Helium: egenskaper, egenskaper, tillämpning

Helium - inert gas av grupp 18 i det periodiska systemet. Detta är den andra lättaste elementet efter väte. Helium - gas utan färg, lukt och smak, som blir flytande vid en temperatur på -268,9 ° C kokpunkt och dess fryspunkt lägre än den hos någon annan känd substans. Det är den enda faktor som inte stelnar med kylning vid normalt lufttryck. Han flyttade till det fasta tillståndet måste vara 25 atmosfärer, vid en temperatur av 1 K.

History of discovery

Helium hittades i gasatmosfär som omger solen, den franska astronomen Pierre Zhansenom att i 1868 under en förmörkelse har funnit en ljus gul linje i spektrumet av solvärme kromosfär. det ursprungligen antas att denna linje representerar elementet natrium. I samma år, observerade engelska astronomen Dzhozef Norman Lockyer en gul linje i solens spektrum, som inte motsvarar kända natriumslinjerna D ₁ och D _2, och därför det heter det en linje D _3. Lockyer slutsatsen att det orsakades av ett ämne i solen okända på jorden. Han och kemisten Edward Frankland i titeln element med hjälp av grekiska namnet 'Helios' Sun.

År 1895 har den brittiska kemisten Sir Uilyam Ramzay bevisat förekomsten av helium på jorden. Han mottog prov cleveite uranbärande mineraler, och efter att ha granskat de gaser som bildas under uppvärmning, har man funnit att ljus gul linje i spektrumet sammanfaller med linjen D _3, observerades i solens spektrum. Således har ett nytt inslag slutligen installeras. I 1903 Ramsay och Frederick Soddy fann att helium är en produkt av den spontana sönderfallet av radioaktiva ämnen.

Distribution i naturen

Massan av helium är ca 23% av den totala massan av universum, och elementet är den näst vanligaste i rymden. Den är koncentrerad i stjärnor, där väte är bildade från det resulterande fusions. Även om helium i atmosfären är i en koncentration av 1 del till 200: e. (5 ppm) och är innesluten i små mängder radioaktiva mineraler, meteorit körtel, samt mineralkällor, stora mängder av det element som finns i USA (särskilt i Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah och Arizona) som komponent (till 7,6%) av naturgas. Små och dess reserver har upptäckts i Australien, Algeriet, Polen, Qatar och Ryssland. I jordskorpan heliumkoncentrationen är endast ca 8 ppb.

isotoper

Kärnan av var och en heliumatomen innehåller två protoner, men, som med andra element, har den isotoper. De innehåller från en till sex neutroner, så deras massa siffror som sträcker sig från tre till åtta. Stabila av dessa är de element vars vikt bestäms av helium atomnummer 3 ⁽³ He) och 4 ⁽⁴ He). Alla andra radioaktiva och snabbt sönderfaller till andra ämnen. Jordens helium inte är en ursprunglig del av planeten, var det bildas som ett resultat av radioaktivt sönderfall. Alfapartiklar som avges av kärnor av radioaktiva tunga ämnen isotop ⁴ Han kärna. Helium inte ansamlas i stora mängder i atmosfären, eftersom jordens gravitation är inte tillräckligt för att hindra den från att successivt läcka ut i rymden. Spår av ³ Han i världen förklaras negativ betasönderfall väte sällsynta tre element (tritium). ⁴ Han är den vanligaste av stabila isotoper: ⁴ förhållande av Han atomer mot ³ Han är ca 700 tusen till en atmosfär och cirka 7 miljoner med ett i vissa heliumrika mineral ..

De fysikaliska egenskaperna hos helium

kokning och smältpunkten för denna post är lägst. Av denna anledning föreligger helium som en gas, utom i extrema förhållanden. He-gas löses i vatten mindre än för någon annan gas, och hastigheten för diffusion genom den fasta kroppen är tre gånger större än den för luft. Dess brytningsindex närmast närmar 1.

Den termiska ledningsförmågan hos det helium är näst väte värmeledningsförmåga, specifikt värme och dess utomordentligt hög. Vid vanliga temperaturer det värms under expansion, och under 40 K - kyls. Därför, vid T <40 K helium kan omvandlas till en vätska genom att expandera.

Element är en isolator, om inte är i joniserat tillstånd. Som med andra ädelgaser, har helium en metastabila energinivåer som gör att den joniseras genom en elektrisk urladdning när en spänning är lägre än joniseringspotentialen.

Helium-4 är unik genom att den har två flytande former. Vanligt kallas helium I och existerar vid temperaturer varierande från kokpunkten för 4,21 K (-268,9 ° C) till ca 2,18 K (-271 ° C). Lägre värmeledningsförmåga av 2,18 K ⁴ Han blir 1000 gånger större än den för koppar. Denna form kallas helium II, för att skilja den från det vanliga. Det har supra: viskositet är så låg att den inte kan mätas. Helium II sprider till en tunn film på ytan av varje ämne som är berörda, och denna film flyter utan friktion även mot tyngdkraften.

Mindre förekommande helium-3 bildar tre olika vätskefaser, av vilka två är supra. Suprafluiditet i ^fyra Han upptäcktes av sovjetiska fysikern Petrom Leonidovichem Kapitsey i mitten av 1930-talet, och samma fenomen i ^tre Han var först märkt av Douglas D. Osheroff, David M. Lee och Robert C. Richardson i USA 1972.

En flytande blandning av två isotoper av helium-3 och -4 vid temperaturer under 0,8 K (-272,4 ° C) är uppdelad i två skikt - ett väsentligen rena ³ He och ⁴ Han blandning med 6% av helium-3. Upplösning av ³ Han i ^fyra Han åtföljs av kyleffekten som används i kryostat strukturer, i vilka helium temperaturen är under 0,01 K (-273,14 ° C) och upprätthölls under ett par dagar.

anslutningar

Under normala förhållanden, är helium kemiskt inert. I extrem kan skapa en förening element som vid normala temperatur- och tryckindikatorer är inte stabila. Till exempel, kan helium bilda föreningar med jod, volfram, fluor, fosfor och svavel, när det utsätts för en elektrisk glimurladdning eller genom elektronbombardemang i plasmatillståndet. det var sålunda skapade HeNe, HgHe _10, whe ₂ och molekylära joner Han ₂ ⁺ ₂ Inte ^++, HEH ⁺ och HED ^+. Denna teknik har också varit en neutral molekyl Han ₂ och HgHe.

plasma

I universum med fördel fördelade joniserad helium, vars egenskaper skiljer sig väsentligt från molekyl. De elektroner och protoner inte kopplad, och det har en mycket hög elektrisk ledningsförmåga även i ett delvis joniserat tillstånd. På laddade partiklar är i hög grad påverkas av magnetiska och elektriska fält. Till exempel, i solvinden med heliumjoner interagerar med den joniserade vätemagneto jord, vilket orsakar aurora borealis.

Upptäckten av insättningar i USA

Efter borrning i 1903 i Dexter, Kansas, var det som erhållits genom icke brännbar gas. Inledningsvis var det inte känt att den innehåller helium. Vilken gas påträffades identifierade tillstånd Erasmus Haworth geolog, som har samlat sina prover och University of Kansas via kemister Kedi Gamiltona och David McFarland funnit att det innehåller 72% kväve, 15% metan, 1% väte och 12% har inte identifierats. Efter att ha spend den efterföljande analysen, fann forskarna att 1,84% av provet av helium. Så vi vet att detta grundämne förekommer i stora mängder i djupet av Great Plains, där den kan utvinnas ur naturgas.

industriell produktion

Detta har gjort USA världens produktion av helium ledare. På förslag av Sir Richard Threlfall, den amerikanska flottan finansierade tre små pilotanläggning för att producera detta ämne under första världskriget för att säkerställa fördämningen ballonger lätta obrännbart lyft gas. Enligt detta program producerades totalt av 5700 m ³ 92 procent Han, även om detta erhölls endast minst 100 liter gas. En del av detta belopp användes i världens första helium luftskepp den amerikanska marinen C-7, som gjorde sin jungfrufärd från Hampton Roads (Virginia) på Bolling Field (Washington, DC) December 7, 1921.

Även om processen med låg temperatur flytande gas på den tiden inte var tillräckligt utvecklad för att vara betydande under första världskriget, fortsatte produktionen. Helium används vanligen som en hiss gas i flygplan. Efterfrågan på det har ökat under andra världskriget när det användes med en skärmad bågsvetsning. Elementet har också stor betydelse för skapandet av atombomben "Manhattan".

US Nationell reserv

År 1925 skapade USA: s regering den nationella reserven av helium i Amarillo, Texas, för att ge militära luftskepp i krigstid och kommersiella luftskepp i fredstid. Användningen av gas föll efter andra världskriget, men beståndet har ökat under 1950 för att ge bland annat levererar det som kylmedel används vid framställning av syreväte drivgas under rymdkapplöpningen och det kalla kriget. Användningen av helium i USA 1965, åtta gånger högre än toppförbrukningen i krigstid.

Efter antagandet av lagen om helium 1960 Mining Bureau Streak 5 privata företag att extrahera elementet från naturgas. Detta program byggdes 425-km pipeline för att ansluta dessa växter med regeringen delvis uttömda gasfält i närheten av Amarillo, Texas. Helium-kväveblandning pumpas in underjordisk lagring, och förblev där tills det finns inget behov i det.

År 1995 var volymen av lager monterade miljarder kubikmeter, medan skulden för den nationella reserven på 1,4 miljarder dollar, vilket föranledde den amerikanska kongressen 1996 att fasa ut det. Efter antagandet 1996 av lagen om privatisering av helium ministeriet för naturresurser lanserat en likvidation butik i 2005.

Ren och produktion

Helium produceras tills 1945 året hade en renhet av ca 98%, fanns andra 2% i kväve som är tillräcklig för luftskepp. I 1945, producerade det en liten mängd av 99,9 procent av gas för användning vid bågsvetsning. Av 1949, har renheten hos det resulterande elementet nått 99,995%.

Under många år producerade USA mer än 90% av världens kommersiella helium. Sedan 2004 varje år den utarbetades 140 miljoner m ^3, 85% av som förekommer i USA, var 10% utfördes i Algeriet, och resten - i Ryssland och Polen. De viktigaste källorna till helium i världen är naturliga gasfält i Texas, Oklahoma och Kansas.

Processen för att erhålla

Helium (renhet 98,2%) utvinnes från kondensering av naturgas av andra komponenter vid låga temperaturer och vid höga tryck. Adsorptionen av andra gaser kyls aktivt kol kan uppnå den renhet av 99,995%. En liten mängd av helium som produceras under luftkondensering i stor skala. Av de 900 ton luft kan få cirka 3,17 kubikmeter. m gas.

Användningsområden

Ädelgas har tillämpats på olika områden.

• Helium, vilka egenskaper gör det möjligt att erhålla mycket låg temperatur, används som kylmedel i LHC, MRI supraledande magnetanordningar och kärnmagnetisk resonans spektrometrar, satellitutrustning, samt för kondensering av syre och väte i missiler "Apollo".
• Som inert gas för svetsning av aluminium och andra. Metaller i tillverkning av halvledare och optiska fibrer.
• .. För att skapa tryck i bränsletankar raketmotorer, särskilt de som är verksamma på flytande väte, t för att endast heliumgas bevarar sitt tillstånd av aggregering när väte förblir flytande);
• He-Ne gaslasrar används för att scanna streckkoden på biljettkontoret i snabbköp.
• Helium-ion mikroskop tillåter dig att få den bästa bilden än elektroniska.
• Grund av den höga permeabiliteten hos ädelgasen används för att testa läckor, till exempel i bilar luftkonditioneringssystem, såväl som snabb fyllning krockkudden vid kollision.
• Med låg densitet gör dekorativa bollar fyllda med helium. Den inerta gasen ersätts explosiv vätgas i luftskepp och ballonger. Till exempel i meteorologi, är helium ballonger för att lyfta mätinstrumentet.
• Det kryogena kylmedel används, eftersom temperaturen hos det kemiska elementet i minsta möjliga flytande tillstånd.
• Helium, vilka egenskaper ger den en låg reaktivitet och vattenlöslighet (och blod), i en blandning med syre har funnit tillämpning i respiratoriska formuleringar för dykning och hålla kassun arbete.
• Meteoriter och stenar analyseras för innehållet i detta element för att bestämma deras ålder.

Helium: egenskaperna för elementet

Han viktigaste fysiska egenskaper är som följer:

• Atomnummer: 2.
• Den relativa massan hos heliumatomen: 4,0026.
• Smältpunkt: nej.
• Kokpunkt: -268,9 ° C.
• Densitet (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oxidationstillståndet 0.