Helium: eigenschappen, kenmerken, toepassing

Helium - inert gas uit groep 18 van het periodiek systeem. Dit is het tweede lichtste element na waterstof. Helium - gas zonder kleur, geur en smaak, die vloeibaar wordt bij een temperatuur van -268,9 ° C kookpunt en het stolpunt lager dan die van elke andere bekende stoffen. Het is het enige element dat niet stollen onder koeling bij normale atmosferische druk. Hij verplaatst naar de vaste toestand moet 25 atmosfeer, bij een temperatuur van 1 K.

Geschiedenis van de ontdekking

Helium werd gevonden in de atmosfeer rond de zon, de Franse astronoom Pierre Zhansenom die in 1868 tijdens een zonsverduistering heeft een heldere gele lijn in het spectrum van de zonne-chromosfeer gevonden. Aanvankelijk werd aangenomen dat deze lijn de elementen natrium. In hetzelfde jaar Engels astronoom Dzhozef Norman Lockyer neemt een gele lijn in het zonnespectrum, die niet overeenkwam met bekende natrium lijnen _D1 en _D2, en daarom wordt het genoemd een lijn _D3. Lockyer geconcludeerd dat het werd veroorzaakt door een stof in de Zon onbekende op aarde. Hij en chemicus Edward Frankland in de titel element aan met de Griekse naam 'Helios' Sun.

In 1895 heeft de Britse scheikundige Sir Uilyam Ramzay het bestaan van helium op aarde bewezen. Hij ontving sample cleveite uranium-dragende mineralen en na onderzoek van de gassen gevormd tijdens het verwarmen, blijkt dat heldere gele lijn in het spectrum samenvalt met de lijn _D3, waargenomen in het zonnespectrum. Zo werd een nieuw element eindelijk geïnstalleerd. In 1903 Ramsay en Frederick Soddy vond dat helium is een product van de spontane verval van radioactieve stoffen.

Distributie in de natuur

De massa van helium is ongeveer 23% van de totale massa van het heelal en het element is de tweede meest voorkomende in de ruimte. Het is geconcentreerd in sterren, waarbij waterstof wordt gevormd uit het resulterende fusie. Hoewel de helium in de atmosfeer is in een concentratie van 1 deel tot 200 th. (5 ppm) en is opgenomen in kleine hoeveelheden radioactieve mineralen, meteoriet klier, evenals minerale bronnen, grote hoeveelheden van het element gevonden in de Verenigde Staten (met name in Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah en Arizona) als component (tot 7,6%) van aardgas. Kleine en de reserves zijn ontdekt in Australië, Algerije, Polen, Qatar en Rusland. In de korst heliumconcentratie slechts ongeveer 8 ppb.

isotopen

De kern van elk van de heliumatoom bevat twee protonen, maar net als bij andere elementen, heeft isotopen. Ze bevatten van één tot zes neutronen, zodat hun massa nummers, variërend van drie tot acht. Stabiele hiervan zijn de elementen waarvan het gewicht wordt bepaald door helium atoomnummer 3 ^(3He) en 4 ⁽⁴ He). Alle andere radioactieve en snel kunnen bederven in andere stoffen. helium van de aarde is niet een origineel onderdeel van de planeet, het werd gevormd als gevolg van radioactief verval. Alfadeeltjes uitgezonden door kernen van radioactieve zware stoffen isotoop ⁴ Hij kern. Helium niet ophopen in grote hoeveelheden in de atmosfeer, omdat de zwaartekracht van de aarde is niet voldoende om te voorkomen dat geleidelijk lekken in de ruimte. Sporen van ^3He in de wereld worden toegelicht negatieve bètaverval waterstof zeldzame-3 element (tritium). ⁴ Hij is de meest voorkomende van stabiele isotopen: ⁴ verhouding van He atomen in de richting van de ³ Hij is ongeveer 700 duizend tot 1 atmosfeer en ongeveer 7 miljoen door 1 in sommige helium-rijke mineralen ..

De fysische eigenschappen van helium

kookpunt en smeltpunt van dit artikel zijn laagst. Om deze reden, helium bestaat als een gas, behalve in extreme omstandigheden. He-gas wordt opgelost in water kleiner dan die van andere gassen, en de diffusiesnelheid door het vaste lichaam is drie keer groter dan die van lucht. De brekingsindex van het dichtst benadert 1.

De thermische geleidbaarheid van het helium op de tweede plaats waterstof thermische geleidbaarheid, soortelijke warmte en zijn buitengewoon hoog. Bij gewone temperaturen is verwarmd tijdens expansie en onder 40 K - gekoeld. Daarom, bij T <40 K helium kan worden omgezet in een vloeistof door het uitbreiden.

Element een isolator, indien niet in de geïoniseerde toestand. Zoals met andere edelgassen, helium een metastabiele energieniveaus die toelaten worden geïoniseerd door een elektrische ontlading bij een spanning onder de ionisatiepotentiaal.

Helium-4 is uniek doordat deze twee vloeibare vormen. Gebruikelijke belde helium I en bestaat bij temperaturen tussen het kookpunt van 4,21 K (-268,9 ° C) tot ongeveer 2,18 K (-271 ° C). Lagere thermische geleidbaarheid van 2,18 ^K4 Hij wordt 1000 maal groter dan die van koper. Deze vorm heet helium II, om het te onderscheiden van de gewone. Het is Superfluid: viscositeit zo laag dat het niet kan worden gemeten. Helium II verspreidt tot een dunne film op het oppervlak van elke die betrokken stof en de film stroomt wrijvingsloos zelfs tegen de zwaartekracht.

Minder overvloedig helium-3 wordt omgezet in drie verschillende vloeibare fasen, waarvan twee superfluïde. Superfluiditeit in ⁴ Hij werd ontdekt door de Sovjet-fysicus Petrom Leonidovichem Kapitsey in het midden van de jaren 1930, en hetzelfde fenomeen in de ³ hij eerst door Douglas D. Osheroff, David M. Lee en Robert C. Richardson van de Verenigde Staten werd opgemerkt in 1972.

Een vloeibaar mengsel van twee isotopen van helium-3 en -4 bij temperaturen onder 0,8 K (-272,4 ° C) bestaat uit twee lagen - een in hoofdzaak zuiver ^3He en ⁴ Hij mengsel met 6% helium-3. Oplossen van ^3He in ⁴ Hij gaat gepaard met het koeleffect dat wordt gebruikt in cryostaat structuren waarin het helium lager is dan 0,01 K (-273,14 ° C) en gedurende een paar dagen.

verbindingen

Onder normale omstandigheden, helium chemisch inert. In extreme kan een verbinding element dat bij normale temperatuur en druk indicatoren zijn niet stabiel maken. Bijvoorbeeld kunnen verbindingen met helium jood, wolfram, fluor, fosfor en zwavel, bij onderwerping aan een elektrische glimontlading of elektronenbeschieting in de plasmatoestand. Zo werd gecreëerd HeNe, HgHe _10, Whe ₂ en moleculaire ionen Hij ₂ ⁺ ₂ Niet ^++, heh ⁺ en Hed ^+. Deze techniek is ook een neutraal molecuul Hij ₂ en HgHe geweest.

plasma

In het heelal voordeel verdeeld geïoniseerd helium, waarvan de eigenschappen wezenlijk verschillen van de moleculaire. De elektronen en protonen niet verbonden, en het heeft een zeer hoge elektrische geleidbaarheid, zelfs in een gedeeltelijk geïoniseerde toestand. Op geladen deeltjes wordt sterk beïnvloed door magnetische velden. Bijvoorbeeld in de zonnewind met heliumionen interageren met de geïoniseerde waterstof magnetosfeer aarde, waardoor de aurora borealis.

De ontdekking van afzettingen in de VS

Na het boren in 1903 in Dexter, Kansas, werd verkregen door onbrandbaar gas. In eerste instantie was het niet bekend dat het helium bevat. Welk gas werd gevonden, die staat Erasmus Haworth geoloog, die zijn monsters en de University of Kansas door chemici Kedi Gamiltona en David McFarland verzamelde gevonden dat deze 72% stikstof, 15% methaan, 1% waterstof en 12% werd niet geïdentificeerd. Na een verdere analyse, de onderzoekers gevonden dat 1,84% van de steekproef van helium. Dus we weten dat dit chemisch element in grote hoeveelheden aanwezig in de diepten van de Great Plains, waar het kan worden gewonnen uit aardgas.

industriële productie

Dit heeft de Verenigde Staten 's werelds productie van helium leider gemaakt. Op voorstel van Sir Richard Threlfall, de Amerikaanse marine gefinancierd drie kleine pilot plant om deze stof te produceren tijdens de Eerste Wereldoorlog te zorgen voor de ballonversperring lichtgewicht onbrandbaar lifting gas. Volgens dit programma werden in totaal 5700 ^m3 92 percent hij, hoewel dit alleen verkregen ten minste 100 liter gas. Een deel van dit bedrag werd gebruikt in 's werelds eerste helium luchtschip de US Navy C-7, die zijn eerste reis van Hampton Roads gemaakt (Virginia) bij Bolling Field (Washington, DC) 7 december 1921.

Hoewel het proces van lage temperatuur vloeibaar gas op dat moment was niet voldoende ontwikkeld significant tijdens de Eerste Wereldoorlog te zijn, de productie voortgezet. Helium wordt meestal gebruikt als een lift gas in vliegtuigen. De vraag is toegenomen tijdens de Tweede Wereldoorlog, toen het werd gebruikt met een afgeschermde booglassen. Het element heeft ook veel belang bij de totstandkoming van de atoombom "Manhattan".

US National reserve

In 1925, de Verenigde Staten de overheid creëerde de Nationale reserve van helium in Amarillo, Texas, militaire luchtschepen te bieden in tijden van oorlog en commerciële luchtschepen in vredestijd. Het gebruik van gas daalde na de Tweede Wereldoorlog, maar de voorraad werd verhoogd in 1950 om, onder andere, het levert als koelmiddel gebruikt bij de productie van zuurstof-waterstof drijfgas tijdens de ruimterace en de Koude Oorlog. Het gebruik van helium in de Verenigde Staten in 1965, acht keer hoger dan het piekverbruik in oorlogstijd.

Na de goedkeuring van de wet op helium 1960 Mining Bureau Streak 5 particuliere bedrijven om het element uit aardgas te halen. Dit programma werd gebouwd 425 km lange pijpleiding naar deze planten te verbinden met de overheid gedeeltelijk uitgeput gasveld in de buurt van Amarillo, Texas. Helium-stikstofmengsel gepompt in ondergrondse opslag, en bleef daar tot behoeft daarin.

In 1995, het volume van de voorraad werd geassembleerd miljard kubieke meter, terwijl de schuld van de nationale reserve van 1,4 miljard dollar, dat het Amerikaanse Congres in 1996 gevraagd om uit te faseren van te maken. Na de goedkeuring in 1996 van de wet op de privatisering van helium ministerie van Natuurlijke Hulpbronnen gestart met een liquidatie winkel in 2005.

Schoon en productie

Helium geproduceerd tot 1945 jaar had een zuiverheid van ongeveer 98%, anderen 2% betrof de stikstof die voldoende is voor luchtschepen. In 1945 heeft zij een kleine hoeveelheid van 99,9 procent van gas voor gebruik bij booglassen. Tegen 1949, is de zuiverheid van het verkregen element bereikte 99,995%.

Al vele jaren de Verenigde Staten produceerde meer dan 90% van de commerciële helium ter wereld. Sinds 2004, elk jaar werd uitgewerkt 140 miljoen ^m3, waarvan 85% zich in de Verenigde Staten, werd 10% in Algerije te hebben plaatsgevonden, en de rest - in Rusland en Polen. De belangrijkste bronnen van helium in de wereld zijn aardgasvelden van Texas, Oklahoma en Kansas.

Werkwijze voor het verkrijgen van

Helium (zuiverheid 98,2%) uit het vloeibaar maken van aardgas teruggewonnen door andere componenten bij lage temperaturen en bij hoge drukken. De adsorptie van andere gassen gekoeld actieve kool kan de zuiverheid van 99,995% bereiken. Een kleine hoeveelheid helium die tijdens lucht vloeibaar op grote schaal. Van de 900 ton lucht kan ongeveer 3,17 kubieke meter krijgen. m gas.

Toepassingsgebieden

Edelgas is toegepast op verschillende gebieden.

• Helium, welke eigenschappen laten zeer lage temperaturen te verkrijgen, wordt gebruikt als koelmiddel in LHC MRI supergeleidende magneet inrichtingen en NMR spectrometers, satelliet-apparatuur, alsmede voor het vloeibaar maken van zuurstof en waterstof in raketten "Apollo".
• Als inert gas voor het lassen van aluminium en anderen. Metalen bij de productie van halfgeleiders en optische vezels.
• .. Om de druk in de brandstoftanks van raketmotoren, maakt met name met vloeibare waterstof, t alleen heliumgas eenheid blijft aggregatietoestand wanneer waterstof vloeibaar blijft);
• He-Ne gas lasers worden gebruikt om de barcode op de kassa in de supermarkt te scannen.
• Helium-ion microscoop kunt u het beste imago dan elektronische krijgen.
• Vanwege de hoge permeabiliteit van het edelgas gebruikt om lekken te testen, bijvoorbeeld in de auto airconditioningsystemen, en snel vullen van de airbag bij botsing.
• Lage dichtheid maakt decoratieve ballen gevuld met helium. Het inerte gas wordt vervangen explosief waterstofgas in luchtschepen en ballonnen. Bijvoorbeeld, in de meteorologie, helium ballonnen worden gebruikt om het meetinstrument te tillen.
• Het cryogene koelmiddel wordt gebruikt, aangezien de temperatuur van het chemische element in de laagst mogelijke vloeibare toestand.
• Helium, welke eigenschappen deze een lage reactiviteit en oplosbaarheid in water (en bloed), gemengd met zuurstof toepassing respiratoire formuleringen te duiken en die caissonarbeid gevonden.
• Meteorieten en rotsen worden geanalyseerd voor de inhoud van dit element aan hun leeftijd te bepalen.

Helium: de eigenschappen van het element

Hij belangrijkste fysische eigenschappen zijn als volgt:

• Atoomnummer: 2.
• De relatieve massa van het heliumatoom: 4,0026.
• Smeltpunt: neen.
• Kookpunt: -268,9 ° C.
• Dichtheid (1 atmosfeer, 0 ° C) 0,1785 g / n.
• oxidatietoestand 0.