Ήλιο: ιδιότητες, χαρακτηριστικά, εφαρμογές

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 17:44

Το ήλιο είναι ένα αδρανές αέριο της 18ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Είναι το δεύτερο ελαφρύτερο στοιχείο μετά το υδρογόνο. Το ήλιο είναι ένα άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο που γίνεται υγρό στους -268,9 °C. Τα σημεία βρασμού και πήξης του είναι χαμηλότερα από αυτά οποιασδήποτε άλλης γνωστής ουσίας. Είναι το μόνο στοιχείο που δεν στερεοποιείται όταν ψύχεται σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Χρειάζονται 25 ατμόσφαιρες στον 1 Κ για να στερεοποιηθεί το ήλιο.

Ιστορικό ανακάλυψης

Ηλιο ανακαλύφθηκε στην αέρια ατμόσφαιρα που περιβάλλει τον Ήλιο από τον Γάλλο αστρονόμο Pierre Jansen, ο οποίος το 1868 κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης ανακάλυψε μια φωτεινή κίτρινη γραμμή στο φάσμα της ηλιακής χρωμόσφαιρας. Αυτή η γραμμή αρχικά θεωρήθηκε ότι αντιπροσωπεύει το στοιχείο νάτριο. Την ίδια χρονιά, ο Άγγλος αστρονόμος Joseph Norman Lockyer παρατήρησε μια κίτρινη γραμμή στο ηλιακό φάσμα που δεν αντιστοιχούσε στις γνωστές γραμμές νατρίου D₁ και D₂, και έτσι ονόμασε τη γραμμή της D_{3. Ο Lockyer κατέληξε στο συμπέρασμα ότι προκλήθηκε από μια ουσία στον Ήλιο άγνωστη στη Γη. Αυτός και ο χημικός Edward Frankland χρησιμοποίησαν στο όνομα του στοιχείουτο ελληνικό όνομα του Ήλιου είναι Ήλιος.}

Το 1895, ο Βρετανός χημικός Sir William Ramsay απέδειξε την ύπαρξη ηλίου στη Γη. Πήρε ένα δείγμα του ορυκτού κλεβεΐτη που φέρει ουράνιο και αφού εξέτασε τα αέρια που σχηματίστηκαν όταν θερμάνθηκε, βρήκε ότι η φωτεινή κίτρινη γραμμή στο φάσμα συνέπιπτε με τη γραμμή D_{3 που παρατηρήθηκε στο το φάσμα του Ήλιου. Έτσι, τελικά εγκαταστάθηκε το νέο στοιχείο. Το 1903, ο Ramsay και ο Frederick Soddu προσδιόρισαν ότι το ήλιο είναι προϊόν αυθόρμητης αποσύνθεσης ραδιενεργών ουσιών.}

Απλώστε στη φύση

Η μάζα του ηλίου είναι περίπου το 23% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και το στοιχείο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στο διάστημα. Συγκεντρώνεται σε αστέρια, όπου σχηματίζεται από υδρογόνο ως αποτέλεσμα της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Αν και το ήλιο βρίσκεται στην ατμόσφαιρα της γης σε συγκέντρωση 1 μέρος ανά 200 χιλιάδες (5 ppm) και βρίσκεται σε μικρές ποσότητες σε ραδιενεργά ορυκτά, σίδηρο μετεωρίτη και μεταλλικές πηγές, μεγάλες ποσότητες του στοιχείου βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες (ιδιαίτερα στο Τέξας της Νέας Υόρκης) Μεξικό, Κάνσας, Οκλαχόμα, Αριζόνα και Γιούτα) ως συστατικό (έως 7,6%) του φυσικού αερίου. Μικρά αποθέματα έχουν βρεθεί στην Αυστραλία, την Αλγερία, την Πολωνία, το Κατάρ και τη Ρωσία. Στον φλοιό της γης, η συγκέντρωση ηλίου είναι μόνο περίπου 8 ppb.

Ισότοπα

Ο πυρήνας κάθε ατόμου ηλίου περιέχει δύο πρωτόνια, αλλά όπως και άλλα στοιχεία, έχει ισότοπα. Περιέχουν ένα έως έξι νετρόνια, επομένως ο αριθμός μάζας τους κυμαίνεται από τρία έως οκτώ. Τα σταθερά είναι τα στοιχεία των οποίων η μάζα ηλίου προσδιορίζεται από τους ατομικούς αριθμούς 3 (³He) και 4 (⁴He). Όλα τα υπόλοιπα είναι ραδιενεργά και διασπώνται πολύ γρήγορα σε άλλες ουσίες. Το χερσαίο ήλιο δεν είναι το αρχικό συστατικό του πλανήτη, σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα ραδιενεργής αποσύνθεσης. Τα σωματίδια άλφα που εκπέμπονται από τους πυρήνες των βαρέων ραδιενεργών ουσιών είναι πυρήνες του ισοτόπου ⁴He. Ήλιο δεν συσσωρεύεται σε μεγάλες ποσότητες στην ατμόσφαιρα επειδή η γήινη βαρύτητα δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να την εμποδίσει να διαφύγει σταδιακά στο διάστημα. Τα ίχνη του ³He στη Γη εξηγούνται από την αρνητική βήτα διάσπαση του σπάνιου στοιχείου υδρογόνο-3 (τρίτιο). ⁴Είναι το πιο άφθονο από τα σταθερά ισότοπα: η αναλογία ⁴Ατόμων He προς ^{3He είναι περίπου 700 χιλιάδες προς 1 στην ατμόσφαιρα και περίπου 7 εκατομμύρια προς 1 σε ορισμένα ορυκτά που περιέχουν ήλιο.}

Φυσικές ιδιότητες του ηλίου

Τα σημεία βρασμού και τήξης αυτού του στοιχείου είναι τα χαμηλότερα. Για το λόγο αυτό, το ήλιο υπάρχει ως αέριο, εκτός από ακραίες συνθήκες. Αέριο Διαλύεται λιγότερο στο νερό από οποιοδήποτε άλλο αέριο και ο ρυθμός διάχυσης μέσω των στερεών είναι τρεις φορές μεγαλύτερος από αυτόν του αέρα. Ο δείκτης διάθλασής του πλησιάζει περισσότερο στο 1.

Η θερμική αγωγιμότητα του ηλίου είναι δεύτερη μετά από αυτήν του υδρογόνου και η ειδική θερμοχωρητικότητα του είναι ασυνήθιστα υψηλή. Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της διαστολής και ψύχεται κάτω από τους 40 Κ. Επομένως, στο T<40 K, το ήλιο μπορεί να μετατραπεί σευγρό με διαστολή.

Ένα στοιχείο είναι διηλεκτρικό εάν δεν βρίσκεται σε ιονισμένη κατάσταση. Όπως και άλλα ευγενή αέρια, το ήλιο έχει μετασταθερά επίπεδα ενέργειας που του επιτρέπουν να παραμένει ιονισμένο σε μια ηλεκτρική εκκένωση όταν η τάση παραμένει κάτω από το δυναμικό ιονισμού.

Το

Ηλιο-4 είναι μοναδικό στο ότι έχει δύο υγρές μορφές. Το συνηθισμένο ονομάζεται ήλιο Ι και υπάρχει σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από ένα σημείο βρασμού από 4,21 K (-268,9 °C) έως περίπου 2,18 K (-271 °C). Κάτω από 2,18 K, η θερμική αγωγιμότητα του 4He γίνεται 1000 φορές εκείνη του χαλκού. Αυτή η μορφή ονομάζεται ήλιο II για να διακρίνεται από την κανονική μορφή. Είναι υπερρευστό: το ιξώδες είναι τόσο χαμηλό που δεν μπορεί να μετρηθεί. Ήλιο II απλώνεται σε μια λεπτή μεμβράνη στην επιφάνεια ό,τι αγγίζει, και αυτό το φιλμ ρέει χωρίς τριβή ακόμη και ενάντια στη βαρύτητα.

Το λιγότερο άφθονο ήλιο-3 σχηματίζει τρεις διακριτές υγρές φάσεις, δύο από τις οποίες είναι υπερρευστές. Υπερρευστότητα το ⁴Ανακαλύφθηκε από τον Σοβιετικό φυσικό Pyotr Leonidovich Kapitsa στα μέσα της δεκαετίας του 1930, και το ίδιο φαινόμενο το ^{3Έγινε αντιληπτός για πρώτη φορά από Douglas D Osherov, David M. Lee και Robert S. Richardson από τις ΗΠΑ το 1972.}

Ένα υγρό μείγμα δύο ισοτόπων ηλίου-3 και -4 σε θερμοκρασίες κάτω από 0,8 K (-272,4 °C) χωρίζεται σε δύο στρώματα - σχεδόν καθαρό ³He και ένα μείγμα⁴He με 6% ήλιο-3. Η διάλυση του ³He σε ^{4He συνοδεύεται από ένα ψυκτικό αποτέλεσμα, το οποίο χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό κρυοστατών, στους οποίους πέφτει η θερμοκρασία ηλίουκάτω από 0,01 K (-273,14 °C) και διατηρήθηκε εκεί για αρκετές ημέρες.}

Συνδέσεις

Υπό κανονικές συνθήκες, το ήλιο είναι χημικά αδρανές. Σε ακραίες συνθήκες, μπορείτε να δημιουργήσετε συνδέσεις στοιχείων που δεν είναι σταθερές σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Για παράδειγμα, το ήλιο μπορεί να σχηματίσει ενώσεις με ιώδιο, βολφράμιο, φθόριο, φώσφορο και θείο όταν υποβάλλεται σε ηλεκτρική εκκένωση λάμψης όταν βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια ή σε κατάσταση πλάσματος. Έτσι, δημιουργήθηκαν μοριακά ιόντα HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ και He₂+^{, Όχι}2++^{, HeH}+ ^{και HeD+}. Αυτή η τεχνική κατέστησε επίσης δυνατή τη λήψη ουδέτερων μορίων He² και HgHe.

Πλάσμα

Στο Σύμπαν, το ιονισμένο ήλιο κατανέμεται κυρίως, οι ιδιότητες του οποίου διαφέρουν σημαντικά από τις μοριακές. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια του δεν είναι δεσμευμένα και έχει πολύ υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα ακόμη και σε μερικώς ιονισμένη κατάσταση. Τα φορτισμένα σωματίδια επηρεάζονται έντονα από μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία. Για παράδειγμα, στον ηλιακό άνεμο, τα ιόντα ηλίου, μαζί με το ιονισμένο υδρογόνο, αλληλεπιδρούν με τη μαγνητόσφαιρα της Γης, προκαλώντας το σέλας.

ανακάλυψη ΗΠΑ

Μετά τη γεώτρηση ενός πηγαδιού το 1903, λήφθηκε μη εύφλεκτο αέριο στο Dexter του Κάνσας. Αρχικά, δεν ήταν γνωστό ότι περιείχε ήλιο. Ποιο αέριο βρέθηκε καθορίστηκε από τον κρατικό γεωλόγο Erasmus Haworth, ο οποίοςσυνέλεξαν δείγματά του και στο Πανεπιστήμιο του Κάνσας με τη βοήθεια των χημικών Cady Hamilton και David McFarland διαπίστωσαν ότι περιέχει 72% άζωτο, 15% μεθάνιο, 1% υδρογόνο και 12% δεν αναγνωρίστηκε. Μετά από περαιτέρω ανάλυση, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το 1,84% του δείγματος ήταν ήλιο. Έτσι έμαθαν ότι αυτό το χημικό στοιχείο υπάρχει σε τεράστιες ποσότητες στα έγκατα των Μεγάλων Πεδιάδων, από όπου μπορεί να εξαχθεί από το φυσικό αέριο.

Βιομηχανική παραγωγή

Αυτό έχει κάνει τις Ηνωμένες Πολιτείες παγκόσμιο ηγέτη στην παραγωγή ηλίου. Κατόπιν πρότασης του Sir Richard Threlfall, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ χρηματοδότησε τρία μικρά πειραματικά εργοστάσια για την παραγωγή αυτής της ουσίας κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου για την παροχή μπαλονιών μπαράζ με ένα ελαφρύ, μη εύφλεκτο αέριο ανύψωσης. Το πρόγραμμα παρήγαγε συνολικά 5.700 m3 92% He, αν και είχαν προηγουμένως παραχθεί λιγότερα από 100 λίτρα αερίου. Μέρος αυτού του όγκου χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο αερόπλοιο ηλίου στον κόσμο, το US Navy C-7, το οποίο έκανε το παρθενικό του ταξίδι από το Hampton Roads της Βιρτζίνια στο Bolling Field, Washington, DC στις 7 Δεκεμβρίου 1921.

Αν και η διαδικασία υγροποίησης αερίου σε χαμηλή θερμοκρασία δεν ήταν αρκετά προηγμένη εκείνη την εποχή ώστε να είναι σημαντική κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο, η παραγωγή συνεχίστηκε. Το ήλιο χρησιμοποιήθηκε κυρίως ως αέριο ανύψωσης σε αεροσκάφη. Η ζήτηση γι 'αυτό αυξήθηκε κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, όταν χρησιμοποιήθηκε στη συγκόλληση θωρακισμένου τόξου. Το στοιχείο ήταν επίσης σημαντικό στο έργο της ατομικής βόμβας. Μανχάταν.

Εθνική μετοχή ΗΠΑ

Το 1925, η κυβέρνηση των Ηνωμένων Πολιτειών ίδρυσε το Εθνικό Απόθεμα Ηλίου στο Amarillo του Τέξας, με σκοπό την παροχή στρατιωτικών αερόπλοιων σε περιόδους πολέμου και εμπορικών αερόπλοιων σε περιόδους ειρήνης. Η χρήση φυσικού αερίου μειώθηκε μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, αλλά η προσφορά αυξήθηκε τη δεκαετία του 1950 για να παράσχει, μεταξύ άλλων, την προμήθεια του ως ψυκτικού υγρού που χρησιμοποιείται στην παραγωγή καυσίμου πυραύλων οξυ-υδρογόνου κατά τη διάρκεια του διαστημικού αγώνα και του Ψυχρού Πολέμου. Η χρήση ηλίου στις ΗΠΑ το 1965 ήταν οκτώ φορές μεγαλύτερη από την κατανάλωσή της στον πόλεμο.

Μετά τον νόμο περί ηλίου του 1960, το Bureau of Mines ανέθεσε συμβάσεις σε 5 ιδιωτικές εταιρείες για την εξαγωγή του στοιχείου από φυσικό αέριο. Για αυτό το πρόγραμμα, κατασκευάστηκε ένας αγωγός φυσικού αερίου μήκους 425 χιλιομέτρων που συνδέει αυτά τα εργοστάσια με ένα μερικώς εξαντλημένο κυβερνητικό κοίτασμα φυσικού αερίου κοντά στο Amarillo του Τέξας. Το μείγμα ηλίου-αζώτου αντλήθηκε σε μια υπόγεια εγκατάσταση αποθήκευσης και παρέμεινε εκεί μέχρι να χρειαστεί.

Μέχρι το 1995, είχε συγκεντρωθεί ένα δισεκατομμύριο κυβικά μέτρα αποθέματος και το Εθνικό Απόθεμα ήταν χρέος 1,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων, ωθώντας το Κογκρέσο των ΗΠΑ να το καταργήσει σταδιακά το 1996. Μετά την ψήφιση του νόμου για την ιδιωτικοποίηση του ηλίου το 1996, το Υπουργείο Φυσικών Πόρων ξεκίνησε την εκκαθάριση της εγκατάστασης αποθήκευσης το 2005.

Όγκοι καθαρότητας και παραγωγής

Ηλιο που παρήχθη πριν από το 1945 είχε καθαρότητα περίπου 98%, το υπόλοιπο 2%αντιπροσώπευε άζωτο, το οποίο ήταν αρκετό για αερόπλοια. Το 1945, μια μικρή ποσότητα 99,9 τοις εκατό αερίου παρήχθη για χρήση στη συγκόλληση τόξου. Μέχρι το 1949, η καθαρότητα του προκύπτοντος στοιχείου είχε φτάσει το 99,995%.

Για πολλά χρόνια, οι Ηνωμένες Πολιτείες παρήγαγαν πάνω από το 90% του παγκόσμιου εμπορικού ηλίου. Από το 2004, παράγει 140 εκατομμύρια m3 ετησίως, το 85% των οποίων προέρχεται από τις Ηνωμένες Πολιτείες, το 10% από την Αλγερία και το υπόλοιπο από τη Ρωσία και την Πολωνία. Οι κύριες πηγές ηλίου στον κόσμο είναι τα κοιτάσματα αερίου του Τέξας, της Οκλαχόμα και του Κάνσας.

Διαδικασία λήψης

Ηλιο (καθαρότητα 98,2%) εξάγεται από φυσικό αέριο με υγροποίηση άλλων συστατικών σε χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις. Η απορρόφηση άλλων αερίων από ψυχρό ενεργό άνθρακα επιτυγχάνει καθαρότητα 99,995%. Μια μικρή ποσότητα ηλίου παράγεται από την υγροποίηση του αέρα σε μεγάλη κλίμακα. Περίπου 3,17 κυβικά μέτρα μπορούν να ληφθούν από 900 τόνους αέρα. m αερίου.

Περιοχές εφαρμογής

Το ευγενές αέριο έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορα πεδία.

Το ήλιο, του οποίου οι ιδιότητες καθιστούν δυνατή την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, χρησιμοποιείται ως ψυκτικός παράγοντας στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, υπεραγώγιμοι μαγνήτες σε μηχανές MRI και φασματόμετρα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, δορυφορικό εξοπλισμό και επίσης για υγροποίηση οξυγόνου και υδρογόνο στους πυραύλους Apollo.
Ως αδρανές αέριο για τη συγκόλληση αλουμινίου και άλλων μετάλλων, στην παραγωγή οπτικών ινών και ημιαγωγών.
Για δημιουργίαπίεση στις δεξαμενές καυσίμου των κινητήρων πυραύλων, ειδικά εκείνων που λειτουργούν με υγρό υδρογόνο, δεδομένου ότι μόνο το αέριο ήλιο διατηρεί την κατάσταση συσσώρευσής του όταν το υδρογόνο παραμένει υγρό).
Τα λέιζερ αερίου He-Ne χρησιμοποιούνται για τη σάρωση γραμμωτών κωδίκων στα ταμεία του σούπερ μάρκετ.
Το μικροσκόπιο ιόντων ηλίου παράγει καλύτερες εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.
Λόγω της υψηλής διαπερατότητάς του, το ευγενές αέριο χρησιμοποιείται για τον έλεγχο για διαρροές, για παράδειγμα, σε συστήματα κλιματισμού αυτοκινήτων και για το γρήγορο φούσκωμα των αερόσακων σε περίπτωση σύγκρουσης.
Η χαμηλή πυκνότητα σάς επιτρέπει να γεμίζετε διακοσμητικά μπαλόνια με ήλιο. Το αδρανές αέριο έχει αντικαταστήσει το εκρηκτικό υδρογόνο σε αερόπλοια και μπαλόνια. Για παράδειγμα, στη μετεωρολογία, τα μπαλόνια ηλίου χρησιμοποιούνται για την ανύψωση οργάνων μέτρησης.
Στην κρυογονική τεχνολογία, χρησιμεύει ως ψυκτικό, αφού η θερμοκρασία αυτού του χημικού στοιχείου σε υγρή κατάσταση είναι η χαμηλότερη δυνατή.
Το ήλιο, του οποίου οι ιδιότητες του παρέχουν χαμηλή αντιδραστικότητα και διαλυτότητα στο νερό (και στο αίμα), αναμεμειγμένο με οξυγόνο, έχει βρει εφαρμογή σε αναπνευστικές συνθέσεις για καταδύσεις και εργασία με καίσον.
Μετεωρίτες και πετρώματα αναλύονται για αυτό το στοιχείο για να προσδιοριστεί η ηλικία τους.