Hel: właściwości, charakterystyka, zastosowania

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 17:54

Hel jest gazem obojętnym z 18 grupy układu okresowego pierwiastków. Jest drugim najlżejszym pierwiastkiem po wodorze. Hel to bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku gaz, który staje się płynny w temperaturze -268,9 °C. Jego temperatury wrzenia i zamarzania są niższe niż jakiejkolwiek innej znanej substancji. Jest to jedyny pierwiastek, który nie krzepnie po schłodzeniu przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Zestalenie helu wymaga 25 atmosfer w 1 K.

Historia odkryć

Hel został odkryty w gazowej atmosferze otaczającej Słońce przez francuskiego astronoma Pierre'a Jansena, który w 1868 roku podczas zaćmienia odkrył jasnożółtą linię w widmie chromosfery słonecznej. Pierwotnie sądzono, że ta linia reprezentuje pierwiastek sodu. W tym samym roku angielski astronom Joseph Norman Lockyer zaobserwował żółtą linię w widmie słonecznym, która nie odpowiada znanym liniom sodu D₁ i D₂i tak nazwał jej linię D_{3. Lockyer doszedł do wniosku, że jest to spowodowane przez substancję ze Słońca nieznaną na Ziemi. On i chemik Edward Frankland użyli nazwy pierwiastkagrecka nazwa Słońca to Helios.}

W 1895 roku brytyjski chemik Sir William Ramsay udowodnił istnienie helu na Ziemi. Uzyskał próbkę kleweitu zawierającego uran, a po zbadaniu gazów powstających podczas podgrzewania stwierdził, że jasnożółta linia w widmie pokrywa się z linią D_{3 obserwowaną w widmo Słońca. Tym samym ostatecznie zamontowano nowy element. W 1903 Ramsay i Frederick Soddu ustalili, że hel jest spontanicznym produktem rozpadu substancji radioaktywnych.}

Rozprzestrzeniaj się w naturze

Masa helu stanowi około 23% całej masy wszechświata, a pierwiastek ten jest drugim pod względem obfitości w kosmosie. Koncentruje się w gwiazdach, gdzie powstaje z wodoru w wyniku syntezy termojądrowej. Chociaż hel występuje w atmosferze ziemskiej w stężeniu 1 część na 200 tysięcy (5 ppm) i występuje w niewielkich ilościach w minerałach radioaktywnych, żelazie meteorytowym i źródłach mineralnych, duże ilości tego pierwiastka można znaleźć w Stanach Zjednoczonych (szczególnie w Teksasie, Nowym Jorku), Meksyku, Kansas, Oklahomie, Arizonie i Utah) jako składnik (do 7,6%) gazu ziemnego. Niewielkie rezerwaty znaleziono w Australii, Algierii, Polsce, Katarze i Rosji. W skorupie ziemskiej stężenie helu wynosi tylko około 8 ppb.

Izotopy

Jądro każdego atomu helu zawiera dwa protony, ale podobnie jak inne pierwiastki zawiera izotopy. Zawierają od jednego do sześciu neutronów, więc ich liczba masowa waha się od trzech do ośmiu. Te stabilne to pierwiastki, których masa helowa jest określona przez liczby atomowe 3 (³He) i 4 (⁴He). Cała reszta jest radioaktywna i bardzo szybko rozpada się na inne substancje. Hel ziemski nie jest pierwotnym składnikiem planety, powstał w wyniku rozpadu radioaktywnego. Cząstki alfa emitowane przez jądra ciężkich substancji promieniotwórczych są jądrami izotopu ⁴He. Hel nie gromadzi się w dużych ilościach w atmosferze, ponieważ grawitacja ziemska nie jest wystarczająco silna, aby zapobiec jego stopniowej ucieczce w kosmos. Ślady ³He na Ziemi są wyjaśnione ujemnym rozpadem beta rzadkiego pierwiastka wodoru-3 (trytu). ⁴On jest najbogatszym ze stabilnych izotopów: stosunek ⁴He do ^{3He wynosi około 700 tysięcy do 1 w atmosferze i około 7 milionów do 1 w niektórych minerałach zawierających hel.}

Właściwości fizyczne helu

Temperatury wrzenia i topnienia tego pierwiastka są najniższe. Z tego powodu hel istnieje jako gaz, z wyjątkiem warunków ekstremalnych. Gazowy Rozpuszcza się w wodzie mniej niż jakikolwiek inny gaz, a szybkość dyfuzji przez ciała stałe jest trzykrotnie większa niż w powietrzu. Jego współczynnik załamania światła jest najbliższy 1.

Przewodność cieplna helu ustępuje tylko wodórowi, a jego ciepło właściwe jest niezwykle wysokie. W zwykłych temperaturach nagrzewa się podczas rozszerzania i schładza poniżej 40 K. Dlatego w temperaturze T<40 K hel można przekształcić wpłyn przez ekspansję.

Element jest dielektrykiem, jeśli nie jest w stanie zjonizowanym. Podobnie jak inne gazy szlachetne, hel ma metastabilne poziomy energii, które pozwalają mu pozostać zjonizowanym podczas wyładowania elektrycznego, gdy napięcie pozostaje poniżej potencjału jonizacji.

Helium-4 jest wyjątkowy, ponieważ ma dwie formy płynne. Zwykły nazywa się helem I i występuje w temperaturach od 4,21 K (-268,9 °C) do około 2,18 K (-271 °C). Poniżej 2,18 K przewodność cieplna 4On staje się 1000 razy większa niż miedzi. Ta forma nazywana jest helem II, aby odróżnić ją od formy normalnej. Jest nadciekły: lepkość jest tak niska, że nie można jej zmierzyć. Hel II rozprowadza się w postaci cienkiej warstwy na powierzchni wszystkiego, czego dotknie, a ta warstwa płynie bez tarcia, nawet wbrew grawitacji.

Mniej obfity hel-3 tworzy trzy różne fazy ciekłe, z których dwie są nadciekłe. Nadciekłość w ⁴Odkrył go radziecki fizyk Piotr Leonidowicz Kapitsa w połowie lat 30. XX wieku, a to samo zjawisko w ^{3Po raz pierwszy zauważył go Douglas D Osherov, David M. Lee i Robert S. Richardson z USA w 1972 roku.}

Płynna mieszanina dwóch izotopów helu-3 i -4 w temperaturach poniżej 0,8 K (-272,4 °C) jest podzielona na dwie warstwy - prawie czysta ³He i mieszanina⁴He z 6% helu-3. Rozpuszczaniu ³He do ^{4 Towarzyszy mu efekt chłodzenia, który jest wykorzystywany w konstrukcji kriostatów, w których temperatura helu spadaponiżej 0,01 K (-273,14 °C) i utrzymywane tam przez kilka dni.}

Połączenia

W normalnych warunkach hel jest chemicznie obojętny. W ekstremalnych warunkach można tworzyć połączenia elementów, które nie są stabilne w normalnych temperaturach i ciśnieniach. Na przykład hel może tworzyć związki z jodem, wolframem, fluorem, fosforem i siarką, gdy zostanie poddany elektrycznemu wyładowaniu jarzeniowemu podczas bombardowania elektronami lub w stanie plazmy. W ten sposób powstały jony molekularne HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ i He₂++^{, Nie}2++^{, HeH}+ ^{i HeD+}. Technika ta umożliwiła również otrzymanie obojętnych cząsteczek He² i HgHe.

Plazma

We Wszechświecie rozproszony jest głównie zjonizowany hel, którego właściwości znacznie różnią się od właściwości molekularnych. Jego elektrony i protony nie są związane i ma bardzo wysoką przewodność elektryczną nawet w stanie częściowo zjonizowanym. Naładowane cząstki są pod silnym wpływem pól magnetycznych i elektrycznych. Na przykład w wietrze słonecznym jony helu wraz ze zjonizowanym wodorem oddziałują z magnetosferą Ziemi, powodując zorze polarne.

Odkrycie w USA

Po wywierceniu studni w 1903 r. w Dexter w stanie Kansas uzyskano niepalny gaz. Początkowo nie było wiadomo, że zawiera hel. Który gaz został znaleziony został określony przez geologa stanowego Erasmusa Hawortha, który:zebrane próbki i na Uniwersytecie Kansas przy pomocy chemików Cady Hamilton i Davida McFarlanda stwierdzili, że zawiera 72% azotu, 15% metanu, 1% wodoru i 12% nie zostało zidentyfikowane. Po dalszej analizie naukowcy odkryli, że 1,84% próbki stanowił hel. Dowiedzieli się więc, że ten pierwiastek chemiczny występuje w ogromnych ilościach we wnętrzu Wielkich Równin, skąd można go wydobywać z gazu ziemnego.

Produkcja przemysłowa

Dzięki temu Stany Zjednoczone są światowym liderem w produkcji helu. Zgodnie z sugestią Sir Richarda Threlfalla, Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych sfinansowała podczas I wojny światowej trzy małe eksperymentalne zakłady produkujące tę substancję, aby zapewnić balonom zaporowym lekki, niepalny gaz unoszący. Program wyprodukował łącznie 5700 m3 92% He, chociaż wcześniej wyprodukowano mniej niż 100 litrów gazu. Część tego tomu została wykorzystana w pierwszym na świecie sterowcu helowym, US Navy C-7, który odbył swój dziewiczy rejs z Hampton Roads w stanie Wirginia do Bolling Field w stanie Waszyngton DC 7 grudnia 1921 r.

Chociaż proces skraplania gazu w niskich temperaturach nie był w tamtym czasie wystarczająco zaawansowany, aby był znaczący podczas I wojny światowej, produkcja była kontynuowana. Hel był używany głównie jako gaz nośny w samolotach. Zapotrzebowanie na nią wzrosło w czasie II wojny światowej, kiedy stosowano ją do spawania łukiem osłoniętym. Pierwiastek był również ważny w projekcie bomby atomowej. Manhattan.

Agencja krajowa USA

W 1925 r. rząd Stanów Zjednoczonych ustanowił National Helium Reserve w Amarillo w Teksasie w celu zapewnienia wojskowych sterowców w czasie wojny i komercyjnych sterowców w czasie pokoju. Zużycie gazu spadło po II wojnie światowej, ale podaż zwiększono w latach pięćdziesiątych, aby zapewnić m.in. jego dostawę jako chłodziwa wykorzystywanego do produkcji paliwa rakietowego z tlenem wodoru podczas wyścigu kosmicznego i zimnej wojny. Zużycie helu w USA w 1965 r. było ośmiokrotnie wyższe niż szczytowe zużycie w czasie wojny.

Zgodnie z ustawą o helu z 1960 r. Biuro Kopalń zleciło 5 prywatnym firmom wydobycie tego pierwiastka z gazu ziemnego. W ramach tego programu zbudowano 425-kilometrowy gazociąg łączący te zakłady z częściowo wyczerpanym rządowym polem gazowym w pobliżu Amarillo w Teksasie. Mieszanina helowo-azotowa została przepompowana do podziemnego magazynu i pozostała tam do czasu, gdy była potrzebna.

Do 1995 roku zgromadzono miliard metrów sześciennych zapasów, a Rezerwa Narodowa miała 1,4 miliarda dolarów długu, co skłoniło Kongres USA do wycofania go w 1996 roku. Po uchwaleniu w 1996 roku ustawy o prywatyzacji helu, Ministerstwo Zasobów Naturalnych rozpoczęło likwidację magazynu w 2005 roku.

Czystość i wielkość produkcji

Hel wyprodukowany przed 1945 r. miał czystość około 98%, reszta 2%stanowił azot, który był wystarczający dla sterowców. W 1945 roku wytworzono niewielką ilość 99,9 procent gazu do wykorzystania w spawaniu łukowym. Do 1949 r. czystość otrzymanego pierwiastka osiągnęła 99,995%.

Przez wiele lat Stany Zjednoczone produkowały ponad 90% handlowego helu na świecie. Od 2004 roku produkuje 140 milionów m3 rocznie, z czego 85% pochodzi ze Stanów Zjednoczonych, 10% z Algierii, a reszta z Rosji i Polski. Głównymi źródłami helu na świecie są pola gazowe Teksasu, Oklahomy i Kansas.

Proces odbioru

Hel (98,2% czystości) jest pozyskiwany z gazu ziemnego poprzez skraplanie innych składników w niskich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem. Adsorpcja innych gazów przez schłodzony węgiel aktywny osiąga czystość 99,995%. Niewielka ilość helu jest wytwarzana przez upłynnianie powietrza na dużą skalę. Z 900 ton powietrza można uzyskać około 3,17 metra sześciennego. m gazu.

Obszary zastosowań

Gaz szlachetny jest używany w różnych dziedzinach.

Hel, którego właściwości pozwalają na uzyskanie ultraniskich temperatur, wykorzystywany jest jako czynnik chłodzący w Wielkim Zderzaczu Hadronów, magnesy nadprzewodzące w aparatach MRI i spektrometrach magnetycznego rezonansu jądrowego, w sprzęcie satelitarnym, a także do skraplania tlenu i wodór w rakietach Apollo.
Jako gaz obojętny do spawania aluminium i innych metali, w produkcji światłowodów i półprzewodników.
Aby stworzyćciśnienie w zbiornikach paliwowych silników rakietowych, zwłaszcza na ciekły wodór, ponieważ tylko gazowy hel zachowuje stan skupienia, gdy wodór pozostaje ciekły);
Lasery gazowe He-Ne są używane do skanowania kodów kreskowych przy kasach w supermarkecie.
Mikroskop helowo-jonowy daje lepsze obrazy niż mikroskop elektronowy.
Ze względu na wysoką przepuszczalność, gaz szlachetny jest używany do sprawdzania wycieków, na przykład w samochodowych układach klimatyzacji, oraz do szybkiego nadmuchiwania poduszek powietrznych w razie wypadku.
Niska gęstość pozwala na wypełnienie helem balonów dekoracyjnych. Gaz obojętny zastąpił wybuchowy wodór w sterowcach i balonach. Na przykład w meteorologii balony z helem są używane do podnoszenia przyrządów pomiarowych.
W technologii kriogenicznej służy jako chłodziwo, ponieważ temperatura tego pierwiastka chemicznego w stanie ciekłym jest najniższa z możliwych.
Hel, którego właściwości zapewniają niską reaktywność i rozpuszczalność w wodzie (i krwi) zmieszanej z tlenem, znalazł zastosowanie w kompozycjach oddechowych do nurkowania i pracy kesonowej.
Meteoryty i skały są analizowane pod kątem tego pierwiastka, aby określić ich wiek.