Helium: propietats, característiques, l'aplicació

L'heli - gas inert del grup 18 de la taula periòdica. Aquest és el segon element més lleuger després d'hidrogen. L'heli - gas sense color, olor i sabor que es converteix en líquid a una temperatura de -268,9 ° C. punt d'ebullició i el seu punt de congelació més baix que el de qualsevol altra substància coneguda. És l'únic element que no es solidifica amb el refredament a pressió atmosfèrica normal. Es va traslladar a l'estat sòlid ha de ser de 25 atmosferes, a una temperatura d'1 K.

Història del descobriment

L'heli es troba en l'atmosfera gas que envolta el sol, l'astrònom francès Pierre Zhansenom que en 1868 durant un eclipsi ha trobat una línia de color groc brillant en l'espectre de la cromosfera solar. Inicialment se suposa que aquesta línia representa l'element de sodi. En el mateix any, Anglès astrònom Dzhozef Norman Lockyer va observar una línia groga en l'espectre solar, que no correspon a les línies de sodi coneguts D ₁ i D _2, i per tant es diu una línia D _3. Lockyer va concloure que va ser causada per una substància desconeguda en el Sol a la Terra. Ell i el químic Edward Frankland en l'element de títol utilitzant el nom grec 'Helios' Sun.

El 1895, el químic britànic Uilyam Ramzay ha demostrat l'existència d'heli a la Terra. Va rebre minerals d'urani-coixinet cleveite de mostra, i després d'examinar els gasos formats durant l'escalfament, es troba que brillant línia groga en l'espectre coincideix amb la línia D _3, observat en l'espectre solar. Per tant, un nou element va ser finalment instal·lat. En 1903 Ramsay i Frederick Soddy van trobar que l'heli és un producte de la descomposició espontània de substàncies radioactives.

Distribució a la natura

La massa de l'heli és aproximadament el 23% de la massa total de l'univers, i l'element és la segona més comuna en l'espai. Es concentra en estrelles, on es forma hidrogen a partir de la fusió resultant. Encara que l'heli a l'atmosfera és en una concentració de 1 part a 200º. (5 ppm) i està continguda en petites quantitats de minerals radioactius, glàndula meteorits, així com fonts de minerals, grans quantitats de l'element que es troba als Estats Units (especialment a Texas, New ciutat de Mèxic, Kansas, Oklahoma, Utah i Arizona) com a component (al 7,6%) de gas natural. Petit i les seves reserves s'han descobert a Austràlia, Algèria, Polònia, Qatar i Rússia. A la concentració d'escorça heli és només al voltant de 8 ppb.

isòtops

El nucli de cada un dels àtom d'heli conté dos protons, però, com amb altres elements, té isòtops. Ells contenen d'un a sis neutrons, pel que els seus números de massa d'entre tres i vuit. Estable d'aquests són els elements el pes es determina per heli nombre atòmic 3 ⁽³ He) i 4 ⁽⁴ He). Tots els altres radioactius i ràpidament decaure en altres substàncies. heli de la Terra no és una part original del planeta, que es va formar com a resultat de la desintegració radioactiva. Les partícules alfa emeses per nuclis de substàncies radioactives són pesats isòtop ⁴ nucli d'He. L'heli no s'acumula en grans quantitats en l'atmosfera, a causa de la gravetat de la Terra no és suficient per evitar que s'escapi progressivament en l'espai. Les empremtes de ³ Ell en el món s'expliquen hidrogen beta decaïment negatiu rara 3-element (triti). ⁴ Ell és el més comú dels isòtops estables: relació de ⁴ d'àtoms d'He cap al ³ Ell és al voltant de 700 mil a 1 atmosfera i aproximadament 7 milions per 1 en alguns minerals d'heli-ric ..

Les propietats físiques de l'heli

ebullició i punt de fusió d'aquest article és més baix. Per aquesta raó, hi ha el heli com a gas, excepte en condicions extremes. Ell gas es dissol en aigua menor que la de qualsevol altre gas, i la taxa de difusió a través del cos sòlid és tres vegades més gran que la de l'aire. El seu índex de refracció dels més propers s'aproxima a 1.

La conductivitat tèrmica de l'heli és la segona a la conductivitat tèrmica d'hidrogen, la calor específica i la seva extraordinàriament alta. A temperatures ordinàries s'escalfa durant l'expansió, i per sota de 40 K - refreda. Per tant, a T <40 K heli es pot convertir en un líquid mitjançant l'expansió.

Element és un aïllant, si no està en l'estat ionitzat. Igual que amb altres gasos nobles, l'heli té una metastables nivells d'energia que li permeten ser ionitzat per una descàrrega elèctrica quan un voltatge està per sota del potencial d'ionització.

Heli-4 és únic en què té dues formes líquides. existeix Usual anomenat heli I i a temperatures que varien des del punt de 4,21 K d'ebullició (-268,9 ° C) fins a aproximadament 2,18 K (-271 ° C). Baixa conductivitat tèrmica de 2,18 K ⁴ Es converteix en 1000 vegades més gran que la del coure. Aquesta forma s'anomena l'heli II, per distingir del comú. S'ha superfluid: viscositat és tan baixa que no es pot mesurar. L'heli II s'estén en una pel·lícula fina a la superfície de qualsevol substància que es refereix, i aquesta pel·lícula està fluint sense fricció fins i tot en contra de la gravetat.

Menys abundant heli-3 forma tres fases líquides diferents, dos dels quals són superfluid. La superfluïdesa a ⁴ Va ser descobert pel físic soviètic Petrom Leonidovichem Kapitsey a mitjans de la dècada de 1930, i el mateix fenomen en el ³ Ell es va adonar per primera vegada per Douglas D. Osheroff, David M. Lee i Robert C. Richardson dels Estats Units el 1972.

Una barreja líquida de dos isòtops d'heli-3 i -4 a temperatures inferiors a 0,8 K (-272,4 ° C) es divideix en dues capes - 01:00 essencialment purs ³ Ell i ⁴ barreja Ell amb 6% d'heli-3. Dissolució de ³ Ell en ⁴ Està acompanyat per l'efecte de refredament que s'utilitza en estructures de criòstat en el qual la temperatura de l'heli està per sota de 0,01 K (-273,14 ° C) i es va mantenir durant uns pocs dies.

connexions

En condicions normals, l'heli és químicament inert. En extrema pot crear un element compost que en els indicadors normals de temperatura i pressió no són estables. Per exemple, l'heli pot formar compostos amb iode, tungstè, fluor, fòsfor i sofre, quan se sotmet a una descàrrega lluminosa elèctrica o per bombardeig d'electrons en l'estat de plasma. Per tant, s'ha creat HeNe, HgHe _10, Whe ₂ i els ions moleculars Ell ₂ ⁺ ₂ No ^++, he ⁺ i HED ^+. Aquesta tècnica també ha estat una molècula neutra Ell ₂ i HgHe.

plasma

En l'univers distribuït avantatjosament heli ionitzat, les propietats difereixen substancialment de la molecular. Els electrons i protons no estava vinculat, i té una conductivitat elèctrica molt alta fins i tot en un estat parcialment ionitzat. En partícules carregades està molt influenciada pels camps magnètics i elèctrics. Per exemple, en el vent solar amb ions d'heli interactuar amb el ionitzat terra magnetosfera hidrogen, causant l'aurora boreal.

El descobriment dels dipòsits als EUA

Després de perforar en 1.903 en Dexter, Kansas, que es va obtenir per gas no inflamable. Inicialment, no se sabia que conté heli. Quin gas es va trobar, estat identificat Erasmus Haworth geòleg, que ha recollit les seves mostres i la Universitat de Kansas a través dels químics kedi Gamiltona i David McFarland va trobar que conté el 72% de nitrogen, 15% de metà, 1% d'hidrogen i no es va identificar el 12%. Després de passar a l'anàlisi posterior, els investigadors van trobar que l'1,84% de la mostra d'heli. Així que sabem que aquest element químic està present en grans quantitats en les profunditats de les Grans Planes, on es pot extreure a partir de gas natural.

producció industrial

Això ha fet Estats Units la producció mundial del líder d'heli. A suggeriment de Sir Richard Threlfall, la Marina dels Estats Units finançar tres petita planta pilot per produir aquesta substància durant la Primera Guerra Mundial per assegurar els globus de barrera de gas d'aixecament de pes lleuger no inflamable. D'acord amb aquest programa es van produir en total de 5,700 ^m3 92 per cent Ell, encara que això només es va obtenir com a mínim 100 litres de gas. Una part d'aquesta quantitat es va utilitzar en primer dirigible d'heli del món de la Marina dels EUA C-7, que va fer el seu viatge inaugural des Hampton Roads (Virgínia) en el camp de Bolling (Washington, DC) 7 de desembre de, 1921.

Tot i que el procés de gas liquat a baixa temperatura en aquell moment no estava prou desenvolupada com per ser significatiu durant la Primera Guerra Mundial, la producció va continuar. L'heli s'utilitza generalment com un gas d'elevació en els avions. La demanda que s'ha incrementat durant la Segona Guerra Mundial, quan s'utilitza amb una soldadura d'arc protegit. L'element també té gran importància en la creació de la bomba atòmica "Manhattan".

Reserva Nacional dels EUA

El 1925, el govern d'Estats Units va crear la reserva Nacional d'heli en Groc, Texas, per proporcionar aeronaus militars en temps de guerra i aeronaus comercials en temps de pau. L'ús de gas va caure després de la Segona Mundial, però la població es va incrementar en 1950 per proporcionar, entre altres coses, es subministra com a refrigerant utilitzat en la producció de propulsants d'oxigen-hidrogen durant la carrera espacial i la Guerra Freda. L'ús d'heli als Estats Units en 1965, vuit vegades més alt que el pic de consum en temps de guerra.

Després de l'aprovació de la llei de 1960 d'heli de Mineria Streak 5 empreses privades per extreure l'element a partir del gas natural. Aquest programa va ser construït 425 quilòmetres de canonades per connectar aquestes plantes amb el camp de gas govern parcialment esgotat prop de Groc, Texas. barreja d'heli i de nitrogen bomba en l'emmagatzematge subterrani, i va romandre allà fins que no hi ha necessitat en ella.

El 1995, el volum d'accions es munta MIL MILIONS de metres cúbics, mentre que el deute de la reserva nacional d'1,4 milions de dòlars, el que va portar al Congrés dels Estats Units el 1996 per eliminar d'ella. Després de l'aprovació el 1996 de la llei sobre la privatització d'heli Ministeri de Recursos Naturals va posar en marxa una botiga de liquidació en 2005.

Neteja i producció

L'heli produït fins 1.945 anys tenia una puresa d'aproximadament 98%, altres 2% estaven en el nitrogen que és suficient per a aeronaus. El 1945, es va produir una petita quantitat de 99.9 per cent de gas per al seu ús en soldadura per arc. Per 1949, la puresa de l'element resultant ha arribat 99,995%.

Durant molts anys els Estats Units produeix més del 90% d'heli comercial del món. Des de 2004, cada any es va idear de 140 milions de m ^3, el 85% dels quals es produeixen en els Estats Units, el 10% es va dur a terme a Algèria, i la resta - a Rússia i Polònia. Les principals fonts d'heli en el món són jaciments de gas natural de Texas, Oklahoma i Kansas.

El procés per obtenir

L'heli (puresa 98,2%) es recupera de la liqüefacció de gas natural per altres components a baixes temperatures i a altes pressions. L'adsorció d'altres gasos refredats carbó activat pot aconseguir la puresa de 99,995%. Una petita quantitat d'heli produeix durant la liqüefacció d'aire a gran escala. De les 900 tones d'aire pot obtenir al voltant de 3,17 metres cúbics. m gas.

Els camps d'aplicació

gas noble s'ha aplicat en diversos camps.

• L'heli, que propietats permeten obtenir molt baixa temperatura, s'utilitza com un agent de refredament en LHC, MRI aparells imant superconductor i espectròmetres de ressonància magnètica nuclear, equip de satèl·lit, així com per a la liqüefacció d'oxigen i hidrogen en míssils "Apollo".
• A mesura que el gas inert per a la soldadura d'alumini i altres. Els metalls en la fabricació de semiconductors i fibres òptiques.
• .. Per crear pressió en els tancs de combustible de motors de coets, en particular els que operen en l'hidrogen líquid, t a només el gas heli conserva el seu estat d'agregació quan l'hidrogen roman en estat líquid);
• He-Ne làsers de gas s'utilitzen per escanejar el codi de barres a la taquilla en els supermercats.
• microscopi d'heli-ió li permet obtenir la millor imatge del que electrònic.
• A causa de l'alta permeabilitat del gas noble s'utilitza per provar les fuites, per exemple en sistemes d'aire condicionat d'automòbils, així com l'ompliment ràpid de la bossa d'aire després de la col·lisió.
• Baixa densitat permet que les boles decoratives plens d'heli. El gas inert se substitueix gas d'hidrogen explosiu a dirigibles i globus. Per exemple, en meteorologia, globus d'heli s'utilitzen per aixecar l'instrument de mesurament.
• S'utilitza el refrigerant criogènic, ja que la temperatura de l'element químic en estat líquid mínim possible.
• L'heli, que propietats li confereixen una baixa reactivitat i solubilitat en aigua (i sang), en una barreja amb l'oxigen ha trobat aplicació en formulacions respiratòries per al busseig i la celebració de treball calaix.
• Meteorits i roques s'analitzen per determinar el contingut d'aquest element per determinar la seva edat.

Helium: les propietats de l'element

Ell principals propietats físiques són les següents:

• Nombre atòmic: 2.
• La massa relativa de l'àtom d'heli: 4,0026.
• Punt de fusió: no.
• Punt d'ebullició: -268,9 ° C.
• Densitat (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• estat d'oxidació 0.