الهليوم: الخصائص، والخصائص، والتطبيق

الهيليوم - غاز خامل من مجموعة 18 من الجدول الدوري. وهذا هو ثاني أخف العناصر بعد الهيدروجين. الهيليوم - الغاز دون اللون والرائحة والطعم الذي يصبح السائل في درجة حرارة -268.9 درجة مئوية. نقطة الغليان ونقطة التجمد في أقل من ذلك من أي مادة أخرى معروفة. هذا هو العنصر الوحيد الذي لا يصلب مع التبريد في الضغط الجوي العادي. انتقل إلى الحالة الصلبة يجب أن يكون 25 الاجواء، عند درجة حرارة 1 K.

تاريخ الاكتشاف

تم العثور على الهيليوم في الغلاف الجوي الغاز المحيطة الشمس، عالم الفلك الفرنسي بيير Zhansenom التي وجدت في عام 1868 أثناء كسوف خط أصفر مشرق في الطيف الضوئي للطاقة الشمسية. في البداية كان من المفترض أن هذا الخط يمثل عنصر الصوديوم. وفي العام نفسه، لاحظ الفلكي الإنكليزي Dzhozef نورمان لوكير خط أصفر في الطيف الشمسي، والتي لا تتوافق مع خطوط الصوديوم المعروف D ₁ و D _2، وبالتالي فإنه يدعى أنه خط D _3. واختتم لوكير الذي سببه مادة في المجهول الشمس على الأرض. ووالكيميائي إدوارد فرانكلاند في عنصر العنوان باستخدام اسم اليوناني "هيليوس الشمس.

في عام 1895، أثبت الكيميائي البريطاني السير Uilyam Ramzay وجود الهيليوم على الأرض. حصل على المعادن الحاملة لليورانيوم cleveite العينة، وبعد فحص الغازات شكلت أثناء التسخين، تبين أن خط أصفر لامع في الطيف يتزامن مع الخط D _3، لوحظ في الطيف الشمسي. وهكذا، تم تثبيت عنصرا جديدا في نهاية المطاف. في عام 1903 وجد رامزي وفردريك سودي أن الهليوم هو منتج من تسوس عفوية من المواد المشعة.

توزيع في الطبيعة

كتلة الهيليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكلية للكون، والعنصر الثاني الأكثر شيوعا في الفضاء. فإنه يتركز في النجوم، حيث يتكون الهيدروجين من الانصهار الناتجة عن ذلك. على الرغم من أن الهيليوم في الغلاف الجوي في تركيز 1 جزء إلى 200 ال. (5 جزء في المليون) ويرد في كميات صغيرة من المعادن المشعة، الغدة النيزك، فضلا عن مصادر المعدنية، وكميات كبيرة من عنصر وجدت في الولايات المتحدة (وخاصة في ولاية تكساس، نيو مكسيكو سيتي، كانساس، أوكلاهوما، يوتا، وأريزونا) كمكون (7.6٪) من الغاز الطبيعي. وقد تم اكتشاف الصغيرة واحتياطياتها في أستراليا والجزائر وبولندا وقطر وروسيا. في تركيز قشرة الهليوم ليست سوى حوالي 8 جزء في البليون.

نظائر

جوهر كل ذرة الهيليوم يحتوي على اثنين من البروتونات، ولكن، كما هو الحال مع العناصر الأخرى، فقد النظائر. أنها تحتوي من شهر إلى ستة نيوترونات، لذلك عدد الكتلة تتراوح 3-8. استقرار هذه هي العناصر التي يتم تحديدها من قبل الهليوم العدد الذري 3 ⁽³ و) و 4 ⁽⁴ و) الوزن. كل أخرى مشعة وتضمحل بسرعة إلى مواد أخرى. الهليوم الأرض ليست جزءا الأصلي للكوكب، تم تشكيلها نتيجة التحلل الإشعاعي. جسيمات ألفا التي تنبعث من نواة من المواد الثقيلة المشعة والنظائر ⁴ والنواة. الهليوم لا تتراكم بكميات كبيرة في الغلاف الجوي، لأن الجاذبية الأرضية ليست كافية لمنعها من التسرب تدريجيا إلى الفضاء. وأوضح آثار ³ وفي العالم سلبي تحلل بيتا الهيدروجين نادر-3 عنصر (التريتيوم). ⁴ هو الأكثر شيوعا من النظائر المستقرة: ⁴ نسبة والذرات نحو ³ وهو حوالي 700،000 إلى 1 الغلاف الجوي، وحوالي 7 مليون دولار بحلول 1 في بعض المعادن الهليوم غنية ..

الخصائص الفيزيائية للغاز الهليوم

الغليان ونقطة انصهار هذا البند هي أدنى. لهذا السبب، يوجد الهيليوم كغاز إلا في الظروف القاسية. يذوب والغاز في المياه أقل من ذلك من أي غاز آخر، ومعدل انتشار من خلال جسم صلب ثلاث مرات أكبر من الهواء. في معامل الانكسار من أقرب النهج 1.

التوصيل الحراري للهيليوم في المرتبة الثانية بعد التوصيل الحراري الهيدروجين، الحرارة النوعية وأعلى مستوياته للغاية. في درجات الحرارة العادية تسخينها خلال التوسع، وأقل من 40 K - تبريد. لذلك، في T <40 K الهيليوم يمكن تحويلها إلى سائل عن طريق التوسع.

العنصر هو عازل، إذا ليس في ولاية المؤينة. كما هو الحال مع الغازات النبيلة الأخرى، الهليوم لديه مستويات الطاقة متبدل الاستقرار التي تتيح له أن المتأينة بواسطة التفريغ الكهربائي عندما يكون الجهد هو أقل من جهد التأين.

الهليوم-4 هي فريدة من نوعها في أن لديها شكلين السائل. المعتاد يسمى الهيليوم الأول وموجود في درجات حرارة تتراوح من درجة غليان 4.21 K (-268،9 ° C) إلى حوالي 2،18 K (-271 درجة مئوية). الموصلية الحرارية أقل من 2،18 K ⁴ ويصبح 1000 مرة أكبر من النحاس. وهذا ما يسمى شكل الهليوم II، لتمييزه عن المألوف. وقد الفائق ذلك: اللزوجة منخفضة بحيث لا يمكن قياسها. ينتشر الهليوم الثاني في طبقة رقيقة على سطح أي مادة التي هي المعنية، وهذا الفيلم تتدفق دون الاحتكاك حتى ضد الجاذبية.

أقل وفرة الهليوم 3 يشكل ثلاث مراحل السائلة مختلفة، اثنتان منها الفائق. الميوعة في ⁴ تم اكتشافه على يد الفيزيائي السوفياتي بتروم Leonidovichem Kapitsey في منتصف 1930s، ونفس الظاهرة في ³ لوحظ أنه لأول مرة من قبل دوغلاس D أوشيروف، ديفيد M. لي، وروبرت ريتشاردسون من الولايات المتحدة في عام 1972.

مزيج السائل من نظيرين من الهليوم 3 و -4 في درجة حرارة تقل عن 0.8 K (-272.4 ° C) ينقسم إلى طبقتين - وهو محض أساسا ³ وو ⁴ وخليط مع 6٪ من الهليوم 3. حل ³ وفي ⁴ ويرافقه تأثير التبريد الذي يستخدم في هياكل ناظم البرد فيها درجة حرارة الهيليوم أقل من 0.01 K (-273،14 ° C) ويحتفظ به لبضعة أيام.

روابط

في ظل ظروف طبيعية، الهيليوم هو خامل كيميائيا. في أقصى يمكن إنشاء عنصر مركب في مؤشرات درجة الحرارة والضغط العادية ليست مستقرة. على سبيل المثال، يمكن أن تشكل الهليوم مركبات اليود والتنغستن والفلور والفوسفور والكبريت، عندما تعرض لتصريف توهج الكهربائية أو عن طريق القصف الإلكترون في حالة البلازما. وهكذا تم إنشاؤه الحنة HgHe _10، عرج ₂ و الأيونات الجزيئية _و2 ⁺ ₂ ليس ^++، هيه ⁺ و[هد] ^+. وكانت هذه التقنية أيضا جزيء محايد _و2 و HgHe.

بلازما

في الكون موزعة مفيد الهليوم المتأين، التي تختلف اختلافا جوهريا عن الجزيئي خصائص. الالكترونات والبروتونات ليست مرتبطة، ولها الموصلية الكهربائية عالية جدا حتى في حالة المتأينة جزئيا. على الجسيمات المشحونة ويتأثر بشدة من المجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال، في الرياح الشمسية مع أيونات الهليوم التفاعل مع المتأينة الأرض المغنطيسي الهيدروجين، مما تسبب في الشفق القطبي.

اكتشاف رواسب في الولايات المتحدة

بعد حفر في عام 1903 في دكستر، كانساس، تم الحصول عليها من الغاز غير قابلة للاشتعال. في البداية، لم يكن معروفا أنه يحتوي على الهليوم. التي الغاز وجد، وجد دولة حددت ايراسموس هاوورث الجيولوجي الذي جمعت له العينات وجامعة كنساس عبر الكيميائيين KEDI Gamiltona وديفيد مكفارلاند أنه يحتوي على 72٪ نيتروجين و 15٪ من الميثان، 1٪ الهيدروجين ولم يكشف 12٪. بعد أن أمضى تحليلها لاحقا، وجد الباحثون أن 1.84٪ من العينة من الهيليوم. لذلك نحن نعرف أن هذا عنصر كيميائي موجود بكميات كبيرة في أعماق السهول العظمى، حيث يمكن استخراجه من الغاز الطبيعي.

الإنتاج الصناعي

وهذا ما جعل الولايات المتحدة في العالم لإنتاج زعيم الهيليوم. وبناء على اقتراح من قبل السير ريتشارد ثريلفول، مولت البحرية الامريكية ثلاثة مصانع صغيرة لإنتاج هذه المادة خلال الحرب العالمية الأولى لضمان منطاد حاجز خفيفة الوزن الغاز رفع غير قابلة للاشتعال. وفقا لهذا البرنامج تم إنتاجها في مجموعه 5700 م ³ 92 في المائة و، رغم أن هذا كان الحصول عليها إلا ما لا يقل عن 100 لترا من الغاز. تم استخدام جزء من هذا المبلغ في العالم أول منطاد الهيليوم البحرية الامريكية C-7، والتي جعلت رحلتها الاولى من ميناء هامبتون رودز (فيرجينيا) في الميدان بولينج (واشنطن، DC) 7 ديسمبر 1921.

على الرغم من أن عملية انخفاض الغاز السائل في درجة الحرارة في ذلك الوقت لم يكن المتقدمة بما فيه الكفاية لتكون كبيرة خلال الحرب العالمية الأولى، واصل الإنتاج. يستخدم الهيليوم عموما كغاز رفع في الطائرات. وزاد الطلب عليه خلال الحرب العالمية الثانية عندما كانت تستخدم مع لحام القوس محمية. لديه عنصر أهمية كبيرة في خلق القنبلة الذرية "مانهاتن".

الاحتياطي القومي الأمريكي

في عام 1925، أنشأت حكومة الولايات المتحدة الاحتياطي الوطني من الهيليوم في أماريلو بولاية تكساس، لتوفير المناطيد العسكرية في زمن الحرب والمناطيد التجارية في وقت السلم. انخفض استخدام الغاز بعد العالمية الثانية، ولكن تم زيادة الأسهم في عام 1950 أن تقدم، من بين أمور أخرى، فإنه يوفر كمبرد المستخدمة في إنتاج وقود الدفع الأكسجين والهيدروجين خلال سباق الفضاء والحرب الباردة. استخدام الهيليوم في الولايات المتحدة في عام 1965، أعلى ثماني مرات من ذروة الاستهلاك في زمن الحرب.

وبعد اعتماد قانون الهليوم 1960 مكتب التعدين الإنتصارات 5 شركات خاصة لاستخراج عنصر من الغاز الطبيعي. تم بناء هذا البرنامج خط الأنابيب 425 كيلومترا لربط هذه المحطات مع حقل غاز الحكومة المنضب جزئيا بالقرب أماريلو بولاية تكساس. الهليوم النيتروجين خليط يضخ إلى التخزين تحت الأرض، وبقي هناك حتى ليست هناك حاجة في ذلك.

بحلول عام 1995، تم تجميعها حجم المخزون مليار متر مكعب، في حين أن الديون الاحتياطي الوطني من 1.4 مليار دولار، الأمر الذي دفع الكونجرس الأمريكي في عام 1996 للتخلص منه. عقب اعتماد في عام 1996 على قانون خصخصة الهيليوم وزارة الموارد الطبيعية أطلقت متجر التصفية في عام 2005.

نظيفة والإنتاج

الهيليوم أنتجت حتى كان 1945 العام نقاء حوالي 98٪، وكانت الآخرين 2٪ في النيتروجين غير كافية لالمناطيد. في عام 1945، أنتجت كمية صغيرة من 99.9 في المئة من الغاز للاستخدام في قوس اللحام. بحلول عام 1949، وصلت نقاء العنصر الناتج 99.995٪.

لسنوات عديدة أنتجت الولايات المتحدة أكثر من 90٪ من الهليوم تجاري في العالم. منذ عام 2004، كل عام ويعمل بها 140 مليون م ^3، 85٪ منها تحدث في الولايات المتحدة، تم تنفيذ 10٪ في الجزائر، والباقي - في روسيا وبولندا. المصادر الرئيسية للهيليوم في العالم هي حقول الغاز الطبيعي من ولاية تكساس، أوكلاهوما وكنساس.

عملية الحصول على

يتم استرداد الهيليوم (نقاء 98.2٪) من إسالة الغاز الطبيعي بواسطة مكونات أخرى في درجات الحرارة المنخفضة وفي الضغوط العالية. امتصاص الغازات الأخرى تبريد الكربون المنشط يمكن تحقيق نقاء 99.995٪. وهناك كمية صغيرة من الهيليوم أنتجت خلال تسييل الهواء على نطاق واسع. من 900 طن من الهواء يمكن الحصول على حوالي 3.17 متر مكعب. الغاز متر.

مجالات التطبيق

وقد تم تطبيق الغازات النبيلة في مختلف المجالات.

• الهيليوم، والتي تسمح خصائص للحصول على درجة حرارة منخفضة جدا، ويستخدم كعامل تبريد في LHC، MRI الأجهزة فائقة التوصيل المغناطيس ومطياف الرنين المغناطيسي النووي، معدات الأقمار الصناعية، وكذلك لإسالة الأوكسجين والهيدروجين في صواريخ "أبولو".
• وبما أن غاز خامل لحام الألمنيوم وغيرها. المعادن في صناعة أشباه الموصلات والألياف البصرية.
• .. لخلق ضغط في خزانات وقود محركات الصواريخ، وخاصة تلك التي تعمل على الهيدروجين السائل، ر لغاز الهيليوم فقط يحافظ على حالته التجميع عندما يبقى الهيدروجين السائل)؛
• وني ليزر الغاز تستخدم لمسح الباركود على شباك التذاكر في محلات السوبر ماركت.
• الهيليوم أيون المجهر يسمح لك للحصول على أفضل صورة من الأجهزة الإلكترونية.
• نظرا لنفاذية عالية من الغازات النبيلة يستخدم لاختبار تسرب، على سبيل المثال في أنظمة تكييف الهواء بالسيارة، وكذلك ملء السريع وسادة هوائية عند الاصطدام.
• منخفض الكثافة تسمح كرات الزخرفية مليئة الهليوم. يتم استبدال غاز خامل غاز الهيدروجين ناسفة في المناطيد والبالونات. على سبيل المثال، في مجال الأرصاد الجوية، وتستخدم البالونات الهليوم لرفع أداة قياس.
• يستخدم المبرد المبردة، لأن درجة الحرارة من عنصر كيميائي في الحد الأدنى من الحالة السائلة ممكنة.
• الهيليوم، والتي توفر خصائص فقد وجدت التفاعل منخفضة وذوبان في الماء (والدم)، في خليط مع الأكسجين التطبيق في تركيبات الجهاز التنفسي لرياضة الغطس وعقد عمل الغواص.
• ويتم تحليل النيازك والصخور عن محتوى هذا العنصر لتحديد سنهم.

الهليوم: خصائص العنصر

والخواص الفيزيائية الرئيسية هي كما يلي:

• العدد الذري: 2.
• الكتلة النسبية لذرة الهيليوم: 4.0026.
• ذوبان نقطة: لا.
• نقطة الغليان: -268،9 درجة مئوية.
• كثافة (1 أجهزة الصراف الآلي، 0 ° C): 0،1785 ز / ن.
• حالة الأكسدة 0.