Helium: ominaisuudet, ominaisuudet, sovellukset

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-02 17:46

Helium on jaksollisen järjestelmän 18. ryhmän inertti kaasu. Se on toiseksi kevyin alkuaine vedyn jälkeen. Helium on väritön, hajuton ja mauton kaasu, joka muuttuu nestemäiseksi -268,9 °C:ssa. Sen kiehumis- ja jäätymispisteet ovat alhaisemmat kuin minkään muun tunnetun aineen. Se on ainoa alkuaine, joka ei kiinteydy jäähdytettäessä normaalissa ilmanpaineessa. Heliumin jähmettyminen vaatii 25 ilmakehää 1 K:n lämpötilassa.

Löytöhistoria

Heliumin löysi aurinkoa ympäröivästä kaasumaisesta ilmakehästä ranskalainen tähtitieteilijä Pierre Jansen, joka vuonna 1868 havaitsi auringonpimennyksen aikana kirkkaan keltaisen viivan auringon kromosfäärin spektristä. Tämän viivan ajateltiin alun perin edustavan natriumia. Samana vuonna englantilainen tähtitieteilijä Joseph Norman Lockyer havaitsi auringon spektrissä keltaisen viivan, joka ei vastannut tunnettuja natriumviivoja D₁ ja D₂, ja niin hän antoi hänelle nimen D_{3. Lockyer päätteli, että se johtui Auringossa olevasta aineesta, jota ei tunneta maan päällä. Hän ja kemisti Edward Frankland käyttivät elementin nimessäAuringon kreikkalainen nimi on Helios.}

Vuonna 1895 brittiläinen kemisti Sir William Ramsay todisti heliumin olemassaolon maan päällä. Hän sai näytteen uraania sisältävästä mineraalikleveiitistä ja tutkittuaan sen kuumennettaessa muodostuneita kaasuja hän havaitsi, että kirkkaan keltainen viiva spektrissä osui samaan aikaan vuonna havaitun D_{3 viivan kanssa. auringon spektri. Siten uusi elementti asennettiin lopulta. Vuonna 1903 Ramsay ja Frederick Soddu päättelivät, että helium on radioaktiivisten aineiden spontaani hajoamistuote.}

Levittää luonnossa

Heliumin massa on noin 23 % maailmankaikkeuden koko massasta, ja alkuaine on toiseksi yleisin avaruudessa. Se on keskittynyt tähtiin, missä se muodostuu vedystä lämpöydinfuusion seurauksena. Vaikka heliumia löytyy maapallon ilmakehästä pitoisuutena 1 osa per 200 tuhatta (5 ppm) ja pieniä määriä radioaktiivisissa mineraaleissa, meteoriittiraudassa ja mineraalilähteissä, suuria määriä alkuainetta löytyy Yhdysvalloista (erityisesti Texasissa, New Yorkissa). Meksiko, Kansas, Oklahoma, Arizona ja Utah) maakaasun komponenttina (jopa 7,6 %). Pieniä varoja on löydetty Australiasta, Algeriasta, Puolasta, Qatarista ja Venäjältä. Maankuoressa heliumin pitoisuus on vain noin 8 ppb.

Isotoopit

Jokaisen heliumatomin ydin sisältää kaksi protonia, mutta kuten muissakin alkuaineissa, siinä on isotooppeja. Ne sisältävät yhdestä kuuteen neutronia, joten niiden massaluvut vaihtelevat kolmesta kahdeksaan. Stabiilit ovat alkuaineita, joiden heliummassa määräytyy atomiluvuilla 3 (³He) ja 4 (⁴He). Kaikki loput ovat radioaktiivisia ja hajoavat hyvin nopeasti muiksi aineiksi. Maanpäällinen helium ei ole planeetan alkuperäinen komponentti, vaan se muodostui radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Raskaiden radioaktiivisten aineiden ytimien lähettämät alfahiukkaset ovat isotoopin ⁴He ytimiä. Heliumia ei kerry ilmakehään suuria määriä, koska Maan painovoima ei ole tarpeeksi vahva estääkseen sitä vähitellen karkaamasta avaruuteen. Jäljet ³Hestä maan päällä selittyvät harvinaisen alkuaineen vety-3:n (tritiumin) negatiivisella beetahajoamisella. ⁴Hän on runsain stabiileista isotoopeista: ⁴Hän-atomien suhde ^{3Hän on noin 700 tuhatta:1 ilmakehässä ja noin 7 miljoonaa:1 joissakin heliumia sisältävissä mineraaleissa.}

Heliumin fysikaaliset ominaisuudet

Tämän alkuaineen kiehumis- ja sulamispisteet ovat alhaisimmat. Tästä syystä helium on olemassa kaasuna, paitsi äärimmäisissä olosuhteissa. Kaasumainen He liukenee veteen vähemmän kuin mikään muu kaasu, ja diffuusionopeus kiinteiden aineiden läpi on kolme kertaa ilmaan verrattuna. Sen taitekerroin on lähinnä arvoa 1.

Heliumin lämmönjohtavuus on toiseksi vain vedyn johtavuus, ja sen ominaislämpökapasiteetti on epätavallisen korkea. Tavallisissa lämpötiloissa se lämpenee laajeneessaan ja jäähtyy alle 40 K:n lämpötilaan. Siksi T<40 K:ssa helium voidaan muuntaanestettä paisuttamalla.

Alkuaine on dielektrinen, jos se ei ole ionisoituneessa tilassa. Muiden jalokaasujen tapaan heliumilla on metastabiilit energiatasot, jotka mahdollistavat sen pysymisen ionisoituneena sähköpurkauksessa, kun jännite pysyy ionisaatiopotentiaalin alapuolella.

Helium-4 on ainutlaatuinen, koska sillä on kaksi nestemäistä muotoa. Tavallista kutsutaan helium I:ksi, ja se esiintyy lämpötiloissa, jotka vaihtelevat 4,21 K (-268,9 °C) ja noin 2,18 K (-271 °C) välillä. Alle 2,18 K:n 4Hän lämmönjohtavuudesta tulee 1000 kertaa suurempi kuin kuparin. Tätä muotoa kutsutaan helium II:ksi sen erottamiseksi normaalimuodosta. Se on supernestettä: viskositeetti on niin alhainen, ettei sitä voi mitata. Helium II leviää ohueksi kalvoksi kaiken pintaan, johon se koskettaa, ja tämä kalvo virtaa ilman kitkaa jopa painovoimaa vastaan.

Vähemmän runsas helium-3 muodostaa kolme erillistä nestefaasia, joista kaksi on supernestefaasia. Ylijuoksuisuus ⁴ Neuvostoliiton fyysikko Pjotr Leonidovitš Kapitsa löysi hänet 1930-luvun puolivälissä, ja saman ilmiön ^{3Hänen huomasi ensimmäisenä Douglas D Osherov, David M. Lee ja Robert S. Richardson Yhdysvalloissa vuonna 1972.}

Nestemäinen seos, jossa on kaksi isotooppia helium-3 ja -4 alle 0,8 K (-272,4 °C) lämpötiloissa, on jaettu kahteen kerrokseen - melkein puhdas ³Hän ja⁴He:n seos 6 % helium-3:n kanssa. ³Hän liukenemiseen ^{4Hänen mukana seuraa jäähdytysvaikutus, jota käytetään kryostaattien suunnittelussa, jolloin heliumin lämpötila laskeealle 0,01 K (-273,14 °C) ja pidetty siellä useita päiviä.}

Liitännät

Normaaleissa olosuhteissa helium on kemiallisesti inerttiä. Äärimmäisissä olosuhteissa voit luoda elementtiliitoksia, jotka eivät ole vakaita normaaleissa lämpötiloissa ja paineissa. Esimerkiksi helium voi muodostaa yhdisteitä jodin, volframin, fluorin, fosforin ja rikin kanssa, kun siihen kohdistuu sähköinen hehkupurkaus, kun sitä pommitetaan elektroneilla tai plasmatilassa. Siten HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ ja He₂ molekyyli-ionit luotiin+^{, Ei}2++^{, HeH}+ ^{ja HeD+}. Tällä tekniikalla saatiin myös neutraaleja molekyylejä He² ja HgHe.

Plasma

Universumissa ionisoitunut helium on pääasiallisesti jakautunut, jonka ominaisuudet eroavat merkittävästi molekyylien ominaisuuksista. Sen elektronit ja protonit eivät ole sitoutuneita, ja sillä on erittäin korkea sähkönjohtavuus jopa osittain ionisoituneessa tilassa. Magneetti- ja sähkökentät vaikuttavat voimakkaasti varautuneisiin hiukkasiin. Esimerkiksi aurinkotuulessa heliumionit yhdessä ionisoidun vedyn kanssa ovat vuorovaikutuksessa Maan magnetosfäärin kanssa aiheuttaen revontulia.

Yhdysv altain löytö

Kaivon porauksen jälkeen vuonna 1903 Dexteristä, Kansasista saatiin palamatonta kaasua. Aluksi ei tiedetty, että se sisältää heliumia. Mikä kaasu löydettiin, määritti osav altiogeologi Erasmus Haworth, jokakeräsivät siitä näytteitä ja Kansasin yliopistossa kemistien Cady Hamiltonin ja David McFarlandin avulla havaittiin, että se sisältää 72 % typpeä, 15 % metaania, 1 % vetyä ja 12 % ei tunnistettu. Lisäanalyysin jälkeen tutkijat havaitsivat, että 1,84 % näytteestä oli heliumia. Joten he oppivat, että tätä kemiallista alkuainetta on v altavia määriä Suurten tasangojen suolistossa, josta se voidaan uuttaa maakaasusta.

Teollisuustuotanto

Tämä on tehnyt Yhdysvalloista maailman johtavan heliumin tuotannon. Sir Richard Threlfallin ehdotuksesta Yhdysv altain laivasto rahoitti kolme pientä koetehdasta tämän aineen tuottamiseksi ensimmäisen maailmansodan aikana, jotta ilmapallot toimitettiin kevyellä, syttymättömällä nostokaasulla. Ohjelma tuotti yhteensä 5700 m3 92 % He, vaikka kaasua oli aiemmin tuotettu alle 100 litraa. Osa tästä määrästä käytettiin maailman ensimmäisessä helium-ilmalaivassa, US Navy C-7:ssä, joka teki neitsytmatkansa Hampton Roadsista Virginiasta Bolling Fieldiin Washington DC:hen 7. joulukuuta 1921.

Vaikka matalan lämpötilan kaasun nesteytysprosessi ei ollut tuolloin tarpeeksi pitkälle, jotta se olisi merkittävä ensimmäisen maailmansodan aikana, tuotanto jatkui. Heliumia käytettiin pääasiassa nostokaasuna lentokoneissa. Sen kysyntä kasvoi toisen maailmansodan aikana, jolloin sitä käytettiin suojatussa kaarihitsauksessa. Alkuaine oli tärkeä myös atomipommiprojektissa. Manhattan.

US National Stock

Vuonna 1925 Yhdysv altojen hallitus perusti National Helium Reserve -reservin Amarilloon, Teksasiin, tarkoituksenaan tarjota sotilasilmalaivoja sodan aikana ja kaupallisia ilmalaivoja rauhan aikoina. Kaasun käyttö väheni toisen maailmansodan jälkeen, mutta tarjontaa lisättiin 1950-luvulla muun muassa sen toimittamiseksi jäähdytysaineena, jota käytettiin happivetyrakettipolttoaineen tuotannossa avaruuskilpailun ja kylmän sodan aikana. Yhdysv altain heliumin käyttö vuonna 1965 oli kahdeksan kertaa suurempi kuin sota-ajan huippukulutus.

Vuoden 1960 heliumlain jälkeen Bureau of Mines teki sopimuksen 5 yksityisen yrityksen kanssa alkuaineen erottamiseksi maakaasusta. Tätä ohjelmaa varten rakennettiin 425 kilometriä pitkä kaasuputki, joka yhdistää nämä laitokset osittain ehtyneeseen v altion kaasukenttään lähellä Amarillon osav altiota Texasissa. Helium-typpiseos pumpattiin maanalaiseen varastoon ja pysyi siellä kunnes tarvittiin.

Vuoteen 1995 mennessä varastoa oli kerätty miljardi kuutiometriä ja National Reserve oli 1,4 miljardia dollaria velkaa, mikä sai Yhdysv altain kongressin luopumaan sen käytöstä vuonna 1996. Kun heliumin yksityistämislaki hyväksyttiin vuonna 1996, luonnonvaraministeriö aloitti varaston purkamisen vuonna 2005.

Puhtaus ja tuotantomäärät

Ennen vuotta 1945 tuotetun heliumin puhtaus oli noin 98 %, loput 2 %osuus oli typpeä, joka riitti ilmalaivoille. Vuonna 1945 tuotettiin pieni määrä 99,9 prosenttia kaasua käytettäväksi kaarihitsauksessa. Vuoteen 1949 mennessä saadun alkuaineen puhtaus oli saavuttanut 99,995%.

Yhdysvallat tuotti monien vuosien ajan yli 90 % maailman kaupallisesta heliumista. Vuodesta 2004 lähtien se on tuottanut 140 miljoonaa m3 vuodessa, josta 85 % tulee Yhdysvalloista, 10 % Algeriasta ja loput Venäjältä ja Puolasta. Maailman tärkeimmät heliumin lähteet ovat Texasin, Oklahoman ja Kansasin kaasukentät.

Vastaanottoprosessi

Helium (puhtaus 98,2 %) uutetaan maakaasusta nesteyttämällä muita komponentteja matalissa lämpötiloissa ja korkeissa paineissa. Muiden kaasujen adsorptio jäähdytetyllä aktiivihiilellä saavuttaa 99,995 %:n puhtauden. Pieni määrä heliumia syntyy nesteyttämällä ilmaa suuressa mittakaavassa. 900 tonnista ilmaa saadaan noin 3,17 kuutiometriä. m kaasua.

Sovellusalueet

Jalokaasua on käytetty useilla aloilla.

Heliumia, jonka ominaisuudet mahdollistavat erittäin alhaisten lämpötilojen saavuttamisen, käytetään jäähdytysaineena Large Hadron Colliderissa, suprajohtavina magneetteina MRI-laitteissa ja ydinmagneettiresonanssispektrometreissä, satelliittilaitteissa ja myös hapen nesteyttämiseen ja vetyä Apollo-raketeissa.
Inerttinä kaasuna alumiinin ja muiden metallien hitsaukseen optisten kuitujen ja puolijohteiden valmistuksessa.
Luopaine rakettimoottoreiden, erityisesti nestemäisellä vedyllä toimivien, polttoainesäiliöissä, koska vain kaasumainen helium säilyttää aggregoitumistilansa, kun vety pysyy nesteenä);
He-Ne-kaasulasereita käytetään viivakoodien skannaamiseen supermarketin kassoilla.
Helium-ionimikroskooppi tuottaa parempia kuvia kuin elektronimikroskooppi.
Suurin läpäisevyytensä vuoksi jalokaasua käytetään vuotojen tarkistamiseen esimerkiksi auton ilmastointijärjestelmissä ja turvatyynyjen nopeaan täyttymiseen kolarissa.
Matalan tiheyden ansiosta voit täyttää koristeilmapallot heliumilla. Inerttikaasu on korvannut räjähtävän vedyn ilmalaivoissa ja ilmapalloissa. Esimerkiksi meteorologiassa heliumpalloja käytetään mittauslaitteiden nostamiseen.
Kryogeenisessä tekniikassa se toimii jäähdytysnesteenä, koska tämän kemiallisen alkuaineen lämpötila nestemäisessä tilassa on alhaisin mahdollinen.
Helium, jonka ominaisuudet antavat sille alhaisen reaktiivisuuden ja liukoisuuden veteen (ja vereen) sekoitettuna happeen, on löytänyt käyttöä hengityskoostumuksissa laitesukelluksessa ja kesonissa.
Meteoriitit ja kivet analysoidaan tämän elementin iän määrittämiseksi.