Helij: svojstva, karakteristike, primjene

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 17:42

Helijum je inertni gas 18. grupe periodnog sistema. To je drugi najlakši element nakon vodonika. Helijum je gas bez boje, mirisa i ukusa koji postaje tečan na -268,9 °C. Njegove tačke ključanja i smrzavanja su niže od onih kod bilo koje druge poznate supstance. To je jedini element koji se ne stvrdnjava kada se ohladi pri normalnom atmosferskom pritisku. Potrebno je 25 atmosfera na 1 K da se helijum stvrdne.

Historija otkrića

Helijum je u gasovitoj atmosferi koja okružuje Sunce otkrio francuski astronom Pierre Jansen, koji je 1868. godine tokom pomračenja otkrio jarko žutu liniju u spektru solarne hromosfere. Prvobitno se smatralo da ova linija predstavlja element natrijum. Iste godine, engleski astronom Joseph Norman Lockyer uočio je žutu liniju u sunčevom spektru koja nije odgovarala poznatim linijama natrijuma D₁ i D₂, i tako je nazvao njenu liniju D_{3. Lockyer je zaključio da ga je izazvala supstanca na Suncu nepoznata na Zemlji. On i hemičar Edvard Frankland koristili su u nazivu elementagrčki naziv za Sunce je Helios.}

Godine 1895, britanski hemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helijuma na Zemlji. Dobio je uzorak minerala kleveita koji sadrži uranijum, i nakon ispitivanja gasova nastalih pri zagrevanju, otkrio je da se svetlo žuta linija u spektru poklapa sa linijom D_{3 uočenom u spektar Sunca. Tako je novi element konačno postavljen. Godine 1903. Ramsay i Frederick Soddu utvrdili su da je helijum spontani produkt raspada radioaktivnih supstanci.}

Širenje u prirodi

Masa helijuma je oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi najzastupljeniji u svemiru. Koncentrisan je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako se helijum nalazi u zemljinoj atmosferi u koncentraciji od 1 dijela na 200 hiljada (5 ppm) i nalazi se u malim količinama u radioaktivnim mineralima, meteoritskom željezu i mineralnim izvorima, velike količine elementa nalaze se u Sjedinjenim Državama (posebno u Teksasu, Njujorku). Meksiku, Kanzasu, Oklahomi, Arizoni i Juti) kao komponenta (do 7,6%) prirodnog gasa. Male rezerve pronađene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori koncentracija helijuma je samo oko 8 ppb.

Izotopi

Jezgro svakog atoma helijuma sadrži dva protona, ali kao i drugi elementi, ima izotope. Sadrže jedan do šest neutrona, tako da se njihov maseni broj kreće od tri do osam. Stabilni su elementi čija je masa helijuma određena atomskim brojevima 3 (³He) i 4 (⁴He). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se raspadaju u druge tvari. Zemaljski helijum nije izvorna komponenta planete, nastao je kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestice koje emituju jezgra teških radioaktivnih supstanci su jezgra izotopa ⁴He. Helij se ne akumulira u velikim količinama u atmosferi jer Zemljina gravitacija nije dovoljno jaka da spriječi njen postupni bijeg u svemir. Tragovi ³He na Zemlji se objašnjavaju negativnim beta raspadom retkog elementa vodonika-3 (tricijuma). ⁴On je najzastupljeniji od stabilnih izotopa: odnos ⁴He atoma prema ^{3He je oko 700 hiljada prema 1 u atmosferi i oko 7 miliona prema 1 u nekim mineralima koji sadrže helijum.}

Fizička svojstva helijuma

Tačke ključanja i topljenja ovog elementa su najniže. Iz tog razloga, helijum postoji kao gas, osim u ekstremnim uslovima. Plinoviti On se manje otapa u vodi nego bilo koji drugi plin, a brzina difuzije kroz čvrste tvari je tri puta veća od zraka. Njegov indeks loma je najbliži 1.

Toplotna provodljivost helijuma je druga nakon vodonika, a njegov specifični toplotni kapacitet je neobično visok. Na uobičajenim temperaturama se zagrijava tokom ekspanzije, a hladi ispod 40 K. Stoga, na T<40 K, helijum se može pretvoriti utečnost ekspanzijom.

Element je dielektrik ako nije u jonizovanom stanju. Kao i drugi plemeniti gasovi, helijum ima metastabilne energetske nivoe koji mu omogućavaju da ostane jonizovan u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod jonizacionog potencijala.

Helijum-4 je jedinstven po tome što ima dva tečna oblika. Obični se naziva helijum I i postoji na temperaturama u rasponu od tačke ključanja od 4,21 K (-268,9 °C) do oko 2,18 K (-271 °C). Ispod 2,18 K, toplotna provodljivost 4He postaje 1000 puta veća od bakra. Ovaj oblik se naziva helijum II kako bi se razlikovao od normalnog oblika. Super je tečno: viskozitet je toliko nizak da se ne može izmjeriti. Helijum II se širi u tanki film na površini svega što dodirne, a ovaj film teče bez trenja čak i protiv gravitacije.

Manje zastupljen helijum-3 formira tri različite tečne faze, od kojih su dvije superfluidne. Superfluidnost u ⁴Otkrio ga je sovjetski fizičar Pyotr Leonidovich Kapitsa sredinom 1930-ih, a isti fenomen u ^{3Prvi ga je primijetio Douglas D Osherov, David M. Lee i Robert S. Richardson iz SAD-a 1972.}

Tečna mješavina dva izotopa helijuma-3 i -4 na temperaturama ispod 0,8 K (-272,4 °C) podijeljena je u dva sloja - gotovo čista ³He i mješavina⁴He sa 6% helijuma-3. Otapanje ³He u ^{4On je praćen efektom hlađenja, koji se koristi u dizajnu kriostata, u kojem temperatura helijuma padaispod 0,01 K (-273,14 °C) i održava se tamo nekoliko dana.}

Veze

U normalnim uslovima, helijum je hemijski inertan. U ekstremnim uslovima možete stvoriti spojeve elemenata koji nisu stabilni pri normalnim temperaturama i pritiscima. Na primjer, helijum može formirati spojeve s jodom, volframom, fluorom, fosforom i sumporom kada je podvrgnut električnom svjetlećem pražnjenju kada je bombardiran elektronima ili u stanju plazme. Tako su HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ i He₂ stvoreni molekularni joni+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{i HeD+}. Ova tehnika je takođe omogućila dobijanje neutralnih molekula He² i HgHe.

Plasma

U Univerzumu je pretežno raspoređen jonizovani helijum, čija se svojstva značajno razlikuju od molekularnih. Njegovi elektroni i protoni nisu vezani, a ima vrlo visoku električnu provodljivost čak i u djelomično joniziranom stanju. Na nabijene čestice snažno djeluju magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru, joni helijuma, zajedno sa joniziranim vodonikom, stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, uzrokujući aurore.

US discovery

Nakon bušenja bušotine 1903. godine, nezapaljivi gas je dobijen u Dexteru, Kanzas. U početku se nije znalo da sadrži helijum. Koji je gas pronađen odredio je državni geolog Erasmus Havort, kojiprikupili njegove uzorke i na Univerzitetu Kanzas uz pomoć hemičara Cady Hamilton i David McFarland otkrili da sadrži 72% azota, 15% metana, 1% vodonika i 12% nije identifikovano. Nakon dalje analize, naučnici su otkrili da je 1,84% uzorka bilo helijum. Tako su saznali da je ovaj hemijski element prisutan u ogromnim količinama u utrobi Velike ravnice, odakle se može izvući iz prirodnog gasa.

Industrijska proizvodnja

Ovo je učinilo Sjedinjene Države svjetskim liderom u proizvodnji helijuma. Na prijedlog Sir Richarda Threlfalla, američka mornarica je financirala tri mala eksperimentalna postrojenja za proizvodnju ove tvari tokom Prvog svjetskog rata kako bi se baloni s baražnim balonom osigurali laganim, nezapaljivim gasom za podizanje. Program je proizveo ukupno 5.700 m3 92% He, iako je prethodno proizvedeno manje od 100 litara gasa. Dio ovog volumena korišten je u prvom svjetskom helijumskom dirižablu, C-7 američke mornarice, koji je svoje prvo putovanje obavio od Hampton Roads, Virginia do Bolling Field, Washington, DC 7. decembra 1921.

Iako proces ukapljivanja gasa na niskim temperaturama u to vreme nije bio dovoljno napredan da bi bio značajan tokom Prvog svetskog rata, proizvodnja se nastavila. Helijum se uglavnom koristio kao gas za podizanje aviona. Potražnja za njim je porasla tokom Drugog svetskog rata, kada je korišćen u zavarivanju sa zaštićenim lukom. Element je takođe bio važan u projektu atomske bombe. Manhattan.

Nacionalna zaliha SAD

Godine 1925., vlada Sjedinjenih Država je uspostavila Nacionalnu rezervu helijuma u Amarillu, Teksas, u svrhu obezbjeđenja vojnih vazdušnih brodova u vrijeme rata i komercijalnih vazdušnih brodova u vrijeme mira. Upotreba gasa je opala nakon Drugog svetskog rata, ali je zaliha povećana 1950-ih da bi se, između ostalog, obezbedilo njegovo snabdevanje kao rashladno sredstvo koje se koristilo u proizvodnji raketnog goriva sa kiseonikom tokom svemirske trke i Hladnog rata. Upotreba helijuma u SAD-u 1965. bila je osam puta veća od najveće ratne potrošnje.

Slijedeći Zakon o helijumu iz 1960. godine, Biro za rudarstvo je ugovorio 5 privatnih kompanija za izvlačenje elementa iz prirodnog plina. Za ovaj program izgrađen je gasovod dužine 425 kilometara koji povezuje ova postrojenja sa delimično iscrpljenim državnim gasnim poljem u blizini Amarilla u Teksasu. Mešavina helijuma i azota je pumpana u podzemno skladište i ostala tamo dok nije bila potrebna.

Do 1995. prikupljeno je milijardu kubnih metara zaliha, a Nacionalne rezerve su imale dug od 1,4 milijarde dolara, što je navelo Kongres SAD da ga postupno ukine 1996. Nakon što je 1996. godine donesen Zakon o privatizaciji helijuma, Ministarstvo prirodnih resursa počelo je likvidaciju skladišta 2005. godine.

Čistoća i obim proizvodnje

Helij proizveden prije 1945. imao je čistoću od oko 98%, ostatak 2%činio azot, koji je bio dovoljan za vazdušne brodove. Godine 1945. proizvedena je mala količina od 99,9 posto plina za korištenje u elektrolučnom zavarivanju. Do 1949. čistoća rezultirajućeg elementa dostigla je 99.995%.

Dugi niz godina, Sjedinjene Države su proizvodile preko 90% komercijalnog helijuma u svijetu. Od 2004. godine proizvodi 140 miliona m3 godišnje, od čega 85% dolazi iz Sjedinjenih Država, 10% iz Alžira, a ostatak iz Rusije i Poljske. Glavni izvori helijuma u svijetu su plinska polja Teksasa, Oklahome i Kanzasa.

Proces prijema

Helij (98,2% čistoće) se ekstrahuje iz prirodnog gasa ukapljivanjem drugih komponenti na niskim temperaturama i visokim pritiscima. Adsorpcijom ostalih gasova ohlađenim aktivnim ugljem postiže se čistoća od 99,995%. Mala količina helijuma se proizvodi ukapljivanjem vazduha u velikim razmerama. Iz 900 tona vazduha može se dobiti oko 3,17 kubnih metara. m gasa.

Područja primjene

Plemeniti plin je korišten u raznim poljima.

Helijum, čija svojstva omogućavaju postizanje ultraniskih temperatura, koristi se kao rashladni agens u Velikom hadronskom sudaraču, supravodljivi magneti u MRI mašinama i spektrometrima nuklearne magnetne rezonance, satelitskoj opremi, a takođe i za ukapljivanje kiseonika i vodonik u Apollo raketama.
Kao inertni gas za zavarivanje aluminijuma i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluprovodnika.
Za kreiranjepritisak u rezervoarima za gorivo raketnih motora, posebno onih koji rade na tečni vodonik, jer samo gasoviti helijum zadržava svoje stanje agregacije kada vodonik ostaje tečan);
He-Ne plinski laseri se koriste za skeniranje bar kodova na blagajni supermarketa.
Helijum jonski mikroskop daje bolje slike od elektronskog mikroskopa.
Zbog svoje visoke propustljivosti, plemeniti gas se koristi za proveru curenja u, na primer, sistemima za klimatizaciju automobila, i za brzo naduvavanje vazdušnih jastuka u slučaju sudara.
Mala gustina vam omogućava da punite ukrasne balone helijumom. Inertni gas je zamenio eksplozivni vodonik u vazdušnim brodovima i balonima. Na primjer, u meteorologiji se helijumski baloni koriste za podizanje mjernih instrumenata.
U kriogenoj tehnologiji služi kao rashladna tečnost, pošto je temperatura ovog hemijskog elementa u tečnom stanju najniža moguća.
Helijum, čija svojstva mu obezbeđuju nisku reaktivnost i rastvorljivost u vodi (i krvi), pomešan sa kiseonikom, našao je primenu u kompozicijama za disanje za ronjenje i rad u kesonu.
Meteoriti i stijene se analiziraju za ovaj element kako bi se utvrdila njihova starost.