Гелий: касиеттери, мүнөздөмөлөрү, колдонулушу

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-02 17:51

Гелий – мезгилдик системанын 18-тобундагы инерттүү газ. Бул суутектен кийинки эң жеңил элемент. Гелий түссүз, жытсыз жана даамсыз газ, ал -268,9 °C суюктукка айланат. Анын кайноо жана тоңуу чекиттери башка белгилүү заттарга караганда төмөн. Бул кадимки атмосфералык басымда муздаганда катып калбаган жалгыз элемент. Гелийдин катууланышы үчүн 1 К температурада 25 атмосфера талап кылынат.

Ачылуулар таржымалы

Гелийди Күндү курчап турган газдуу атмосферада француз астроному Пьер Янсен ачкан, ал 1868-жылы тутулуу учурунда Күн хромосферасынын спектринде ачык сары сызыкты ачкан. Бул сызык алгач натрий элементин билдирет деп ойлошкон. Ошол эле жылы англиялык астроном Джозеф Норман Локиер күн спектринде натрийдин D₁ жана D₂ сызыктарына дал келбеген сары сызыкты байкаган., ошондуктан ал анын сабын D_{3 деп атады. Локиер аны Жерде белгисиз Күндөгү зат пайда кылган деген жыйынтыкка келген. Ал жана химик Эдвард Франкленд элементтин атын колдонушканКүндүн грекче аты Гелиос.}

1895-жылы британиялык химик сэр Уильям Рэмсей Жерде гелийдин бар экенин далилдеген. Ал курамында уран бар минералдык клевиттин үлгүсүн алды жана аны ысытканда пайда болгон газдарды изилдегенден кийин, спектрдеги ачык сары сызык 2009-жылы байкалган D_{3 сызыгы менен дал келгенин аныктады. Күндүн спектри. Ошентип, жаңы элемент акыры орнотулду. 1903-жылы Рамсей жана Фредерик Содду гелий радиоактивдүү заттардын өзүнөн-өзү ажыроо продуктусу экенин аныкташкан.}

Жаратылышта таралган

Гелийдин массасы ааламдын жалпы массасынын болжол менен 23% түзөт жана элемент мейкиндикте экинчи орунда турат. Ал жылдыздарда топтолгон, ал жерде термоядролук синтездин натыйжасында суутектен пайда болгон. Гелий жердин атмосферасында 200 миңге 1 бөлүк (5 ppm) концентрацияда жана аз өлчөмдө радиоактивдүү минералдарда, метеорит темиринде жана минералдык булактарда кездешсе да, элементтин көп өлчөмү Америка Кошмо Штаттарында (өзгөчө Техас, Нью-Йорк). Мексика, Канзас, Оклахома, Аризона жана Юта) жаратылыш газынын компоненти катары (7,6%ке чейин). Кичинекей запастар Австралия, Алжир, Польша, Катар жана Россияда табылган. Жер кыртышында гелийдин концентрациясы болгону 8 ppb.

Изотоптор

Ар бир гелий атомунун ядросунда эки протон бар, бирок башка элементтер сыяктуу анын да изотоптору бар. Алардын курамында бирден алтыга чейин нейтрон бар, ошондуктан алардын массалык саны үчтөн сегизге чейин. Туруктуу элементтер гелийдин массасы 3 (³He) жана 4 (⁴He) атомдук сандары менен аныкталган элементтер. Калгандарынын баары радиоактивдүү жана башка заттарга өтө тез ажырайт. Жердик гелий планетанын баштапкы компоненти эмес, ал радиоактивдүү ажыроонун натыйжасында пайда болгон. Оор радиоактивдүү заттардын ядролору чыгарган альфа бөлүкчөлөрү ⁴He изотопунун ядролору. Жердин тартылуу күчү анын акырындап космоско чыгышына тоскоол боло албагандыктан, гелий атмосферада көп топтолбойт. Жердеги ³Хенин издери сейрек кездешүүчү суутек-3 элементинин (тритий) терс бета ажыроосу менен түшүндүрүлөт. ⁴Ал туруктуу изотоптордун эң көп бөлүгү: ⁴Ал атомдорго ^{3Ал катышы атмосферада 700 миңден 1ге жакын, кээ бир гелий камтыган минералдарда 7 миллиондон 1ге жакын.}

Гелийдин физикалык касиеттери

Бул элементтин кайноо жана эрүү чекиттери эң төмөн. Ушул себептен улам, гелий экстремалдык шарттардан тышкары, газ катары бар. Газ түрүндөгү Ал башка газдарга караганда сууда аз эрийт жана катуу заттар аркылуу диффузия ылдамдыгы абага караганда үч эсе көп. Анын сынуу көрсөткүчү 1ге жакын келет.

Гелийдин жылуулук өткөргүчтүгү боюнча суутектен кийинки экинчи орунда турат жана анын салыштырма жылуулук сыйымдуулугу адаттан тыш жогору. Кадимки температурада кеңейүү учурунда ысып, 40 К дан төмөн муздайт. Ошондуктан, T<40 K, гелийди айландырса болоткеңейүү жолу менен суюк.

Элемент иондоштурулган абалда болбосо, ал диэлектрик болот. Башка асыл газдардай эле гелийдин чыңалуусу иондошуу потенциалынан төмөн бойдон калганда электрдик разрядда иондошкон бойдон калууга мүмкүндүк берген метастабилдүү энергия деңгээли бар.

Гелий-4 уникалдуу, анын эки суюк формасы бар. Кадимки гелий I деп аталат жана кайноо температурасы 4,21 К (-268,9 °C) дан 2,18 К (-271 °C) чейинки температурада болот. 2,18 К төмөн, жылуулук өткөрүмдүүлүк 4Ал жезден 1000 эсе көп болот. Бул форма кадимки формадан айырмалоо үчүн гелий II деп аталат. Бул ашыкча суюктук: илешкектүүлүгү ушунчалык төмөн болгондуктан, аны өлчөө мүмкүн эмес. Гелий II тийген нерсенин бетине жука пленка болуп тарайт жана бул пленка тартылуу күчүнө каршы да сүрүлүүсүз агат.

Азыраак келген гелий-3 үч түрдүү суюк фазаны түзөт, алардын экөөсү ашыкча суюктук. ⁴-дагы ашыкча суюктукАл 1930-жылдардын орто ченинде советтик физик Петр Леонидович Капица тарабынан ачылган жана ошол эле кубулушту ^{3Аны биринчи жолу байкаган. Дуглас Д. Ошеров, Дэвид М. Ли жана Роберт С. Ричардсон АКШдан 1972-ж.}

0,8 К (-272,4 °C) төмөн температурада гелий-3 жана -4 эки изотопунун суюк аралашмасы эки катмарга бөлүнөт - дээрлик таза ³Ал жана⁴Ал 6% гелий-3 менен аралашмасы. ³Алдын ^{4га эриши муздатуу эффектиси менен коштолот, ал гелийдин температурасы төмөндөгөн криостаттарды конструкциялоодо колдонулат.0,01 К (-273,14 °C) төмөн жана ал жерде бир нече күн сакталат.}

Байланыштар

Кадимки шарттарда гелий химиялык жактан инерттүү. Экстремалдуу шарттарда сиз кадимки температурада жана басымда туруктуу эмес элементтердин байланыштарын түзө аласыз. Мисалы, гелий электрондор менен бомбаланганда же плазма абалында электр жарыгы разрядына кабылганда йод, вольфрам, фтор, фосфор жана күкүрт менен кошулмаларды түзө алат. Ошентип, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ жана He₂ молекулярдык иондор түзүлдү+^{, Эмес}2++^{, HeH}+ ^{жана HeD+}. Бул ыкма ошондой эле нейтралдуу молекулаларды He² жана HgHe алууга мүмкүндүк берди.

Плазма

Ааламда иондоштурулган гелий басымдуу таралган, анын касиеттери молекулярдыкынан олуттуу айырмаланат. Анын электрондору жана протондору байланышпайт, ал тургай жарым-жартылай иондоштурулган абалда өтө жогорку электр өткөрүмдүүлүккө ээ. Заряддалган бөлүкчөлөргө магниттик жана электрдик талаалар катуу таасир этет. Мисалы, күн шамалында гелий иондору иондоштурулган суутек менен бирге Жердин магнитосферасы менен өз ара аракеттенип, аврораларды пайда кылат.

АКШнын ачылышы

1903-жылы скважинаны бургулоодон кийин Канзас штатынын Декстер шаарында күйүүчү эмес газ алынган. Алгач анын курамында гелий бар экени белгилүү болгон эмес. Кайсы газ табылганын мамлекеттик геолог Эразмус Ховорт аныктагананын үлгүлөрүн чогултуп, Канзас университетинде химиктер Кэди Гамильтон жана Дэвид Макфарланддын жардамы менен анын курамында 72% азот, 15% метан, 1% суутек жана 12% бар экени аныкталган эмес. Андан ары талдоодон кийин, окумуштуулар үлгүнүн 1,84% гелий экенин аныкташкан. Ошентип, алар бул химиялык элемент Улуу түздүктөрдө эбегейсиз көп санда бар экенин жана аны жаратылыш газынан алууга болоорун билишкен.

Өнөр жай өндүрүшү

Бул Америка Кошмо Штаттарын гелий өндүрүү боюнча дүйнө лидерине айлантты. Сэр Ричард Трелфолдун сунушу боюнча, АКШнын Аскер-деңиз флоту Биринчи Дүйнөлүк Согуш учурунда бул затты чыгаруучу үч чакан эксперименталдык заводду каржылаган, аба шарларын жеңил, күйбөгөн көтөрүүчү газ менен камсыз кылган. Программада жалпысынан 5700 м3 92% He өндүрүлгөн, бирок мурда 100 литрден аз газ өндүрүлгөн. Бул көлөмдүн бир бөлүгү 1921-жылдын 7-декабрында Хэмптон Роудс (Виржиния штаты) шаарынан Боллинг Филдге (Вашингтон, Колумбия округуна) алгачкы саякатын жасаган АКШнын Аскер-деңиз флотунун C-7 аттуу биринчи гелий дирижабльинде колдонулган.

Төмөн температурадагы газды суюлтуу процесси Биринчи Дүйнөлүк Согуш маалында жетиштүү деңгээлде өнүкпөгөнүнө карабастан, өндүрүш улантылган. Гелий негизинен учактарда көтөрүүчү газ катары колдонулган. Ага болгон суроо-талап Экинчи Дүйнөлүк Согуш учурунда, ал корголгон дога менен ширетүүдө колдонулганда өскөн. Бул элемент атомдук бомба долбоорунда да маанилүү болгон. Манхэттен.

АКШнын улуттук запасы

1925-жылы Америка Кошмо Штаттарынын өкмөтү Амариллодо (Техас штаты) улуттук гелий коругуну согуш маалында аскердик дирижабльдерди жана тынчтык мезгилде коммерциялык дирижабльдерди камсыз кылуу максатында түзгөн. Газды колдонуу Экинчи Дүйнөлүк Согуштан кийин азайган, бирок 1950-жылдары газдын көлөмү башка нерселер менен катар космостук жарышта жана Кансыз согуш учурунда кычкылтектүү ракета отун өндүрүүдө колдонулган муздаткыч катары камсыз кылуу үчүн көбөйгөн. 1965-жылы АКШнын гелийди колдонуусу согуш мезгилиндеги эң жогорку керектөөсүнөн сегиз эсе көп болгон.

1960-жылдагы гелий мыйзамынан кийин, Кен бюросу жаратылыш газынан элементти алуу үчүн 5 жеке компания менен келишим түзгөн. Бул программа үчүн 425 километрдик газ түтүгү бул заводдорду Амарилло, Техас штатына жакын жердеги жарым-жартылай түгөнгөн мамлекеттик газ кенине байланыштырган. Гелий-азот аралашмасы жер астындагы сактоочу жайга айдалып, керек болгонго чейин ошол жерде калды.

1995-жылга карата бир миллиард куб метр запас чогулуп, Улуттук резервдин карызы 1,4 миллиард долларды түзгөн, бул АКШ Конгрессин 1996-жылы акырындык менен жоюуга түрткү болгон. 1996-жылы гелийди менчиктештирүү мыйзамы кабыл алынгандан кийин, Жаратылыш ресурстар министрлиги 2005-жылы сактоочу жайды жоюуга киришкен.

Тазалык жана өндүрүш көлөмү

1945-жылга чейин өндүрүлгөн гелийдин тазалыгы болжол менен 98%, калганы 2% болгон.дирижабльдер үчүн жетиштүү болгон азотту түзгөн. 1945-жылы дога менен ширетүүдө колдонуу үчүн аз өлчөмдө 99,9 пайыз газ өндүрүлгөн. 1949-жылы пайда болгон элементтин тазалыгы 99,995% жеткен.

Көп жылдар бою АКШ дүйнөдөгү коммерциялык гелийдин 90%дан ашыгын өндүрүп келген. 2004-жылдан бери жыл сайын 140 миллион m3 өндүрөт, анын 85% АКШдан, 10% Алжирден, калганы Орусия менен Польшадан келет. Дүйнөдөгү гелийдин негизги булактары Техас, Оклахома жана Канзас штаттарынын газ кендери болуп саналат.

Кабыл алуу процесси

Гелий (тазалыгы 98,2%) табигый газдан башка компоненттерди төмөнкү температурада жана жогорку басымда суюлтуу жолу менен алынат. Муздатылган активдештирилген көмүр менен башка газдардын адсорбциясы 99,995% тазалыкка жетет. Аз өлчөмдөгү гелий абаны ири өлчөмдө суюлтуу жолу менен өндүрүлөт. 900 тонна абадан 3,17 кубометрге жакынын алууга болот. м газ.

Колдонуу аймактары

Асыл газ ар кандай тармактарда колдонулган.

Касиеттери өтө төмөн температураларды алууга мүмкүндүк берген гелий Чоң адрон коллайдеринде муздатуучу агент катары, MRI аппараттарында жана ядролук магниттик-резонанстык спектрометрлерде, спутниктик жабдууларда, ошондой эле кычкылтекти суюлтууда супер өткөргүч магниттер катары колдонулат. жана Аполлон ракеталарында суутек.
Алюминийди жана башка металлдарды ширетүүдө инерттүү газ катары, оптикалык булаларды жана жарым өткөргүчтөрдү өндүрүүдө.
Түзүү үчүнракета кыймылдаткычтарынын, өзгөчө суюк водороддо иштеген күйүүчү май бактарындагы басым, анткени суутек суюк бойдон калганда газ түрүндөгү гелий гана агрегация абалын сактайт);
He-Ne газ лазерлери супермаркет кассаларында штрих-коддорду сканерлөө үчүн колдонулат.
Гелий-ион микроскобу электрондук микроскопко караганда жакшыраак сүрөттөрдү чыгарат.
Өткөмдүүлүгү жогору болгондуктан, асыл газ, мисалы, унаанын кондиционер системаларындагы агып кетүүлөрдү текшерүү үчүн жана кырсык болгондо аба жаздыктарын тез ачуу үчүн колдонулат.
Төмөн тыгыздык декоративдик шарларды гелий менен толтурууга мүмкүндүк берет. Инерттик газ дирижабльдерде жана шарларда жарылуучу суутектин ордун басты. Мисалы, метеорологияда гелий шарлары өлчөө аспаптарын көтөрүү үчүн колдонулат.
Криогендик технологияда ал муздаткыч катары кызмат кылат, анткени суюк абалда бул химиялык элементтин температурасы мүмкүн болгон эң төмөн.
Гелий, анын касиеттери кычкылтек менен аралашкан сууда (жана канда) төмөн реактивдүүлүктү жана эригичтигин камсыздайт, акваланг жана кессон иштери үчүн дем алуу композицияларында колдонулуучу.
Метеориттер жана таштар алардын жашын аныктоо үчүн бул элементке талданышат.