הליום: תכונות, מאפיינים, יישומים

הליום - גז אינרטי של הקבוצה 18 של הטבלה המחזורית. זהו המרכיב השני קל אחרי המימן. הליום - גז ללא צבע, ריח וטעם אשר הופך לנוזל בטמפרטורה של -268.9 ° C. נקודת רתיחה ו נקודת הקיפאון שלה נמוך מזה של כל חומר ידוע אחר. זהו האלמנט היחיד שאינו לחזק עם קירור בלחץ אטמוספרי רגיל. הוא עבר למצב המוצק חייבים להיות 25 אטמוספרות, בטמפרטורה של 1 ק

היסטוריה של גילוי

הליום נמצא באטמוספירה הגז המקיף את השמש, האסטרונום הצרפתי פייר Zhansenom כי בשנת 1868 במהלך ליקוי מצאה קו צהוב בהיר בספקטרום של כרומוספירה סולארית. בתחילה זה היה להניח כי הקו הזה מייצג את נתרן אלמנט. באותה שנה, האסטרונום האנגלי Dzhozef נורמן לוקיר ציין קו צהוב בספקטרום השמש, אשר לא מתאימות קווי נתרן ידוע D ₁ ו- D _2, ולכן נקרא זה קו D _3. לוקיר למסקנה כי זה נגרם על ידי חומר ב הלא נודע השמש על פני כדור הארץ. הוא הכימאי אדוארד Frankland באלמנט הכותרת באמצעות השם היוון השמש "הליוס"

בשנת 1895, הכימאי הבריטי סר Uilyam Ramzay הוכיח את קיומו של הליום על פני כדור הארץ. הוא קבל מדגם מינרלי cleveite אורניום נושאות, ולאחר שבחן את הגזים נוצרים במהלך חימום, נמצא כי קו צהוב בהיר בספקטרום חופף לקו D _3, שנצפה ספקטרום השמש. לפיכך, מרכיב חדש סוף סוף הותקן. בשנת 1903 רמזים ואת פרדריק הסודי מצאו כי הליום הוא תוצר של הריקבון הספונטני של חומרים רדיואקטיביים.

הפצה בטבע

המסה של הליום היא כ 23% מהמסה הכוללת של היקום, ואת האלמנט הוא השני הכי נפוץ בחלל. האוכלוסייה הייתה מרוכזת בכוכבים, שבו מימן נוצר מן היתוך שהתקבל. למרות הליום באטמוספרה נמצא ריכוז של 1 חלק ל 200 ה. (5 עמודים לדקה) והוא נמצא בכמויות קטנות של מינרלים רדיואקטיביים, בלוטת מטאוריט, כמו גם מקורות המינרלים, כמויות גדולות של האלמנט נמצא בארצות הברית (בעיקר בטקסס, ניו מקסיקו סיטי, קנזס, אוקלהומה, יוטה, אריזונה) כמרכיב (עד 7.6%) של גז טבעי. Small ושמורות שלה התגלו באוסטרליה, אלג'יריה, פולין, קטאר ורוסיה. בריכוז קרום הליום הוא רק כ 8 ppb.

איזוטופים

ליבת כל אטום הליום המכיל שני פרוטונים, אבל, כמו עם אלמנטים אחרים, יש לו איזוטופים. הם מכילים בין שנה לשישה ניטרונים, כך המספרים מונית שלהם החל שלוש עד שמונה. Stable אלה הם האלמנטים שמשקלה נקבעת על ידי מספר 3 אטומי הליום ⁽³ הוא) ו 4 ⁽⁴ הוא). כל רדיואקטיביים אחרים להירקב במהירות לחמרים אחרים. הליום של כדור הארץ אינו חלק מקורי של כדור הארץ, הוא נוצר כתוצאה של התפרקות רדיואקטיבית. חלקיקי אלפא הנפלטים על ידי גרעין של חומרים כבדים רדיואקטיביים הם איזוטופ ⁴ הגרעין הוא. הליום לא לצבור כמויות גדולות באטמוספירה, כי כוח הכבידה של כדור הארץ אינו מספיק כדי למנוע ממנו בהדרגה דולף לחלל. עקבות של ³ הוא בעולם מוסברות מימן שלילי התפרקות בטא נדיר-3 אלמנט (טריטיום). ⁴ הוא הנפוץ ביותר של איזוטופים יציבים: ⁴ יחס של הוא אטומי לכיוון ³ הוא כ -700 אלף 1 האווירה כ -7 מיליון עד 1 בחלק מינרלים הליום עשיר ..

בין התכונות הפיסיקליות של הליום

נקודת רתיחה והתכה של פריט זה היא נמוך ביותר. מסיבה זו, הליום קיים כגז למעט בתנאים קיצוניים. הוא גז מומס במים פחות מזה של כל גז אחר, ושיעור דיפוזיה דרך הגוף המוצק הוא גדול פי שלושה מזה של אוויר. מקדם השבירה שלה של קרובי גישות 1.

מוליכות התרמית של הליום שנייה רק מוליכות תרמית מימן, חום ספציפי שלה גבוהה במיוחד. בטמפרטורות רגילות הוא מחומם במהלך התרחבות, ומתחת 40 K - מקורר. לכן, ב- T <40 K הליום ניתן להמיר לנוזל על ידי הרחבה.

האלמנט הוא מבודד, אם הוא לא במצב המיונן. כמו עם גזים אצילים אחרים, יש הליום רמות האנרגיה metastable המאפשרות לו להיות מיונן על ידי פריקה חשמלית כאשר מתח הוא מתחת פוטנציאל יוניזציה.

הליום-4 הוא ייחודי בכך שיש לה שתי צורות נוזליות. ואני הליום הרגיל נקרא ומתקיים בטמפרטורות הנעות בין נקודת הרתיחה של 4.21 K (-268,9 ° C) כ 2,18 K (-271 ° C). מוליכות תרמית נמוכות של 2,18 K ⁴ הוא הופך 1000 פעמים גדולות יותר מזה של נחושת. צורה זו נקראת הליום השנייה, כדי להבדיל אותה מן הרגיל. זה נוזל: צמיגות נמוכה, כך שזה לא יכול להימדד. הליום II מתפשט לתוך סרט דק על פני השטח של כל חומר אשר עוסקת, ואת הסרט הזה זורם ללא חיכוך אפילו כנגד כוח הכבידה.

פחות-3 הליום בשפע טפסים בשלושה שלבים נוזליים שונים, שניים מהם נוזל. Superfluidity ב ⁴ הוא התגלה על ידי הפיזיקאי הסובייטי Petrom Leonidovichem Kapitsey באמצע 1930, ואותו תופעה של ³ הוא הבחין לראשונה על ידי דאגלס ד אושרוף, דוד מ Lee, ורוברט ג ריצ'רדסון של ארצות הברית בשנת 1972.

תערובת נוזלית של שני איזוטופים של הליום-3 ו -4 בטמפרטורות מתחת 0.8 K (-272.4 ° C) מחולק לשני רבדים - במהותה טהורה ³ הוא ⁴ תערובת היא עם 6% של הליום-3. פירוק ³ הוא ב ⁴ הוא מלווה את אפקט הקירור אשר משמש מבנים cryostat שבו הטמפרטורה הליום הוא מתחת 0.01 K (-273,14 ° C) ומתוחזק למשך כמה ימים.

חיבורים

בתנאים רגילים, הליום הוא אינרטי מבחינה כימית. בשינה קיצונית יכול ליצור אלמנט תרכובת כי האינדיקטורים טמפרטורה ולחץ נורמלים אינם יציבות. לדוגמא, הליום יכול ליצור תרכובות עם יוד, טונגסטן, פלואור, זרחן וגופרית, כאשר נתון פריקת זוהר חשמלי או ביורה אלקטרונים במצב הפלזמה. לכן הוא נוצר HeNe, _{10 HgHe,} whe ₂ ויונים מולקולריים הוא ₂ ⁺ ₂ לא ^++, חה ⁺ והד ^+. טכניקה זו גם הייתה מולקולה ניטרלית הוא ₂ ואת HgHe.

פלזמה

ביקום לתועלתו מופץ הליום מיונן, שתכונותיו שונות באופן מהותי מן מולקולרי. האלקטרונים והפרוטונים לא קושרו, והוא בעל מוליכות חשמלית גבוהות מאוד אפילו במצב מיונן חלקית. על חלקיקים טעונים מושפע מאוד שדות מגנטיים וחשמליים. לדוגמה, ברוח השמש עם יוני הליום אינטראקציה עם כדור הארץ המגנטוספירה מימן מיונן, גרימת הזוהר הצפוני.

גילוי מרבצי בארה"ב

לאחר הקידוח ב 1903 ב דקסטר, קנזס, זה הושג על ידי גז שאינו דליק. בתחילה, זה לא היה ידוע כי הוא מכיל הליום. איזה גז נמצא, המדינה מזוהה ארסמוס הוורת גיאולוג, אשר אספו דגימות שלו מאוניברסיטת קנזס באמצעות הכימאים Kedi Gamiltona ודוד מקפרלנד ומצאנו שהוא מכיל 72% חנקן, 15% מתאן, מימן 1% ו 12% לא זוהה. אחרי שבילה את הניתוח שלאחר מכן, החוקרים מצאו כי 1.84% מכלל המדגם של הליום. אז אנחנו יודעים כי יסוד כימי זה קיים בכמויות גדולות במעמקי המישורים הגדולים, שם הוא יכול להיות מופק גז טבעי.

ייצור תעשייתי

זה הפך את ארצות הברית לייצור מנהיג הליום בעולם. לפי ההצעה של סר ריצ'רד Threlfall, הצי האמריקאי במימון שלושה צמח פיילוט קטן כדי לייצר חומר זה במהלך מלחמת העולם הראשונה כדי להבטיח את בלוני ענק גז הרמת משקל שאינו דליקה. על פי תוכנית זו יוצרו בסך הכל של 5700 אחוזים מ ³ 92 הוא, אם כי זה הושג רק לפחות 100 ליטרים של גז. חלק מסכום זה שימש ספינת האוויר הליום הראשון בעולם הצי האמריקני C-7, אשר עשתה את מסע הבכורה שלה מ המפטון (וירג'יניה) ב בולינג שדה (וושינגטון, DC) 7 בדצמבר, 1921.

למרות תהליך של גז נוזלי בטמפרטורה נמוכה באותה עת לא היה מפותח מספיק כדי להיות משמעותי במלחמת העולם הראשונה, המשך הייצור. הליום משמש בדרך כגז להרים מטוסים. ביקוש זה גדל במהלך מלחמת העולם השנייה, כאשר נעשה שימוש עם ריתוך קשת מסוככים. האלמנט יש גם חשיבות רבה ביצירת הפצצה האטומית "מנהטן".

שמור הלאומי בארה"ב

בשנת 1925, ממשלת ארצות הברית יצרה את השמורה הלאומית של הליום ב אמרילו, טקסס, כדי לספק ספינות אוויר צבאיות בזמן מלחמת ספינות אוויר המסחרית בימי שלום. השימוש בגז ירד אחרי העולם השנייה, אבל המניה הוגדל ב 1950 כדי לספק, בין היתר, היא מספקת בתור נוזל קירור המשמשים לייצור דלק, מימן וחמצן במהלך המירוץ לחלל המלחמה הקרה. השימוש הליום בארצות הברית בשנת 1965, שמונה פעמים גבוהה יותר מאשר צריכת השיא בזמן המלחמה.

לאחר אימוץ החוק על 5 חברות פרטי Streak לשכת הכרייה הליום 1960 כדי לחלץ את האלמנט מגז טבעי. תוכנית זו נבנתה צינור 425 ק"מ כדי להתחבר צמחים אלה עם שדה הגז הממשלה מרוקנת חלקית ליד אמרילו, טקסס. תערובת הליום-חנקן נשאבת לתוך אחסון תת קרקעי, ונשארה שם עד שאין צורך בו.

עד 1995, היקף המניות הורכב מיליארד מ"ק, בעוד החוב של השמורה הלאומית של 1.4 מיליארד דולר, מה שגרר הקונגרס האמריקאי בשנת 1996 לשלב מחוץ לזה. בעקבות האימוץ ב 1996 של החוק על ההפרטה של הליום משרד משאבי טבע השיק חנות פירוק ב 2005.

Clean והפקה

הליום מיוצר עד לשנת 1945 הייתה טוהרת של כ 98%, אחרים 2% היו החנקן כי הוא מספיק עבור ספינות אוויר. בשנת 1945, אותו פיק כמות קטנה של 99.9 אחוז הגז לשימוש ברתכות. עד 1949, את הטוהר של האלמנט הגיע 99.995%.

במשך שנים רבות בארצות הברית מיוצרת יותר מ -90% של הליום המסחרי בעולם. מאז 2004, בכל שנה זה היה הסתדר 140 מיליון מטר ^3, 85% מתוכם להתרחש בארצות הברית, 10% בוצעו אלג'יריה, והשאר - ברוסיה ובפולין. המקורות העיקריים של הליום בעולם הם שדות גז טבעיים של טקסס, אוקלהומה וקנזס.

התהליך לקבלה

הליום (טוהר 98.2%) הוא התאושש מן הנזלת גז טבעי על ידי רכיבים אחרים בטמפרטורות נמוכות בלחצים גבוהים. הספיחה של גזים אחרים מקוררת הופעלה פחמן יכול להשיג את הטוהר של 99.995%. כמות קטנה של הליום נוצר במהלך התנזלות אוויר בקנה מידה גדולה. מתוך 900 טונות של אוויר יכול לקבל על 3.17 מטרים מעוקבים. גז מטר.

תחומי יישום

גז נובל יושם בתחומים שונים.

• הליום, אשר מאפיינים מאפשרים להשיג טמפרטורה נמוכה מאוד, משמש כסוכן קירור ב LHC, מנגנוני מגנט מוליך MRI ו- ספקטרומטרים תהודה מגנטית גרעינית, ציוד לוויני, כמו גם עבור ניזול החמצן והמימן טילים "אפולו".
• כמו גז אינרטי עבור ריתוך אלומיניום ועוד. מתכות בייצור מוליכים למחצה וסיבים אופטיים.
• .. כדי ליצור לחץ במכלי הדלק של מנועי טילים, במיוחד אלו הפועלים על מימן נוזלי, t לשימוש בגז הליום רק משמרת מצב הצבירה שלה כאשר המימן נשאר נוזלי);
• הוא Ne- לייזרי גז משמשים כדי לסרוק את הברקוד על בקופות בסופרמרקטים.
• מיקרוסקופ הליום-היון מאפשר לך לקבל את התמונה הטובה ביותר מ אלקטרוני.
• בשל החדירות הגבוהה של הגז האציל משמש לבדיקת דליפות, למשל במערכות מיזוג אוויר לרכב, כמו גם מילוי מהיר כרית האוויר בעת התנגשות.
• צפיפות נמוכה מאפשרת כדורים דקורטיביים מלאי הליום. אינרטי הגז מוחלף גז מימן נפיץ ספינות אוויר ובלונים. לדוגמא, מטאורולוגיה, בלוני הליום משמשים להרים את מכשיר המדידה.
• נוזל הקירור קריוגני משמש, מאז הטמפרטורה של היסוד הכימי במצב נוזלי המינימום האפשרי.
• הליום, אשר מאפיין לספק אותו תגובתיות נמוכה מסיסה במים (ודם), בתערובת עם חמצן מצאה יישום בניסוחי נשימת צלילה מחזיקה עבודת caisson.
• מטאוריטים סלעים מנותחים לתוכן אלמנט זה כדי לקבוע את גילם.

הליום: המאפיינים של האלמנט

הוא המאפיינים הפיזיים העיקריים הם כדלקמן:

• מספר אטומי: 2.
• המסה היחסית של אטום הליום: 4.0026.
• נקודת התכה: אין.
• נקודת רתיחה: -268,9 ° C.
• צפיפות (1 ATM, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• חמצון המדינה 0.