Helium: egenskaper, egenskaper, applikationer

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 17:56

Helium är en inert gas i den 18:e gruppen i det periodiska systemet. Det är det näst lättaste grundämnet efter väte. Helium är en färglös, luktfri och smaklös gas som blir flytande vid -268,9 °C. Dess kok- och fryspunkter är lägre än för något annat känt ämne. Det är det enda elementet som inte stelnar när det kyls vid norm alt atmosfärstryck. Det krävs 25 atmosfärer vid 1 K för helium att stelna.

Upptäcktshistorik

Helium upptäcktes i den gasformiga atmosfären som omger solen av den franske astronomen Pierre Jansen, som 1868 under en förmörkelse upptäckte en ljusgul linje i solkromosfärens spektrum. Denna linje ansågs ursprungligen representera grundämnet natrium. Samma år observerade den engelske astronomen Joseph Norman Lockyer en gul linje i solspektrumet som inte motsvarade de kända natriumlinjerna D₁ och D₂, och så döpte han hennes linje D_{3. Lockyer drog slutsatsen att det orsakades av ett ämne i solen som är okänt på jorden. Han och kemisten Edward Frankland använde i grundämnets namndet grekiska namnet för solen är Helios.}

År 1895 bevisade den brittiske kemisten Sir William Ramsay att det fanns helium på jorden. Han tog ett prov av det uranh altiga mineralet cleveit, och efter att ha undersökt de gaser som bildades när den värmdes upp fann han att den ljusgula linjen i spektrumet sammanföll med linjen D_{3 som observerades i solens spektrum. Det nya elementet installerades äntligen. 1903 fastställde Ramsay och Frederick Soddu att helium är en spontan sönderfallsprodukt av radioaktiva ämnen.}

Utbredning i naturen

Massan av helium är cirka 23 % av hela universums massa, och grundämnet är det näst vanligaste i rymden. Det är koncentrerat i stjärnor, där det bildas av väte som ett resultat av termonukleär fusion. Även om helium finns i jordens atmosfär i en koncentration av 1 del per 200 tusen (5 ppm) och finns i små mängder i radioaktiva mineraler, meteoritjärn och mineralkällor, finns stora mängder av grundämnet i USA (särskilt i Texas, New York), Mexiko, Kansas, Oklahoma, Arizona och Utah) som en komponent (upp till 7,6 %) av naturgas. Små reserver har hittats i Australien, Algeriet, Polen, Qatar och Ryssland. I jordskorpan är koncentrationen av helium endast cirka 8 ppb.

Isotopes

Kärnan i varje heliumatom innehåller två protoner, men liksom andra grundämnen har den isotoper. De innehåller en till sex neutroner, så deras massatal sträcker sig från tre till åtta. De stabila är de grundämnen vars heliummassa bestäms av atomnummer 3 (³He) och 4 (⁴He). Alla övriga är radioaktiva och sönderfaller mycket snabbt till andra ämnen. Jordbundet helium är inte den ursprungliga komponenten av planeten, det bildades som ett resultat av radioaktivt sönderfall. Alfa-partiklar som sänds ut av kärnorna i tunga radioaktiva ämnen är kärnor av isotopen ⁴He. Helium ansamlas inte i stora mängder i atmosfären eftersom jordens gravitation inte är tillräckligt stark för att hindra den från att gradvis fly ut i rymden. Spår av ³Han på jorden förklaras av det negativa beta-sönderfallet av det sällsynta grundämnet väte-3 (tritium). ⁴Han är den vanligaste av de stabila isotoper: förhållandet mellan ⁴He-atomerna till ^{3He är cirka 700 tusen till 1 i atmosfären och cirka 7 miljoner till 1 i vissa heliumh altiga mineraler.}

Fysiska egenskaper hos helium

Kok- och smältpunkterna för detta element är de lägsta. Av denna anledning finns helium som en gas, förutom under extrema förhållanden. Gasformig He löser sig mindre i vatten än någon annan gas, och diffusionshastigheten genom fasta ämnen är tre gånger högre än luft. Dess brytningsindex kommer närmast 1.

Värmeledningsförmågan för helium är näst efter väte, och dess specifika värmekapacitet är ovanligt hög. Vid vanliga temperaturer värms den upp under expansion och kyls ner under 40 K. Därför, vid T<40 K, kan helium omvandlas tillflytande genom expansion.

Ett element är ett dielektrikum om det inte är i joniserat tillstånd. Liksom andra ädelgaser har helium metastabila energinivåer som gör att det kan förbli joniserat i en elektrisk urladdning när spänningen förblir under joniseringspotentialen.

Helium-4 är unik genom att den har två flytande former. Det vanliga kallas helium I och finns vid temperaturer som sträcker sig från en kokpunkt på 4,21 K (-268,9 °C) till cirka 2,18 K (-271 °C). Under 2,18 K blir värmeledningsförmågan för 4Han 1000 gånger den för koppar. Denna form kallas helium II för att skilja den från normalformen. Det är superfluid: viskositeten är så låg att den inte kan mätas. Helium II sprider sig till en tunn film på ytan av vad den än rör, och denna film flyter utan friktion även mot gravitationen.

Det mindre rikliga helium-3 bildar tre distinkta flytande faser, varav två är superfluid. Superfluidity in ⁴Han upptäcktes av den sovjetiske fysikern Pyotr Leonidovich Kapitsa i mitten av 1930-talet, och samma fenomen i ^{3Han märktes först av Douglas D Osherov, David M. Lee och Robert S. Richardson från USA 1972.}

En flytande blandning av två isotoper av helium-3 och -4 vid temperaturer under 0,8 K (-272,4 °C) är uppdelad i två lager - nästan rena ³He och en blandning av⁴He med 6% helium-3. Upplösningen av ³He till ^{4Han åtföljs av en kylande effekt, som används vid design av kryostater, där heliumtemperaturen sjunkerunder 0,01 K (-273,14 °C) och hölls där i flera dagar.}

Connections

Under normala förhållanden är helium kemiskt inert. Under extrema förhållanden kan du skapa elementanslutningar som inte är stabila vid normala temperaturer och tryck. Till exempel kan helium bilda föreningar med jod, volfram, fluor, fosfor och svavel när det utsätts för en elektrisk glödurladdning när det bombarderas med elektroner eller i plasmatillstånd. Således skapades HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ och He₂ molekylära joner+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{och HeD+}. Denna teknik gjorde det också möjligt att erhålla neutrala molekyler He² och HgHe.

Plasma

I universum är joniserat helium övervägande distribuerat, vars egenskaper skiljer sig väsentligt från molekylärt. Dess elektroner och protoner är inte bundna, och den har en mycket hög elektrisk ledningsförmåga även i ett delvis joniserat tillstånd. Laddade partiklar påverkas starkt av magnetiska och elektriska fält. Till exempel, i solvinden interagerar heliumjoner, tillsammans med joniserat väte, med jordens magnetosfär, vilket orsakar norrsken.

US discovery

Efter att ha borrat en brunn 1903 erhölls icke brandfarlig gas i Dexter, Kansas. Till en början var det inte känt att det innehöll helium. Vilken gas som hittades bestämdes av statens geolog Erasmus Haworth, somsamlade in prover av det och vid University of Kansas med hjälp av kemister Cady Hamilton och David McFarland fann att det innehåller 72% kväve, 15% metan, 1% väte och 12% identifierades inte. Efter ytterligare analys fann forskarna att 1,84% av provet var helium. Så de fick reda på att detta kemiska element finns i stora mängder i tarmarna på Great Plains, varifrån det kan utvinnas från naturgas.

Industriell produktion

Detta har gjort USA till världsledande inom heliumproduktion. På förslag av Sir Richard Threlfall finansierade den amerikanska flottan tre små experimentanläggningar för att producera detta ämne under första världskriget för att förse spärrballonger med en lätt, icke brandfarlig lyftgas. Programmet producerade tot alt 5 700 m3 92% He, även om mindre än 100 liter gas tidigare hade producerats. En del av denna volym användes i världens första heliumluftskepp, US Navy C-7, som gjorde sin jungfruresa från Hampton Roads, Virginia till Bolling Field, Washington, DC den 7 december 1921.

Även om processen för kondensering av lågtemperaturgas inte var tillräckligt avancerad vid den tiden för att vara betydande under första världskriget, fortsatte produktionen. Helium användes främst som hissgas i flygplan. Efterfrågan på den växte under andra världskriget, då den användes vid skärmad bågsvetsning. Grundämnet var också viktigt i atombombprojektet. Manhattan.

US National Stock

År 1925 etablerade USA:s regering National Helium Reserve i Amarillo, Texas, i syfte att tillhandahålla militära luftskepp i tider av krig och kommersiella luftskepp i tider av fred. Användningen av gas minskade efter andra världskriget, men tillgången ökades på 1950-talet för att bland annat tillhandahålla dess tillgång som ett kylmedel som användes vid framställning av syrgasraketbränsle under rymdkapplöpningen och det kalla kriget. USA:s heliumanvändning 1965 var åtta gånger högre än den högsta förbrukningen under kriget.

Efter Helium Act från 1960, kontrakterade Bureau of Mines 5 privata företag för att utvinna grundämnet från naturgas. För detta program byggdes en 425 kilometer lång gasledning som ansluter dessa anläggningar till ett delvis utarmat statligt gasfält nära Amarillo, Texas. Helium-kväveblandningen pumpades in i en underjordisk lagringsanläggning och förblev där tills den behövdes.

Senast 1995 hade en miljard kubikmeter lager samlats in och National Reserve hade en skuld på 1,4 miljarder dollar, vilket fick den amerikanska kongressen att fasa ut den 1996. Efter att lagen om heliumprivatisering antogs 1996 började ministeriet för naturresurser avveckla lagringsanläggningen 2005.

Renhet och produktionsvolymer

Helium producerat före 1945 hade en renhet på cirka 98 %, resten 2 %stod för kväve, vilket var tillräckligt för luftskepp. 1945 producerades en liten mängd 99,9 procent gas för användning vid bågsvetsning. År 1949 hade renheten för det resulterande elementet nått 99,995%.

Under många år producerade USA över 90 % av världens kommersiella helium. Sedan 2004 har den producerat 140 miljoner m3 årligen, varav 85 % kommer från USA, 10 % från Algeriet och resten från Ryssland och Polen. De viktigaste källorna till helium i världen är gasfälten i Texas, Oklahoma och Kansas.

Mottagningsprocess

Helium (98,2 % renhet) extraheras från naturgas genom att andra komponenter kondenseras vid låga temperaturer och höga tryck. Adsorptionen av andra gaser av kylt aktivt kol uppnår en renhet på 99,995 %. En liten mängd helium produceras genom att göra luft flytande i stor skala. Cirka 3,17 kubikmeter kan erhållas från 900 ton luft. m gas.

Användningsområden

Ädelgas har använts inom olika områden.

Helium, vars egenskaper gör det möjligt att erhålla ultralåga temperaturer, används som kylmedel i Large Hadron Collider, supraledande magneter i MRI-maskiner och kärnmagnetiska resonansspektrometrar, satellitutrustning och även för flytande syre och väte i Apollo-raketer.
Som en inert gas för svetsning av aluminium och andra metaller, vid tillverkning av optiska fibrer och halvledare.
Att skapatryck i bränsletankarna på raketmotorer, särskilt de som körs på flytande väte, eftersom endast gasformigt helium behåller sitt aggregationstillstånd när väte förblir flytande);
He-Ne gaslasrar används för att skanna streckkoder vid kassor i snabbköp.
Heliumjonmikroskopet ger bättre bilder än elektronmikroskopet.
På grund av sin höga permeabilitet används ädelgas för att kontrollera läckor i till exempel bilars luftkonditioneringssystem och för att snabbt blåsa upp krockkuddar vid en krock.
Låg densitet gör att du kan fylla dekorativa ballonger med helium. Inert gas har ersatt explosivt väte i luftskepp och ballonger. Till exempel, inom meteorologi, används heliumballonger för att lyfta mätinstrument.
Inom kryogenteknologi fungerar det som ett kylmedel, eftersom temperaturen på detta kemiska element i flytande tillstånd är den lägsta möjliga.
Helium, vars egenskaper ger det låg reaktivitet och löslighet i vatten (och blod), blandat med syre, har funnits till användning i andningskompositioner för dykning och caissonarbete.
Meteoriter och stenar analyseras för detta element för att bestämma deras ålder.