Хелий: свойства, характеристики, приложения

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 17:41

Хелият е инертен газ от 18-та група на периодичната таблица. Той е вторият най-лек елемент след водорода. Хелият е безцветен газ без мирис и вкус, който става течен при -268,9 °C. Неговите точки на кипене и замръзване са по-ниски от тези на всяко друго известно вещество. Това е единственият елемент, който не се втвърдява при охлаждане при нормално атмосферно налягане. Необходими са 25 атмосфери при 1 K, за да се втвърди хелият.

История на откриването

Хелият е открит в газовата атмосфера около Слънцето от френския астроном Пиер Янсен, който през 1868 г. по време на затъмнение открива ярко жълта линия в спектъра на слънчевата хромосфера. Първоначално се смяташе, че тази линия представлява елемента натрий. През същата година английският астроном Джоузеф Норман Локиър наблюдава жълта линия в слънчевия спектър, която не съответства на известните натриеви линии D₁ и D₂и така той нарече нейната линия D_{3. Локър заключи, че е причинено от вещество в Слънцето, непознато на Земята. Той и химикът Едуард Франкланд използвали в името на елементагръцкото име на Слънцето е Хелиос.}

През 1895 г. британският химик сър Уилям Рамзи доказа съществуването на хелий на Земята. Той получи проба от съдържащия уран минерал клевеит и след като изследва газовете, образувани при нагряването му, установи, че яркожълтата линия в спектъра съвпада с линията D_{3, наблюдавана в спектъра на Слънцето. Така новият елемент най-накрая беше инсталиран. През 1903 г. Рамзи и Фредерик Соду установяват, че хелият е продукт на спонтанен разпад на радиоактивни вещества.}

Разпространение сред природата

Масата на хелия е около 23% от цялата маса на Вселената, а елементът е вторият най-разпространен в космоса. Той е концентриран в звездите, където се образува от водород в резултат на термоядрен синтез. Въпреки че хелият се намира в земната атмосфера в концентрация от 1 част на 200 хиляди (5 ppm) и се намира в малки количества в радиоактивни минерали, метеоритно желязо и минерални извори, големи количества от елемента се намират в Съединените щати (особено в Тексас, Ню Йорк). Мексико, Канзас, Оклахома, Аризона и Юта) като компонент (до 7,6%) на природния газ. Малки резерви са открити в Австралия, Алжир, Полша, Катар и Русия. В земната кора концентрацията на хелий е само около 8 ppb.

Изотопи

Ядрото на всеки хелиев атом съдържа два протона, но подобно на други елементи, то има изотопи. Те съдържат от един до шест неутрона, така че техните масови числа варират от три до осем. Стабилните са елементите, чиято маса на хелия се определя от атомни номера 3 (³He) и 4 (⁴He). Всички останали са радиоактивни и се разпадат много бързо в други вещества. Земният хелий не е оригиналният компонент на планетата, той се е образувал в резултат на радиоактивен разпад. Алфа-частиците, излъчвани от ядрата на тежките радиоактивни вещества, са ядра на изотопа ⁴He. Хелият не се натрупва в големи количества в атмосферата, тъй като земната гравитация не е достатъчно силна, за да предотврати постепенното й бягство в космоса. Следите от ³He на Земята се обясняват с отрицателния бета разпад на редкия елемент водород-3 (тритий). ⁴Той е най-разпространеният от стабилните изотопи: съотношението на ⁴He атоми към ^{3He е около 700 хиляди към 1 в атмосферата и около 7 милиона към 1 в някои съдържащи хелий минерали.}

Физични свойства на хелия

Точките на кипене и топене на този елемент са най-ниските. Поради тази причина хелият съществува като газ, освен при екстремни условия. Газообразен Той се разтваря по-малко във вода от всеки друг газ, а скоростта на дифузия през твърди вещества е три пъти по-висока от тази на въздуха. Неговият индекс на пречупване се доближава най-много до 1.

Топлопроводимостта на хелия е на второ място след тази на водорода и неговият специфичен топлинен капацитет е необичайно висок. При обикновени температури той се нагрява по време на разширение и се охлажда под 40 K. Следователно при T<40 K хелият може да бъде превърнат втечност чрез разширение.

Елементът е диелектрик, ако не е в йонизирано състояние. Подобно на други благородни газове, хелият има метастабилни енергийни нива, които му позволяват да остане йонизиран в електрически разряд, когато напрежението остава под йонизационния потенциал.

Хелий-4 е уникален с това, че има две течни форми. Обикновеният се нарича хелий I и съществува при температури, вариращи от точка на кипене от 4,21 K (-268,9 °C) до около 2,18 K (-271 °C). Под 2,18 K, топлопроводимостта на 4He става 1000 пъти по-голяма от тази на медта. Тази форма се нарича хелий II, за да се разграничи от нормалната форма. Той е свръхтечен: вискозитетът е толкова нисък, че не може да бъде измерен. Хелий II се разпространява в тънък филм върху повърхността на всичко, което докосне, и този филм тече без триене дори срещу гравитацията.

По-малко изобилният хелий-3 образува три отделни течни фази, две от които са свръхтечни. Свръхтечност в ⁴Той е открит от съветския физик Пьотр Леонидович Капица в средата на 30-те години на миналия век, а същото явление в ^{3Той е забелязан за първи път от Дъглас Д. Ошеров, Дейвид М. Лий и Робърт С. Ричардсън от САЩ през 1972 г.}

Течна смес от два изотопа хелий-3 и -4 при температури под 0,8 K (-272,4 °C) се разделя на два слоя - почти чист ³He и смес от⁴He с 6% хелий-3. Разтварянето на ³He в ^{4He е придружено от охлаждащ ефект, който се използва при проектирането на криостати, при които температурата на хелия падапод 0,01 K (-273,14 °C) и се поддържа там в продължение на няколко дни.}

Връзки

При нормални условия хелият е химически инертен. При екстремни условия можете да създадете връзки на елементи, които не са стабилни при нормални температури и налягания. Например, хелият може да образува съединения с йод, волфрам, флуор, фосфор и сяра, когато е подложен на електрически светещ разряд, когато е бомбардиран с електрони или в плазмено състояние. Така HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ и He₂ бяха създадени молекулярни йони+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{и HeD+}. Тази техника също така направи възможно получаването на неутрални молекули He² и HgHe.

Plasma

Във Вселената е разпространен предимно йонизиран хелий, чиито свойства се различават значително от молекулярните. Неговите електрони и протони не са свързани и има много висока електрическа проводимост дори в частично йонизирано състояние. Заредените частици са силно засегнати от магнитни и електрически полета. Например, в слънчевия вятър, хелиевите йони, заедно с йонизирания водород, взаимодействат с магнитосферата на Земята, причинявайки сиянията.

откритие в САЩ

След пробиване на кладенец през 1903 г. в Декстър, Канзас е получен незапалим газ. Първоначално не се знае, че съдържа хелий. Кой газ е намерен е определено от държавния геолог Еразъм Хауърт, койтосъбрал проби от него и в Университета на Канзас с помощта на химиците Кейди Хамилтън и Дейвид Макфарланд установил, че съдържа 72% азот, 15% метан, 1% водород и 12% не е идентифициран. След допълнителен анализ учените установили, че 1,84% от пробата е хелий. Така те научиха, че този химичен елемент присъства в огромни количества в недрата на Големите равнини, откъдето може да бъде извлечен от природен газ.

Индустриално производство

Това направи Съединените щати световен лидер в производството на хелий. По предложение на сър Ричард Трелфал, американският флот финансира три малки експериментални завода за производство на това вещество по време на Първата световна война, за да осигурят баражни балони с лек, незапалим повдигащ газ. Програмата произведе общо 5700 m3 92% He, въпреки че преди това са били произведени по-малко от 100 литра газ. Част от този обем е използван в първия в света дирижабъл с хелий, ВМС на САЩ C-7, който направи първото си пътуване от Хамптън Роудс, Вирджиния до Болинг Фийлд, Вашингтон, окръг Колумбия на 7 декември 1921 г.

Въпреки че процесът на нискотемпературно втечняване на газ не беше достатъчно напреднал по това време, за да бъде значителен по време на Първата световна война, производството продължи. Хелият се използва главно като газ за повдигане на въздухоплавателни средства. Търсенето му нараства по време на Втората световна война, когато се използва при заваряване с екранирана дъга. Елементът беше важен и в проекта за атомна бомба. Манхатън.

Национална наличност на САЩ

През 1925 г. правителството на Съединените щати създаде Националния резерв за хелий в Амарило, Тексас, с цел осигуряване на военни дирижабли по време на война и търговски дирижабли по време на мир. Използването на газ намаля след Втората световна война, но доставките бяха увеличени през 50-те години на миналия век, за да се осигури, наред с други неща, доставката му като охлаждаща течност, използвана при производството на кислородно-водородно ракетно гориво по време на космическата надпревара и Студената война. Използването на хелий в САЩ през 1965 г. е осем пъти по-високо от пиковото потребление по време на войната.

Следвайки Закона за хелия от 1960 г., Бюрото по мините сключи договор с 5 частни компании за извличане на елемента от природен газ. За тази програма беше изграден 425-километров газопровод, свързващ тези централи с частично изчерпано правителствено газово находище близо до Амарило, Тексас. Сместа хелий-азот се изпомпва в подземно хранилище и остава там до необходимост.

До 1995 г. бяха събрани милиард кубически метра запаси и Националният резерв имаше 1,4 милиарда долара дълг, което накара Конгреса на САЩ да го прекрати през 1996 г. След приемането на Закона за приватизация на хелий през 1996 г., Министерството на природните ресурси започна да ликвидира складовото съоръжение през 2005 г.

Чистота и производствени обеми

Хелият, произведен преди 1945 г., имаше чистота от около 98%, останалите 2%представляваше азот, който беше достатъчен за дирижабли. През 1945 г. е произведено малко количество от 99,9 процента газ за използване при електродъгово заваряване. До 1949 г. чистотата на получения елемент е достигнала 99,995%.

В продължение на много години Съединените щати произвеждат над 90% от световния търговски хелий. От 2004 г. тя произвежда 140 милиона m3 годишно, 85% от които идват от Съединените щати, 10% от Алжир, а останалите от Русия и Полша. Основните източници на хелий в света са газовите находища в Тексас, Оклахома и Канзас.

Процес на получаване

Хелият (98,2% чистота) се извлича от природен газ чрез втечняване на други компоненти при ниски температури и високо налягане. Адсорбцията на други газове от охладен активен въглен постига чистота от 99,995%. Малко количество хелий се получава чрез втечняване на въздух в голям мащаб. От 900 тона въздух могат да се получат около 3,17 куб.м. m газ.

Области на приложение

Благородният газ е бил използван в различни области.

Хелият, чиито свойства позволяват получаването на ултра-ниски температури, се използва като охлаждащ агент в Големия адронен колайдер, свръхпроводящи магнити в ЯМР машини и спектрометри за ядрено-магнитен резонанс, сателитно оборудване, а също и за втечняване на кислород и водород в ракетите Аполо.
Като инертен газ за заваряване на алуминий и други метали, при производството на оптични влакна и полупроводници.
За създаваненалягане в резервоарите за гориво на ракетните двигатели, особено тези, които работят с течен водород, тъй като само газообразният хелий запазва агрегатното си състояние, когато водородът остава течен);
Газовите лазери He-Ne се използват за сканиране на баркодове на касите в супермаркетите.
Хелиево-йонният микроскоп произвежда по-добри изображения от електронния микроскоп.
Поради високата си пропускливост благородният газ се използва за проверка за течове, например в климатичните системи на автомобила, и за бързо надуване на въздушните възглавници при катастрофа.
Ниската плътност ви позволява да пълните декоративни балони с хелий. Инертният газ замени експлозивния водород в дирижабълите и балоните. Например в метеорологията балони с хелий се използват за повдигане на измервателни уреди.
В криогенната технология той служи като охлаждаща течност, тъй като температурата на този химичен елемент в течно състояние е възможно най-ниската.
Хелият, чиито свойства му осигуряват ниска реактивност и разтворимост във вода (и кръв), смесен с кислород, е намерил приложение в дихателните композиции за гмуркане и работа с кесон.
Метеоритите и скалите се анализират за този елемент, за да се определи тяхната възраст.