Heelium: omadused, omadused, rakendused

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-02 17:45

Heelium on perioodilisuse tabeli 18. rühma inertgaas. See on vesiniku järel kergeim element. Heelium on värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas, mis muutub vedelaks temperatuuril -268,9 °C. Selle keemis- ja külmumistemperatuur on madalam kui mis tahes muul tuntud ainel. See on ainus element, mis normaalsel atmosfäärirõhul jahutamisel ei tahku. Heeliumi tahkumiseks kulub 25 atmosfääri temperatuuril 1 K.

Avastuste ajalugu

Heeliumi avastas Päikest ümbritsevast gaasilisest atmosfäärist prantsuse astronoom Pierre Jansen, kes 1868. aastal avastas päikesevarjutuse ajal Päikese kromosfääri spektris erekollase joone. Algselt arvati, et see joon esindab elementi naatriumi. Samal aastal täheldas inglise astronoom Joseph Norman Lockyer päikesespektris kollast joont, mis ei vastanud teadaolevatele naatriumijoontele D₁ ja D₂ja nii pani ta tema liinile nimeks D_{3. Lockyer järeldas, et selle põhjustas Maal tundmatu Päikesel leiduv aine. Tema ja keemik Edward Frankland kasutasid elemendi nimesPäikese kreekakeelne nimi on Helios.}

Aastal 1895 tõestas Briti keemik Sir William Ramsay heeliumi olemasolu Maal. Ta sai uraani sisaldava mineraalse kleveiidi proovi ja pärast kuumutamisel tekkinud gaaside uurimist leidis, et spektri erekollane joon langes kokku D_{3 joonega, mida täheldati aastal. Päikese spekter. Seega sai uus element lõpuks paigaldatud. 1903. aastal tegid Ramsay ja Frederick Soddu kindlaks, et heelium on radioaktiivsete ainete spontaanne lagunemissaadus.}

Levike looduses

Heeliumi mass moodustab umbes 23% kogu universumi massist ja see element on kosmoses suuruselt teine. See on koondunud tähtedesse, kus see tekib termotuumasünteesi tulemusena vesinikust. Kuigi maakera atmosfääris leidub heeliumi kontsentratsiooniga 1 osa 200 tuhande kohta (5 ppm) ja seda leidub väikestes kogustes radioaktiivsetes mineraalides, meteoriidirauas ja mineraalveeallikates, leidub seda elementi suurtes kogustes USA-s (eriti Texases, New Yorgis). Mehhiko, Kansas, Oklahoma, Arizona ja Utah) maagaasi komponendina (kuni 7,6%). Väikesed varud on leitud Austraaliast, Alžeeriast, Poolast, Katarist ja Venema alt. Maakoores on heeliumi kontsentratsioon vaid umbes 8 ppb.

Isotoobid

Iga heeliumi aatomi tuum sisaldab kahte prootonit, kuid nagu teistelgi elementidel, on sellel isotoope. Need sisaldavad ühte kuni kuut neutronit, seega on nende massiarv kolm kuni kaheksa. Stabiilsed on elemendid, mille heeliumi massi määravad aatomnumbrid 3 (³He) ja 4 (⁴He). Kõik ülejäänud on radioaktiivsed ja lagunevad väga kiiresti teisteks aineteks. Maapealne heelium ei ole planeedi algkomponent, see tekkis radioaktiivse lagunemise tulemusena. Raskete radioaktiivsete ainete tuumadest eralduvad alfaosakesed on isotoobi ⁴He tuumad. Heelium ei kogune atmosfääris suurtes kogustes, sest Maa gravitatsioon ei ole piisav alt tugev, et takistada selle järkjärgulist kosmosesse pääsemist. ³He jälgi Maal seletatakse haruldase elemendi vesinik-3 (triitium) negatiivse beetalagunemisega. ⁴Ta on stabiilsetest isotoopidest kõige arvukam: ⁴Ta aatomite ja ^{3Tema suhe on umbes 700 tuhat kuni 1 atmosfääris ja umbes 7 miljonit kuni 1 mõnes heeliumi sisaldavas mineraalis.}

Heeliumi füüsikalised omadused

Selle elemendi keemis- ja sulamistemperatuurid on madalaimad. Sel põhjusel eksisteerib heelium gaasina, välja arvatud äärmuslikes tingimustes. Gaasiline He lahustub vees vähem kui ükski teine gaas ja tahkete ainete difusioonikiirus on kolm korda suurem kui õhul. Selle murdumisnäitaja on kõige lähemal 1-le.

Heeliumi soojusjuhtivus on vesiniku järel teisel kohal ja selle erisoojusmaht on ebatavaliselt kõrge. Tavalistel temperatuuridel soojeneb see paisumisel ja jahtub alla 40 K. Seetõttu saab heeliumi T<40 K juures muundadavedelik paisumise teel.

Element on dielektrik, kui ta ei ole ioniseeritud olekus. Nagu teistel väärisgaasidel, on ka heeliumil metastabiilne energiatase, mis võimaldab tal jääda ioniseerituks elektrilahenduse korral, kui pinge jääb alla ionisatsioonipotentsiaali.

Heelium-4 on ainulaadne selle poolest, et sellel on kaks vedelat vormi. Tavalist nimetatakse heelium I-ks ja see eksisteerib temperatuurivahemikus keemistemperatuurist 4,21 K (-268,9 °C) kuni umbes 2,18 K (-271 °C). Alla 2,18 K on 4Ta soojusjuhtivus 1000 korda suurem kui vasel. Seda vormi nimetatakse heelium II-ks, et eristada seda tavavormist. See on ülivedelik: viskoossus on nii madal, et seda ei saa mõõta. Heelium II levib õhukeseks kileks selle pinnale, mida see puudutab, ja see kile voolab hõõrdumiseta isegi gravitatsiooni vastu.

Vähem heelium-3 moodustab kolm erinevat vedelat faasi, millest kaks on ülivedelikud. Ülivoolavus ⁴Tema avastas Nõukogude füüsik Pjotr Leonidovitš Kapitsa 1930. aastate keskel ja sama nähtuse ^{3Teda märkas esmakordselt Douglas D Osherov, David M. Lee ja Robert S. Richardson USA-st 1972. aastal.}

Heelium-3 ja -4 kahe isotoobi vedel segu temperatuuril alla 0,8 K (-272,4 °C) jaguneb kaheks kihiks – peaaegu puhas ³Ta ja⁴He segu 6% heelium-3-ga. ³He lahustumisega ^{4Ta kaasneb jahutav efekt, mida kasutatakse krüostaatide konstrueerimisel, mille puhul heeliumi temperatuur langeb.alla 0,01 K (-273,14 °C) ja hoitakse seal mitu päeva.}

Ühendused

Norma altingimustes on heelium keemiliselt inertne. Ekstreemsetes tingimustes saate luua elementühendusi, mis ei ole normaalsetel temperatuuridel ja rõhkudel stabiilsed. Näiteks võib heelium moodustada ühendeid joodi, volframi, fluori, fosfori ja väävliga, kui see elektronidega pommitamisel või plasma olekus elektrilise hõõglahendusega toime tulla. Seega loodi molekulaarsed ioonid HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ ja He₂+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{ja HeD+}. See meetod võimaldas saada ka neutraalseid molekule He² ja HgHe.

Plasma

Universumis on valdav alt jaotunud ioniseeritud heelium, mille omadused erinevad oluliselt molekulaarsest. Selle elektronid ja prootonid ei ole seotud ning sellel on väga kõrge elektrijuhtivus isegi osaliselt ioniseeritud olekus. Laetud osakesi mõjutavad tugev alt magnet- ja elektriväljad. Näiteks päikesetuules interakteeruvad heeliumioonid koos ioniseeritud vesinikuga Maa magnetosfääriga, põhjustades aurorasid.

USA avastus

Pärast kaevu puurimist 1903. aastal saadi Kansase osariigis Dexteris mittesüttiv gaas. Esialgu ei teatud, et see sisaldab heeliumi. Milline gaas leiti, tegi kindlaks osariigi geoloog Erasmus Haworth, keskogus sellest proove ja Kansase ülikoolis leidis keemikute Cady Hamiltoni ja David McFarlandi abiga, et see sisaldab 72% lämmastikku, 15% metaani, 1% vesinikku ja 12% ei tuvastatud. Pärast täiendavat analüüsi leidsid teadlased, et 1,84% proovist oli heelium. Nii said nad teada, et seda keemilist elementi leidub suurtes kogustes Suure tasandiku soolestikus, kust saab seda maagaasist eraldada.

Tööstuslik tootmine

See on muutnud Ameerika Ühendriigid heeliumi tootmisel maailmas liidriks. Sir Richard Threlfalli ettepanekul rahastas USA merevägi I maailmasõja ajal kolme väikest katsetehast selle aine tootmiseks, et varustada paisuõhupallid kerge, mittesüttiva tõstegaasiga. Programm tootis kokku 5700 m3 92% He, kuigi varem oli toodetud vähem kui 100 liitrit gaasi. Osa sellest mahust kasutati maailma esimeses heeliumi õhulaevas US Navy C-7, mis tegi 7. detsembril 1921 oma esmareisi Virginia osariigist Hampton Roadsist Washingtoni osariigis Bolling Fieldi.

Kuigi madalal temperatuuril gaasi veeldamise protsess ei olnud tol ajal piisav alt arenenud, et olla Esimese maailmasõja ajal oluline, jätkus tootmine. Heeliumi kasutati peamiselt õhusõidukite tõstegaasina. Nõudlus selle järele kasvas II maailmasõja ajal, mil seda kasutati varjestatud kaarkeevituses. Element oli oluline ka aatomipommi projektis. Manhattan.

USA riiklikud aktsiad

1925. aastal asutas Ameerika Ühendriikide valitsus Texase osariigis Amarillos riikliku heeliumireservi, et pakkuda sõja ajal sõjaväe õhulaevu ja rahuajal kaubanduslikke õhulaevu. Gaasi kasutamine vähenes pärast Teist maailmasõda, kuid 1950. aastatel suurendati pakkumist, et muuhulgas tagada gaasi tarnimine jahutusvedelikuna, mida kasutati kosmosevõidusõidu ja külma sõja ajal raketi hapniku tootmisel. USA heeliumi tarbimine oli 1965. aastal kaheksa korda suurem sõjaaegsest tarbimisest.

Pärast 1960. aasta heeliumiseadust sõlmis kaevanduste büroo 5 eraettevõttega lepingu, et eraldada see element maagaasist. Selle programmi jaoks ehitati 425-kilomeetrine gaasijuhe, mis ühendas need tehased osaliselt ammendatud valitsuse gaasiväljaga Amarillo lähedal Texases. Heeliumi ja lämmastiku segu pumbati maa-alusesse hoidlasse ja jäi sinna kuni vajaduseni.

1995. aastaks oli kogutud miljard kuupmeetrit varu ja riiklikul reservil oli võlg 1,4 miljardit dollarit, mistõttu USA Kongress lõpetas selle 1996. aastal järk-järgult. Pärast heeliumi erastamisseaduse vastuvõtmist 1996. aastal alustas loodusvarade ministeerium hoidla likvideerimist 2005. aastal.

Puhtus ja tootmismahud

Enne 1945. aastat toodetud heeliumi puhtusaste oli umbes 98%, ülejäänud 2%moodustas lämmastikku, millest piisas õhulaevade jaoks. 1945. aastal toodeti kaarkeevitamisel kasutamiseks väike kogus 99,9 protsenti gaasi. 1949. aastaks oli saadud elemendi puhtus saavutanud 99,995%.

Palju aastaid on Ameerika Ühendriigid tootnud üle 90% maailma kaubanduslikust heeliumist. Alates 2004. aastast on see tootnud 140 miljonit m3 aastas, millest 85% pärineb Ameerika Ühendriikidest, 10% Alžeeriast ning ülejäänud Venema alt ja Poolast. Peamised heeliumi allikad maailmas on Texase, Oklahoma ja Kansase gaasimaardlad.

Vastuvõtuprotsess

Heelium (puhtusaste 98,2%) ekstraheeritakse maagaasist teiste komponentide vedeldamisel madalal temperatuuril ja kõrgel rõhul. Muude gaaside adsorptsioon jahutatud aktiivsöega saavutab puhtuse 99,995%. Väike kogus heeliumi tekib õhu ulatuslikul vedeldamisel. 900 tonnist õhust saab umbes 3,17 kuupmeetrit. m gaasi.

Kasutusvaldkonnad

Väärisgaasi on kasutatud erinevates valdkondades.

Heeliumi, mille omadused võimaldavad saavutada ülimadalaid temperatuure, kasutatakse jahutusainena suures hadronipõrgutis, ülijuhtivate magnetitena MRI-seadmetes ja tuumamagnetresonantsspektromeetrites, satelliitseadmetes ning ka hapniku veeldamiseks. ja vesinik Apollo rakettides.
Inertgaasina alumiiniumi ja muude metallide keevitamiseks optiliste kiudude ja pooljuhtide tootmisel.
Loomiseksrõhk rakettmootorite kütusepaakides, eriti vedelal vesinikul töötavate mootorite kütusepaakides, kuna ainult gaasiline heelium säilitab oma agregatsiooni, kui vesinik jääb vedelaks);
He-Ne gaasilasereid kasutatakse vöötkoodide skannimiseks supermarketi kassades.
Heelium-ioonmikroskoop annab paremaid pilte kui elektronmikroskoop.
Kõrge läbilaskvuse tõttu kasutatakse väärisgaasi lekete kontrollimiseks näiteks auto kliimaseadmetes ja turvapatjade kiireks täitumiseks avarii korral.
Madal tihedus võimaldab täita dekoratiivõhupalle heeliumiga. Inertgaas on õhulaevades ja õhupallides asendanud plahvatusohtliku vesiniku. Näiteks meteoroloogias kasutatakse heeliumi õhupalle mõõteriistade tõstmiseks.
Krüogeentehnoloogias toimib see jahutusvedelikuna, kuna selle keemilise elemendi temperatuur vedelas olekus on madalaim võimalik.
Heelium, mille omadused tagavad selle vähese reaktsioonivõime ja vees (ja veres) lahustuvuse hapnikuga segatuna, on leidnud rakendust sukeldumise ja kessonitöö hingamiskompositsioonides.
Selle elemendi vanuse määramiseks analüüsitakse meteoriite ja kivimeid.