Hélium: vlastnosti, charakteristiky, aplikace

Hélium - inertní plyn ze skupiny 18 periodické tabulky prvků. Jedná se o druhý nejlehčí prvek po vodíku. Hélium - plyn bez barvy, chuti a zápachu, který se stane kapalné při teplotě -268.9 ° C bod varu a jeho tuhnutí nižší než jakékoliv jiné známé látky. Je to jediný prvek, který netuhne za chlazení při normálním atmosférickém tlaku. Přešel do pevného stavu, musí být 25 atmosfér, při teplotě 1 K.

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 linie představuje prvek sodík. Ve stejném roce, anglický astronom Dzhozef Norman Lockyer pozorováno žluté řádek v slunečním spektru, které neodpovídaly na známé sodné linie D ₁ a D _2, a proto je pojmenována to čáry D _3. Lockyer k závěru, že to bylo způsobeno látky na slunci neznáma na Zemi. Spolu s chemik Edward Frankland v názvu prvku s použitím řeckého názvu ‚Helios‘ Sun.

V roce 1895, britský chemik Sir Uilyam Ramzay prokázal existenci hélia na Zemi. Obdržel vzorku cleveite minerály uranonosnými, a po posouzení plynů, vytvořené v průběhu zahřívání, bylo zjištěno, že jasně žlutá čára ve spektru se shoduje s čáry D _3, pozorovaný ve slunečním spektru. Tak nový prvek byl nakonec instalován. V roce 1903 Ramsay a Frederick Soddy zjištěno, že helium je produktem spontánní rozpadu radioaktivních látek.

Distribuce v přírodě

Hmotnost hélia je asi 23% z celkové hmotnosti vesmíru, a prvek je druhou nejčastější v prostoru. Koncentruje se do hvězdy, kde je atom vodíku, vytvořených z výsledné 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 Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, a Arizona) jako složka (7,6%) zemního plynu. Malá a její rezervy byly objeveny v Austrálii, Alžírsko, Polsku, Kataru a Ruska. Koncentrace kůra helium je jen asi 8 ppb.

izotopy

Jádro každého atomu helia obsahuje dva protony, ale stejně jako u ostatních prvků, má izotopy. Obsahují od jednoho do šesti neutronů, takže jejich masové čísla v rozmezí od tří do osmi let. Stabilní z nich jsou části, jejichž hmotnost je určena helia atomovým číslem 3 ⁽³ He) a 4 ⁽⁴ He). Všechny ostatní radioaktivní a rychle se rozpadají na jiné látky. Zemské helium není původní část planety, to bylo tvořeno v důsledku radioaktivního rozpadu. Alfa částice emitované jader radioaktivních těžkých látek izotopu ⁴ He jádro. Helium nehromadí ve velkém množství v atmosféře, protože zemská gravitace nestačí zabránit tomu, aby postupně uniká do vesmíru. Stopy ³ He ve světě jsou vysvětleny negativní beta rozpad vodíku vzácné-3 prvek (tritium). ⁴ Je nejčastější stabilních izotopů: ⁴ poměr atomů He směrem k ^3, že je asi 700000 do 1 atmosféry a asi 7 milionů 1 v některých heliový minerály ..

Fyzikální vlastnosti helia

varu a teplota tání této položky jsou nejnižší. Z tohoto důvodu, helium existuje ve formě plynu s výjimkou extrémních podmínkách. Ten plyn se rozpustí ve vodě menší než jakýkoliv jiný plyn, a rychlost difúze prostřednictvím pevného tělesa, je třikrát vyšší než u vzduchu. Její index lomu nejblíže přiblíží 1.

Tepelná vodivost helia je na druhém vodík tepelné vodivosti, měrné teplo a jeho mimořádně vysoká. Při běžných teplotách, se zahřívá v průběhu expanze a pod 40 K - chlazené. Z tohoto důvodu, v T <40 K hélium může být přeměněn na kapaliny rozšiřuje.

Prvek je izolátor, není-li v ionizované stavu. Stejně jako u jiných vzácných plynů, helium má metastabilní energetické hladiny, které umožňují, aby se ionizuje elektrického výboje, když je napětí nižší než ionizační potenciál.

Hélium-4 je unikátní v tom, že má dvě kapalné formy. existuje obvykle nazývá helium I a při teplotách v rozmezí od teploty varu 4.21 K (-268,9 ° C) do asi 2,18 K (-271 ° C). Nižší tepelné vodivosti 2,18 K ^4. Stává 1000 krát vyšší než z mědi. Tato forma se nazývá helium II, aby se odlišil od běžných. To superfluid: viskozita je tak nízké, že není možné měřit. Hélium II se šíří do tenké vrstvy na povrchu jakékoli látky, která se týká, a tento film proudí bez tření i proti gravitaci.

Méně hojný hélium-3 tvoří tři různé kapalné fáze, z nichž dvě jsou supratekutá. Superfluidity ve ⁴ Byl objeven sovětského fyzika Petrom Leonidovichem Kapitsey v polovině 1930, a stejný jev v ³ byl nejprve si všiml Douglas D. Osheroff, David M. Lee a Robert C. Richardson ve Spojených státech v roce 1972.

Kapalná směs dvou izotopů helium-3 a -4 při teplotě nižší než 0,8 K (-272,4 ° C), je rozdělena do dvou vrstev - v podstatě čistých ³ He a ⁴ On směs se 6% helia-3. Rozpouštění ³ He ve ⁴ Je doprovázena chladicího účinku, který se používá v kryostatových struktur, v nichž je teplota helium je nižší než 0,01 K (-273,14 ° C) a udržuje se po dobu několika dní.

připojení

Za normálních podmínek, helium je chemicky inertní. V extrémních může vytvořit složený prvek, který při normální teplotě a tlaku ukazatelů nejsou stabilní. Například, helium mohou tvořit sloučeniny s jodem, wolfram, fluoru, fosfor a síra, když jsou vystaveny elektrickému doutnavým výbojem nebo bombardováním elektrony ve stavu plazmatu. Tak byl vytvořen He-Ne, HgHe _10, když s ₂ a molekulární ionty On ₂ ⁺ ₂ Ne ^++, he ⁺ a Hed ^+. Tato technika byla také neutrální molekula On ₂ a HgHe.

plazma

Ve vesmíru s výhodou rozděleny ionizované hélium, jehož vlastnosti se výrazně liší od molekulární. Elektrony a protony nebyla spojena, a to má velmi vysokou elektrickou vodivost i v částečně ionizovaného stavu. On nabitých částic je silně ovlivněn magnetickým a elektrickým polem. Například, ve slunečním větru heliem ionty interakci s ionizovaného vodíku magnetosféry zemi, což způsobuje borealis Aurora.

Objev vkladů v USA

Po vyvrtání v roce 1903 v Dexter, Kansas, že byl získán nehořlavý plyn. Zpočátku to 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 Kedi Gamiltona a David McFarland zjištěno, že obsahuje 72% dusíku, 15% metanu, 1% vodíku a 12% nebyl identifikován. Po utracení následnou analýzu, výzkumníci zjistili, že 1,84% vzorku helia. Takže víme, že tento chemický prvek je přítomný ve velkém množství v hlubin Great Plains, kde to může být extrahovaný ze zemního plynu.

průmyslová výroba

To učinil Spojené státy výroba světový vůdce hélia. 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. Podle tohoto programu bylo vyrobeno celkem 5700 m ³ 92 procent on, i když to bylo dosaženo pouze nejméně 100 litrů plynu. Část této částky byla použita jako první na světě helia vzducholoď US Navy C-7, který dělal jeho první plavbu ze silnic Hamptona (Virginie) v Bolling Field (Washington, DC) 7. prosince 1921.

I když proces nízkoteplotního kapalného plynu v té době dostatečně vyvinuta tak, aby během první světové války významný, výroba pokračovala. Helium se obecně používá jako zdvihací plynu v letadle. Poptávka po ní se zvýšil během druhé světové války, když to bylo používáno se svařování v ochranné atmosféře. Prvek má také velký význam pro vytvoření atomové bomby „Manhattan“.

US National rezerva

V roce 1925, vláda Spojených států vytvořila národní rezervy helia v Amarillo, Texas, poskytovat vojenské vzducholodi v době války a komerčních vzducholodí 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 ve Spojených státech v roce 1965 osmkrát vyšší než vrcholový spotřeby v době války.

Po přijetí zákona o helium 1960 Mining předsednictva zábleskové 5 soukromými společnostmi extrahovat prvek ze zemního plynu. Tento program byl postaven 425 km potrubí pro připojení tyto rostliny s vládní částečně vyčerpané plynové pole v blízkosti Amarillo v Texasu. směs helium-dusík čerpá do podzemí, a zůstal tam, dokud není potřeba v něm.

V roce 1995 se objem zásob byl sestaven miliard metrů krychlových, zatímco dluh národní rezervy 1,4 miliardy dolarů, který podnítil americký kongres v roce 1996, postupně se z toho. V návaznosti na přijetí v roce 1996 zákon o privatizaci helia ministerstva přírodních zdrojů zahájil obchod likvidace v roce 2005.

Čisté a výroba

Hélium produkoval až 1945 rok o čistotě asi 98%, ostatní 2% bylo v dusíkové atmosféře, které je dostatečné pro vzducholodě. V roce 1945, se vyrábí malé množství 99,9 procent plynu pro použití v obloukové svařování. Od roku 1949, čistota výsledného prvku dosáhl 99,995%.

Po mnoho let ve Spojených státech vyrobila více než 90% obchodního helia na světě. Od roku 2004, každý rok to byl zpracován 140 milionů ^m3, z toho 85% dojít ve Spojených státech, 10% bylo provedeno v Alžírsku, a zbytek - v Rusku a Polsku. Hlavními zdroji helia na světě jsou pole zemního plynu v Texasu, Oklahoma a Kansas.

Způsob získání

Hélium (čistota 98,2%) se získá z zkapalňování zemního plynu ostatními složkami při nízkých teplotách a při vysokých tlacích. Adsorpce jiných plynů ochladí aktivní uhlí lze dosáhnout čistotu 99,995%. Malé množství hélia vyrobené během leteckého zkapalnění ve velkém měřítku. Ze 900 tun vzduchu může získat asi 3,17 metrů krychlových. m plyn.

Oblasti využití

Vzácný plyn byla použita 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 další. Kovy při výrobě polovodičů a optických vláken.
• .. Pro vytvoření tlaku v palivových nádržích raketových motorů, zejména těch, které působí na kapalný vodík, t pouze helia zachovává skupenství při vodíku zůstane kapalina);
• He-Ne plynové lasery jsou používány pro skenování čárových kódů na pokladnách v supermarketech.
• Helium-ion mikroskop vám umožní získat co nejlepší obraz než elektronické.
• Vzhledem k vysoké propustnosti vzácného plynu se používá k testování netěsnosti, například v automobilových klimatizačních systémů, jakož i rychlému naplnění airbagu při nárazu.
• Nízká hustota umožňuje ozdobné kuličky naplněné heliem. Inertní plyn je nahrazen výbušný plyn vodíku ve vzducholodi a balóny. Například v meteorologii, hélium balóny jsou používány ke zvedání měřicí přístroj.
• Kryogenní chladivo se používá, protože je teplota chemického prvku v minimálním možném kapalném stavu.
• 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 skály jsou analyzovány na obsah tohoto prvku k určení jejich věku.

Hélium: vlastnosti prvku

Ten hlavní fyzikální vlastnosti jsou následující:

• Atomové číslo: 2.
• Relativní hmotnost atomu hélia: 4,0026.
• Teplota tání: ne.
• Bod varu: -268,9 ° C
• Hustota (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oxidační stupeň 0.