ХЕЛИЈУМ: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, РИЗИЦИ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Хелијум је хемијски елемент са симболом Хе. То је први племенити гас у периодичној табели и обично се налази на крајњој десној страни од њега. У нормалним условима је инертан гас, јер ниједно од његових неколико једињења није стабилно; Такође се врло брзо шири и представља супстанцу са најнижим тачком кључања од свих.

На популарном нивоу, то је добро познати гас, јер је у безброј догађаја или дечјих журки уобичајено сведочити како се балон диже док се не изгуби на небу. Међутим, оно што се заиста и заувек губи у угловима Сунчевог система и шире су атоми хелија који се ослобађају кад балон експлодира или испуши.

Балони надувани хелијумом, што вам је најближе овом елементу у свакодневним ситуацијама. Извор: Пикабаи.

У ствари, постоје они који и са добрим разлогом сматрају да хелијумски балони представљају неприкладну праксу за овај гас. Срећом, он има важније и занимљивије употребе, захваљујући физичким и хемијским својствима која га раздвајају од осталих хемијских елемената.

На пример, течни хелијум је толико хладан да може замрзнути било шта, попут металне легуре, претварајући га у суперпроводни материјал. Исто тако, то је течност која исказује сувишну течност, која се може попети на зидове стаклене посуде.

Његово име је због чињенице да је први пут идентификован на Сунцу, а не на Земљи. То је други најбројнији елемент у целом Универзуму и, иако је његова концентрација у земљиној кори занемарљива, може се добити из резерви природног гаса и радиоактивних минерала уранијума и торијума.

Овде хелијум показује још једну занимљиву чињеницу: то је гас много обилнији у подземљу него у атмосфери, где завршава бекством са Земље и њеног гравитационог поља.

Историја

Хелијум није откривен на Земљи, већ на Сунцу. У ствари, његово име долази од грчке речи 'хелиос' што значи сунце. Само постојање елемента супротставило је периодичној табели Дмитрија Менделеева, јер у њему није било места за нови гас; Другим речима, до тада апсолутно ништа се није сумњало о племенитим гасовима.

Назив 'хелиум', на енглеском језику написан као 'хелиум', завршио се суфиксом -иум који га назива металом; управо зато што се не може признати постојање гаса који није кисеоник, водоник, флуор, хлор и азот.

То име је означио енглески астроном Норман Лоцкиер, који је из Енглеске проучавао оно што је приметио француски астроном Јулес Јанссен у Индији, током помрачења Сунца 1868. године.

Била је то жута спектрална линија од до сада непознатог елемента. Лоцкиер је тврдио да је то због присуства новог хемијског елемента који се налази на Сунцу.

1895., скоро двадесет година касније, шкотски хемичар Сир Виллиам Рамсаи препознао је исти спектар из остатка гаса кад је проучавао радиоактивни минерал: цлевеите. Дакле, и на Земљи је било хелијума.

Физичка и хемијска својства

Изглед

Ампула са узорком хелија који светли након струјног удара. Извор: Хи-Рес слике хемијских елемената

Хелијум је безбојни гас без мириса који нема укуса и такође је инертан. Међутим, када се примени струјни удар, и зависно од разлике у напону, почиње да светли као сивкасто-љубичаста измаглица (слика горе), а затим светли наранџастим сјајем. Због тога су хелијумске лампице наранџасте.

Атомски број (З)

два

Моларна маса

4.002 г / мол

Тачка топљења

-272,2 ºЦ

Тачка кључања

-268,92 ºЦ

Густина

-0.1786 г / Л, у нормалним условима, то јест у гасној фази.

-0.145 г / мЛ, током талишта, течни хелијум.

-0.125 г / мЛ, баш када хелијум почне да кључа.

-0.187 г / мЛ, при 0 К и 25 атм, то је чврсти хелијум при оним специфичним условима притиска и температуре.

Трострука тачка

2.177 К и 5.043 кПа (0.04935 атм)

Критична тачка

5.1953 К и 0.22746 МПа (2.2448 атм)

Топлина фузије

0,0138 кЈ / мол

Топлина испаравања

0,0829 кЈ / мол

Моларни топлотни капацитет

20,78 Ј / (мол К)

Притисак паре

0,9869 атм при 4,21 К. Ова вредност вам даје представу о томе како хелијум може брзо да прође и колико лако може да побегне на собној температури (близу 298 К).

Енергије јонизације

-Прво: 2372,3 кЈ / мол (Хе ⁺ гасовит )

-Секунда: 5250,5 кЈ / мол (Хе ²⁺ гасовитих)

Енергија јонизације хелијума је посебно велика јер гасовити атом мора изгубити електрон који има снажан ефективни нуклеарни набој. То се такође може разумети узимајући у обзир малу величину атома и колико су „електрона“ близу два језгра (са своја два протона и два неутрона).

Растворљивост

У води се раствара 0,97 мл на сваких 100 мл воде на 0 ° Ц, што значи да је слабо растворљива.

Реактивност

Хелијум је други најмање реактивни хемијски елемент у природи. У нормалним условима је тачно рећи да је то инертан гас; Никада (чини се) да се хелијумским једињењем не може манипулисати у соби или лабораторији без огромних притисака који делују на њега; или можда драматично високе или ниске температуре.

Пример је виђен у бази На ₂ Хе, која је стабилна само под притиском од 300 ГПа, репродукован у дијамант наковањ ћелији.

Иако хемијских веза у На ₂ Он је "чудно" јер су њихови електрони се добро налази у кристалима, они су далеко од тога да једноставних ван дер Зидови интеракције и, према томе, не само састоји од атома хелијума заробљена од стране молекуларних агрегата. . Овде се поставља дилема између тога што су једињења хелија стварна, а која не.

На пример, молекули азота при високом притиску могу да заробе атом хелија да произведу неку врсту клатрата, Хе (Н ₂ ) ₁₁ .

Исто тако, постоје ендоедарски комплекси катиона фулерена, Ц ₆₀ ^{+ н} и Ц ₇₀ ^{+ н} , у чије шупљине могу да буду смештени атоми хелија; и молекуларни катион ХеХ ⁺ (Хе-Х ⁺ ), који се налази у веома удаљеним маглицама.

Оксидациони број

Цуриосити који покушавају да израчуна број оксидације за хелијум поједином њеном једињења ће се наћи да је ово једнако 0. У На ₂ су, на пример, може мислити да конфигурација одговара хипотетичком На ₂ ⁺ И ^2- ; али такво би било претпоставити да има чисти јонски карактер, када у стварности његове везе далеко од тога нису.

Надаље, хелијум не добија електроне јер их не може смјестити у орбитал 2с, енергетски недоступан; Такође није могуће да их изгуби због мале величине атома и великог ефикасног нуклеарног набоја свог језгра. Зато хелијум стално учествује (у теорији), као је ⁰ атом у својим изведеним једињењима.

Структура и електронска конфигурација

Хелијум, као и сви гасови који се опажају на макроскопи, заузима запремину контејнера у којима се складишти, чиме има неодређен облик. Међутим, када температура падне и почне да се хлади испод -269 ° Ц, гас се кондензује у безбојну течност; хелијум И, прва од две течне фазе за овај елемент.

Разлог зашто се хелијум кондензује на тако ниској температури је због ниских сила распршивања које држе његове атоме заједно; без обзира на фазу која се сматра. То се може објаснити из његове електронске конфигурације:

1с ²

У којој два електрона заузимају атомску орбиту 1с. Атома хелија може се представити као готово савршена сфера, чија хомогена електронска периферија вероватно неће бити поларизована ефективним нуклеарним набојем два протона у језгру.

Стога су спонтани и индуковани диполни тренуци ретки и веома слаби; па се температура мора приближити апсолутној нули тако да се Хе атоми приближавају довољно споро и постижу да њихове дисперзивне силе дефинишу течност; или још боље, кристал хелија.

Димерс

У плиновитој фази простор који раздваја Хе атоме је такав да се може претпоставити да су увек раздвојени један од другог. Толико да се у бочици са малом запремином хелијум појављује безбојно све док се не изложи електричном пражњењу, које ионизира своје атоме у сивкастој и слабо осветљеној магли.

Међутим, у течној фази се Хе атоми, чак и када су слабе интеракције, више не могу занемарити. Сада им сила расипања омогућава да се тренутно споје заједно да формирају димер: Хе-Хе или Хе ₂ . Дакле, за хелијум И могу се сматрати огромни гроздови Хе _{2 који су} у равнотежи са његовим атомима у парној фази.

Зато је хелијум И тако тешко разликовати од његових пара. Ако се та течност излије из херметички затворене посуде, излази као беличасти бљесак.

Хелијум ИИ

Када температура падне још више, додирујући 2.178 К (-270.972 ºЦ), долази до фазног прелаза: хелијум И се трансформише у хелијум ИИ.

Од овог тренутка, већ фасцинантна хелијумска течност постаје сувишна или квантна течност; то јест, њихови макроскопски својства манифестују као да је ₂ димери били појединачни атоми (и можда су). Недостаје му потпуни вискозитет јер не постоји површина која може зауставити атом током његовог клизања или „пењања“.

Због тога се хелијум ИИ може попети на зидове стаклене посуде надвладавајући силу гравитације; ма колико биле високе, све док површина остаје на истој температури и самим тим се не испари.

Због тога се течни хелијум не може чувати у стакленим посудама, јер би могао исцурити на најмању пукотину или удубљење; врло слично као што би се догодило са гасом. Уместо тога, нехрђајући челик користи се за израду таквих посуда (резервоари Деварс).

Кристали

Чак и ако температура падне на 0 К (апсолутна нула), сила расипања између Хе атома не би била довољно јака да их пререди у кристалну структуру. Да би дошло до скрућивања, притисак мора порасти на приближно 25 атм; а затим се појављују компактни шестерокутни кристали хелија (хцп).

Геофизичке студије показују да ова хцп структура остаје непромењена без обзира на то колико се притисак повећава (до реда гигапаскала, ГПа). Међутим, у дијаграму притиска и температуре постоји уска област у којој ови хцп кристали пролазе прелазак у кубичну фазу (бцц) у центру.

Где се могу наћи и набавити

Космос и стене

Хелијум представља други најбројнији елемент у Универзуму и 24% његове масе. Извор: Пкхере.

Хелијум је други најбројнији елемент у целом Универзуму, а други је само водоник. Звезде константно производе неизмерне количине хелијумских атома спајањем два водоникова језгра током процеса нуклеосинтезе.

Исто тако, сваки радиоактивни процес који емитује α честице је извор производње атома хелијума, ако они комуницирају са електронима у окружењу; на пример, са каменитим телом у лежиштима радиоактивних минерала уранијума и торијума. Ова два елемента подвргавају се радиоактивном распаду, почевши од уранијума:

Радиоактивно распадање уранијума у ​​стварању алфа честица које се касније претварају у атом хелија у подземним лежиштима. Извор: Габриел Боливар.

Због тога ће се у стијенама у којима су концентрисани ови радиоактивни минерали задржати атоми хелија, који ће се ослободити када се пробаве у киселом медијуму.

Међу неким од ових минерала спадају и клевеит, карнотит и уранинит, који су сачињени од уранијум оксида (УО ₂ или У ₃ О ₈ ) и нечистоће торијума, тешких метала и ретких земља. Хелијум, наводњаван подземним каналима, може се нагомилати у резервоарима природног гаса, минералним изворима или у метеорским пеглицама.

Процјењује се да се масом хелијума, која је једнака 3000 тона, годишње произведе у литосфери, из радиоактивног распада уранијума и торијума.

Зрак и мора

Хелијум није баш растворљив у води, па пре и касније завршава уздизањем из дубина (где год да потиче), све док не пређе слојеве атмосфере и коначно стигне у свемир. Њени атоми су толико мали и светли да их гравитационо поље Земље не може задржати у атмосфери.

Због горе наведеног, концентрација хелијума и у ваздуху (5,2 ппм) и у морима (4 ппт) је врло ниска.

Ако би га потом желели извући из било која од ова два медија, „најбоља“ опција би био ваздух, који би прво морао да се подвргне укапљивању како би се кондензовали сви његови састојци, док хелијум остаје у гасовитом стању.

Међутим, није практично добити хелијум из ваздуха, већ из стена обогаћених радиоактивним минералима; или још боље, из резерви природног гаса, где хелијум може представљати до 7% његове укупне масе.

Укапљивање и дестилација природног гаса

Уместо укапљивања ваздуха, лакше је и исплативије користити природни гас, чији је састав хелијума несумњиво много већи. Стога је сировина пар екцелленце (комерцијална) за добијање хелијума природни гас који се такође може подвргнути фракцијској дестилацији.

Крајњи продукт дестилације је завршно пречишћавање активним угљеном, кроз који пролази веома чисти хелијум. И на крају, хелијум се одваја од неона криогеним процесом где се користи течни хелијум.

Изотопи

Хелијум се претежно налази у природи као изотоп ⁴ Хе, чије је голо језгро чувена α честица. Овај атом ⁴ Хе има два неутрона и два протона. У мањем обиму је изотоп ³ Хе, који има само један неутрон. Прво је теже (има већу атомску масу) од другог.

Дакле, пар изотопа ³ Хе и ⁴ Хе су они који дефинишу мерљива својства и шта хелијум схватамо као хемијски елемент. С обзиром на то да је ³ Хе лакши, претпоставља се да његови атоми имају већу кинетичку енергију и да им је зато потребна још нижа температура да би се спојили у неку течност.

³ Сматра се веома ретка врста овде на Земљи; међутим, у лунарним тлима је обилнија (отприлике 2000 пута више). Због тога је Месец предмет пројеката и прича као могућег извора ³ Хе, који би могао да се користи као нуклеарно гориво за свемирске летелице будућности.

Између осталих изотопа хелијума могу се поменути њихови полуживоти: ⁵ Хе (т _1/2 = 7,6 · ^10-222 с), ⁶ Хе (т _1/2 = 0,8 с) и ⁸ Хе (т _1/2 = 0,191 с).

Ризици

Хелијум је инертан гас и зато не учествује у ниједној од реакција које се дешавају у нашим телима.

Њени атоми практично улазе и издишу без интеракције са биомолекулама које производе последњи ефекат; осим у звуку који се емитују из гласница, који постају све виши и учесталији.

Људи који удишу хелијум из балона (умјерено) говоре гласом високог, сличног оном попут вјеверице (или патке).

Проблем је што ако таква особа удише непримерену количину хелијума, прети опасност од гушења, јер њени атоми премештају молекуле кисеоника; и стога нећете моћи дисати док не издахнете сав тај хелијум, који заузврат, захваљујући свом притиску, може да растргне плућно ткиво или проузрокује баротрауму.

Пријављени су случајеви људи који су умрли од удисања хелијума због онога што је управо објашњено.

С друге стране, иако не представља ризик од пожара с обзиром на недостатак реактивности према кисеонику (или другој супстанци), ако се складишти под високим притиском и истекне, његово цурење може бити физички опасно.

Апликације

Физичка и хемијска својства хелијума га чине не само посебним гасом, већ и врло корисном супстанцом за апликације које захтевају изузетно ниске температуре. У овом одељку биће адресиране неке од ових апликација или употреба.

Системи под притиском и одзрачивањем

У неким системима је потребно повећати притисак (притисак), а за то се мора убризгавати или доводити гас који не ступа у интеракцију ни са једном од његових компоненти; на пример, са реагенсима или површинама осетљивим на нежељене реакције.

Стога се притисак може повећати количином хелијума, чија хемијска инертност га чини идеалним за ову сврху. Инертна атмосфера коју он пружа превазилази у одређеним случајевима атмосферу азота.

За обрнути процес, односно за прочишћавање, хелијум се такође користи због своје способности да унесе сав кисеоник, водену пару или било који други гас, чије присуство желите да уклоните. На тај се начин притисак система смањује након што се хелијум испразни.

Детекције пропуштања

Хелијум може процурити кроз најмању пукотину, па служи и за откривање цурења у цевима, високо вакуумским посудама или криогеним резервоарима.

Понекад се откривање може обавити визуелно или додиром; међутим, углавном је детектор који "сигнализира" где и колико хелијума бјежи из система који се прегледава.

Носећи гас

Атоми хелија, као што је поменуто за системе прочишћавања, могу да носе са собом, у зависности од притиска, тежих молекула. На пример, овај се принцип свакодневно користи у анализама гасне хроматографије, јер може да повуче атомизирани узорак дуж колоне, где делује у стационарној фази.

Балони и зрачни бродови

Хелијум се користи за надувавање ваздушних бродова и много је сигурнији од водоника јер није запаљив гас. Извор: Пикабаи.

Због ниске густине у поређењу са ваздухом и, опет, недостатка реактивности са кисеоником, коришћен је за надувавање балона на дечјим забавама (помешан са кисеоником тако да нико не угуши дисање) и ваздушних бродова (горња слика) , без представљања опасности од пожара.

Роњење

Хелијум је једна од главних компоненти резервоара за кисеоник са којима рониоци дишу. Извор: Пкхере.

Када се рониоци спусте на веће дубине, тешко дишу због великог притиска који врши вода. Зато се хелијум додаје у њихове резервоаре за кисеоник да би се смањила густина гаса који рониоци удишу и издахну, па се на тај начин може издахнути са мање рада.

Арц заварива

У процесу заваривања, електрични лук обезбеђује довољно топлоте да се два метала сједине. Ако се изводи у атмосфери хелијума, метал са жарном нити неће реаговати са кисеоником у ваздуху да би постао његов оксид; према томе, хелијум спречава да се то догоди.

Суперпреводници

Течни хелијум се користи за хлађење магнета који се користе у скенерима за нуклеарну магнетну резонанцу. Извор: Јан Аинали

Течни хелијум је толико хладан да може смрзнути метале у суперпроводницима. Захваљујући томе, могућа је израда веома моћних магнета, који су охлађени течним хелијемом коришћени у скенерима слике или спектрометрима нуклеарне магнетне резонанце.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Анди Ектанце. (17. априла 2019). Јонски хелијум хидрид први пут је откривен у свемиру: пронађени су докази за неухватљиву хемију из првих минута свемира. Опоравак од: цхемистриворлд.цом
3. Петер Вотхерс. (19. августа 2009). Хелијум. Хемија у свом елементу. Опоравак од: цхемистриворлд.цом
4. Википедиа. (2019). Хелијум. Опоравак од: ен.википедиа.орг
5. Мао, ХК, Ву, И., Јепхцоат, АП, Хемлеи, РЈ, Белл, ПМ, & Бассетт, ВА (1988). Кристална структура и густина хелијума до 232 Кбар. Опоравак од: мемберс.адсабс.харвард.еду
6. Национални центар за информације о биотехнологији. (2019). Хелијум. ПубЦхем база података. ЦИД = 23987. Опоравак од: пубцхем.нцби.нлм.них.гов
7. Мари-Анн Муффолетто. (6. фебруара 2017.). Горе, горе и даље: Хемичари кажу да, хелијум може да ствара једињења. Државни универзитет Утах. Опоравак од: пхис.орг
8. Стеве Гагнон (сф) Изотопи елемента Хелијума. Јефферсон лаб. Опоравили од: едуцатион.јлаб.орг
9. (2019). Хелијум. Опоравак од: цхемистриекплаинед.цом