Heeliumi: omadused, tunnused, rakendus

Heeliumi - väärisgaas rühma 18 perioodilisuse tabeli. See on teine kergema elemendi pärast vesinikku. Heeliumi - gaasi ilma värvuse, lõhna ja maitse, mis muutub vedelaks temperatuuril -268,9 ° C. keemistemperatuur ja selle külmumispunkti madalam kui mis tahes muu tuntud aine. See on ainus element, mis ei tahkuda jahutades temperatuuril normaalrõhul. Ta kolis tahkes olekus peab olema 25 atm, temperatuuril 1 K.

Ajalugu avastus

Heelium leiti gaasi atmosfääris ümbritseva päike, Prantsuse astronoom Pierre Zhansenom et 1868 jooksul Eclipse on leidnud ereda kollane joon spektris päikese chromosphere. Esialgu arvati, et see joon tähistab element naatrium. Samal aastal, inglise astronoomi Dzhozef Norman Lockyer täheldatud kollane joon päikese spektrit, mis ei vastanud tuntud naatrium read D ₁ ja D _2, ning seetõttu on nimeks joont _D3. Lockyer järeldusele, et see oli tingitud aine Sun teadmata Maal. Tema ja keemik Edward Frankland pealkirjas element kasutades kreeka nimi "Helios" Päikese

Aastal 1895, Briti keemik Sir Uilyam Ramzay on tõendanud heelium Maal. Ta sai proovi cleveite uraani-sisaldavaid mineraale ja pärast uurides käigus moodustunud gaasid soojendus, leitakse, et ere kollane joon spektris kattub line D _3, täheldati päikese spektrit. Seega, uus element lõpuks paigaldatud. Aastal 1903 Ramsay ja Frederick Soddy leitud, et heeliumi on toode spontaanset lagunemist radioaktiivsed ained.

Distribution looduses

Mass heelium on umbes 23% kogu universumi massist ja element on teine kõige levinum kosmoses. See on kontsentreeritud tärni, kus vesinik on moodustatud saadud fusion. Kuigi heeliumi atmosfääris on kontsentratsioonis 1 osa 200.. (5 ppm) ja sisaldub vähesel määral radioaktiivseid mineraalidest meteoriidijälg näärme, samuti mineraalseid allikatest suurtes kogustes elemendi leida Ameerika Ühendriikide (eriti Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah ja Arizona) komponendina (7,6%) maagaasi. Väikesed ja selle reservid on avastanud Austraalia, Alžeeria, Poola, Katar ja Venemaa. Maakoores heelium kontsentratsioon on ainult umbes 8 ppb.

isotoobid

Tuum iga heeliumi aatom sisaldab kahte prootonit, kuid nagu teistegi elemendid on tal isotoope. Nad sisaldavad ühte kuni kuut neutronite, et nende mass arvud vahemikus kolm kuni kaheksa. Stabiilne neist on elemendid, mille kaal määratakse heeliumi aatomnumbriga 3 ⁽³ He) ja 4 ⁽⁴ He). Kõik teised radioaktiivsed ja kiiresti lagunema viiakse muid aineid. Maa heelium ei ole originaal osa planeedi, see on moodustatud tulemusena radioaktiivse lagunemise. Alfaosakeste tekitatava tuumade radioaktiivsete rasked ained isotoobi ⁴ Ta tuumas. Heelium ei koguneda suurtes kogustes atmosfääri, sest Maa gravitatsiooni ei ole piisav, et takistada selle järk-järgult lekkimise ruumi. Jälgi ³ Ta maailma selgitatakse negatiivne Beetakiirgus vesiniku haruldaste 3 element (triitium). ⁴ Ta on kõige levinum stabiilsete isotoopide: ⁴ suhe Ta aatomid poole ³ Ta on umbes 700 tuhat kuni 1 atmosfääri ja umbes 7 miljonit 1 mõnes heelium-rikas mineraalide ..

Füüsikalised omadused heelium

keemise ja sulamistemperatuur see toode on madalaim. Sel põhjusel, heelium eksisteerib gaasi välja arvatud äärmuslikud tingimused. Ta gaasi lahustatakse vees vähem kui mis tahes muu gaasi ja difusiooni läbi tahke keha on kolm korda suurem kui õhus. Selle murdumisnäitaja lähim läheneb 1.

Soojusjuhtivus heeliumi on teine ainult vesiniku soojusjuhtivus, erisoojus ja tema erakordselt kõrge. Tavalistel temperatuuridel on soojendusega paisumise ajal, ja alla 40 K - jahtunud. Seetõttu oli T <40 K heeliumi saab muundada vedelat laiendades.

Element on isolaator kui ei ole ioniseeritud olekus. Nagu ka teiste väärisgaasid heelium on metastabiilne energia taset, et võimaldada selle ioniseeritud elektrilahenduse, kui pinge on alla ionisatsiooni potentsiaali.

Heeliumi-4 on ainulaadne, et tal on kaks vedelad vormid. Tavapärane nimetatakse heeliumi I ja eksisteerib temperatuuridel vahemikus keemistemperatuurini 4,21 K (-268,9 ° C) kuni umbes 2,18 K (-271 ° C). Alam soojusjuhtivus on 2,18 K ⁴ Ta muutub 1000 korda suurem kui vask. See vorm on nn heelium II eristada seda ebatavalist. See on ülivoolavuse: viskoossus on nii madal, et seda ei saa mõõta. Heelium II levib õhukese pinnal mis tahes aine kohta, ja see film voolab ilma hõõrdumist isegi raskusjõu vastu.

Vähem rikkalikult heelium-3 moodustab kolm erinevat vedelfaaside, millest kaks on ülivoolavuse. Ülivoolavus ⁴ Ta avastas Nõukogude füüsik Petromis Leonidovichem Kapitsey keskel 1930. ja sama nähtus ³ Ta oli esimene märganud Douglas D. Osheroff, David M. Lee ja Robert C. Richardson USA 1972..

Vedel segu kahest isotoope heelium-3 ja -4 temperatuuridel alla 0,8 K (-272,4 ° C) jaguneb kaheks kihiks - põhiliselt puhast ³ He ja ⁴ Ta segus 6% heelium-3. Lahustumine ³ He ⁴ Ta on kaasas jahutavat efekti, mida kasutatakse kriiostaadiga struktuurides, milles heeliumi temperatuur on alla 0,01 K (-273,14 ° C) ja hoiti paar päeva.

sidemed

Normaalsetes tingimustes heeliumi on keemiliselt inertne. Äärmuslikes saab luua ühendit element, mis tavalisel temperatuuril ja rõhul näitajad ei ole stabiilne. Näiteks heeliumi võivad moodustada ühendeid joodiga, volfram, fluori, fosfori ja väävli, kui viiakse läbi elektrilise huumlambi või elektronidega pommitamise Plasmaolekus. Seega loodi HeNe, HgHe _10, Whe ₂ ja molekulaarioonist Ta ₂ ⁺ ₂ Ei ^++, heh ⁺ ja Hed ^+. See tehnika on olnud neutraalne molekul Ta ₂ ja HgHe.

plasma

Universumis soodsalt jaotunud ioniseeritud heeliumi, mille omadused erinevad oluliselt molekulaarsel. Elektronid ja prootonid ei olnud seotud, ja see on väga kõrge elektrijuhtivus isegi osaliselt ioniseeritud olekus. Laetud osakeste mõjutab tugevalt magnet- ja elektrivälja. Näiteks päikesetuule heeliumiga ioonid interakteeruvad ioniseeritud vesinik magnetosfäärist muld, põhjustades virmalisi.

Avastamine hoiused USA

Pärast puurimist 1903 Dexter, Kansas, see saadi mittepõlev gaas. Esialgu ei olnud teada, et see sisaldab heelium. Milline gaasi leiti, mida riik Erasmus Haworth geoloog, kes on kogunud oma proove ja University of Kansas kaudu keemikud Kedi Gamiltona ja David McFarland'i leidis, et see sisaldab 72% lämmastikku, 15% metaani, 1% vesinikku ja 12% ei olnud määratletud. Pärast kulutuste järgneva analüüsi, leidsid teadlased, et 1,84% proovi heeliumi. Nii et me teame, et see keemiline element esineb suurtes kogustes sügavamal Great Plains, kus see on võimalik, eraldatakse maagaasist.

tööstustoodang

See on muutnud Ameerika Ühendriigid maailma tootmise heelium juht. At ettepanekul Sir Richard Threlfall USA mereväe rahastatud kolm väikest piloot tehas toota selle ainega kokku Esimese maailmasõja tagada tulv õhupallid kerge mittepõlev tõstmine gaasi. Selle järgi on toodetud kokku 5700 ^m3 92 protsenti He, kuigi see saadi ainult vähemalt 100 liitrit gaasi. Osa sellest summast kasutati maailma esimese heelium õhulaev USA mereväe C-7, mis on tehtud oma esimesel reisil alates Hampton Roads (Virginia) juures Bollingi Field (Washington, DC) 7. detsember 1921.

Kuigi protsess madalal temperatuuril vedelgaasi tol ajal ei olnud piisavalt arenenud, et olla märkimisväärne ajal Esimese maailmasõja tootmine jätkus. Heelium, mida tavaliselt kasutatakse lifti gaasi lennukis. Nõudlus on suurenenud ajal Teist maailmasõda, kui seda kasutati varjestatud kaarkeevituse. Element on ka väga oluline luua aatomipommi "Manhattan".

USA Riiklik reserv

Aastal 1925, Ameerika Ühendriikide valitsus loonud riiklik reserv heeliumi Amarillo, Texas, anda sõjalise õhulaevad sõja ajal ja kaubandusliku õhulaevad rahuajal. Gaasi kasutamine langes pärast Teist maailmasõda, kuid aktsia tõusis 1950. aastal anda muu hulgas annab ta jahutusvedeliku tootmisel kasutatakse hapnikku vesiniku raketikütuse ajal ruumi rassi ja külm sõda. Kasutamine heelium Ameerika Ühendriigid 1965. aastal kaheksa korda suurem kui tarbimise tipp sõjaajal.

Pärast seaduse vastuvõtmist heeliumi 1960 Mining büroo Streak 5 eraettevõtete eraldada elemendi maagaasi. See programm on ehitatud 425-km pikkuse torujuhtme ühendada need taimed valitsuse osaliselt tühjendatud gaasimaardla lähedal Amarillo, Texas. Heeliumiga lämmastiku segu pumbatakse maa-alust ladustamist ning jäi sinna kuni puudub vajadus seda.

1995. aastaks maht aktsia oli kokku miljardit kuupmeetrit, samas kui võla riikliku reservi 1,4 miljardit dollarit, mis ajendas USA Kongress 1996. aastal järk-järgult ta. Pärast 1996. aasta seaduse erastamise heelium Ministry of Natural Resources käivitas likvideerimise poodi 2005. aastal.

Puhas ja tootmine

Heeliumi toodetud kuni 1945 aastal puhtus oli umbes 98%, teised 2% olid lämmastikuga, mis on piisav õhulaeva. Aastal 1945, ta toodetud väike kogus 99,9 protsenti gaasi kasutamiseks kaarkeevituse. 1949. aastaks, puhtuse saadud elementi on jõudnud 99,995%.

Aastaid USAs toodetud rohkem kui 90% maailma kaubandusliku heelium. Alates 2004. aastast igal aastal see töötati välja 140 miljonit m ^3, millest 85% esinevad USA, 10% tehti Alžeeria, ja ülejäänud - Venemaa ja Poola. Peamised allikad heelium maailmas on maagaasi valdkonnas Texas, Oklahoma ja Kansas.

Saamise protsessi

Heeliumi (puhtus 98,2%) saadakse kätte maagaasi veeldamine teiste komponentide madalatel temperatuuridel ja kõrgetel rõhkudel. Adsorptsiooni teisi gaase jahutati aktiivsüsi võib saavutada puhtuse 99,995%. Väike kogus heelium jooksul toodetud õhu veeldamisel suures ulatuses. 900 tonni õhk pääseb umbes 3,17 kuupmeetrit. m gaasi.

Kasutusalad

Väärisgaas on kohaldatud erinevates valdkondades.

• Heeliumi, mille omadused võimaldavad saada väga madalal temperatuuril, kasutatakse jahutamist agendi LHC, MRI ülijuhtmagnetiga aparatuuri ja tuuma magnetresonants spektromeetritega, satelliit tehnika, samuti vedeldamiseks hapniku ja vesiniku ballistika "Apollo".
• Nagu inertgaasi keevituseks alumiiniumi ja teised. Metallide tootmisel pooljuhid ja optiliste kiudude.
• .. Et luua rõhu kütusepaakides rakettmootorid, eriti tegutsevad vedela vesiniku t ainult heelium säilitab oma agregatsiooniolekutes kui vesiniku jääb vedelik);
• He-Ne gaaslaserid kasutatakse skaneerida vöötkoodi piletikassa supermarketites.
• Heelium-ioon mikroskoobi abil saate parim pilt kui elektrooniline.
• Tänu kõrge läbitavus väärisgaasi kasutatakse katse lekked, näiteks auto kliimaseadmete, samuti kiire täitmine turvapadja pärast kokkupõrget.
• Madala tihedusega võimaldab dekoratiivsed pallid heeliumiga täidetud. Inertgaas asendatakse lõhkeaine gaasilist vesinikku õhulaevad ja õhupalle. Näiteks meteoroloogia, heelium õhupalle kasutatakse lifti mõõtevahendiga.
• Krüogeenklapi jahutusvedeliku kasutatakse juba temperatuur keemilise elemendi minimaalse võimaliku vedelas olekus.
• Heeliumi, mille omadused tagavad madala reaktsioonivõime ja lahustuvus vees (ja veri), segus hapnikuga on leidnud rakendust hingamisteede preparaate sukeldumise ja hoides caisson tööd.
• Meteoriidid ja kivimid analüüsitakse selle sisu element, et määrata nende vanus.

Heelium: omadused element

Ta peamised füüsikalised omadused on järgmised:

• Atomic number: 2.
• Suhtelise heeliumi mass aatom: 4,0026.
• Sulamistemperatuur: no.
• Keemistemperatuur: -268,9 ° C.
• Tihedus (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oksüdatsiooniastmega 0.