Hélio: propiedades, características, aplicación

Helio - gas inerte do grupo 18 da táboa periódica. Este é o segundo elemento máis lixeiro despois de hidróxeno. Helio - gas sen cor, cheiro e sabor que se fai líquido a unha temperatura de -268,9 ° C. punto de ebulición eo seu punto de conxelación máis baixo que o de calquera outra sustancia coñecida. É o único elemento que non se solidificar co refrixeración, a presión atmosférica normal. Mudouse para o estado sólido debe ser de 25 atmosferas, a unha temperatura de 1 K.

Historia do descubrimento

Hélio se atopou na atmosfera de gas en torno ao Sol, o astrónomo francés Pierre Zhansenom que, en 1868, durante un eclipse atopou unha liña amarela brillante no espectro da cromosfera solar. Inicialmente pensábase que esta liña representa o elemento de sodio. O mesmo ano, Inglés astrónomo Dzhozef Norman Lockyer observada unha liña amarela no espectro solar, que non corresponden a liñas de sodio coñecidos D ₁ e D _2, e por iso é denominado unha liña D _3. Lockyer concluíu que foi causado por unha substancia no descoñecido Sol na Terra. El e químico Edward Frankland no elemento título mediante o nome grego 'Helios' Sun.

En 1895, o químico británico Sir Uilyam Ramzay demostrou a existencia de helio na Terra. Recibiu mostra minerais portadores de uranio cleveíta, e despois de examinar os gases formados durante o quecemento, se comproba que a liña amarela brillante no espectro coincide coa liña D _3, observada no espectro solar. Así, un novo elemento foi finalmente instalado. En 1903 Ramsay e Frederick Soddy atopou que o helio é un produto da descomposición espontánea de substancias radioactivas.

Distribución na natureza

A masa de helio é preto de 23% da masa total do universo, eo elemento é o segundo máis común no espazo. Atópase concentrada en estrelas, no que o hidróxeno está formado a partir da fusión resultante. Aínda que o helio na atmosfera é unha concentración de 1 parte para 200 th. (5 ppm) e está contido en pequenas cantidades de minerais radioactivos, glándula meteoritos, así como fontes de minerais, grandes cantidades do elemento atopado nos Estados Unidos (especialmente en Texas, Nova cidade de México, Kansas, Oklahoma, Utah e Arizona) como compoñente (para 7,6%) de gas natural. Pequeno e as súas reservas foron descubertas en Australia, Alxeria, Polonia, Qatar e Rusia. Na concentración codia helio é só preto de 8 PPB.

isótopos

O núcleo de cada un átomo de helio contén dous protóns, senón, como con outros elementos, que ten isótopos. Eles conteñen dun a seis neutróns, de xeito que os seus números de masa variando entre tres e oito. Estable destes son os elementos cuxo peso é determinado por helio número atómico 3 ⁽³ He) e 4 ⁽⁴ He). Todas as outras radioactivos e rapidamente decair noutras sustancias. helio da Terra non é parte orixinal do planeta, que foi formado como resultado do decaimento radioactivo. As partículas alfa emitidas polos núcleos de substancias radioactivas son pesados isótopo ⁴ El núcleo. Helio non se acumula en grandes cantidades na atmosfera, porque a gravidade da Terra non é suficiente para evitar que vazem progresivamente ao espazo. Trazos de ³ El no mundo son explicados negativo decaemento beta hidróxeno cando 3 elementos (tritio). ⁴ El é o máis común dos isótopos estables: ⁴ proporción de átomos El ao ³ El é de preto de 700 mil a 1 atmosfera e preto de 7 millóns ata 1 nalgúns minerais ricos en helio ..

As propiedades físicas do helio

punto de este elemento de ebulición e fusión son máis baixos. Por esta razón, hai helio como un gas, agás en condicións extremas. El gas é disolto en auga a menos que a de calquera outro gas, ea taxa de difusión a través do corpo sólido é tres veces maior que a do aire. O seu índice de refracción dos máis próximos se achega a 1.

A condutividade térmica do helio é só a segunda hidróxeno condutividade térmica, calor específico ea súa extraordinariamente elevada. A temperaturas normais, é Calefacción durante a expansión, e por baixo de 40 K - arrefecida. Polo tanto, a T <40 K helio se pode converter nun líquido por expansión.

Elemento é un illante, se non está no estado ionizado. Igual que outros gases nobres, helio ten un metaestáveis niveis de enerxía que lle permiten ser ionizado por unha descarga eléctrica cando a tensión é inferior ao potencial de ionización.

Helio-4 é único na medida en que ten dúas formas líquidas. Habitual chamado helio I e existe a temperaturas que van desde o punto de ebulición 4,21 K (-268,9 ° C) a uns 2,18 K (-271 ° C). Baixa condutividade térmica de 2,18 K ⁴ Torna-se 1000 veces maior que a do cobre. Este formulario é chamado helio II, para distinguilo lo do común. Ten Superfluid: viscosidade é tan baixo que non pode ser medida. Helio II cubre nunha película fina sobre a superficie de calquera substancia que está en cuestión, e esta película está fluíndo sen rozamento, mesmo contra a gravidade.

Menos abundante helio-3 maneira tres fases líquidas diferentes, dous dos cales son superfluída. Superfluidez en ⁴ Foi descuberto polo físico soviético Petrom Leonidovichem Kapitsey a mediados da década de 1930, eo mesmo fenómeno no ³ Foi notado por primeira vez por Douglas D. Osheroff, David M. Lee e Robert C. Richardson Estados Unidos en 1972.

Unha mestura líquida de dous isótopos de helio-3 e -4 a temperaturas baixo de 0,8 K (-272,4 ° C) divídese en dúas capas - unha esencialmente puros El ³ e ⁴ mestura El con 6% de helio-3. Disolución de ^3He en ⁴ El é acompañado polo efecto de refrixeración, que se usa en estruturas crióstato en que a temperatura do helio é baixo de 0,01 K (-273,14 ° C) e mantidas durante uns días.

conexións

En condicións normais, o helio é quimicamente inerte. No extremo pode crear un elemento composto que, indicadores normais de temperatura e presión non son estables. Por exemplo, helio poden formar compostos con iodo, tungsteno, flúor, fósforo e xofre, cando suxeito a unha descarga de luminecencia eléctrica ou por bombardeo de electróns en estado de plasma. Así, foi creado HeNe, HgHe _10, whe ₂ e ións moleculares El ₂ ⁺ ₂ Non ^++, heh ⁺ e Hed ^+. Esta técnica tamén foi unha molécula neutra El ₂ e HgHe.

plasma

No universo vantaxosamente distribuídos helio ionizado, cuxas propiedades difiren substancialmente do molecular. Os electróns e protóns non estaba ligada, e ten unha elevada condutividade eléctrica, mesmo nun estado parcialmente ionizado. En partículas cargadas é altamente influenciada por campos magnéticos e eléctricos. Por exemplo, ao vento solar con ións de helio interactuar co ionizado magnetosphere hidróxeno terra, facendo que os Borealis Aurora.

O descubrimento de depósitos nos EUA

Tras perforar en 1903 en Dexter, Kansas, que foi obtido por un gas non inflamable. Inicialmente, non se sabía que contén helio. Do cal o gas se atopou, estado identificado Erasmus Haworth xeoloxía, que foi recollido súas mostras e da Universidade de Kansas vía químicos kedi Gamiltona e David McFarland atopou que contén 72% de nitróxeno, o 15% de metano, 1% de hidróxeno e un 12% non foi identificado. Despois de pasar a súa posterior análise, os investigadores descubriron que 1,84% da mostra de helio. Entón, nós sabemos que este elemento está presente en grandes cantidades nas profundidades do Great Plains, onde pode ser extraído do gas natural.

produción industrial

Iso fixo que os Estados Unidos a produción mundial de líder helio. Por suxestión de Sir Richard Threlfall, a Mariña dos EUA financiou tres pequena planta piloto para producir esta sustancia durante a Primeira Guerra Mundial para garantir que os globos de encoro, elevación a gas non inflamable leve. Segundo este programa foron producidos en total de 5.700 m ³ 92 por cento El, aínda que esta fose obtida só polo menos 100 litros de gas. Parte dese importe foi usado no primeiro dirixible de helio do mundo a Mariña estadounidense C-7, que fixo a súa viaxe inaugural de Hampton Roads (Virxinia) no campo de BOLLING (Washington, DC) 07 de decembro de 1921.

Aínda que o proceso de baixa temperatura do gas líquido no que o tempo non foi desenvolvido suficientemente para ser significativo durante a Primeira Guerra Mundial, a produción continuada. Helio é xeralmente usado como un gas ascensor en aeronaves. Demanda por el aumentou durante a Segunda Guerra Mundial, cando foi utilizado cunha soldeo a arco blindado. O elemento tamén ten gran importancia na creación da bomba atómica "Manhattan".

reserva de US National

En 1925, o goberno de Estados Unidos creou a Reserva Nacional de helio en Amarillo, Texas, para facilitar aeronaves militares en tempo de guerra e aeronaves comerciais en tempo de paz. O uso de gas caeu tras a Segunda Mundial, pero o stock foi aumentado en 1950 para facilitar, entre outras cousas, ofrece como un refrixerante utilizado na produción de propulsor de osíxeno-hidróxeno durante a carreira espacial e da Guerra Fría. O uso de helio en Estados Unidos en 1965, oito veces máis elevada que o pico de consumo en tempo de guerra.

Tras a aprobación da lei sobre helio 1960 Bureau Mining Streak 5 empresas privadas para extraer o elemento a partir do gas natural. Este programa foi construído 425 km gasoduto para conectarse estas plantas co campo de gas goberno parcialmente esgotada preto Amarillo, Texas. mestura de helio e nitrógeno bombeado para o almacenamento subterráneo, e mantívose aí ata que non haxa necesidade na mesma.

En 1995, o volume de stock foi montado millóns de metros cúbicos, mentres que a débeda da reserva nacional de 1,4 millóns de dólares, o que levou ao Congreso dos Estados Unidos en 1996 para eliminar progresivamente a el. A raíz da adopción, en 1996, da lei sobre a privatización do Ministerio helio de Recursos Naturais lanzou unha tenda de liquidación en 2005.

Limpo e produción

Hélio produciu ata 1945 anos tiña unha pureza de preto do 98%, outros 2% no que o nitróxeno que é suficiente para dirixibles. En 1945, produciu unha pequena cantidade de 99,9 por cento do gas para uso en soldeo a arco. En 1949, a pureza do elemento resultante chegou 99,995%.

Por moitos anos, os Estados Unidos produciron máis de 90% de helio comercial do mundo. Desde 2004, cada ano que se traballou de 140 millóns de m ^3, 85% das cales teñen lugar nos Estados Unidos, o 10% foi realizado en Alxeria, eo resto - en Rusia e Polonia. As principais fontes de helio no mundo son campos de gas natural de Texas, Oklahoma e Kansas.

O proceso para a obtención

O helio (pureza 98,2%) é recuperado a partir da licuefacción de gas natural por outros compoñentes a temperaturas baixas ea presións elevadas. A adsorção doutros gases arrefecidos carbón activado pode alcanzar a pureza de 99,995%. Unha pequena cantidade de helio producido durante a licuefacción do aire a gran escala. Das 900 toneladas de aire pode obter uns 3,17 metros cúbicos. m gas.

Os campos de aplicación

gas nobre fose aplicado en varios campos.

• Helio, cuxas propiedades permiten a obtención de unha temperatura moi baixa, é utilizada como un axente de refrixeración en LHC, MRI aparellos automático supercondutor e espectrómetro de resonancia magnética nuclear, equipos de satélite, así como para a licuefacción de osíxeno e de hidróxeno en mísiles "Apollo".
• A medida que o gas inerte para a soldadura de aluminio e outros. Metais na fabricación de semicondutores e de fibras ópticas.
• .. Para crear presión nos encoros de combustible de motores foguete, particularmente aquelas que operan en hidróxeno líquido, t só gas helio preserva o seu estado de agregación cando hidróxeno permanece líquido);
• He-Ne láseres de gas son usados para dixitalizar o código de barras na oficina de caixa en supermercados.
• microscopio Hélio-ion permítelle obter a mellor imaxe que electrónico.
• Debido á elevada permeabilidade do gas nobre é usado para probar fugas, por exemplo, en sistemas de climatización de vehículos, así como o recheo rápido airbag sobre a colisión.
• Baixa densidade permite bolas decorativas cheos con helio. O gas inerte substitúese hidróxeno gasoso explosivo en aeronaves e globos. Por exemplo, en meteoroloxía, globos de helio son usados para levantar o instrumento de medida.
• O líquido de refrixeración criogênico é, xa que a temperatura do elemento de produtos químicos no estado líquido mínimo posible.
• Helio, que fornecen propiedades que unha baixa reactividade e solubilidade en auga (e sangue), nunha mestura con osíxeno atopou aplicación en formulacións respiratorias por mergullo e sostendo traballo ensecadeira.
• Meteoritos e rochas son analizados polo contido deste elemento para determinar a súa idade.

Hélio: as propiedades do elemento

El principais propiedades físicas son as seguintes:

• Número atómico: 2.
• A masa relativa do átomo de helio: 4,0026.
• Punto de fusión: non.
• Punto de ebulición: -268,9 ° C.
• Densidade (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• estado de oxidación 0.