Helium: egenskaper, egenskaper, applikasjoner

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 17:53

Helium er en inert gass fra den 18. gruppen i det periodiske system. Det er det nest letteste grunnstoffet etter hydrogen. Helium er en fargeløs, luktfri og smakløs gass som blir flytende ved -268,9 °C. Dens koke- og frysepunkt er lavere enn for noe annet kjent stoff. Det er det eneste elementet som ikke stivner når det avkjøles ved norm alt atmosfærisk trykk. Det tar 25 atmosfærer ved 1 K for helium å stivne.

Oppdagelseshistorikk

Helium ble oppdaget i den gassformige atmosfæren rundt Solen av den franske astronomen Pierre Jansen, som i 1868 under en formørkelse oppdaget en knallgul linje i solkromosfærens spektrum. Denne linjen ble opprinnelig antatt å representere grunnstoffet natrium. Samme år observerte den engelske astronomen Joseph Norman Lockyer en gul linje i solspekteret som ikke samsvarte med de kjente natriumlinjene D₁ og D₂, og derfor k alte han linjen hennes D_{3. Lockyer konkluderte med at det var forårsaket av et stoff i solen som er ukjent på jorden. Han og kjemikeren Edward Frankland brukte i navnet på grunnstoffetdet greske navnet på solen er Helios.}

I 1895 beviste den britiske kjemikeren Sir William Ramsay eksistensen av helium på jorden. Han tok en prøve av det uranholdige mineralet cleveit, og etter å ha undersøkt gassene som ble dannet når det ble oppvarmet, fant han at den knallgule linjen i spekteret f alt sammen med D_{3-linjen observert i spekteret til solen. Dermed ble det nye elementet endelig installert. I 1903 bestemte Ramsay og Frederick Soddu at helium er et spontant nedbrytningsprodukt av radioaktive stoffer.}

Spredning i naturen

Massen av helium er omtrent 23 % av hele universets masse, og grunnstoffet er det nest mest tallrike i verdensrommet. Det er konsentrert i stjerner, hvor det dannes av hydrogen som et resultat av termonukleær fusjon. Selv om helium finnes i jordens atmosfære i en konsentrasjon på 1 del per 200 tusen (5 ppm) og finnes i små mengder i radioaktive mineraler, meteorittjern og mineralkilder, finnes store mengder av grunnstoffet i USA (spesielt i Texas, New York), Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona og Utah) som en komponent (opptil 7,6 %) av naturgass. Små reserver er funnet i Australia, Algerie, Polen, Qatar og Russland. I jordskorpen er konsentrasjonen av helium bare rundt 8 ppb.

Isotopes

Kjernen til hvert heliumatom inneholder to protoner, men som andre grunnstoffer har den isotoper. De inneholder en til seks nøytroner, så deres massetall varierer fra tre til åtte. De stabile er grunnstoffene hvis heliummasse er bestemt av atomnummer 3 (³He) og 4 (⁴He). Alle de andre er radioaktive og forfaller veldig raskt til andre stoffer. Terrestrisk helium er ikke den opprinnelige komponenten av planeten, den ble dannet som et resultat av radioaktivt forfall. Alfa-partikler som sendes ut av kjernene til tunge radioaktive stoffer er kjerner av isotopen ⁴He. Helium hoper seg ikke opp i store mengder i atmosfæren fordi jordens tyngdekraft ikke er sterk nok til å hindre den fra å gradvis rømme ut i verdensrommet. Spor av ³Han på jorden er forklart av det negative beta-forfallet til det sjeldne grunnstoffet hydrogen-3 (tritium). ⁴Han er den mest tallrike av de stabile isotopene: forholdet mellom ⁴He-atomene til ^{3He er omtrent 700 tusen til 1 i atmosfæren og omtrent 7 millioner til 1 i noen heliumholdige mineraler.}

Fysiske egenskaper til helium

Koke- og smeltepunktene til dette grunnstoffet er de laveste. Av denne grunn eksisterer helium som en gass, bortsett fra under ekstreme forhold. Gassformig He oppløses mindre i vann enn noen annen gass, og diffusjonshastigheten gjennom faste stoffer er tre ganger høyere enn luft. Brytningsindeksen kommer nærmest 1.

Den termiske ledningsevnen til helium er bare nest etter hydrogen, og dens spesifikke varmekapasitet er uvanlig høy. Ved vanlige temperaturer varmes den opp under ekspansjon, og kjøles ned under 40 K. Derfor, ved T<40 K, kan helium omdannes tilvæske ved ekspansjon.

Et grunnstoff er et dielektrikum hvis det ikke er i ionisert tilstand. Som andre edelgasser har helium metastabile energinivåer som gjør at det kan forbli ionisert i en elektrisk utladning når spenningen forblir under ioniseringspotensialet.

Helium-4 er unik ved at den har to flytende former. Den vanlige kalles helium I og eksisterer ved temperaturer fra et kokepunkt på 4,21 K (-268,9 °C) til omtrent 2,18 K (-271 °C). Under 2,18 K blir den termiske ledningsevnen til 4Han 1000 ganger den for kobber. Denne formen kalles helium II for å skille den fra normalformen. Det er superflytende: viskositeten er så lav at den ikke kan måles. Helium II sprer seg til en tynn film på overflaten av det den berører, og denne filmen flyter uten friksjon selv mot tyngdekraften.

Det mindre rikelig med helium-3 danner tre distinkte væskefaser, hvorav to er superflytende. Superfluiditet i ⁴Han ble oppdaget av den sovjetiske fysikeren Pyotr Leonidovich Kapitsa på midten av 1930-tallet, og det samme fenomenet i ^{3Han ble først lagt merke til av Douglas D Osherov, David M. Lee og Robert S. Richardson fra USA i 1972.}

En flytende blanding av to isotoper av helium-3 og -4 ved temperaturer under 0,8 K (-272,4 °C) er delt inn i to lag - nesten ren ³He og en blanding av⁴Han med 6 % helium-3. Oppløsningen av ³He til ^{4Han er ledsaget av en kjølende effekt, som brukes i utformingen av kryostater, der heliumtemperaturen synkerunder 0,01 K (-273,14 °C) og holdt der i flere dager.}

Connections

Under normale forhold er helium kjemisk inert. Under ekstreme forhold kan du lage elementforbindelser som ikke er stabile ved normale temperaturer og trykk. For eksempel kan helium danne forbindelser med jod, wolfram, fluor, fosfor og svovel når det utsettes for en elektrisk glødeutladning når det bombarderes med elektroner eller i plasmatilstand. Dermed ble HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ og He₂ molekylære ioner skapt+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{og HeD+}. Denne teknikken gjorde det også mulig å oppnå nøytrale molekyler He² og HgHe.

Plasma

I universet er ionisert helium hovedsakelig distribuert, hvis egenskaper skiller seg betydelig fra molekylært. Dens elektroner og protoner er ikke bundet, og den har en veldig høy elektrisk ledningsevne selv i en delvis ionisert tilstand. Ladede partikler er sterkt påvirket av magnetiske og elektriske felt. For eksempel, i solvinden, samhandler heliumioner, sammen med ionisert hydrogen, med jordens magnetosfære, og forårsaker nordlys.

US discovery

Etter å ha boret en brønn i 1903, ble det oppnådd ikke-brennbar gass i Dexter, Kansas. I utgangspunktet var det ikke kjent at den inneholdt helium. Hvilken gass som ble funnet ble bestemt av statsgeolog Erasmus Haworth, somsamlet inn prøver av det og ved University of Kansas med hjelp av kjemikerne Cady Hamilton og David McFarland fant det ut at det inneholder 72% nitrogen, 15% metan, 1% hydrogen og 12% ble ikke identifisert. Etter ytterligere analyse fant forskerne at 1,84 % av prøven var helium. Så de lærte at dette kjemiske elementet er tilstede i enorme mengder i tarmene på Great Plains, hvorfra det kan utvinnes fra naturgass.

Industriell produksjon

Dette har gjort USA til verdensledende innen heliumproduksjon. Etter forslag fra Sir Richard Threlfall finansierte den amerikanske marinen tre små eksperimentelle anlegg for å produsere dette stoffet under første verdenskrig for å gi sperreballonger en lett, ikke-brennbar løftegass. Programmet produserte tot alt 5700 m3 92% He, selv om det tidligere hadde blitt produsert mindre enn 100 liter gass. Noe av dette volumet ble brukt i verdens første helium-luftskip, US Navy C-7, som tok sin jomfrureise fra Hampton Roads, Virginia til Bolling Field, Washington, DC 7. desember 1921.

Selv om lavtemperatur-gassvæskeprosessen ikke var avansert nok på den tiden til å være betydelig under første verdenskrig, fortsatte produksjonen. Helium ble hovedsakelig brukt som løftegass i fly. Etterspørselen etter den vokste under andre verdenskrig, da den ble brukt til skjermet buesveising. Grunnstoffet var også viktig i atombombeprosjektet. Manhattan.

US National Stock

I 1925 etablerte USAs regjering National Helium Reserve i Amarillo, Texas, med det formål å tilby militære luftskip i tider med krig og kommersielle luftskip i tider med fred. Bruken av gass gikk ned etter andre verdenskrig, men tilgangen ble økt på 1950-tallet for blant annet å gi den som kjølevæske brukt i produksjonen av oksyhydrogenrakettdrivstoff under romkappløpet og den kalde krigen. USAs heliumbruk i 1965 var åtte ganger det høyeste forbruket i krigstid.

Etter Helium Act av 1960, inngikk Bureau of Mines 5 private selskaper for å utvinne elementet fra naturgass. For dette programmet ble det bygget en 425 kilometer lang gassrørledning som kobler disse anleggene til et delvis utarmet regjeringsgassfelt nær Amarillo, Texas. Helium-nitrogenblandingen ble pumpet inn i et underjordisk lagringsanlegg og ble værende der til det trengtes.

I 1995 var en milliard kubikkmeter med aksjer samlet inn, og National Reserve hadde en gjeld på 1,4 milliarder dollar, noe som fikk den amerikanske kongressen til å fase den ut i 1996. Etter at heliumprivatiseringsloven ble vedtatt i 1996, begynte Naturressursdepartementet å avvikle lagringsanlegget i 2005.

Renhet og produksjonsvolumer

Helium produsert før 1945 hadde en renhet på omtrent 98 %, resten 2 %stod for nitrogen, som var tilstrekkelig for luftskip. I 1945 ble det produsert en liten mengde på 99,9 prosent gass for bruk i buesveising. I 1949 hadde renheten til det resulterende elementet nådd 99,995%.

I mange år produserte USA over 90 % av verdens kommersielle helium. Siden 2004 har den produsert 140 millioner m3 årlig, hvorav 85 % kommer fra USA, 10 % fra Algerie, og resten fra Russland og Polen. De viktigste kildene til helium i verden er gassfeltene i Texas, Oklahoma og Kansas.

Mottaksprosess

Helium (98,2 % renhet) utvinnes fra naturgass ved å gjøre andre komponenter flytende ved lave temperaturer og høyt trykk. Adsorpsjonen av andre gasser med avkjølt aktivt karbon oppnår en renhet på 99,995 %. En liten mengde helium produseres ved å gjøre luft flytende i stor skala. Omtrent 3,17 kubikkmeter kan fås fra 900 tonn luft. m med gass.

Bruksområder

Edelgass har blitt brukt i ulike felt.

Helium, hvis egenskaper gjør det mulig å oppnå ultralave temperaturer, brukes som kjølemiddel i Large Hadron Collider, superledende magneter i MR-maskiner og kjernemagnetiske resonansspektrometre, satellittutstyr, og også for flytende oksygen. og hydrogen i Apollo-raketter.
Som en inert gass for sveising av aluminium og andre metaller, i produksjon av optiske fibre og halvledere.
Å lagetrykk i drivstofftankene til rakettmotorer, spesielt de som kjører på flytende hydrogen, siden bare gassformig helium beholder sin aggregeringstilstand når hydrogen forblir flytende);
He-Ne gasslasere brukes til å skanne strekkoder ved supermarkedskasser.
Helium Ion-mikroskopet gir bedre bilder enn elektronmikroskopet.
På grunn av sin høye permeabilitet brukes edelgass til å sjekke for lekkasjer i for eksempel bilklimaanlegg, og for raskt å blåse opp kollisjonsputer i en kollisjon.
Lav tetthet lar deg fylle dekorative ballonger med helium. Inertgass har erstattet eksplosivt hydrogen i luftskip og ballonger. For eksempel, i meteorologi, brukes heliumballonger til å løfte måleinstrumenter.
I kryogen teknologi fungerer det som kjølevæske, siden temperaturen til dette kjemiske elementet i flytende tilstand er lavest mulig.
Helium, hvis egenskaper gir det lav reaktivitet og løselighet i vann (og blod), blandet med oksygen, har funnet anvendelse i pustesammensetninger for dykking og caissonarbeid.
Meteoritter og bergarter analyseres for dette elementet for å bestemme deres alder.