Helium: egenskaber, karakteristika, anvendelsen

Helium - indifferent gas af gruppe 18 i det periodiske system. Dette er den anden letteste element efter hydrogen. Helium - gas uden farve, lugt og smag, der bliver flydende ved en temperatur på -268,9 ° C kogepunkt og dets frysepunkt lavere end for nogen anden kendt stof. Det er det eneste element, som ikke størkner under afkøling ved normalt atmosfærisk tryk. Han flyttede til fast tilstand skal være 25 atmosfærer, ved en temperatur på 1 K.

Historien om opdagelsen

Helium blev fundet i gassen atmosfæren omkring solen, den franske astronom Pierre Zhansenom at i 1868 under en solformørkelse har fundet en lys gul linie i spektret af sol kromosfæren. Oprindeligt blev det antaget, at denne linje repræsenterer elementet natrium. I samme år, engelsk astronom Dzhozef Norman Lockyer observeret en gul streg i solens spektrum, som ikke svarede til kendte natrium linier _D1 og _D2, og den er derfor navngivet det en linje _D3. Lockyer konkluderede, at det var forårsaget af et stof i Solen ukendt på Jorden. Han og kemiker Edward Frankland i titlen element ved hjælp af den græske navn 'Helios' Sun.

I 1895 har den britiske kemiker Sir Uilyam Ramzay bevist eksistensen af helium på Jorden. Han modtog prøve cleveite uran-bærende mineraler og efter at have undersøgt de gasser, der dannes under opvarmning, er det konstateret, at lyse gule linie i spektret sammenfaldende med linien D _3, observeret i solspektret. Således blev et nyt element til sidst installeret. I 1903 Ramsay og Frederick Soddy fandt, at helium er et produkt af det spontane henfald af radioaktive stoffer.

Fordeling i naturen

Massen af helium er ca. 23% af den samlede masse af universet, og elementet er den næsthyppigste i rummet. Den er koncentreret i stjerner, hvor hydrogen dannes fra den resulterende fusion. Skønt helium i atmosfæren er i en koncentration på 1 del til 200 th. (5 ppm) og er indeholdt i små mængder af radioaktive mineraler, meteorit kirtel, samt mineralske kilder, store mængder af grundstoffet findes i USA (især i Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, og Arizona) som komponent (til 7,6%) af naturgas. Små og reserverne er opdaget i Australien, Algeriet, Polen, Qatar og Rusland. I skorpe helium koncentrationen er kun omkring 8 ppb.

isotoper

Kernen i hver af de heliumatom indeholder to protoner, men som med andre elementer, det har isotoper. De indeholder fra et til seks neutroner, så deres masse numre fra tre til otte. Stabile af disse er de elementer, hvis vægt er bestemt af helium atomnummer 3 ^(3He) og 4 ^(4He). Alle andre radioaktive og hurtigt henfalde til andre stoffer. Jordens helium er ikke en original del af planeten, blev det dannet som et resultat af radioaktivt henfald. Alfapartikler udsendes af kerner af radioaktive tunge stoffer isotop ^4He kerne. Helium akkumuleres ikke i store mængder i atmosfæren, fordi Jordens tyngdekraft ikke er tilstrækkelig til at forhindre, at den gradvist siver ud i rummet. Spor af ³ Han i verden er forklaret negativ betahenfald brint sjældne 3 element (tritium). ⁴ Han er den mest almindelige af stabile isotoper: ⁴ forhold af He atomer mod ^3He er ca. 700 tusinde til 1 atmosfære og ca. 7 millioner af 1 i nogle heliumrige mineraler ..

De fysiske egenskaber af helium

kogning og smeltepunktet af denne post er lavest. Derfor eksisterer helium som en gas, undtagen i ekstreme forhold. Han gas opløses i vand mindre end nogen anden gas, og diffusionshastigheden gennem det faste legeme er tre gange større end for luft. Dens brydningsindeks tættest nærmer sig 1.

Den termiske ledningsevne af helium er det kun hydrogen varmeledningsevne, specifik varme og dens ekstraordinært høj. Ved almindelige temperaturer er det opvarmes under ekspansion, og under 40 K - afkølet. Derfor ved T <40 K helium kan omdannes til en væske ved at udvide.

Element er en isolator, hvis ikke er i den ioniserede tilstand. Som med andre ædelgasser, helium har en metastabil energiniveauer, der tillader det at blive ioniseret ved en elektrisk udladning når en spænding er under ioniseringspotentiale.

Helium-4 er enestående, fordi det har to flydende former. Sædvanlig kaldet helium I og eksisterer ved temperaturer fra kogepunktet af 4,21 K (-268,9 ° C) til ca. 2,18 K (-271 ° C). Lavere termisk ledningsevne på 2,18 K ⁴ bliver han 1000 gange større end for kobber. Denne form kaldes helium II, for at skelne det fra det sædvanlige. Det har superflydende: viskositeten er så lav, at den ikke kan måles. Helium II spredes til en tynd film på overfladen af et stof, som er berørt, og denne film strømmer uden friktion selv mod tyngdekraften.

Mindre talrige helium-3 danner tre forskellige væskefaser, hvoraf to er superflydende. Superfluiditet i ⁴ Han blev opdaget af den sovjetiske fysiker Petrom Leonidovichem Kapitsey i midten af 1930'erne, og det samme fænomen i ³ Han først blev bemærket af Douglas D. Osheroff, David M. Lee, og Robert C. Richardson i USA i 1972.

En flydende blanding af to isotoper af helium-3 og -4 ved temperaturer under 0,8 K (-272,4 ° C) er opdelt i to lag - et i det væsentlige rene ^3He og ^4He blanding med 6% helium-3. Opløsning af ^3He i ^4He er ledsaget af den køleeffekt, som anvendes i kryostat strukturer, hvor helium temperaturen er under 0,01 K (-273,14 ° C) og holdes i et par dage.

tilslutninger

Under normale forhold, helium er kemisk inert. I ekstrem kan oprette en forbindelse element, som ved normal temperatur og tryk indikatorer er ikke stabile. For eksempel kan helium danne forbindelser med jod, wolfram, fluor, fosfor og svovl, når de udsættes for en elektrisk glimudladning eller ved elektronbombardement i plasmaet tilstand. Således blev det skabt HeNe, HgHe _10, whe ₂ og molekylære ioner Han ₂ ⁺ ₂ Ikke ^++, heh ⁺ og Hed ^+. Denne teknik har også været et neutralt molekyle Han ₂ og HgHe.

plasma

I universet fordelagtigt fordelt ioniseret helium, hvis egenskaber afviger væsentligt fra den molekylære. De elektroner og protoner blev ikke knyttet, og det har en meget høj elektrisk ledningsevne, selv i en delvis ioniseret tilstand. På ladede partikler er stærkt påvirket af magnetiske og elektriske felter. For eksempel i solvinden med heliumioner interagerer med den ioniserede hydrogen magnetosfæren jord, forårsager Aurora Borealis.

Opdagelsen af indskud i USA

Efter boring i 1903 i Dexter, Kansas, blev det opnået ved ikke-brændbar gas. I første omgang var det ikke kendt, at det indeholder helium. Hvilken gas blev fundet, identificeret tilstand Erasmus Haworth geolog, der har samlet sine prøver og University of Kansas via kemikere Kedi Gamiltona og David McFarland fandt, at det indeholder 72% nitrogen, 15% methan, 1% hydrogen og 12% blev ikke identificeret. Efter at have tilbragt den efterfølgende analyse, fandt forskerne, at 1,84% af prøven af helium. Så vi ved, at dette grundstof er til stede i store mængder i dybet af Great Plains, hvor det kan udvindes af naturgas.

industriel produktion

Dette har gjort USA til verdens produktion af helium leder. På forslag af Sir Richard Threlfall, US Navy finansieret tre små pilotanlæg til fremstilling af dette stof under Første Verdenskrig for at sikre de spærreballon letvægts ikke-brændbar løft gas. Ifølge dette program blev produceret i alt 5700 ^m3 92 pct Han, selvom dette er tilvejebragt kun på mindst 100 liter gas. En del af dette beløb blev brugt i verdens første helium luftskib den amerikanske flåde C-7, som gjorde sin jomfrurejse fra Hampton Roads (Virginia) på Bolling Field (Washington, DC) december 7, 1921.

Selv om processen med lav temperatur flydende gas på det tidspunkt ikke var tilstrækkeligt udviklet til at være betydelige i den første verdenskrig fortsatte produktionen. Helium anvendes almindeligvis som en løftegas i fly. Efterspørgslen efter den er steget under Anden Verdenskrig, da det blev brugt med et afskærmet lysbuesvejsning. Elementet har også stor betydning for skabelsen af atombomben "Manhattan".

US National reserve

I 1925, den amerikanske regering skabte det nationale reserve af helium i Amarillo, Texas, for at give militære luftskibe i krigstid og kommercielle luftskibe i fredstid. Brugen af gas faldt efter Anden Verdenskrig, men bestanden blev øget i 1950 for at give blandt andet, det leverer som kølemiddel anvendes i produktionen af ilt-brint drivmiddel under rumkapløbet og den kolde krig. Brugen af helium i USA i 1965, otte gange højere end den maksimale forbrug i krigstid.

Efter vedtagelsen af loven om helium 1960 Mining Bureau Streak 5 private virksomheder til at udtrække elementet fra naturgas. Dette program blev bygget 425-km rørledning til at forbinde disse planter med regeringen delvist udtømt gasfelt nær Amarillo, Texas. Helium-nitrogen-blanding pumpes ind underjordisk lagring, og forblev der, indtil der ikke er behov i det.

I 1995 blev mængden af lager samlet milliarder kubikmeter, mens gælden i den nationale reserve på 1,4 milliarder dollars, som fik den amerikanske kongres i 1996 at udfase af det. Efter vedtagelsen i 1996 af loven om privatisering af helium Ministeriet for Naturressourcer lanceret en likvidation butik i 2005.

Ren og produktion

Helium produceret frem til 1945 år havde en renhed på ca. 98%, andre 2% var i nitrogen, som er tilstrækkelig til luftskibe. I 1945, producerede en lille mængde af 99,9 procent af gas til anvendelse ved lysbuesvejsning. Af 1949 har renheden af det resulterende element nåede 99,995%.

I mange år producerede USA mere end 90% af verdens kommercielle helium. Siden 2004 hvert år den blev udarbejdet 140 mio ^m3, hvoraf 85% sker i USA, blev 10% udført i Algeriet, og resten - i Rusland og Polen. De vigtigste kilder til helium i verden er naturlige gasfelter i Texas, Oklahoma og Kansas.

Fremgangsmåden til opnåelse af

Helium (renhed 98,2%) udvindes fra likvefaktion af naturgas af andre komponenter ved lave temperaturer og ved høje tryk. Adsorption af andre gasser afkølet aktivt kul kan opnå renheden af 99,995%. En lille mængde helium produceret under luft fortætning i stor skala. Af de 900 tons luft kan få omkring 3.17 kubikmeter. m gas.

Anvendelsesområder

Noble gas er blevet anvendt på forskellige områder.

• Helium, hvilke egenskaber det muligt at opnå meget lav temperatur, anvendes som et kølemiddel i LHC, MRI superledende magnet apparater og NMR-spektrometre, satellit udstyr, såvel som til flydendegørelse af oxygen og hydrogen i missiler "Apollo".
• Som den inerte gas til svejsning af aluminium og andre. Metaller med fremstilling af halvledere og optiske fibre.
• .. At skabe tryk i brændstoftanken på raketmotorer, især dem, der opererer på flydende brint, t kun heliumgas bevarer sin aggregattilstand når hydrogen forbliver flydende);
• He-Ne gas lasere bruges til at scanne stregkoden på box office i supermarkeder.
• Helium-ion mikroskop giver dig mulighed for at få det bedste billede end elektronisk.
• Grund af den høje permeabilitet af ædelgassen anvendes til at teste lækager, for eksempel i biler klimaanlæg samt hurtig fyldning airbaggen ved kollision.
• Lav tæthed tillader dekorative bolde fyldt med helium. Den inerte gas erstattes eksplosiv hydrogengas i luftskibe og balloner. For eksempel i meteorologi, der helium balloner benyttes til at løfte måleinstrumentet.
• Det kryogene kølemiddel anvendes, eftersom temperaturen af det grundstof i den mindst mulige flydende tilstand.
• Helium, hvilke egenskaber giver det en lav reaktivitet og vandopløselighed (og blod), i en blanding med oxygen har fundet anvendelse i respiratoriske formuleringer til dykning og holde sænkekasse arbejde.
• Meteoritter og klipper analyseres for indholdet af dette element til at bestemme deres alder.

Helium: egenskaberne af elementet

Han vigtigste fysiske egenskaber er som følger:

• Atomic nummer: 2.
• Den relative masse af helium atom: 4,0026.
• Smeltepunkt: nej.
• Kogepunkt: -268,9 ° C.
• Densitet (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oxidationstrin 0.