Hēlijs: īpašības, īpašības, pielietojums

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-02 17:52

Hēlijs ir periodiskās tabulas 18. grupas inerta gāze. Tas ir otrs vieglākais elements pēc ūdeņraža. Hēlijs ir bezkrāsaina, bez smaržas un garšas gāze, kas kļūst šķidra pie -268,9 °C. Tā viršanas un sasalšanas temperatūra ir zemāka nekā jebkurai citai zināmai vielai. Tas ir vienīgais elements, kas, atdzesējot normālā atmosfēras spiedienā, nesacietē. Lai hēlijs sacietētu, ir nepieciešamas 25 atmosfēras 1 K temperatūrā.

Atklājumu vēsture

Hēliju gāzveida atmosfērā, kas ieskauj Sauli, atklāja franču astronoms Pjērs Jansens, kurš 1868. gadā aptumsuma laikā atklāja spilgti dzeltenu līniju Saules hromosfēras spektrā. Sākotnēji tika uzskatīts, ka šī līnija attēlo nātrija elementu. Tajā pašā gadā angļu astronoms Džozefs Normans Lokers Saules spektrā novēroja dzeltenu līniju, kas neatbilda zināmajām nātrija līnijām D₁ un D₂, un tā viņš nosauca viņas līniju D_{3. Lokers secināja, ka to izraisījusi uz Zemes nezināma viela Saulē. Viņš un ķīmiķis Edvards Franklends izmantoja elementa nosaukumāSaules grieķu nosaukums ir Helios.}

1895. gadā britu ķīmiķis sers Viljams Remzijs pierādīja hēlija esamību uz Zemes. Viņš ieguva urānu saturošā minerāla kleveīta paraugu un, izpētījis gāzes, kas radās, to karsējot, atklāja, ka spilgti dzeltenā līnija spektrā sakrīt ar D_{3 līniju, kas novērota Saules spektrs. Tādējādi jaunais elements beidzot tika uzstādīts. 1903. gadā Ramzijs un Frederiks Soddu noteica, ka hēlijs ir radioaktīvo vielu spontānas sabrukšanas produkts.}

Izplatieties dabā

Hēlija masa ir aptuveni 23% no visas Visuma masas, un šis elements ir otrais visbiežāk sastopamais kosmosā. Tas ir koncentrēts zvaigznēs, kur termokodolsintēzes rezultātā veidojas no ūdeņraža. Lai gan hēlijs ir atrodams zemes atmosfērā koncentrācijā 1 daļa uz 200 tūkstošiem (5 ppm) un nelielos daudzumos ir atrodams radioaktīvos minerālos, meteorītu dzelzī un minerālavotos, liels daudzums šī elementa ir atrodams ASV (īpaši Teksasā, Ņujorkā). Meksika, Kanzasa, Oklahoma, Arizona un Jūta) kā dabasgāzes sastāvdaļa (līdz 7,6%). Nelielas rezerves atrastas Austrālijā, Alžīrijā, Polijā, Katarā un Krievijā. Zemes garozā hēlija koncentrācija ir tikai aptuveni 8 ppb.

Izotopi

Katra hēlija atoma kodolā ir divi protoni, bet, tāpat kā citiem elementiem, tam ir izotopi. Tie satur vienu līdz sešus neitronus, tāpēc to masas skaitļi svārstās no trīs līdz astoņiem. Stabilie ir elementi, kuru hēlija masu nosaka atomskaitļi 3 (³He) un 4 (⁴He). Visas pārējās ir radioaktīvas un ļoti ātri sadalās citās vielās. Zemes hēlijs nav planētas sākotnējā sastāvdaļa, tas veidojies radioaktīvās sabrukšanas rezultātā. Alfa daļiņas, ko emitē smago radioaktīvo vielu kodoli, ir izotopa ⁴He kodoli. Hēlijs atmosfērā neuzkrājas lielos daudzumos, jo Zemes gravitācija nav pietiekami spēcīga, lai novērstu tā pakāpenisku izkļūšanu kosmosā. ³He pēdas uz Zemes ir izskaidrojamas ar retā elementa ūdeņraža-3 (tritija) negatīvo beta sabrukšanu. ⁴Viņš ir visizplatītākais no stabilajiem izotopiem: ⁴Viņš atomu attiecība pret ^{3Viņš ir aptuveni 700 tūkstoši pret 1 atmosfērā un aptuveni 7 miljoni pret 1 dažos hēliju saturošos minerālos.}

Hēlija fizikālās īpašības

Šī elementa viršanas un kušanas temperatūra ir viszemākā. Šī iemesla dēļ hēlijs pastāv kā gāze, izņemot ekstremālos apstākļos. Gāzveida He izšķīst ūdenī mazāk nekā jebkura cita gāze, un difūzijas ātrums caur cietām vielām trīs reizes pārsniedz gaisa. Tā refrakcijas indekss ir vistuvākais 1.

Hēlija siltumvadītspēja ir otrajā vietā aiz ūdeņraža, un tā īpatnējā siltuma jauda ir neparasti augsta. Parastā temperatūrā tas uzsilst izplešanās laikā un atdziest zem 40 K. Tāpēc pie T<40 K hēliju var pārvērst paršķidrums pēc izplešanās.

Elements ir dielektrisks, ja tas nav jonizētā stāvoklī. Tāpat kā citām cēlgāzēm, hēlijam ir metastabils enerģijas līmenis, kas ļauj tam palikt jonizētam elektriskās izlādes gadījumā, kad spriegums paliek zem jonizācijas potenciāla.

Hēlijs-4 ir unikāls ar to, ka tam ir divas šķidras formas. Parasto sauc par hēliju I, un tas pastāv temperatūrā, kas svārstās no viršanas temperatūras no 4,21 K (-268,9 °C) līdz aptuveni 2,18 K (-271 °C). Zem 2,18 K siltumvadītspēja 4He kļūst 1000 reizes lielāka nekā vara. Šo formu sauc par hēliju II, lai to atšķirtu no parastās formas. Tas ir superšķidrs: viskozitāte ir tik zema, ka to nevar izmērīt. Hēlijs II izplatās plānā plēvē uz jebkura virsmas, ar kuru tas pieskaras, un šī plēve plūst bez berzes pat pret gravitāciju.

Mazāk sastopamais hēlijs-3 veido trīs atšķirīgas šķidruma fāzes, no kurām divas ir superšķidras. Superfluiditāte ⁴Viņu 30. gadu vidū atklāja padomju fiziķis Pjotrs Leonidovičs Kapica, un to pašu parādību ^{3Viņu pirmo reizi pamanīja Duglass D Ošerovs, Deivids M. Lī un Roberts S. Ričardsons no ASV 1972. gadā.}

Šķidrs divu hēlija-3 un -4 izotopu maisījums temperatūrā, kas zemāka par 0,8 K (-272,4 °C), sadalās divos slāņos - gandrīz tīrā ³Viņš un⁴He maisījums ar 6% hēlija-3. ³Viņa izšķīšanu ^{4Viņam pavada dzesēšanas efekts, ko izmanto kriostatu projektēšanā, kuros hēlija temperatūra pazeminās.zem 0,01 K (-273,14 °C) un tur vairākas dienas.}

Savienojumi

Normālos apstākļos hēlijs ir ķīmiski inerts. Ekstrēmos apstākļos jūs varat izveidot elementu savienojumus, kas nav stabili normālā temperatūrā un spiedienā. Piemēram, hēlijs var veidot savienojumus ar jodu, volframu, fluoru, fosforu un sēru, ja tas tiek pakļauts elektriskai mirdzošai izlādei, bombardējot ar elektroniem vai plazmas stāvoklī. Tādējādi tika izveidoti HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ un He₂ molekulārie joni+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{un HeD+}. Šis paņēmiens ļāva iegūt arī neitrālas molekulas He² un HgHe.

Plazma

Visumā pārsvarā ir izplatīts jonizēts hēlijs, kura īpašības būtiski atšķiras no molekulārās. Tās elektroni un protoni nav saistīti, un tam ir ļoti augsta elektrovadītspēja pat daļēji jonizētā stāvoklī. Uzlādētās daļiņas spēcīgi ietekmē magnētiskie un elektriskie lauki. Piemēram, saules vējā hēlija joni kopā ar jonizēto ūdeņradi mijiedarbojas ar Zemes magnetosfēru, izraisot polārblāzmas.

ASV atklājums

Pēc urbuma urbšanas 1903. gadā Deksterā, Kanzasā tika iegūta neuzliesmojoša gāze. Sākotnēji nebija zināms, ka tas satur hēliju. Kura gāze atrasta, noteica štata ģeologs Erasms Havorts, kuršsavāca tā paraugus un Kanzasas Universitātē ar ķīmiķu Keidija Hamiltona un Deivida Makfārlenda palīdzību atklāja, ka tajā ir 72% slāpekļa, 15% metāna, 1% ūdeņraža un 12% netika identificēti. Pēc papildu analīzes zinātnieki atklāja, ka 1,84% no parauga bija hēlijs. Tāpēc viņi uzzināja, ka šis ķīmiskais elements milzīgos daudzumos atrodas Lielo līdzenumu zarnās, no kurienes to var iegūt no dabasgāzes.

Rūpnieciskā ražošana

Tas ir padarījis ASV par pasaules līderi hēlija ražošanā. Pēc sera Ričarda Trelfala ierosinājuma ASV flote Pirmā pasaules kara laikā finansēja trīs nelielas eksperimentālas rūpnīcas šīs vielas ražošanai, lai nodrošinātu aizsprostu balonus ar vieglu, neuzliesmojošu pacelšanas gāzi. Programma kopā saražoja 5700 m3 92% He, lai gan iepriekš tika saražoti mazāk par 100 litriem gāzes. Daļa no šī tilpuma tika izmantota pasaulē pirmajā hēlija dirižablī ASV Navy C-7, kas 1921. gada 7. decembrī veica savu pirmo reisu no Hempton Roads, Virdžīnijā uz Bollingfīldu, Vašingtonā, DC.

Lai gan zemas temperatūras gāzes sašķidrināšanas process tajā laikā nebija pietiekami attīstījies, lai tas būtu nozīmīgs Pirmā pasaules kara laikā, ražošana turpinājās. Hēliju galvenokārt izmantoja kā pacelšanas gāzi lidmašīnās. Pieprasījums pēc tā pieauga Otrā pasaules kara laikā, kad to izmantoja ekranētā loka metināšanā. Šis elements bija svarīgs arī atombumbas projektā. Manhetena.

ASV Nacionālās akcijas

1925. gadā Amerikas Savienoto Valstu valdība izveidoja Nacionālo hēlija rezervātu Amarillo, Teksasā, lai nodrošinātu militārus dirižabļus kara laikā un komerciālus dirižabļus miera laikā. Gāzes izmantošana pēc Otrā pasaules kara samazinājās, bet 1950. gados piegāde tika palielināta, lai cita starpā nodrošinātu to kā dzesēšanas šķidrumu, ko izmantoja skābekļa raķešu degvielas ražošanā kosmosa sacensību un aukstā kara laikā. ASV hēlija patēriņš 1965. gadā astoņas reizes pārsniedza maksimālo patēriņu kara laikā.

Pēc 1960. gada hēlija likuma Bureau of Mines noslēdza līgumu ar 5 privātiem uzņēmumiem, lai iegūtu elementu no dabasgāzes. Šai programmai tika izbūvēts 425 kilometrus garš gāzes vads, kas savieno šīs rūpnīcas ar daļēji noplicinātu valdības gāzes lauku netālu no Amarillo, Teksasā. Hēlija-slāpekļa maisījums tika iesūknēts pazemes krātuvē un palika tur, līdz tas bija nepieciešams.

Līdz 1995. gadam bija savākts miljards kubikmetru krājumu, un Nacionālajai rezervei bija 1,4 miljardu dolāru parādi, kas mudināja ASV Kongresu 1996. gadā to pakāpeniski pārtraukt. Pēc hēlija privatizācijas likuma pieņemšanas 1996. gadā Dabas resursu ministrija sāka krātuves likvidāciju 2005. gadā.

Tīrība un ražošanas apjomi

Hēlija, kas ražots pirms 1945. gada, tīrība bija aptuveni 98%, pārējā 2%veidoja slāpekli, kas bija pietiekams dirižabļiem. 1945. gadā tika ražots neliels daudzums 99,9 procentu gāzes izmantošanai loka metināšanā. Līdz 1949. gadam iegūtā elementa tīrība bija sasniegusi 99,995%.

Daudzus gadus Amerikas Savienotās Valstis saražoja vairāk nekā 90% no pasaules komerciālā hēlija. Kopš 2004. gada tas ik gadu ir saražojis 140 miljonus m3, no kuriem 85% nāk no ASV, 10% no Alžīrijas, bet pārējie no Krievijas un Polijas. Galvenie hēlija avoti pasaulē ir Teksasas, Oklahomas un Kanzasas gāzes atradnes.

Saņemšanas process

Hēliju (98,2% tīrības pakāpe) iegūst no dabasgāzes, sašķidrinot citas sastāvdaļas zemā temperatūrā un augstā spiedienā. Citu gāzu adsorbcija ar atdzesētu aktivēto ogli sasniedz 99,995% tīrību. Neliels daudzums hēlija tiek ražots, lielā mērogā sašķidrinot gaisu. No 900 tonnām gaisa var iegūt aptuveni 3,17 kubikmetrus. m gāzes.

Lietošanas jomas

Cēlgāze ir izmantota dažādās jomās.

Hēliju, kura īpašības ļauj iegūt īpaši zemas temperatūras, izmanto kā dzesēšanas līdzekli lielajā hadronu paātrinātājā, supravadošos magnētus MRI iekārtās un kodolmagnētiskās rezonanses spektrometros, satelītu iekārtās, kā arī skābekļa sašķidrināšanai. un ūdeņradis Apollo raķetēs.
Kā inertā gāze alumīnija un citu metālu metināšanai, optisko šķiedru un pusvadītāju ražošanā.
Lai izveidotuspiediens raķešu dzinēju degvielas tvertnēs, jo īpaši tiem, kas darbojas ar šķidru ūdeņradi, jo tikai gāzveida hēlijs saglabā agregācijas stāvokli, kad ūdeņradis paliek šķidrs);
He-Ne gāzes lāzeri tiek izmantoti, lai skenētu svītrkodus lielveikalu kasēs.
Hēlija jonu mikroskops rada labākus attēlus nekā elektronu mikroskops.
Tās augstās caurlaidības dēļ cēlgāzi izmanto, lai pārbaudītu, vai, piemēram, automašīnu gaisa kondicionēšanas sistēmās nav noplūdes, un avārijas gadījumā ātri piepūšas gaisa spilveni.
Zems blīvums ļauj aizpildīt dekoratīvos balonus ar hēliju. Inertā gāze ir aizstājusi sprādzienbīstamo ūdeņradi dirižabļos un balonos. Piemēram, meteoroloģijā hēlija balonus izmanto, lai paceltu mērinstrumentus.
Kriogēnajā tehnoloģijā tas kalpo kā dzesēšanas šķidrums, jo šī ķīmiskā elementa temperatūra šķidrā stāvoklī ir viszemākā iespējamā.
Hēlijs, kura īpašības nodrošina tam zemu reaktivitāti un šķīdību ūdenī (un asinīs), sajaukts ar skābekli, ir atradis pielietojumu elpošanas kompozīcijās niršanai ar akvalangu un kesonu darbam.
Šim elementam tiek analizēti meteorīti un ieži, lai noteiktu to vecumu.