HĒLIJS: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, RISKI, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Hēlijs ir ķīmiskais elements ar simbolu He. Tā ir pirmā cēlgāze periodiskajā tabulā, un parasti tā atrodas tās labajā pusē. Normālos apstākļos tā ir inerta gāze, jo neviens no tās dažiem savienojumiem nav stabils; Tas arī ļoti ātri izplešas un ir viela ar zemāko viršanas punktu no visiem.

Tautas līmenī tā ir plaši pazīstama gāze, jo neskaitāmos pasākumos vai bērnu ballītēs ir ierasts novērot, kā balons paceļas, līdz tas pazūd debesīs. Tomēr patiesībā un uz visiem laikiem zaudētais Saules sistēmas stūriem un ārpus tiem ir hēlija atomi, kas izdalās, kad balons eksplodē vai izplūst.

Hēlija piepumpēti baloni, kas ir vistuvākais, pie kā jūs varat nokļūt šajā elementā ikdienas situācijās. Avots: Pixabay.

Faktiski ir tādi, kas pamatotu iemeslu dēļ uzskata, ka hēlija baloni ir neatbilstoša šīs gāzes prakse. Par laimi tam ir daudz svarīgāki un interesantāki lietojumi, pateicoties tā fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām, kas to atšķir no citiem ķīmiskajiem elementiem.

Piemēram, šķidrais hēlijs ir tik auksts, ka tas var sasaldēt jebko, piemēram, metāla sakausējumu, pārvēršot to par supravadošu materiālu. Tāpat tas ir šķidrums, kas izrāda pārmērīgu šķidrumu, kas spēj uzkāpt stikla trauka sienās.

Tās nosaukums ir saistīts ar faktu, ka tas pirmo reizi tika identificēts uz Saules, nevis uz Zemes. Tas ir otrs visbagātākais elements visā Visumā, un, kaut arī tā koncentrācija zemes garozā ir niecīga, to var iegūt no dabasgāzes un urāna un torija radioaktīvo minerālu rezervēm.

Hēlijs pierāda vēl vienu kuriozu faktu: tā ir gāze, kas ir daudz bagātīgāka apakškārtā nekā atmosfērā, kur tā nonāk aizbēgt no Zemes un tās gravitācijas lauka.

Vēsture

Hēlijs netika atklāts uz Zemes, bet gan uz Saules. Faktiski tā nosaukums cēlies no grieķu vārda “helios”, kas nozīmē sauli. Elementa esamība pati par sevi pretstatīja Dmitrija Mendeļejeva periodisko tabulu, jo tajā nebija vietas jaunai gāzei; Citiem vārdiem sakot, līdz tam brīdim par cēlgāzēm nebija nekas aizdomīgs.

Nosaukums “hēlijs”, angliski uzrakstīts kā “hēlijs”, beidzās ar piedēkli -ium, kas to attiecina uz metālu; tieši tāpēc, ka nevarēja pieļaut tādas gāzes esamību, kas nav skābeklis, ūdeņradis, fluors, hlors un slāpeklis.

Šo vārdu izraudzījās angļu astronoms Normens Lockjers, kurš no Anglijas izpētīja to, ko ievēroja franču astronoms Jules Janssen Indijā Saules aptumsuma laikā 1868. gadā.

Tā bija dzeltena spektrālā līnija no līdz šim nezināma elementa. Lockyer apgalvoja, ka tas bija saistīts ar jauna ķīmiska elementa klātbūtni, kas tika atrasts Saulē.

1895. gadā, gandrīz divdesmit gadus vēlāk, skotu ķīmiķis sers Viljams Ramsajs atpazina to pašu spektru no atlikušās gāzes, pētot radioaktīvo minerālu: kleveītu. Tātad šeit uz Zemes bija arī hēlijs.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Izskats

Ampula ar hēlija paraugu, kas kvēlo pēc elektriskās strāvas trieciena. Avots: Ķīmisko elementu Hi-Res attēli

Hēlijs ir bezkrāsains gāze bez smaržas, kurai nav garšas un tā ir arī inerta. Tomēr, kad tiek piemērots elektriskās strāvas trieciens un atkarībā no sprieguma starpības, tas sāk kvēlot kā pelēcīgi violets nokrāsas (attēls iepriekš), pēc tam mirdz ar oranžu mirdzumu. Tāpēc hēlija gaismas ir oranžas.

Atomu skaitlis (Z)

divi

Molārā masa

4,002 g / mol

Kušanas punkts

-272,2 ºC

Vārīšanās punkts

-268,92 ºC

Blīvums

-0,1786 g / L, normālos apstākļos, tas ir, gāzes fāzē.

-0,145 g / ml, kušanas temperatūrā, šķidrs hēlijs.

-0,125 g / ml, tāpat kā hēlijs sāk vārīties.

-0,187 g / ml, pie 0 K un 25 atm, tas ir, cieta hēlija tajos īpašajos spiediena un temperatūras apstākļos.

Trīskāršs punkts

2,177 K un 5,043 kPa (0,04935 atm)

Kritiskais punkts

5,1953 K un 0,22746 MPa (2,22448 atm)

Saplūšanas karstums

0,0138 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

0,0829 kJ / mol

Molārā siltuma jauda

20,78 J / (mol K)

Tvaika spiediens

0,9869 atm pie 4,21 K. Šī vērtība dod priekšstatu par to, cik īslaicīga hēlija var būt un cik viegli tā var izkļūt istabas temperatūrā (tuvu 298 K).

Jonizācijas enerģijas

-Pirmkārt: 2372,3 kJ / mol (Viņš ⁺ gāzveida)

-Otrais: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gāzveida)

Hēlija jonizācijas enerģijas ir īpaši augstas, jo gāzveida atomam jāzaudē elektrons, kurš izjūt spēcīgu efektīvu kodola lādiņu. To var arī saprast, ņemot vērā atoma mazo izmēru un to, cik "tuvu" divi elektroni atrodas kodolā (ar tā diviem protoniem un diviem neitroniem).

Šķīdība

Katrā 100 ml ūdens 0 ° C temperatūrā ūdenī izšķīdina 0,97 ml, kas nozīmē, ka tas slikti šķīst.

Reaģētspēja

Hēlijs ir otrais vismazāk reaģējošais ķīmiskais elements dabā. Normālos apstākļos ir pareizi teikt, ka tā ir inerta gāze; Nekādā gadījumā (šķiet) hēlija savienojumu nedrīkst manipulēt telpā vai laboratorijā, ja uz to nedarbojas milzīgs spiediens; vai varbūt dramatiski augsta vai zema temperatūra.

Piemērs ir redzams savienojumā Na ₂ He, kas ir stabils tikai pie 300 GPa spiediena un tiek reproducēts dimanta laktas šūnā.

Kaut arī Na ₂ He ķīmiskās saites ir "dīvainas", jo to elektroni atrodas labi kristālos, tie nebūt nav vienkārša Van der Walls mijiedarbība un tāpēc tie nesastāv tikai no hēlija atomiem, kas ieslodzīti molekulārajos agregātos. . Tieši šeit rodas dilemma, starp kuriem hēlija savienojumi ir reāli un kuri nav.

Piemēram, slāpekļa molekulas pie augsta spiediena var ieslodzīt hēlija atomu, veidojot sava veida klatrātu, He (N ₂ ) ₁₁ .

Tāpat ir fullerēna katjonu endoedēmiskie kompleksi, C ₆₀ ^{+ n} un C ₇₀ ^{+ n} , kuru dobumos viņi var ievietot hēlija atomus; un molekulārais katjons HeH ⁺ (He-H ⁺ ), kas atrodams ļoti tālu miglājos.

Oksidācijas numurs

Zinātkāre kas mēģina , lai aprēķinātu oksidācijas numuru hēlija kāds no tā savienojumiem tiks konstatēts, ka tas ir vienāds ar 0. In Na ₂ ir, piemēram, varētu domāt, ka ar formulu atbilst minētā hipotētiskā Na ₂ ⁺ I ^2- ; bet tas būtu pieņemt, ka tam ir tīri jonisks raksturs, kad patiesībā tā saites nebūt nav tādas.

Turklāt hēlijs neiegūst elektronus, jo tas nevar tos izvietot 2s orbitālē, enerģētiski nav pieejams; Tāpat nav iespējams tos pazaudēt sava atoma mazā izmēra un lielā kodola efektīvā kodollādiņa dēļ. Tāpēc hēlijs vienmēr (teorētiski) piedalās kā He ⁰ atoms atvasinātajos savienojumos.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Hēlijs, tāpat kā visas gāzes, kas novērotas uz makro mēroga, aizņem konteineru tilpumu, kas to uzglabā, tādējādi iegūstot nenoteiktu formu. Tomēr, kad temperatūra pazeminās un sāk atdzist zem -269 ºC, gāze kondensējas bezkrāsainā šķidrumā; hēlijs I, pirmā no divām šī elementa šķidruma fāzēm.

Iemesls, kāpēc hēlijs kondensējas tik zemā temperatūrā, ir saistīts ar zemiem izkliedes spēkiem, kas kopā tur tā atomus; neatkarīgi no fāzes. To var izskaidrot ar tā elektronisko konfigurāciju:

1s ²

Kurā divi elektroni aizņem 1s atomu orbitāli. Hēlija atomu var vizualizēt kā gandrīz perfektu sfēru, kuras homogēno elektronisko perifēriju maz ticams, ka to polarizēs efektīvs divu protonu kodolslānis.

Tādējādi spontāni un inducēti dipola momenti ir reti un ļoti vāji; tāpēc temperatūrai jāpieiet absolūtai nullei, lai He atomi pietuvotos pietiekami lēni un panāktu, ka to izkliedes spēki nosaka šķidrumu; vai vēl labāk - hēlija kristāls.

Dimēri

Gāzveida fāzē telpa, kas atdala He atomus, ir tāda, ka var pieņemt, ka tie vienmēr ir atdalīti viens no otra. Tik daudz, ka neliela tilpuma flakonā hēlijs parādās bezkrāsains, līdz tas tiek pakļauts elektriskajai izlādei, kas jonizē tā atomus pelēcīgā un ne tik spilgtā miglā.

Tomēr šķidrā fāzē Viņš atomus, pat ar vāju mijiedarbību, vairs nevar “ignorēt”. Tagad izkliedes spēks ļauj viņiem īslaicīgi apvienoties, veidojot dimērus: He-He vai He ₂ . Līdz ar to hēliju I var uzskatīt par plašām He ₂ kopām līdzsvarā ar tās atomiem tvaika fāzē.

Tāpēc hēliju I ir tik grūti atšķirt no tā tvaikiem. Ja šis šķidrums tiek izšļakstīts no hermētiskā konteinera, tas izplūst kā bālgans uzliesmojums.

Hēlijs II

Kad temperatūra pazeminās vēl vairāk, pieskaroties 2,178 K (-270,972 ºC), notiek fāzes pāreja: hēlijs I tiek pārveidots par hēliju II.

No šī brīža jau aizraujošais hēlija šķidrums kļūst par superšķidrumu vai kvantu šķidrumu; tas ir, to makroskopiskās īpašības izpaužas tā, it kā He ₂ dimēri būtu atsevišķi atomi (un varbūt tie ir). Tam trūkst pilnīgas viskozitātes, jo nav tādas virsmas, kas varētu apturēt atomu tā slīdēšanas vai "kāpšanas" laikā.

Tāpēc hēlijs II var uzkāpt stikla trauka sienās, pārvarot smaguma spēku; Neatkarīgi no tā, cik augsti tie ir, ja vien virsma paliek tajā pašā temperatūrā un tāpēc nepastāv.

Tādēļ šķidro hēliju nevar uzglabāt stikla traukos, jo tas varētu izplūst pie mazākās plaisas vai plaisas; ļoti līdzīgs tam, kā tas notiktu ar gāzi. Tā vietā šādu trauku (Dewars tvertnes) projektēšanai tiek izmantots nerūsējošais tērauds.

Kristāli

Pat ja temperatūra nokristu līdz 0 K (absolūtā nulle), izkliedes spēks starp He atomiem nebūtu pietiekami spēcīgs, lai tos sakārtotu kristāliskā struktūrā. Lai notiktu sacietēšana, spiedienam jāpalielinās līdz aptuveni 25 atm; un pēc tam parādās kompakti sešstūra hēlija kristāli (hcp).

Ģeofiziskie pētījumi rāda, ka šī hcp struktūra paliek nemainīga neatkarīgi no tā, cik liels spiediens palielinās (līdz gigapaskāļu secībai, GPa). Tomēr spiediena un temperatūras diagrammā ir šaurs apgabals, kurā šiem hcp kristāliem notiek pāreja uz ķermeni vērstu kubisko fāzi (ccc).

Kur atrast un iegūt

Kosmoss un klintis

Hēlijs ir otrs visbagātākais elements Visumā un 24% no tā masas. Avots: Pxhere.

Hēlijs ir otrs visbagātākais elements visā Visumā, otrais ir tikai ūdeņradis. Zvaigznes pastāvīgi rada neizmērojamu daudzumu hēlija atomu, saplūstot diviem ūdeņraža kodoliem nukleosintēzes procesa laikā.

Tāpat jebkurš radioaktīvs process, kas izstaro α daļiņas, ir hēlija atomu veidošanās avots, ja tie mijiedarbojas ar vidē esošajiem elektroniem; piemēram, ar akmeņainu ķermeni urāna un torija radioaktīvo minerālu atradnēs. Šie divi elementi tiek pakļauti radioaktīvai sabrukšanai, sākot ar urānu:

Urāna radioaktīvā sabrukšana, veidojot alfa daļiņas, kuras pazemes atradnēs vēlāk tiek pārveidotas par hēlija atomu. Avots: Gabriel Bolívar.

Tāpēc klintīs, kur koncentrēti šie radioaktīvie minerāli, tiks ieslodzīti hēlija atomi, kas atbrīvosies, tiklīdz tie tiks sagremoti skābā vidē.

Starp dažiem no šiem minerāliem ir kleveīts, karnotīts un uraninīts, kas visi sastāv no urāna oksīdiem (UO ₂ vai U ₃ O ₈ ) un torija, smago metālu un retzemju piemaisījumiem. Pazemes kanālos apūdeņots hēlijs var uzkrāties dabasgāzes rezervuāros, minerālu avotos vai meteoriskos dzelžos.

Tiek lēsts, ka litosfērā katru gadu no urāna un torija radioaktīvās sabrukšanas rodas hēlija masa, kas ir ekvivalenta 3000 tonnām.

Gaiss un jūras

Hēlijs maz šķīst ūdenī, tāpēc drīzāk nekā vēlāk tas nonāk no dziļumiem (lai kur tas arī būtu), līdz tas šķērso atmosfēras slāņus un beidzot nonāk kosmosā. Tās atomi ir tik mazi un gaiši, ka Zemes gravitācijas lauks tos nevar aizturēt atmosfērā.

Sakarā ar iepriekš minēto hēlija koncentrācija gaisā (5,2 ppm) un jūrās (4 ppt) ir ļoti zema.

Ja to vēlētos iegūt no kāda no šiem diviem barotnēm, “labākais” risinājums būtu gaiss, kas vispirms jāpakļauj sašķidrināšanai, lai kondensētu visas tā sastāvdaļas, kamēr hēlijs paliek gāzveida stāvoklī.

Tomēr hēliju nav praktiski iegūt no gaisa, bet no klintīm, kas bagātinātas ar radioaktīviem minerāliem; vai vēl labāk - no dabasgāzes rezervēm, kur hēlijs var sasniegt 7% no tās kopējās masas.

Dabasgāzes sašķidrināšana un destilācija

Tā vietā, lai sašķidrinātu gaisu, ir vieglāk un izdevīgāk izmantot dabas gāzi, kuras hēlija sastāvs, bez šaubām, ir daudz lielāks. Tādējādi izejmateriāls (excellence) (komerciāls) hēlija iegūšanai ir dabasgāze, kuru var arī destilēt.

Destilācijas galaproduktu attīra ar aktivētu ogli, caur kuru iziet ļoti tīrs hēlijs. Visbeidzot, hēliju no neona atdala kriogēnā procesā, kurā izmanto šķidru hēliju.

Izotopi

Hēlijs dabā pārsvarā rodas kā ⁴ He izotops , kura kails kodols ir slavenā α daļiņa. Šim ⁴ He atomam ir divi neitroni un divi protoni. Mazāk sastopams izotops ³ He, kuram ir tikai viens neitrons. Pirmais ir smagāks (tam ir lielāka atomu masa) nekā otrais.

Tādējādi izotopu pāris ³ He un ⁴ He ir tie, kas nosaka izmērāmās īpašības un to, ko mēs saprotam no hēlija kā ķīmiska elementa. Ņemot vērā to, ka ³ Viņš ir vieglāks, tiek pieņemts, ka tā atomiem ir augstāka kinētiskā enerģija, un tāpēc tiem ir nepieciešama vēl zemāka temperatūra, lai saplūst virslidojumā.

³ Viņš tiek uzskatīts par ļoti reta suga šeit uz Zemes; tomēr Mēness augsnēs tas ir daudz bagātīgāks (apmēram 2000 reizes vairāk). Tāpēc Mēness ir bijis projektu un stāstu objekts kā ³ He iespējamais avots , ko varētu izmantot kā nākotnes kosmosa kuģu kodoldegvielu.

Starp citiem hēlija izotopiem var minēt to attiecīgos pussabrukšanas periodus: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ^–22 s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) un ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

Riski

Hēlijs ir inerta gāze, tāpēc nepiedalās nevienā no reakcijām, kas notiek mūsu ķermenī.

Tā atomi praktiski nonāk un izelpo, neizmantojot mijiedarbību ar biomolekulēm, kas rada ārēju efektu; izņemot skaņu, ko izstaro balss saites, kuras kļūst arvien augstākas un biežākas.

Cilvēki, kas ieelpo hēliju no balona (mērenībā), runā augstā balsī, līdzīgi kā vāvere (vai pīle).

Problēma ir tāda, ka, ja šāda persona ieelpo neatbilstošu hēlija daudzumu, viņi riskē nosmakt, jo tā atomi izspiež skābekļa molekulas; un tāpēc jūs nevarēsit elpot, kamēr nebūsit izelpojis visu hēliju, kas savukārt spiediena dēļ var saplēst plaušu audus vai izraisīt barotraumu.

Tikko izskaidrotā iemesla dēļ ziņots par gadījumiem, kad cilvēki miruši no hēlija ieelpošanas.

No otras puses, kaut arī tas nerada ugunsbīstamību, ņemot vērā tā nereaģēšanu uz skābekli (vai citu vielu), ja tas tiek glabāts zem augsta spiediena un izplūst, tā noplūde var būt fiziski bīstama.

Lietojumprogrammas

Hēlija fizikālās un ķīmiskās īpašības padara to ne tikai par īpašu gāzi, bet arī par ļoti noderīgu vielu lietojumiem, kuriem nepieciešama īpaši zema temperatūra. Šajā sadaļā tiks apskatīti daži no šiem lietojumiem vai lietojumiem.

Spiediena un atgaisošanas sistēmas

Dažās sistēmās ir jāpalielina spiediens (paaugstināts spiediens), un šim nolūkam ir jāinjicē vai jāpievada gāze, kas nav mijiedarbībā ar kādu no tās komponentiem; piemēram, ar reaģentiem vai virsmām, kas ir jutīgas pret nevēlamām reakcijām.

Tādējādi spiedienu var palielināt ar hēlija tilpumiem, kuru ķīmiskā inerce padara to par ideālu šim mērķim. Inertā atmosfēra, ko tā nodrošina, dažos gadījumos pārsniedz slāpekļa līmeni.

Apgrieztajam procesam, tas ir, attīrīšanai, hēlijs tiek izmantots arī tāpēc, ka tas spēj izvadīt visu skābekli, ūdens tvaikus vai jebkuru citu gāzi, kuras klātbūtni vēlaties noņemt. Tādā veidā pēc hēlija iztukšošanas sistēmas spiediens tiek samazināts.

Noplūžu atklāšana

Hēlijs var noplūst caur mazāko plaisu, tāpēc tas kalpo arī, lai noteiktu noplūdes caurulēs, konteineros ar augstu vakuumu vai kriogēnās tvertnēs.

Dažreiz noteikšanu var veikt vizuāli vai ar pieskārienu; tomēr tas galvenokārt ir detektors, kas "signalizē", kur un cik daudz hēlija izkļūst no pārbaudāmās sistēmas.

Nesējgāze

Hēlija atomi, kā minēts attīrīšanas sistēmās, atkarībā no spiediena var nest smagākas molekulas. Piemēram, šo principu katru dienu izmanto gāzu hromatogrāfijas analīzē, jo tas var vilkt atomizēto paraugu gar kolonnu, kur tas mijiedarbojas ar stacionāro fāzi.

Baloni un dirižabļi

Hēlijs tiek izmantots gaisa kuģu piepūšanai un ir daudz drošāks par ūdeņradi, jo tā nav viegli uzliesmojoša gāze. Avots: Pixabay.

Sakarā ar zemo blīvumu salīdzinājumā ar gaisu un, reaktīvās spējas trūkumu ar skābekli, tas ir izmantots, lai bērnu ballītēs piepūstu balonus (sajauktu ar skābekli, lai neviens tos neaizkavētu no tā ieelpas), un dirižabļiem (augšējais attēls) , nepārsniedzot ugunsbīstamību.

Niršana

Hēlijs ir viena no galvenajām skābekļa tvertņu sastāvdaļām, ar kuru nirēji elpo. Avots: Pxhere.

Kad ūdenslīdēji nolaižas lielākā dziļumā, viņiem ir grūti elpot, jo ūdens izdara lielu spiedienu. Tāpēc to skābekļa tvertnēm pievieno hēliju, lai samazinātu to gāzu blīvumu, ko nirēji ieelpo un izelpo, un tādējādi to var izelpot ar mazāku darbu.

Loka metināšana

Metināšanas procesā elektriskā loka nodrošina pietiekami daudz siltuma, lai abi metāli sakristu. Ja kvēlspuldze tiek veikta hēlija atmosfērā, tā nereaģēs ar skābekli gaisā, lai kļūtu par tā attiecīgo oksīdu; tāpēc hēlijs neļauj tam notikt.

Supravadītāji

Šķidro hēliju izmanto, lai atdzesētu magnētus, ko izmanto kodolmagnētiskās rezonanses attēlveidošanas skeneros. Avots: Jans Ainali

Šķidrais hēlijs ir tik auksts, ka tas var sasaldēt metālus supravadītājos. Pateicoties tam, ir bijis iespējams izgatavot ļoti jaudīgus magnētus, kas atdzesēti ar šķidru hēliju ir izmantoti attēlu skeneros vai kodolmagnētiskās rezonanses spektrometros.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (2019. gada 17. aprīlis). Hēlija hidrīda jons, kas kosmosā atklāts pirmo reizi: pierādījumi par nenotveramu ķīmiju ir radušies no Visuma pirmajām minūtēm. Atgūts no: chemistryworld.com
3. Pīters Wothers. (2009. gada 19. augusts). Hēlijs. Ķīmija savā elementā. Atgūts no: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019. gads). Hēlijs. Atgūts no: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM un Bassett, WA (1988). Hēlija kristāla struktūra un blīvums līdz 232 Kbar. Atgūts no: raksti.adsabs.harvard.edu
6. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2019. gads). Hēlijs. PubChem datu bāze. CID = 23987. Atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (2017. gada 6. februāris). Augšā, augšup un prom: ķīmiķi saka “jā”, hēlijs var veidot savienojumus. Jūtas štata universitāte. Atgūts no: phys.org
8. Stīvs Gagnons. (sf). Elementa hēlija izotopi. Jefferson Lab. Atgūts no: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Hēlijs. Atgūts no: chemistryexplained.com