Helium: eienskappe, kenmerke, toepassings

2024 Outeur: Angel Austin | [email protected]. Laas verander: 2024-01-02 17:39

Helium is 'n inerte gas van die 18de groep van die periodieke tabel. Dit is die tweede ligste element na waterstof. Helium is 'n kleurlose, reuklose en smaaklose gas wat by -268,9 °C vloeibaar word. Die kook- en vriespunte daarvan is laer as dié van enige ander bekende stof. Dit is die enigste element wat nie stol wanneer dit by normale atmosferiese druk afgekoel word nie. Dit neem 25 atmosfeer by 1 K vir helium om te stol.

Ontdekkinggeskiedenis

Helium is in die gasagtige atmosfeer rondom die Son ontdek deur die Franse sterrekundige Pierre Jansen, wat in 1868 tydens 'n verduistering 'n heldergeel lyn in die spektrum van die sonchromosfeer ontdek het. Daar is oorspronklik gedink dat hierdie lyn die element natrium verteenwoordig. In dieselfde jaar het die Engelse sterrekundige Joseph Norman Lockyer 'n geel lyn in die sonspektrum waargeneem wat nie ooreenstem met die bekende natriumlyne D₁ en D₂, en daarom het hy haar lyn D_{3 genoem. Lockyer het tot die gevolgtrekking gekom dat dit veroorsaak is deur 'n stof in die Son wat op Aarde onbekend is. Hy en die chemikus Edward Frankland het in die naam van die element gebruikdie Griekse naam vir die Son is Helios.}

In 1895 het die Britse chemikus sir William Ramsay die bestaan van helium op Aarde bewys. Hy het 'n monster van die uraan-draende mineraal cleveit verkry, en nadat hy die gasse wat gevorm is wanneer dit verhit is ondersoek, het hy gevind dat die heldergeel lyn in die spektrum saamval met die D_{3 lyn waargeneem in die spektrum van die Son. Die nuwe element is dus uiteindelik geïnstalleer. In 1903 het Ramsay en Frederick Soddu vasgestel dat helium 'n spontane vervalproduk van radioaktiewe stowwe is.}

Verspreiding in die natuur

Die massa van helium is ongeveer 23% van die hele massa van die heelal, en die element is die tweede volopste in die ruimte. Dit is gekonsentreer in sterre, waar dit uit waterstof gevorm word as gevolg van termonukleêre samesmelting. Alhoewel helium in die aarde se atmosfeer teen 'n konsentrasie van 1 deel per 200 duisend (5 dpm) gevind word en in klein hoeveelhede in radioaktiewe minerale, meteorietyster en minerale bronne gevind word, word groot hoeveelhede van die element in die Verenigde State aangetref (veral in Texas, New York), Mexiko, Kansas, Oklahoma, Arizona en Utah) as 'n komponent (tot 7,6%) van aardgas. Klein reservate is gevind in Australië, Algerië, Pole, Katar en Rusland. In die aardkors is die konsentrasie helium slegs sowat 8 ppb.

Isotopes

Die kern van elke heliumatoom bevat twee protone, maar soos ander elemente, het dit isotope. Hulle bevat een tot ses neutrone, so hul massagetalle wissel van drie tot agt. Die stabiele is die elemente waarvan die heliummassa deur atoomgetalle 3 (³He) en 4 (⁴He) bepaal word. Al die res is radioaktief en verval baie vinnig in ander stowwe. Terrestriële helium is nie die oorspronklike komponent van die planeet nie, dit is gevorm as gevolg van radioaktiewe verval. Alfa-deeltjies wat deur die kerne van swaar radioaktiewe stowwe vrygestel word, is kerne van die isotoop ⁴He. Helium versamel nie in groot hoeveelhede in die atmosfeer nie omdat die aarde se swaartekrag nie sterk genoeg is om te verhoed dat dit geleidelik die ruimte in ontsnap nie. Spore van ³Hy op Aarde word verklaar deur die negatiewe beta-verval van die seldsame element waterstof-3 (tritium). ⁴Hy is die volopste van die stabiele isotope: die verhouding van ⁴He-atome tot ^{3He is ongeveer 700 duisend tot 1 in die atmosfeer en ongeveer 7 miljoen tot 1 in sommige heliumbevattende minerale.}

Fisiese eienskappe van helium

Die kook- en smeltpunte van hierdie element is die laagste. Om hierdie rede bestaan helium as 'n gas, behalwe onder uiterste toestande. Gasvormig Hy los minder in water op as enige ander gas, en die diffusietempo deur vaste stowwe is drie keer dié van lug. Sy brekingsindeks kom die naaste aan 1.

Die termiese geleidingsvermoë van helium is net tweede na dié van waterstof, en sy spesifieke hittekapasiteit is buitengewoon hoog. By gewone temperature verhit dit tydens uitsetting en koel af tot onder 40 K. Daarom, by T<40 K, kan helium omgeskakel word invloeistof deur uitsetting.

'n Element is 'n diëlektrikum as dit nie in 'n geïoniseerde toestand is nie. Soos ander edelgasse, het helium metastabiele energievlakke wat dit toelaat om geïoniseer te bly in 'n elektriese ontlading wanneer die spanning onder die ionisasiepotensiaal bly.

Helium-4 is uniek deurdat dit twee vloeibare vorms het. Die gewone word helium I genoem en kom voor by temperature wat wissel van 'n kookpunt van 4,21 K (-268,9 °C) tot ongeveer 2,18 K (-271 °C). Onder 2.18 K word die termiese geleidingsvermoë van 4Hy 1000 keer dié van koper. Hierdie vorm word helium II genoem om dit van die normale vorm te onderskei. Dit is supervloeibaar: die viskositeit is so laag dat dit nie gemeet kan word nie. Helium II versprei in 'n dun film op die oppervlak van wat dit ook al raak, en hierdie film vloei sonder wrywing selfs teen swaartekrag.

Die minder volop helium-3 vorm drie duidelike vloeibare fases, waarvan twee supervloeibaar is. Supervloeibaarheid in ⁴Hy is in die middel-1930's deur die Sowjet-fisikus Pyotr Leonidovich Kapitsa ontdek, en dieselfde verskynsel in ^{3Hy is die eerste keer opgemerk deur Douglas D Osherov, David M. Lee en Robert S. Richardson van die VSA in 1972.}

'n Vloeibare mengsel van twee isotope van helium-3 en -4 by temperature onder 0,8 K (-272,4 °C) word in twee lae verdeel - amper suiwer ³He en 'n mengsel van⁴Hy met 6% helium-3. Die ontbinding van ³He in ^{4Hy gaan gepaard met 'n verkoelende effek, wat gebruik word in die ontwerp van kriostate, waarin die heliumtemperatuur daalonder 0,01 K (-273,14 °C) en vir etlike dae daar gehandhaaf.}

Connections

Onder normale toestande is helium chemies inert. In uiterste toestande kan jy elementverbindings skep wat nie stabiel is by normale temperature en druk nie. Helium kan byvoorbeeld verbindings met jodium, wolfram, fluoor, fosfor en swael vorm wanneer dit aan 'n elektriese gloei ontlading onderwerp word wanneer dit met elektrone gebombardeer word of in die plasmatoestand. Dus is HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ en He₂ molekulêre ione geskep+^{, Nie}2++^{, HeH}+ ^{en HeD+}. Hierdie tegniek het dit ook moontlik gemaak om neutrale molekules He² en HgHe te verkry.

Plasma

In die heelal word geïoniseerde helium oorwegend versprei, waarvan die eienskappe aansienlik van molekulêr verskil. Sy elektrone en protone is nie gebind nie, en dit het 'n baie hoë elektriese geleidingsvermoë selfs in 'n gedeeltelik geïoniseerde toestand. Gelaaide deeltjies word sterk deur magnetiese en elektriese velde beïnvloed. Byvoorbeeld, in die sonwind, werk heliumione, saam met geïoniseerde waterstof, in wisselwerking met die Aarde se magnetosfeer, wat die auroras veroorsaak.

VSA-ontdekking

Na die boor van 'n put in 1903, is nie-vlambare gas in Dexter, Kansas, verkry. Aanvanklik was dit nie bekend dat dit helium bevat nie. Watter gas gevind is, is deur die staatsgeoloog Erasmus Haworth, wiemonsters daarvan versamel en by die Universiteit van Kansas met die hulp van chemici Cady Hamilton en David McFarland gevind dat dit 72% stikstof, 15% metaan, 1% waterstof en 12% bevat is nie geïdentifiseer nie. Na verdere ontleding het die wetenskaplikes bevind dat 1,84% van die monster helium was. Hulle het dus geleer dat hierdie chemiese element in groot hoeveelhede in die ingewande van die Groot Vlaktes voorkom, vanwaar dit uit natuurlike gas ontgin kan word.

Nywerheidsproduksie

Dit het die Verenigde State die wêreldleier in heliumproduksie gemaak. Op voorstel van sir Richard Threlfall het die Amerikaanse vloot drie klein eksperimentele aanlegte gefinansier om hierdie stof tydens die Eerste Wêreldoorlog te vervaardig om spervuurballonne van 'n ligte, nie-vlambare opheffingsgas te voorsien. Die program het 'n totaal van 5 700 m3 92% He opgelewer, hoewel minder as 100 liter gas voorheen geproduseer is. Van hierdie volume is gebruik in die wêreld se eerste heliumlugskip, die US Navy C-7, wat op 7 Desember 1921 sy nooiensvaart van Hampton Roads, Virginia na Bolling Field, Washington, DC gemaak het.

Hoewel die lae-temperatuur gasvloeistofproses nie destyds genoeg gevorderd was om gedurende die Eerste Wêreldoorlog betekenisvol te wees nie, het produksie voortgegaan. Helium is hoofsaaklik as 'n hysbakgas in vliegtuie gebruik. Die vraag daarna het gedurende die Tweede Wêreldoorlog gegroei, toe dit in afgeskermde boogsweiswerk gebruik is. Die element was ook belangrik in die atoombomprojek. Manhattan.

VSA Nasionale Aandeel

In 1925 het die Amerikaanse regering die Nasionale Helium-reservaat by Amarillo, Texas, gestig met die doel om militêre lugskepe in tye van oorlog en kommersiële lugskepe in tye van vrede te voorsien. Die gebruik van gas het ná die Tweede Wêreldoorlog afgeneem, maar die aanbod is in die 1950's verhoog om onder meer die toevoer daarvan te voorsien as 'n koelmiddel wat gebruik word in die vervaardiging van suurwaterstofvuurpylbrandstof tydens die ruimtewedren en die Koue Oorlog. Amerikaanse heliumgebruik in 1965 was agt keer die hoogste oorlogstydverbruik.

Na aanleiding van die Helium-wet van 1960, het die Buro vir Mynwese 5 private maatskappye gekontrakteer om die element uit aardgas te onttrek. Vir hierdie program is 'n 425-kilometer gaspypleiding gebou wat hierdie aanlegte verbind met 'n gedeeltelik uitgeputte regeringsgasveld naby Amarillo, Texas. Die helium-stikstofmengsel is in 'n ondergrondse stoorfasiliteit gepomp en daar gebly totdat dit benodig word.

Teen 1995 was 'n miljard kubieke meter voorraad ingesamel en die Nasionale Reserwe was $1,4 miljard se skuld, wat die Amerikaanse Kongres aangespoor het om dit in 1996 uit te faseer. Nadat die heliumprivatiseringswet in 1996 goedgekeur is, het die Ministerie van Natuurlike Hulpbronne in 2005 begin om die bergingsfasiliteit te likwideer.

Suiwerheid en produksievolumes

Helium wat voor 1945 vervaardig is, het 'n suiwerheid van ongeveer 98% gehad, die res 2%verantwoordelik vir stikstof, wat voldoende was vir lugskepe. In 1945 is 'n klein hoeveelheid van 99,9 persent gas geproduseer vir gebruik in boogsweis. Teen 1949 het die suiwerheid van die resulterende element 99,995% bereik.

Vir baie jare het die Verenigde State meer as 90% van die wêreld se kommersiële helium geproduseer. Sedert 2004 het dit jaarliks 140 miljoen m3 geproduseer, waarvan 85% van die Verenigde State kom, 10% van Algerië en die res van Rusland en Pole. Die hoofbronne van helium in die wêreld is die gasvelde van Texas, Oklahoma en Kansas.

Ontvangproses

Helium (98,2% suiwerheid) word uit aardgas onttrek deur ander komponente teen lae temperature en hoë druk vloeibaar te maak. Die adsorpsie van ander gasse deur afgekoelde geaktiveerde koolstof bereik 'n suiwerheid van 99,995%.’n Klein hoeveelheid helium word geproduseer deur lug op groot skaal te vervloei. Sowat 3,17 kubieke meter kan uit 900 ton lug verkry word. m gas.

Aansoekgebiede

Edelgas is in verskeie velde gebruik.

Helium, wie se eienskappe dit moontlik maak om ultra-lae temperature te verkry, word gebruik as 'n verkoelingsmiddel in die Large Hadron Collider, supergeleidende magnete in MRI-masjiene en kernmagnetiese resonansiespektrometers, satelliettoerusting, en ook vir die vloeibare suurstof en waterstof in Apollo-vuurpyle.
As 'n inerte gas vir die sweis van aluminium en ander metale, in die vervaardiging van optiese vesels en halfgeleiers.
Om te skepdruk in die brandstoftenks van vuurpylmotors, veral dié wat op vloeibare waterstof werk, aangesien slegs gasvormige helium sy toestand van aggregasie behou wanneer waterstof vloeibaar bly);
He-Ne-gaslasers word gebruik om strepieskodes by supermark-betaalpunte te skandeer.
Die heliumioonmikroskoop produseer beter beelde as die elektronmikroskoop.
Vanweë sy hoë deurlaatbaarheid word edelgas gebruik om te kyk vir lekkasies in byvoorbeeld motorlugversorgingstelsels, en om lugsakke vinnig op te blaas in 'n ongeluk.
Lae digtheid laat jou toe om dekoratiewe ballonne met helium te vul. Inerte gas het plofbare waterstof in lugskepe en ballonne vervang. Byvoorbeeld, in meteorologie word heliumballonne gebruik om meetinstrumente op te lig.
In kriogene tegnologie dien dit as 'n koelmiddel, aangesien die temperatuur van hierdie chemiese element in die vloeibare toestand die laagste moontlik is.
Helium, wie se eienskappe dit voorsien met 'n lae reaktiwiteit en oplosbaarheid in water (en bloed), gemeng met suurstof, het toepassing gevind in asemhalingsamestellings vir skubaduik en caissonwerk.
Meteoriete en rotse word vir hierdie element ontleed om hul ouderdom te bepaal.