Helium: tut ominaisuudet, sovellus

Helium - inertti kaasu ryhmän 18 jaksollisen. Tämä on toinen kevyin alkuaine vedyn jälkeen. Helium - kaasu ilman väri, haju ja maku, joka muuttuu nestemäiseksi lämpötilassa -268,9 ° C kiehumispiste ja sen jäätymispiste on alhaisempi kuin minkä tahansa muun tunnetun aineen. Se on ainoa elementti, joka ei jähmety jäähdyttäen normaalissa ilmanpaineessa. Hän siirtyi kiinteässä tilassa on 25 ilmakehän, lämpötilassa 1 K.

Historia löytö

Helium havaittiin kaasun ympäröivästä ilmakehästä aurinko, Ranskan tähtitieteilijä Pierre Zhansenom että vuonna 1868 aikana Eclipse on havaittu, kirkkaan keltainen viiva spektrissä auringon Kromosfäärin. Aluksi oletettiin, että tämä viiva edustaa elementin natriumia. Samana vuonna, Englanti tähtitieteilijä Dzhozef Norman Lockyer havaittu keltainen viiva auringon spektrin, joka ei vastaa tunnettuja natrium- linjat D ₁ ja D _2, ja siksi se on nimetty sen linjan D _3. Lockyer totesi, että se johtui aineen Sun tuntemattoman maapallolla. Hän ja kemisti Edward Frankland otsikossa elementti painikkeilla kreikkalainen nimi 'Helios' Sun.

Vuonna 1895 brittiläinen kemisti Sir Uilyam Ramzay on näyttänyt toteen heliumin maapallolla. Hän sai näyte cleveiitti uraani sisältävät mineraalit, ja tutkittuaan aikana muodostuneet kaasut lämmitys, on havaittu, että kirkas keltainen viiva spektrissä sama linja D _3, havaittiin auringon spektrin. Näin ollen, uuden elementin lopulta asennettu. Vuonna 1903 Ramsay ja Frederick Soddy havaittu, että helium on tuote spontaanin hajoamisen radioaktiivisia aineita.

Jakelu luonnossa

Massa heliumin on noin 23% koko massasta maailmankaikkeuden, ja elementti on toiseksi yleisin avaruudessa. Se on keskittynyt tähdet, jossa vety on muodostettu tuloksena fuusio. Vaikka helium ilmakehässä on pitoisuutena, joka on 1 osa 200: nnen. (5 ppm), ja joka sisältyy pieniä määriä radioaktiivisia mineraaleja, meteoriitti rauhanen, sekä mineraali lähteistä, suuria määriä tekijä löytyy Yhdysvalloissa (erityisesti Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, ja Arizona) komponenttina (7,6%) maakaasun. Pienet ja sen varannot on löydetty Australiassa, Algeria, Puola, Qatar ja Venäjä. Kuoressa heliumin pitoisuus on vain noin 8 ppb.

isotoopit

Ydin kunkin heliumatomin sisältää kaksi protonia, mutta, kuten muita elementtejä, se on isotooppeja. Ne sisältävät yhdestä kuuteen neutronien, joten niiden massa numerot vaihtelevat kolmesta kahdeksaan. Vakaa näistä ovat osat, joiden paino määritetään helium atomi numero 3 ⁽³ He) ja 4 ⁽⁴ He). Kaikki muut radioaktiiviset ja nopeasti hajoavat osaksi muita aineita. Maan helium ei ole alkuperäinen osa planeetan, se oli muodostettu radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Alfahiukkaset ydinten lähettämät radioaktiivisia raskaiden aineiden isotoopin ⁴ Hän ydin. Helium ei kerry suuria määriä ilmakehään, koska maan vetovoima ei ole riittävä, jotta se ei asteittain vuotaa avaruuteen. Jälkiä ³ Hän maailmassa on selitetty negatiivisia beetahajoaminen vety harvinainen-3-elementin (tritiumia). ⁴ Hän on yleisin vakaa isotoopit: ⁴ suhde Hän atomien kohti ³ Hän on noin 700 tuhatta 1 ilmakehään ja noin 7 miljoonaa 1 joillakin heliumia mineraaleista ..

Fysikaaliset ominaisuudet heliumin

kiehumispiste ja sulamispiste Tämän tuotteen ovat alhaisimmat. Tästä syystä, helium esiintyy kaasun äärimmäisissä olosuhteissa. Hän kaasu liukenee veteen vähemmän kuin mikään muu kaasu, ja diffuusionopeus kautta kiinteän kappaleen on kolme kertaa suurempi kuin ilman. Sen taitekerroin lähinnä lähestyy 1.

Lämmönjohtavuus heliumin on toinen vain vety lämmönjohtavuus, ominaislämpö ja sen poikkeuksellisen korkea. Tavallisissa lämpötiloissa, se kuumennetaan paisumisen aikana, ja alle 40 K - jäähdytetään. Sen vuoksi, kun T <40 K heliumia voidaan muuntaa nestemäiseen laajentamalla.

Elementti on eriste, jos ei ole ionisoituneena. Kuten muidenkin jalokaasuja, helium on metastable energiatasot että se voitaisiin ionisoitiin sen akku, kun jännite on alle ionisaatiopotentiaalin.

Helium-4 on ainutlaatuinen, koska sillä on kaksi nestemäiset muodot. Tavanomainen kutsutaan helium I ja olemassa lämpötiloissa vaihdellen kiehumispisteen 4,21 K (-268,9 ° C) noin 2,18 K (-271 ° C). Alempi lämmönjohtavuus 2,18 K ⁴ Hän tulee 1000 kertaa suurempi kuin kuparin. Tämä muoto on nimeltään helium II, jotta se erottuisi tavallisesta. Se on supraneste: viskositeetti on niin alhainen, että se ei voi mitata. Helium II leviää ohueksi kalvoksi pinnalle ainetta, joka on kyseessä, ja tämä kalvo virtaa ilman kitkaa jopa painovoimaa vastaan.

Vähemmän runsas helium-3 muodostaa kolme erilaista nestefaasia, joista kaksi on supraneste. Suprajuoksevuus ⁴ Hän löysi Neuvostoliiton fyysikko Petrom Leonidovichem Kapitsey vuonna 1930-luvun puolivälissä, ja sama ilmiö ³ Hän oli ensimmäinen huomannut Douglas D. Osheroff, David M. Lee ja Robert C. Richardson Yhdysvalloissa vuonna 1972.

Nestemäinen seos kahta isotooppia helium-3 ja -4 lämpötiloissa alle 0,8 K (-272,4 ° C) on jaettu kahteen kerrokseen - oleellisesti puhdasta ³ Hän ja ⁴ Hän seos 6% helium-3. Liukeneminen ³ He ⁴ Hän on mukana viilentävä vaikutus, jota käytetään kryostaatissa rakenteita, joissa heliumin lämpötila on alle 0,01 K (-273,14 ° C) ja pidettiin muutaman päivän.

liitännät

Normaaleissa olosuhteissa, helium on kemiallisesti inertti. Äärimmäisissä voi luoda yhdiste elementti, joka normaalissa lämpötilassa ja paineessa indikaattorit eivät ole stabiileja. Esimerkiksi, heliumia voivat muodostaa yhdisteitä, joilla on jodi, volframi, fluori, fosfori ja rikki, kun se alistetaan sähköinen hohtopurkauksen tai elektronipommituksella plasmassa tilassa. Näin se on luotu HeNe, HgHe _10, whe ₂ ja molekyyli-ionit Hän ₂ ⁺ ₂ Ei ^++, Heh ⁺ ja HED ^+. Tämä tekniikka on myös ollut neutraali molekyyli hän ₂ ja HgHe.

plasma

Maailmankaikkeudessa edullisesti jaettu ionisoitu helium, jonka ominaisuudet eroavat olennaisesti molekyyli. Elektronit ja protonit ei liity, ja se on erittäin korkea sähkönjohtavuus jopa osittain ionisoitu tilassa. On varautuneita hiukkasia vaikuttaa suuresti magneetti- ja sähkökentät. Esimerkiksi, aurinkotuulessa heliumilla ionien vuorovaikutuksessa ionisoitujen vety magnetosfääriin maa, aiheuttaen revontulet.

Löytymisestä Yhdysvalloissa

Poraamisen jälkeen vuonna 1903 Dexter, Kansas, se on saatu ei-syttyvä kaasu. Aluksi se ei ollut tiedossa, että se sisältää heliumia. Joka kaasu todettiin, tunnistettiin valtio Erasmus Haworth geologi, joka on kerännyt hänen näytteitä ja University of Kansas kautta kemistit Kedi Gamiltona ja David McFarland havaittu, että se sisältää 72% typpeä, 15% metaania, 1% vetyä ja 12% ei tunnistettu. Vietettyään seuraavaa analyysiä, tutkijat huomasivat, että 1,84% näytteen heliumin. Joten me tiedämme, että tämä kemiallinen alkuaine on läsnä suuria määriä syvyyksiin Great Plains, jossa se voidaan saadaan maakaasusta.

teollisuustuotanto

Tämä on tehnyt Yhdysvalloista maailman tuotannosta heliumin johtaja. N ehdotuksesta Sir Richard Threlfall, Yhdysvaltain laivaston rahoittanut kolme pientä tuottavan koelaitoksen tämän aineen aikana ensimmäisen maailmansodan varmistaa sulkupallo kevyt palamaton nosto kaasua. Tämän ohjelman mukaisesti tuotettiin yhteensä 5700 m ³ 92 prosenttia Hän, vaikka tämä on saatu vasta vähintään 100 litraa kaasua. Osa tästä summasta käytettiin maailman ensimmäinen heliumia ilmalaivalla Yhdysvaltain laivaston C-7, joka teki neitsytmatkansa Hampton Roads (Virginia) klo Bolling Field (Washington, DC) 07 joulukuu 1921.

Vaikka prosessi matalan lämpötilan nestemäisen kaasun tuolloin ole tarpeeksi kehittyneitä olla merkittävä aikana ensimmäisen maailmansodan, tuotanto jatkui. Heliumia käytetään yleensä hissin kaasua lentokoneessa. Kysyntä on kasvanut aikana toisen maailmansodan, kun sitä käytetään yhdessä kaarihitsausmenetelmällä. Elementin on myös suuri merkitys luomiseen atomipommin "Manhattan".

Yhdysvaltain Kansallinen varanto

Vuonna 1925 Yhdysvaltain hallitus loi Kansallinen varanto heliumin Amarillo, Texas, antaa sotilaskoulutusta ilmalaivoihin sodan aikana ja kaupallisen ilmalaivoihin rauhan aikana. Kaasun käyttö väheni toisen maailmansodan jälkeen, mutta kaluston nostettiin vuonna 1950 antamaan, muun muassa se toimittaa jäähdytysaineena käytetään tuotannossa happea vedyn ponneaine aikana avaruuteen ja kylmän sodan. Käyttö heliumia Yhdysvalloissa vuonna 1965, kahdeksan kertaa suurempi kuin huippu kulutusta sodan aikana.

Hyväksymisen jälkeen lain heliumin 1960 Bureau of Mines Streak 5 yksityiset yritykset poimia elementti maakaasusta. Tämä ohjelma on rakennettu 425 km putki yhdistää nämä kasvit hallituksen kanssa osittain ehtynyt kaasukenttä lähellä Amarillo, Texas. Helium-typpi-seoksella pumpataan maanalaisista varastoista, ja pysyi siellä, kunnes ei ole tarpeen siinä.

Vuoteen 1995, tilavuus varastossa koottiin miljardia kuutiometriä, sillä velan kansallisen varannon 1,4 miljardia dollaria, mikä sai Yhdysvaltain kongressi vuonna 1996 luopua siitä. Antamisen jälkeen vuonna 1996 annetun lain yksityistämistä heliumin Luonnonvaraministeriö käynnisti selvitystilaan myymälä 2005.

Puhdista ja tuotanto

Tuotettua heliumia kunnes 1945vuosi puhtaus oli noin 98%, muut 2% oli typen, joka on riittävä ilmalaivojen. 1945, se tuotti pieni määrä 99,9 prosentin kaasun käytettäväksi kaarihitsaus. 1949, puhtaus elementin on saavuttanut 99,995%.

Useiden vuosien ajan Yhdysvalloissa tuottanut yli 90% maailman kaupallisesta heliumia. Vuodesta 2004, joka vuosi se on selvittänyt 140 miljoonaa ^m3, 85%, joita esiintyy Yhdysvalloissa, 10% toteutettiin Algeriassa, ja loput - Venäjällä ja Puolassa. Tärkeimmät lähteet heliumin maailmassa ovat kaasukenttien Texas, Oklahoma ja Kansas.

Prosessin saamiseksi

Helium (puhtaus 98,2%) otetaan talteen maakaasun nesteytys muiden komponenttien alhaisissa lämpötiloissa ja korkeissa paineissa. Adsorptio muiden kaasujen jäähdytettiin aktiivihiili voidaan saavuttaa puhtaus 99,995%. Pieni määrä heliumia aikana tuotetun ilman nesteyttämisen suuressa mittakaavassa. 900 tonnin ilma voi saada noin 3,17 kuutiometriä. m kaasua.

Sovellusaloja

Jalokaasu on sovellettu eri aloilla.

• Helium, jonka ominaisuudet mahdollistavat saada hyvin matalassa lämpötilassa, käytetään jäähdytysaineena LHC, MRI suprajohtava magneetti, laitteiden ja ydinmagneettisen resonanssin spektrometrit, satelliittien laitteita, sekä nesteyttämisen hapen ja vedyn ohjuksissa "Apollo".
• Inerttinä kaasuna hitsattaessa alumiinia ja muita. Metallit puolijohteiden ja optisten kuitujen.
• .. luominen paineen polttoainesäiliöt rakettimoottorit, erityisesti toimivat nestemäistä vetyä, t vain heliumkaasun säilyttää sen olomuodon kun vety pysyy nestemäisenä);
• He-Ne kaasulaserit käytetään viivakoodi lipputulot supermarketeissa.
• Helium-ioni mikroskoopilla avulla saat parhaan kuvan kuin elektronisia.
• Koska korkea läpäisevyys jalokaasun käytetään testaamaan vuotoja, esimerkiksi auton ilmastointijärjestelmissä sekä nopea täyttö turvatyyny törmäyksessä.
• Alhaisen tiheyden avulla koriste pallot täytetään heliumilla. Inertti kaasu korvataan räjähtävää vetykaasua ilmalaivat ja ilmapallot. Esimerkiksi meteorologian, helium ilmapalloja käytetään nostamaan mittauslaitteen.
• Kryogeeninen jäähdytysaine on käytetty, koska lämpötila alkuaine mahdollisimman vähän nestemäisessä tilassa.
• Helium, jonka ominaisuudet antavat sille on alhainen reaktiivisuus ja vesiliukoisuus (ja veri), seoksessa hapen kanssa on löytynyt käyttöä hengitysteiden formulaatioissa sukellusta ja pitämällä caisson työtä.
• Meteoriitit ja kalliot analysoidaan sisällöstä elementin määrittää niiden iän.

Helium: ominaisuuksia elementin

Hän tärkeimmät fyysiset ominaisuudet ovat seuraavat:

• Järjestysluku: 2.
• Suhteellinen massa heliumatomin: 4,0026.
• Sulamispiste: ei.
• Kiehumispiste: -268,9 ° C
• Tiheys (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• hapetustilassa 0.