Helium: vlastnosti, vlastnosti, aplikace

Hélium je inertním plynem 18. skupiny periodické tabulky. Toto je druhý nejsvětlejší prvek po vodíku. Hélium je plyn bez barvy, zápachu a chuti, který se stává kapalným při teplotě -268,9 ° C. Teplota varu a bod tuhnutí jsou nižší než bod varu jakékoli jiné známé látky. Toto je jediný prvek, který při ochlazení za normálního atmosférického tlaku neztuhne. Aby hélia prošla do pevného stavu, je při teplotě 1 K. požadováno 25 atmosfér.

Historie objevu

Hélium bylo nalezeno v plynné atmosféře obklopující slunce, francouzský astronom Pierre Zhansenom, že v roce 1868 během zatmění našla zářivě žluté čáry ve spektru slunečního chromosphere. Původně se předpokládalo, že tato čára představuje prvek sodíku. Ve stejném roce pozoroval anglický astronom Joseph Norman Lockyer žlutou čáru ve slunečním spektru, která neodpovídala známému sodíku D₁ a D₂, a tak jej nazval čárou D₃. Lockyer dospěl k závěru, že byl způsoben látkou na Slunci, neznámou na Zemi. On a chemik Edward Frankland ve jménu prvku používali řecký název slunce "helios".

V roce 1895 britský chemik Sir William Ramsay prokázal existenci helia na Zemi. Získal vzorek uraniferního minerálu z claveitu a poté, co studoval plyny vzniklé při jeho zahřátí, zjistil, že jasně žlutá čára v spektru se shoduje s čárou D₃, pozorované ve slunečním spektru. Nový prvek byl tedy nakonec založen. V roce 1903 Ramzi a Frederic Sodd rozhodli, že hélium je produktem spontánního úpadku radioaktivních látek.

Distribuce v přírodě

Hélia hélia je asi 23% celkové hmotnosti vesmíru a prvek je druhým největším ve vesmíru. Je koncentrován ve hvězdách, kde je vytvořen z vodíku jako výsledek termonukleární fúze. I když je helium v ​​atmosféře je v koncentraci od 1 dílu do 200 tis. (5 ppm) a je obsažena v malém množství radioaktivních minerálů, meteoritu žlázy, stejně jako minerálních zdrojů, velké množství prvku nalezené ve Spojených státech (zejména v Texasu, New Mexiko, Kansas, Oklahoma, Arizona a Utah) jako součást zemního plynu (až 7,6%). Jeho malé rezervy byly objeveny v Austrálii, Alžírsku, Polsku, Kataru a Rusku. V zemské kůře je koncentrace hélia jen asi 8 dílů na miliardu.

Izotopy

Jádro každého atomu helia obsahuje dva protony, ale stejně jako ostatní prvky má izotopy. Obsahují od jednoho do šesti neutronů, takže jejich hmotnostní čísla jsou v rozmezí od tří do osmi. Stabilní z nich jsou prvky, ve kterých je hmotnost helia určována atomovými čísly 3 (³He) a 4 (⁴On). Vše ostatní jsou radioaktivní a velmi rychle se rozpadají na jiné látky. Zemní hélium není původní složkou planety, vzniklo jako výsledek radioaktivního rozkladu. Části alfa emitované jádry těžkých radioaktivních látek jsou jádry izotopu ⁴On. Hélium se ve velkém množství nehromadí v atmosféře, protože gravitace Země nestačí, aby se zabránilo jeho postupnému pronikání do prostoru. Stopy ³On je vysvětlen na Zemi negativní beta rozpad vzácného prvku vodíku-3 (tritium). ⁴On je nejvíce obyčejný stabilní izotop: poměr počtu atomů ⁴On na to ³Je asi 700 tisíc až 1 v atmosféře a asi 7 milionů až 1 v některých minerálech obsahujících helium.

Fyzikální vlastnosti helia

Bod varu a bod tání tohoto prvku jsou nejnižší. Z tohoto důvodu existuje hélium jako plyn, s výjimkou extrémních podmínek. Plynný ve vodě se rozpouští méně než jakýkoli jiný plyn a rychlost difúze přes pevné látky je třikrát větší než rychlost vzduchu. Index lomu je nejblíže 1.

Tepelná vodivost helia je druhá pouze tepelná vodivost vodíku a jeho specifické teplo je neobvykle vysoké. Při běžných teplotách, během expanze, ohřívá a pod 40 K ochladí. Proto pro T<40 K, helium může být převedeno na kapalinu expanzí.

Prvek je dielektrikum, pokud není v ionizovaném stavu. Stejně jako ostatní vzácné plyny má hélium metastabilní úrovně energie, které mu umožňují zůstat ionizované v elektrickém výboji, když napětí zůstává pod ionizačním potenciálem.

Helium-4 je unikátní v tom, že má dvě tekuté formy. Obvyklá je hélium I a existuje při teplotách od bodu varu 4,21 K (-268,9 ° C) do 2,18 K (-271 ° C). Pod 2,18 K tepelná vodivost ⁴Stává se 1000 krát více než měď. Tento formulář se nazývá hélium II, odlišit ho od obyčejného. Má superfluiditu: viskozita je tak nízká, že ji nelze měřit. Hélium II proudí do tenké vrstvy na povrchu jakékoli látky, kterou se dotýká, a tento film proudí bez tření, a to i proti gravitaci.

Méně hojné helium-3 tvoří tři různé kapalné fáze, z nichž dvě jsou superfluidní. Superfluidita v ⁴Objevil ho sovětský fyzik Petr Leonidovič Kapitža v polovině třicátých let, a stejný jev ve světě ³To bylo nejprve pozorováno Douglas D. Osherov, David M. Lee, a Robert S. Richardson ze Spojených států v roce 1972.

Kapalná směs dvou izotopů hélia-3 a -4 při teplotách pod 0,8 K (-272,4 ° C) je rozdělena na dvě vrstvy - prakticky čisté ³On a směsi ⁴On se 6% héliem-3. Rozpuštění ³On v ⁴Je doprovázena chladícím účinkem, který se používá při konstrukci kryostanů, při kterých teplota helia klesne pod 0,01 K (-273,14 ° C) a udržuje se několik dní.

Připojení

Za normálních podmínek je hélium chemicky inertní. V extrémních případech je možné vytvořit spojení prvků, které nejsou za normálních teplotních a tlakových podmínek stabilní. Například helium může vytvářet sloučeniny s jódem, wolframem, fluorem, fosforem a sírou, když je vystaven elektrickému záření, když je bombardován elektrony nebo ve stavu plazmy. Tak HeNe, HgHe₁₀, Proč?₂ a molekulové ionty He₂⁺, Ne₂⁺⁺, HeH⁺ a HeD⁺. Tato technika také umožnila získat neutrální He molekuly₂ a HgHe.

Plazma

Ve vesmíru je ionizované hélium převážně distribuováno, jehož vlastnosti se podstatně liší od molekulárního. Elektrony a protony nejsou připojeny a mají velmi vysokou elektrickou vodivost, dokonce i v částečně ionizovaném stavu. Nabité částice jsou silně ovlivněny magnetickými a elektrickými poli. Například ve slunečním větru héliové ionty společně s ionizovaným vodíkem interagují s magnetosférou Země a způsobují severní světla.

Vyhledání vkladů v USA

Po vrtání studny v roce 1903 v Dexteru v Kansasu byl získán nehořlavý plyn. Zpočátku nebylo známo, že obsahuje helium. Který plynu bylo zjištěno, které lze identifikovat stav Erasmus Haworth geolog, který se shromáždí své vzorky a University of Kansas přes chemiků Cady Hamilton a David McFarland zjištěno, že obsahuje 72% dusíku, 15% metanu, 1% vodíku a 12% nebyl identifikován. Po další analýze vědci zjistili, že 1,84% vzorku je helium. Takže se dozvěděli, že tento chemický prvek je přítomen v obrovských množstvích v útrobách Velkých rovin, odkud je možno vytěžit ze zemního plynu.

Průmyslová výroba

To činí Spojené státy světovým lídrem v produkci helia. Na návrh sirem Richardem Threlfall, US Navy financovány tři malé pilotní závod na výrobu této látky v průběhu první světové války, aby zajistily palby balónky lehkou nehořlavým nosným plynem. Pro tento program je celkem 5700 m³ 92 procent. Přestože předtím bylo získáno jen méně než 100 litrů plynu. Část tohoto objemu byla použita ve světě první heliové vzducholoď Americké námořnictvo C-7, který udělal svůj první let z Hampton Road (Virginie) v Bollingově poli (Washington, DC) 7. prosince 1921.

Přestože proces zkapalňování plynů při nízkých teplotách nebyl v době první světové války dostatečně rozvinutý, aby se ukázal jako významný, pokračovala výroba. Hélium bylo používáno hlavně jako zvedací plyn v letadlech. Poptávka po něm rostla během druhé světové války, kdy začala být používána pro stíněné obloukové svařování. Prvek byl také důležitý v projektu vytvoření atomové bomby "Manhattan".

Národní rezervace USA

V roce 1925 vláda Spojených států vytvořila národní heliové rezervy v Amarillu, Texas, aby poskytla vojenské vzducholodě během války a obchodní letadla v době míru. Využití zemního plynu klesl po druhé světové, ale zásoby se zvýšily v roce 1950 zajistit, mimo jiné, dodává jako chladivo používané při výrobě kyslíku s vodíkem pohonná hmota během závodu prostoru a studené války. Použití helia v USA v roce 1965 bylo osmkrát nejvyšší spotřebu válečné doby.

Po přijetí zákona o héliu v roce 1960 Mountain Bureau uzavřela smlouvu s 5 soukromými podniky, aby získalo prvek ze zemního plynu. Pro tento program byl vybudován 425 km plynovod, který spojil tyto elektrárny s vládou částečně vyčerpané plynové oblasti poblíž Amarillu, Texas. Směs hélia a dusíku byla čerpána do podzemního skladu a zůstala tam, dokud to nebylo nutné.

Do roku 1995 bylo vybráno zásoby 1 miliardy metrů krychlových a národní rezerva byla 1,4 miliardy dolarů, což podnítilo, aby americký Kongres postupně ukončil v roce 1996. Po přijetí zákona o privatizaci hélia v roce 1996 ministerstvo přírodních zdrojů postupovalo v roce 2005 k likvidaci depozitáře.

Čistota a objemy výroby

Hélium, vyrobené před rokem 1945, mělo čistotu asi 98%, zbývajících 2% představovalo dusík, který byl dostatečný pro dirigibles. V roce 1945 bylo vyrobeno malé množství 99,9% plynu pro použití při svařování obloukem. Do roku 1949 čistota výsledného prvku dosáhla 99,995%.

V průběhu let Spojené státy vyrobily více než 90% světového obchodního hélia. Od roku 2004 se vyrábí ročně ve výši 140 milionů metrů³, 85% z nich pochází z USA, 10% bylo vyrobeno v Alžírsku a zbytek - v Rusku a Polsku. Hlavní zdroje helia ve světě jsou plynová pole Texasu, Oklahomy a Kansasu.

Proces získání

Hélium (čistota 98,2%) je izolováno ze zemního plynu zkapalněním jiných složek při nízkých teplotách a při vysokých tlacích. Adsorpce jiných plynů chladeným aktivním uhlím umožňuje dosažení čistoty 99,995%. Malý objem helia se vytváří, když se ve velkém měřítku zkapalňuje vzduch. Z 900 tun vzduchu můžete získat asi 3,17 m3. m plynu.

Aplikace

Ušlechtilý plyn našel uplatnění v různých oblastech.

• Hélium, které vlastnosti umožňují získat velmi nízké teplotě, se použije jako chladicí činidlo v LHC, MRI supravodivé magnetové přístrojů a nukleární magnetické rezonance spektrometry, satelitní zařízení, jakož i pro zkapalnění kyslíku a vodíku v rakety „Apollo“.
• Jako inertní plyn pro svařování hliníku a jiných kovů, při výrobě optických vláken a polovodičů.
• .. Pro vytvoření tlaku v palivových nádržích raketových motorů, zejména těch, které působí na kapalný vodík, t pouze helia zachovává skupenství při vodíku zůstane kapalina);
• On-Ne plynové lasery Používá se ke kontrole čárových kódů u pokladen v supermarketech.
• Hélia-iontový mikroskop vám umožňuje získat lepší obraz než elektronický.
• Vzhledem k vysoké propustnosti se ušlechtilý plyn používá ke kontrole úniku například v klimatizačních systémech automobilů a také k rychlému naplnění airbagů při srážce.
• Nízká hustota umožňuje plnění dekorativních koulí helií. Inertní plyn nahradil výbušný vodík ve vzducholodích a balonech. Například v meteorologii se pro zvedání měřicích přístrojů používají héliové kuličky.
• V kryogenní technologii slouží jako chladivo, protože teplota tohoto chemického prvku v kapalném stavu je nejnižší.
• Hélium, které vlastnosti mu nízkou reaktivitu a rozpustnost ve vodě (a krev), ve směsi s kyslíkem našel uplatnění v respiračních formulacích pro potápění a drží kesonu práce.
• Meteority a horniny jsou analyzovány na obsah tohoto prvku pro stanovení jejich věku.

Helium: vlastnosti prvku

Jeho základní fyzikální vlastnosti jsou následující:

• Atomové číslo: 2.
• Relativní hmotnost atomu helia: 4,0026.
• Bod tání: ne.
• Teplota varu: -268,9 ° C.
• Hustota (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / p.
• Oxidační stavy: 0.