Helij: lastnosti, značilnosti, aplikacije

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 17:55

Helij je inertni plin 18. skupine periodnega sistema. Je drugi najlažji element za vodikom. Helij je brezbarven plin brez vonja in okusa, ki postane tekoč pri -268,9 °C. Njegovo vrelišče in ledišče je nižje kot pri kateri koli drugi znani snovi. Je edini element, ki se pri hlajenju pri normalnem atmosferskem tlaku ne strdi. Za strjevanje helija je potrebnih 25 atmosfer pri 1 K.

zgodovina odkritij

Helij je v plinasti atmosferi, ki obdaja Sonce, odkril francoski astronom Pierre Jansen, ki je leta 1868 med mrkom odkril svetlo rumeno črto v spektru sončne kromosfere. Prvotno so mislili, da ta črta predstavlja element natrij. Istega leta je angleški astronom Joseph Norman Lockyer opazil rumeno črto v sončnem spektru, ki ni ustrezala znanim natrijevim linijam D₁ in D₂, zato je njeno linijo poimenoval D_{3. Lockyer je zaključil, da ga je povzročila snov na Soncu, ki je na Zemlji neznana. On in kemik Edward Frankland sta uporabila v imenu elementagrško ime za sonce je Helios.}

Leta 1895 je britanski kemik sir William Ramsay dokazal obstoj helija na Zemlji. Dobil je vzorec mineralnega kleveita, ki vsebuje uran, in po pregledu plinov, ki nastanejo pri segrevanju, je ugotovil, da svetlo rumena črta v spektru sovpada s črto D_{3, opaženo v spekter Sonca. Tako je bil nov element končno nameščen. Leta 1903 sta Ramsay in Frederick Soddu ugotovila, da je helij produkt spontanega razpada radioaktivnih snovi.}

Širenje v naravi

Masa helija je približno 23% celotne mase vesolja, element pa je drugi najbolj razširjen v vesolju. Skoncentriran je v zvezdah, kjer nastane iz vodika kot posledica termonuklearne fuzije. Čeprav se helij nahaja v zemeljskem ozračju v koncentraciji 1 del na 200 tisoč (5 ppm) in ga v majhnih količinah najdemo v radioaktivnih mineralih, meteoritnem železu in mineralnih izvirih, se velike količine elementa nahajajo v Združenih državah (zlasti v Teksasu, New Yorku. Mehika, Kansas, Oklahoma, Arizona in Utah) kot sestavina (do 7,6 %) zemeljskega plina. Majhne rezerve so bile najdene v Avstraliji, Alžiriji, Poljski, Katarju in Rusiji. V zemeljski skorji je koncentracija helija le približno 8 ppb.

Izotopi

Jedro vsakega atoma helija vsebuje dva protona, vendar ima tako kot drugi elementi izotope. Vsebujejo od enega do šest nevtronov, zato se njihovo masno število giblje od tri do osem. Stabilni so elementi, katerih masa helija je določena z atomskimi številkami 3 (³He) in 4 (⁴He). Vsi ostali so radioaktivni in zelo hitro razpadejo v druge snovi. Zemeljski helij ni izvirna sestavina planeta, nastal je kot posledica radioaktivnega razpada. Alfa delci, ki jih oddajajo jedra težkih radioaktivnih snovi, so jedra izotopa ⁴He. Helij se v ozračju ne kopiči v velikih količinah, ker Zemljina gravitacija ni dovolj močna, da bi preprečila postopni pobeg v vesolje. Sledovi ³He na Zemlji so razloženi z negativnim beta razpadom redkega elementa vodika-3 (tritija). ⁴On je najbolj razširjen med stabilnimi izotopi: razmerje ⁴He atomi ^{3He je približno 700 tisoč proti 1 v ozračju in približno 7 milijonov proti 1 v nekaterih mineralih, ki vsebujejo helij.}

Fizikalne lastnosti helija

Vrelišče in tališče tega elementa sta najnižji. Zaradi tega helij obstaja kot plin, razen v ekstremnih pogojih. Plinasti He se raztopi v vodi manj kot kateri koli drug plin, hitrost difuzije skozi trdne snovi pa je trikrat večja kot v zraku. Njegov lomni količnik je najbližje 1.

Toplotna prevodnost helija je na drugem mestu za vodikom, njegova specifična toplotna zmogljivost pa je nenavadno visoka. Pri običajnih temperaturah se med raztezanjem segreje in ohladi pod 40 K. Zato je pri T<40 K helij mogoče pretvoriti vtekočina z ekspanzijo.

Element je dielektrik, če ni v ioniziranem stanju. Tako kot drugi žlahtni plini ima helij metastabilne energetske ravni, ki omogočajo, da ostane ioniziran v električni razelektritvi, ko napetost ostane pod ionizacijskim potencialom.

Helij-4 je edinstven po tem, da ima dve tekoči obliki. Navadni se imenuje helij I in obstaja pri temperaturah od vrelišča 4,21 K (-268,9 °C) do približno 2,18 K (-271 °C). Pod 2,18 K postane toplotna prevodnost 4He 1000-krat večja od bakra. Ta oblika se imenuje helij II, da jo razlikujemo od normalne oblike. Je superfluiden: viskoznost je tako nizka, da je ni mogoče izmeriti. Helij II se razširi v tanek film na površini česarkoli se dotakne, in ta film teče brez trenja tudi proti gravitaciji.

Manj bogat helij-3 tvori tri različne tekoče faze, od katerih sta dve super tekoči. Superfluidnost v ⁴Sredi tridesetih let prejšnjega stoletja ga je odkril sovjetski fizik Pyotr Leonidovich Kapitsa, isti pojav pa je v ^{3prvi opazil Douglas D Osherov, David M. Lee in Robert S. Richardson iz ZDA leta 1972.}

Tekoča mešanica dveh izotopov helija-3 in -4 pri temperaturah pod 0,8 K (-272,4 °C) je razdeljena na dve plasti - skoraj čista ³He in mešanica⁴He s 6% helija-3. Raztapljanje ³He v ^{4He spremlja učinek hlajenja, ki se uporablja pri oblikovanju kriostatov, pri katerem temperatura helija padepod 0,01 K (-273,14 °C) in tam vzdrževati več dni.}

Povezave

V normalnih pogojih je helij kemično inerten. V ekstremnih pogojih lahko ustvarite povezave elementov, ki niso stabilne pri normalnih temperaturah in tlakih. Na primer, helij lahko tvori spojine z jodom, volframom, fluorom, fosforjem in žveplom, ko je izpostavljen električni sijoči razelektritvi, ko je bombardiran z elektroni ali v stanju plazme. Tako so nastali HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ in He₂ molekularni ioni+^{, ne}2++^{, HeH}+ ^{in HeD+}. Ta tehnika je omogočila tudi pridobitev nevtralnih molekul He² in HgHe.

Plazma

V vesolju je pretežno porazdeljen ioniziran helij, katerega lastnosti se bistveno razlikujejo od molekularnih. Njegovi elektroni in protoni niso vezani in ima zelo visoko električno prevodnost tudi v delno ioniziranem stanju. Na nabite delce močno vplivajo magnetna in električna polja. Na primer, v sončnem vetru helijevi ioni skupaj z ioniziranim vodikom sodelujejo z zemeljsko magnetosfero, kar povzroča aurore.

odkritje ZDA

Po vrtanju vrtine leta 1903 so v Dexterju v Kansasu pridobili nevnetljiv plin. Sprva ni bilo znano, da vsebuje helij. Kateri plin so našli, je ugotovil državni geolog Erasmus Haworth, kizbrali njegove vzorce in na Univerzi v Kansasu s pomočjo kemikov Cady Hamilton in David McFarland ugotovili, da vsebuje 72 % dušika, 15 % metana, 1 % vodika in 12 % ni bilo identificirano. Po nadaljnji analizi so znanstveniki ugotovili, da je 1,84 % vzorca helij. Tako so izvedeli, da je ta kemični element v ogromnih količinah prisoten v nedrjih Velikih nižin, od koder ga je mogoče pridobiti iz zemeljskega plina.

Industrijska proizvodnja

S tem so Združene države postale vodilne v svetu v proizvodnji helija. Na predlog Sir Richarda Threlfalla je ameriška mornarica financirala tri majhne eksperimentalne tovarne za proizvodnjo te snovi med prvo svetovno vojno, da bi balonom zagotovili lahek, negorljiv dvigalni plin. Program je proizvedel skupno 5.700 m3 92% He, čeprav je bilo prej proizvedenih manj kot 100 litrov plina. Nekaj tega volumna je bilo uporabljeno v prvi zračni ladji s helijem na svetu, ameriške mornarice C-7, ki je 7. decembra 1921 opravila svojo prvo plovbo od Hampton Roads v Virginiji do Bolling Fielda, Washington, DC.

Čeprav postopek nizkotemperaturnega utekočinjanja plina v tistem času ni bil dovolj napreden, da bi bil pomemben med prvo svetovno vojno, se je proizvodnja nadaljevala. Helij se je uporabljal predvsem kot dvigalni plin v letalih. Povpraševanje po njem je raslo med drugo svetovno vojno, ko so ga uporabljali pri varjenju z zaščitnim oblokom. Element je bil pomemben tudi pri projektu atomske bombe. Manhattan.

Nacionalna zaloga ZDA

Leta 1925 je vlada Združenih držav ustanovila nacionalno rezervo helija v Amarillu v Teksasu z namenom zagotavljanja vojaških zračnih ladij v času vojne in komercialnih zračnih ladij v času miru. Po drugi svetovni vojni se je poraba plina zmanjšala, vendar se je dobava povečala v petdesetih letih prejšnjega stoletja, da bi med drugim zagotovili njegovo oskrbo kot hladilno sredstvo, ki se je uporabljalo pri proizvodnji kisikovega vodikovega raketnega goriva med vesoljsko dirko in hladno vojno. Poraba helija v ZDA leta 1965 je bila osemkrat večja od najvišje vojne porabe.

Po zakonu o heliju iz leta 1960 je Urad za rudnike sklenil pogodbo s 5 zasebnimi podjetji za pridobivanje elementa iz zemeljskega plina. Za ta program je bil zgrajen 425-kilometrski plinovod, ki povezuje te elektrarne z delno izčrpanim vladnim plinskim poljem blizu Amarilla v Teksasu. Mešanica helija in dušika je bila prečrpana v podzemno skladišče in tam ostala, dokler ni bila potrebna.

Do leta 1995 je bilo zbranih milijard kubičnih metrov zalog, nacionalna rezerva pa je imela 1,4 milijarde dolarjev dolga, zaradi česar je ameriški kongres leta 1996 to postopno opustil. Po sprejetju zakona o privatizaciji helija leta 1996 je Ministrstvo za naravne vire leta 2005 začelo likvidirati skladišče.

Čistost in obseg proizvodnje

Helij, proizveden pred letom 1945, je imel čistost približno 98 %, ostalo 2 %predstavljal dušik, ki je zadostoval za zračne ladje. Leta 1945 je bila proizvedena majhna količina 99,9-odstotnega plina za uporabo pri obločnem varjenju. Do leta 1949 je čistost nastalega elementa dosegla 99,995%.

Veliko let so ZDA proizvedle več kot 90 % svetovnega komercialnega helija. Od leta 2004 je proizvedel 140 milijonov m3 letno, od tega 85 % prihaja iz ZDA, 10 % iz Alžirije, ostalo pa iz Rusije in Poljske. Glavni viri helija na svetu so plinska polja Texas, Oklahoma in Kansas.

prejemni postopek

Helij (98,2-odstotna čistost) se pridobiva iz zemeljskega plina z utekočinjanjem drugih komponent pri nizkih temperaturah in visokih tlakih. Adsorpcija drugih plinov z ohlajenim aktivnim ogljem doseže čistost 99,995 %. Majhna količina helija nastane z utekočinjenjem zraka v velikem obsegu. Iz 900 ton zraka je mogoče pridobiti približno 3,17 kubičnih metrov. m plina.

Območja uporabe

Žlahtni plin se uporablja na različnih področjih.

Helij, katerega lastnosti omogočajo pridobivanje ultra-nizkih temperatur, se uporablja kot hladilno sredstvo v velikem hadronskem trkalniku, superprevodnih magnetih v napravah za magnetno resonanco in spektrometrih jedrske magnetne resonance, satelitski opremi in tudi za utekočinjanje kisika in vodik v raketah Apollo.
Kot inertni plin za varjenje aluminija in drugih kovin, v proizvodnji optičnih vlaken in polprevodnikov.
Za ustvarjanjetlak v rezervoarjih za gorivo raketnih motorjev, zlasti tistih, ki delujejo na tekoči vodik, saj le plinasti helij ohrani svoje agregacijsko stanje, ko vodik ostane tekoč);
He-Ne plinski laserji se uporabljajo za skeniranje črtnih kod na blagajnah v supermarketih.
Helijev ionski mikroskop daje boljše slike kot elektronski mikroskop.
Zaradi visoke prepustnosti se žlahtni plin uporablja za preverjanje puščanja, na primer v avtomobilskih klimatskih sistemih, in za hitro napihovanje zračnih blazin pri trčenju.
Nizka gostota vam omogoča, da okrasne balone napolnite s helijem. Inertni plin je nadomestil eksplozivni vodik v zračnih ladjah in balonih. Na primer, v meteorologiji se helijevi baloni uporabljajo za dvigovanje merilnih instrumentov.
V kriogenski tehnologiji služi kot hladilno sredstvo, saj je temperatura tega kemičnega elementa v tekočem stanju najnižja možna.
Helij, katerega lastnosti mu zagotavljajo nizko reaktivnost in topnost v vodi (in krvi), pomešan s kisikom, je našel uporabo v dihalnih sestavkih za potapljanje in delo s kesoni.
Meteoriti in kamnine se analizirajo za ta element, da se določi njihova starost.