Helium: sifat-sifat, ciri-ciri, aplikasi

Helium - gas lengai kumpulan 18 dalam jadual berkala. Ini adalah unsur kedua paling ringan selepas hidrogen. Helium - gas tanpa warna, bau dan rasa yang menjadi cecair pada suhu -268,9 ° C. takat didih dan takat beku yang lebih rendah daripada mana-mana bahan lain yang diketahui. Ia adalah satu-satunya unsur yang tidak mengukuhkan dengan penyejukan pada tekanan atmosfera normal. Beliau berpindah ke keadaan pepejal mestilah 25 atmosfera, pada suhu 1 K.

Sejarah penemuan

Helium ditemui dalam suasana gas yang mengelilingi matahari, ahli astronomi Perancis Pierre Zhansenom bahawa pada tahun 1868 semasa gerhana telah mendapati garisan kuning yang cerah dalam spektrum chromosphere solar. Pada mulanya ia dianggap bahawa baris ini mewakili natrium unsur. Pada tahun yang sama, Bahasa Inggeris astronomi Dzhozef Norman Lockyer diperhatikan garis kuning dalam spektrum solar, yang tidak sesuai dengan garis natrium dikenali D ₁ dan D _2, dan oleh itu ia dinamakan garis D _3. Lockyer membuat kesimpulan bahawa ia adalah disebabkan oleh bahan dalam tidak diketahui Sun di Bumi. Beliau dan ahli kimia Edward Frankland dalam elemen tajuk menggunakan nama Yunani 'Helios' Sun.

Pada tahun 1895, ahli kimia British Sir Uilyam Ramzay telah membuktikan kewujudan helium di Bumi. Beliau menerima klevait mineral uranium yang mengandungi sampel, dan selepas memeriksa gas terbentuk semasa pemanasan, didapati bahawa garis kuning terang dalam spektrum bertepatan dengan garis D _3, diperhatikan dalam spektrum suria. Oleh itu, elemen baru akhirnya dipasang. Pada tahun 1903 Ramsay dan Frederick Soddy mendapati bahawa helium adalah produk hasil pereputan spontan bahan-bahan radioaktif.

Pengedaran dalam alam semula jadi

Jisim helium adalah kira-kira 23% daripada jumlah jisim alam semesta, dan elemen adalah yang kedua paling biasa di angkasa. Ia tertumpu di bintang, di mana hidrogen terbentuk daripada gabungan yang terhasil. Walaupun helium dalam atmosfera adalah pada kepekatan 1 bahagian ke-200. (5 ppm) dan terkandung dalam jumlah yang kecil mineral radioaktif, kelenjar meteorit, serta sumber mineral, sejumlah besar unsur yang terdapat di Amerika Syarikat (terutamanya di Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah dan Arizona) sebagai komponen (kepada 7.6%) daripada gas asli. Kecil dan rizabnya telah ditemui di Australia, Algeria, Poland, Qatar dan Rusia. Dalam kepekatan kerak helium hanya kira-kira 8 ppb.

isotop

Teras setiap atom helium mengandungi dua proton, tetapi, seperti dengan unsur-unsur lain, ia mempunyai isotop. Ia mengandungi satu hingga enam neutron, jadi nombor mereka beramai-ramai di antara tiga hingga lapan. Stabil ini adalah unsur-unsur yang berat badan ditentukan oleh nombor atom helium 3 ⁽³ Dia) dan 4 ⁽⁴ He). Semua radioaktif lain dan cepat mereput menjadi bahan-bahan lain. helium bumi bukan bahagian asal di bumi ini, ia telah ditubuhkan hasil daripada pereputan radioaktif. zarah alfa yang dipancarkan oleh nukleus bahan-bahan berat radioaktif isotop ⁴ Ia nukleus. Helium tidak berkumpul dalam kuantiti yang besar di atmosfera, kerana graviti Bumi tidak mencukupi untuk mengelakkan ia daripada progresif bocor ke angkasa lepas. Kesan ³ Ia di dunia dijelaskan pereputan beta negatif hidrogen jarang-3 elemen (tritium). ⁴ Ia adalah yang paling biasa isotop stabil: ⁴ nisbah Beliau atom ke arah ³ Ia adalah kira-kira 700 ribu hingga 1 atmosfera dan kira-kira 7 juta oleh 1 dalam beberapa mineral helium-kaya ..

Sifat-sifat fizikal helium

didih dan lebur titik item ini adalah rendah. Atas sebab ini, helium wujud sebagai gas kecuali dalam keadaan yang melampau. Beliau gas yang larut dalam air kurang daripada mana-mana gas lain, dan kadar resapan melalui badan pepejal adalah tiga kali lebih besar daripada udara. indeks biasan Its yang paling dekat menghampiri 1.

Kekonduksian terma helium adalah kedua hanya untuk hidrogen keberaliran haba, haba tentu dan kedudukan luar biasa tinggi. Pada suhu biasa ia dipanaskan semasa pengembangan, dan di bawah 40 K - disejukkan. Oleh itu, pada T <40 K helium boleh ditukar ke dalam cecair dengan mengembangkan.

Element merupakan penebat, jika tidak di negeri ini terion. Seperti dengan gas mulia yang lain, helium mempunyai tahap tenaga metastabil yang membolehkan ia terion oleh pelepasan elektrik apabila voltan adalah di bawah potensi pengionan.

Helium-4 adalah unik kerana ia mempunyai dua bentuk cecair. Biasa dipanggil helium I dan wujud pada suhu antara takat didih 4.21 K (-268,9 ° C) kepada kira-kira 2,18 K (-271 ° C). kekonduksian terma yang lebih rendah 2,18 K ⁴ Dia menjadi 1000 kali lebih besar daripada tembaga. bentuk ini dipanggil helium II, untuk membezakannya daripada biasa. Ia telah bendalir lampau: kelikatan adalah begitu rendah bahawa ia tidak boleh diukur. Helium II merebak ke dalam filem nipis di permukaan apa-apa bahan yang berkenaan, dan filem ini mengalir tanpa geseran walaupun terhadap graviti.

Kurang banyak helium-3 membentuk tiga fasa cecair yang berbeza, dua daripadanya adalah bendalir lampau. Kebendaliran lampau dalam ⁴ Ia telah ditemui oleh ahli fizik Soviet Petrom Leonidovichem Kapitsey pada pertengahan 1930-an, dan fenomena yang sama pada ³ Beliau mula disedari oleh Douglas D. Osheroff, David M. Lee, dan Robert C. Richardson Amerika Syarikat pada tahun 1972.

Campuran cecair dua isotop helium-3 dan -4 pada suhu di bawah 0.8 K (-272,4 ° C) dibahagikan kepada dua lapisan - yang pada dasarnya tulen ³ Dia dan ⁴ campuran Beliau dengan 6% daripada helium-3. Pembubaran ³ Beliau dalam ⁴ Ia disertai dengan kesan penyejukan yang digunakan dalam struktur cryostat di mana suhu helium adalah di bawah 0.01 K (-273,14 ° C) dan dikekalkan untuk beberapa hari.

Kenalan

Di bawah keadaan biasa, helium adalah lengai secara kimia. Dalam melampau boleh membuat unsur sebatian yang di penunjuk suhu dan tekanan biasa tidak stabil. Sebagai contoh, helium boleh membentuk sebatian dengan iodin, tungsten, fluorin, fosforus dan sulfur, apabila dikenakan nyahcas cahaya elektrik atau oleh pengeboman elektron di negeri plasma. Oleh itu, ia telah dicipta Hene, HgHe _10, Whe ₂ dan ion molekul Beliau ₂ ⁺ ₂ Belum ^++, heh ⁺ dan Hed ^+. Teknik ini juga merupakan molekul neutral Beliau ₂ dan HgHe.

plasma

Di alam semesta advantageously diedarkan helium terion, yang sifatnya berbeza dengan ketara daripada molekul. Elektron dan proton tidak dikaitkan, dan ia mempunyai kekonduksian elektrik yang sangat tinggi walaupun dalam keadaan separa terion. Pada zarah yang sangat dipengaruhi oleh medan magnet dan elektrik. Sebagai contoh, dalam angin solar dengan ion helium berinteraksi dengan terion hidrogen magnetosfera bumi, menyebabkan aurora borealis.

Penemuan deposit di Amerika Syarikat

Selepas penggerudian pada tahun 1903 di Dexter, Kansas, itu telah didapati dengan gas tidak mudah terbakar. Pada mulanya, ia tidak diketahui bahawa ia mengandungi helium. Mana gas ditemui, negeri yang dikenal pasti Erasmus Haworth ahli geologi, yang telah mengumpul sampel dan beliau Universiti Kansas melalui ahli kimia Kedi Gamiltona dan David McFarland mendapati bahawa ia mengandungi 72% nitrogen, 15% metana, 1% hidrogen dan 12% tidak pasti. Selepas menghabiskan analisis yang berikutnya, para penyelidik mendapati bahawa 1.84% daripada sampel helium. Jadi kita tahu bahawa unsur kimia ini wujud dalam kuantiti yang besar di tengah-tengah Great Plains, di mana ia boleh diekstrak daripada gas asli.

pengeluaran perindustrian

Ini telah menjadikan Amerika Syarikat pengeluaran dunia pemimpin helium. Pada cadangan oleh Sir Richard Threlfall, Tentera Laut Amerika Syarikat dibiayai tiga kilang perintis kecil untuk menghasilkan bahan ini semasa Perang Dunia Pertama untuk memastikan Belon bedilan gas mengangkat bukan mudah terbakar ringan. Menurut program ini telah dihasilkan dalam jumlah daripada 5700 m ³ 92 peratus Beliau, walaupun ini telah diperolehi hanya sekurang-kurangnya 100 liter gas. Sebahagian daripada jumlah ini telah digunakan dalam helium AirShip pertama di dunia Tentera Laut Amerika Syarikat C-7, yang membuat pelayaran sulungnya dari Hampton Roads (Virginia) di Bolling Field (Washington, DC) 7 disember 1921.

Walaupun proses gas suhu cecair rendah pada masa itu tidak cukup maju untuk menjadi penting semasa Perang Dunia Pertama, pengeluaran yang berterusan. Helium biasanya digunakan sebagai gas lif di pesawat. Permintaan untuk itu telah meningkat semasa Perang Dunia Kedua apabila ia digunakan dengan kimpalan arka berperisai. elemen ini juga mempunyai kepentingan yang besar dalam penciptaan bom atom "Manhattan".

rizab Kebangsaan Amerika Syarikat

Pada tahun 1925, kerajaan Amerika Syarikat dicipta rizab Kebangsaan helium di Amarillo, Texas, untuk menyediakan kapal udara tentera pada masa perang dan kapal udara komersial di masa aman. Penggunaan gas jatuh selepas Dunia Kedua, tetapi saham telah meningkat pada tahun 1950 untuk menyediakan, antara lain, ia membekalkan sebagai penyejuk yang digunakan dalam pengeluaran oksigen hidrogen dorong semasa perlumbaan ruang dan Perang Dingin. Penggunaan helium di Amerika Syarikat pada tahun 1965, lapan kali lebih tinggi daripada penggunaan puncak dalam masa perang.

Selepas menerima pakai undang-undang mengenai helium 1960 Biro Perlombongan Streak 5 syarikat swasta untuk mengeluarkan unsur dari gas asli. Program ini telah dibina 425-km saluran paip untuk menyambung tumbuhan ini dengan medan gas kerajaan sebahagiannya habis terdekat Amarillo, Texas. campuran helium-nitrogen dipam ke dalam simpanan bawah tanah, dan kekal di sana sehingga tidak ada keperluan di dalamnya.

Menjelang tahun 1995, jumlah stok telah dipasang bilion meter padu, manakala hutang rizab Negara sebanyak 1.4 bilion dolar, yang mendorong Kongres Amerika Syarikat pada tahun 1996 untuk fasa daripada itu. Berikutan penerimaan pada tahun 1996 undang-undang mengenai penswastaan helium Kementerian Sumber Asli melancarkan kedai pembubaran pada tahun 2005.

Bersih dan pengeluaran

Helium dihasilkan sehingga 1945 tahun mempunyai kesucian kira-kira 98%, yang lain 2% adalah nitrogen yang mencukupi untuk kapal udara. Pada tahun 1945, ia menghasilkan sejumlah kecil 99.9 peratus daripada gas untuk digunakan dalam kimpalan arka. Menjelang tahun 1949, kesucian unsur yang terhasil telah mencapai 99.995%.

Selama beberapa tahun, Amerika Syarikat menghasilkan lebih daripada 90% daripada helium komersial di dunia. Sejak tahun 2004, setiap tahun ia telah bekerja daripada 140 juta m ^3, 85% daripada yang berlaku di Amerika Syarikat, 10% telah dijalankan di Algeria, dan lain - di Rusia dan Poland. Sumber utama helium di dunia adalah medan gas semula jadi Texas, Oklahoma dan Kansas.

Proses untuk mendapatkan

Helium (kesucian 98.2%) adalah pulih daripada pencairan gas asli oleh komponen lain pada suhu rendah dan pada tekanan tinggi. Penjerapan gas lain telah sejuk diaktifkan karbon boleh mencapai kesucian 99.995%. Sedikit helium yang dihasilkan semasa pencairan udara secara besar-besaran. Daripada 900 tan udara boleh mendapat kira-kira 3.17 meter padu. gas m.

Bidang permohonan

gas mulia telah digunakan dalam pelbagai bidang.

• Helium, yang ciri-ciri membolehkan untuk mendapatkan suhu yang sangat rendah, digunakan sebagai bahan penyejuk dalam LHC, MRI Aparatur superkonduktor magnet dan nuklear spektrometer resonans magnet, peralatan satelit, serta untuk pencairan oksigen dan hidrogen dalam peluru berpandu "Apollo".
• Gas lengai untuk aluminium dan lain-lain kimpalan. Metals dalam pembuatan semikonduktor dan gentian optik.
• .. Untuk mewujudkan tekanan dalam tangki bahan api enjin roket, terutamanya yang beroperasi di hidrogen cecair, t hanya gas helium mengekalkan negeri pengagregatan apabila hidrogen kekal cecair);
• He-Ne laser gas digunakan untuk mengimbas kod bar pada box office di pasar raya.
• Helium-ion mikroskop membolehkan anda untuk mendapatkan imej yang terbaik daripada elektronik.
• Oleh kerana kebolehtelapan yang tinggi gas mulia digunakan untuk menguji kebocoran, sebagai contoh di dalam kereta sistem penyaman udara, serta pengisian pesat airbag apabila perlanggaran.
• ketumpatan rendah membolehkan bola hiasan dipenuhi dengan helium. Gas lengai digantikan gas hidrogen bahan letupan dalam kapal udara dan belon. Sebagai contoh, dalam meteorologi, belon helium digunakan untuk mengangkat alat pengukur.
• Penyejuk kriogenik digunakan, kerana suhu unsur kimia dalam mungkin keadaan cecair yang minimum.
• Helium, yang sifat menyediakannya kereaktifan yang rendah dan kelarutan air (dan darah), dalam campuran dengan oksigen telah mendapati permohonan dalam formulasi pernafasan untuk menyelam skuba dan memegang kerja caisson.
• Meteorit dan batu-batu dianalisis untuk kandungan elemen ini untuk menentukan umur mereka.

Helium: sifat-sifat unsur

Dia ciri-ciri fizikal utama adalah seperti berikut:

• nombor atom: 2.
• Jisim relatif atom helium: 4,0026.
• Takat lebur: no.
• Takat didih: -268,9 ° C.
• Ketumpatan (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• Nombor pengoksidaan 0.