Helium: vlastnosti, vlastnosti, aplikace

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 17:43

Helium je inertní plyn 18. skupiny periodické tabulky. Je to druhý nejlehčí prvek po vodíku. Helium je bezbarvý plyn bez zápachu a chuti, který se stává kapalným při -268,9 °C. Jeho body varu a tuhnutí jsou nižší než u jakékoli jiné známé látky. Je to jediný prvek, který při ochlazení za normálního atmosférického tlaku netuhne. Ke ztuhnutí helia je potřeba 25 atmosfér při 1 K.

Historie objevů

Helium objevil v plynné atmosféře obklopující Slunce francouzský astronom Pierre Jansen, který v roce 1868 během zatmění objevil jasně žlutou čáru ve spektru sluneční chromosféry. Původně se mělo za to, že tato čára představuje prvek sodík. Ve stejném roce anglický astronom Joseph Norman Lockyer pozoroval žlutou čáru ve slunečním spektru, která neodpovídala známým sodíkovým čarám D₁ a D₂, a tak její linii pojmenoval D_{3. Lockyer dospěl k závěru, že to způsobila na Zemi neznámá látka ve Slunci. On a chemik Edward Frankland použili ve jménu prvkuřecké jméno pro Slunce je Helios.}

V roce 1895 britský chemik Sir William Ramsay prokázal existenci hélia na Zemi. Získal vzorek minerálu obsahujícího uran cleveit a po prozkoumání plynů vzniklých při jeho zahřívání zjistil, že jasně žlutá čára ve spektru se shoduje s čárou D_{3 pozorovanou v r. spektrum Slunce. Nový prvek byl tedy konečně instalován. V roce 1903 Ramsay a Frederick Soddu zjistili, že helium je produktem spontánního rozpadu radioaktivních látek.}

Šíření v přírodě

Hmotnost helia je asi 23 % celkové hmotnosti vesmíru a prvek je druhým nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Koncentruje se ve hvězdách, kde vzniká z vodíku v důsledku termojaderné fúze. Přestože se helium nachází v zemské atmosféře v koncentraci 1 díl na 200 tisíc (5 ppm) a nachází se v malém množství v radioaktivních minerálech, meteoritovém železe a minerálních pramenech, velká množství tohoto prvku se nacházejí ve Spojených státech (zejména v Texasu, New Yorku), Mexiku, Kansasu, Oklahomě, Arizoně a Utahu) jako součást (až 7,6 %) zemního plynu. Malé zásoby byly nalezeny v Austrálii, Alžírsku, Polsku, Kataru a Rusku. V zemské kůře je koncentrace helia pouze asi 8 ppb.

Izotopy

Jádro každého atomu helia obsahuje dva protony, ale stejně jako ostatní prvky má izotopy. Obsahují jeden až šest neutronů, takže jejich hmotnostní čísla se pohybují od tří do osmi. Stabilní jsou prvky, jejichž hmotnost helia je určena atomovými čísly 3 (³He) a 4 (⁴He). Všechny ostatní jsou radioaktivní a velmi rychle se rozpadají na jiné látky. Pozemské helium není původní složkou planety, vzniklo v důsledku radioaktivního rozpadu. Alfa částice emitované jádry těžkých radioaktivních látek jsou jádry izotopu ⁴He. Hélium se v atmosféře nehromadí ve velkém, protože zemská gravitace není dostatečně silná, aby zabránila postupnému úniku do vesmíru. Stopy ³He na Zemi jsou vysvětleny negativním beta rozpadem vzácného prvku vodíku-3 (tritia). ⁴On je nejhojnější ze stabilních izotopů: poměr ⁴Heatomů k ^{3He je asi 700 tisíc ku 1 v atmosféře a asi 7 milionů ku 1 v některých minerálech obsahujících helium.}

Fyzikální vlastnosti helia

Teploty varu a tání tohoto prvku jsou nejnižší. Z tohoto důvodu existuje helium jako plyn, s výjimkou extrémních podmínek. Plynný He se rozpouští ve vodě méně než jakýkoli jiný plyn a rychlost difúze pevnými látkami je třikrát vyšší než ve vzduchu. Jeho index lomu se nejvíce blíží 1.

Tepelná vodivost helia je na druhém místě po vodíku a jeho specifická tepelná kapacita je neobvykle vysoká. Při běžných teplotách se při expanzi zahřívá a ochlazuje pod 40 K. Proto při T<40 K lze helium přeměnit nakapalina expanzí.

Prvek je dielektrikum, pokud není v ionizovaném stavu. Stejně jako ostatní vzácné plyny má helium metastabilní energetické hladiny, které mu umožňují zůstat ionizované v elektrickém výboji, když napětí zůstává pod ionizačním potenciálem.

Helium-4 je jedinečné v tom, že má dvě kapalné formy. Obyčejné se nazývá helium I a existuje při teplotách v rozmezí od bodu varu 4,21 K (-268,9 °C) do asi 2,18 K (-271 °C). Pod 2,18 K se tepelná vodivost 4He stává 1000krát vyšší než měď. Tato forma se nazývá helium II, aby se odlišila od normální formy. Je supratekutý: viskozita je tak nízká, že ji nelze změřit. Helium II se rozprostře do tenkého filmu na povrchu čehokoli, čeho se dotkne, a tento film teče bez tření i proti gravitaci.

Méně zastoupené helium-3 tvoří tři odlišné kapalné fáze, z nichž dvě jsou supratekuté. Supratekutost v ⁴Byl objeven sovětským fyzikem Pjotrem Leonidovičem Kapicou v polovině 30. let a stejný jev v ^{3Poprvé si ho všiml Douglas D Osherov, David M. Lee a Robert S. Richardson z USA v roce 1972.}

Kapalná směs dvou izotopů helia-3 a -4 při teplotách pod 0,8 K (-272,4 °C) je rozdělena do dvou vrstev - téměř čistá ³He a směs⁴He s 6% helia-3. Rozpouštění ³He na ^{4He je doprovázeno chladicím efektem, který se využívá při konstrukci kryostatů, ve kterých klesá teplota heliapod 0,01 K (-273,14 °C) a udržuje se tam několik dní.}

Připojení

Za normálních podmínek je helium chemicky inertní. V extrémních podmínkách můžete vytvářet spoje prvků, které nejsou stabilní za normálních teplot a tlaků. Například helium může tvořit sloučeniny s jódem, wolframem, fluorem, fosforem a sírou, když je vystaveno elektrickému doutnavému výboji při bombardování elektrony nebo v plazmovém stavu. Tak byly vytvořeny molekulární ionty HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ a He₂+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{a HeD+}. Tato technika také umožnila získat neutrální molekuly He² a HgHe.

Plazma

Ve vesmíru je převážně distribuováno ionizované helium, jehož vlastnosti se výrazně liší od molekulárních. Jeho elektrony a protony nejsou vázány a má velmi vysokou elektrickou vodivost i v částečně ionizovaném stavu. Nabité částice jsou silně ovlivněny magnetickými a elektrickými poli. Například ve slunečním větru ionty hélia spolu s ionizovaným vodíkem interagují s magnetosférou Země a způsobují polární záře.

objev v USA

Po vyvrtání vrtu v roce 1903 byl v Dexteru v Kansasu získán nehořlavý plyn. Zpočátku se nevědělo, že obsahuje helium. Jaký plyn byl nalezen, určil státní geolog Erasmus Haworth, kterýshromáždili jeho vzorky a na univerzitě v Kansasu s pomocí chemiků Cady Hamilton a Davida McFarlanda zjistili, že obsahuje 72 % dusíku, 15 % metanu, 1 % vodíku a 12 % nebylo identifikováno. Po další analýze vědci zjistili, že 1,84 % vzorku bylo helium. Dozvěděli se tedy, že tento chemický prvek je přítomen v obrovském množství v útrobách Velkých plání, odkud jej lze extrahovat ze zemního plynu.

Průmyslová výroba

To udělalo ze Spojených států světovou špičku ve výrobě helia. Na návrh sira Richarda Threlfalla financovalo americké námořnictvo tři malé experimentální závody na výrobu této látky během 1. světové války, aby balonům poskytly lehký, nehořlavý zdvihací plyn. Program vyprodukoval celkem 5 700 m3 92 % He, ačkoli dříve bylo vyrobeno méně než 100 litrů plynu. Část tohoto objemu byla použita v první vzducholodi na světě s heliem, US Navy C-7, která uskutečnila svou první plavbu z Hampton Roads ve Virginii do Bolling Field, Washington, DC dne 7. prosince 1921.

Přestože proces nízkoteplotního zkapalňování plynu nebyl v té době dostatečně pokročilý, aby byl významný během první světové války, výroba pokračovala. Helium se používalo hlavně jako vztlakový plyn v letadlech. Poptávka po něm rostla během 2. světové války, kdy se používal při svařování v ochranné atmosféře. Prvek byl také důležitý v projektu atomové bomby. Manhattan.

Národní akcie USA

V roce 1925 zřídila vláda Spojených států národní rezervu helia v Amarillo v Texasu za účelem poskytování vojenských vzducholodí v době války a komerčních vzducholodí v době míru. Používání plynu po 2. světové válce pokleslo, ale v 50. letech byla jeho nabídka zvýšena, aby mimo jiné zajistila jeho dodávku jako chladiva používaného při výrobě kyslíkovodíkového raketového paliva během vesmírných závodů a studené války. Spotřeba helia v USA v roce 1965 byla osmkrát vyšší než maximální spotřeba za války.

Po heliovém zákonu z roku 1960 uzavřel Bureau of Mines smlouvu s 5 soukromými společnostmi, aby těžily prvek ze zemního plynu. Pro tento program byl postaven 425-kilometrový plynovod spojující tyto elektrárny s částečně vyčerpaným vládním nalezištěm plynu poblíž Amarillo v Texasu. Směs hélia a dusíku byla přečerpána do podzemního skladovacího zařízení a zůstala tam, dokud to nebylo potřeba.

Do roku 1995 byla shromážděna miliarda metrů krychlových zásob a dluh v národních rezervách činil 1,4 miliardy dolarů, což přimělo americký Kongres, aby je v roce 1996 postupně zrušil. Poté, co byl v roce 1996 schválen zákon o privatizaci helia, začalo ministerstvo přírodních zdrojů v roce 2005 likvidovat skladovací zařízení.

Čistota a objem výroby

Helium vyrobené před rokem 1945 mělo čistotu asi 98 %, zbytek 2 %tvořil dusík, který byl pro vzducholodě dostačující. V roce 1945 bylo vyrobeno malé množství 99,9 procenta plynu pro použití při obloukovém svařování. Do roku 1949 dosáhla čistota výsledného prvku 99,995 %.

Po mnoho let produkovaly Spojené státy přes 90 % světového komerčního helia. Od roku 2004 vyrábí 140 milionů m3 ročně, z čehož 85 % pochází ze Spojených států, 10 % z Alžírska a zbytek z Ruska a Polska. Hlavními zdroji helia na světě jsou plynová pole v Texasu, Oklahomě a Kansasu.

Proces příjmu

Helium (čistota 98,2 %) se získává ze zemního plynu zkapalňováním ostatních složek při nízkých teplotách a vysokých tlacích. Adsorpce ostatních plynů chlazeným aktivním uhlím dosahuje čistoty 99,995 %. Malé množství helia se vyrábí zkapalňováním vzduchu ve velkém měřítku. Z 900 tun vzduchu lze získat asi 3,17 metru krychlového. m plynu.

Oblasti použití

Ušlechtilý plyn se používá v různých oblastech.

Helium, jehož vlastnosti umožňují získat ultra nízké teploty, se používá jako chladivo ve Velkém hadronovém urychlovači, supravodivé magnety v MRI přístrojích a spektrometrech nukleární magnetické rezonance, satelitním vybavení a také ke zkapalňování kyslíku a vodík v raketách Apollo.
Jako inertní plyn pro svařování hliníku a jiných kovů, při výrobě optických vláken a polovodičů.
Vytvořittlak v palivových nádržích raketových motorů, zejména těch, které běží na kapalný vodík, protože pouze plynné helium si zachovává svůj stav agregace, když vodík zůstává kapalný);
Plynové lasery He-Ne se používají ke skenování čárových kódů u pokladen supermarketů.
Heliový iontový mikroskop vytváří lepší snímky než elektronový mikroskop.
Vzácný plyn se kvůli své vysoké propustnosti používá ke kontrole netěsností například v klimatizačních systémech automobilů a k rychlému nafouknutí airbagů při nehodě.
Nízká hustota umožňuje plnit dekorativní balónky heliem. Inertní plyn nahradil výbušný vodík ve vzducholodí a balónech. Například v meteorologii se heliové balónky používají ke zvedání měřicích přístrojů.
V kryogenní technologii slouží jako chladivo, protože teplota tohoto chemického prvku v kapalném stavu je nejnižší možná.
Helium, jehož vlastnosti mu zajišťují nízkou reaktivitu a rozpustnost ve vodě (a krvi) ve směsi s kyslíkem, našlo uplatnění v dýchacích kompozicích pro přístrojové potápění a práci v kesonu.
Meteority a horniny jsou analyzovány na tento prvek, aby se určilo jejich stáří.