Hélium: vlastnosti, charakteristiky, aplikácia

Hélium - inertný plyn zo skupiny 18 periodickej tabuľky prvkov. Jedná sa o druhý najľahší prvok po vodíka. Hélium - plyn bez farby, chuti a zápachu, ktorý sa stane kvapalné pri teplote -268.9 ° C bod varu a jeho tuhnutie nižšia než akékoľvek iné známe látky. Je to jediný prvok, ktorý netuhne za chladenia pri normálnom atmosférickom tlaku. Prešiel do pevného stavu, musí byť 25 atmosfér, pri teplote 1 K.

História objavu

Hélium bolo nájdené v plynnej atmosfére obklopujúce slnko, francúzsky astronóm Pierre Zhansenom, že v roku 1868 počas zatmenia našla žiarivo žlté čiary v spektre slnečného chromosphere. Pôvodne sa predpokladalo, že táto línia predstavuje prvok sodík. V rovnakom roku, anglický astronóm Dzhozef Norman Lockyer pozorovalo žlté riadok v slnečnom spektre, ktoré nezodpovedali na známej sodné línie D ₁ a D _2, a preto je pomenovaná to čiary D _3. Lockyer k záveru, že to bolo spôsobené látky na slnku neznáma na Zemi. Spolu s chemik Edward Frankland v názve prvku s použitím gréckeho názvu, Helios 'Sun.

V roku 1895, britský chemik Sir Uilyam Ramzay preukázal existenciu hélia na Zemi. Dostal vzorky cleveite minerály uranonosnými, a po posúdení plynov, vytvorené v priebehu zahrievania, sa zistilo, že jasne žltá čiara v spektre sa zhoduje s čiary D _3, pozorovaný v slnečnom spektre. Tak nový prvok bol nakoniec inštalovaný. V roku 1903 Ramsay a Frederick Soddy zistené, že hélium je produktom spontánny rozpadu rádioaktívnych látok.

Distribúcia v prírode

Hmotnosť hélia je asi 23% z celkovej hmotnosti vesmíru, a prvok je druhou najčastejšou v priestore. Koncentruje sa do hviezdy, kde je atóm vodíka, vytvorených z výslednej fúzie. Aj keď je hélium v atmosfére je v koncentrácii od 1 dielu do 200 tis. (5 ppm) a je obsiahnutá v malom množstve rádioaktívnych minerálov, meteoritu žľazy, rovnako ako minerálnych zdrojov, veľké množstvo prvku nájdené v Spojených štátoch (najmä v Texase, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, a Arizona) ako zložka (7,6%) zemného plynu. Malá a jej rezervy boli objavené v Austrálii, Alžírsko, Poľsku, Katare a Ruska. Koncentrácia kôra hélium je len asi 8 ppb.

izotopy

Jadro každého atómu hélia obsahuje dva protóny, ale rovnako ako u ostatných prvkov, má izotopy. Obsahujú od jedného do šiestich neutrónov, takže ich masové čísla v rozmedzí od troch do ôsmich rokov. Stabilné z nich sú časti, ktorých hmotnosť je určená hélia atómovým číslom 3 ⁽³ He) a 4 ⁽⁴ He). Všetky ostatné rádioaktívne a rýchlo sa rozpadajú na iné látky. Zemské hélium nie je pôvodný časť planéty, to bolo tvorené v dôsledku rádioaktívneho rozpadu. Alfa častice emitované jadier rádioaktívnych ťažkých látok izotopu ⁴ He jadro. Hélium nehromadí vo veľkom množstve v atmosfére, pretože zemská gravitácia nestačí zabrániť tomu, aby postupne uniká do vesmíru. Stopy ³ He vo svete sú vysvetlené negatívne beta rozpad vodíka vzácne-3 prvok (trícium). ⁴ Je najčastejšou stabilných izotopov: ⁴ pomer atómov He smerom k ^3, že je asi 700000 do 1 atmosféry a asi 7 miliónov 1 v niektorých héliové minerály ..

Fyzikálne vlastnosti hélia

varu a teplota topenia tejto položky sú najnižšie. Z tohto dôvodu, hélium existuje vo forme plynu s výnimkou extrémnych podmienkach. Ten plyn sa rozpustí vo vode menšie ako akýkoľvek iný plyn, a rýchlosť difúzie prostredníctvom pevného telesa, je trikrát vyššia ako u vzduchu. Jej index lomu najbližšie priblíži 1.

Tepelná vodivosť hélia je na druhom vodík tepelnej vodivosti, merné teplo a jeho mimoriadne vysoká. Pri bežných teplotách, sa zahrieva v priebehu expanzie a pod 40 K - chladené. Z tohto dôvodu, v T <40 K hélium môže byť premenený na kvapaliny rozširuje.

Prvok je izolátor, ak nie je v ionizovanej stave. Rovnako ako u iných vzácnych plynov, hélium má metastabilné energetickej hladiny, ktoré umožňujú, aby sa ionizuje elektrického výboja, keď je napätie nižšie ako ionizačná energia.

Hélium-4 je unikátny v tom, že má dve kvapalné formy. existuje obvykle nazýva hélium I a pri teplotách v rozmedzí od teploty varu 4.21 K (-268,9 ° C) do asi 2,18 K (-271 ° C). Nižšia tepelnej vodivosti 2,18 K ^4. Stáva 1000 krát vyššia ako z medi. Táto forma sa nazýva hélium II, aby sa odlíšil od bežných. To superfluid: viskozita je tak nízke, že nie je možné merať. Hélium II sa šíri do tenkej vrstvy na povrchu akejkoľvek látky, ktorá sa týka, a tento film prúdi bez trenia aj proti gravitácii.

Menej hojný hélium-3 tvoria tri rôzne kvapalnej fázy, z ktorých dve sú supratekutá. Superfluidity v ⁴ Bol objavený sovietskeho fyzika Petrom Leonidovichem Kapitsey v polovici 1930, a rovnaký jav v ³ bol najprv si všimol Douglas D. Osheroff, David M. Lee a Robert C. Richardson v Spojených štátoch v roku 1972.

Kvapalná zmes dvoch izotopov hélium-3 a -4 pri teplote nižšej ako 0,8 K (-272,4 ° C), je rozdelená do dvoch vrstiev - v podstate čistých ³ He a ⁴ On zmes sa 6% hélia-3. Rozpúšťanie ³ He v ⁴ Je sprevádzaná chladiaceho účinku, ktorý sa používa v kryostatových štruktúr, v ktorých je teplota hélium je nižšia ako 0,01 K (-273,14 ° C) a udržiava sa počas niekoľkých dní.

pripojenie

Za normálnych podmienok, hélium je chemicky inertný. V extrémnych môže vytvoriť zložený prvok, ktorý pri normálnej teplote a tlaku ukazovateľov nie sú stabilné. Napríklad, hélium môžu tvoriť zlúčeniny s jódom, volfrám, fluóru, fosfor a síra, keď sú vystavené elektrickému tlejivkovým výbojom alebo bombardovaním elektróny v stave plazmy. Tak bol vytvorený He-Ne, HgHe _10, keď s ₂ a molekulárnej ióny On ₂ ⁺ ₂ Nie ^++, he ⁺ a Hed ^+. Táto technika bola tiež neutrálna molekula On ₂ a HgHe.

plazma

Vo vesmíre s výhodou rozdelené ionizovanej hélium, ktorého vlastnosti sa výrazne líši od molekulárnej. Elektróny a protóny nebola spojená, a to má veľmi vysokú elektrickú vodivosť aj v čiastočne ionizovaného stave. On nabitých častíc je silne ovplyvnený magnetickým a elektrickým poľom. Napríklad, v slnečnom vetre héliom ióny interakciu s ionizovaného vodíka magnetosféry krajine, čo spôsobuje borealis Aurora.

Objav vkladov v USA

Po vyvŕtaní v roku 1903 v Dexter, Kansas, že bol získaný nehorľavý plyn. Spočiatku to nebolo známe, že obsahuje hélium. Ktorý plynu bolo zistené, ktoré možno identifikovať stav Erasmus Haworth geológ, ktorý sa zhromaždí svoje vzorky a University of Kansas cez chemikov Kedi Gamiltona a David McFarland zistené, že obsahuje 72% dusíka, 15% metánu, 1% vodíka a 12% nebol identifikovaný. Po usmrtenia následnú analýzu, výskumníci zistili, že 1,84% vzorky hélia. Takže vieme, že tento chemický prvok je prítomný vo veľkom množstve v hlbín Great Plains, kde to môže byť extrahovaný zo zemného plynu.

priemyselná výroba

To urobil Spojené štáty výroba svetový vodca hélia. Na návrh sirom Richardom Threlfall, US Navy financované tri malé pilotné závod na výrobu tejto látky v priebehu prvej svetovej vojny, aby zabezpečili paľby balóniky ľahkou nehorľavým nosným plynom. Podľa tohto programu bolo vyrobených celkom 5700 m ³ 92 percent on, aj keď to bolo dosiahnuté iba najmenej 100 litrov plynu. Časť tejto sumy bola použitá ako prvá na svete hélia vzducholoď US Navy C-7, ktorý robil jeho prvú plavbu z ciest Hamptona (Virgínia) v Bolling Field (Washington, DC) 7. decembra 1921.

Aj keď proces nízkoteplotného kvapalného plynu v tej dobe dostatočne vyvinutá tak, aby počas prvej svetovej vojny významný, výroba pokračovala. Hélium sa všeobecne používa ako zdvíhacia plynu v lietadle. Dopyt po nej sa zvýšil počas druhej svetovej vojny, keď to bolo používané sa zváranie v ochrannej atmosfére. Prvok má tiež veľký význam pre vytvorenie atómovej bomby "Manhattan".

US National rezerva

V roku 1925, vláda Spojených štátov vytvorila národnej rezervy hélia v Amarillo, Texas, poskytovať vojenské vzducholode v čase vojny a komerčných vzducholodí v čase mieru. Využitie zemného plynu klesol po druhej svetovej, ale zásoby sa zvýšili v roku 1950 zabezpečiť, okrem iného, dodáva ako chladivo používané pri výrobe kyslíka s vodíkom pohonná hmota počas závodu priestoru a studenej vojny. Použitie hélia v Spojených štátoch v roku 1965 osemkrát vyššia ako vrcholový spotreby v čase vojny.

Po prijatí zákona o hélium 1960 Mining grémia zábleskovej 5 súkromnými spoločnosťami extrahovať prvok zo zemného plynu. Tento program bol postavený 425 km potrubia pre pripojenie tieto rastliny s vládnou čiastočne plynové pole v blízkosti Amarillo v Texase. zmes hélium-dusík čerpá do podzemia, a zostal tam, kým nie je potreba v ňom.

V roku 1995 sa objem zásob bol zostavený miliárd metrov kubických, zatiaľ čo dlh národnej rezervy 1,4 miliardy dolárov, ktorý podnietil americký kongres v roku 1996, postupne sa z toho. V nadväznosti na prijatie v roku 1996 zákon o privatizácii hélia ministerstva prírodných zdrojov začal obchod likvidácie v roku 2005.

Čisté a výroba

Hélium produkoval až 1945 rok s čistotou asi 98%, ostatní 2% bolo v dusíkovej atmosfére, ktoré je dostatočné pre vzducholode. V roku 1945, sa vyrába malé množstvo 99,9 percent plynu pre použitie v oblúkové zváranie. Od roku 1949, čistota výsledného prvku dosiahol 99,995%.

Po mnoho rokov v Spojených štátoch vyrobila viac ako 90% obchodného hélia na svete. Od roku 2004, každý rok to bol spracovaný 140 miliónov ^m3, z toho 85% dôjsť v Spojených štátoch, 10% bolo vykonané v Alžírsku, a zvyšok - v Rusku a Poľsku. Hlavnými zdrojmi hélia na svete sú polia zemného plynu v Texase, Oklahoma a Kansas.

spôsob získania

Hélium (čistota 98,2%) sa získa z skvapalňovania zemného plynu ostatnými zložkami pri nízkych teplotách a pri vysokých tlakoch. Adsorpcia iných plynov ochladí aktívne uhlie možno dosiahnuť čistotu 99,995%. Malé množstvo hélia vyrobenej počas leteckého skvapalnenie vo veľkom meradle. Zo 900 ton vzduchu môže získať asi 3,17 metrov kubických. m plyn.

oblasti využitia

Vzácny plyn bola použitá v rôznych oblastiach.

• Hélium, ktoré vlastnosti umožňujú získať veľmi nízkej teplote, sa použije ako chladiace činidlo v LHC, MRI supravodivé magnetické prístrojov a nukleárnej magnetickej rezonancie spektrometre, satelitné zariadenia, ako aj na skvapalnenie kyslíka a vodíka v rakety "Apollo".
• Ako inertný plyn pre zváranie hliníka a ďalšie. Kovy pri výrobe polovodičov a optických vlákien.
• .. Pre vytvorenie tlaku v palivových nádržiach raketových motorov, najmä tých, ktoré pôsobia na kvapalný vodík, t iba hélia zachováva skupenstvo pri vodíka zostane kvapalina);
• He-Nie plynové lasery sú používané pre skenovanie čiarových kódov na pokladniach v supermarketoch.
• Hélium-ion mikroskop vám umožní získať čo najlepší obraz než elektronické.
• Vzhľadom k vysokej priepustnosti vzácneho plynu sa používa na testovanie netesnosti, napríklad v automobilových klimatizačných systémov, ako aj rýchlemu naplneniu airbagu pri náraze.
• Nízka hustota umožňuje ozdobné guličky naplnené héliom. Inertný plyn je nahradený výbušný plyn vodíka vo vzducholodi a balóny. Napríklad v meteorológii, hélium balóny sú používané na dvíhanie merací prístroj.
• Kryogénne chladivo sa používa, pretože je teplota chemického prvku v minimálnom možnom kvapalnom stave.
• Hélium, ktoré vlastnosti mu nízku reaktivitu a rozpustnosť vo vode (a krv), v zmesi s kyslíkom našiel uplatnenie v respiračných formuláciách pre potápanie a drží kesóne práce.
• Meteority a skaly sa analyzujú na obsah tohto prvku na určenie ich veku.

Hélium: vlastnosti prvku

Ten hlavné fyzikálne vlastnosti sú nasledovné:

• Atómové číslo: 2.
• Relatívna hmotnosť atómu hélia: 4,0026.
• Teplota topenia: nie.
• Bod varu: -268,9 ° C
• Hustota (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oxidačné stupeň 0.