Гелий: қасиеттері, сипаттамалары, қолданылуы

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-02 17:50

Гелий – периодтық жүйенің 18-тобындағы инертті газ. Бұл сутегінен кейінгі ең жеңіл элемент. Гелий түссіз, иіссіз және дәмсіз газ болып табылады, ол -268,9 °C температурада сұйық күйге айналады. Оның қайнау және қату температурасы кез келген басқа белгілі заттарға қарағанда төмен. Бұл қалыпты атмосфералық қысымда салқындату кезінде қатып қалмайтын жалғыз элемент. Гелийдің қатуы үшін 1 К температурада 25 атмосфера қажет.

Табу тарихы

Гелийді Күнді қоршап тұрған газ тәрізді атмосферада француз астрономы Пьер Янсен ашты, ол 1868 жылы тұтылу кезінде күн хромосферасының спектрінде ашық сары сызықты ашты. Бұл сызық бастапқыда натрий элементін білдіреді деп есептелді. Сол жылы ағылшын астрономы Джозеф Норман Локиер күн спектрінде D₁ және D₂ белгілі натрий сызықтарына сәйкес келмейтін сары сызықты байқады., сондықтан ол оның жолын D_{3 деп атады. Локиер мұны Жерге белгісіз Күндегі зат себепші деген қорытындыға келді. Ол және химик Эдвард Франкленд элементтің атауын қолданғанКүннің грекше атауы - Гелиос.}

1895 жылы британ химигі сэр Уильям Рэмсей жер бетінде гелийдің бар екенін дәлелдеді. Ол құрамында ураны бар минералды клевиттің үлгісін алды және оны қыздырған кезде пайда болған газдарды зерттегеннен кейін спектрдегі ашық сары сызықтың D_{3 сызығымен сәйкес келетінін анықтады. Күннің спектрі. Осылайша, жаңа элемент ақыры орнатылды. 1903 жылы Рамсей мен Фредерик Содду гелийдің радиоактивті заттардың өздігінен ыдырау өнімі екенін анықтады.}

Табиғатта таралған

Гелийдің массасы ғаламның бүкіл массасының шамамен 23% құрайды, ал элемент кеңістікте екінші орын алады. Ол термоядролық синтез нәтижесінде сутектен түзілетін жұлдыздарда шоғырланған. Гелий жер атмосферасында 200 мыңға (5 ppm) 1 бөлік концентрациясында және аз мөлшерде радиоактивті минералдарда, метеорит темірінде және минералды бұлақтарда табылғанымен, элементтің көп мөлшері Америка Құрама Штаттарында кездеседі (әсіресе Техас, Нью-Йорк). Мексика, Канзас, Оклахома, Аризона және Юта) табиғи газдың құрамдас бөлігі ретінде (7,6% дейін). Шағын қорлар Австралия, Алжир, Польша, Катар және Ресейде табылды. Жер қыртысында гелийдің концентрациясы небәрі 8 ppb шамасында.

Изотоптар

Әрбір гелий атомының ядросында екі протон бар, бірақ басқа элементтер сияқты оның изотоптары бар. Олардың құрамында бір-алты нейтрон бар, сондықтан олардың массалық сандары үштен сегізге дейін болады. Тұрақтылар - гелий массасы 3 (³He) және 4 (⁴He) атомдық сандарымен анықталатын элементтер. Қалғандары радиоактивті және басқа заттарға өте тез ыдырайды. Жердегі гелий планетаның бастапқы құрамдас бөлігі емес, ол радиоактивті ыдырау нәтижесінде пайда болды. Ауыр радиоактивті заттардың ядролары шығаратын альфа бөлшектері ⁴He изотопының ядролары болып табылады. Гелий атмосферада көп мөлшерде жиналмайды, өйткені Жердің тартылыс күші оның біртіндеп ғарышқа шығуын болдырмайтындай күшті емес. Жердегі ³He іздері сирек кездесетін сутегі-3 элементінің (тритий) теріс бета-ыдырауымен түсіндіріледі. ⁴Ол тұрақты изотоптардың ең көп таралғаны: ⁴О атомдарының ^{3Оға қатынасы атмосферада шамамен 700 мыңнан 1-ге дейін және құрамында гелий бар кейбір минералдарда шамамен 7 миллионнан 1-ге дейін болады.}

Гелийдің физикалық қасиеттері

Бұл элементтің қайнау және балқу температуралары ең төмен. Осы себепті гелий экстремалды жағдайларды қоспағанда, газ түрінде болады. Газ тәрізді Ол суда кез келген басқа газға қарағанда аз ериді, ал қатты заттар арқылы диффузия жылдамдығы ауаға қарағанда үш есе көп. Оның сыну көрсеткіші 1-ге жақын.

Гелийдің жылу өткізгіштігі сутегінен кейін екінші орында және оның меншікті жылу сыйымдылығы әдеттен тыс жоғары. Кәдімгі температурада ол кеңею кезінде қызады, ал 40 К-ден төмен салқындатылады. Сондықтан T<40 K-де гелийді түрлендіруге боладыкеңейту арқылы сұйықтық.

Элемент иондалған күйде болмаса, ол диэлектрик болып табылады. Басқа асыл газдар сияқты гелийдің де кернеу иондану потенциалынан төмен болған кезде электр разрядында иондалған күйінде қалуға мүмкіндік беретін метатұрақты энергия деңгейлері бар.

Гелий-4 ерекше, оның екі сұйық түрі бар. Кәдімгі гелий I деп аталады және қайнау температурасы 4,21 К (-268,9 °C) мен шамамен 2,18 К (-271 °C) аралығындағы температурада болады. 2,18 К төмен, жылу өткізгіштік 4Ол мыс 1000 есеге айналады. Бұл пішінді қалыпты пішіннен ажырату үшін гелий II деп аталады. Ол артық сұйықтық: тұтқырлығы соншалықты төмен, оны өлшеу мүмкін емес. Гелий II кез келген нәрсенің бетіне жұқа қабықша болып таралады және бұл пленка тіпті ауырлық күшіне қарсы үйкеліссіз ағады.

Азырақ гелий-3 үш түрлі сұйық фазаны құрайды, оның екеуі артық сұйықтық. ⁴-дағы асқын сұйықтықты оны 1930 жылдардың ортасында кеңес физигі Петр Леонидович Капица ашқан және дәл осындай құбылысты ^{3Оны алғаш байқаған. Дуглас Д. Ошеров, Дэвид М. Ли және Роберт С. Ричардсон АҚШ 1972 ж.}

Гелий-3 және -4 екі изотоптарының 0,8 К (-272,4 °C) төмен температурадағы сұйық қоспасы екі қабатқа бөлінеді - дерлік таза ³Ол және⁴He қоспасы 6% гелий-3. ³Оның ^{4-ге еріуі гелий температурасы төмендейтін криостаттарды жобалауда қолданылатын салқындату әсерімен бірге жүреді.0,01 К (-273,14 °C) төмен және бірнеше күн бойы сақталады.}

Байланыстар

Қалыпты жағдайда гелий химиялық инертті. Төтенше жағдайларда сіз қалыпты температура мен қысымда тұрақты емес элементтер қосылымдарын жасай аласыз. Мысалы, гелий электрондармен бомбалау кезінде немесе плазмалық күйде электрлік жарқырау разрядына ұшыраған кезде йод, вольфрам, фтор, фосфор және күкіртпен қосылыстар түзе алады. Осылайша, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ және He₂ молекулалық иондары құрылды+^{, емес}2++^{, HeH}+ ^{және HeD+}. Бұл әдіс сонымен қатар бейтарап He² және HgHe молекулаларын алуға мүмкіндік берді.

Плазма

Әлемде иондалған гелий басым түрде таралған, оның қасиеттері молекулалық жағынан айтарлықтай ерекшеленеді. Оның электрондары мен протондары байланыспайды, тіпті жартылай иондалған күйде де өте жоғары электр өткізгіштікке ие. Зарядталған бөлшектерге магниттік және электрлік өрістер қатты әсер етеді. Мысалы, күн желінде гелий иондары иондалған сутегімен бірге Жердің магнитосферасымен әрекеттесіп, полярлық сәулелерді тудырады.

АҚШ ашылуы

1903 жылы ұңғыманы бұрғылаудан кейін Канзас штатының Декстер қаласында жанбайтын газ алынды. Бастапқыда оның құрамында гелий бар екені белгісіз еді. Қандай газ табылғанын мемлекеттік геолог Эразмус Ховорт анықтадыоның үлгілерін жинап, Канзас университетінде химиктер Кэди Гамильтон мен Дэвид Макфарландтың көмегімен оның құрамында 72% азот, 15% метан, 1% сутек және 12% анықталмаған. Қосымша талдаудан кейін ғалымдар үлгінің 1,84% гелий екенін анықтады. Осылайша олар бұл химиялық элементтің Ұлы жазық жерінде көп мөлшерде болатынын және оны табиғи газдан алуға болатынын білді.

Өнеркәсіптік өндіріс

Бұл Америка Құрама Штаттарын гелий өндіруде әлемдік көшбасшыға айналдырды. Сэр Ричард Трелфоллдың ұсынысы бойынша АҚШ Әскери-теңіз күштері бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде осы затты шығаратын үш шағын тәжірибелік зауытты қаржыландырды, бұл шарларды жеңіл, жанбайтын көтергіш газбен қамтамасыз ету үшін. Бағдарлама жалпы алғанда 5700 м3 92% He өндірді, дегенмен бұрын 100 литрден аз газ өндірілген. Бұл көлемнің бір бөлігі 1921 жылы 7 желтоқсанда Хэмптон Роудс, Вирджиниядан Боллинг Филдке (Вашингтон, Колумбия округіне) алғашқы сапарын жасаған АҚШ Әскери-теңіз күштерінің C-7 ұшағында әлемдегі алғашқы гелий дирижабльінде пайдаланылды.

Төмен температурада газды сұйылту процесі Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде маңызды болу үшін жеткілікті түрде жетілдірілмегенімен, өндіріс жалғасты. Гелий негізінен ұшақтарда көтергіш газ ретінде пайдаланылды. Оған сұраныс Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде, ол қорғалған доғалық дәнекерлеуде қолданылған кезде өсті. Элемент атом бомбасы жобасында да маңызды болды. Манхэттен.

АҚШ ұлттық қор

1925 жылы Америка Құрама Штаттары үкіметі соғыс уақытында әскери дирижабльдерді және бейбіт уақытта коммерциялық дирижабльдерді қамтамасыз ету мақсатында Техас штатындағы Амарило қаласында Ұлттық гелий қорығын құрды. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін газды пайдалану төмендеді, бірақ 1950 жылдары жеткізілім, басқа нәрселермен қатар, ғарыштық жарыс пен қырғи-қабақ соғыс кезінде оттегі сутегі зымыран отынын өндіруде қолданылатын салқындатқыш ретінде қамтамасыз ету үшін ұлғайтылды. 1965 жылы АҚШ-тың гелийді пайдалануы соғыс уақытындағы ең жоғары тұтынудан сегіз есе көп болды.

1960 жылғы «Гелий туралы» заңнан кейін, кен бюросы табиғи газдан элементті алу үшін 5 жеке компаниямен келісім-шарт жасады. Бұл бағдарлама үшін бұл зауыттарды Техас штатындағы Амарилло маңындағы үкіметтік жартылай таусылған газ кен орнымен байланыстыратын 425 шақырымдық газ құбыры салынды. Гелий-азот қоспасы жерасты қоймасына айдалды және қажет болғанша сонда қалды.

1995 жылға қарай бір миллиард текше метр қор жиналды және Ұлттық резервтің қарызы 1,4 миллиард доллар болды, бұл АҚШ Конгресінің 1996 жылы оны кезең-кезеңімен тоқтатуға түрткі болды. 1996 жылы гелийді жекешелендіру туралы заң қабылданғаннан кейін Табиғи ресурстар министрлігі 2005 жылы қойманы таратуды бастады.

Тазалық және өндіріс көлемі

1945 жылға дейін өндірілген гелийдің тазалығы шамамен 98%, қалғандары 2% болды.дирижабльдер үшін жеткілікті болатын азотты есептеді. 1945 жылы доғалық дәнекерлеуде пайдалану үшін аз мөлшерде 99,9 пайыз газ өндірілді. 1949 жылға қарай алынған элементтің тазалығы 99,995%-ға жетті.

Көп жылдар бойы Америка Құрама Штаттары әлемдегі коммерциялық гелийдің 90%-дан астамын өндірді. 2004 жылдан бері ол жыл сайын 140 миллион m3 өндірді, оның 85% АҚШ-тан, 10% Алжирден, қалғаны Ресей мен Польшадан келеді. Әлемдегі гелийдің негізгі көздері Техас, Оклахома және Канзас штаттарының газ кен орындары болып табылады.

Қабылдау процесі

Гелий (тазалығы 98,2%) табиғи газдан төмен температурада және жоғары қысымда басқа компоненттерді сұйылту арқылы алынады. Басқа газдарды салқындатылған белсендірілген көмірмен адсорбциялау 99,995% тазалыққа жетеді. Гелийдің аз мөлшері ауаны кең көлемде сұйылту арқылы өндіріледі. 900 тонна ауадан шамамен 3,17 текше метр алуға болады. м газ.

Қолдану аймақтары

Асыл газ әртүрлі кен орындарында қолданылған.

Қасиеттері өте төмен температураларды алуға мүмкіндік беретін гелий Үлкен адрон коллайдерінде салқындатқыш агент ретінде, МРТ аппараттарында және ядролық магниттік-резонанстық спектрометрлерде, спутниктік жабдықта асқын өткізгіш магниттер, сондай-ақ оттегін сұйылту үшін қолданылады және Аполлон зымырандарындағы сутегі.
Алюминий мен басқа металдарды дәнекерлеуге арналған инертті газ ретінде, оптикалық талшықтар мен жартылай өткізгіштер өндірісінде.
Жасау үшінзымыран қозғалтқыштарының отын цистерналарындағы қысым, әсіресе сұйық сутегімен жұмыс істейтіндер, өйткені сутегі сұйық күйінде қалған кезде тек газ тәрізді гелий ғана агрегаттық күйін сақтайды);
He-Ne газ лазерлері супермаркет кассаларында штрих-кодтарды сканерлеу үшін пайдаланылады.
Гелий-иондық микроскоп электронды микроскопқа қарағанда жақсы кескіндер береді.
Өткізгіштігі жоғары болғандықтан, асыл газ, мысалы, көлікті салқындату жүйелеріндегі ағып кетуді тексеру және апат кезінде қауіпсіздік жастықтарын жылдам ашу үшін пайдаланылады.
Төмен тығыздық сәндік шарларды гелиймен толтыруға мүмкіндік береді. Әуе кемелері мен шарлардағы жарылғыш сутекті инертті газ алмастырды. Мысалы, метеорологияда гелий шарлары өлшеу құралдарын көтеру үшін қолданылады.
Криогендік технологияда ол салқындатқыш ретінде қызмет етеді, өйткені бұл химиялық элементтің сұйық күйдегі температурасы мүмкін болатын ең төмен.
Қасиеттері төмен реактивтілікті және суда (және қанда) ерігіштігін қамтамасыз ететін, оттегімен араласқан гелий аквалангпен жүзу және кессон жұмысы үшін тыныс алу композицияларында қолдануды тапты.
Метеориттер мен тау жыныстары жасын анықтау үшін осы элементке талданады.