ჰელიუმი: თვისებები, მახასიათებლები, გამოყენება

2024 ავტორი: Angel Austin | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-02 17:50

ჰელიუმი არის პერიოდული სისტემის მე-18 ჯგუფის ინერტული აირი. ეს არის მეორე ყველაზე მსუბუქი ელემენტი წყალბადის შემდეგ. ჰელიუმი არის უფერო, უსუნო და უგემოვნო აირი, რომელიც თხევად იქცევა -268,9 °C-ზე. მისი დუღილისა და გაყინვის წერტილები უფრო დაბალია, ვიდრე ნებისმიერი სხვა ცნობილი ნივთიერების. ის ერთადერთი ელემენტია, რომელიც ნორმალურ ატმოსფერულ წნევაზე გაციებისას არ მყარდება. ჰელიუმის გამაგრებას სჭირდება 25 ატმოსფერო 1 K ტემპერატურაზე.

აღმოჩენის ისტორია

ჰელიუმი აღმოაჩინა მზის გარშემო არსებულ აირისებრ ატმოსფეროში ფრანგმა ასტრონომმა პიერ იანსენმა, რომელმაც 1868 წელს დაბნელების დროს აღმოაჩინა ნათელი ყვითელი ხაზი მზის ქრომოსფეროს სპექტრში. თავდაპირველად ითვლებოდა, რომ ეს ხაზი წარმოადგენს ნატრიუმის ელემენტს. იმავე წელს, ინგლისელმა ასტრონომმა ჯოზეფ ნორმან ლოკიერმა დააფიქსირა ყვითელი ხაზი მზის სპექტრში, რომელიც არ შეესაბამებოდა ნატრიუმის ცნობილ ხაზებს D₁ და D₂.და ასე დაარქვა მის ხაზს D_{3. ლოკიერმა დაასკვნა, რომ ეს გამოწვეული იყო დედამიწაზე უცნობი ნივთიერებით მზეში. მან და ქიმიკოსმა ედვარდ ფრანკლენდმა გამოიყენეს ელემენტის სახელიმზის ბერძნული სახელია ჰელიოსი.}

1895 წელს ბრიტანელმა ქიმიკოსმა სერ უილიამ რამსიმ დაადასტურა დედამიწაზე ჰელიუმის არსებობა. მან მიიღო ურანის შემცველი მინერალის კლევეიტის ნიმუში და მისი გაცხელებისას წარმოქმნილი გაზების შესწავლის შემდეგ აღმოაჩინა, რომ სპექტრში ნათელი ყვითელი ხაზი ემთხვევა D_{3 ხაზს, რომელიც დაფიქსირდა მზის სპექტრი. ამრიგად, ახალი ელემენტი საბოლოოდ დამონტაჟდა. 1903 წელს რამსიმ და ფრედერიკ სოდუმ დაადგინეს, რომ ჰელიუმი არის რადიოაქტიური ნივთიერებების სპონტანური დაშლის პროდუქტი.}

გავრცელება ბუნებაში

ჰელიუმის მასა არის სამყაროს მთელი მასის დაახლოებით 23%, ხოლო ელემენტი სიმრავლით მეორეა სივრცეში. ის კონცენტრირებულია ვარსკვლავებში, სადაც წარმოიქმნება წყალბადისგან თერმობირთვული შერწყმის შედეგად. მიუხედავად იმისა, რომ ჰელიუმი გვხვდება დედამიწის ატმოსფეროში კონცენტრაციით 1 ნაწილი 200 ათასზე (5 ppm) და მცირე რაოდენობით გვხვდება რადიოაქტიურ მინერალებში, მეტეორიტის რკინასა და მინერალურ წყაროებში, ელემენტის დიდი რაოდენობა გვხვდება შეერთებულ შტატებში. განსაკუთრებით ტეხასში, ნიუ-იორკში).მექსიკაში, კანზასში, ოკლაჰომაში, არიზონასა და იუტაში) როგორც ბუნებრივი აირის კომპონენტი (7,6%-მდე). მცირე რეზერვები აღმოაჩინეს ავსტრალიაში, ალჟირში, პოლონეთში, ყატარსა და რუსეთში. დედამიწის ქერქში ჰელიუმის კონცენტრაცია არის მხოლოდ 8 ppb.

იზოტოპები

თითოეული ჰელიუმის ატომის ბირთვი შეიცავს ორ პროტონს, მაგრამ სხვა ელემენტების მსგავსად, მას აქვს იზოტოპები. ისინი შეიცავენ ერთიდან ექვს ნეიტრონს, ამიტომ მათი მასური რიცხვი სამიდან რვამდე მერყეობს.სტაბილურები არის ელემენტები, რომელთა ჰელიუმის მასა განისაზღვრება ატომური რიცხვებით 3 (³He) და 4 (⁴He). ყველა დანარჩენი რადიოაქტიურია და ძალიან სწრაფად იშლება სხვა ნივთიერებებად. ხმელეთის ჰელიუმი არ არის პლანეტის ორიგინალური კომპონენტი, ის წარმოიქმნა რადიოაქტიური დაშლის შედეგად. მძიმე რადიოაქტიური ნივთიერებების ბირთვების მიერ გამოსხივებული ალფა ნაწილაკები არის იზოტოპის ⁴He ბირთვები. ჰელიუმი არ გროვდება დიდი რაოდენობით ატმოსფეროში, რადგან დედამიწის გრავიტაცია არ არის საკმარისად ძლიერი, რათა თავიდან აიცილოს მისი თანდათანობით გაქცევა კოსმოსში. დედამიწაზე ³ ის კვალი აიხსნება იშვიათი ელემენტის წყალბად-3 (ტრიტიუმი) უარყოფითი ბეტა დაშლით. ⁴ის არის ყველაზე გავრცელებული სტაბილური იზოტოპებიდან: ⁴ის ატომების თანაფარდობა ^{3ის არის დაახლოებით 700 ათასიდან 1-მდე ატმოსფეროში და დაახლოებით 7 მილიონიდან 1-მდე ჰელიუმის შემცველ ზოგიერთ მინერალში.}

ჰელიუმის ფიზიკური თვისებები

ამ ელემენტის დუღილისა და დნობის წერტილები ყველაზე დაბალია. ამ მიზეზით, ჰელიუმი არსებობს როგორც გაზი, გარდა ექსტრემალურ პირობებში. აირისებრი ის წყალში იხსნება ნაკლებად, ვიდრე ნებისმიერი სხვა აირი, ხოლო მყარ სხეულებში დიფუზიის სიჩქარე სამჯერ აღემატება ჰაერს. მისი რეფრაქციული ინდექსი უახლოვდება 1-ს.

ჰელიუმის თბოგამტარობა მეორე ადგილზეა წყალბადის შემდეგ და მისი სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრე უჩვეულოდ მაღალია. ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე ის თბება გაფართოების დროს და კლებულობს 40 კ-ზე ქვემოთ. ამიტომ, T<40 K-ზე, ჰელიუმი შეიძლება გარდაიქმნასსითხე გაფართოებით.

ელემენტი არის დიელექტრიკი, თუ ის არ არის იონიზებულ მდგომარეობაში. სხვა კეთილშობილური გაზების მსგავსად, ჰელიუმს აქვს მეტასტაბილური ენერგიის დონეები, რაც საშუალებას აძლევს მას იონიზებული დარჩეს ელექტრო გამონადენში, როდესაც ძაბვა რჩება იონიზაციის პოტენციალის ქვემოთ.

ჰელიუმი-4 უნიკალურია იმით, რომ მას აქვს ორი თხევადი ფორმა. ჩვეულებრივს ჰელიუმი I ჰქვია და არსებობს 4,21 K (-268,9 °C) დუღილის წერტილიდან დაახლოებით 2,18 K (-271 °C) ტემპერატურაზე. 2,18 K-ზე დაბალი, 4 ის 1000-ჯერ აღემატება სპილენძს. ამ ფორმას ჰელიუმ II ჰქვია, რათა განასხვავოს იგი ჩვეულებრივი ფორმისგან. ეს არის ზესთხევადი: სიბლანტე იმდენად დაბალია, რომ მისი გაზომვა შეუძლებელია. ჰელიუმი II ვრცელდება თხელ ფენად, ზედაპირზე რასაც ეხება და ეს ფენა მიედინება ხახუნის გარეშე, თუნდაც გრავიტაციის წინააღმდეგ.

ნაკლებად უხვი ჰელიუმ-3 ქმნის სამ განსხვავებულ თხევად ფაზას, რომელთაგან ორი ზესთხევადია. ზესთხევადობა ⁴ იგი აღმოაჩინა საბჭოთა ფიზიკოსმა პიოტრ ლეონიდოვიჩ კაპიცამ 1930-იანი წლების შუა ხანებში და იგივე ფენომენი ^{3მა პირველად შენიშნა დუგლას დ ოშეროვი, დევიდ მ. ლი და რობერტ ს. რიჩარდსონი აშშ-დან 1972 წელს.}

ჰელიუმ-3 და -4-ის ორი იზოტოპის თხევადი ნარევი 0,8 K (-272,4 °C) დაბალ ტემპერატურაზე იყოფა ორ ფენად - თითქმის სუფთა ³He და ნარევი⁴ჰე 6% ჰელიუმ-3. ³He-ის ^{4-ში დაშლას თან ახლავს გამაგრილებელი ეფექტი, რომელიც გამოიყენება კრიოსტატების დიზაინში, რომელშიც ჰელიუმის ტემპერატურა ეცემა.0,01 K-ზე (-273,14 °C) ქვემოთ და ინახება რამდენიმე დღის განმავლობაში.}

კავშირები

ნორმალურ პირობებში ჰელიუმი ქიმიურად ინერტულია. ექსტრემალურ პირობებში, თქვენ შეგიძლიათ შექმნათ ელემენტების კავშირები, რომლებიც არ არის სტაბილური ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე. მაგალითად, ჰელიუმს შეუძლია შექმნას ნაერთები იოდთან, ვოლფრამთან, ფტორთან, ფოსფორთან და გოგირდთან, როდესაც ექვემდებარება ელექტრული მბზინავი გამონადენს ელექტრონებით დაბომბვისას ან პლაზმის მდგომარეობაში. ამრიგად, ჰენე, HgHe₁₀, WHe₂ და ჰე₂ მოლეკულური იონები შეიქმნა+^{, არა}2++^{, HeH}+ ^{და HeD+}. ამ ტექნიკამ ასევე შესაძლებელი გახადა ნეიტრალური მოლეკულების He² და HgHe..

პლაზმა

სამყაროში ძირითადად გავრცელებულია იონიზირებული ჰელიუმი, რომლის თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება მოლეკულურისგან. მისი ელექტრონები და პროტონები შეკრული არ არის და მას აქვს ძალიან მაღალი ელექტრული გამტარობა ნაწილობრივ იონიზებულ მდგომარეობაშიც კი. დამუხტულ ნაწილაკებზე ძლიერ გავლენას ახდენს მაგნიტური და ელექტრული ველები. მაგალითად, მზის ქარში, ჰელიუმის იონები იონიზებულ წყალბადთან ერთად ურთიერთქმედებენ დედამიწის მაგნიტოსფეროსთან, რაც იწვევს ავრორას.

აშშ აღმოჩენა

1903 წელს ჭაბურღილის ბურღვის შემდეგ, კანზასში, დექსტერში მიიღეს აალებადი გაზი. თავდაპირველად არ იყო ცნობილი, რომ იგი შეიცავდა ჰელიუმს. რომელი გაზი აღმოჩნდა, დაადგინა სახელმწიფო გეოლოგმა ერაზმუს ჰაუორთმა, რომელმაცშეაგროვეს მისი ნიმუშები და კანზას უნივერსიტეტში ქიმიკოსების კედი ჰამილტონისა და დევიდ მაკფარლანდის დახმარებით დაადგინეს, რომ ის შეიცავს 72% აზოტს, 15% მეთანს, 1% წყალბადს და 12% არ იქნა გამოვლენილი. შემდგომი ანალიზის შემდეგ მეცნიერებმა აღმოაჩინეს, რომ ნიმუშის 1,84% ჰელიუმი იყო. ასე რომ, მათ გაიგეს, რომ ეს ქიმიური ელემენტი დიდი რაოდენობით არის დიდი დაბლობების ნაწლავებში, საიდანაც მისი ამოღება შესაძლებელია ბუნებრივი აირისგან.

სამრეწველო წარმოება

ამან შეერთებულმა შტატებმა მსოფლიო ლიდერი გახადა ჰელიუმის წარმოებაში. სერ რიჩარდ თრელფოლის წინადადებით, აშშ-ს საზღვაო ფლოტმა დააფინანსა სამი პატარა ექსპერიმენტული ქარხანა ამ ნივთიერების წარმოებისთვის პირველი მსოფლიო ომის დროს, რათა მიეწოდებინათ ბარაჟის ბუშტები მსუბუქი, აალებადი ამწევი გაზით. პროგრამამ გამოუშვა სულ 5700 მ3 92% He, თუმცა მანამდე 100 ლიტრზე ნაკლები გაზი იყო წარმოებული. ამ მოცულობის ნაწილი გამოიყენებოდა მსოფლიოში პირველ ჰელიუმის საჰაერო ხომალდში, აშშ-ს საზღვაო ძალების C-7-ში, რომელმაც პირველი მოგზაურობა შეასრულა 1921 წლის 7 დეკემბერს, ჰემპტონ როუდსიდან, ვირჯინიის ქალაქ ბოლინგ ფილდში, ვაშინგტონი..

მიუხედავად იმისა, რომ დაბალი ტემპერატურის გაზის გათხევადების პროცესი იმ დროს არ იყო საკმარისად განვითარებული, რომ მნიშვნელოვანი ყოფილიყო პირველი მსოფლიო ომის დროს, წარმოება გაგრძელდა. ჰელიუმი ძირითადად გამოიყენებოდა როგორც ამწე აირი თვითმფრინავებში. მასზე მოთხოვნა გაიზარდა მეორე მსოფლიო ომის დროს, როდესაც იგი გამოიყენებოდა დაცულ რკალის შედუღებაში. ელემენტი ასევე მნიშვნელოვანი იყო ატომური ბომბის პროექტში.მანჰეტენი.

აშშ-ის ეროვნული საფონდო

1925 წელს, შეერთებული შტატების მთავრობამ დააარსა ჰელიუმის ეროვნული რეზერვი ამარილოში, ტეხასის შტატში, ომის დროს სამხედრო საჰაერო ხომალდების და მშვიდობის დროს კომერციული საჰაერო ხომალდების უზრუნველყოფის მიზნით. გაზის გამოყენება შემცირდა მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, მაგრამ მიწოდება გაიზარდა 1950-იან წლებში, რათა უზრუნველყოს მისი მიწოდება, როგორც გამაგრილებელი, რომელიც გამოიყენება ჟანგბადის სარაკეტო საწვავის წარმოებაში კოსმოსური რბოლისა და ცივი ომის დროს. აშშ-ში ჰელიუმის გამოყენება 1965 წელს რვაჯერ აღემატებოდა ომის დროს მოხმარებულ პიკს.

1960 წლის ჰელიუმის აქტის შემდეგ, მაღაროების ბიურომ კონტრაქტი გააფორმა 5 კერძო კომპანიასთან, რათა ამ ელემენტს ბუნებრივი აირი მოეპოვებინათ. ამ პროგრამისთვის აშენდა 425 კილომეტრიანი გაზსადენი, რომელიც დააკავშირებს ამ ქარხნებს ნაწილობრივ გამოფიტულ სამთავრობო გაზის საბადოს ამარილოს მახლობლად, ტეხასის შტატში. ჰელიუმ-აზოტის ნარევი გადატუმბული იქნა მიწისქვეშა საცავში და იქ დარჩა საჭიროებამდე.

1995 წლისთვის შეგროვდა მილიარდი კუბური მეტრი მარაგი და ეროვნული რეზერვი იყო 1,4 მილიარდი დოლარის ვალი, რამაც აიძულა აშშ-ს კონგრესმა 1996 წელს ეტაპობრივად მოეხსნა იგი. 1996 წელს ჰელიუმის პრივატიზაციის კანონის მიღების შემდეგ, ბუნებრივი რესურსების სამინისტრომ 2005 წელს დაიწყო საწყობის ლიკვიდაცია.

სისუფთავე და წარმოების მოცულობა

1945 წლამდე წარმოებული ჰელიუმის სისუფთავე იყო დაახლოებით 98%, დანარჩენს 2%მოიცავდა აზოტს, რომელიც საკმარისი იყო საჰაერო ხომალდებისთვის. 1945 წელს მცირე რაოდენობით 99,9 პროცენტი გაზი გამოიყენეს რკალის შედუღების მიზნით. 1949 წლისთვის მიღებული ელემენტის სისუფთავე 99,995%-ს მიაღწია..

მრავალი წლის განმავლობაში, შეერთებული შტატები აწარმოებდა მსოფლიო კომერციული ჰელიუმის 90%-ზე მეტს. 2004 წლიდან იგი ყოველწლიურად აწარმოებს 140 მილიონ მ3, საიდანაც 85% მოდის შეერთებული შტატებიდან, 10% ალჟირიდან, დანარჩენი კი რუსეთიდან და პოლონეთიდან. მსოფლიოში ჰელიუმის ძირითადი წყაროებია ტეხასის, ოკლაჰომასა და კანზასში გაზის საბადოები.

მიღების პროცესი

ჰელიუმი (98,2% სისუფთავე) მიიღება ბუნებრივი აირისგან სხვა კომპონენტების გათხევადებით დაბალ ტემპერატურაზე და მაღალ წნევაზე. გაციებული გააქტიურებული ნახშირბადის მიერ სხვა აირების ადსორბცია აღწევს 99,995% სისუფთავეს. ჰელიუმის მცირე რაოდენობა წარმოიქმნება ჰაერის დიდი მასშტაბით გათხევადების შედეგად. 900 ტონა ჰაერიდან დაახლოებით 3,17 კუბური მეტრის მიღებაა შესაძლებელი. მ გაზი.

აპლიკაციის სფერო

კეთილშობილური აირი გამოიყენებოდა სხვადასხვა სფეროში.

ჰელიუმი, რომლის თვისებები შესაძლებელს ხდის ულტრა დაბალი ტემპერატურის მიღებას, გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი აგენტი დიდ ადრონულ კოლაიდერში, სუპერგამტარ მაგნიტებში MRI აპარატებში და ბირთვულ მაგნიტურ-რეზონანსულ სპექტრომეტრებში, სატელიტურ მოწყობილობებში და ასევე ჟანგბადის გათხევადებისთვის. და წყალბადი აპოლოს რაკეტებში.
როგორც ინერტული აირი ალუმინის და სხვა ლითონების შესადუღებლად, ოპტიკური ბოჭკოების და ნახევარგამტარების წარმოებაში.
შექმნაწნევა სარაკეტო ძრავების საწვავის ავზებში, განსაკუთრებით ისეთებში, რომლებიც მუშაობენ თხევად წყალბადზე, რადგან მხოლოდ აირისებრი ჰელიუმი ინარჩუნებს აგრეგაციის მდგომარეობას, როდესაც წყალბადი თხევად რჩება);
He-Ne გაზის ლაზერები გამოიყენება შტრიხკოდების სკანირებისთვის სუპერმარკეტების სალაროებში.
ჰელიუმის იონის მიკროსკოპი წარმოქმნის უკეთეს სურათებს, ვიდრე ელექტრონული მიკროსკოპი.
მაღალი გამტარიანობის გამო, კეთილშობილური აირი გამოიყენება გაჟონვის შესამოწმებლად, მაგალითად, მანქანის კონდიცირების სისტემებში და ავარიის დროს აირბალიშების სწრაფად გასაბერად.
დაბალი სიმკვრივე საშუალებას გაძლევთ შეავსოთ დეკორატიული ბუშტები ჰელიუმით. ინერტულმა გაზმა შეცვალა ფეთქებადი წყალბადი საჰაერო ხომალდებში და ბუშტებში. მაგალითად, მეტეოროლოგიაში ჰელიუმის ბუშტები გამოიყენება საზომი ხელსაწყოების ასაწევად.
კრიოგენურ ტექნოლოგიაში ის ემსახურება როგორც გამაგრილებელს, ვინაიდან ამ ქიმიური ელემენტის ტემპერატურა თხევად მდგომარეობაში ყველაზე დაბალია.
ჰელიუმი, რომლის თვისებები უზრუნველყოფს მას დაბალ რეაქტიულობას და წყალში (და სისხლში) ჟანგბადთან შერეულ ხსნადობას, იპოვა გამოყენება სასუნთქ კომპოზიციებში სკუბა დაივინგისა და კეისონისთვის..
მეტეორიტები და ქანები გაანალიზებულია ამ ელემენტისთვის მათი ასაკის დასადგენად.