Heliumi: vetitë, karakteristikat, aplikimet

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-02 17:56

Heliumi është një gaz inert i grupit të 18-të të tabelës periodike. Është elementi i dytë më i lehtë pas hidrogjenit. Heliumi është një gaz pa ngjyrë, pa erë dhe shije që bëhet i lëngshëm në -268,9 °C. Pikat e tij të vlimit dhe ngrirjes janë më të ulëta se ato të çdo substance tjetër të njohur. Është i vetmi element që nuk ngurtësohet kur ftohet në presion normal atmosferik. Duhen 25 atmosfera në 1 K që heliumi të ngurtësohet.

Historia e zbulimit

Heliumi u zbulua në atmosferën e gaztë që rrethon Diellin nga astronomi francez Pierre Jansen, i cili në 1868 gjatë një eklipsi zbuloi një vijë të verdhë të ndritshme në spektrin e kromosferës diellore. Kjo linjë fillimisht mendohej se përfaqësonte elementin natrium. Në të njëjtin vit, astronomi anglez Joseph Norman Lockyer vëzhgoi një vijë të verdhë në spektrin diellor që nuk korrespondonte me linjat e njohura të natriumit D₁ dhe D₂, dhe kështu ai e quajti linjën e saj D_{3. Lockyer arriti në përfundimin se ishte shkaktuar nga një substancë në Diell, e panjohur në Tokë. Ai dhe kimisti Eduard Frankland përdorën në emër të elementitemri grek i Diellit është Helios.}

Në 1895, kimisti britanik Sir William Ramsay vërtetoi ekzistencën e heliumit në Tokë. Ai mori një mostër të kleveitit mineral që përmban uranium dhe pasi ekzaminoi gazrat e formuar kur nxehej, ai zbuloi se vija e verdhë e ndezur në spektër përkon me vijën D_{3 të vërejtur në spektri i Diellit. Kështu, më në fund u instalua elementi i ri. Në vitin 1903, Ramsay dhe Frederick Soddu përcaktuan se heliumi është një produkt i kalbjes spontane të substancave radioaktive.}

Përhapur në natyrë

Masa e heliumit është rreth 23% e të gjithë masës së universit, dhe elementi është i dyti më i bollshëm në hapësirë. Ai është i përqendruar në yje, ku është formuar nga hidrogjeni si rezultat i shkrirjes termonukleare. Edhe pse helium gjendet në atmosferën e tokës në një përqendrim prej 1 pjesë për 200 mijë (5 ppm) dhe gjendet në sasi të vogla në mineralet radioaktive, hekurin e meteorit dhe burimet minerale, sasi të mëdha të elementit gjenden në Shtetet e Bashkuara. veçanërisht në Teksas, Nju Jork). Meksikë, Kansas, Oklahoma, Arizona dhe Utah) si përbërës (deri në 7.6%) të gazit natyror. Rezerva të vogla janë gjetur në Australi, Algjeri, Poloni, Katar dhe Rusi. Në koren e tokës, përqendrimi i heliumit është vetëm rreth 8 ppb.

Izotope

Bërthama e çdo atomi të heliumit përmban dy protone, por si elementët e tjerë, ajo ka izotope. Ato përmbajnë një deri në gjashtë neutrone, kështu që numri i tyre masiv varion nga tre në tetë. Ato të qëndrueshme janë elementët, masa e heliumit të të cilëve përcaktohet nga numrat atomik 3 (³He) dhe 4 (⁴He). Të gjitha të tjerat janë radioaktive dhe kalbet shumë shpejt në substanca të tjera. Heliumi tokësor nuk është përbërësi origjinal i planetit, ai u formua si rezultat i kalbjes radioaktive. Grimcat alfa të emetuara nga bërthamat e substancave të rënda radioaktive janë bërthama të izotopit ⁴He. Heliumi nuk grumbullohet në sasi të mëdha në atmosferë, sepse graviteti i Tokës nuk është aq i fortë sa ta pengojë atë të ikë gradualisht në hapësirë. Gjurmët e ³He në Tokë shpjegohen nga zbërthimi negativ beta i elementit të rrallë hidrogjen-3 (tritium). ⁴Ai është më i bollshmi nga izotopet e qëndrueshme: raporti i ⁴Atomet e Ai me ^{3Ai është rreth 700 mijë me 1 në atmosferë dhe rreth 7 milion me 1 në disa minerale që përmbajnë helium.}

Vetitë fizike të heliumit

Pikat e vlimit dhe shkrirjes së këtij elementi janë më të ulëtat. Për këtë arsye, heliumi ekziston si gaz, përveç në kushte ekstreme. I gaztë Ai tretet në ujë më pak se çdo gaz tjetër, dhe shpejtësia e difuzionit nëpër trupat e ngurtë është tre herë më e madhe se ajri. Indeksi i tij i thyerjes është më afër 1.

Përçueshmëria termike e heliumit është e dyta pas hidrogjenit dhe kapaciteti i tij specifik i nxehtësisë është jashtëzakonisht i lartë. Në temperatura të zakonshme, nxehet gjatë zgjerimit dhe ftohet nën 40 K. Prandaj, në T<40 K, helium mund të shndërrohet nëlëng nga zgjerimi.

Një element është dielektrik nëse nuk është në gjendje të jonizuar. Ashtu si gazrat e tjerë fisnikë, heliumi ka nivele të energjisë metastabile që e lejojnë atë të mbetet i jonizuar në një shkarkesë elektrike kur voltazhi mbetet nën potencialin e jonizimit.

Helium-4 është unik në atë që ka dy forma të lëngshme. E zakonshme quhet helium I dhe ekziston në temperatura që variojnë nga një pikë vlimi prej 4,21 K (-268,9 °C) deri në rreth 2,18 K (-271 °C). Nën 2,18 K, përçueshmëria termike e 4He bëhet 1000 herë më e madhe se e bakrit. Kjo formë quhet helium II për ta dalluar nga forma normale. Është superfluid: viskoziteti është aq i ulët sa nuk mund të matet. Heliumi II përhapet në një shtresë të hollë në sipërfaqen e çdo gjëje që prek dhe ky film rrjedh pa fërkim edhe kundër gravitetit.

Heliumi-3 më pak i bollshëm formon tre faza të veçanta të lëngshme, dy prej të cilave janë superfluide. Superfluiditeti në ⁴Ai u zbulua nga fizikani sovjetik Pyotr Leonidovich Kapitsa në mesin e viteve 1930, dhe i njëjti fenomen në ^{3Ai u vu re për herë të parë nga Douglas D Osherov, David M. Lee dhe Robert S. Richardson nga SHBA në 1972.}

Një përzierje e lëngshme e dy izotopeve të helium-3 dhe -4 në temperatura nën 0,8 K (-272,4 °C) ndahet në dy shtresa - pothuajse e pastër ³He dhe një përzierje prej⁴He me 6% helium-3. Shpërbërja e ³He në ^{4He shoqërohet me një efekt ftohës, i cili përdoret në projektimin e kriostateve, në të cilat temperatura e heliumit bie.nën 0,01 K (-273,14 °C) dhe ruhet atje për disa ditë.}

Lidhje

Në kushte normale, heliumi është kimikisht inert. Në kushte ekstreme, mund të krijoni lidhje elementesh që nuk janë të qëndrueshme në temperatura dhe presione normale. Për shembull, heliumi mund të formojë komponime me jod, tungsten, fluor, fosfor dhe squfur kur i nënshtrohet një shkarkejeje ndriçimi elektrike kur bombardohet me elektrone ose në gjendje plazme. Kështu, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ dhe He₂ u krijuan jonet molekulare+^{, Jo}2++^{, HeH}+ ^{dhe HeD+}. Kjo teknikë bëri të mundur edhe marrjen e molekulave neutrale He² dhe HgHe.

Plasma

Në Univers, heliumi i jonizuar shpërndahet kryesisht, vetitë e të cilit ndryshojnë ndjeshëm nga ato molekulare. Elektronet dhe protonet e tij nuk janë të lidhur, dhe ka një përçueshmëri elektrike shumë të lartë edhe në një gjendje pjesërisht të jonizuar. Grimcat e ngarkuara ndikohen fuqishëm nga fushat magnetike dhe elektrike. Për shembull, në erën diellore, jonet e heliumit, së bashku me hidrogjenin e jonizuar, ndërveprojnë me magnetosferën e Tokës, duke shkaktuar aurorat.

zbulim në SHBA

Pas shpimit të një pusi në vitin 1903, gazi jo i ndezshëm u mor në Dexter, Kansas. Fillimisht, nuk dihej që ai përmbante helium. Se cili gaz u gjet u përcaktua nga gjeologu shtetëror Erasmus Haworth, i cilimblodhi mostra të tij dhe në Universitetin e Kansasit me ndihmën e kimistëve Cady Hamilton dhe David McFarland zbuluan se ai përmban 72% azot, 15% metan, 1% hidrogjen dhe 12% nuk u identifikua. Pas analizave të mëtejshme, shkencëtarët zbuluan se 1.84% e kampionit ishte helium. Kështu ata mësuan se ky element kimik është i pranishëm në sasi të mëdha në zorrët e Rrafshinave të Mëdha, nga ku mund të nxirret nga gazi natyror.

Prodhimi industrial

Kjo i ka bërë Shtetet e Bashkuara lider botëror në prodhimin e heliumit. Me sugjerimin e Sir Richard Threlfall, Marina e SHBA financoi tre fabrika të vogla eksperimentale për të prodhuar këtë substancë gjatë Luftës së Parë Botërore për të siguruar balona breshërie me një gaz të lehtë ngritës, jo të ndezshëm. Programi prodhoi një total prej 5700 m3 92% He, megjithëse më parë ishin prodhuar më pak se 100 litra gaz. Një pjesë e këtij vëllimi u përdor në aeroplanin e parë në botë me helium, Marinën e SHBA-së C-7, e cila bëri udhëtimin e saj të parë nga Hampton Roads, Virxhinia në Bolling Field, Washington, DC më 7 dhjetor 1921.

Megjithëse procesi i lëngëzimit të gazit në temperaturë të ulët nuk ishte aq i avancuar në atë kohë për të qenë i rëndësishëm gjatë Luftës së Parë Botërore, prodhimi vazhdoi. Heliumi përdorej kryesisht si gaz ngritës në avionë. Kërkesa për të u rrit gjatë Luftës së Dytë Botërore, kur u përdor në saldimin me hark të mbrojtur. Elementi ishte gjithashtu i rëndësishëm në projektin e bombës atomike. Manhattan.

Stoku kombëtar i SHBA

Në vitin 1925, qeveria e Shteteve të Bashkuara krijoi Rezervën Kombëtare të Heliumit në Amarillo, Teksas, me qëllim të sigurimit të anijeve ajrore ushtarake në kohë lufte dhe ajrore komerciale në kohë paqeje. Përdorimi i gazit ra pas Luftës së Dytë Botërore, por furnizimi u rrit në vitet 1950 për të siguruar, ndër të tjera, furnizimin e tij si një ftohës i përdorur në prodhimin e karburantit të raketave me oksigjen hidrogjen gjatë garës hapësinore dhe Luftës së Ftohtë. Përdorimi i heliumit në SHBA në vitin 1965 ishte tetë herë më i lartë se konsumi i tij gjatë luftës.

Pas Aktit të Heliumit të vitit 1960, Byroja e Minierave kontraktoi 5 kompani private për nxjerrjen e elementit nga gazi natyror. Për këtë program, u ndërtua një tubacion gazi prej 425 kilometrash që lidh këto impiante me një fushë gazi qeveritare pjesërisht të varfëruar pranë Amarillo, Teksas. Përzierja helium-azoti u pompua në një magazinë nëntokësore dhe mbeti atje derisa të nevojitej.

Në vitin 1995, një miliard metra kub stoqe ishte mbledhur dhe Rezerva Kombëtare ishte 1.4 miliardë dollarë borxh, duke e shtyrë Kongresin e SHBA që ta hiqte gradualisht atë në 1996. Pas miratimit të ligjit për privatizimin e heliumit në 1996, Ministria e Burimeve Natyrore filloi likuidimin e objektit të magazinimit në 2005.

Vëllimet e pastërtisë dhe prodhimit

Heliumi i prodhuar para vitit 1945 kishte një pastërti prej rreth 98%, pjesa tjetër 2%llogaritet për azot, i cili ishte i mjaftueshëm për aeroplanët. Në vitin 1945, një sasi e vogël prej 99.9 për qind gaz u prodhua për t'u përdorur në saldimin me hark. Deri në vitin 1949, pastërtia e elementit që rezulton kishte arritur në 99,995%.

Për shumë vite, Shtetet e Bashkuara prodhonin mbi 90% të heliumit komercial në botë. Që nga viti 2004, ajo ka prodhuar 140 milionë m3 në vit, 85% e të cilave vjen nga Shtetet e Bashkuara, 10% nga Algjeria dhe pjesa tjetër nga Rusia dhe Polonia. Burimet kryesore të heliumit në botë janë fushat e gazit në Teksas, Oklahoma dhe Kansas.

Procesi i marrjes

Heliumi (pastërti 98,2%) nxirret nga gazi natyror duke lëngëzuar përbërës të tjerë në temperatura të ulëta dhe presione të larta. Adsorbimi i gazrave të tjerë nga karboni aktiv i ftohur arrin një pastërti prej 99,995%. Një sasi e vogël heliumi prodhohet nga lëngëzimi i ajrit në një shkallë të madhe. Nga 900 tonë ajër mund të merren rreth 3.17 metra kub. m gaz.

Zonat e aplikimit

Gazi fisnik është përdorur në fusha të ndryshme.

Heliumi, vetitë e të cilit bëjnë të mundur marrjen e temperaturave ultra të ulëta, përdoret si një agjent ftohës në përplasësin e madh të Hadronit, magnet superpërçues në makinat MRI dhe spektrometrat e rezonancës magnetike bërthamore, pajisjet satelitore dhe gjithashtu për lëngëzimin e oksigjenit. dhe hidrogjeni në raketat Apollo.
Si një gaz inert për saldimin e aluminit dhe metaleve të tjera, në prodhimin e fibrave optike dhe gjysmëpërçuesve.
Për të krijuarpresioni në rezervuarët e karburantit të motorëve të raketave, veçanërisht ata që punojnë me hidrogjen të lëngshëm, pasi vetëm heliumi i gaztë ruan gjendjen e tij të grumbullimit kur hidrogjeni mbetet i lëngshëm);
Lazerët e gazit He-Ne përdoren për të skanuar barkodet në arkat e supermarketeve.
Mikroskopi Jon Helium prodhon imazhe më të mira se mikroskopi elektronik.
Për shkak të përshkueshmërisë së tij të lartë, gazi fisnik përdoret për të kontrolluar për rrjedhje, për shembull, në sistemet e ajrit të kondicionuar të makinave dhe për të fryrë me shpejtësi airbagët në një aksident.
Densiteti i ulët ju lejon të mbushni balonat dekorative me helium. Gazi inert ka zëvendësuar hidrogjenin shpërthyes në aeroplanët dhe balonat. Për shembull, në meteorologji, balonat me helium përdoren për të ngritur instrumentet matëse.
Në teknologjinë kriogjenike, ai shërben si ftohës, pasi temperatura e këtij elementi kimik në gjendje të lëngshme është më e ulëta e mundshme.
Heliumi, vetitë e të cilit i sigurojnë atij reaktivitet dhe tretshmëri të ulët në ujë (dhe në gjak), i përzier me oksigjen, ka gjetur aplikim në kompozimet e frymëmarrjes për zhytje në skuba dhe punë me kaison.
Meteoritët dhe shkëmbinjtë janë analizuar për këtë element për të përcaktuar moshën e tyre.