Heliu: proprietăți, caracteristici, aplicații

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 17:54

Heliul este un gaz inert din grupa a 18-a din tabelul periodic. Este al doilea element cel mai ușor după hidrogen. Heliul este un gaz incolor, inodor și fără gust care devine lichid la -268,9 °C. Punctele sale de fierbere și de îngheț sunt mai mici decât cele ale oricărei alte substanțe cunoscute. Este singurul element care nu se solidifică atunci când este răcit la presiunea atmosferică normală. Este nevoie de 25 de atmosfere la 1 K pentru ca heliul să se solidifice.

Istoricul descoperirilor

Heliul a fost descoperit în atmosfera gazoasă din jurul Soarelui de astronomul francez Pierre Jansen, care în 1868, în timpul unei eclipse, a descoperit o linie galbenă strălucitoare în spectrul cromosferei solare. Inițial, se credea că această linie reprezintă elementul sodiu. În același an, astronomul englez Joseph Norman Lockyer a observat o linie galbenă în spectrul solar care nu corespundea liniilor de sodiu cunoscute D₁ și D₂și așa i-a numit linia D_{3. Lockyer a concluzionat că a fost cauzată de o substanță din Soare necunoscută pe Pământ. El și chimistul Edward Frankland au folosit în numele elementuluinumele grecesc al Soarelui este Helios.}

În 1895, chimistul britanic Sir William Ramsay a dovedit existența heliului pe Pământ. A obținut o probă de cleveită minerală purtătoare de uraniu și, după ce a examinat gazele formate când a fost încălzită, a descoperit că linia galben strălucitor din spectru coincide cu linia D_{3 observată în spectrul Soarelui. Astfel, noul element a fost instalat în sfârșit. În 1903, Ramsay și Frederick Soddu au stabilit că heliul este un produs de descompunere spontană a substanțelor radioactive.}

Răspândit în natură

Masa de heliu este de aproximativ 23% din întreaga masă a universului, iar elementul este al doilea cel mai abundent în spațiu. Este concentrat în stele, unde se formează din hidrogen ca urmare a fuziunii termonucleare. Deși heliul se găsește în atmosfera pământului la o concentrație de 1 parte la 200 de mii (5 ppm) și se găsește în cantități mici în minerale radioactive, fier meteorit și izvoare minerale, cantități mari de element se găsesc în Statele Unite (în special în Texas, New York). Mexic, Kansas, Oklahoma, Arizona şi Utah) ca componentă (până la 7,6%) a gazelor naturale. Mici rezerve au fost găsite în Australia, Algeria, Polonia, Qatar și Rusia. În scoarța terestră, concentrația de heliu este de numai aproximativ 8 ppb.

izotopi

Nucleul fiecărui atom de heliu conține doi protoni, dar, ca și alte elemente, are izotopi. Acestea conțin unul până la șase neutroni, astfel încât numerele lor de masă variază de la trei la opt. Cele stabile sunt elementele a căror masă de heliu este determinată de numerele atomice 3 (³He) și 4 (⁴He). Toate celel alte sunt radioactive și se descompun foarte repede în alte substanțe. Heliul terestru nu este componenta originală a planetei, s-a format ca urmare a dezintegrarii radioactive. Particulele alfa emise de nucleele substanțelor radioactive grele sunt nuclee ale izotopului ⁴He. Heliul nu se acumulează în cantități mari în atmosferă, deoarece gravitația Pământului nu este suficient de puternică pentru a-l împiedica să scape treptat în spațiu. Urmele de ³He pe Pământ sunt explicate prin dezintegrarea beta negativă a elementului rar hidrogen-3 (tritiu). ⁴El este cel mai abundent dintre izotopii stabili: raportul dintre atomii ⁴He la ^{3He este de aproximativ 700 mii la 1 în atmosferă și aproximativ 7 milioane la 1 în unele minerale care conțin heliu.}

Proprietățile fizice ale heliului

Punctele de fierbere și de topire ale acestui element sunt cele mai scăzute. Din acest motiv, heliul există ca gaz, cu excepția condițiilor extreme. El gazos se dizolvă în apă mai puțin decât orice alt gaz, iar viteza de difuzie prin solide este de trei ori mai mare decât cea a aerului. Indicele său de refracție se apropie cel mai mult de 1.

Conductivitatea termică a heliului este a doua după cea a hidrogenului, iar capacitatea sa de căldură specifică este neobișnuit de mare. La temperaturi obișnuite, se încălzește în timpul expansiunii și se răcește sub 40 K. Prin urmare, la T<40 K, heliul poate fi convertit înlichid prin expansiune.

Un element este un dielectric dacă nu este în stare ionizată. Ca și alte gaze nobile, heliul are niveluri de energie metastabile care îi permit să rămână ionizat într-o descărcare electrică atunci când tensiunea rămâne sub potențialul de ionizare.

Heliu-4 este unic prin faptul că are două forme lichide. Obișnuit se numește heliu I și există la temperaturi cuprinse între un punct de fierbere de 4,21 K (-268,9 °C) până la aproximativ 2,18 K (-271 °C). Sub 2,18 K, conductivitatea termică a lui 4He devine de 1000 de ori mai mare decât a cuprului. Această formă se numește heliu II pentru a o deosebi de forma normală. Este superfluid: vâscozitatea este atât de scăzută încât nu poate fi măsurată. Heliul II se răspândește într-o peliculă subțire pe suprafața a ceea ce atinge, iar acest film curge fără frecare chiar și împotriva gravitației.

Heliul-3, mai puțin abundent, formează trei faze lichide distincte, dintre care două sunt superfluide. Superfluiditate în ⁴El a fost descoperit de fizicianul sovietic Pyotr Leonidovich Kapitsa la mijlocul anilor 1930 și același fenomen în ^{3El a fost observat prima dată de Douglas D Osherov, David M. Lee și Robert S. Richardson din SUA în 1972.}

Un amestec lichid de doi izotopi de heliu-3 și -4 la temperaturi sub 0,8 K (-272,4 °C) este împărțit în două straturi - aproape pur ³He și un amestec de⁴He cu 6% heliu-3. Dizolvarea lui ³He în ^{4He este însoțită de un efect de răcire, care este utilizat la proiectarea criostatelor, în care temperatura heliului scadesub 0,01 K (-273,14 °C) și menținut acolo câteva zile.}

Conexiuni

În condiții normale, heliul este inert chimic. În condiții extreme, puteți crea conexiuni ale elementelor care nu sunt stabile la temperaturi și presiuni normale. De exemplu, heliul poate forma compuși cu iod, wolfram, fluor, fosfor și sulf atunci când este supus unei descărcări electrice strălucitoare atunci când este bombardat cu electroni sau în stare de plasmă. Astfel, au fost creați ionii moleculari HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ și He₂+^{, Nu}2++^{, HeH}+ ^{și HeD+}. Această tehnică a făcut posibilă, de asemenea, obținerea de molecule neutre He² și HgHe.

Plasma

În Univers, heliul ionizat este distribuit predominant, ale cărui proprietăți diferă semnificativ de cele moleculare. Electronii și protonii săi nu sunt legați și are o conductivitate electrică foarte mare chiar și în stare parțial ionizată. Particulele încărcate sunt puternic afectate de câmpurile magnetice și electrice. De exemplu, în vântul solar, ionii de heliu, împreună cu hidrogenul ionizat, interacționează cu magnetosfera Pământului, provocând aurore.

descoperire în SUA

După forarea unui puț în 1903, s-a obținut gaz neinflamabil în Dexter, Kansas. Inițial, nu se știa că ar conține heliu. Ce gaz a fost găsit a fost determinat de geologul de stat Erasmus Haworth, careau colectat probe din acesta și la Universitatea din Kansas cu ajutorul chimiștilor Cady Hamilton și David McFarland au descoperit că conține 72% azot, 15% metan, 1% hidrogen și 12% nu a fost identificat. După analize suplimentare, oamenii de știință au descoperit că 1,84% din probă a fost heliu. Așa că au aflat că acest element chimic este prezent în cantități uriașe în intestinele Marilor Câmpii, de unde poate fi extras din gazul natural.

Producție industrială

Acest lucru a făcut din Statele Unite liderul mondial în producția de heliu. La sugestia lui Sir Richard Threlfall, Marina SUA a finanțat trei mici fabrici experimentale pentru a produce această substanță în timpul Primului Război Mondial pentru a furniza baloane de baraj cu un gaz de ridicare ușor, neinflamabil. Programul a produs un total de 5.700 m3 92% He, deși anterior fuseseră produși mai puțin de 100 de litri de gaz. O parte din acest volum a fost folosit în prima navă cu heliu din lume, US Navy C-7, care și-a făcut călătoria inaugurală de la Hampton Roads, Virginia, la Bolling Field, Washington, DC, pe 7 decembrie 1921.

Deși procesul de lichefiere a gazului la temperatură joasă nu era suficient de avansat la acea vreme pentru a fi semnificativ în timpul Primului Război Mondial, producția a continuat. Heliul a fost folosit în principal ca gaz de transport în avioane. Cererea pentru acesta a crescut în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, când a fost folosit în sudarea cu arc ecranat. Elementul a fost important și în proiectul bombei atomice. Manhattan.

Stoc național american

În 1925, guvernul Statelor Unite a înființat Rezervația Națională de Heliu la Amarillo, Texas, cu scopul de a furniza avioane militare în timp de război și avioane comerciale în timp de pace. Utilizarea gazului a scăzut după cel de-al Doilea Război Mondial, dar aprovizionarea a crescut în anii 1950 pentru a asigura, printre altele, aprovizionarea acestuia ca agent de răcire utilizat în producția de combustibil pentru rachete cu oxigen în timpul cursei spațiale și al Războiului Rece. Consumul de heliu în S. U. A. în 1965 a fost de opt ori mai mare decât consumul maxim în timpul războiului.

În urma Legii Heliului din 1960, Biroul Minelor a contractat 5 companii private pentru a extrage elementul din gazul natural. Pentru acest program, a fost construită o conductă de gaz de 425 de kilometri care conectează aceste centrale la un zăcământ de gaz guvernamental parțial epuizat, lângă Amarillo, Texas. Amestecul de heliu-azot a fost pompat într-o unitate de depozitare subterană și a rămas acolo până când a fost nevoie.

Până în 1995, un miliard de metri cubi de stoc au fost colectați, iar Rezerva Națională avea datorii de 1,4 miliarde de dolari, ceea ce a determinat Congresul SUA să o elimine treptat în 1996. După ce legea privind privatizarea heliului a fost adoptată în 1996, Ministerul Resurselor Naturale a început să lichideze instalația de depozitare în 2005.

Puritate și volume de producție

Heliul produs înainte de 1945 avea o puritate de aproximativ 98%, restul 2%a reprezentat azotul, care era suficient pentru dirijabile. În 1945, o cantitate mică de 99,9% gaz a fost produsă pentru utilizare în sudarea cu arc. Până în 1949, puritatea elementului rezultat a atins 99,995%.

De mulți ani, Statele Unite au produs peste 90% din heliul comercial din lume. Din 2004, a produs 140 milioane m3 anual, dintre care 85% provin din Statele Unite, 10% din Algeria, iar restul din Rusia și Polonia. Principalele surse de heliu din lume sunt zăcămintele de gaze din Texas, Oklahoma și Kansas.

Proces de primire

Heliul (puritate 98,2%) este extras din gazul natural prin lichefierea altor componente la temperaturi scăzute și presiuni ridicate. Adsorbția altor gaze prin cărbune activ răcit atinge o puritate de 99,995%. O cantitate mică de heliu este produsă prin lichefierea aerului pe scară largă. Din 900 de tone de aer se pot obține aproximativ 3,17 metri cubi. m de gaz.

Domenii de aplicare

Gazul nobil a fost folosit în diverse domenii.

Heliul, ale cărui proprietăți fac posibilă obținerea de temperaturi ultra-scăzute, este folosit ca agent de răcire în Large Hadron Collider, magneți supraconductori în aparatele RMN și spectrometre de rezonanță magnetică nucleară, echipamente prin satelit și, de asemenea, pentru lichefierea oxigenului și hidrogen în rachetele Apollo.
Ca gaz inert pentru sudarea aluminiului și a altor metale, în producția de fibre optice și semiconductori.
Pentru a creapresiunea în rezervoarele de combustibil ale motoarelor rachete, în special cele care funcționează cu hidrogen lichid, deoarece numai heliul gazos își păstrează starea de agregare atunci când hidrogenul rămâne lichid);
Laserele cu gaz He-Ne sunt folosite pentru a scana codurile de bare la casele supermarketurilor.
Microscopul cu ioni de heliu produce imagini mai bune decât microscopul electronic.
Din cauza permeabilității sale ridicate, gazul nobil este utilizat pentru a verifica scurgerile, de exemplu, în sistemele de aer condiționat auto și pentru a umfla rapid airbag-urile în caz de accident.
Densitatea scăzută vă permite să umpleți baloanele decorative cu heliu. Gazul inert a înlocuit hidrogenul exploziv în avioane și baloane. De exemplu, în meteorologie, baloanele cu heliu sunt folosite pentru a ridica instrumentele de măsurare.
În tehnologia criogenică, servește ca lichid de răcire, deoarece temperatura acestui element chimic în stare lichidă este cea mai scăzută posibil.
Heliul, ale cărui proprietăți îi conferă reactivitate scăzută și solubilitate în apă (și sânge), amestecat cu oxigen, și-a găsit aplicație în compozițiile de respirație pentru scufundări și lucrări de cheson.
Meteoriții și rocile sunt analizate pentru acest element pentru a le determina vârsta.