Helium: mga katangian, katangian, aplikasyon

2024 May -akda: Angel Austin | [email protected]. Huling binago: 2024-01-02 17:57

Ang Helium ay isang inert gas ng ika-18 pangkat ng periodic table. Ito ang pangalawang pinakamagaan na elemento pagkatapos ng hydrogen. Ang helium ay isang walang kulay, walang amoy at walang lasa na gas na nagiging likido sa -268.9 °C. Ang mga punto ng pagkulo at pagyeyelo nito ay mas mababa kaysa sa anumang iba pang kilalang substance. Ito ang tanging elemento na hindi tumitibay kapag pinalamig sa normal na presyon ng atmospera. Aabutin ng 25 atmospheres sa 1 K para tumigas ang helium.

Kasaysayan ng pagtuklas

Natuklasan ang

Helium sa gaseous atmosphere na nakapalibot sa Araw ng French astronomer na si Pierre Jansen, na noong 1868 sa panahon ng eclipse ay nakatuklas ng maliwanag na dilaw na linya sa spectrum ng solar chromosphere. Ang linyang ito ay orihinal na naisip na kumakatawan sa elemento ng sodium. Sa parehong taon, ang Ingles na astronomo na si Joseph Norman Lockyer ay nakakita ng isang dilaw na linya sa solar spectrum na hindi tumutugma sa mga kilalang linya ng sodium D₁ at D₂, at kaya pinangalanan niya ang kanyang linya na D_{3. Napagpasyahan ni Lockyer na ito ay sanhi ng isang sangkap sa Araw na hindi alam sa Earth. Siya at ang chemist na si Edward Frankland ay ginamit sa pangalan ng elementoang Griyegong pangalan para sa Araw ay Helios.}

Noong 1895, pinatunayan ng British chemist na si Sir William Ramsay ang pagkakaroon ng helium sa Earth. Kumuha siya ng sample ng uranium-bearing mineral cleveite, at pagkatapos suriin ang mga gas na nabuo noong pinainit ito, nalaman niyang ang maliwanag na dilaw na linya sa spectrum ay kasabay ng D_{3 na linyang naobserbahan sa ang spectrum ng Araw. Kaya, sa wakas ay na-install ang bagong elemento. Noong 1903, natukoy nina Ramsay at Frederick Soddu na ang helium ay isang kusang produkto ng pagkabulok ng mga radioactive substance.}

Kumalat sa kalikasan

Ang masa ng helium ay humigit-kumulang 23% ng buong masa ng uniberso, at ang elemento ang pangalawa sa pinakamaraming kalawakan. Ito ay puro sa mga bituin, kung saan ito ay nabuo mula sa hydrogen bilang resulta ng thermonuclear fusion. Bagama't ang helium ay matatagpuan sa atmospera ng daigdig sa konsentrasyon na 1 bahagi bawat 200 libo (5 ppm) at matatagpuan sa maliliit na halaga sa mga radioactive mineral, meteorite iron, at mineral spring, malalaking halaga ng elemento ay matatagpuan sa Estados Unidos (lalo na sa Texas, New York). Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona at Utah) bilang bahagi (hanggang 7.6%) ng natural na gas. May nakitang maliliit na reserba sa Australia, Algeria, Poland, Qatar at Russia. Sa crust ng lupa, ang konsentrasyon ng helium ay halos 8 ppb lamang.

Isotopes

Ang nucleus ng bawat helium atom ay naglalaman ng dalawang proton, ngunit tulad ng ibang mga elemento, mayroon itong isotopes. Naglalaman ang mga ito ng isa hanggang anim na neutron, kaya ang kanilang mga mass number ay mula tatlo hanggang walo. Ang mga matatag ay ang mga elemento na ang helium mass ay tinutukoy ng atomic number 3 (³He) at 4 (⁴He). Ang lahat ng natitira ay radioactive at napakabilis na nabubulok sa ibang mga sangkap. Ang terrestrial helium ay hindi ang orihinal na bahagi ng planeta, ito ay nabuo bilang resulta ng radioactive decay. Ang mga particle ng alpha na ibinubuga ng nuclei ng mabibigat na radioactive substance ay nuclei ng isotope ⁴He. Ang helium ay hindi naiipon sa maraming dami sa atmospera dahil ang gravity ng Earth ay hindi sapat na malakas upang pigilan ito mula sa unti-unting pagtakas sa kalawakan. Ang mga bakas ng ³Siya sa Earth ay ipinaliwanag ng negatibong beta decay ng bihirang elementong hydrogen-3 (tritium). ⁴Siya ang pinaka-sagana sa mga matatag na isotopes: ang ratio ng ⁴He atoms sa ^{3He ay humigit-kumulang 700 libo hanggang 1 sa atmospera at humigit-kumulang 7 milyon hanggang 1 sa ilang mineral na naglalaman ng helium.}

Mga pisikal na katangian ng helium

Ang kumukulo at natutunaw na mga punto ng elementong ito ay ang pinakamababa. Para sa kadahilanang ito, ang helium ay umiiral bilang isang gas, maliban sa ilalim ng matinding mga kondisyon. Gaseous Mas mababa ang natutunaw niya sa tubig kaysa sa anumang gas, at ang rate ng diffusion sa pamamagitan ng solids ay tatlong beses kaysa sa hangin. Ang refractive index nito ay pinakamalapit sa 1.

Ang thermal conductivity ng helium ay pangalawa lamang sa hydrogen, at ang tiyak na kapasidad ng init nito ay hindi karaniwang mataas. Sa ordinaryong temperatura, umiinit ito sa panahon ng pagpapalawak, at lumalamig sa ibaba 40 K. Samakatuwid, sa T<40 K, ang helium ay maaaring ma-convert salikido sa pamamagitan ng pagpapalawak.

Ang isang elemento ay isang dielectric kung wala ito sa isang ionized na estado. Tulad ng iba pang mga noble gas, ang helium ay may metastable na antas ng enerhiya na nagbibigay-daan dito na manatiling naka-ionize sa isang electrical discharge kapag ang boltahe ay nananatiling mas mababa sa potensyal ng ionization.

Ang

Helium-4 ay natatangi dahil mayroon itong dalawang likidong anyo. Ang ordinaryo ay tinatawag na helium I at umiiral sa mga temperaturang mula sa kumukulo na 4.21 K (-268.9 °C) hanggang humigit-kumulang 2.18 K (-271 °C). Sa ibaba ng 2.18 K, ang thermal conductivity ng 4Siya ay nagiging 1000 beses kaysa sa tanso. Ang anyo na ito ay tinatawag na helium II upang makilala ito mula sa normal na anyo. Ito ay superfluid: ang lagkit ay napakababa na hindi ito masusukat. Kumakalat ang Helium II sa isang manipis na pelikula sa ibabaw ng anumang mahawakan nito, at ang pelikulang ito ay dumadaloy nang walang friction kahit na laban sa gravity.

Ang hindi gaanong masaganang helium-3 ay bumubuo ng tatlong natatanging mga phase ng likido, dalawa sa mga ito ay superfluid. Superfluidity sa ⁴Siya ay natuklasan ng Soviet physicist na si Pyotr Leonidovich Kapitsa noong kalagitnaan ng 1930s, at ang parehong phenomenon noong ^{3Siya ay unang napansin ng Douglas D Osherov, David M. Lee, at Robert S. Richardson ng USA noong 1972.}

Ang likidong pinaghalong dalawang isotopes ng helium-3 at -4 sa temperaturang mababa sa 0.8 K (-272.4 °C) ay nahahati sa dalawang layer - halos puro ³Siya at pinaghalong⁴He na may 6% helium-3. Ang paglusaw ng ³Siya sa ^{4Siya ay sinamahan ng isang cooling effect, na ginagamit sa disenyo ng mga cryostat, kung saan bumababa ang temperatura ng heliummas mababa sa 0.01 K (-273.14 °C) at pinananatili doon ng ilang araw.}

Mga Koneksyon

Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang helium ay chemically inert. Sa matinding mga kondisyon, maaari kang lumikha ng mga koneksyon ng elemento na hindi matatag sa normal na temperatura at presyon. Halimbawa, ang helium ay maaaring bumuo ng mga compound na may iodine, tungsten, fluorine, phosphorus, at sulfur kapag sumailalim sa isang electrical glow discharge kapag binomba ng mga electron o nasa estado ng plasma. Kaya, ang HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ at He₂ ay nalikha ang mga molekular na ion+^{, Hindi}2++^{, HeH}+ ^{at HeD+}. Ginawa rin ng diskarteng ito na makakuha ng mga neutral na molekula na He² at HgHe.

Plasma

Sa Uniberso, ang ionized helium ay nakararami na ipinamamahagi, ang mga katangian nito ay malaki ang pagkakaiba sa molekular. Ang mga electron at proton nito ay hindi nakagapos, at mayroon itong napakataas na electrical conductivity kahit na sa isang bahagyang ionized na estado. Ang mga naka-charge na particle ay malakas na apektado ng magnetic at electric field. Halimbawa, sa solar wind, ang mga helium ions, kasama ang ionized hydrogen, ay nakikipag-ugnayan sa magnetosphere ng Earth, na nagiging sanhi ng mga aurora.

US discovery

Pagkatapos mag-drill ng balon noong 1903, nakuha ang non-flammable gas sa Dexter, Kansas. Sa una, hindi alam na naglalaman ito ng helium. Aling gas ang natagpuan ay natukoy ng state geologist na si Erasmus Haworth, nanakolekta ng mga sample nito at sa Unibersidad ng Kansas sa tulong ng mga chemist na sina Cady Hamilton at David McFarland ay natagpuan na ito ay naglalaman ng 72% nitrogen, 15% methane, 1% hydrogen at 12% ay hindi nakilala. Pagkatapos ng karagdagang pagsusuri, natuklasan ng mga siyentipiko na 1.84% ng sample ay helium. Kaya't nalaman nila na ang kemikal na elementong ito ay naroroon sa napakaraming dami sa bituka ng Great Plains, kung saan maaari itong makuha mula sa natural na gas.

Industrial production

Ito ang naging dahilan kung bakit ang United States ang nangunguna sa mundo sa paggawa ng helium. Sa mungkahi ni Sir Richard Threlfall, pinondohan ng US Navy ang tatlong maliliit na pang-eksperimentong planta upang makagawa ng sangkap na ito noong Unang Digmaang Pandaigdig upang magbigay ng mga barrage balloon na may magaan, hindi nasusunog na lifting gas. Ang programa ay gumawa ng kabuuang 5,700 m3 92% He, bagaman wala pang 100 litro ng gas ang dati nang nagawa. Ang ilan sa volume na ito ay ginamit sa unang helium airship sa mundo, ang US Navy C-7, na nagsagawa ng unang paglalakbay mula sa Hampton Roads, Virginia patungong Bolling Field, Washington, DC noong Disyembre 7, 1921.

Bagaman ang proseso ng low-temperature na gas liquefaction ay hindi sapat na advanced sa panahong iyon upang maging makabuluhan noong World War I, nagpatuloy ang produksyon. Ang helium ay pangunahing ginamit bilang isang lift gas sa sasakyang panghimpapawid. Ang pangangailangan para dito ay lumago noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig, noong ginamit ito sa shielded arc welding. Mahalaga rin ang elemento sa proyekto ng atomic bomb. Manhattan.

US National Stock

Noong 1925, itinatag ng gobyerno ng Estados Unidos ang National Helium Reserve sa Amarillo, Texas, para sa layuning magbigay ng mga airship ng militar sa panahon ng digmaan at mga komersyal na airship sa panahon ng kapayapaan. Ang paggamit ng gas ay bumaba pagkatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, ngunit ang supply ay nadagdagan noong 1950s upang maibigay, bukod sa iba pang mga bagay, ang supply nito bilang isang coolant na ginagamit sa paggawa ng oxyhydrogen rocket fuel sa panahon ng space race at Cold War. Ang paggamit ng helium ng U. S. noong 1965 ay walong beses sa pinakamataas na pagkonsumo nito sa panahon ng digmaan.

Kasunod ng Helium Act of 1960, kinontrata ng Bureau of Mines ang 5 pribadong kumpanya para kunin ang elemento mula sa natural gas. Para sa programang ito, isang 425-kilometrong gas pipeline ang itinayo na nagkokonekta sa mga planta na ito sa isang bahagyang naubos na gas ng gobyerno malapit sa Amarillo, Texas. Ang pinaghalong helium-nitrogen ay ibinomba sa isang pasilidad sa imbakan sa ilalim ng lupa at nanatili doon hanggang kailanganin.

Pagsapit ng 1995, isang bilyong metro kubiko ng stock ang nakolekta at ang National Reserve ay $1.4 bilyon ang utang, na nag-udyok sa Kongreso ng US na alisin ito noong 1996. Matapos maipasa ang batas sa pribatisasyon ng helium noong 1996, sinimulan ng Ministry of Natural Resources ang pag-liquidate sa storage facility noong 2005.

Kadalisayan at dami ng produksyon

Helium na ginawa bago ang 1945 ay may kadalisayan na humigit-kumulang 98%, ang natitira ay 2%nagbilang ng nitrogen, na sapat para sa mga airship. Noong 1945, isang maliit na halaga ng 99.9 porsiyentong gas ang ginawa para magamit sa arc welding. Noong 1949, ang kadalisayan ng nagresultang elemento ay umabot sa 99.995%.

Sa loob ng maraming taon, ginawa ng United States ang higit sa 90% ng komersyal na helium sa mundo. Mula noong 2004, nakagawa ito ng 140 milyong m3 taun-taon, 85% nito ay mula sa United States, 10% mula sa Algeria, at ang iba ay mula sa Russia at Poland. Ang pangunahing pinagmumulan ng helium sa mundo ay ang mga gas field ng Texas, Oklahoma at Kansas.

Proseso ng pagtanggap

Ang Helium (98.2% purity) ay kinukuha mula sa natural na gas sa pamamagitan ng pagtunaw ng iba pang bahagi sa mababang temperatura at mataas na presyon. Ang adsorption ng iba pang mga gas sa pamamagitan ng cooled activated carbon ay nakakamit ng kadalisayan ng 99.995%. Ang isang maliit na halaga ng helium ay ginawa sa pamamagitan ng pagtunaw ng hangin sa isang malaking sukat. Humigit-kumulang 3.17 metro kubiko ang maaaring makuha mula sa 900 toneladang hangin. m ng gas.

Mga lugar ng aplikasyon

Nagamit na ang noble gas sa iba't ibang larangan.

Helium, na ginagawang posible ng mga katangian na makakuha ng napakababang temperatura, ay ginagamit bilang isang cooling agent sa Large Hadron Collider, superconducting magnets sa MRI machines at nuclear magnetic resonance spectrometers, satellite equipment, at para sa liquefying oxygen. at hydrogen sa Apollo rockets.
Bilang inert gas para sa welding aluminum at iba pang metal, sa paggawa ng optical fibers at semiconductors.
Upang lumikhapresyon sa mga tangke ng gasolina ng mga rocket engine, lalo na ang mga tumatakbo sa likidong hydrogen, dahil tanging ang gaseous na helium ang nagpapanatili ng estado ng pagsasama-sama kapag ang hydrogen ay nananatiling likido);
Ang He-Ne gas laser ay ginagamit upang i-scan ang mga barcode sa mga supermarket checkout.
Ang Helium Ion microscope ay gumagawa ng mas magagandang larawan kaysa sa electron microscope.
Dahil sa mataas na permeability nito, ginagamit ang noble gas para suriin kung may mga tagas, halimbawa, mga air conditioning system ng sasakyan, at para mabilis na ma-inflate ang mga airbag sa isang crash.
Ang mababang density ay nagbibigay-daan sa iyong punan ang mga pandekorasyon na lobo ng helium. Pinalitan ng inert gas ang paputok na hydrogen sa mga airship at balloon. Halimbawa, sa meteorology, ginagamit ang mga helium balloon para iangat ang mga instrumento sa pagsukat.
Sa cryogenic technology, nagsisilbi itong coolant, dahil ang temperatura ng kemikal na elementong ito sa liquid state ay ang pinakamababang posible.
Helium, na ang mga katangian ay nagbibigay nito ng mababang reaktibiti at solubility sa tubig (at dugo), na may halong oxygen, ay nakahanap ng aplikasyon sa mga komposisyon sa paghinga para sa scuba diving at caisson work.
Sinasuri ang mga meteorite at bato para sa elementong ito upang matukoy ang kanilang edad.