Helium: tính chất, đặc điểm, ứng dụng

Helium - khí trơ của nhóm 18 của bảng tuần hoàn. Đây là nguyên tố nhẹ thứ hai sau khi hydro. Helium - khí không màu, mùi và vị mà trở nên lỏng ở nhiệt độ -268,9 ° C. điểm sôi và điểm đóng băng của nó thấp hơn so với bất kỳ chất nào khác được biết đến. Nó là yếu tố duy nhất mà không củng cố với làm mát ở áp suất khí quyển bình thường. Ông chuyển sang trạng thái rắn phải được 25 bầu khí quyển, ở nhiệt độ 1 K.

Lịch sử phát hiện

Helium đã được tìm thấy trong môi trường khí xung quanh mặt trời, các nhà thiên văn học người Pháp Pierre Zhansenom rằng vào năm 1868 trong một cuộc nhật thực đã tìm thấy một đường màu vàng sáng trong quang phổ của thiên sắc mặt trời. Ban đầu người ta cho rằng dòng này đại diện cho natri yếu tố. Trong cùng năm đó, nhà thiên văn học tiếng Anh Dzhozef Norman Lockyer quan sát một đường màu vàng trong quang phổ mặt trời, mà không tương ứng với dòng natri biết D ₁ và D _2, và do đó nó được đặt tên cho nó một dòng D _3. Lockyer kết luận rằng nó được gây ra bởi một chất trong chưa biết Sun trên Trái Đất. Ông và nhà hóa học Edward Frankland trong các yếu tố tiêu đề bằng cách sử dụng tên Hy Lạp 'Helios' Sun.

Năm 1895, nhà hóa học người Anh Sir Uilyam Ramzay đã chứng minh sự tồn tại của heli trên Trái Đất. Ông đã nhận được các khoáng chất uranium-mang cleveite mẫu, và sau khi kiểm tra các loại khí được hình thành trong quá trình sưởi ấm, người ta phát hiện ra rằng đường màu vàng sáng trong quang phổ trùng với dòng D _3, quan sát thấy trong quang phổ mặt trời. Do đó, một yếu tố mới cuối cùng đã được cài đặt. Năm 1903 Ramsay và Frederick Soddy thấy rằng heli là một sản phẩm của sự phân rã tự phát của các chất phóng xạ.

Phân phối trong tự nhiên

Khối lượng của heli là khoảng 23% tổng khối lượng của vũ trụ, và nguyên tố này là lần thứ hai hầu hết phổ biến trong vũ trụ. Nó tập trung ở các ngôi sao, nơi hydro được hình thành từ sự hợp nhất kết quả. Mặc dù heli trong khí quyển là ở nồng độ 1 phần để lần thứ 200. (5 ppm) và được chứa trong một lượng nhỏ khoáng chất phóng xạ, tuyến thiên thạch, cũng như các nguồn khoáng sản, một lượng lớn các yếu tố tìm thấy tại Hoa Kỳ (đặc biệt là ở Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, và Arizona) là thành phần (7.6%) của khí tự nhiên. Nhỏ và trữ lượng của nó đã được phát hiện ở Úc, Algeria, Ba Lan, Qatar và Nga. Trong nồng độ vỏ heli chỉ khoảng 8 ppb.

đồng vị

Cốt lõi của mỗi nguyên tử heli chứa hai proton, nhưng, như với các yếu tố khác, nó có đồng vị. Chúng chứa từ một đến sáu neutron, vì vậy số khối lượng của chúng khác nhau, 3-8. Ổn định trong số này là các yếu tố có trọng lượng được xác định bởi heli nguyên tử số 3 ⁽³ He) và 4 ⁽⁴ He). Tất cả phóng xạ khác và nhanh chóng phân hủy thành chất khác. heli của Trái đất không phải là một bộ phận ban đầu của hành tinh, nó được hình thành như là kết quả của sự phân rã phóng xạ. hạt alpha phát ra bởi hạt nhân của chất phóng xạ nặng được đồng vị ⁴ Ông hạt nhân. Helium không tích lũy với số lượng lớn trong khí quyển, bởi vì lực hấp dẫn của Trái đất là không đủ để ngăn chặn nó dần dần bị rò rỉ vào không gian. Dấu vết của ³ Anh trên thế giới được giải thích phân rã beta tiêu cực hydro hiếm-3 yếu tố (tritium). ⁴ Ông là phổ biến nhất của đồng vị bền: ⁴ tỷ lệ Ông nguyên tử về phía ³ Ông là khoảng 700 nghìn đến 1 bầu không khí và khoảng 7 triệu bằng 1 trong một số khoáng sản giàu heli ..

Các tính chất vật lý của heli

sôi và nhiệt độ nóng chảy điểm của mặt hàng này là thấp nhất. Vì lý do này, heli tồn tại như một khí ngoại trừ trong điều kiện khắc nghiệt. Ông khí được hòa tan trong nước ít hơn bất cứ loại khí khác, và tỷ lệ khuếch tán khắp cơ thể rắn lớn hơn so với không khí ba lần. chỉ số khúc xạ của nó gần nhất cách tiếp cận 1.

Độ dẫn nhiệt của heli là chỉ đứng sau dẫn nhiệt hydro, nhiệt dung riêng và đột xuất của nó cao. Ở nhiệt độ bình thường nó được gia nhiệt trong quá trình mở rộng, và dưới 40 K - làm nguội. Do đó, tại T <40 K heli có thể được chuyển đổi thành một chất lỏng bằng cách mở rộng.

Phần tử là một chất cách điện, nếu không muốn nói là trong trạng thái ion hóa. Như với khí hiếm khác, heli có một mức năng lượng siêu bền cho phép nó được ion hóa bởi sự phóng điện khi điện áp dưới mức tiềm năng ion hóa.

Heli-4 là độc đáo ở chỗ nó có hai hình thức chất lỏng. Thường được gọi là heli I và tồn tại ở nhiệt độ khác nhau, từ nhiệt độ sôi của 4.21 K (-268,9 ° C) xuống còn khoảng 2,18 K (-271 ° C). dẫn nhiệt thấp hơn 2,18 K ⁴ Ông trở nên lớn hơn so với các đồng 1000 lần. Hình thức này được gọi là heli II, để phân biệt nó với bình thường. Nó đã siêu lỏng: độ nhớt là quá thấp đến nỗi nó không thể đo lường. Helium II lây lan thành một lớp màng mỏng trên bề mặt của bất kỳ chất nào có liên quan, và bộ phim này đang chảy mà không ma sát thậm chí chống lại trọng lực.

Ít dồi dào heli-3 tạo thành ba giai đoạn lỏng khác nhau, hai trong số đó là siêu lỏng. Siêu chảy trong ⁴ Ông được phát hiện bởi nhà vật lý Xô Petrom Leonidovichem Kapitsey vào giữa những năm 1930, và hiện tượng tương tự trong ³ Ông lần đầu tiên được chú ý bởi Douglas D. Osheroff, David M. Lee, và Robert C. Richardson của Hoa Kỳ vào năm 1972.

Một hỗn hợp lỏng của hai đồng vị của heli-3 và -4 ở nhiệt độ dưới 0,8 K (-272,4 ° C) được chia thành hai lớp - một chất tinh khiết ³ Ông và ⁴ Ông hỗn hợp với 6% heli-3. Giải thể ³ Ông trong ⁴ Ông được đi kèm với hiệu ứng làm mát được sử dụng trong cấu trúc -cryostat trong đó nhiệt độ heli là dưới 0,01 K (-273,14 ° C) và duy trì trong một vài ngày.

kết nối

Trong điều kiện bình thường, heli là hóa trơ. Trong cùng cực có thể tạo ra một yếu tố hợp chất ở các chỉ số nhiệt độ và áp suất bình thường không ổn định. Ví dụ, heli có thể hình thành các hợp chất với iốt, vonfram, flo, phốt pho và lưu huỳnh, khi chịu một phóng điện phát sáng điện hoặc bằng cách bắn phá electron ở trạng thái plasma. Do đó nó được tạo HeNe, HgHe _10, whe ₂ và các ion phân tử Anh ₂ ⁺ ₂ Không ^++, heh ⁺ và HED ^+. Kỹ thuật này cũng đã được một phân tử trung tính Anh ₂ và HgHe.

huyết tương

Trong vũ trụ thuận lợi phân phối heli ion hóa, có tính chất khác nhau đáng kể so với các phân tử. Các electron và proton đã không liên kết, và nó có một tính dẫn điện rất cao ngay cả trong trạng thái ion hóa một phần. Trên hạt mang điện tích bị ảnh hưởng cao bởi từ trường và điện. Ví dụ, trong gió mặt trời với các ion helium tương tác với các ion hydro từ quyển trái đất, gây ra bắc cực quang.

Việc phát hiện ra các khoản tiền gửi tại Mỹ

Sau khi khoan vào năm 1903 tại Dexter, Kansas, người ta thu được bằng khí không cháy. Ban đầu, người ta không biết rằng nó chứa heli. Mà khí đã được tìm thấy, tình trạng xác định Erasmus Haworth nhà địa chất, người đã thu thập mẫu của mình và Đại học Kansas qua các nhà hóa học Kedi Gamiltona và David McFarland thấy rằng nó chứa 72% nitơ, 15% khí metan, 1% hydro và 12% đã không được xác định. Sau khi trải qua những phân tích tiếp theo, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng 1,84% của mẫu helium. Vì vậy, chúng ta biết rằng nguyên tố hóa học này có mặt với số lượng lớn trong chiều sâu của Great Plains, nơi nó có thể được chiết xuất từ khí thiên nhiên.

sản xuất công nghiệp

Điều này đã làm Hoa Kỳ sản xuất của thế giới của lãnh đạo heli. Theo gợi ý của Sir Richard Threlfall, Hải quân Mỹ tài trợ ba nhà máy thí điểm nhỏ để sản xuất chất này trong Chiến tranh thế giới thứ nhất để đảm bảo bóng bay đập khí nâng không cháy nhẹ. Theo chương trình này được sản xuất trong tổng cộng 5700 m ³ 92 phần trăm Anh, mặc dù điều này được thu thập chỉ ít nhất 100 lít xăng. Một phần của số tiền này được sử dụng trong khí cầu heli đầu tiên trên thế giới của Hải quân Mỹ C-7, khiến chuyến đi đầu tiên của nó từ Hampton Roads (Virginia) tại Bolling Dòng (Washington, DC) ngày 07 tháng 12 năm 1921.

Mặc dù quá trình khí nhiệt độ chất lỏng thấp tại thời điểm đó đã không đủ phát triển để có ý nghĩa trong Chiến tranh thế giới thứ nhất, sản xuất tiếp tục. Helium thường được sử dụng như một loại khí thang máy trong máy bay. Nhu cầu đối với nó đã tăng trong Chiến tranh thế giới thứ hai khi nó được sử dụng với một hàn hồ quang được bảo vệ. Yếu tố này cũng có tầm quan trọng rất lớn trong việc tạo ra những quả bom nguyên tử "Manhattan".

dự trữ Quốc gia Hoa Kỳ

Năm 1925, chính phủ Hoa Kỳ đã tạo ra dự trữ quốc gia của heli ở Amarillo, Texas, để cung cấp khí cầu quân sự trong thời chiến và tàu bay thương mại trong thời bình. Việc sử dụng khí đốt giảm sau khi thế giới thứ hai, nhưng các cổ phiếu đã tăng vào năm 1950 để cung cấp, trong số những thứ khác, nó cung cấp như một chất làm mát được sử dụng trong việc sản xuất oxy-hydro đẩy trong cuộc đua không gian và thời Chiến tranh Lạnh. Việc sử dụng heli tại Hoa Kỳ trong năm 1965, cao hơn so với mức tiêu thụ cao nhất trong thời chiến tám lần.

Sau khi việc áp dụng pháp luật về heli 1960 Streak 5 công ty tư nhân Cục Khai thác mỏ để trích xuất các phần tử từ khí thiên nhiên. Chương trình này được xây dựng 425 km đường ống để kết nối các nhà máy này với lĩnh vực khí chính phủ cạn kiệt một phần gần Amarillo, Texas. hỗn hợp helium-ni-tơ bơm vào lưu trữ dưới lòng đất, và ở lại đó cho đến khi không có nhu cầu ở trong đó.

Năm 1995, khối lượng cổ phiếu được lắp ráp tỷ mét khối, trong khi nợ của dự trữ quốc gia là 1,4 tỷ USD, trong đó đã thúc đẩy Quốc hội Mỹ vào năm 1996 để dần ra khỏi nó. Sau khi thông qua vào năm 1996 của pháp luật về việc tư nhân hóa heli Bộ Tài nguyên đưa ra một cửa hàng thanh lý trong năm 2005.

Sạch và sản xuất

Heli được sản xuất cho đến năm 1945 năm đã có một độ tinh khiết khoảng 98%, còn lại 2% là trong nitơ đó là đủ cho khinh khí cầu. Năm 1945, nó được sản xuất một lượng nhỏ 99,9 phần trăm khí để sử dụng trong hàn hồ quang. Cho tới năm 1949, độ tinh khiết của nguyên tố này đã đạt 99,995%.

Trong nhiều năm Hoa Kỳ đã sản xuất hơn 90% heli thương mại trên thế giới. Từ năm 2004, mỗi năm nó đã làm việc ra 140 triệu m ^3, 85% trong số đó xảy ra ở Hoa Kỳ, 10% được thực hiện tại Algeria, và phần còn lại - ở Nga và Ba Lan. Các nguồn chính của heli trên thế giới là mỏ khí đốt tự nhiên của Texas, Oklahoma và Kansas.

Quá trình thu thập

Helium (độ tinh khiết 98,2%) được thu hồi từ các hóa lỏng khí đốt tự nhiên bởi các thành phần khác ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Các khả năng hấp thụ các khí khác làm mát bằng than hoạt tính có thể đạt được độ tinh khiết của 99,995%. Một lượng nhỏ heli được sản xuất trong hóa lỏng khí trên quy mô lớn. Trong số 900 tấn của không khí có thể nhận được khoảng 3,17 mét khối. m khí.

Lĩnh vực ứng dụng

khí Noble đã được áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

• Helium, mà thuộc tính cho phép để có được nhiệt độ rất thấp, được sử dụng như một chất làm mát trong LHC, MRI bộ máy nam châm siêu dẫn và quang phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân, thiết bị vệ tinh, cũng như đối với các hóa lỏng oxy và hydro trong tên lửa "Apollo".
• Khi khí trơ để hàn nhôm và những người khác. Metals trong sản xuất chất bán dẫn và các sợi quang học.
• .. Để tạo áp lực trong các thùng nhiên liệu của động cơ tên lửa, đặc biệt là những hoạt động trên hydro lỏng, t để chỉ khí heli bảo tồn trạng thái của tập hợp khi hydro vẫn còn lỏng);
• He-Ne laser khí được sử dụng để quét mã vạch trên doanh thu phòng vé tại các siêu thị.
• kính hiển vi heli-ion cho phép bạn để có được những hình ảnh tốt nhất so với điện tử.
• Do tính thấm cao của khí trơ được sử dụng để kiểm tra rò rỉ, ví dụ như trong xe hệ thống điều hòa không khí, cũng như làm đầy nhanh chóng các túi khí khi va chạm.
• mật độ thấp cho phép bóng trang trí đầy heli. Các khí trơ được thay thế khí hydro nổ trong khinh khí cầu và bóng bay. Ví dụ, trong khí tượng, bóng bay heli được sử dụng để nâng dụng cụ đo lường.
• Các nước làm mát đông lạnh được sử dụng, vì nhiệt độ của nguyên tố hóa học ở trạng thái lỏng tối thiểu có thể.
• Helium, mà tính chất cung cấp cho nó một phản ứng thấp và độ tan trong nước (và máu), trong hỗn hợp với oxy đã tìm thấy ứng dụng trong công thức hô hấp dùng cho lặn và giữ công việc giếng chìm.
• Thiên thạch và đá được phân tích về nội dung của yếu tố này để xác định tuổi của họ.

Helium: các thuộc tính của phần tử

Ông tính chất vật lý chủ yếu như sau:

• số nguyên tử: 2.
• Khối lượng tương đối của nguyên tử heli: 4,0026.
• Melting điểm: không có.
• điểm sôi: -268,9 ° C.
• Mật độ (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• trạng thái ôxi hóa 0.