Հելիում. հատկություններ, բնութագրեր, կիրառություններ

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Հելիումը պարբերական համակարգի 18-րդ խմբի իներտ գազ է։ Այն երկրորդ ամենաթեթև տարրն է ջրածնից հետո։ Հելիումը անգույն, անհոտ և անհամ գազ է, որը հեղուկ է դառնում -268,9 °C-ում։ Նրա եռման և սառեցման կետերը ավելի ցածր են, քան որևէ այլ հայտնի նյութի: Այն միակ տարրն է, որը նորմալ մթնոլորտային ճնշման տակ սառչելիս չի ամրանում։ Հելիումի ամրացման համար պահանջվում է 25 մթնոլորտ 1 Կ ջերմաստիճանում։

Հայտնաբերման պատմություն

Հելիումը հայտնաբերվել է Արեգակը շրջապատող գազային մթնոլորտում ֆրանսիացի աստղագետ Պիեռ Ժանսենի կողմից, ով 1868 թվականին խավարման ժամանակ հայտնաբերեց վառ դեղին գիծ արեգակնային քրոմոսֆերայի սպեկտրում։ Ի սկզբանե ենթադրվում էր, որ այս գիծը ներկայացնում է նատրիումի տարրը: Նույն թվականին անգլիացի աստղագետ Ջոզեֆ Նորման Լոքյերը դիտեց դեղին գիծ արեգակնային սպեկտրում, որը չէր համապատասխանում հայտնի նատրիումի D₁ և D₂ գծերին:, և այսպես, նա անվանեց նրա տողը D_{3: Լոկյերը եզրակացրեց, որ այն առաջացել է Արեգակի վրա Երկրի վրա անհայտ նյութի պատճառով: Նա և քիմիկոս Էդվարդ Ֆրանկլանդը օգտագործել են տարրի անվանումըԱրեգակի հունարեն անունը Հելիոս է:}

1895 թվականին բրիտանացի քիմիկոս սըր Ուիլյամ Ռեմզին ապացուցեց Երկրի վրա հելիումի գոյությունը։ Նա ստացավ ուրանի պարունակող հանքային կլեվեիտի նմուշ և ուսումնասիրելով այն գազերը, որոնք ձևավորվում էին այն տաքացնելիս, նա պարզեց, որ սպեկտրի վառ դեղին գիծը համընկնում է D_{3 գծի հետ, որը դիտվել է Արեգակի սպեկտրը. Այսպիսով, նոր տարրը վերջապես տեղադրվեց։ 1903 թվականին Ռամզին և Ֆրեդերիկ Սոդդուն որոշեցին, որ հելիումը ռադիոակտիվ նյութերի ինքնաբուխ քայքայման արդյունք է։}

Տարածվել բնության մեջ

Հելիումի զանգվածը կազմում է տիեզերքի ողջ զանգվածի մոտ 23%-ը, և տարերքը տարածության մեջ երկրորդն է ամենաառատությամբ: Այն կենտրոնացած է աստղերում, որտեղ առաջանում է ջրածնից՝ ջերմամիջուկային միաձուլման արդյունքում։ Չնայած հելիումը երկրագնդի մթնոլորտում հայտնաբերված է 1 մաս 200 հազարին (5 ppm) և փոքր քանակությամբ հանդիպում է ռադիոակտիվ հանքանյութերում, երկնաքարային երկաթում և հանքային աղբյուրներում, այդ տարրի մեծ քանակությունը հայտնաբերվել է Միացյալ Նահանգներում (հատկապես Տեխասում, Նյու Յորքում) Մեքսիկայում, Կանզասում, Օկլահոմայում, Արիզոնայում և Յուտաում) որպես բնական գազի բաղադրիչ (մինչև 7,6%)։ Փոքր պաշարներ են հայտնաբերվել Ավստրալիայում, Ալժիրում, Լեհաստանում, Կատարում և Ռուսաստանում։ Երկրակեղևում հելիումի կոնցենտրացիան կազմում է ընդամենը մոտ 8 ppb:

Իզոտոպներ

Յուրաքանչյուր հելիումի ատոմի միջուկը պարունակում է երկու պրոտոն, սակայն, ինչպես մյուս տարրերը, այն ունի իզոտոպներ: Նրանք պարունակում են մեկից վեց նեյտրոններ, ուստի նրանց զանգվածային թիվը տատանվում է երեքից մինչև ութ:Կայունները այն տարրերն են, որոնց հելիումի զանգվածը որոշվում է 3 (³He) և 4 (⁴He) ատոմային թվերով: Մնացած բոլորը ռադիոակտիվ են և շատ արագ քայքայվում են այլ նյութերի: Երկրային հելիումը մոլորակի սկզբնական բաղադրիչը չէ, այն առաջացել է ռադիոակտիվ քայքայման արդյունքում։ Ծանր ռադիոակտիվ նյութերի միջուկներից արտանետվող ալֆա մասնիկները ⁴He իզոտոպի միջուկներն են: Հելիումը մեծ քանակությամբ չի կուտակվում մթնոլորտում, քանի որ Երկրի ձգողականությունը բավականաչափ ուժեղ չէ, որպեսզի թույլ չտա նրան աստիճանաբար դուրս գալ տիեզերք։ Երկրի վրա ³Նա-ի հետքերը բացատրվում են ջրածին-3 (տրիտիում) հազվագյուտ տարրի բացասական բետա քայքայմամբ: ⁴Նա կայուն իզոտոպներից ամենաշատն է. ⁴Նա ատոմների հարաբերակցությունը ^{3Նա մթնոլորտում մոտավորապես 700 հազարից 1 է, իսկ հելիում պարունակող որոշ հանքանյութերում՝ մոտ 7 միլիոնից 1։}

Հելիումի ֆիզիկական հատկություններ

Այս տարրի եռման և հալման կետերը ամենացածրն են: Այդ պատճառով հելիումը գոյություն ունի որպես գազ, բացառությամբ ծայրահեղ պայմանների: Գազային Նա ավելի քիչ է լուծվում ջրում, քան ցանկացած այլ գազ, և պինդ մարմինների միջով դիֆուզիայի արագությունը երեք անգամ գերազանցում է օդին: Նրա բեկման ինդեքսը մոտենում է 1-ին։

Հելիումի ջերմային հաղորդունակությունը զիջում է միայն ջրածնին, և նրա հատուկ ջերմային հզորությունը անսովոր բարձր է: Սովորական ջերմաստիճանում այն տաքանում է ընդարձակման ժամանակ և սառչում 40 Կ-ից ցածր: Հետևաբար, T<40 K-ում հելիումը կարող է վերածվելհեղուկ ընդլայնման միջոցով։

Տարրը դիէլեկտրիկ է, եթե այն իոնացված վիճակում չէ: Ինչպես մյուս ազնիվ գազերը, հելիումն ունի էներգիայի մետակայուն մակարդակներ, որոնք թույլ են տալիս նրան իոնացված մնալ էլեկտրական լիցքաթափման ժամանակ, երբ լարումը մնում է իոնացման պոտենցիալից ցածր:

Հելիում-4-ը եզակի է նրանով, որ ունի երկու հեղուկ ձև: Սովորականը կոչվում է հելիում I և գոյություն ունի 4,21 Կ (-268,9 °C) եռման կետից մինչև մոտ 2,18 Կ (-271 °C) ջերմաստիճաններում։ 2,18 Կ-ից ցածր, 4 նա-ի ջերմային հաղորդունակությունը դառնում է 1000 անգամ ավելի պղնձից: Այս ձևը կոչվում է հելիում II՝ այն սովորական ձևից տարբերելու համար։ Այն գերհեղուկ է. մածուցիկությունը այնքան ցածր է, որ հնարավոր չէ չափել: Հելիում II-ը տարածվում է բարակ թաղանթով այն ամենի մակերևույթի վրա, ինչին դիպչում է, և այս թաղանթը հոսում է առանց շփման նույնիսկ ձգողականության դեմ:

Քիչ առատ հելիում-3-ը ձևավորում է երեք հստակ հեղուկ փուլ, որոնցից երկուսը գերհեղուկ են: Գերհոսունություն ⁴Նա հայտնաբերել է խորհրդային ֆիզիկոս Պյոտր Լեոնիդովիչ Կապիցան 1930-ականների կեսերին, և նույն երևույթը ^{3Նա առաջին անգամ նկատել է. Դուգլաս Դ Օշերովը, Դեյվիդ Մ. Լին և Ռոբերտ Ս. Ռիչարդսոնը ԱՄՆ-ից 1972թ.:}

Հելիում-3-ի և -4-ի երկու իզոտոպների հեղուկ խառնուրդը 0,8 Կ (-272,4 °C) ցածր ջերմաստիճանում բաժանված է երկու շերտի՝ գրեթե մաքուր ³He և⁴He-ի խառնուրդ 6% հելիում-3-ով: ³He-ի տարրալուծումը ^{4Նա-ի մեջ ուղեկցվում է սառեցնող էֆեկտով, որն օգտագործվում է կրիոստատների ձևավորման մեջ, որոնցում հելիումի ջերմաստիճանը նվազում է.0,01 Կ-ից ցածր (-273,14 °C) և պահպանվել այնտեղ մի քանի օր:}

Միացումներ

Նորմալ պայմաններում հելիումը քիմիապես իներտ է: Ծայրահեղ պայմաններում դուք կարող եք ստեղծել տարրերի միացումներ, որոնք կայուն չեն նորմալ ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում: Օրինակ, հելիումը կարող է միացություններ առաջացնել յոդի, վոլֆրամի, ֆտորի, ֆոսֆորի և ծծմբի հետ, երբ ենթարկվում է էլեկտրական փայլի արտանետմանը, երբ ռմբակոծվում է էլեկտրոններով կամ պլազմային վիճակում: Այսպիսով, ստեղծվել են HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ և He₂ մոլեկուլային իոններ. +^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{և HeD+}. Այս տեխնիկան նաև հնարավորություն տվեց ձեռք բերել չեզոք մոլեկուլներ He² և HgHe:

Պլազմա

Տիեզերքում իոնացված հելիումը հիմնականում տարածված է, որի հատկությունները զգալիորեն տարբերվում են մոլեկուլայինից: Նրա էլեկտրոններն ու պրոտոնները կապված չեն, և այն ունի շատ բարձր էլեկտրական հաղորդունակություն նույնիսկ մասնակի իոնացված վիճակում։ Լիցքավորված մասնիկների վրա ուժեղ ազդեցություն են ունենում մագնիսական և էլեկտրական դաշտերը: Օրինակ՝ արեգակնային քամու ժամանակ հելիումի իոնները իոնացված ջրածնի հետ փոխազդում են Երկրի մագնիտոսֆերայի հետ՝ առաջացնելով բևեռափայլեր։

ԱՄՆ բացահայտում

1903 թվականին ջրհորի հորատումից հետո Կանզաս նահանգի Դեքսթեր քաղաքում ստացվեց ոչ դյուրավառ գազ։ Սկզբում հայտնի չէր, որ այն պարունակում է հելիում։ Թե որ գազ է հայտնաբերվել, պարզել է պետական երկրաբան Էրազմուս Հաուորտը, ովՀավաքել են դրա նմուշները և Կանզասի համալսարանում քիմիկոսներ Քեդի Համիլթոնի և Դեյվիդ Մաքֆարլանդի օգնությամբ պարզել են, որ այն պարունակում է 72% ազոտ, 15% մեթան, 1% ջրածին և 12% չի բացահայտվել: Հետագա վերլուծությունից հետո գիտնականները պարզել են, որ նմուշի 1,84%-ը հելիում է: Այսպիսով նրանք իմացան, որ այս քիմիական տարրը հսկայական քանակությամբ առկա է Մեծ հարթավայրերի աղիքներում, որտեղից այն կարելի է արդյունահանել բնական գազից։

Արդյունաբերական արտադրություն

Սա Միացյալ Նահանգները դարձրեց հելիումի արտադրության համաշխարհային առաջատար: Սըր Ռիչարդ Թրելֆոլի առաջարկով, ԱՄՆ ռազմածովային ուժերը ֆինանսավորեցին երեք փոքր փորձարարական գործարաններ՝ Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ այս նյութը արտադրելու համար՝ պատնեշի օդապարիկներին թեթև, չդյուրավառ բարձրացնող գազով ապահովելու համար: Ծրագիրն ընդհանուր առմամբ արտադրել է 5700 մ3 92% He, թեև նախկինում արտադրվել էր 100 լիտրից պակաս գազ: Այս ծավալի մի մասն օգտագործվել է աշխարհի առաջին հելիումի դիրիժորում՝ ԱՄՆ ռազմածովային նավատորմի C-7-ում, որն իր առաջին նավարկությունն իրականացրեց Վիրջինիայի Հեմփթոն Ռոուդսից մինչև Բոլինգ Ֆիլդ, Վաշինգտոն, DC 1921 թվականի դեկտեմբերի 7-ին::

Չնայած ցածր ջերմաստիճանում գազի հեղուկացման գործընթացն այն ժամանակ բավականաչափ զարգացած չէր Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ նշանակալի լինելու համար, արտադրությունը շարունակվեց: Հելիումը հիմնականում օգտագործվում էր որպես օդանավերի բարձրացնող գազ։ Դրա պահանջարկը մեծացավ Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ, երբ այն օգտագործվում էր պաշտպանական աղեղային եռակցման մեջ: Տարրը կարևոր էր նաև ատոմային ռումբի նախագծում։Մանհեթեն.

ԱՄՆ ազգային բաժնետոմս

1925 թվականին Միացյալ Նահանգների կառավարությունը Ամարիլոյում, Տեխասում ստեղծեց Հելիումի ազգային արգելոցը՝ պատերազմի ժամանակ ռազմական օդանավերի և խաղաղության ժամանակ առևտրային օդանավերի տրամադրման նպատակով: Գազի օգտագործումը նվազել է Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո, սակայն մատակարարումն ավելացել է 1950-ականներին՝ ի թիվս այլ բաների, ապահովելու դրա մատակարարումը որպես հովացուցիչ նյութ, որն օգտագործվում է տիեզերական մրցավազքի և Սառը պատերազմի ժամանակ թթվածինով հրթիռային վառելիքի արտադրության մեջ: 1965 թվականին ԱՄՆ-ում հելիումի օգտագործումը ութ անգամ գերազանցում էր պատերազմի ժամանակ սպառման առավելագույն մակարդակը։

1960 թվականի հելիումի ակտից հետո Հանքերի բյուրոն պայմանագիր կնքեց 5 մասնավոր ընկերությունների հետ տարրը բնական գազից հանելու համար: Այս ծրագրի համար կառուցվել է 425 կիլոմետր երկարությամբ գազատար, որը կապում է այս կայանները Տեխաս նահանգի Ամարիլոյի մոտ գտնվող մասամբ սպառված պետական գազի հանքին: Հելիում-ազոտի խառնուրդը մղվեց ստորգետնյա պահեստարան և մնաց այնտեղ մինչև դրա անհրաժեշտությունը:

Մինչև 1995 թվականը հավաքագրվել էր մեկ միլիարդ խորանարդ մետր պաշար, և Ազգային պահուստը կազմում էր 1,4 միլիարդ դոլարի պարտք, ինչը ԱՄՆ Կոնգրեսին դրդեց աստիճանաբար դուրս բերել այն 1996 թվականին: 1996 թվականին հելիումի սեփականաշնորհման մասին օրենքի ընդունումից հետո բնական պաշարների նախարարությունը սկսեց լուծարել պահեստարանը 2005 թվականին։

Մաքուրություն և արտադրության ծավալներ

Հելիումը, որն արտադրվել է մինչև 1945 թվականը, ունեցել է մոտ 98% մաքրություն, մնացածը՝ 2%հաշվում էր ազոտը, որը բավարար էր օդանավերի համար։ 1945 թվականին արտադրվել է փոքր քանակությամբ 99,9 տոկոս գազ՝ աղեղային եռակցման մեջ օգտագործելու համար։ 1949 թվականին ստացված տարրի մաքրությունը հասել էր 99,995%-ի։

Երկար տարիներ Միացյալ Նահանգներն արտադրում էր համաշխարհային առևտրային հելիումի ավելի քան 90%-ը: 2004 թվականից ի վեր տարեկան արտադրում է 140 մլն մ3, որից 85%-ը գալիս է ԱՄՆ-ից, 10%-ը՝ Ալժիրից, իսկ մնացածը՝ Ռուսաստանից և Լեհաստանից։ Աշխարհում հելիումի հիմնական աղբյուրները Տեխասի, Օկլահոմայի և Կանզասի գազի հանքավայրերն են։

Ստացման գործընթաց

Հելիումը (98,2% մաքրություն) արդյունահանվում է բնական գազից՝ հեղուկացնելով այլ բաղադրիչներ ցածր ջերմաստիճաններում և բարձր ճնշումներում: Այլ գազերի կլանումը սառեցված ակտիվացված ածխածնի միջոցով հասնում է 99,995% մաքրության: Հելիումի փոքր քանակությունը ստացվում է մեծ մասշտաբով օդի հեղուկացման արդյունքում։ 900 տոննա օդից կարելի է ստանալ մոտ 3,17 խմ։ մ գազ.

Կիրառման ոլորտներ

Ազնիվ գազը օգտագործվել է տարբեր ոլորտներում։

Հելիումը, որի հատկությունները թույլ են տալիս ստանալ ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճան, օգտագործվում է որպես հովացուցիչ նյութ Մեծ հադրոնային կոլայդերում, գերհաղորդիչ մագնիսներ MRI մեքենաներում և միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային սպեկտրոմետրերում, արբանյակային սարքավորումներում, ինչպես նաև թթվածնի հեղուկացման համար: և ջրածինը Apollo հրթիռներում։
Որպես իներտ գազ՝ ալյումինի և այլ մետաղների եռակցման համար, օպտիկական մանրաթելերի և կիսահաղորդիչների արտադրության մեջ։
Ստեղծելու համարճնշումը հրթիռային շարժիչների վառելիքի տանկերում, հատկապես նրանք, որոնք աշխատում են հեղուկ ջրածնով, քանի որ միայն գազային հելիումը պահպանում է իր ագրեգացման վիճակը, երբ ջրածինը մնում է հեղուկ);
He-Ne գազային լազերներն օգտագործվում են սուպերմարկետների դրամարկղերում շտրիխ կոդերը սկանավորելու համար:
Հելիումի իոնային մանրադիտակն ավելի լավ պատկերներ է տալիս, քան էլեկտրոնային մանրադիտակը:
Բարձր թափանցելիության պատճառով ազնիվ գազն օգտագործվում է, օրինակ, մեքենաների օդորակման համակարգերում արտահոսքի առկայությունը ստուգելու և վթարի ժամանակ անվտանգության բարձիկները արագ փչելու համար։
Ցածր խտությունը թույլ է տալիս դեկորատիվ փուչիկներ լցնել հելիումով։ Իներտ գազը փոխարինել է պայթուցիկ ջրածին օդանավերում և օդապարիկներում։ Օրինակ՝ օդերևութաբանության մեջ հելիումի փուչիկները օգտագործվում են չափիչ գործիքներ բարձրացնելու համար։
Կրիոգեն տեխնոլոգիայի մեջ այն ծառայում է որպես հովացուցիչ նյութ, քանի որ այս քիմիական տարրի ջերմաստիճանը հեղուկ վիճակում ամենացածրն է։
Հելիումը, որի հատկությունները ապահովում են նրան ցածր ռեակտիվություն և լուծելիություն ջրում (և արյան մեջ), խառնված թթվածնի հետ, գտել է կիրառություն շնչառական կոմպոզիցիաներում սկուբայվինգի և կայսոնի համար:
Երկնաքարերը և ժայռերը վերլուծվում են այս տարրի համար՝ որոշելու նրանց տարիքը: