ГЕЛІЙ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, РИЗИКИ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Гелій є хімічним елементом з символом He. Це перший благородний газ у періодичній таблиці, і він, як правило, знаходиться в крайній правій частині нього. У нормальних умовах це інертний газ, оскільки жодне з кількох його сполук не є стійким; Він також дуже швидко розширюється і є речовиною з найнижчою температурою кипіння з усіх.

На популярному рівні це добре відомий газ, оскільки на незліченних заходах чи дитячих вечірках звичайно спостерігати, як повітряна куля піднімається, поки не загубиться в небі. Однак те, що насправді і назавжди втрачено в куточках Сонячної системи, і поза її межами, - це атоми гелію, які вивільняються, коли повітряна куля вибухає або спалахує.

Надуті гелієм повітряні кулі, найближчим чином ви можете дістатися до цього елемента в повсякденних ситуаціях. Джерело: Pixabay.

Насправді, є ті, хто і з поважною причиною вважає, що гелієві балони є невідповідною практикою щодо цього газу. На щастя, він має більш важливі та цікаві сфери використання завдяки своїм фізичним та хімічним властивостям, які відокремлюють його від інших хімічних елементів.

Наприклад, рідкий гелій настільки холодний, що може замерзнути що завгодно, як металевий сплав, перетворивши його на надпровідний матеріал. Так само це рідина, яка виявляє надлишок, здатну підніматися вгору по стінках скляної ємності.

Його назва пов’язана з тим, що її вперше ідентифікували на Сонці, а не на Землі. Він є другим найпоширенішим елементом у всьому Всесвіті, і хоча його концентрація в земній корі незначна, його можна отримати із запасів природного газу та радіоактивних мінералів урану та торію.

Тут гелій демонструє ще один цікавий факт: це газ, який набагато рясніший у надрах, ніж в атмосфері, де він закінчується втечею із Землі та її гравітаційного поля.

Історія

Гелій виявлений не на Землі, а на Сонці. Насправді його назва походить від грецького слова "геліос", що означає сонце. Існування елемента саме по собі протиставляло періодичній таблиці Дмитра Менделєєва, оскільки в ньому не було місця для нового газу; Іншими словами, до того часу про благородні гази абсолютно нічого не підозрювали.

Назва "гелій", написана як "гелій" англійською мовою, закінчилася суфіксом -ium, що позначає його як метал; саме тому, що існування іншого газу, крім кисню, водню, фтору, хлору та азоту, не можна було допустити.

Це ім'я позначав англійський астроном Норман Лок'єр, який вивчав з Англії те, що спостерігав французький астроном Жюль Янссен в Індії під час сонячного затемнення 1868 року.

Це була жовта спектральна лінія від невідомого досі елемента. Лок'єр стверджував, що це пов'язано з наявністю нового хімічного елемента, знайденого на Сонці.

У 1895 році, майже через двадцять років, шотландський хімік сер Вільям Рамсей визнав той самий спектр із залишку газу, коли він вивчав радіоактивний мінерал: клевіт. Тож гелій був і тут, на Землі.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

Ампула із зразком гелію, що світиться після ураження електричним струмом. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Гелій - це безбарвний газ без запаху, який не має смаку, а також є інертним. Однак при застосуванні електричного струму і залежно від різниці напруги він починає світитися як сірувато-фіолетовий серпанок (зображення вгорі), то світиться помаранчевим сяйвом. Тому гелієві вогні мають помаранчевий колір.

Атомне число (Z)

два

Молярна маса

4,002 г / моль

Точка плавлення

-272,2 ºC

Точка кипіння

-268,92 ºC

Щільність

-0,1786 г / л, в нормальних умовах, тобто в газовій фазі.

-0,145 г / мл, в точці плавлення рідкий гелій.

-0,125 г / мл, як тільки гелій починає кипіти.

-0,187 г / мл, при 0 К і 25 атм, тобто твердий гелій при тих специфічних умовах тиску і температури.

Потрійна точка

2,177 К і 5,043 кПа (0,04935 атм)

Критична точка

5,1953 К та 0,22746 МПа (2,2448 атм)

Тепло синтезу

0,0138 кДж / моль

Тепло випаровування

0,0829 кДж / моль

Молярна теплоємність

20,78 Дж / (моль К)

Тиск пари

0,9869 атм при 4,21 К. Це значення дає уявлення про те, яким може бути швидкоплинний гелій і як легко він може вийти при кімнатній температурі (близько 298 К).

Енергії іонізації

-По-перше: 2372,3 кДж / моль (Він ⁺ газоподібний)

-Друге: 5250,5 кДж / моль (He ²⁺ газоподібних)

Енергії іонізації гелію особливо великі, оскільки газоподібний атом повинен втрачати електрон, який відчуває сильний ефективний ядерний заряд. Це також можна зрозуміти, розглядаючи невеликий розмір атома і те, як "близько" знаходяться два ядра до ядра (з його двома протонами та двома нейтронами).

Розчинність

У воді розчиняється 0,97 мл на кожні 100 мл води при 0 ° С, це означає, що вона погано розчинна.

Реактивність

Гелій - другий найреактивніший хімічний елемент у природі. У нормальних умовах правильно сказати, що це інертний газ; Ніколи (здається) не можна маніпулювати гелієвою сумішшю в приміщенні чи лабораторії без величезного тиску, що діє на неї; або, можливо, різко високі або низькі температури.

Приклад видно в сполуці Na ₂ He, яка стабільна лише під тиском 300 ГПа, відтворена в клітині алмазного ковадла.

Хоча хімічні зв’язки в Na ₂ He "дивні", оскільки у них електрони добре розташовані в кристалах, вони далекі від простих взаємодій Ван-дер-Уолса і, отже, не складаються просто з атомів гелію, захоплених молекулярними агрегатами. . Тут виникає дилема між тим, які сполуки гелія є реальними, а які - ні.

Наприклад, молекули азоту при високих тисках можуть захоплювати атом гелію, утворюючи різновид клатрату, He (N ₂ ) ₁₁ .

Так само є ендоедральні комплекси катіонів фулерену, C ₆₀ ^{+ n} та C ₇₀ ^{+ n} , у порожнинах яких вони можуть розміщувати атоми гелію; і молекулярний катіон HeH ⁺ (He-H ⁺ ), знайдений у дуже віддалених туманностях.

Номер окислення

Цікавість , які намагаються , щоб обчислити число окислення для гелію в будь-якому з його з'єднань буде встановлено , що це дорівнює 0. У Na ₂ має, наприклад, міг би подумати , що формула відповідає гіпотетичному Na ₂ ⁺ I ² ; але таке можна було б припустити, що він має чисто іонний характер, коли насправді його зв'язки далеко не такі.

Крім того, гелій не отримує електронів, оскільки не може їх розмістити в орбіталі 2s, енергетично недоступної; Неможливо також втратити їх через малі розміри його атома та великий ефективний ядерний заряд ядра. Ось чому гелій завжди бере участь (теоретично) як атом He ⁰ у похідних сполуках.

Структура та електронна конфігурація

Гелій, як і всі гази, що спостерігаються на макромасштабі, займає об’єм контейнерів, які зберігають його, тим самим маючи невизначену форму. Однак, коли температура падає і починає остигати нижче -269 ºC, газ конденсується в безбарвну рідину; гелій I, перша з двох рідких фаз для цього елемента.

Причина, коли гелій конденсується при такій низькій температурі, пов’язаний з низькими силами розсіювання, які утримують його атоми разом; незалежно від фази, що розглядається. Це можна пояснити з його електронної конфігурації:

1s ²

У якій два електрона займають орбіталь атома 1s. Атом гелію можна візуалізувати як майже досконалу сферу, гомогенна електронна периферія якої навряд чи буде поляризована ефективним ядерним зарядом двох протонів у ядрі.

Таким чином, спонтанні та індуковані дипольні моменти рідкісні та дуже слабкі; тому температура повинна наближатися до абсолютного нуля, щоб атоми He наближалися досить повільно і досягали того, щоб їх дисперсійні сили визначали рідину; а ще краще - кристал гелію.

Димери

У газоподібній фазі простір, який розділяє атоми He, є таким, що можна припустити, що вони завжди відокремлені один від одного. Настільки, що у флаконі з невеликим об'ємом гелій виявляється безбарвним, поки не піддається електричному розряду, який іонізує його атоми в сіруватий і тьмяно освітлений туман.

Однак у рідкій фазі атоми He навіть при їх слабких взаємодіях вже не можна «ігнорувати». Тепер сила розгону дозволяє їм на мить об'єднатися разом, щоб утворити димери: He-He або He ₂ . Отже, гелій I можна розглядати як величезні скупчення He _{2, що перебувають} у рівновазі з його атомами у паровій фазі.

Ось чому гелій I так важко відрізнити від його парів. Якщо ця рідина виливається з її герметичної ємності, вона витікає, як білястий спалах.

Гелій II

Коли температура ще більше падає, торкаючись 2178 К (-270 972 ºС), відбувається фазовий перехід: гелій I перетворюється на гелій II.

З цього моменту вже захоплююча гелієва рідина стає надлишковою або квантовою рідиною; тобто їх макроскопічні властивості проявляються так, як ніби димери He ₂ були окремими атомами (і, можливо, вони є). Їй не вистачає повної в'язкості, оскільки немає поверхні, яка могла б зупинити атом під час його ковзання або «сходження».

Ось чому гелій II може лізти по стінках скляного контейнера, долаючи силу тяжіння; якими б високими вони не були, до тих пір, поки поверхня залишається при тій же температурі і тому не летить.

Через це рідкий гелій не може зберігатися у скляній тарі, оскільки він утече при найменшій тріщині чи щілині; дуже схоже на те, як це сталося з газом. Натомість для проектування таких посудин використовується нержавіюча сталь (резервуари Дьюара).

Кристали

Навіть якби температура знизилася до 0 К (абсолютний нуль), сила розсіювання між атомами He не була б достатньо сильною, щоб впорядкувати їх у кристалічну структуру. Щоб відбулося затвердіння, тиск повинен підніматися приблизно до 25 атм; а потім з’являються компактні гексагональні кристали гелію (hcp).

Геофізичні дослідження показують, що ця структура ГГС залишається незмінною незалежно від того, наскільки зростає тиск (до порядку гігапаскалів, ГПа). Однак у діаграмі температур тиску є вузька область, де ці кристали ВГС піддаються переходу на кубічну фазу, орієнтовану на тіло (ОЦК).

Де знайти та отримати

Космос і скелі

Гелій являє собою другий найпоширеніший елемент у Всесвіті і становить 24% його маси. Джерело: Pxhere.

Гелій є другим найпоширенішим елементом у всьому Всесвіті, поступаючись лише водню. Зірки постійно виробляють незмірну кількість атомів гелію шляхом злиття двох ядер водню в процесі нуклеосинтезу.

Так само, будь-який радіоактивний процес, який випромінює α частинки, є джерелом вироблення атомів гелію, якщо вони взаємодіють з електронами в навколишньому середовищі; наприклад, з кам'янистим тілом у родовищах радіоактивних мінералів урану та торію. Ці два елементи зазнають радіоактивного розпаду, починаючи з урану:

Радіоактивний розпад урану при утворенні альфа-частинок, які згодом перетворюються на атом гелію в підземних відкладах. Джерело: Габріель Болівар.

Тому в гірських породах, де зосереджені ці радіоактивні мінерали, потраплять атоми гелію, які вивільняться, як тільки вони перетравлюються в кислих середовищах.

Серед деяких з цих мінералів - клейвіт, карноніт і уранініт, всі складаються з оксидів урану (UO ₂ або U ₃ O ₈ ) та домішок торію, важких металів та рідкісних земель. Гелій, зрошуваний підземними каналами, може накопичуватися в резервуарах природного газу, мінеральних джерелах або в метеоритних прасах.

За підрахунками, щорічно в літосфері виробляється маса гелію, еквівалентна 3000 т, за рахунок радіоактивного розпаду урану та торію.

Повітря і моря

Гелій не дуже розчинний у воді, тому рано чи пізно він закінчується підйомом із глибини (де б не було його походження), поки не перетне шари атмосфери і нарешті не потрапить у космічний простір. Її атоми настільки малі і легкі, що гравітаційне поле Землі не може затримати їх в атмосфері.

Через вищезазначене концентрація гелію як у повітрі (5,2 проміле), так і в морях (4 ппт) дуже низька.

Якщо б тоді хотіли витягти його з будь-якого з цих двох середовищ, "найкращим" варіантом було б повітря, яке спочатку доведеться піддавати зрідженню для конденсації всіх складових його газів, тоді як гелій залишається в газоподібному стані.

Однак одержувати гелій з повітря не практично, а з гірських порід, збагачених радіоактивними мінералами; а ще краще - із запасів природного газу, де гелій може становити до 7% його загальної маси.

Зрідження та перегонка природного газу

Замість зрідження повітря легше і вигідніше використовувати природний газ, склад гелію якого, безсумнівно, набагато більший. Таким чином, сировиною par excellence (комерційною) для отримання гелію є природний газ, який також може бути підданий фракційній перегонці.

Кінцевий продукт перегонки закінчують очищенням активованим вугіллям, через яке проходить дуже чистий гелій. І нарешті, гелій відокремлюється від неону кріогенним процесом, де використовується рідкий гелій.

Ізотопи

Гелій зустрічається переважно в природі як ізотоп ⁴ He, голе ядро ​​якого - знаменита α частинка. Цей атом ⁴ He має два нейтрони та два протони. У меншому достатку знаходиться ізотоп ³ He, який має лише один нейтрон. Перший важчий (має більшу атомну масу), ніж другий.

Таким чином, пара ізотопів ³ Він і ⁴ Він - це ті, що визначають вимірювані властивості і те, що ми розуміємо під гелієм як хімічним елементом. Враховуючи, що ³ Він легший, передбачається, що його атоми мають більшу кінетичну енергію, і тому їм потрібна ще нижча температура, щоб злитись у надлишок.

³ Він вважається дуже рідкісними видами тут на Землі; однак на місячних ґрунтах він є більш рясним (приблизно в 2000 разів більше). Ось чому Місяць став предметом проектів та історій як можливе джерело ³ He, яке може бути використане як ядерне паливо для космічних кораблів майбутнього.

Серед інших ізотопів гелію можна відзначити їх відповідний період напіврозпаду: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 с) і ⁸ He (t _1/2 = 0,191 с).

Ризики

Гелій є інертним газом, тому не бере участі в жодній із реакцій, що відбуваються всередині нашого тіла.

Атоми його практично виходять на видих і видихаються без їх взаємодії з біомолекулами, що створюють зовнішній ефект; за винятком звуку, що випромінюється з голосових зв’язок, які стають вищими та частішими.

Люди, які вдихають гелій з повітряної кулі (помірковано), говорять високим голосом, подібним до білки (або качки).

Проблема полягає в тому, що якщо така людина вдихає невідповідну кількість гелію, вони ризикують задихнутися, оскільки його атоми витісняють молекули кисню; і, отже, ви не зможете дихати, поки не видихнете весь той гелій, який, в свою чергу, завдяки своєму тиску може розірвати легеневу тканину або викликати баротравму.

Повідомлялося про випадки людей, які загинули від вдихання гелію через те, що тільки що було пояснено.

З іншого боку, хоча він не представляє небезпеки пожежі з огляду на його недостатню реакційну здатність до кисню (або іншої речовини), якщо він зберігається під високим тиском і він витікає, його витік може бути фізично небезпечним.

Програми

Фізичні та хімічні властивості гелію не тільки роблять його спеціальним газом, але й дуже корисною речовиною для застосувань, що вимагають надзвичайно низьких температур. У цьому розділі будуть розглянуті деякі з цих програм або застосувань.

Системи тиску та кровотоку

У деяких системах необхідно підвищити тиск (під тиском), і для цього необхідно вводити або подавати газ, який не взаємодіє ні з одним із його компонентів; наприклад, з реагентами або поверхнями, чутливими до небажаних реакцій.

Таким чином, тиск можна збільшувати за допомогою об’ємів гелію, хімічна інертність яких робить його ідеальним для цієї мети. Інертна атмосфера, яку він забезпечує, перевищує в деяких випадках атмосферу азоту.

Для зворотного процесу, тобто продувки, гелій також використовується завдяки своїй здатності захоплювати весь кисень, водяні пари або будь-який інший газ, наявність якого ви хочете видалити. Таким чином тиск системи знижується, коли гелій спорожняється.

Виявлення витоку

Гелій може просочуватися через найменшу тріщину, тому він також служить для виявлення протікання в трубах, контейнерах з високим вакуумом або криогенних резервуарах.

Іноді виявлення можна зробити візуально або на дотик; однак це, в основному, детектор, який "сигналізує" про те, куди і скільки гелій втікає з перевіряється системи.

Газ-носій

Атоми гелію, як згадується для систем очищення, можуть носити з собою, залежно від їх тиску, важчі молекули. Наприклад, цей принцип застосовується щодня в аналізі газової хроматографії, оскільки він може перетягувати розпилений зразок уздовж колони, де він взаємодіє з нерухомою фазою.

Повітряні кулі та дирижаблі

Гелій використовується для надуття дирижаблів і набагато безпечніший за водень, оскільки не є горючим газом. Джерело: Pixabay.

Через низьку щільність порівняно з повітрям і, знову ж таки, недостатню реакційну здатність з киснем, його використовували для надуття повітряних куль на дитячих вечірках (змішаних з киснем, щоб ніхто не задихався від його дихання), і дирижаблів (верхнє зображення) , не представляючи небезпеки пожежі.

Дайвінг

Гелій є одним з основних компонентів кисневих резервуарів, з якими дихають водолази. Джерело: Pxhere.

Коли водолази спускаються на більшу глибину, їм важко дихати через великий тиск, який чинить вода. Ось чому гелій додається до їх кисневих ємностей, щоб зменшити густину газу, який водолази дихають і видихають, і, таким чином, він може зробити видих за меншої роботи.

Дугові зварні шви

У процесі зварювання електрична дуга забезпечує достатню кількість тепла для збору двох металів. Якщо проводити його в атмосфері гелію, метал розжарювання не буде реагувати з киснем у повітрі, щоб стати його відповідним оксидом; тому гелій перешкоджає цьому.

Надпровідники

Рідкий гелій використовується для охолодження магнітів, які використовуються в сканерах для ядерного магнітного резонансу. Джерело: Ян Айналі

Рідкий гелій настільки холодний, що може замерзнути метали у надпровідники. Завдяки цьому вдалося виготовити дуже потужні магніти, які, охолоджені рідким гелієм, використовувались у сканерах зображень або спектрометрах ядерного магнітного резонансу.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Енді Екстенц. (17 квітня 2019 р.). Іон гідриду гелію виявлений в космосі вперше: дані, знайдені для невловимої хімії з перших хвилин Всесвіту. Відновлено з: chemistryworld.com
3. Пітер Вотерс. (19 серпня 2009 р.). Гелій. Хімія в її стихії. Відновлено з: chemistryworld.com
4. Вікіпедія. (2019). Гелій. Відновлено з: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Кристалічна структура та щільність гелію до 232 Кбар. Відновлено з: articles.adsabs.harvard.edu
6. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Гелій. PubChem База даних. CID = 23987. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Мері-Енн Муффолетто. (6 лютого 2017 р.). Вгору, вгору і вдалині: Хіміки кажуть "так", гелій може утворювати сполуки. Державний університет штату Юта. Відновлено з: phys.org
8. Стів Ганьон. (sf). Ізотопи гелію елемента. Лабораторія Джефферсона. Відроджена від: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Гелій. Відновлено з: chemistryexplained.com