Ήλιο: ιδιότητες, χαρακτηριστικά, την εφαρμογή

Ήλιο - αδρανές αέριο της ομάδας 18 του περιοδικού πίνακα. Αυτό είναι το δεύτερο ελαφρύτερο στοιχείο μετά υδρογόνο. Ήλιο - αερίου χωρίς χρώμα, οσμή και γεύση η οποία γίνεται υγρό σε θερμοκρασία -268,9 ° C. σημείο ζέσεως και το σημείο πήξης του χαμηλότερη από εκείνη των οποιαδήποτε άλλη γνωστή ουσία. Είναι το μόνο στοιχείο που δεν στερεοποιείται με την ψύξη σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Μετακόμισε στη στερεά κατάσταση πρέπει να είναι 25 ατμόσφαιρες, σε θερμοκρασία 1 Κ

Η ιστορία της ανακάλυψης

Το ήλιο βρέθηκε στην ατμόσφαιρα αερίου που περιβάλλει τον ήλιο, τη γαλλική αστρονόμος Pierre Zhansenom ότι το 1868 κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης έχει βρει έναν φωτεινό κίτρινο γραμμή στο φάσμα του ηλιακού χρωμόσφαιρα. Αρχικά θεωρήθηκε ότι αυτή η γραμμή αντιπροσωπεύει το νάτριο στοιχείο. Την ίδια χρονιά, αγγλικά αστρονόμος Dzhozef Norman Lockyer παρατηρήθηκε μια κίτρινη γραμμή στο ηλιακό φάσμα, η οποία δεν αντιστοιχούν σε γνωστές γραμμές D του νατρίου ₁ και D _2, και ως εκ τούτου είναι το ονόμασαν μια γραμμή D _3. Lockyer κατέληξε στο συμπέρασμα ότι είχε προκληθεί από μια ουσία στο άγνωστο Ήλιο στη Γη. Αυτός και ο χημικός Edward Frankland στο στοιχείο τίτλο, χρησιμοποιώντας το ελληνικό όνομα «Helios» Sun.

Το 1895, ο Βρετανός χημικός Sir Uilyam Ramzay απέδειξε την ύπαρξη του ηλίου στη Γη. Έλαβε δείγμα cleveite ορυκτά ουρανίου-που φέρουν, και μετά την εξέταση των αερίων που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, διαπιστώνεται ότι φωτεινό κίτρινο γραμμή στο φάσμα συμπίπτει με την γραμμή D _3, παρατηρήθηκε στο ηλιακό φάσμα. Έτσι, ένα νέο στοιχείο ήταν τελικά εγκαταστάθηκε. Το 1903 Ramsay και Frederick Soddy διαπίστωσε ότι το ήλιο είναι ένα προϊόν της αυθόρμητης διάσπασης των ραδιενεργών ουσιών.

Διανομή στη φύση

Η μάζα του ηλίου είναι περίπου 23% της συνολικής μάζας του σύμπαντος, και το στοιχείο είναι η δεύτερη πιο κοινή σε χώρο. Είναι συγκεντρωμένη σε αστέρια, όπου το υδρογόνο σχηματίζεται από την προκύπτουσα σύντηξη. Αν και το ήλιο στην ατμόσφαιρα είναι σε μία συγκέντρωση από 1 μέρος έως 200 χιλ. (5 ppm) και περιέχεται σε μικρές ποσότητες ραδιενεργών ορυκτών, μετεωρίτη αδένα, καθώς και μεταλλικό πηγές, μεγάλες ποσότητες του στοιχείου που βρέθηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες (ειδικά στο Τέξας, Νέα Πόλη του Μεξικού, Κάνσας, Οκλαχόμα, Γιούτα, και Αριζόνα) ως συστατικό (έως 7,6%) του φυσικού αερίου. Μικρές και τα αποθεματικά του έχουν ανακαλυφθεί στην Αυστραλία, την Αλγερία, την Πολωνία, το Κατάρ και τη Ρωσία. Στην συγκέντρωση κρούστα ηλίου είναι μόνο περίπου 8 ppb.

ισότοπα

Ο πυρήνας του καθενός από τα άτομο ηλίου περιέχει δύο πρωτόνια, αλλά, όπως και με άλλα στοιχεία, έχει ισότοπα. Περιέχουν από ένα έως έξι νετρόνια, έτσι μάζα τους αριθμούς που κυμαίνονται από τρία έως οκτώ. Σταθερό από αυτά είναι τα στοιχεία των οποίων το βάρος προσδιορίζεται από το ήλιο ατομικό αριθμό 3 ⁽³ He) και 4 ⁽⁴ He). Όλα τα άλλα ραδιενεργά και γρήγορα διασπαστεί σε άλλες ουσίες. ηλίου Γης δεν είναι μια πρωτότυπη μέρος του πλανήτη, που σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα της ραδιενεργού διάσπασης. Τα σωματίδια άλφα που εκπέμπονται από τους πυρήνες των ραδιενεργών βαρέων ουσιών ισότοπο ⁴ Εκείνος πυρήνα. Ήλιο δεν συσσωρεύεται σε μεγάλες ποσότητες στην ατμόσφαιρα, επειδή η βαρύτητα της Γης δεν αρκεί για να το αποτρέψει από προοδευτικά διαρροή στο διάστημα. Ίχνη της ³ He στον κόσμο εξηγείται αρνητική βήτα διάσπαση υδρογόνο σπάνιο-3 στοιχείο (τριτίου). ⁴ Είναι η πιο κοινή σταθερών ισοτόπων: ⁴ αναλογία Πέρασε άτομά προς το ³ He είναι περίπου 700 χιλιάδες έως 1 ατμόσφαιρα και περίπου 7 εκατομμύρια έως 1 σε ορισμένες ηλίου-πλούσια ορυκτά ..

Οι φυσικές ιδιότητες του ηλίου

βρασμού και το σημείο τήξης αυτού του στοιχείου είναι χαμηλότερη. Για το λόγο αυτό, το ήλιο υπάρχει ως ένα αέριο, εκτός από ακραίες συνθήκες. Αυτός αέριο διαλύεται σε νερό μικρότερη από εκείνη οποιουδήποτε άλλου αερίου, και ο ρυθμός διάχυσης διαμέσου του στερεού σώματος είναι τρεις φορές μεγαλύτερη από εκείνη του αέρα. δείκτης διάθλασης του το πλησιέστερο πλησιάζει 1.

Η θερμική αγωγιμότητα του ηλίου είναι δεύτερη μόνο σε υδρογόνο θερμική αγωγιμότητα, ειδική θερμότητα και εξαιρετικά υψηλή της. Σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι θερμαινόμενη κατά τη διάρκεια της διαστολής, και κάτω από 40 Κ - ψύχεται. Ως εκ τούτου, σε Τ <40 Κ ηλίου μπορεί να μετατραπεί σε ένα υγρό με την επέκταση.

Στοιχείο είναι μονωτής, αν δεν είναι σε ιονισμένη κατάσταση. Όπως και με άλλα ευγενή αέρια, ήλιο έχει μια μετασταθής επίπεδα ενέργειας που του επιτρέπουν να ιονίζονται από ηλεκτρική εκκένωση, όταν μία τάση είναι κάτω από το δυναμικό ιονισμού.

Το ήλιο-4 είναι μοναδικό κατά το ότι έχει δύο υγρές μορφές. Συνήθης ονομάζεται ηλίου Ι και υπάρχει σε θερμοκρασίες κυμαινόμενες από το σημείο ζέσεως του 4,21 Κ (-268,9 ° C) έως περίπου 2,18 Κ (-271 ° C). Χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα 2,18 K ⁴ Γίνεται 1000 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του χαλκού. Αυτή η μορφή ονομάζεται ηλίου II, ώστε να διακρίνεται από το συνηθισμένο. Έχει υπέρρευστος: ιξώδες είναι τόσο χαμηλό που δεν μπορεί να μετρηθεί. Ήλιο II εξαπλώνεται σε μορφή λεπτού υμενίου πάνω στην επιφάνεια της οποιασδήποτε ουσίας η οποία αφορά, και αυτή η ταινία ρέει χωρίς τριβή καν ενάντια στη βαρύτητα.

Λιγότερο άφθονα ήλιο-3 σχηματίζει τρεις διαφορετικές υγρές φάσεις, εκ των οποίων δύο είναι υπερρευστό. Υπερρευστότητα σε ⁴ Ήταν ανακαλύφθηκε από τον σοβιετικό φυσικό Petrom Leonidovichem Kapitsey στα μέσα της δεκαετίας του 1930, και το ίδιο φαινόμενο στο ³ Ο παρατηρήθηκε αρχικά από τον Douglas D. Osheroff, David M. Lee, και ο Robert C. Richardson των Ηνωμένων Πολιτειών το 1972.

Ένα υγρό μίγμα δύο ισοτόπων του ηλίου-3 και -4 σε θερμοκρασίες κάτω του 0,8 Κ (-272,4 ° C) χωρίζεται σε δύο στρώματα - ένα ουσιαστικά καθαρή ³ He και ⁴ μίγμα Πέρασε με 6% του ηλίου-3. Διάλυση του ³ He σε ⁴ Πέρασε συνοδεύεται από την επίδραση ψύξης που χρησιμοποιείται στις δομές κρυοστάτη στον οποίο η θερμοκρασία είναι κάτω από το ήλιο 0,01 Κ (-273,14 ° C) και διατηρήθηκε για μερικές ημέρες.

συνδέσεις

Υπό κανονικές συνθήκες, το ήλιο είναι χημικά αδρανές. Σε ακραίες μπορεί να δημιουργήσει μια ένωση στοιχείο που σε κανονική δείκτες θερμοκρασίας και πίεσης δεν είναι σταθερά. Για παράδειγμα, το ήλιο μπορούν να σχηματίσουν ενώσεις με ιώδιο, βολφράμιο, φθόριο, φώσφορο και θείο, όταν υποβάλλεται σε μία ηλεκτρική εκκένωση αίγλης ή με βομβαρδισμό ηλεκτρονίων στην κατάσταση πλάσματος. Έτσι δημιουργήθηκε HeNe, HgHe _10, WHE ₂ και μοριακά ιόντα Αυτός ₂ ⁺ ₂ Δεν ^++, heh ⁺ και HED ^+. Αυτή η τεχνική έχει επίσης ένα ουδέτερο μόριο Ο ₂ και HgHe.

πλάσμα

Στο σύμπαν πλεονεκτικά κατανεμημένα ιονισμένο ήλιο, του οποίου οι ιδιότητες διαφέρουν σημαντικά από το μοριακό. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια δεν συνδέθηκε, και έχει μια πολύ υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, ακόμη και σε μια μερικώς ιονισμένο κατάσταση. Στις φορτισμένα σωματίδια επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία. Για παράδειγμα, στο ηλιακό άνεμο με ιόντα ηλίου αλληλεπιδρούν με το ιονισμένο μαγνητόσφαιρα υδρογόνο γη, προκαλώντας τα βόρειο σέλας.

Η ανακάλυψη των καταθέσεων στις ΗΠΑ

Μετά τη διάτρηση το 1903 σε Dexter, Κάνσας, αυτό ελήφθη με μη-εύφλεκτο αέριο. Αρχικά, δεν ήταν γνωστό ότι περιέχει ήλιο. Ποια αέριο βρέθηκε, τα οποία προσδιορίζονται κατάσταση Erasmus Haworth γεωλόγος, ο οποίος έχει συγκεντρώσει δείγματα του και το Πανεπιστήμιο του Κάνσας μέσω χημικοί Kedi Gamiltona και David McFarland διαπίστωσε ότι περιέχει 72% άζωτο, 15% μεθάνιο, 1% υδρογόνο και 12% δεν είχε εντοπιστεί. Αφού πέρασε την επακόλουθη ανάλυση, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το 1,84% του δείγματος του ηλίου. Έτσι, γνωρίζουμε ότι αυτό το χημικό στοιχείο υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στα βάθη του Great Plains, όπου μπορεί να παράγεται από φυσικό αέριο.

βιομηχανική παραγωγή

Αυτό έχει κάνει τις Ηνωμένες Πολιτείες παραγωγής στον κόσμο του ηγέτη ηλίου. Με πρόταση από τον Sir Richard Threlfall, το Ναυτικό των ΗΠΑ χρηματοδοτείται τρία μικρά πιλοτική μονάδα για την παραγωγή αυτής της ουσίας κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου για να εξασφαλίσει τα μπαλόνια μπαράζ ελαφρύ μη εύφλεκτο αέριο ανύψωσης. Σύμφωνα με αυτό το πρόγραμμα παρήχθησαν συνολικά των 5700 m ³ 92 τοις εκατό Αυτός, αν και αυτό ελήφθη μόνο τουλάχιστον 100 λίτρα αερίου. Μέρος του ποσού αυτού χρησιμοποιήθηκε το πρώτο αεροσκάφος ηλίου στον κόσμο το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ C-7, το οποίο έκανε το παρθενικό του ταξίδι από το Hampton Roads (Βιρτζίνια) σε Bolling πεδίο (Washington, DC) 7η Δεκεμβρίου του 1921.

Αν και η διαδικασία της θερμοκρασίας υγρού αερίου χαμηλής εκείνη τη στιγμή δεν ήταν επαρκώς αναπτυχθεί για να είναι σημαντική κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, η παραγωγή συνεχίστηκε. Το ήλιο χρησιμοποιείται γενικά ως αέριο ανελκυστήρα στο αεροσκάφος. Η ζήτηση για αυτό έχει αυξηθεί κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, όταν χρησιμοποιήθηκε με ένα θωρακισμένο συγκόλληση τόξου. Το στοιχείο έχει επίσης μεγάλη σημασία στη δημιουργία της ατομικής βόμβας «Μανχάταν».

ΗΠΑ Εθνικό απόθεμα

Το 1925, η κυβέρνηση των Ηνωμένων Πολιτειών δημιούργησε το Εθνικό αποθεματικό του ηλίου στο Αμαρίλο του Τέξας, για να παράσχει στρατιωτική αερόπλοια σε καιρό πολέμου και εμπορικών αερόπλοια σε καιρό ειρήνης. Η χρήση του φυσικού αερίου μειώθηκαν μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο, αλλά το απόθεμα αυξήθηκε το 1950 για να παρέχει, μεταξύ άλλων, να παρέχει ως ψυκτικό μέσο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή προωθητικού οξυγόνου-υδρογόνου κατά τη διάρκεια του αγώνα χώρου και του Ψυχρού Πολέμου. Η χρήση του ηλίου στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1965, οκτώ φορές μεγαλύτερη από την μέγιστη κατανάλωση σε καιρό πολέμου.

Μετά την έγκριση του νόμου περί ηλίου 1960 Mining Προεδρείο Streak 5 ιδιωτικές εταιρείες για να εξαγάγετε το στοιχείο από το φυσικό αέριο. Το πρόγραμμα αυτό χτίστηκε 425-χιλιομέτρων αγωγού για τη σύνδεση αυτών των φυτών με την κυβέρνηση μερικώς εξαντλημένο κοίτασμα φυσικού αερίου κοντά στο Αμαρίλο του Τέξας. μίγμα ηλίου-αζώτου αντλείται εντός υπόγεια αποθήκευση, και παρέμεινε εκεί μέχρι να μην υπάρχει ανάγκη σε αυτό.

Μέχρι το 1995, ο όγκος των αποθεμάτων συγκροτήθηκε δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα, ενώ το χρέος του Εθνικού αποθεματικού ύψους 1,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων, γεγονός που οδήγησε το Κογκρέσο των ΗΠΑ το 1996 για τη σταδιακή κατάργηση της. Μετά την έγκριση το 1996 του νόμου για την ιδιωτικοποίηση του ηλίου Υπουργείο Φυσικών Πόρων ξεκίνησε ένα κατάστημα εκκαθάριση το 2005.

Καθαρίστε και παραγωγής

Το ήλιο παράγεται μέχρι το 1945 ένα χρόνο, είχαν μια καθαρότητα περίπου 98%, άλλοι 2% ήταν στο άζωτο που είναι επαρκής για αερόπλοια. Το 1945, παρήγαγε μια μικρή ποσότητα του 99,9 τοις εκατό του φυσικού αερίου για χρήση σε συγκόλληση τόξου. Με 1949, η καθαρότητα του προκύπτοντος στοιχείου έχει φτάσει 99,995%.

Για πολλά χρόνια, οι Ηνωμένες Πολιτείες που παράγεται πάνω από το 90% των εμπορικών ηλίου στον κόσμο. Από το 2004, κάθε χρόνο, είχε επεξεργαστεί 140 εκατομμύρια m ^3, εκ των οποίων το 85% συμβαίνουν στις Ηνωμένες Πολιτείες, το 10% πραγματοποιήθηκε στην Αλγερία, και το υπόλοιπο - στη Ρωσία και την Πολωνία. Οι κύριες πηγές του ηλίου στον κόσμο είναι τα πεδία φυσικού αερίου του Τέξας, την Οκλαχόμα και το Κάνσας.

Η μέθοδος για τη λήψη

Ήλιο (καθαρότητα 98,2%) ανακτάται από την υγροποίηση φυσικού αερίου από άλλα συστατικά σε χαμηλές θερμοκρασίες και σε υψηλές πιέσεις. Η προσρόφηση των άλλων αερίων ψύχεται ενεργοποιημένου άνθρακα μπορεί να επιτύχει την καθαρότητα των 99,995%. Μια μικρή ποσότητα του ηλίου που παράγεται κατά την υγροποίηση του αέρα σε μεγάλη κλίμακα. Από τους 900 τόνους αέρα μπορεί να πάρει περίπου 3,17 κυβικά μέτρα. m αερίου.

Πεδία εφαρμογής

Ευγενές αέριο έχει εφαρμοστεί σε διάφορους τομείς.

• Το ήλιο, η οποία ιδιότητες οι οποίες επιτρέπουν να ληφθεί πολύ χαμηλή θερμοκρασία, χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο στο LHC, MRI συσκευές υπεραγώγιμο μαγνήτη και φασματόμετρα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, δορυφορικού εξοπλισμού, καθώς και για την υγροποίηση του οξυγόνου και του υδρογόνου σε βλήματα «Απόλλων».
• Καθώς το αδρανές αέριο για τη συγκόλληση αλουμινίου και άλλοι. Μέταλλα στην κατασκευή ημιαγωγών και οπτικών ινών.
• .. Για να δημιουργήσετε πίεση στις δεξαμενές καυσίμων των κινητήρων πυραύλων, ιδίως εκείνων που λειτουργούν με υγρό υδρογόνο, t μόνο αέριο ήλιο διατηρεί κατάσταση συσσωμάτωσης όταν υδρογόνου παραμένει υγρό)?
• He-Ne λέιζερ αερίου χρησιμοποιούνται για να σαρώσετε το barcode στο box office, στα σούπερ μάρκετ.
• μικροσκόπιο Ήλιο-ιόντων σας επιτρέπει να πάρετε την καλύτερη εικόνα από τα ηλεκτρονικά.
• Λόγω της υψηλής διαπερατότητας του ευγενούς αερίου χρησιμοποιείται για τη δοκιμή διαρροών, για παράδειγμα σε συστήματα κλιματισμού αυτοκινήτων, καθώς και ταχεία πλήρωση ο αερόσακος με την σύγκρουση.
• Η χαμηλή πυκνότητα επιτρέπει διακοσμητικές μπάλες γεμάτο με ήλιο. Το αδρανές αέριο αντικαθίσταται εκρηκτικό αέριο υδρογόνου σε αερόπλοια και τα μπαλόνια. Για παράδειγμα, στη μετεωρολογία, τα μπαλόνια ηλίου χρησιμοποιούνται για την ανύψωση του οργάνου μέτρησης.
• Η κρυογονική ψυκτικό χρησιμοποιείται, δεδομένου ότι η θερμοκρασία του χημικού στοιχείου στο ελάχιστο δυνατό υγρή κατάσταση.
• Το ήλιο, το οποίο ιδιότητες IT παρέχει χαμηλή αντιδραστικότητα και διαλυτότητα στο νερό (και το αίμα), σε ένα μίγμα με οξυγόνο έχει βρει εφαρμογή σε αναπνευστικές σκευάσματα για καταδύσεις και κρατώντας εργασία caisson.
• Οι μετεωρίτες και τους βράχους που αναλύθηκαν για το περιεχόμενο αυτού του στοιχείου για τον προσδιορισμό της ηλικίας τους.

Ήλιο: οι ιδιότητες του στοιχείου

Ο κύριος φυσικές ιδιότητες έχουν ως εξής:

• Ατομικό αριθμό: 2.
• Η σχετική μάζα του ατόμου του ηλίου: 4,0026.
• Σημείο τήξεως: όχι.
• Σημείο βρασμού: -268,9 ° C.
• Πυκνότητα (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• κατάσταση οξείδωσης 0.