Helis: savybės, charakteristikos, pritaikymas

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 17:51

Helis yra 18-osios periodinės lentelės grupės inertinės dujos. Tai antras pagal lengvumą elementas po vandenilio. Helis yra bespalvės, bekvapės ir beskonės dujos, kurios suskystėja esant -268,9 °C. Jo virimo ir užšalimo temperatūra yra žemesnė nei bet kurios kitos žinomos medžiagos. Tai vienintelis elementas, kuris nesustingsta atvėsus esant normaliam atmosferos slėgiui. Heliui sukietėti reikia 25 atmosferų 1 K temperatūroje.

Atradimų istorija

Helį Saulę supančioje dujinėje atmosferoje atrado prancūzų astronomas Pierre'as Jansenas, kuris 1868 m. per užtemimą aptiko ryškiai geltoną liniją Saulės chromosferos spektre. Iš pradžių buvo manoma, kad ši linija reiškia natrio elementą. Tais pačiais metais anglų astronomas Josephas Normanas Lockyeris saulės spektre pastebėjo geltoną liniją, kuri neatitiko žinomų natrio linijų D₁ ir D₂, ir taip jis pavadino jos liniją D_{3. Lockyeris padarė išvadą, kad jį sukėlė Žemėje nežinoma medžiaga Saulėje. Jis ir chemikas Edwardas Franklandas naudojo elemento pavadinimegraikiškas Saulės pavadinimas yra Helios.}

1895 m. britų chemikas seras Williamas Ramsay įrodė helio egzistavimą Žemėje. Jis gavo urano turinčio mineralinio kleveito pavyzdį ir, ištyręs jį kaitinant susidariusias dujas, nustatė, kad ryškiai geltona linija spektre sutampa su D_{3 linija, pastebėta Saulės spektras. Taigi naujasis elementas pagaliau buvo sumontuotas. 1903 m. Ramsay ir Frederickas Soddu nustatė, kad helis yra savaiminio radioaktyviųjų medžiagų skilimo produktas.}

Pleisk gamtoje

Helio masė sudaro apie 23 % visos Visatos masės, o elementas yra antras pagal gausumą erdvėje. Jis susitelkęs žvaigždėse, kur susidaro iš vandenilio termobranduolinės sintezės metu. Nors helio žemės atmosferoje randama 1 dalis iš 200 tūkstančių (5 ppm), o nedideli kiekiai randami radioaktyviuose mineraluose, geležies meteorituose ir mineralinėse š altiniuose, dideli šio elemento kiekiai randami JAV (ypač Teksase, Niujorke). Meksika, Kanzasas, Oklahoma, Arizona ir Juta) kaip gamtinių dujų sudedamoji dalis (iki 7,6%). Nedideli rezervai buvo rasti Australijoje, Alžyre, Lenkijoje, Katare ir Rusijoje. Žemės plutoje helio koncentracija yra tik apie 8 ppb.

Izotopai

Kiekvieno helio atomo branduolyje yra du protonai, tačiau, kaip ir kiti elementai, jis turi izotopų. Juose yra nuo vieno iki šešių neutronų, todėl jų masės skaičius svyruoja nuo trijų iki aštuonių. Stabilieji yra elementai, kurių helio masę lemia atominiai skaičiai 3 (³He) ir 4 (⁴He). Visos likusios yra radioaktyvios ir labai greitai skyla į kitas medžiagas. Antžeminis helis nėra pirminis planetos komponentas, jis susidarė dėl radioaktyvaus skilimo. Alfa dalelės, kurias išskiria sunkiųjų radioaktyviųjų medžiagų branduoliai, yra izotopo ⁴He branduoliai. Helis atmosferoje nesikaupia dideliais kiekiais, nes Žemės gravitacija nėra pakankamai stipri, kad neleistų pamažu ištrūkti į kosmosą. ³Jis pėdsakai Žemėje paaiškinami neigiamu reto elemento vandenilio-3 (tričio) beta skilimu. ⁴Jis yra gausiausias iš stabilių izotopų: ⁴Jis atomų ir ^{3Jis santykis yra apie 700 tūkstančių į 1 atmosferoje ir apie 7 milijonus į 1 kai kuriuose mineraluose, kuriuose yra helio.}

Fizikinės helio savybės

Šio elemento virimo ir lydymosi temperatūra yra žemiausia. Dėl šios priežasties helis egzistuoja kaip dujos, išskyrus ekstremalias sąlygas. Dujinis He tirpsta vandenyje mažiau nei bet kurios kitos dujos, o difuzijos per kietąsias medžiagas greitis yra tris kartus didesnis nei oro. Jo lūžio rodiklis yra artimiausias 1.

Helio šilumos laidumas yra antras po vandenilio, o jo savitoji šiluminė talpa yra neįprastai didelė. Esant įprastoms temperatūroms, jis įkaista plečiantis ir atšąla žemiau 40 K. Todėl, esant T<40 K, helis gali būti paverstasskystis plečiantis.

Elementas yra dielektrikas, jei jis nėra jonizuotas. Kaip ir kitų tauriųjų dujų, helio energijos lygis yra stabilus, todėl jis gali išlikti jonizuotas elektros išlydžio metu, kai įtampa išlieka žemesnė už jonizacijos potencialą.

Helium-4 yra unikalus tuo, kad yra dviejų skystų formų. Paprastasis vadinamas heliu I ir egzistuoja temperatūroje nuo 4,21 K (-268,9 °C) iki maždaug 2,18 K (-271 °C). Žemiau 2,18 K šilumos laidumas 4Jis tampa 1000 kartų didesnis už vario laidumą. Ši forma vadinama heliu II, kad būtų galima atskirti nuo įprastos formos. Jis yra superskystis: klampumas toks mažas, kad jo neįmanoma išmatuoti. Helis II pasklinda į ploną plėvelę ant to, ką jis liečia, ir ši plėvelė teka be trinties net prieš gravitaciją.

Mažiau gausus helis-3 sudaro tris skirtingas skystąsias fazes, iš kurių dvi yra superskysčios. Supertakumas ⁴Jį XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio viduryje atrado sovietų fizikas Piotras Leonidovičius Kapica, o tą patį reiškinį ^{3Jį pirmą kartą pastebėjo Douglasas D Ošerovas, Davidas M. Lee ir Robertas S. Richardsonas iš JAV 1972 m.}

Skystas dviejų helio-3 ir -4 izotopų mišinys žemesnėje nei 0,8 K (-272,4 °C) temperatūroje yra padalintas į du sluoksnius – beveik grynas ³Jis ir⁴He mišinys su 6% helio-3. ³Jis ištirpsta į ^{4Jis lydi vėsinimo efektą, kuris naudojamas kuriant kriostatus, kuriuose helio temperatūra krenta.žemesnėje nei 0,01 K (-273,14 °C) temperatūroje ir palaikoma keletą dienų.}

Ryšiai

Įprastomis sąlygomis helis yra chemiškai inertiškas. Ekstremaliomis sąlygomis galite sukurti elementų jungtis, kurios nėra stabilios esant normaliai temperatūrai ir slėgiui. Pavyzdžiui, helis gali sudaryti junginius su jodu, volframu, fluoru, fosforu ir siera, kai yra veikiamas elektros švytėjimo iškrovos, kai bombarduojamas elektronais arba yra plazmos būsenoje. Taigi buvo sukurti HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ ir He₂ molekuliniai jonai+^{, Ne}2++^{, HeH}+ ^{ir HeD+}. Šis metodas taip pat leido gauti neutralias molekules He² ir HgHe.

Plazma

Visatoje vyrauja jonizuotas helis, kurio savybės labai skiriasi nuo molekulinių. Jo elektronai ir protonai nėra surišti, o jo elektrinis laidumas yra labai didelis net ir iš dalies jonizuotoje būsenoje. Įkrautas daleles stipriai veikia magnetiniai ir elektriniai laukai. Pavyzdžiui, saulės vėjo metu helio jonai kartu su jonizuotu vandeniliu sąveikauja su Žemės magnetosfera, sukeldami auroras.

JAV atradimas

1903 m. išgręžus gręžinį, Deksteryje, Kanzaso valstijoje, buvo gautos nedegios dujos. Iš pradžių nebuvo žinoma, kad jame yra helio. Kokios dujos buvo rastos, nustatė valstijos geologas Erasmusas Haworthas, kurissurinkti jo mėginiai ir Kanzaso universitete su chemikų Cady Hamilton ir David McFarland pagalba nustatė, kad jame yra 72% azoto, 15% metano, 1% vandenilio ir 12% nebuvo nustatyta. Atlikę tolesnę analizę, mokslininkai nustatė, kad 1,84% mėginio buvo helis. Taigi jie sužinojo, kad šio cheminio elemento didžiuliai kiekiai yra Didžiųjų lygumų žarnyne, iš kur jį galima išgauti iš gamtinių dujų.

Pramoninė gamyba

Dėl to Jungtinės Valstijos tapo helio gamybos lydere pasaulyje. Sero Richardo Threlfallo siūlymu, JAV karinis jūrų laivynas finansavo tris mažas eksperimentines gamyklas, gaminančias šią medžiagą per Pirmąjį pasaulinį karą, kad užtvaros balionai būtų aprūpinti lengvomis, nedegiomis keliamomis dujomis. Programa iš viso pagamino 5700 m3 92% He, nors anksčiau buvo pagaminta mažiau nei 100 litrų dujų. Dalis šio tūrio buvo panaudota pirmame pasaulyje helio dirižablyje, JAV karinio jūrų laivyno C-7, kuris 1921 m. gruodžio 7 d. išvyko į pirmąją kelionę iš Hampton Roads, Virdžinijos į Bolling Field, Vašingtone, DC.

Nors žemos temperatūros dujų skystinimo procesas nebuvo pakankamai pažengęs, kad būtų reikšmingas per Pirmąjį pasaulinį karą, gamyba buvo tęsiama. Helis daugiausia buvo naudojamas kaip kėlimo dujos orlaiviuose. Jo paklausa išaugo Antrojo pasaulinio karo metais, kai jis buvo naudojamas ekranuotam lankiniam suvirinimui. Elementas buvo svarbus ir atominės bombos projekte. Manhetenas.

JAV nacionalinės atsargos

1925 m. Jungtinių Valstijų vyriausybė įkūrė Nacionalinį helio rezervą Amarillo mieste, Teksase, kad būtų aprūpinti kariniais dirižabliais karo metu ir komerciniais dirižabliais taikos metu. Dujų naudojimas sumažėjo po Antrojo pasaulinio karo, tačiau šeštajame dešimtmetyje tiekimas buvo padidintas, kad, be kita ko, būtų tiekiamas aušinimo skystis, naudojamas deguonies vandenilio raketų degalų gamyboje kosminių lenktynių ir Š altojo karo metu. JAV helio sunaudojimas 1965 m. aštuonis kartus viršijo didžiausią suvartojimą karo metu.

Po 1960 m. helio įstatymo, kasyklų biuras sudarė sutartį su 5 privačiomis įmonėmis, kad išgautų elementą iš gamtinių dujų. Šiai programai buvo nutiestas 425 kilometrų dujotiekis, jungiantis šias gamyklas su iš dalies išeikvotu vyriausybės dujų telkiniu netoli Amarilo, Teksase. Helio ir azoto mišinys buvo pumpuojamas į požeminę saugyklą ir liko ten, kol prireiks.

Iki 1995 m. buvo surinkta milijardas kubinių metrų atsargų, o Nacionalinis rezervas buvo įsiskolinęs 1,4 mlrd. USD, todėl JAV Kongresas 1996 m. jį laipsniškai panaikino. Po to, kai 1996 m. buvo priimtas helio privatizavimo įstatymas, Gamtos išteklių ministerija 2005 m. pradėjo likviduoti saugyklą.

Grynumas ir gamybos apimtys

Iki 1945 m. pagaminto helio grynumas buvo apie 98%, likusio 2%sudarė azotas, kurio pakako dirižabliams. 1945 m. buvo pagamintas nedidelis 99,9 procentų dujų kiekis, skirtas naudoti lankiniam suvirinimui. Iki 1949 m. gauto elemento grynumas pasiekė 99,995%.

Daugelį metų Jungtinės Valstijos pagamino daugiau nei 90 % pasaulyje komercinio helio. Nuo 2004 m. kasmet pagaminama 140 mln. m3, iš kurių 85 % gaunama iš JAV, 10 % iš Alžyro, o likusi dalis – iš Rusijos ir Lenkijos. Pagrindiniai helio š altiniai pasaulyje yra Teksaso, Oklahomos ir Kanzaso dujų telkiniai.

Gavimo procesas

Helis (98,2 % grynumo) išgaunamas iš gamtinių dujų skystinant kitus komponentus esant žemai temperatūrai ir aukštam slėgiui. Kitų dujų adsorbcija aušinama aktyvuota anglimi pasiekia 99,995 % grynumo. Dideliu mastu suskystinant orą susidaro nedidelis helio kiekis. Iš 900 tonų oro galima gauti apie 3,17 kubinių metrų. m dujų.

Taikymo sritys

Tauriosios dujos buvo naudojamos įvairiose srityse.

Helis, kurio savybės leidžia pasiekti itin žemą temperatūrą, naudojamas kaip aušinimo agentas dideliame hadronų greitintuve, superlaidžiuose magnetuose MRT aparatuose ir branduolinio magnetinio rezonanso spektrometruose, palydovinėje įrangoje, taip pat deguoniui suskystinti. ir vandenilis „Apollo“raketose.
Kaip inertinės dujos, skirtos suvirinti aliuminį ir kitus metalus, optinių skaidulų ir puslaidininkių gamyboje.
Kurtislėgis raketų variklių, ypač varomų skystu vandeniliu, kuro bakuose, nes tik dujinis helis išlaiko agregacijos būseną, kai vandenilis lieka skystas);
He-Ne dujų lazeriai naudojami brūkšniniams kodams nuskaityti prekybos centrų kasose.
Helio jonų mikroskopas sukuria geresnius vaizdus nei elektroninis mikroskopas.
Dėl didelio pralaidumo tauriosios dujos naudojamos patikrinti, ar nėra nuotėkio, pavyzdžiui, automobilių oro kondicionavimo sistemose, ir greitai išsipūsti oro pagalvėms avarijos metu.
Mažas tankis leidžia užpildyti dekoratyvinius balionus heliu. Inertinės dujos pakeitė sprogstamą vandenilį dirižabliuose ir oro balionuose. Pavyzdžiui, meteorologijoje helio balionai naudojami matavimo prietaisams kelti.
Kriogeninėje technologijoje jis naudojamas kaip aušinimo skystis, nes šio cheminio elemento temperatūra skystoje būsenoje yra žemiausia įmanoma.
Helis, kurio savybės suteikia jam mažą reaktyvumą ir tirpumą vandenyje (ir kraujyje), sumaišytas su deguonimi, buvo pritaikytas kvėpavimo kompozicijose, skirtose nardymui ir kesoniniam darbui.
Šio elemento meteoritai ir uolienos tiriami siekiant nustatyti jų amžių.