HELIS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, RIZIKA, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Helio yra cheminis elementas simboliu jis. Tai yra pirmosios tauriosios dujos periodinėje lentelėje, ir paprastai jos yra dešinėje jo pusėje. Normaliomis sąlygomis tai yra inertinės dujos, nes nė vienas iš nedaugelio jo junginių nėra stabilus; Jis taip pat labai greitai plečiasi ir yra medžiaga, kurios virimo temperatūra yra mažiausia.

Populiariuoju lygmeniu tai yra gerai žinomos dujos, nes nesuskaičiuojamuose renginiuose ar vaikų vakarėliuose įprasta matyti oro baliono pakilimą, kol jis pasimeta danguje. Tačiau tai, kas iš tikrųjų amžinai prarasta Saulės sistemos kampuose ir už jų ribų, yra helio atomai, kurie išsiskiria, kai balionas sprogo ar išblunka.

Helio pripūstos balionai, kuo arčiau šio elemento galite rasti kasdienėse situacijose. Šaltinis: „Pixabay“.

Tiesą sakant, yra tokių, kurie pagrįstai mano, kad helio balionai yra netinkama šių dujų praktika. Laimei, jis turi svarbesnių ir įdomesnių naudojimo būdų dėl savo fizikinių ir cheminių savybių, išskiriančių jį iš kitų cheminių elementų.

Pavyzdžiui, skystas helis yra toks šaltas, kad gali užšaldyti bet ką, pavyzdžiui, metalo lydinį, paversdamas jį superlaidžia medžiaga. Lygiai taip pat tai yra skystis, pasireiškiantis skysčiu, galintis lipti į viršų stiklinės taros sieneles.

Jo vardas kilo dėl to, kad pirmą kartą jis buvo identifikuotas Saulėje, o ne Žemėje. Tai yra antras gausiausias elementas visoje Visatoje ir, nors jo koncentracija žemės plutoje yra nedidelė, jo galima gauti iš gamtinių dujų ir radioaktyviųjų urano ir torio mineralų atsargų.

Čia helis įrodo dar vieną keistą faktą: tai yra dujos, kurių gausu pogrupyje nei atmosferoje, kur jos pasklinda iš žemės ir jos gravitacinio lauko.

Istorija

Helis buvo atrastas ne žemėje, bet saulėje. Tiesą sakant, jo pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio „helios“, kuris reiškia saulę. Elemento egzistavimas pats savaime kontrastavo su Dmitrijaus Mendelejevo periodine lentele, nes jame nebuvo vietos naujoms dujoms; Kitaip tariant, iki tol nieko nebuvo įtariama dėl tauriųjų dujų.

Pavadinimas „helium“, angliškai parašytas kaip „helium“, pasibaigė priesaga -ium, nurodančiu jį kaip metalą; būtent todėl, kad negalima pripažinti, kad egzistuoja kitos nei deguonis, vandenilis, fluoras, chloras ir azotas.

Šį vardą paskyrė anglų astronomas Normanas Lockyeris, kuris iš Anglijos išstudijavo tai, ką prancūzų astronomas Julesas Janssenas pastebėjo Indijoje per saulės užtemimą 1868 m.

Tai buvo geltona spektrinė linija iš iki šiol nežinomo elemento. „Lockyer“ tvirtino, kad taip nutiko dėl to, kad Saulėje rastas naujas cheminis elementas.

1895 m., Praėjus beveik dvidešimčiai metų, škotų chemikas seras Williamas Ramsay'as atpažino tą patį spektrą iš likusių dujų, kai tyrė radioaktyvųjį mineralą: Cleveite. Taigi čia, Žemėje, taip pat buvo helio.

Fizinės ir cheminės savybės

Išvaizda

Ampulė su helio mėginiu, švyti po elektros smūgio. Šaltinis: Hi-Res vaizdai iš cheminių elementų

Helis yra bespalvės, bekvapės dujos, neturinčios skonio ir taip pat inertiškos. Tačiau, pritaikius elektros šoką ir atsižvelgiant į įtampos skirtumą, jis pradeda švytėti kaip pilkšvai violetinė migla (vaizdas aukščiau), tada švyti oranžiniu švytėjimu. Todėl helio lemputės yra oranžinės spalvos.

Atominis skaičius (Z)

du

Molinė masė

4,002 g / mol

Lydymosi temperatūra

-272,2 ºC

Virimo taškas

-268,92 ºC

Tankis

-0,1786 g / L normaliomis sąlygomis, tai yra dujų fazėje.

-0,145 g / ml, lydymosi taške, skystas helis.

-0,125 g / ml, tik kai helis pradeda virti.

-0,187 g / ml, esant 0 K ir 25 atm, tai yra, kietas helis tomis specifinėmis slėgio ir temperatūros sąlygomis.

Trigubas taškas

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

Kritinis taškas

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

Lydymosi šiluma

0,0138 kJ / mol

Garinimo šiluma

0,0829 kJ / mol

Molinės šilumos talpa

20,78 J / (mol K)

Garų slėgis

0,9869 atm, esant 4,21 K. Ši vertė suteikia jums supratimą, koks gali būti trumpalaikis helis ir kaip lengvai jis gali išeiti kambario temperatūroje (artimas 298 K).

Jonizacijos energijos

-Pirma: 2372,3 kJ / mol (Jis ⁺ dujinis)

-Antra: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ dujinis)

Helio jonizacijos energijos yra ypač didelės, nes dujinis atomas turi prarasti elektroną, kuris patiria stiprų efektyvų branduolinį krūvį. Tai taip pat galima suprasti atsižvelgiant į mažą atomo dydį ir tai, kiek du elektronai yra „artimi“ branduoliui (su dviem protonais ir dviem neutronais).

Tirpumas

Kiekviename 100 ml vandens 0 ° C temperatūroje vandenyje ištirpinama 0,97 ml, tai reiškia, kad jis mažai tirpsta.

Reaktyvumas

Helis yra antras mažiausiai reaktyvus cheminis elementas gamtoje. Normaliomis sąlygomis teisinga sakyti, kad tai yra inertinės dujos; Niekada (atrodo), helio junginiu negalima manipuliuoti kambaryje ar laboratorijoje, nedarant jam didžiulio slėgio; o galbūt dramatiškai aukšta ar žema temperatūra.

Pavyzdys matomas junginyje Na ₂ He, kuris yra stabilus tik esant 300 GPa slėgiui ir atkuriamas deimantų priekinio lango ląstelėje.

Nors cheminės jungtys Na ₂ He yra „keistos“, nes jų elektronai yra gerai išdėstyti kristaluose, jie toli gražu nėra paprasta Van der Walls sąveika ir todėl jie nėra sudaryti tik iš helio atomų, įstrigusių molekulinių agregatų. . Būtent čia kyla dilema, kurie helio junginiai yra tikri, o kurie ne.

Pvz., Azoto molekulės esant aukštam slėgiui gali sulaikyti helio atomą, kad susidarytų savotiškas klatratas, He (N ₂ ) ₁₁ .

Panašiai yra endoedriniai fulleno katijonų, C ₆₀ ^{+ n} ir C ₇₀ ^{+ n} , kompleksai, kurių ertmėse jie gali laikyti helio atomus; ir molekulinis katijonas HeH ⁺ (He-H ⁺ ), aptinkamas labai tolimuose ūkuose.

Oksidacijos numeris

Smalsumas, kurie bando , kad apskaičiuoti oksidacijos numerį helio bet kurį jo junginį bus nustatyta, kad ji yra lygi 0. Na ₂ kurie, pavyzdžiui, gali manyti, kad formulė dalis atitinka hipotetinę Na ₂ ⁺ I ^2- ; tačiau būtų galima manyti, kad jis turi gryną joninį pobūdį, kai iš tikrųjų jo jungtys toli gražu nėra tokios.

Be to, helis neįgyja elektronų, nes negali jų apgyvendinti 2s orbitoje, energetiškai neprieinamas; Taip pat neįmanoma jų prarasti dėl mažo atomo dydžio ir didelio veiksmingo branduolio krūvio. Štai kodėl helis visuomet dalyvauja (teoriškai) kaip He ⁰ atomas jo išvestiniuose junginiuose.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Helis, kaip ir visos makro skalėje stebimos dujos, užima jį talpančių indų tūrį, todėl turi neterminuotą formą. Kai temperatūra nukrenta ir pradeda atvėsti žemiau -269 ºC, dujos kondensuojasi į bespalvį skystį; helio I, pirmoji iš dviejų šio elemento skysčių fazių.

Priežastis, kodėl helis kondensuojasi esant tokiai žemai temperatūrai, yra dėl mažų sklaidymo jėgų, sulaikančių jo atomus kartu; kad ir kokia būtų fazė. Tai galima paaiškinti elektronine konfigūracija:

1s ²

Kuriuose du elektronai užima 1s atominę orbitalę. Helio atomą galima įsivaizduoti kaip beveik tobulą sferą, kurios vienalytė elektroninė periferija vargu ar bus poliarizuota veiksmingai veikiant dviem protonams branduolyje.

Taigi spontaniškos ir sukeltos dipolio akimirkos yra retos ir labai silpnos; taigi temperatūra turi artėti prie absoliučios nulio, kad He atomai artėtų pakankamai lėtai ir pasiektų, kad jų sklaidomosios jėgos apibrėžtų skystį; ar dar geriau, helio kristalas.

Dimerai

Dujinėje fazėje erdvė, skirianti He atomus, yra tokia, kad galima manyti, kad jie visada yra atskirti vienas nuo kito. Tiek, kad nedidelio tūrio buteliuke helis atrodo bespalvis, kol jam nedaroma elektros iškrova, kuris jonizuoja jo atomus pilkšvoje ir silpnai apšviestoje rūke.

Tačiau skystoje fazėje Jo atomų, net ir esant silpnai sąveikai, nebegalima „ignoruoti“. Dabar pasklidimo jėga leidžia jiems akimirksniu susilieti ir sudaryti dimerius: He-He arba He ₂ . Taigi, helį I galima laikyti didelėmis He ₂ grupėmis pusiausvyroje su jos atomais garų fazėje.

Būtent todėl helį I taip sunku atskirti nuo jo garų. Jei šis skystis išpilamas iš hermetiško indo, jis išsiskiria kaip balkšvas paūmėjimas.

Helis II

Temperatūrai dar labiau nukritus, palietus 2,178 K (–270,972 ºC), įvyksta fazės perėjimas: I helija virsta II heliu.

Nuo šio momento jau žavus helio skystis tampa super skysčiu arba kvantiniu skysčiu; tai yra, jų makroskopinės savybės pasireiškia taip, tarsi He ₂ dimerai būtų atskiri atomai (ir galbūt jie yra). Jam trūksta visiško klampumo, nes nėra paviršiaus, kuris galėtų sustabdyti atomą slenkant ar „lipant“.

Štai kodėl helis II gali įveikti gravitacijos jėgą per stiklinio indo sienas; nesvarbu, kokie aukšti jie yra, tol, kol paviršius išlieka toje pačioje temperatūroje ir dėl to nepraeina.

Dėl šios priežasties skysto helio negalima laikyti stiklinėse tarose, nes jis galėtų ištrūkti esant menkiausiam įtrūkimui ar tarpui; labai panašus į tai, kaip tai atsitiks su dujomis. Tokiems indams („Dewars“ talpykloms) projektuoti naudojamas nerūdijantis plienas.

Kristalai

Net jei temperatūra nukristų iki 0 K (absoliutaus nulio), išsklaidymo jėga tarp He atomų nebūtų tokia stipri, kad būtų galima juos išdėstyti kristalinėje struktūroje. Kad kietėjimas įvyktų, slėgis turi pakilti iki maždaug 25 atm; ir tada pasirodo kompaktiški šešiakampiai helio kristalai (hcp).

Geofiziniai tyrimai rodo, kad ši hcp struktūra nesikeičia, nepaisant to, kiek padidėja slėgis (iki gigapaskalių, GPa). Tačiau jų slėgio ir temperatūros diagramoje yra siauras regionas, kuriame šie hcp kristalai pereina į kūną nukreiptą kubinę fazę (BCC).

Kur rasti ir gauti

Kosmosas ir uolos

Helis yra antrasis gausiausias elementas Visatoje ir 24% jo masės. Šaltinis: Pxhere.

Helis yra antras gausiausias elementas visoje Visatoje, antras pagal vandenilį. Žvaigždės branduolio sintezės proceso metu nuolat gamina neišmatuojamą kiekį helio atomų.

Panašiai, bet koks radioaktyvus procesas, išskiriantis α daleles, yra helio atomų susidarymo šaltinis, jei jie sąveikauja su aplinkos elektronais; pavyzdžiui, su akmenuotu kūnu, kuriame yra radioaktyviųjų urano ir torio mineralų. Šie du elementai, pradedant nuo urano, radioaktyviai suyra:

Radioaktyvus urano skilimas formuojant alfa daleles, kurios požeminiuose telkiniuose vėliau virsta helio atomu. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Todėl uolienose, kur yra sukoncentruoti šie radioaktyvūs mineralai, bus įstrigę helio atomai, kurie, išsiskyrę rūgščioje terpėje, išsiskirs.

Tarp kai kurių šių mineralų yra Cleveite, karnotitas ir uraninitas, kuriuos sudaro urano oksidai (UO ₂ arba U ₃ O ₈ ) ir torio, sunkiųjų metalų ir retųjų žemių priemaišos. Požeminiais kanalais drėkinamas helis gali kauptis gamtinių dujų rezervuaruose, mineralinėse versmėse ar meteorinėse geležyse.

Manoma, kad dėl radioaktyvaus urano ir torio skilimo litosferoje kasmet susidaro 3000 tonų helio masė, lygi 3000 tonų.

Oras ir jūros

Helis mažai tirpsta vandenyje, todėl greičiau nei vėliau jis baigiasi kylančiu iš gelmių (kad ir kur kiltų), kol kerta atmosferos sluoksnius ir galiausiai pasiekia kosminę erdvę. Jo atomai yra tokie maži ir lengvi, kad Žemės gravitacinis laukas negali jų sulaikyti atmosferoje.

Dėl to, helio koncentracija ore (5,2 ppm) ir jūrose (4 ppt) yra labai maža.

Jei būtų norima jį išgauti iš bet kurios iš šių terpių, „geriausias“ pasirinkimas būtų oras, kuris pirmiausia turėtų būti skystinamas, kad būtų kondensuotos visos jo sudedamosios dalys, o helis išlieka dujinis.

Tačiau helį gauti iš oro nėra praktiška, bet iš uolienų, praturtintų radioaktyviais mineralais; arba dar geriau - iš gamtinių dujų atsargų, kur helis gali sudaryti iki 7% visos jo masės.

Gamtinių dujų skystinimas ir distiliavimas

Užuot suskystinus orą, lengviau ir naudingiau naudoti gamtines dujas, kurių helio sudėtis neabejotinai yra daug didesnė. Taigi helio gavimui naudojama išskirtinė (komercinė) žaliava yra gamtinės dujos, kurios taip pat gali būti distiliuojamos.

Galutinis distiliavimo produktas yra baigtas valyti aktyvuota anglimi, pro kurią praeina labai grynas helis. Ir galiausiai, helis nuo neono yra atskirtas kriogeniniu būdu, kai naudojamas skystas helis.

Izotopai

Daugiausia gamtoje yra helio, kaip ⁴ He izotopo , kurio plikas branduolys yra garsioji α dalelė. Šis ⁴ He atomas turi du neutronus ir du protonus. Mažiau yra ³ He izotopas , kuris turi tik vieną neutroną. Pirmasis yra sunkesnis (turi didesnę atominę masę) nei antrasis.

Taigi izotopų pora ³ He ir ⁴ He apibūdina išmatuojamas savybes ir tai, ką mes suprantame apie helį kaip cheminį elementą. Atsižvelgiant į tai, kad ³ He yra lengvesnis, daroma prielaida, kad jo atomai turi didesnę kinetinę energiją, todėl jiems reikia dar žemesnės temperatūros, kad susilietų į super skystį.

³ Jis yra laikomas labai retų rūšių čia, žemėje; tačiau mėnulio dirvožemiuose jo gausu (maždaug 2000 kartų daugiau). Štai kodėl Mėnulis buvo projektų ir istorijų objektas kaip galimas ³ He šaltinis , kuris galėtų būti naudojamas kaip branduolinis kuras ateities erdvėlaiviams.

Tarp kitų helio izotopų galima paminėti jų atitinkamą pusėjimo trukmę: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ^–22 s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) ir ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

Pavojai

Helis yra inertinės dujos, todėl nedalyvauja jokiose reakcijose, kurios vyksta mūsų kūne.

Jo atomai praktiškai patenka ir iškvepiami, nesąveikaudami su biomolekulėmis, sukeliančiomis išorinį efektą; išskyrus garsą, skleidžiamą iš balso stygų, kurie tampa aukštesni ir dažnesni.

Žmonės, įkvėpdami helį iš baliono (saikingai), kalba aukštu balsu, panašiai kaip voverė (arba antis).

Problema ta, kad jei toks asmuo įkvepia netinkamą kiekį helio, jis rizikuoja uždusti, nes jo atomai išstumia deguonies molekules; todėl negalėsite kvėpuoti, kol neiškvėpsite viso to helio, kuris savo ruožtu dėl savo slėgio gali suplėšyti plaučių audinį ar sukelti barotraumą.

Pranešama apie žmonių, mirusių įkvėpus helio, atvejus dėl ką tik paaiškinto.

Kita vertus, nors tai nekelia gaisro pavojaus, nes jis nereaguoja į deguonį (ar kitą medžiagą), jei jis laikomas aukštame slėgyje ir išeina, jo nuotėkis gali būti fiziškai pavojingas.

Programos

Fizinės ir cheminės helio savybės ne tik daro jį ypatingomis dujomis, bet ir labai naudinga medžiaga, kuriai reikia ypač žemos temperatūros. Šiame skyriuje bus nagrinėjami kai kurie iš šių programų ar naudojimo būdų.

Slėgio ir oro išleidimo sistemos

Kai kuriose sistemose būtina padidinti slėgį (padaryti slėgį), ir tam reikia suleisti ar tiekti dujas, kurios nesąveikauja su jokiais jo komponentais; pavyzdžiui, su reagentais arba paviršiais, jautriais nepageidaujamoms reakcijoms.

Taigi slėgį galima padidinti naudojant helio tūrį, kurio cheminis inertiškumas daro jį idealų šiam tikslui. Inertinė atmosfera tam tikrais atvejais viršija azoto atmosferą.

Atvirkščiam procesui, ty prapūtimui, helis taip pat naudojamas dėl jo sugebėjimo sunaikinti visus deguonį, vandens garus ar bet kokias kitas dujas, kurių buvimą norite pašalinti. Tokiu būdu ištuštėjus heliui, sistemos slėgis sumažinamas.

Nuotėkio aptikimas

Helis gali nutekėti per menkiausią įtrūkimą, todėl jis taip pat padeda aptikti vamzdžių, didelio vakuumo talpyklų ar kriogeninių rezervuarų nuotėkį.

Kartais aptikti galima vizualiai arba liečiant; tačiau dažniausiai detektorius „signalizuoja“, kur ir kiek helio pabėga iš tikrinamos sistemos.

Nešiklio dujos

Helio atomai, kaip minėta valymo sistemose, gali nešiotis su savimi sunkesnes molekules, atsižvelgiant į jų slėgį. Pvz., Šis principas kasdien naudojamas atliekant dujų chromatografijos analizę, nes jis gali tempti atomizuotą mėginį išilgai kolonėlės, kur jis sąveikauja su nejudančia faze.

Balionai ir dirižabliai

Helis naudojamas orlaiviams pripūsti ir yra daug saugesnis už vandenilį, nes tai nėra degios dujos. Šaltinis: „Pixabay“.

Dėl mažo tankio, palyginti su oru, ir, vėlgi, dėl to, kad jis nereaguoja su deguonimi, jis buvo naudojamas vaikų vakarėliuose pripūsti oro balionų (sumaišytų su deguonimi, kad niekas jų neįkvėptų), ir dirižablių (viršutinis vaizdas) , nerodant gaisro pavojaus.

Nardymas

Helis yra vienas iš pagrindinių deguonies rezervuarų komponentų, kuriais narai kvėpuoja. Šaltinis: Pxhere.

Kai narai nusileidžia į didesnį gylį, jiems sunku kvėpuoti dėl didelio vandens spaudimo. Štai kodėl į jų deguonies bakus pridedama helio, kad sumažėtų dujų, kurias narai kvėpuoja ir iškvepia, tankis, taigi, ją galima iškvėpti atlikus mažiau darbo.

Lanko suvirinimas

Suvirinimo metu elektros lankas suteikia pakankamai šilumos, kad abu metalai galėtų susilieti. Jei metalas kaitinamas helio atmosferoje, jis nereaguos su deguonimi ore ir taps jo atitinkamu oksidu; todėl helio neleidžia tai įvykti.

Superlaidininkai

Skystasis helis naudojamas aušinti magnetams, naudojamiems branduolinio magnetinio rezonanso tomografijoje. Šaltinis: Janas Ainali

Skystasis helis yra toks šaltas, kad gali užšaldyti metalus į superlaidininkus. Dėl šios priežasties buvo įmanoma pagaminti labai galingus magnetus, kurie, atšaldyti skystu heliu, buvo naudojami vaizdo skaitytuvuose ar branduolinio magnetinio rezonanso spektrometruose.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance'as. (2019 m. Balandžio 17 d.). Helio hidrido jonas kosmose aptiktas pirmą kartą: įrodymų, kad cheminė chemija yra nemandagi, rasta nuo pirmųjų visatos minučių. Atkurta iš: chemistryworld.com
3. Petras Wothersas. (2009 m. Rugpjūčio 19 d.). Helis. Chemija savo elemente. Atkurta iš: chemistryworld.com
4. Vikipedija. (2019 m.). Helis. Atkurta iš: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM ir Bassett, WA (1988). Helio kristalinė struktūra ir tankis iki 232 kbar. Atkurta iš: articles.adsabs.harvard.edu
6. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2019 m.). Helis. „PubChem“ duomenų bazė. CID = 23987. Atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (2017 m. Vasario 6 d.). Aukštyn, aukštyn ir toli: chemikai sako „taip“, helis gali sudaryti junginius. Jutos valstijos universitetas. Atkurta iš: fiz.org
8. Steve'as Gagnonas. (sf). Elemento helio izotopai. „Jefferson Lab“. Atgauta iš: education.jlab.org
9. „Advameg, Inc.“ (2019 m.). Helis. Atkurta iš: chemistryexplained.com