Helium: xassələri, xüsusiyyətləri, tətbiqləri

2024 Müəllif: Angel Austin | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-02 17:41

Helium dövri cədvəlin 18-ci qrupunun inert qazıdır. Hidrogendən sonra ikinci ən yüngül elementdir. Helium rəngsiz, qoxusuz və dadsız qazdır, -268,9 °C temperaturda maye olur. Onun qaynama və donma nöqtələri hər hansı digər məlum maddəninkindən aşağıdır. Normal atmosfer təzyiqində soyuduqda bərkiməyən yeganə elementdir. Heliumun bərkiməsi üçün 1 K-da 25 atmosfer tələb olunur.

Kəşf tarixçəsi

Helium Günəşi əhatə edən qaz atmosferində 1868-ci ildə tutulma zamanı günəş xromosferinin spektrində parlaq sarı xətt kəşf edən fransız astronom Pyer Yansen tərəfindən kəşf edilmişdir. Bu xəttin əvvəlcə natrium elementini təmsil etdiyi düşünülürdü. Həmin il ingilis astronomu Cozef Norman Lokyer günəş spektrində məlum natrium xətləri D₁ və D₂ ilə uyğun gəlməyən sarı xətt müşahidə etdi.və buna görə də onun xəttini D_{3 adlandırdı. Lokyer bunun Günəşdə yer üzündə bilinməyən bir maddənin səbəb olduğu qənaətinə gəlib. O və kimyaçı Edvard Frankland elementin adından istifadə etdilərGünəşin yunanca adı Heliosdur.}

1895-ci ildə ingilis kimyaçısı ser William Ramsay Yer üzündə heliumun varlığını sübut etdi. O, tərkibində uran olan mineral klevitin nümunəsini əldə etdi və qızdırıldıqda əmələ gələn qazları araşdırdıqdan sonra spektrdəki parlaq sarı xəttin D_{3 xətti ilə üst-üstə düşdüyünü aşkar etdi. Günəşin spektri. Beləliklə, yeni element nəhayət quraşdırıldı. 1903-cü ildə Ramsey və Frederik Soddu müəyyən etdilər ki, helium radioaktiv maddələrin kortəbii parçalanması məhsuludur.}

Təbiətdə yayılmış

Heliumun kütləsi kainatın bütün kütləsinin təxminən 23%-ni təşkil edir və element kosmosda ən çox olan ikinci elementdir. O, ulduzlarda cəmləşib, burada termonüvə birləşməsi nəticəsində hidrogendən əmələ gəlir. Helium yer atmosferində 200 mində (5 ppm) 1 hissə konsentrasiyada tapılsa da və az miqdarda radioaktiv minerallarda, meteorit dəmirində və mineral bulaqlarda tapılsa da, elementin böyük miqdarı ABŞ-da tapılır (xüsusilə Texas, Nyu York). Meksika, Kanzas, Oklahoma, Arizona və Yuta) təbii qazın tərkib hissəsi kimi (7,6%-ə qədər). Avstraliya, Əlcəzair, Polşa, Qətər və Rusiyada kiçik ehtiyatlar aşkar edilmişdir. Yer qabığında heliumun konsentrasiyası cəmi 8 ppb təşkil edir.

İzotoplar

Hər bir helium atomunun nüvəsində iki proton var, lakin digər elementlər kimi onun da izotopları var. Onların tərkibində birdən altıya qədər neytron var, buna görə də onların kütlə sayı üç ilə səkkiz arasında dəyişir. Stabil olanlar helium kütləsi 3 (³He) və 4 (⁴He) atom nömrələri ilə təyin olunan elementlərdir. Qalanların hamısı radioaktivdir və çox tez başqa maddələrə parçalanır. Yer heliumu planetin ilkin komponenti deyil, o, radioaktiv parçalanma nəticəsində əmələ gəlib. Ağır radioaktiv maddələrin nüvələri tərəfindən buraxılan alfa hissəcikləri ⁴He izotopunun nüvələridir. Helium atmosferdə çox miqdarda yığılmır, çünki Yerin cazibə qüvvəsi onun tədricən kosmosa qaçmasının qarşısını alacaq qədər güclü deyil. ³He-nin Yerdəki izləri nadir element hidrogen-3-ün (tritium) mənfi beta parçalanması ilə izah olunur. ⁴O, sabit izotopların ən boludur: ⁴He atomlarının ^{3Ona nisbəti atmosferdə təxminən 700 mindən 1-ə qədər, bəzi helium tərkibli minerallarda isə təxminən 7 milyondan 1-ə qədərdir.}

Heliumun fiziki xassələri

Bu elementin qaynama və ərimə nöqtələri ən aşağıdır. Bu səbəbdən helium, ekstremal şərtlər istisna olmaqla, qaz şəklində mövcuddur. Qaz halında O, suda digər qazlardan daha az həll olur və bərk cisimlər arasında yayılma sürəti havadan üç dəfə çoxdur. Onun sındırma indeksi 1-ə ən yaxındır.

Heliumun istilik keçiriciliyi hidrogendən sonra ikinci yerdədir və onun xüsusi istilik tutumu qeyri-adi dərəcədə yüksəkdir. Adi temperaturda, genişlənmə zamanı qızdırılır və 40 K-dən aşağı soyuyur. Buna görə də, T<40 K-də heliuma çevrilə bilərgenişlənmə ilə maye.

Element ionlaşmış vəziyyətdə deyilsə, dielektrikdir. Digər nəcib qazlar kimi, helium da gərginlik ionlaşma potensialından aşağı qaldıqda onun elektrik boşalmasında ionlaşmış qalmasına imkan verən metastabil enerji səviyyələrinə malikdir.

Helium-4 unikaldır ki, onun iki maye forması var. Adi helium I adlanır və qaynama nöqtəsi 4,21 K (-268,9 °C) ilə təxminən 2,18 K (-271 °C) arasında dəyişən temperaturlarda mövcuddur. 2.18 K-dən aşağı olan istilik keçiriciliyi 4O, misdən 1000 dəfə çox olur. Normal formadan fərqləndirmək üçün bu forma helium II adlanır. O, həddindən artıq mayedir: özlülük o qədər aşağıdır ki, onu ölçmək mümkün deyil. Helium II toxunduğu hər şeyin səthində nazik bir təbəqəyə yayılır və bu film hətta cazibə qüvvəsinə qarşı sürtünmədən axır.

Daha az bol olan helium-3 üç fərqli maye fazası əmələ gətirir, onlardan ikisi həddindən artıq mayedir. ⁴-də həddindən artıq mayelikO, 1930-cu illərin ortalarında sovet fiziki Pyotr Leonidoviç Kapitsa tərəfindən kəşf edilmiş və eyni fenomeni ^{3O ilk dəfə müşahidə etmişdir. Douglas D Osherov, David M. Lee və Robert S. Richardson, 1972.}

0,8 K (-272,4 °C)-dən aşağı temperaturda helium-3 və -4 iki izotopunun maye qarışığı iki təbəqəyə bölünür - demək olar ki, təmiz ³He və⁴He qarışığı 6% helium-3 ilə. ³He-nin ^{4-də əriməsi helium temperaturunun aşağı düşdüyü kriostatların dizaynında istifadə olunan soyutma effekti ilə müşayiət olunur.0,01 K (-273,14 °C) altında və bir neçə gün orada saxlanılır.}

Əlaqələr

Normal şəraitdə helium kimyəvi cəhətdən təsirsizdir. Ekstremal şəraitdə normal temperatur və təzyiqlərdə sabit olmayan element əlaqələri yarada bilərsiniz. Məsələn, helium elektronlarla bombardman edildikdə və ya plazma vəziyyətində elektrik parıltısı boşalmasına məruz qaldıqda yod, volfram, flüor, fosfor və kükürdlə birləşmələr yarada bilər. Beləliklə, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ və He₂ molekulyar ionları yaradıldı+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{və HeD+}. Bu texnika həm də neytral He² və HgHe molekullarını əldə etməyə imkan verdi.

Plazma

Kainatda ionlaşmış helium əsasən paylanmışdır, onun xassələri molekulyardan əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir. Onun elektronları və protonları bağlı deyil və hətta qismən ionlaşmış vəziyyətdə də çox yüksək elektrik keçiriciliyinə malikdir. Yüklənmiş hissəciklər maqnit və elektrik sahələrindən güclü şəkildə təsirlənir. Məsələn, günəş küləyində helium ionları ionlaşmış hidrogenlə birlikdə Yerin maqnitosferi ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və auroraların yaranmasına səbəb olur.

ABŞ kəşfi

1903-cü ildə quyu qazıldıqdan sonra Kanzas ştatının Dexter şəhərində alışmayan qaz əldə edildi. Əvvəlcə onun tərkibində helium olduğu bilinmirdi. Hansı qazın tapıldığını dövlət geoloqu Erasmus Haworth müəyyən edibonun nümunələri toplanmış və Kanzas Universitetində kimyaçılar Cady Hamilton və David McFarland köməyi ilə onun tərkibində 72% azot, 15% metan, 1% hidrogen və 12% olduğu müəyyən edilməmişdir. Əlavə təhlillərdən sonra alimlər nümunənin 1,84%-nin helium olduğunu müəyyən ediblər. Beləliklə, onlar öyrəndilər ki, bu kimyəvi element Böyük Düzənliklərin bağırsaqlarında böyük miqdarda mövcuddur və onu təbii qazdan çıxarmaq olar.

Sənaye istehsalı

Bu, ABŞ-ı helium istehsalında dünya lideri etdi. Ser Richard Threlfall-ın təklifi ilə ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələri I Dünya Müharibəsi zamanı bu maddəni istehsal etmək üçün üç kiçik eksperimental zavodu maliyyələşdirdi ki, baraj balonlarını yüngül, alışmayan qaldırıcı qazla təmin etdi. Proqram 5700 m3 92% He hasil etdi, baxmayaraq ki, əvvəllər 100 litrdən az qaz hasil edilmişdi. Bu həcmin bir hissəsi dünyanın ilk helium dirijablında, 7 dekabr 1921-ci ildə Virciniya ştatının Hampton Roads şəhərindən Bollinq Field, Vaşinqton, DC şəhərinə ilk səyahətini edən ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələri C-7-də istifadə edilmişdir.

Aşağı temperaturda qazın mayeləşdirilməsi prosesi Birinci Dünya Müharibəsi zamanı əhəmiyyətli olacaq qədər inkişaf etməsə də, istehsal davam edirdi. Helium əsasən təyyarələrdə qaldırıcı qaz kimi istifadə olunurdu. İkinci Dünya Müharibəsi zamanı, qorunan qövs qaynaqında istifadə edildiyi zaman ona tələbat artdı. Element atom bombası layihəsində də vacib idi. Manhetten.

ABŞ Milli Səhmdar

1925-ci ildə Birləşmiş Ştatlar hökuməti müharibə zamanı hərbi dirijabllar, sülh dövründə isə kommersiya dirijabllarını təmin etmək məqsədilə Texas ştatının Amarillo şəhərində Milli Helium Qoruğu yaratdı. Qazın istifadəsi İkinci Dünya Müharibəsindən sonra azaldı, lakin tədarük 1950-ci illərdə, digər şeylər arasında, kosmik yarış və Soyuq Müharibə zamanı oksihidrogen raket yanacağının istehsalında istifadə olunan soyuducu kimi təchizatını təmin etmək üçün artırıldı. 1965-ci ildə ABŞ-ın heliumdan istifadəsi müharibə dövründəki pik istehlakından səkkiz dəfə çox idi.

1960-cı il Helium Aktından sonra Mədənlər Bürosu təbii qazdan element çıxarmaq üçün 5 özəl şirkətlə müqavilə bağladı. Bu proqram üçün bu zavodları Texas ştatının Amarillo yaxınlığındakı qismən tükənmiş hökumət qaz yatağına birləşdirən 425 kilometrlik qaz kəməri tikilmişdir. Helium-azot qarışığı yer altı anbara vuruldu və lazım olana qədər orada qaldı.

1995-ci ilə qədər bir milyard kubmetr ehtiyat toplanmışdı və Milli Ehtiyatın 1,4 milyard dollar borcu var idi, bu da ABŞ Konqresinin 1996-cı ildə onu mərhələli şəkildə ləğv etməsinə səbəb oldu. 1996-cı ildə heliumun özəlləşdirilməsi haqqında qanun qəbul edildikdən sonra Təbii Sərvətlər Nazirliyi 2005-ci ildə anbarı ləğv etməyə başladı.

Saflıq və istehsal həcmi

1945-ci ildən əvvəl istehsal edilən heliumun təmizliyi təxminən 98%, qalanları isə 2% idi.dirijabllar üçün kifayət qədər azot təşkil edirdi. 1945-ci ildə qövs qaynağında istifadə üçün az miqdarda 99,9 faiz qaz hasil edildi. 1949-cu ilə qədər əldə edilən elementin təmizliyi 99,995%-ə çatmışdı.

Uzun illər ərzində Birləşmiş Ştatlar dünyada kommersiya heliumunun 90%-dən çoxunu istehsal edirdi. 2004-cü ildən bəri o, hər il 140 milyon m3 istehsal edib ki, bunun da 85%-i ABŞ-dan, 10%-i Əlcəzairdən, qalanı isə Rusiya və Polşadan gəlir. Dünyada heliumun əsas mənbələri Texas, Oklahoma və Kanzas ştatlarının qaz yataqlarıdır.

Qəbul prosesi

Helium (98,2% təmizlik) digər komponentləri aşağı temperaturda və yüksək təzyiqdə mayeləşdirməklə təbii qazdan alınır. Digər qazların soyudulmuş aktivləşdirilmiş karbonla adsorbsiya edilməsi 99,995% təmizliyə nail olur. Havanın geniş miqyasda mayeləşdirilməsi nəticəsində az miqdarda helium əmələ gəlir. 900 ton havadan təxminən 3,17 kubmetr əldə etmək olar. m qaz.

Tətbiq sahələri

Şəfalı qaz müxtəlif sahələrdə istifadə edilmişdir.

Xüsusiyyətləri ilə ultra aşağı temperaturlar əldə etməyə imkan verən Helium Böyük Adron Kollayderində soyuducu, MRT aparatlarında və nüvə maqnit rezonans spektrometrlərində, peyk avadanlıqlarında superkeçirici maqnitlər, həmçinin oksigeni mayeləşdirmək üçün istifadə olunur. və Apollon raketlərində hidrogen.
Optik liflərin və yarımkeçiricilərin istehsalında alüminium və digər metalların qaynaqlanması üçün inert qaz kimi.
Yaratmaq üçünraket mühərriklərinin, xüsusən də maye hidrogenlə işləyənlərin yanacaq çənlərində təzyiq, çünki hidrogen maye qaldıqda yalnız qaz halında olan helium birləşmə vəziyyətini saxlayır);
He-Ne qaz lazerləri supermarket kassalarında barkodları skan etmək üçün istifadə olunur.
Helium ion mikroskopu elektron mikroskopdan daha yaxşı şəkillər yaradır.
Yüksək keçiriciliyinə görə nəcib qaz, məsələn, avtomobilin kondisioner sistemlərində sızma olub olmadığını yoxlamaq və qəza zamanı hava yastıqlarını tez bir zamanda açmaq üçün istifadə olunur.
Aşağı sıxlıq dekorativ balonları heliumla doldurmağa imkan verir. Hava gəmilərində və balonlarda partlayıcı hidrogeni inert qaz əvəz etdi. Məsələn, meteorologiyada ölçü alətlərini qaldırmaq üçün helium balonlarından istifadə edilir.
Kriogen texnologiyada o, soyuducu kimi xidmət edir, çünki maye halında bu kimyəvi elementin temperaturu mümkün olan ən aşağı səviyyədədir.
Xassəsi oksigenlə qarışmış suda (və qanda) aşağı reaktivlik və həll olma qabiliyyətini təmin edən helium akvalanqda dalış və kesson işləri üçün nəfəs alma kompozisiyalarında tətbiq tapmışdır.
Meteoritlər və qayalar yaşlarını müəyyən etmək üçün bu element üçün təhlil edilir.