HELIJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, TVEGANJA, UPORABE - KEMIJA

Helij je kemijski element s simbolom He. To je prvi žlahtni plin v periodični tabeli in se običajno nahaja na skrajni desni strani. V normalnih pogojih je inerten plin, saj nobena od njegovih redkih spojin ni stabilna; Prav tako se zelo hitro razširi in je snov z najnižjim vreliščem od vseh.

Na priljubljeni ravni je dobro poznan plin, saj je na neštetih prireditvah ali otroških zabavah običajno priča dviganju balona, dokler se ne izgubi na nebu. Vendar pa se tisto, kar se resnično in za vedno izgubi v kotičkih osončja in zunaj njega, atomi helija, ki se sprostijo, ko balon eksplodira ali izpuhti.

Baloni, napihnjeni s helijem, najbližje temu elementu v vsakodnevnih situacijah. Vir: Pixabay.

Pravzaprav obstajajo tisti, ki in z dobrim razlogom menijo, da helijevi baloni predstavljajo neprimerno prakso za ta plin. Na srečo ima zaradi svojih fizikalnih in kemičnih lastnosti, ki ga ločujejo od drugih kemičnih elementov, bolj pomembne in zanimive uporabe.

Na primer, tekoči helij je tako hladen, da lahko zamrzne karkoli, kot kovinska zlitina, in ga spremeni v superprevodni material. Prav tako gre za tekočino, ki kaže presežno tekočino in se lahko povzpne po stenah steklene posode.

Njegovo ime je posledica dejstva, da so ga prvič identificirali na Soncu in ne na Zemlji. Je drugi najpogostejši element v celotnem vesolju in čeprav je njegova koncentracija v zemeljski skorji zanemarljiva, ga je mogoče dobiti iz zalog zemeljskega plina in radioaktivnih mineralov urana in torija.

Tukaj helij dokazuje še eno radovedno dejstvo: to je plin, ki je veliko bolj obilen v podzemlju kot v ozračju, kjer na koncu pobegne z Zemlje in njenega gravitacijskega polja.

Zgodovina

Helija ni bil odkrit na Zemlji, ampak na Soncu. V resnici njegovo ime izvira iz grške besede 'helios', kar pomeni sonce. Obstoj elementa je sam po sebi v nasprotju s periodično tabelo Dmitrija Mendelejeva, saj v njem ni bilo prostora za nov plin; Z drugimi besedami, do takrat o plemenitih plinih ni bilo ničesar.

Ime „helium“, v angleščini napisano kot „helium“, se je končalo s pripono -ium, ki jo je navajal kot kovino; ravno zato, ker obstoja plina, ki ni kisik, vodik, fluor, klor in dušik, ni bilo mogoče sprejeti.

To ime je označil angleški astronom Norman Lockyer, ki je iz Anglije študiral tisto, kar je leta 1868 v Indiji opazoval francoski astronom Jules Janssen v Indiji.

Bila je rumena spektralna črta od doslej neznanega elementa. Lockyer je trdil, da je to posledica prisotnosti novega kemičnega elementa, ki ga najdemo na Soncu.

Leta 1895, skoraj dvajset let pozneje, je škotski kemik Sir William Ramsay prepoznal enak spekter iz ostanka plina, ko je študiral radioaktivni mineral: cleveite. Torej je bil helij tudi tukaj na Zemlji.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Videz

Ampula z vzorcem helija, ki sveti po električnem sunku. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Helij je brezbarven plin, brez vonja in je tudi inerten. Vendar, ko pride do električnega udara in, odvisno od razlike v napetosti, začne žareti kot sivkasto-vijolična meglica (slika zgoraj), nato sveti z oranžnim sijajem. Zato so helijeve luči oranžne.

Atomska številka (Z)

dva

Molarna masa

4.002 g / mol

Tališče

-272,2 ºC

Vrelišče

-268,92 ºC

Gostota

-0.1786 g / L, v normalnih pogojih, to je v plinski fazi.

-0,145 g / ml tekočega helija pri tališču.

-0,125 g / ml, ko začne helij vreti.

-0,187 g / ml, pri 0 K in 25 atm, to je trdni helij pri teh specifičnih pogojih tlaka in temperature.

Trojna točka

2.177 K in 5.043 kPa (0.04935 atm)

Kritična točka

5,1953 K in 0,22746 MPa (2,2448 atm)

Vročina fuzije

0,0138 kJ / mol

Toplota izparevanja

0,0829 kJ / mol

Molarna toplotna zmogljivost

20,78 J / (mol K)

Parni tlak

0,9869 atm pri 4,21 K. Ta vrednost vam daje predstavo o tem, kako hitro je lahko helij in kako enostavno lahko pobegne pri sobni temperaturi (blizu 298 K).

Ionizacijske energije

-Prvi: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ plinast)

-Sekunda: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ plinast)

Energije ionizacije za helij so še posebej velike, ker mora plinasti atom izgubiti elektron, ki ima močan učinkovit jedrski naboj. Razumemo ga lahko tudi z upoštevanjem majhnosti atoma in tega, kako sta »elektrona« blizu elektrona v jedru (s svojimi dvema protonoma in dvema nevtronoma).

Topnost

V vodi se raztopi 0,97 ml na vsakih 100 ml vode pri 0 ° C, kar pomeni, da je slabo topna.

Reaktivnost

Helij je drugi najmanj reaktivni kemični element v naravi. V normalnih pogojih je pravilno reči, da gre za inerten plin; Zdi se, da s helijsko spojino nikoli ne moremo manipulirati v sobi ali laboratoriju brez ogromnih pritiskov, ki delujejo nanjo; ali morda dramatično visoke ali nizke temperature.

Primer je viden v spojini Na ₂ He, ki je stabilna le pod tlakom 300 GPa, razmnožena v diamantni celici nakovanj.

Čeprav so kemijske vezi v Na ₂ He "čudne", ker so njihovi elektroni dobro locirani v kristalih, še zdaleč niso preproste Van der Wallsove interakcije in zato ne sestavljajo preprosto helijevih atomov, ujetih z molekularnimi agregati. . Tu se pojavi dilema med tem, katere helijeve spojine so resnične in katere ne.

Na primer, molekule dušika pri visokih tlakih lahko lovijo atom helija, da tvorijo nekakšen klatrat, He (N ₂ ) ₁₁ .

Prav tako obstajajo endoedralni kompleksi kationov fulerena, C ₆₀^{+ n} in C ₇₀^{+ n} , v katerih votlinah lahko hranijo helijeve atome; in molekularni kation HeH ⁺ (He-H ⁺ ), ki ga najdemo v zelo oddaljenih meglicah.

Oksidacijsko število

Radovednost ki poskušajo za izračun števila oksidacije za helij v katerikoli njegovi spojini bo ugotovilo, da je ta enaka 0. V Na ₂ so, na primer, lahko mislili, da ustreza formuli hipotetičnega Na ₂⁺ I ^2- ; toda takšno bi bilo domnevati, da ima čisti ionski značaj, če v resnici njegove vezi še zdaleč niso takšne.

Poleg tega helij ne pridobiva elektronov, ker jih ne more umestiti v orbito 2s, energetsko nedosegljiv; Prav tako jih ni mogoče izgubiti zaradi majhnosti njenega atoma in velikega jedrskega naboja jedra. Zato helij v svojih izpeljanih spojinah vedno teoretično sodeluje kot atom He ⁰ .

Struktura in elektronska konfiguracija

Helij, tako kot vsi plini, ki jih opazimo na makroskoli, zaseda prostornino posod, v katerih se hrani, tako da ima nedoločen videz. Ko pa temperatura pade in se začne hladiti pod -269 ° C, plin kondenzira v brezbarvno tekočino; helij I, prva od dveh tekočih faz za ta element.

Razlog, zakaj se helij kondenzira pri tako nizki temperaturi, je posledica nizkih razpršilnih sil, ki držijo njegove atome skupaj; ne glede na fazo. To je mogoče razložiti iz njegove elektronske konfiguracije:

1s ²

V katerem dva elektrona zasedata atomsko orbito 1s. Atom helija lahko predstavljamo kot skoraj popolno sfero, katere homogena elektronska periferija verjetno ne bo polarizirana z učinkovitim jedrskim nabojem obeh protonov v jedru.

Tako so spontani in inducirani dipolni trenutki redki in zelo šibki; zato se mora temperatura približati absolutni ničli, tako da se atomi He približajo dovolj počasi in dosežejo, da njihove disperzivne sile določajo tekočino; ali še bolje, helijev kristal.

Dimers

V plinasti fazi je prostor, ki ločuje He atome, takšen, da lahko sklepamo, da so vedno ločeni drug od drugega. Toliko, da se helij v majhni prostorninski viali zdi brezbarven, dokler ni izpostavljen električnemu praznjenju, ki ionizira svoje atome v sivkasto in slabo osvetljeno meglico.

Vendar pa v tekoči fazi atomov He, tudi ob njihovih šibkih interakcijah ni mogoče več "prezreti". Zdaj razpršilna sila jim omogoča, da se v trenutku združijo in tvorijo dimerje: He-He ali He ₂ . Zato lahko, helij sem se mislil kot velikih skupin He ₂ v ravnovesju s svojimi atomov v parni fazi.

Zato je helij I tako težko ločiti od njegovih hlapov. Če se ta tekočina izlije iz nepredušne posode, uhaja kot belkasta plamenica.

Helij II

Ko se temperatura še bolj spusti in se dotakne 2.178 K (-270.972 ºC), pride do faznega prehoda: helij I se spremeni v helij II.

Od tega trenutka že tako očarljiva helijeva tekočina postane presežna ali kvantna tekočina; to pomeni, da se njihove makroskopske lastnosti kažejo, kot da so He ₂ dimeri posamezni atomi (in morda tudi so). Manjka mu popolna viskoznost, saj ni površine, ki bi lahko zaustavila atom med njegovim drsenjem ali "plezanjem".

Zato se helij II lahko povzpne po stenah steklene posode, ki premaga silo sile; ne glede na to, kako visoke so, dokler površina ostane pri isti temperaturi in se zato ne hlapi.

Zaradi tega tekočega helija ni mogoče hraniti v steklenih posodah, saj bi ob najmanjših razpokah ali režah ušel; zelo podobno, kot bi se zgodilo s plinom. Namesto tega se za oblikovanje takšnih plovil (rezervoarji Dewars) uporabljajo nerjaveče jeklo.

Kristali

Tudi če bi temperatura padla na 0 K (absolutno ničlo), sila razkroja med He-atomi ne bi bila dovolj močna, da bi jih preuredila v kristalno strukturo. Da pride do strjevanja, se mora tlak dvigniti na približno 25 atm; nato pa se pojavijo kompaktni šesterokotni helijevi kristali (hcp).

Geofizične študije kažejo, da ta struktura hcp ostane nespremenjena, ne glede na to, kako narašča pritisk (do vrst gigapaskalov, GPa). Vendar je v diagramu tlačno-temperaturne ozko območje ozko območje, kjer ti kristali hcp prehajajo v kubično fazo (bcc), osredotočeno na telo.

Kje najti in pridobiti

Kozmos in skale

Helij predstavlja drugi najpogostejši element v vesolju in 24% njegove mase. Vir: Pxhere.

Helij je drugi najpogostejši element v celotnem Vesolju, drugi le vodik. Zvezde nenehno proizvajajo neizmerne količine helijevih atomov s spajanjem dveh vodikovih jeder med procesom nukleosinteze.

Prav tako je vsak radioaktivni postopek, ki oddaja delce α, vir proizvodnje helijevih atomov, če ti delujejo z elektroni v okolju; na primer s skalnatimi telesi v nahajališčih radioaktivnih mineralov urana in torija. Ta dva elementa se podvržeta radioaktivnemu razpadu, začenši z uranom:

Radioaktivno razpadanje urana pri tvorbi alfa delcev, ki se kasneje v podzemnih nahajališčih pretvorijo v atom helija. Vir: Gabriel Bolívar.

Zato bodo v kamninah, kjer so koncentrirani ti radioaktivni minerali, ujeti atomi helija, ki se bodo sprostili, ko bodo prebavljeni v kislem mediju.

Med nekaterimi od teh mineralov spadajo kleveit, karnotit in uraninit, vsi sestavljeni iz uranovih oksidov (UO ₂ ali U ₃ O ₈ ) in nečistoče torija, težkih kovin in redkih zemelj. Helij, namakan skozi podzemne kanale, se lahko nabere v rezervoarjih zemeljskega plina, mineralnih izvirih ali v meteornih likalnikih.

Po radioaktivnem razpadu urana in torija se letno v litosferi proizvede masa helija, ki ustreza 3000 ton.

Zrak in morja

Helij ni zelo topen v vodi, zato se slej ko prej dvigne iz globin (od koder koli izvira), dokler ne prestopi plasti atmosfere in končno doseže vesolje. Njeni atomi so tako majhni in lahki, da jih Zemljino gravitacijsko polje ne more zadržati v atmosferi.

Zaradi navedenega je koncentracija helija tako v zraku (5,2 ppm) kot v morjih (4 ppt) zelo nizka.

Če bi ga želeli izvleči iz katerega koli od teh dveh medijev, bi bila "najboljša" možnost zrak, ki bi ga najprej morali utekočiniti, da bi kondenzirali vse njegove sestavne pline, medtem ko helij ostane v plinastem stanju.

Pridobivanje helija pa ni praktično iz zraka, temveč iz kamnin, obogatenih z radioaktivnimi minerali; ali še bolje, iz rezerv zemeljskega plina, kjer lahko helij predstavlja do 7% njegove celotne mase.

Utekočinjanje in destilacija zemeljskega plina

Namesto utekočinjanja zraka je lažje in bolj donosno uporabljati zemeljski plin, katerega sestavina helija je nedvomno veliko večja. Tako je surovina par excellence (komercialna) za pridobivanje helija naravni plin, ki se lahko tudi podvrže frakcijski destilaciji.

Končni produkt destilacije je končano čiščenje z aktivnim ogljem, skozi katerega prehaja zelo čist helij. In končno, helij se loči od neona s kriogenim postopkom, kjer se uporablja tekoči helij.

Izotopi

Helij se v naravi pojavlja pretežno kot izotop ⁴ He, katerega golo jedro je znameniti delček α. Ta atom ⁴ He ima dva nevtrona in dva protona. V manj številčnosti je izotop ³ He, ki ima samo en nevron. Prvo je težje (ima večjo atomsko maso) kot drugo.

Tako sta izotopski par ³ He in ⁴ He tisti, ki določata merljive lastnosti in tisto, kar helij razumemo kot kemični element. Ker je ³ He je lažji, se domneva, da imajo njegovi atomi višjo kinetično energijo, zato potrebujejo še nižjo temperaturo, da se zlijejo v odvečno tekočino.

³ On velja za zelo redka vrsta tukaj na Zemlji; vendar je v lunarnih tleh obilnejši (približno 2000-krat več). Zato je Luna predmet projektov in zgodb kot možnega vira ³ He, ki bi ga lahko uporabili kot jedrsko gorivo za vesoljska plovila prihodnosti.

Med drugimi izotopi helija lahko omenimo njihove razpolovne dobe: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 ^10-22 s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) in ⁸ He (t _1/2 = 0,191 s).

Tveganja

Helij je inerten plin in zato ne sodeluje v nobeni od reakcij, ki se pojavijo znotraj naših teles.

Njeni atomi praktično vstopajo in izdihnejo brez interakcij z biomolekuli, ki povzročajo zadnji učinek; razen v zvoku, ki ga oddajajo glasilke, ki postanejo višje in pogostejše.

Ljudje, ki vdihujejo helij iz balona (zmerno), govorijo z visokim glasom, podobnim glasom veverice (ali race).

Težava je v tem, da če taka oseba vdihne neustrezno količino helija, tvega zadušitev, saj njeni atomi izpodrivajo molekule kisika; in zato ne boste mogli dihati, dokler ne boste izdihnili vsega tistega helija, ki lahko zaradi svojega pritiska raztrga pljučno tkivo ali povzroči barotraumo.

O primerih ljudi, ki so umrli zaradi vdihavanja helija, so poročali zaradi pravkar pojasnjenega.

Po drugi strani pa, čeprav ne predstavlja nevarnosti požara zaradi pomanjkanja reaktivnosti proti kisiku (ali drugi snovi), če je shranjen pod visokim pritiskom in uhaja, je njegovo puščanje lahko fizično nevarno.

Prijave

Fizikalne in kemijske lastnosti helija ne naredijo le posebnega plina, ampak tudi zelo uporabno snov za aplikacije, ki zahtevajo izjemno nizke temperature. V tem razdelku bodo obravnavane nekatere od teh aplikacij ali uporab.

Sistemi za tlak in odzračevanje

V nekaterih sistemih je treba povečati tlak (podtlačno), zato je treba vbrizgati ali oskrbovati plin, ki ne vpliva na nobeno od njegovih sestavnih delov; na primer z reagenti ali površinami, občutljivimi na neželene reakcije.

Tako lahko tlak povečamo s količino helija, katerega kemijska inertnost je idealna za ta namen. Nezdrava atmosfera, ki jo zagotavlja, v nekaterih primerih presega dušikovo atmosfero.

Za obratni postopek, to je čiščenje, se uporablja tudi helij zaradi svoje sposobnosti zajemanja vsega kisika, vodnih hlapov ali katerega koli drugega plina, katerega prisotnost želite odstraniti. Na ta način se tlak sistema zmanjša, ko se helij izprazni.

Zaznavanje puščanja

Helij lahko pušča skozi najmanjšo razpoko, zato služi tudi za zaznavanje puščanja v ceveh, visoko vakuumskih posodah ali kriogenih rezervoarjih.

Včasih je odkrivanje mogoče vizualno ali z dotikom; vendar gre večinoma za detektor, ki "signalizira", kje in koliko helija uhaja iz pregledanega sistema.

Nosilni plin

Helijevi atomi, kot je omenjeno za sisteme čiščenja, lahko nosijo s seboj, odvisno od njihovega tlaka, težje molekule. Na primer, to načelo se vsakodnevno uporablja pri analizi plinske kromatografije, saj lahko vleče atomiziran vzorec vzdolž kolone, kjer deluje s stacionarno fazo.

Baloni in zračne ladje

Helij se uporablja za napihovanje zračnih ladij in je veliko varnejši od vodika, ker ni vnetljiv plin. Vir: Pixabay.

Zaradi nizke gostote v primerjavi z zrakom in zaradi pomanjkanja reaktivnosti s kisikom se je na otroških zabavah uporabljal za napihovanje balonov (pomešanih s kisikom, da ga nihče ne zaduši) in zračnih ladij (zgornja slika) , ne da bi predstavljali požarno nevarnost.

Potapljanje

Helij je eden glavnih sestavnih delov rezervoarjev s kisikom, s katerimi potapljači potapljači. Vir: Pxhere.

Ko se potapljači spuščajo na večje globine, težko dihajo zaradi velikega pritiska vode. Zato se v njihove cisterne s kisikom doda helij, da zmanjša gostoto plina, ki ga potapljači dihajo in izdihujejo, zato ga lahko izdihnemo z manj dela.

Ločni zvari

V postopku varjenja električni lok zagotavlja dovolj toplote, da se obe kovini združita. Če se izvaja v helijski atmosferi, kovina z žarilno nitko ne bo reagirala s kisikom v zraku, da bi postal njen ustrezen oksid; zato helij preprečuje, da bi se to zgodilo.

Superprevodniki

Tekoči helij se uporablja za hlajenje magnetov, ki se uporabljajo v skenerjih za jedrsko magnetno resonanco. Vir: Jan Ainali

Tekoči helij je tako hladen, da lahko zamrzne kovine v superprevodnike. Zahvaljujoč temu je bilo mogoče izdelati zelo močne magnete, ki so ohlajeni s tekočim helijem uporabljeni v snemalcih slik ali spektrometrih za jedrsko magnetno resonanco.

Reference

Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
Andy Extance. (17. april 2019). Helijev hidridni ion je bil v vesolju prvič odkrit: dokazi, ki so bili najdeni za neučinkovito kemijo iz prvih minut vesolja. Pridobljeno: chemistryworld.com
Peter Wothers. (19. avgust 2009). Helij Kemija v svojem elementu. Pridobljeno: chemistryworld.com
Wikipedija. (2019). Helij Pridobljeno: en.wikipedia.org
Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Kristalna zgradba in gostota helija do 232 Kbar. Pridobljeno iz: articles.adsabs.harvard.edu
Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Helij Baza podatkov PubChem. CID = 23987. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Mary-Ann Muffoletto. (6. februar 2017). Navzgor, navzgor in stran: Kemiki rečejo "da", helij lahko tvori spojine. Utah State University. Pridobljeno: phys.org
Steve Gagnon. (sf). Izotopi elementa helija. Jefferson laboratorij, pridobljeno iz: education.jlab.org
(2019). Helij Pridobljeno: chemistryexplained.com

HELIJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, TVEGANJA, UPORABE - KEMIJA - 2026