Heliumo: ecoj, karakterizaĵoj, aplikaĵo

Heliumo - inerta gaso de grupo 18 de la perioda tabelo. Tiu estas la dua plej malpeza elemento post hidrogeno. Heliumo - gason sen koloro, odoro kaj gusto kiu iĝas likva al temperaturo de -268,9 ° C. bolado kaj ĝia punkto de congelación malalta ol la de ajna alia konata substanco. Ĝi estas la sola elemento kiu ne solidigi kun malvarmigo ĉe normala atmosfera premo. Li moviĝis al la solida stato devas esti 25 atmosferoj, al temperaturo de 1 K.

Historio de malkovro

Heliumo estis trovita en la gaso atmosfero ĉirkaŭa la suno, la franca astronomo Pierre Zhansenom ke en 1868 dum eklipso trovis brilan flavan linion en la spektro de la suna chromosphere. Ĝi komence supozis ke ĉi tiu linio reprezentas la elementon natrio. En la sama jaro, la angla astronomo Dzhozef Norman Lockyer observis flava linio en la suna spektro, kiu ne respondis al konata natrio linioj D ₁ kaj D _2, kaj tial oni nomis ĝin linion D _3. Lockyer finis ke ĝi estis kaŭzita de substanco en la Suno nekonata sur la Tero. Li kaj kemiisto Edward Frankland en la titolo elemento uzante la greka nomo 'Helios' Suno

En 1895, la brita kemiisto Sir Uilyam Ramzay pruvis la ekziston de heliumo sur Tero. Li ricevis specimeno cleveite uranio-portanta mineralojn, kaj post ekzamenado de la gasoj formis dum hejtado, oni trovis, ke brila flava linio en la spektro koincidas kun la linio D _3, observis en la suna spektro. Tiel, nova elemento estis fine instalita. En 1903 Ramsay kaj Frederick Soddy trovis ke heliumo estas produkto de la spontaneaj dekadenco de radioaktivaj substancoj.

Distribuado en naturo

La maso de heliumo estas proksimume 23% de la tuta maso de la universo, kaj la elemento estas la dua plej ofta en la spaco. Ĝi koncentras en steloj, kie hidrogeno formiĝas per la rezultantaj fandado. Kvankam la heliumo en la atmosfero estas en koncentriĝo de 1 parto 200-a. (5 ppm) kaj estas enhavita en malgrandaj kvantoj de radioaktiva mineraloj, meteorito glando, kaj ankaŭ mineralaj fontoj, grandaj kvantoj de la elemento trovita en Usono (precipe en Teksaso, Nov Meksikurbo, Kansaso, Oklahomo, Utaho kaj Arizono) kiel komponanto (al 7.6%) de natura gaso. Malgrandaj kaj liaj rezervoj estis malkovritaj en Aŭstralio, Alĝerio, Pollando, Kataro kaj Rusio. En la krusto heliumo koncentriĝon nur pri 8 ppb.

izotopoj

La kerno de ĉiu el la heliumo atomo enhavas du protonojn, sed, kiel kun aliaj elementoj, ĝi havas izotopoj. Ili enhavas de unu ĝis ses neŭtronojn, tiel ilia maso nombroj iras de tri al ok. Stabila de ĉi tiuj estas la elementoj kies pezo estas determinita de heliumo atomnumero 3 ⁽³ Li) kaj 4 ⁽⁴ Li). Ĉiuj aliaj radioaktiva kaj rapide putri en aliajn substancojn. Tera heliumo ne estas origina parto de la planedo, ĝi estis formita kiel rezulto de radioaktiva kadukiĝo. Alfa partikloj elsenditaj de kernoj de radioaktiva peza substancoj estas izotopo ⁴ Li nukleo. Heliumo ne amasigas en grandaj kvantoj en la atmosfero, ĉar la tera gravito ne estas sufiĉa por malhelpi ĝin de iom post iom likanta en la spacon. Spuroj de ³ En la mondo estas klarigitaj negativa beta dekadenco hidrogeno maloftaj-3 elemento (tritio). ⁴ Li estas la plej komuna de stabilaj izotopoj: ⁴ rilatumo de Li atomoj al la ³ Li estas ĉirkaŭ 700 mil al 1 atmosfero kaj ĉirkaŭ 7 milionoj de 1 en iuj heliumo-riĉaj mineraloj ..

La fizikaj ecoj de heliumo

bolado kaj punkto de fandado de ĉi tiu elemento estas plej malalta. Tial, heliumo ekzistas kiel gaso krom en ekstremaj kondiĉoj. Li gaso estas solvita en akvo malpli ol tiu de iu alia gaso, kaj la rapideco de disvastigo tra la solida korpo estas trioble pli granda ol tiu de aero. Lia indico de refracción de la plej proksima alproksimiĝas 1.

La termika konduktiveco de la heliumo estas dua nur al hidrogeno conductividad termika, specifa varmo kaj ĝia eksterordinare alta. Ĉe ordinaraj temperaturoj estas varmigita dum vastiĝo, kaj sub 40 K - malvarmiĝis. Sekve, en T <40 K heliumo povas esti transformita en likva vastigante.

Elemento estas izolaĵo, se ne estas en la jonigitaj stato. Kiel kun aliaj noblaj gasoj, heliumo havas metastabila energio niveloj kiuj permesas ĝin esti jonigita per elektra malŝarĝo kiam tensio estas sub la ionización potencialo.

Heliumo-4 estas unika en tio ĝi havas du likva formoj. Kutima nomita heliumo mi kaj ekzistas ĉe temperaturoj iras de la punkto de bolado de 4.21 K (-268,9 ° C) por ĉirkaŭ 2,18 K (-271 ° C). Pli malalta conductividad termika de 2,18 K ⁴ Li iĝas 1000 fojojn pli granda ol tiu de kupro. Tiu formo estas nomita la heliumo II, distingi ĝin de la ordinara. Ĝi superfluido: viskozeco estas tiel malalta, ke ĝi ne povas esti mezurita. Heliumo II disvastiĝas en maldika filmo sur la surfaco de iu substanco kiu raportas, kaj tiu filmo estas fluanta sen frotado eĉ kontraŭ gravito.

Malpli abunda heliumo-3 formas tri malsamajn likva fazoj, du el kiuj estas superfluido. Superfluidity en ⁴ Li estis malkovrita fare de la sovetia fizikisto Petrom Leonidovichem Kapitsey en la jardeko de 1930, kaj la sama fenomeno en la ³ Li estis unue rimarkita de Douglas D. Osheroff, David M. Lee kaj Robert C. Richardson de Usono en 1972.

Likva miksaĵo de du izotopoj de heliumo-3 kaj -4 ĉe temperaturoj sub 0.8 K (-272.4 ° C) estas dividita en du tavoloj - esence pura ³ Li kaj ⁴ Li miksaĵo kun 6% de la heliumo-3. Malfondo de ³ En ⁴ Estas akompanita de la malvarmiga efiko kiu estas uzita en cryostat strukturojn en kiuj la heliumo temperaturo estas sub 0.01 K (-273,14 ° C) kaj ĝi subtenis dum kelkaj tagoj.

ligojn

Sub normalaj kondiĉoj, heliumo estas kemie inerta. En ekstremaj povas krei komponaĵo elemento ke en normala temperaturo kaj premo indikiloj ne estas stabila. Ekzemple, heliumo povas formi komponaĵoj kun jodo, tungsteno, fluoro, fosforo kaj sulfuro, kiam submetita al elektra ardo malŝarĝo aŭ per elektrona bombardo en la plasmo stato. Ĝi tiel kreis HeNe, HgHe _10, WHe ₂ kaj molekula jonoj Li ₂ ⁺ ₂ Ne ^++, Heh ⁺ kaj Hed ^+. Tiu tekniko ankaŭ estis neŭtrala molekulo Li ₂ kaj HgHe.

plasmo

En la universo ventajosamente distribuita jonigitaj heliumo, kies proprietoj diferencas substance de la molekula. La elektronoj kaj protonoj ne ligitaj, kaj ĝi havas tre altan elektra conductivity eĉ parte jonigita stato. An erojn ŝarĝitaj estas tre influita de magneta kaj elektra kampoj. Ekzemple, en la suna vento kun heliumo jonoj interagi kun la jonigitaj hidrogeno magnetosfero tero, kaŭzante la boreala aŭroro.

La malkovro de kuŝejoj en Usono

Post borado en 1903 en Dexter, Kansas, estis ricevita per ne-brulema gaso. Komence, ĝi ne sciis, ke ĝi enhavas heliumo. Kiu gaso estis trovita, identigita stato Erasmus Haworth geologo, kiu kolektis sian specimenoj kaj la Universitato de Kansaso pere ĥemiistoj khedi Gamiltona kaj David McFarland trovis ke ĝi enhavas 72% nitrogeno, 15% metano, 1% hidrogeno kaj 12% ne estis identigitaj. Post pasi la postaj analizo, la esploristoj trovis ke 1.84% de la specimeno de heliumo. Do ni scias, ke tiu kemia elemento ĉeestas en grandaj kvantoj en la profundo de la Grandaj Ebenaĵoj, kie ĝi povas esti ekstraktita de natura gaso.

industria produktado

Tiu faris Usonon la monda produktado de heliumo gvidanto. Por indiko de Sir Richard Threlfall, la Usona Mararmeo financita tri malgrandaj piloto planto por produkti ĉi substanco dum la Unua Mondmilito por certigi la bombardo globoj malpeza ne-brulema levo gaso. Laŭ ĉi tiu programo estis produktita en tuta de 5700 m ³ 92 procentoj Li, kvankam ĉi tio sukcesis nur minimume 100 litroj de gaso. Parto de ĉi tiu kvanto estis uzita en la monda unua heliumo aerŝipo la Usona Mararmeo C-7, kiu faris sian unuan vojaĝon de Hampton Roads (Virginio) ĉe Bolling Field (Vaŝingtono) decembro 7, 1921.

Kvankam la procezo de malalta temperaturo likva gaso tiutempe ne estis sufiĉe evoluinta por esti signifa dum la Unua Mondmilito, produktado daŭris. Heliumo estas ĝenerale uzata kiel lifto gaso en aviadilo. Postulo por ĝi kreskis dum la Dua Mondmilito kiam ĝi estis uzata kun blendita arko veldo. La elemento ankaŭ havas grandan gravecon en la kreo de la atoma bombo "Manhattan".

Usona Nacia rezervo

En 1925, la registaro de Usono kreis la Nacia rezervo de heliumo en Amarillo, Teksaso, provizi milita aerŝipoj dum milito kaj komercaj aerŝipoj en tempoj de paco. La uzo de gaso falis post la Dua, sed la stoko estis pliigita en 1950 por provizi interalie, ĝi provizas kiel refrigerante uzata en la produktado de oksigeno-hidrogeno propulsor dum la spaca kuro kaj la Malvarma Milito. La uzo de heliumo en Usono en 1965, ok fojojn pli altan ol la pinto konsumon en milita tempo.

Post la adopto de la leĝo sur heliumo 1960 Mining Bureau Streak 5 privataj entreprenoj por ĉerpi la elementon de natura gaso. Ĉi tiu programo estis konstruita 425-km dukto por konekti ĉi tiujn plantojn kun la registaro parte malplenigita gaso kampo proksime Amarillo, Teksaso. Heliumo-nitrogeno miksaĵo pumpita en subtera stokado, kaj restis tie ĝis ne necesas en ĝi.

Per 1995, la volumeno de stock kolektigxis miliardoj kubaj metroj, dum la ŝuldo de la Nacia rezervo de 1.4 miliardoj da dolaroj, kiu instigis la usona Kongreso en 1996 al la fazo el ĝi. Sekvanta la adopto en 1996 de la leĝo sur la privatización de heliumo Ministerio de Naturaj Rimedoj lanĉis forvendo vendejo en 2005.

Pura kaj produktado

Heliumo produktitaj ĝis 1945 jaro havis purecon de ĉirkaŭ 98%, aliaj 2% estis en la nitrogeno kiu estas sufiĉa por aerŝipoj. En 1945, ĝi produktis malgrandan kvanton de 99.9 procentoj de gaso por uzo en arko veldo. Per 1949, la pureco de la rezultanta elemento atingis 99,995%.

Dum multaj jaroj Usono produktis pli ol 90% de la monda komerca heliumo. Ekde 2004, ĉiujare oni ellaboris 140 milionoj m ^3, 85% de kiuj okazas en Usono, 10% estis efektivigita en Alĝerio, kaj la resto - en Rusio kaj Pollando. La ĉefaj fontoj de heliumo en la mondo estas natura gaso kampoj de Teksaso, Oklahomo kaj Kansaso.

La procezo por akiri

Heliumo (pureco 98,2%) estas reakirita de la licuefacción de natura gaso de aliaj komponantoj en malaltaj temperaturoj kaj altaj premoj. La adsorbado de aliaj gasoj malvarmetigitaj aktivigita karbonon povas atingi la purecon de 99,995%. Malgranda kvanto de heliumo produktita dum aero licuefacción grandskale. De la 900 tunoj da aero povas atingi ĉirkaŭ 3.17 metroj cúbicos. m gaso.

Kampoj de apliko

Nobla gaso estis aplikita en diversaj kampoj.

• Heliumio, kiun ecoj permesas akiri tre malaltan temperaturon, estas uzata kiel malvarmigo agento LHC, MRI superconductores magneto aparatoj kaj nuklea magneta resonanco espectrómetros, satelito teamo, tiel kiel por la licuefacción de oksigeno kaj hidrogeno en misiloj "Apollo".
• Kiel la inerta gaso por veldo aluminio kaj aliaj. Metaloj en la fabrikado de semikonduktaĵoj kaj optikaj fibroj.
• .. Por krei premon en la benzinujoj de brulaĵo de motoroj raketo, aparte tiuj funkcianta sur likva hidrogeno, t al nur heliumo gaso konservas lian staton de agregación kiam hidrogeno restas likva);
• Li-Ne gaso laseroj estas uzitaj por skani la barcode en la giĉeto en superbazaroj.
• Heliumo-jona mikroskopo permesas vin akiri la plej bonan bildon ol elektronika.
• Pro la alta permeabilidad de la nobla gaso estas uzata por testi likas, ekzemple en aŭto aero-prepariteco sistemoj, tiel kiel rapida plenigaĵo la aerkuseno sur kolizio.
• Malalta denseco permesas ornamaj pilkoj plenaj heliumo. La inerta gaso estas anstataŭita eksploda hidrogeno gaso en aeronaves kaj globoj. Ekzemple, en meteologio, heliumo balonoj estas uzitaj por levi la instrumento de mezuro.
• La criogénico refrigerante estas uzata, ĉar la temperaturo de la kemia elemento en la minimuma ebla likva stato.
• Heliumio, kiun ecoj provizi ŝin malalta reagemo kaj akvo solvebleco (kaj sango), en miksaĵo kun oksigeno trovis aplikon en spiraj formuliĝoj por subnaĝado kaj tenante Caisson laboro.
• Meteoritoj kaj rokoj estas analizitaj por la enhavo de ĉi tiu elemento por determini sian aĝon.

Heliumo: la ecoj de la elemento

Li ĉefaj fizikaj trajtoj estas:

• Atomnumero: 2.
• La relativa maso de la heliumo atomo: 4,0026.
• Melting punkto: ne.
• Bolpunkto: -268,9 ° C.
• Denseco (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oksidiĝa 0.