Helij: svojstva, karakteristike, primjena

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 17:48

Helij je inertni plin 18. skupine periodnog sustava. To je drugi najlakši element nakon vodika. Helij je plin bez boje, mirisa i okusa koji postaje tekući na -268,9 °C. Njegove točke vrenja i smrzavanja su niže od onih bilo koje druge poznate tvari. To je jedini element koji se ne skrutne kada se ohladi pri normalnom atmosferskom tlaku. Potrebno je 25 atmosfera na 1 K da se helij skrući.

Povijest otkrića

Helij je u plinovitoj atmosferi koja okružuje Sunce otkrio francuski astronom Pierre Jansen, koji je 1868. tijekom pomrčine otkrio svijetlo žutu liniju u spektru solarne kromosfere. Izvorno se smatralo da ova linija predstavlja element natrij. Iste je godine engleski astronom Joseph Norman Lockyer uočio žutu liniju u sunčevom spektru koja nije odgovarala poznatim linijama natrija D₁ i D₂, i tako je nazvao njenu liniju D_{3. Lockyer je zaključio da ga je uzrokovala tvar na Suncu nepoznata na Zemlji. On i kemičar Edward Frankland koristili su u nazivu elementagrčki naziv za Sunce je Helios.}

Godine 1895., britanski kemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helija na Zemlji. Dobio je uzorak minerala kleveita koji sadrži uran i nakon ispitivanja plinova nastalih pri zagrijavanju, otkrio je da se svijetložuta linija u spektru podudara s linijom D_{3 uočenom u spektar Sunca. Tako je novi element konačno postavljen. Godine 1903. Ramsay i Frederick Soddu utvrdili su da je helij produkt spontanog raspada radioaktivnih tvari.}

Širi se u prirodi

Masa helija je oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi najzastupljeniji u svemiru. Koncentriran je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako se helij nalazi u Zemljinoj atmosferi u koncentraciji od 1 dijela na 200 tisuća (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 Texasu, New Yorku). Meksiku, Kansasu, Oklahomi, Arizoni i Utahu) kao komponenta (do 7,6%) prirodnog plina. Male rezerve pronađene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori koncentracija helija je samo oko 8 ppb.

Izotopi

Jezgra svakog atoma helija sadrži dva protona, ali kao i drugi elementi, ima izotope. Sadrže jedan do šest neutrona, pa im se maseni brojevi kreću od tri do osam. Stabilni su elementi čija je masa helija određena atomskim brojevima 3 (³He) i 4 (⁴He). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se raspadaju u druge tvari. Zemaljski helij nije izvorna komponenta planeta, nastao je kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestice koje emitiraju jezgre teških radioaktivnih tvari jezgre su izotopa ⁴He. Helij se ne nakuplja u velikim količinama u atmosferi jer Zemljina gravitacija nije dovoljno jaka da spriječi postupni bijeg u svemir. Tragovi ³He na Zemlji se objašnjavaju negativnim beta raspadom rijetkog elementa vodika-3 (tricija). ⁴On je najzastupljeniji od stabilnih izotopa: omjer ⁴He atoma i ^{3He je oko 700 tisuća prema 1 u atmosferi i oko 7 milijuna prema 1 u nekim mineralima koji sadrže helij.}

Fizička svojstva helija

Točke ključanja i taljenja ovog elementa su najniže. Iz tog razloga helij postoji kao plin, osim u ekstremnim uvjetima. Plinoviti He otapa manje u vodi nego bilo koji drugi plin, a brzina difuzije kroz krute tvari je tri puta veća od zraka. Njegov indeks loma najbliži je 1.

Toplinska vodljivost helija je druga nakon vodika, a njegov specifični toplinski kapacitet je neobično visok. Na uobičajenim temperaturama se tijekom ekspanzije zagrijava, a hladi ispod 40 K. Stoga se pri T<40 K helij može pretvoriti utekućina ekspanzijom.

Element je dielektrik ako nije u ioniziranom stanju. Poput drugih plemenitih plinova, helij ima metastabilne razine energije koje mu omogućuju da ostane ioniziran u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod ionizacijskog potencijala.

Helij-4 je jedinstven po tome što ima dva tečna oblika. Obični se naziva helij I i postoji na temperaturama u rasponu od vrelišta od 4,21 K (-268,9 °C) do oko 2,18 K (-271 °C). Ispod 2,18 K, toplinska vodljivost 4He postaje 1000 puta veća od bakra. Ovaj oblik naziva se helij II kako bi se razlikovao od normalnog oblika. Super je tekućina: viskoznost je toliko niska da se ne može izmjeriti. Helij II se širi u tanki film na površini svega što dotakne, a ovaj film teče bez trenja čak i protiv gravitacije.

Manje zastupljen helij-3 tvori tri različite tekuće 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.}

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

Veze

U normalnim uvjetima, helij je kemijski inertan. U ekstremnim uvjetima možete stvoriti spojeve elemenata koji nisu stabilni pri normalnim temperaturama i tlakovima. Na primjer, helij može tvoriti 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 ioni+^{, ne}2++^{, HeH}+ ^{i HeD+}. Ova tehnika je također omogućila dobivanje neutralnih molekula He² i HgHe.

Plasma

U Svemiru je pretežno raspoređen ionizirani helij čija se svojstva značajno razlikuju od molekularnih. Njegovi elektroni i protoni nisu vezani, a ima vrlo visoku električnu vodljivost čak i u djelomično ioniziranom stanju. Na nabijene čestice snažno utječu magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru, ioni helija, zajedno s ioniziranim vodikom, stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, uzrokujući aurore.

SAD otkriće

Nakon bušenja bušotine 1903. godine, nezapaljivi plin je dobiven u Dexteru, Kansas. U početku se nije znalo da sadrži helij. Koji je plin pronađen odredio je državni geolog Erasmus Haworth, kojiprikupili njegove uzorke i na Sveučilištu Kansas uz pomoć kemičara Cady Hamilton i Davida McFarlanda otkrili da sadrži 72% dušika, 15% metana, 1% vodika i 12% nije identificirano. Nakon daljnje analize, znanstvenici su otkrili da je 1,84% uzorka helij. Tako su saznali da je ovaj kemijski element prisutan u ogromnim količinama u utrobi Velike ravnice, odakle se može izvući iz prirodnog plina.

Industrijska proizvodnja

Ovo je učinilo Sjedinjene Države svjetskim vodećim u proizvodnji helija. Na prijedlog Sir Richarda Threlfalla, američka mornarica financirala je tri male eksperimentalne tvornice za proizvodnju ove tvari tijekom Prvog svjetskog rata kako bi se osigurali baloni s laganim, nezapaljivim plinom za podizanje. Program je proizveo ukupno 5.700 m3 92% He, iako je prethodno proizvedeno manje od 100 litara plina. Dio ovog volumena korišten je u prvom svjetskom zračnom brodu s helijem, C-7 američke mornarice, koji je svoje prvo putovanje obavio od Hampton Roads, Virginia do Bolling Field, Washington, DC 7. prosinca 1921.

Iako proces ukapljivanja plina na niskim temperaturama u to vrijeme nije bio dovoljno napredan da bi bio značajan tijekom Prvog svjetskog rata, proizvodnja se nastavila. Helij se uglavnom koristio kao podizni plin u zrakoplovima. Potražnja za njim je rasla tijekom Drugog svjetskog rata, kada se koristio u zavarivanju zaštićenim lukom. Element je također bio važan u projektu atomske bombe. Manhattan.

Nacionalne dionice SAD

Godine 1925., vlada Sjedinjenih Država uspostavila je Nacionalnu rezervu helija u Amarillu, Texas, u svrhu pružanja vojnih zračnih brodova u vrijeme rata i komercijalnih zračnih brodova u vrijeme mira. Upotreba plina je opala nakon Drugoga svjetskog rata, ali je opskrba povećana 1950-ih kako bi se, između ostalog, osigurala njegova opskrba kao rashladno sredstvo koje se koristilo u proizvodnji kisikovog raketnog goriva tijekom svemirske utrke i Hladnog rata. Upotreba helija u SAD-u 1965. bila je osam puta veća od najveće ratne potrošnje.

Slijedeći Zakon o heliju iz 1960. godine, Bureau of Mines je ugovorio 5 privatnih tvrtki za izvlačenje elementa iz prirodnog plina. Za ovaj program izgrađen je plinovod od 425 kilometara koji povezuje ova postrojenja s djelomično iscrpljenim državnim plinskim poljem u blizini Amarilla u Teksasu. Smjesa helija i dušika ispumpana je u podzemno skladište i tamo ostala dok nije bila potrebna.

Do 1995. prikupljeno je milijardu kubičnih metara zaliha, a Nacionalne rezerve su imale dug od 1,4 milijarde dolara, što je potaknulo američki Kongres da ga postupno ukine 1996. Nakon što je 1996. godine donesen zakon o privatizaciji helija, Ministarstvo prirodnih resursa počelo je likvidirati skladište 2005.

Čistoća i obujam proizvodnje

Helij proizveden prije 1945. imao je čistoću od oko 98%, ostatak 2%činio dušik, koji je bio dovoljan za zračne brodove. Godine 1945. proizvedena je mala količina od 99,9 posto plina za korištenje u elektrolučnom zavarivanju. Do 1949. čistoća rezultirajućeg elementa dosegla je 99,995%.

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

Proces primanja

Helij (98,2% čistoće) se ekstrahira iz prirodnog plina ukapljivanjem ostalih komponenti na niskim temperaturama i visokim tlakovima. Adsorpcijom ostalih plinova ohlađenim aktivnim ugljenom postiže se čistoća od 99,995%. Mala količina helija se proizvodi ukapljivanjem zraka u velikim razmjerima. Iz 900 tona zraka može se dobiti oko 3,17 kubika. m plina.

Područja primjene

Plemeniti plin je korišten u raznim poljima.

Helij, čija svojstva omogućavaju postizanje ultraniskih temperatura, koristi se kao rashladno sredstvo u Velikom hadronskom sudaraču, supravodljivim magnetima u MRI strojevima i spektrometrima nuklearne magnetske rezonancije, satelitskoj opremi, a također i za ukapljivanje kisika i vodik u raketama Apollo.
Kao inertni plin za zavarivanje aluminija i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluvodiča.
Za stvaranjetlak u spremnicima goriva raketnih motora, posebno onih koji rade na tekući vodik, budući da samo plinoviti helij zadržava svoje stanje agregacije kada vodik ostaje tekući);
He-Ne plinski laseri koriste se za skeniranje crtičnih kodova na blagajni supermarketa.
Helijev ionski mikroskop daje bolje slike od elektronskog mikroskopa.
Zbog svoje visoke propusnosti, plemeniti plin se koristi za provjeru curenja u, na primjer, klimatizacijskim sustavima automobila i za brzo napuhavanje zračnih jastuka u slučaju sudara.
Niska gustoća omogućuje punjenje ukrasnih balona helijem. Inertni plin zamijenio je eksplozivni vodik u zračnim brodovima i balonima. Na primjer, u meteorologiji se helijevi baloni koriste za podizanje mjernih instrumenata.
U kriogenoj tehnologiji služi kao rashladna tekućina, budući da je temperatura ovog kemijskog elementa u tekućem stanju najniža moguća.
Helij, čija svojstva mu osiguravaju nisku reaktivnost i topljivost u vodi (i krvi), pomiješan s kisikom, pronašao je primjenu u kompozicijama za disanje za ronjenje i rad u kesonu.
Meteoriti i stijene analiziraju se za ovaj element kako bi se odredila njihova starost.