Helium: mali, tabia, maombi

Helium - kifyonzi gesi ya kundi 18 ya meza mara kwa mara. Hii ni Sehemu ya pili nyepesi baada hidrojeni. Helium - gesi bila rangi, harufu na ladha ambayo huwa kioevu kwenye joto ya -268.9 ° C. kiwango mchemko na hatua yake kuganda chini kuliko ile ya mtu mwingine yeyote inayojulikana dutu. Ni kipengele tu ambayo haina kuimarisha na baridi katika shinikizo ya kawaida ya anga. Alihamia hali imara lazima 25 atmospheres, katika joto ya 1 K.

Historia ya ugunduzi

Helium ulipatikana katika gesi mazingira yanayozunguka jua, Kifaransa falaki Pierre Zhansenom kwamba mwaka 1868 wakati wa kupatwa imepata njano mkali line katika wigo wa chromosphere jua. Awali ilikuwa kudhani kuwa mstari huu inawakilisha kipengele sodium. Katika mwaka huo huo, Kiingereza falaki Dzhozef Norman Lockyer aliona line manjano wigo nishati ya jua, ambayo hawakuwa yanahusiana na mistari inayojulikana sodium D ₁ na D _2, na kwa hiyo ni jina lake ni mstari D _3. Lockyer alihitimisha kuwa ni unasababishwa na dutu katika Sun haijulikani duniani. Yeye na mwanakemia Edward Frankland katika kipengele jina kutumia jina la Kigiriki 'Helios' Sun.

Katika 1895, kemia British Sir Uilyam Ramzay imeonyesha kuwepo kwa helium duniani. Alipata sampuli cleveite uranium-kuzaa madini, na baada ya kuchunguza gesi sumu wakati wa joto, ni kupatikana kuwa njano mkali line katika wigo sanjari na line D _3, kuzingatiwa katika wigo wa jua. Hivyo, kipengele mpya hatimaye imewekwa. Katika 1903 Ramsay na Frederick Soddy iligundua kuwa helium ni zao la kuoza hiari wa vitu mionzi.

Distribution katika asili

wingi wa heli ni kuhusu 23% ya molekuli jumla ya ulimwengu, na kipengele ni ya pili ya kawaida katika nafasi. Ni kujilimbikizia katika nyota, ambapo hidrojeni ni sumu kutoka fusion kusababisha. Ingawa helium katika anga ni katika mkusanyiko wa 1 na sehemu ya th 200. (5 ppm) na yaliyomo katika kiasi kidogo cha madini mionzi, meteorite tezi, pamoja na vyanzo ya madini, kiasi kikubwa cha kipengele kupatikana katika Marekani (hasa katika Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, na Arizona) kama sehemu (kwa 7.6%) ya gesi asilia. Small na hifadhi yake yaligunduliwa nchini Australia, Algeria, Poland, Qatar na Urusi. Katika ukoko helium mkusanyiko tu kama 8 PPB.

isotopu

msingi wa kila moja ya heli chembe ina protoni mbili, lakini, kama ilivyo kwa mambo mengine, ina isotopu. Wao vyenye kutoka manane moja hadi sita, hivyo idadi yao wingi kuanzia ya tatu hadi nane. Imara ya hizi ni mambo ambao uzito imedhamiria kwa helium atomiki namba 3 ⁽³ Yeye) na 4 ⁽⁴ Yeye). All mionzi mengine na kasi kuoza ndani dutu nyingine. helium dunia si sehemu ya awali ya sayari, iliundwa kutokana na kuoza mionzi. Alpha chembe unaotolewa na viini wa vitu mionzi nzito ni isotopu ⁴ Yeye kiini. Helium haina kujilimbikiza kwa wingi katika anga, kwa sababu mvuto wa dunia haitoshi kuzuia kutoka kuendelea kuvuja katika nafasi. Athari ya ³ Yeye duniani ni alielezea hasi beta kuoza hidrojeni nadra-3 kipengele (tritium). ⁴ Yeye ni kawaida ya isotopu imara: ⁴ uwiano wa Yeye atomi kuelekea ³ Yeye ni 700 elfu kwa 1 anga na kuhusu 7 milioni kwa 1 katika baadhi madini helium tajiri ..

tabia za kimaumbile ya helium

kuchemsha na hatua ya kiwango ya bidhaa hii ni ya chini. Kwa sababu hii, helium ipo kama gesi ila katika hali ya. Yeye gesi ni kufutwa katika maji kidogo kuliko ile ya gesi nyingine yoyote, na kiwango cha kuenea kwa njia ya mwili imara ni mara tatu zaidi kuliko ile ya hewa. index ya refractive ya karibu mbinu 1.

conductivity mafuta ya helium ni ya pili kwa hidrojeni mafuta conductivity, joto maalum na wake extraordinarily juu. Katika joto ya kawaida ni joto wakati wa upanuzi, na chini ya 40 K - kilichopozwa. Kwa hiyo, katika T <40 K helium inaweza kuwa waongofu katika kioevu kwa kupanua.

Element ni kizio, kama si katika hali ionized. Kama na gesi nyingine yenye heshima, helium ina viwango vya nguvu metastable kwamba kuruhusu kuwa ionized na kutokwa umeme wakati voltage ni chini ya uwezekano wa ionization.

Helium-4 ni ya kipekee kwa kuwa ina aina kioevu mbili. Kawaida kuitwa helium mimi na ipo katika joto kuanzia kiwango mchemko ya 4.21 K (-268,9 ° C) kwa karibu 2.18 K (-271 ° C). Chini mafuta conductivity ya 2.18 K ⁴ Huwa mara 1000 zaidi kuliko ile ya shaba. Aina hii inaitwa helium II, ili kutofautisha na kawaida. Ina Superfluid: mnato ni mdogo kwamba haiwezi kupimwa. Helium II kuenea katika filamu nyembamba juu ya uso wa dutu yoyote ambayo ni wasiwasi, na filamu hii ni inapita bila msuguano hata dhidi ya mvuto.

Chini tele helium-3 aina awamu tatu tofauti maji, wawili ambao ni Superfluid. Superfluidity katika ⁴ Yeye iligunduliwa na mwanafizikia Urusi Petrom Leonidovichem Kapitsey katika miaka ya 1930, na jambo moja katika ³ Alikuwa kwanza niliona na Douglas D. Osheroff, David M. Lee, na Robert C. Richardson zote Marekani mwaka 1972.

mchanganyiko kioevu isotopu mbili ya heli-3 na -4 kwa joto chini ya 0.8 K (-272.4 ° C) imegawanywa katika tabaka mbili - kimsingi safi ³ Yeye na ⁴ Yeye mchanganyiko na 6% ya helium-3. Kuvunjwa kwa ³ Yeye katika ⁴ Yeye ni akifuatana na athari ya baridi ambayo hutumiwa katika miundo cryostat ambao helium joto ni chini 0.01 K (-273,14 ° C) na kudumishwa kwa muda wa siku chache.

uhusiano

Katika hali ya kawaida, helium ni kemikali ajizi. Katika uliokithiri inaweza kujenga kipengele kiwanja kwamba katika joto ya kawaida na shinikizo viashiria si imara. Kwa mfano, helium huweza kutengeneza misombo na madini, Tungsten, florini fosforasi, na kiberiti, wakati wanakabiliwa na mwanga kutokwa umeme au kwa elektroni bombardment katika hali plasma. Hivyo iliundwa Hene, HgHe _10, whe ₂ na ioni Masi Yeye ₂ ⁺ ₂ Si ^++, heh ⁺ na Hed ^+. Mbinu hii pia imekuwa neutral molekuli Yeye ₂ na HgHe.

plasma

Katika ulimwengu advantageously kusambazwa ionized heli, ambaye mali tofauti kiasi kikubwa kutoka molekuli. elektroni na protoni haikuunganishwa, na ina juu sana umeme conductivity hata katika hali nusu ionized. On chembe kushtakiwa ni yenye kuathiriwa na mashamba magnetic na umeme. Kwa mfano, katika upepo nishati ya jua na ions heli kiutendaji na ionized magnetosphere hidrojeni duniani, na kusababisha borealis Aurora.

ugunduzi wa amana katika Marekani

Baada kuchimba katika mwaka wa 1903 katika Dexter, Kansas, ilikuwa kupatikana kwa gesi yasiyo ya kuwaka. Awali, ilikuwa haijulikani kwamba ina heli. Ni gesi ya kupatikana, kutambuliwa hali Erasmus Haworth Mwanajiolojia ambaye imekusanya sampuli yake na Chuo Kikuu cha Kansas kupitia maduka ya dawa Kedi Gamiltona na Daudi McFarland kupatikana kwamba ina 72% nitrojeni, 15% methane, 1% hidrojeni na 12% hakuwa kutambuliwa. Baada ya kutumia uchambuzi baadae, watafiti iligundua kuwa 1.84% ya sampuli ya heli. Hivyo tunajua kwamba hii kipengele kemikali ni sasa kwa wingi katika kina cha nyika kuu, ambapo inaweza kuondolewa katika gesi asilia.

uzalishaji wa viwanda

Hii imefanya Marekani uzalishaji duniani kwa kiongozi heli. Katika maoni na Sir Richard Threlfall, US Navy unafadhiliwa vitatu vidogo majaribio mtambo wa kuzalisha Dutu hii wakati wa Vita Kuu ya Kwanza ya kuhakikisha barrage balloons nyepesi yasiyo ya kuwaka kuondoa gesi. Kwa mujibu wa mpango huu walikuwa zinazozalishwa katika jumla ya 5700 m ³ 92 asilimia Yeye, pamoja na kwamba hili kupatikana lita tu angalau 100 ya gesi. Sehemu ya kiasi hiki ilitumika katika kwanza helium airship duniani Marekani Navy C-7, ambayo alifanya safari yake ya msichana kutoka Hampton Barabara (Virginia) katika Bolling Field (Washington, DC) Desemba 7, 1921.

Ingawa mchakato wa joto la chini ya maji ya gesi wakati huo hakuwa kutosha maendeleo kuwa muhimu wakati wa Vita Kuu ya Kwanza, uzalishaji aliendelea. Helium ujumla kutumika kama kuinua gesi katika ndege. Mahitaji kwa ajili yake imeongezeka wakati wa Vita Kuu wakati ilikuwa kutumika kwa shielded arc. kipengele pia ina umuhimu mkubwa katika viumbe wa bomu la atomiki "Manhattan".

hifadhi Marekani Taifa

Mwaka 1925, serikali ya Marekani iliyoundwa hifadhi ya Taifa ya heli katika Amarillo, Texas, kutoa airships kijeshi wakati wa vita na airships kibiashara katika wakati huu wa amani. matumizi ya gesi akaanguka baada Dunia Pili, lakini hisa iliongezeka katika 1950 kutoa, miongoni mwa mambo mengine, ni usambazaji kama coolant hutumiwa katika uzalishaji wa propellant oksijeni hidrojeni wakati mashindano ya nafasi na vita baridi. matumizi ya helium katika Marekani mwaka 1965, mara nane zaidi ya matumizi ya kilele katika wakati wa vita.

Baada ya kupitishwa kwa sheria juu ya helium 1960 Mining Bureau Streak 5 makampuni binafsi ili kutoa kipengele kutoka gesi asilia. Mpango huu ilijengwa bomba 425 kilomita kuungana mimea hiyo na shamba gesi serikali sehemu imemaliza karibu Amarillo, Texas. Helium-nitrojeni mchanganyiko pumped katika kuhifadhi chini ya ardhi, na kubaki huko hadi hakuna haja ndani yake.

By 1995, kiasi cha hisa mara wamekusanyika mita za ujazo bilioni, wakati madeni ya hifadhi ya Taifa ya dola bilioni 1.4, ambayo ilisababisha Bunge la Marekani mwaka 1996 ya awamu ya kuondoa yake. Kufuatia kupitishwa mwaka 1996 kwa sheria juu ya ubinafsishaji wa helium Wizara ya Maliasili ilizindua kufilisi duka mwaka 2005.

Safi na uzalishaji

Helium zinazozalishwa mpaka 1945 mwaka na usafi wa juu 98%, wengine 2% walikuwa katika nitrojeni yaani kutosha kwa ajili ya airships. Mnamo mwaka wa 1945, ni zinazozalishwa kiasi kidogo cha asilimia 99.9 ya gesi kwa ajili ya matumizi kulehemu arc. By 1949, usafi wa kipengele kusababisha umefikia 99.995%.

Kwa miaka mingi nchini Marekani zinazozalishwa zaidi ya 90% ya heli kibiashara duniani. Tangu mwaka 2004, kila mwaka ilikuwa kazi nje milioni 140 m ^3, 85% ya ambayo kutokea nchini Marekani, 10% ulifanyika nchini Algeria, na wengine - katika Urusi na Poland. vyanzo kuu ya helium katika ulimwengu ni mashamba gesi asilia la Texas, Oklahoma na Kansas.

mchakato wa kupata

Helium (usafi 98.2%) ni kupona liquefaction wa gesi asilia na sehemu nyingine katika joto la chini na wakati shinikizo juu. adsorption ya gesi nyingine kilichopozwa mkaa wanaweza kufikia usafi wa 99.995%. kiasi kidogo cha helium zinazozalishwa wakati hewa liquefaction kwa upana. Wa tani 900 ya hewa wanaweza kupata kuhusu 3.17 mita za ujazo. m gesi.

Mashamba ya maombi

gesi Noble imekuwa inatumika katika maeneo mbalimbali.

• Helium, ambayo mali kuruhusu kupata joto chini sana, hutumika kama wakala baridi katika LHC, MRI superconducting sumaku apparatuses na nyuklia magnetic resonance spectrometers, vifaa satellite, pamoja na kwa liquefaction wa oksijeni na hidrojeni katika makombora "Apollo".
• Kama gesi ajizi kwa kulehemu alumini na wengine. Vyuma katika utengenezaji wa halvledare na nyuzi za macho.
• .. Kujenga shinikizo katika mizinga ya mafuta ya injini ya roketi, hasa wale zinazoendeshwa kwa hidrojeni kioevu, t tu helium gesi huhifadhi hali yake ya mkusanyiko wakati hidrojeni ndiyo maji);
• Yeye-Ne lasers gesi ni kutumika kwa Scan barcode kwenye ofisi ya sanduku katika maduka makubwa.
• Helium-ion darubini inaruhusu kupata picha bora ya elektroniki.
• Kutokana na upenyezaji ya juu ya gesi vyeo hutumiwa ili kujaribu uvujaji, kwa mfano katika gari mifumo hewa, na pia kujaza haraka airbag juu mgongano.
• Chini wiani inaruhusu mipira mapambo kujazwa na heli. gesi ajizi ni kubadilishwa gesi ya hidrojeni kulipuka katika airships na balloons. Kwa mfano, katika hali ya hewa, helium balloons hutumiwa na kuinua kupima chombo.
• coolant cryogenic ni kutumika, kwa kuwa hali ya joto ya kipengele kemikali katika kiwango cha chini iwezekanavyo hali ya uoevu.
• Heli, ni vipengee kutoa ni reactivity ya chini na maji umumunyifu (na damu), katika mchanganyiko na oksijeni imepata maombi katika michanganyiko kupumua kwa kupiga mbizi na kufanya caisson kazi.
• Meteorites na miamba ni kuchambuliwa kwa maudhui ya kipengele hii kutambua umri wao.

Helium: mali ya kipengele

Yeye kuu ya kimwili mali ni:

• Atomiki ya simu: 2.
• wingi jamaa wa heli chembe: 4.0026.
• Kiwango myeyuko: hakuna.
• Kiwango mchemko: -268,9 ° C.
• Density (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oxidation hali 0.