HÉLIUM: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, KOCKÁZATOK, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A hélium kémiai elem, He szimbólummal. Ez az első nemesgáz a periódusos rendszerben, és általában a szélső jobb oldalán található. Normál körülmények között inert gáz, mivel kevés vegyülete sem stabil; Nagyon gyorsan tágul, és a legkevesebb forráspontú anyag.

Népszerű szinten ez egy közismert gáz, mivel számtalan rendezvényen vagy gyermekpártnál gyakori annak tanúja, hogy egy léggömb hogyan emelkedik fel, amíg el nem vesszik az égen. A naprendszer sarkain és azon túlmenően azonban valójában és örökre elveszítik azokat a héliumatomokat, amelyek felszabadulnak, amikor a ballon felrobbant vagy leereszkedik.

Héliummal felfújt léggömbök, amelyekhez a legjobban hozzá lehet férni ehhez az elemhez mindennapi helyzetekben. Forrás: Pixabay.

Valójában vannak olyanok, akik - jó okkal - úgy vélik, hogy a hélium ballonok nem megfelelő gyakorlat e gáz számára. Szerencsére fontosabb és érdekesebb felhasználási lehetőségei vannak, köszönhetően fizikai és kémiai tulajdonságainak, amelyek elválasztják a többi kémiai elemetől.

Például a folyékony hélium annyira hideg, hogy bármit megfagyaszthat, például egy fémötvözetből, és szupravezető anyaggá alakul. Hasonlóképpen, ez egy folyadék, amely túlfolyékonyságot mutat, képes felmászni az üvegtartály falára.

A neve annak a ténynek köszönhető, hogy először a Napon, a Földön nem azonosították. Ez a második leggazdagabb elem az egész univerzumban, és bár a földkéregben a koncentráció elhanyagolható, a földgáz, valamint az urán és a torium radioaktív ásványainak tartalmából nyerhető be.

Itt a hélium egy további furcsa tényt bizonyít: egy olyan gáz, amely sokkal bőségesebb az altalajban, mint a légkörben, ahol végül elmenekül a Földtől és gravitációs mezőjétől.

Történelem

A héliumot nem a Földön fedezték fel, hanem a Napon. Valójában a neve a görög „helios” szóból származik, ami napot jelent. Az elem létezése önmagában ellentmondásba helyezte Dmitrij Mendelejev periódusos rendszerét, mivel az új gáz számára nem volt hely; Más szavakkal, addigra a nemesgázokkal kapcsolatban semmilyen semmiféle gyanú nem merült fel.

A „hélium” név, amelyet angolul „hélium” -ként írtak, az -ium utótaggal fejeződött be, amely fémre utal; éppen azért, mert az oxigén, a hidrogén, a fluor, a klór és a nitrogén kivételével más gáz létezését nem lehetett megengedni.

Ezt a nevet Norman Lockyer angol csillagász jelölte, aki Angliából tanulmányozta, amit Jules Janssen francia csillagász megfigyelt Indiában, 1868-ban a napfogyatkozás során.

Sárga spektrális vonal volt egy eddig ismeretlen elemből. Lockyer állítása szerint ennek oka egy új kémiai elem jelenléte volt a Napban.

1895-ben, szinte húsz évvel később, a skót vegyész, Sir William Ramsay felismerte ugyanazt a spektrumot a maradék gázból, amikor egy radioaktív ásványt tanulmányozott: a Cleveit. Tehát itt is volt a hélium a Földön.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

Ampulla hélium mintával, amely áramütés után izzó. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

A hélium színtelen, szagtalan gáz, amelynek nincs íze és szintén inert. Áramütés esetén, és a feszültségkülönbségtől függően, szürkés-lila ködként izzhat (a fenti képen), majd narancssárga ragyogással világít. Ezért a héliumfények narancssárgák.

Atomszám (Z)

kettő

Moláris tömeg

4,002 g / mol

Olvadáspont

-272,2 ºC

Forráspont

-268,92 ° C

Sűrűség

-0,1786 g / L, normál körülmények között, azaz a gázfázisban.

-0,145 g / ml, olvadáspontnál, folyékony hélium.

-0,125 g / ml, ahogy a hélium forrni kezd.

-0,187 g / ml, 0 K és 25 atm mellett, vagyis szilárd hélium az adott nyomás és hőmérséklet körülmények között.

Hármas pont

2,177 K és 5,043 kPa (0,04935 atm)

Kritikus pont

5,1953 K és 0,22746 MPa (2,22448 atm)

A fúziós hő

0,0138 kJ / mol

A párolgás hője

0,0829 kJ / mol

Moláris hőkapacitás

20,78 J / (mol K)

Gőznyomás

0,9869 atm, 4,21 K-nál. Ez az érték elképzelést ad arról, hogy milyen lendületes hélium lehet és milyen könnyen távozik szobahőmérsékleten (298 K közelében).

Ionizációs energiák

-Első: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gáznemű)

-Második: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gáznemű)

A hélium ionizációs energiája különösen magas, mivel a gáz-halmaz atomnak el kell veszítenie egy elektronot, amely erős effektív nukleáris töltéssel rendelkezik. Az is megérthető, ha figyelembe vesszük az atom kicsi méretét és azt, hogy a két elektron milyen közel van "a maghoz" (két protonnal és két neutronjával).

Oldhatóság

Vízben 0,97 ml oldódik minden 100 ml vízre 0 ° C-on, ami azt jelenti, hogy rosszul oldódik.

Reakcióképesség

A hélium a természetben a második legkevésbé reaktív kémiai elem. Normál körülmények között helyes azt mondani, hogy inert gáz; Soha (úgy tűnik), a héliumvegyülettel nem lehet manipulálni egy helyiségben vagy laboratóriumban, ha erre óriási nyomás hat; vagy talán drámaian magas vagy alacsony hőmérsékletet.

Egy példa látható a vegyület Na ₂ Ő, amely stabil csak nyomáson 300 GPa, reprodukálható a gyémánt üllő sejt.

Noha a kémiai kötés a Na ₂ He-ben "furcsa", mivel elektronuk jól helyezkedik el a kristályokban, ezek messze nem a Van der Walls kölcsönhatásai, ezért nem csupán molekuláris aggregátumok által csapdázott hélium atomokból állnak.. Itt merül fel a dilemmája, mely héliumvegyületek valók és melyek nem.

Például, a magas nyomáson lévő nitrogénmolekulák csapdába ejtik a hélium atomot, hogy egyfajta klatrátot képezzenek, He (N ₂) ₁₁.

Hasonlóképpen vannak a fullerénkationok endoéderes komplexei, C ₆₀ ^{+ n} és C ₇₀ ^{+ n}, amelyek üregeiben hélium atomokat tudnak elhelyezni; és a nagyon távoli ködökben található HeH ⁺ (He-H ⁺) molekuláris kation.

Oxidációs szám

A kíváncsiság, akik megpróbálják, hogy kiszámítja a oxidációs számát hélium annak bármely vegyületek fogják ismerni, hogy ez a értéke 0. A Na ₂ lett, például gondolhatnánk, hogy a képlet megfelel hipotetikus Na ₂ ⁺ I ^2-; de azt feltételezhetnénk, hogy tiszta ionos jelleggel rendelkezik, amikor a valóságban kötései messze nem ilyenek.

Ezenkívül a hélium nem szerez elektronokat, mert nem képes befogadni őket a 2s-es keringőben, energetikailag nem elérhető; Elveszítheti azokat az atom kis méretének és a magjának a hatékony effektív nukleáris töltése miatt sem. Ezért hélium mindig részt (elméletben), mint Ő ⁰ atom annak származó vegyületek.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A hélium, akárcsak a makroskálán megfigyelt összes gáz, elfoglalja a tárolóedények térfogatát, így határozatlan formájú. Amikor azonban a hőmérséklet csökken, és -269 ° C alá kezd hűlni, a gáz színtelen folyadékká kondenzálódik; I. hélium, ez az elem a két folyadékfázis közül az első.

Ennek oka, hogy a hélium ilyen alacsony hőmérsékleten kondenzálódik, annak az alacsony szétszórási erőnek tudható be, amely atomjait együtt tartja; bármi is legyen a figyelembe vett fázis. Ez az elektronikus konfigurációval magyarázható:

1s ²

Amelyben két elektron foglalja el az 1s atomi pályát. A hélium szinte tökéletes gömbként jeleníthető meg, amelynek homogén elektronikus perifériája valószínűleg nem polarizálódik a magban lévő két proton hatékony nukleáris töltésével.

Így a spontán és indukált dipól pillanatok ritkák és nagyon gyengék; tehát a hőmérsékletnek abszolút nullához kell közelednie, hogy a He-atomok elég lassan megközelítsék és elérjék, hogy diszpergáló erőik folyadékot határozzanak meg; vagy még jobb, héliumkristály.

dimerek

A gáznemű fázisban a He atomokat elválasztó tér olyan nagy, hogy feltételezhető, hogy mindig külön vannak egymástól. Annyira, hogy egy kis térfogatú injekciós üvegben a hélium színtelennek tűnik, amíg elektromos kisülésnek nem teszi ki, amely atomjait szürkés és halványan megvilágított ködben ionizálja.

A folyékony fázisban azonban a He atomokat - még gyenge kölcsönhatásuk esetén is - már nem lehet figyelmen kívül hagyni. A diszperziós erő lehetővé teszi számukra, hogy egy pillanatra összekapcsolódjanak dimerök kialakulásával: He-He vagy He ₂. Ennélfogva, hélium azt lehet úgy, mint a nagy klaszterek Ő ₂, egyensúlyban a atomok a gőzfázisban.

Ezért olyan nehéz az I. hélium megkülönböztetni gőzétől. Ha ez a folyadék kiömlött a légmentesen záró tartályból, fehéres fáklyaként távozik el.

Hélium II

Amikor a hőmérséklet még tovább esik, és megérinti a 2,178 K (-270,972 ºC) hőmérsékletet, fázisátmenet következik be: az I hélium II héliummá alakul.

Ettől a ponttól kezdve a már lenyűgöző hélium folyadék szuperfolyadékká vagy kvantumfolyadékká válik; vagyis makroszkopikus tulajdonságai úgy nyilvánulnak meg, mintha a He ₂ dimer egyedi atomok lennének (és lehet, hogy vannak). Hiányzik a teljes viszkozitása, mivel nincs olyan felület, amely megállíthat egy atomot csúszó vagy "mászás" közben.

Ezért tud a II. Hélium mászni az üvegtartály falán, legyőzve a gravitációs erőt; nem számít, mennyire magasak, mindaddig, amíg a felület ugyanazon a hőmérsékleten marad, és ezért nem illékony.

Emiatt a folyékony hélium nem tárolható üvegedényekben, mivel a legkisebb repedésnél vagy résnél eljuthatna; nagyon hasonló ahhoz, hogy mi történne egy gázzal. Ehelyett rozsdamentes acélt használnak az ilyen edények (Dewars tartályok) tervezésére.

Crystals

Még ha a hőmérséklet is 0 K-ra (abszolút nulla) esne, a He-atomok közötti szórási erő nem lesz elég erős ahhoz, hogy azokat kristályos szerkezetbe rendezzék. A megszilárdulás előfordulásához a nyomásnak kb. 25 atm-re kell emelkednie;, majd kompakt hatszögletű héliumkristályok (hcp) jelennek meg.

A geofizikai vizsgálatok azt mutatják, hogy ez a hcp-struktúra változatlan marad, függetlenül attól, hogy mekkora a nyomás (a gigapaszkalisokig, GPa-ig). A nyomás-hőmérsékleti diagramjukban azonban szűk terület van, ahol ezek a hcp-kristályok átmennek egy test-központú köbös fázisba (bcc).

Hol található és szerezhető be

Kozmosz és sziklák

A hélium az univerzum második legelterjedtebb eleme és tömegének 24% -a. Forrás: Pxhere.

A hélium a második leggazdagabb elem az egész univerzumban, csak a hidrogén után. A csillagok folyamatosan mérhetetlen mennyiségű héliumatomot állítanak elő azzal, hogy két hidrogénmagot összeolvasztanak a nukleoszintézis során.

Hasonlóképpen, minden olyan radioaktív eljárás, amely az α-részecskéket bocsátja ki, hélium atomok képződésének forrása, ha ezek kölcsönhatásba lépnek a környezetben lévő elektronokkal; például egy olyan kőtesttel, amelyben urán és tórium radioaktív ásványi anyagai találhatók. Ez a két elem uránnal kezdve radioaktív bomláson megy keresztül:

Az urán radioaktív bomlása az alfa-részecskék képződésén keresztül, amelyek később héliumatommá alakulnak a föld alatti lerakódásokban. Forrás: Gabriel Bolívar.

Ezért azokban a kőzetekben, ahol ezek a radioaktív ásványok koncentrálódnak, a hélium-atomok csapdába esnek, amelyek felszabadulnak, ha savas közegben emésztik őket.

Ezek közül az ásványok közül a Cleveit, a carnotite és az uraninite, amelyek mindegyike uránoxidokból (UO ₂ vagy U ₃ O ₈), valamint tórium, nehézfémek és ritka földfémek szennyeződéseiből áll. A földalatti csatornákon keresztül öntözött hélium felhalmozódhat a földgáztartályokban, ásványforrásokban vagy meteorikus vasokban.

Becslések szerint évente 3000 tonna hélium tömeg keletkezik a litoszférában urán és torium radioaktív bomlásából.

Levegő és tengerek

A hélium nem oldódik vízben nagyon, így inkább, mint később a mélységből emelkedik (bárhol is van eredete), egészen addig, amíg át nem halad a légkör rétegein, és végül eljut a világűrbe. Atomjai annyira kicsik és világosak, hogy a Föld gravitációs tere nem képes visszatartani őket a légkörben.

A fentiek miatt a hélium koncentrációja a levegőben (5,2 ppm) és a tengerekben (4 ppt) nagyon alacsony.

Ha ezt azután ki akarjuk venni e két közeg bármelyikéből, akkor a "legjobb" lehetőség a levegő, amelyet először cseppfolyósításnak kell alávetni, hogy összes alkotóeleme gázát kondenzálja, miközben a hélium gáznemű állapotban marad.

Ugyanakkor nem célszerű héliumot levegőből, hanem radioaktív ásványokkal dúsított kőzetekből előállítani; vagy még jobb, a földgázkészletekből, ahol a hélium teljes tömegének legfeljebb 7% -át teheti ki.

Földgáz cseppfolyósítás és desztilláció

A levegő cseppfolyósítása helyett könnyebb és jövedelmezőbb olyan földgáz használata, amelynek hélium összetétele kétségtelenül sokkal nagyobb. Így a hélium előállításához a par excellence (kereskedelmi) alapanyag földgáz, amelyet frakcionált desztillációnak is alávethetünk.

A desztilláció végterméke aktív szén tisztításával befejeződik, amelyen keresztül egy nagyon tiszta hélium jut át. És végül, a héliumot elválasztják a neontól kriogén eljárással, ahol folyékony héliumot használnak.

Izotóp

A hélium elsősorban a természetben fordul elő, mint a ⁴ He izotóp, amelynek csupasz magja a híres α részecske. Ez a ⁴ He atom két neutronnal és két protonnal rendelkezik. Kevésbé gyakori a ³ He izotóp, amelyben csak egy neutron van. Az első nehezebb (magasabb atomtömegű), mint a második.

Tehát a ³ He és ⁴ He izotóp pár meghatározza a mérhető tulajdonságokat és azt, hogy mit értünk a hélium kémiai elemként. Tekintettel arra, hogy ³ He világosabb, feltételezzük, hogy atomjai nagyobb kinetikus energiával rendelkeznek, és ennélfogva még alacsonyabb hőmérsékletre van szükségük, hogy szuperfolyadékká váljanak.

A ³ Ő tekinthető egy nagyon ritka faj a Földön; a holdtalajokban azonban ez sokkal nagyobb (körülbelül kétszerese). Ezért vannak a projektek és történetek tárgyai a Holdra, amely lehetséges forrásként szolgál a ³ He számára, amelyet nukleáris üzemanyagként lehet használni a jövő űrhajóinak.

A hélium egyéb izotópjai között megemlíthető a megfelelő felezési idő: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ^–22 s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) és ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

kockázatok

A hélium inert gáz, ezért nem vesz részt a testünkben bekövetkező reakciók egyikében sem.

Atomjai gyakorlatilag be- és kilégzéskor kilépnek anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének a biomolekulákkal, és hátsó hatást fejtenek ki; kivéve a hangkábelek által kibocsátott hangot, amely egyre magasabb és gyakoribb.

Azok az emberek, akik léggömbből (mérsékelten) belélegzik a héliumot, magas hangon beszélnek, hasonlóan egy mókushoz (vagy kacsahoz).

A probléma az, hogy ha az említett személy nem megfelelő mennyiségű héliumot belélegzik, akkor fennáll a fulladás veszélye, mivel atomjai kiszorítják az oxigénmolekulákat; ezért nem tud belélegezni mindaddig, amíg ki nem lélegzi az összes héliumot, amely nyomása miatt elronthatja a tüdőszövetet vagy barotraumát okozhat.

A közelmúltban kifejtett okok miatt beszámoltak olyan esetekről, amikor a hélium belélegzése meghalt.

Másrészről, noha nem jelent tűzveszélyt, mivel az oxigénnel (vagy más anyaggal) szemben nem reagál, a nagy nyomás alatt tárolva és kilépve szivárgása fizikailag veszélyes lehet.

Alkalmazások

A hélium fizikai és kémiai tulajdonságai nemcsak speciális gázzá teszik azt, hanem nagyon hasznos anyagként a rendkívül alacsony hőmérsékletet igénylő alkalmazásokhoz is. Ebben a szakaszban ezeknek az alkalmazásoknak vagy felhasználásoknak a néhánya foglalkozik.

Nyomás- és légtelenítő rendszerek

Bizonyos rendszerekben meg kell növelni a nyomást (nyomás alá kell helyezni), és ehhez be kell vezetni vagy szállítani egy olyan gázt, amely nem lép kölcsönhatásba valamelyik alkotóelemmel; például nem kívánt reakciókra érzékeny reagensekkel vagy felületekkel.

Így a nyomást héliummennyiséggel lehet növelni, amelynek kémiai tehetetlensége ideális erre a célra. Az általa biztosított közömbös légkör bizonyos esetekben meghaladja a nitrogén atmoszféráját.

A fordított folyamathoz, azaz a tisztításhoz, a héliumot szintén használják, mivel képesek minden oxigént, vízgőzt vagy más gázt elvezetni, amelyek jelenlétét eltávolítani kívánják. Ily módon csökken a rendszer nyomása, miután a hélium kiürült.

Szivárgások észlelése

A hélium a legcsekélyebb repedésen keresztül kiszivároghat, tehát csövekben, nagyvákuumú tartályokban vagy kriogén tartályokban lévő szivárgások kimutatására szolgál.

Az észlelést néha vizuálisan vagy érintéssel is meg lehet valósítani; ez azonban leginkább egy detektor, amely "jelzi", hogy hol és mennyi hélium távozik az ellenőrzött rendszerből.

Vivőgáz

A héliumatomok, amint azt a tisztítórendszereknél említik, nehezebb molekulákat hordozhatnak, nyomástól függően. Például ezt az elvet naponta alkalmazzák a gázkromatográfiás elemzésben, mivel az a porlasztott mintát az oszlop mentén húzhatja, ahol kölcsönhatásba lép a helyhez kötött fázissal.

Léggömbök és léghajók

A héliumot léghajók felfújására használják, és sokkal biztonságosabb, mint a hidrogén, mivel nem gyúlékony gáz. Forrás: Pixabay.

A levegőhöz képest alacsony sűrűsége és az oxigénnel való reaktívképesség hiánya miatt a gyermekek partián léggömbök felfújására (oxigénnel keverve, hogy senki ne fulladjon levegőn) és léghajókhoz (felső kép), anélkül, hogy tűzveszélyt jelentene.

Búvárkodás

A hélium az oxigéntartályok egyik fő alkotóeleme, amellyel a búvárok lélegeznek. Forrás: Pxhere.

Amikor a búvárok nagyobb mélységre szállnak le, nehezen tudnak lélegezni a víz nagy nyomása miatt. Ezért héliumot adnak az oxigéntartályaikhoz, hogy csökkentsék a gázok sűrűségét, amelyet a búvárok lélegeznek és kilégznek, és így kevesebb munkával kilégzik.

Ív hegesztés

A hegesztési folyamat során az elektromos ív elegendő hőt szolgáltat a két fémek összekapcsolásához. Hélium atmoszférában hajtva, az izzó fém nem reagál a levegőben lévő oxigénnel, és annak megfelelő oxidjává válik; ezért a hélium megakadályozza, hogy ez megtörténjen.

A szupravezetők

A folyékony héliumot a nukleáris mágneses rezonancia leképezésben használt mágnesek lehűtésére használják. Forrás: Jan Ainali

A folyékony hélium annyira hideg, hogy lefagyaszthatja a fémeket szupravezetőkké. Ennek köszönhetően nagyon erős mágneseket lehetett előállítani, amelyeket folyékony héliummal hűtve használtak képolvasókban vagy magmágneses rezonancia-spektrométerekben.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (2019. április 17.). A űrben első ízben detektált hélium-hidrid-ion: bizonyítékok találhatók a megcáfolhatatlan kémiára az univerzum első percében. Helyreállítva: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (2009. augusztus 19.). Hélium. A kémia az elemében. Helyreállítva: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Hélium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM és Bassett, WA (1988). A hélium kristályszerkezete és sűrűsége 232 Kbar-ig. Helyreállítva: cikkeket.adsabs.harvard.edu
6. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Hélium. PubChem adatbázis. CID = 23987. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (2017. február 6.) Fel, fel és távol: A vegyészek azt mondják: igen, a hélium vegyületeket képezhet. Utah Állami Egyetem. Helyreállítva: fiz.org
8. Steve Gagnon. (Sf). Az hélium izotópjai. Jefferson Lab. Visszaállítva a következőből: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Hélium. Helyreállítva: chemistryexplained.com