-os tisztaságot ér el. A levegő nagy mennyiségben történő cseppfolyósításával kis mennyiségű hélium keletkezik. 900 tonna levegőből mintegy 3,17 köbméter nyerhető ki. m gáz.

Alkalmazási területek

A nemesgázt különféle területeken használták.

A héliumot, amelynek tulajdonságai lehetővé teszik az ultraalacsony hőmérséklet elérését, hűtőközegként használják a Nagy Hadronütköztetőben, szupravezető mágnesként MRI-készülékekben és magmágneses rezonancia spektrométerekben, műholdas berendezésekben, valamint oxigén cseppfolyósítására is. és hidrogén az Apollo rakétákban.
Inert gázként alumínium és más fémek hegesztéséhez, optikai szálak és félvezetők gyártásában.
Létrehozáshoznyomás a rakétahajtóművek üzemanyagtartályaiban, különösen a folyékony hidrogénnel működő hajtóművek üzemanyagtartályaiban, mivel csak a gáznemű hélium tartja meg aggregált állapotát, ha a hidrogén folyékony marad);
He-Ne gázlézereket használnak vonalkódok beolvasására a szupermarketek pénztárainál.
A hélium-ion mikroszkóp jobb képeket készít, mint az elektronmikroszkóp.
Nagy permeabilitása miatt a nemesgázt használják például az autók légkondicionáló rendszereinek szivárgásának ellenőrzésére, valamint a légzsákok gyors felfújására baleset esetén.
Az alacsony sűrűség lehetővé teszi a dekoratív léggömbök héliummal való feltöltését. Inert gáz váltotta fel a robbanásveszélyes hidrogént a léghajókban és léggömbökben. Például a meteorológiában héliumballonokat használnak mérőműszerek emelésére.
A kriogén technológiában hűtőfolyadékként szolgál, mivel ennek a kémiai elemnek a hőmérséklete folyékony állapotban a lehető legalacsonyabb.
A hélium, amelynek tulajdonságai alacsony reakciókészséget és vízben (és vérben) való oldhatóságot biztosítanak, oxigénnel keverve alkalmazzák a búvárkodáshoz és a keszonmunkához használt légzőszervekben.
A meteoritokat és a kőzeteket ennek az elemnek a szempontjából elemzik, hogy meghatározzák korukat.