Helium: sifat, ciri, aplikasi

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 17:53

Helium ialah gas lengai daripada kumpulan ke-18 jadual berkala. Ia adalah unsur paling ringan kedua selepas hidrogen. Helium ialah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa yang menjadi cecair pada -268.9 °C. Takat didih dan bekunya lebih rendah daripada mana-mana bahan lain yang diketahui. Ia adalah satu-satunya unsur yang tidak memejal apabila disejukkan pada tekanan atmosfera biasa. Ia memerlukan 25 atmosfera pada 1 K untuk helium menjadi pejal.

Sejarah penemuan

Helium ditemui dalam atmosfera gas yang mengelilingi Matahari oleh ahli astronomi Perancis Pierre Jansen, yang pada tahun 1868 semasa gerhana menemui garis kuning terang dalam spektrum kromosfera suria. Garis ini pada asalnya dianggap mewakili unsur natrium. Pada tahun yang sama, ahli astronomi Inggeris Joseph Norman Lockyer memerhatikan garis kuning dalam spektrum suria yang tidak sepadan dengan garisan natrium yang diketahui D₁ dan D₂, maka dia menamakan barisnya D_{3. Lockyer membuat kesimpulan bahawa ia disebabkan oleh bahan di Matahari yang tidak diketahui di Bumi. Dia dan ahli kimia Edward Frankland menggunakan nama unsur tersebutnama Yunani untuk Matahari ialah Helios.}

Pada tahun 1895, ahli kimia British Sir William Ramsay membuktikan kewujudan helium di Bumi. Dia memperoleh sampel cleveite mineral yang mengandungi uranium, dan selepas memeriksa gas yang terbentuk apabila ia dipanaskan, dia mendapati bahawa garis kuning terang dalam spektrum itu bertepatan dengan garis D_{3 yang diperhatikan dalam spektrum Matahari. Oleh itu, elemen baru akhirnya dipasang. Pada tahun 1903, Ramsay dan Frederick Soddu menentukan bahawa helium ialah hasil pereputan spontan bahan radioaktif.}

Tersebar di alam semula jadi

Jisim helium adalah kira-kira 23% daripada keseluruhan jisim alam semesta, dan unsur itu adalah yang kedua paling banyak di angkasa. Ia tertumpu pada bintang, di mana ia terbentuk daripada hidrogen hasil daripada pelakuran termonuklear. Walaupun helium ditemui di atmosfera bumi pada kepekatan 1 bahagian setiap 200 ribu (5 ppm) dan terdapat dalam jumlah yang kecil dalam mineral radioaktif, besi meteorit, dan mata air mineral, sejumlah besar unsur ditemui di Amerika Syarikat (terutamanya di Texas, New York). Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona dan Utah) sebagai komponen (sehingga 7.6%) gas asli. Rizab kecil telah ditemui di Australia, Algeria, Poland, Qatar dan Rusia. Dalam kerak bumi, kepekatan helium hanya kira-kira 8 ppb.

Isotop

Nukleus setiap atom helium mengandungi dua proton, tetapi seperti unsur lain, ia mempunyai isotop. Ia mengandungi satu hingga enam neutron, jadi nombor jisimnya berkisar antara tiga hingga lapan. Yang stabil ialah unsur yang jisim heliumnya ditentukan oleh nombor atom 3 (³He) dan 4 (⁴He). Semua selebihnya adalah radioaktif dan mereput dengan cepat menjadi bahan lain. Helium terestrial bukanlah komponen asal planet ini, ia terbentuk akibat daripada pereputan radioaktif. Zarah alfa yang dipancarkan oleh nukleus bahan radioaktif berat ialah nukleus isotop ⁴He. Helium tidak terkumpul dalam kuantiti yang banyak di atmosfera kerana graviti Bumi tidak cukup kuat untuk menghalangnya daripada terlepas secara beransur-ansur ke angkasa. Jejak ³Dia di Bumi dijelaskan oleh pereputan beta negatif unsur jarang hidrogen-3 (tritium). ⁴Dia adalah isotop stabil yang paling banyak: nisbah ⁴He atom kepada ^{3Dia adalah kira-kira 700 ribu hingga 1 di atmosfera dan kira-kira 7 juta hingga 1 dalam beberapa mineral yang mengandungi helium.}

Sifat fizikal helium

Takat didih dan lebur unsur ini adalah yang paling rendah. Atas sebab ini, helium wujud sebagai gas, kecuali dalam keadaan yang melampau. Gas Dia kurang larut dalam air berbanding gas lain, dan kadar resapan melalui pepejal adalah tiga kali ganda daripada udara. Indeks biasannya paling hampir kepada 1.

Kekonduksian terma helium adalah yang kedua selepas hidrogen, dan kapasiti haba tentunya adalah luar biasa tinggi. Pada suhu biasa, ia menjadi panas semasa pengembangan, dan menyejukkan di bawah 40 K. Oleh itu, pada T<40 K, helium boleh ditukar menjadicecair melalui pengembangan.

Unsur ialah dielektrik jika ia tidak berada dalam keadaan terion. Seperti gas mulia lain, helium mempunyai tahap tenaga metastabil yang membolehkan ia kekal terion dalam nyahcas elektrik apabila voltan kekal di bawah potensi pengionan.

Helium-4 adalah unik kerana ia mempunyai dua bentuk cecair. Biasa dipanggil helium I dan wujud pada suhu antara takat didih 4.21 K (-268.9 °C) hingga kira-kira 2.18 K (-271 °C). Di bawah 2.18 K, kekonduksian terma 4Dia menjadi 1000 kali ganda kuprum. Bentuk ini dipanggil helium II untuk membezakannya daripada bentuk biasa. Ia adalah superfluid: kelikatan adalah sangat rendah sehingga ia tidak boleh diukur. Helium II merebak ke dalam filem nipis pada permukaan apa sahaja yang disentuhnya, dan filem ini mengalir tanpa geseran walaupun terhadap graviti.

Helium-3 yang kurang banyak membentuk tiga fasa cecair yang berbeza, dua daripadanya adalah cecair lampau. Superfluidity dalam ⁴Beliau ditemui oleh ahli fizik Soviet Pyotr Leonidovich Kapitsa pada pertengahan tahun 1930-an, dan fenomena yang sama pada ^{3Dia pertama kali disedari oleh Douglas D Osherov, David M. Lee, dan Robert S. Richardson dari Amerika Syarikat pada tahun 1972.}

Campuran cecair dua isotop helium-3 dan -4 pada suhu di bawah 0.8 K (-272.4 °C) dibahagikan kepada dua lapisan - hampir tulen ³Dia dan campuran⁴He dengan 6% helium-3. Pelarutan ³He ke dalam ^{4Dia disertai dengan kesan penyejukan, yang digunakan dalam reka bentuk kriostat, di mana suhu helium turundi bawah 0.01 K (-273.14 °C) dan dikekalkan di sana selama beberapa hari.}

Sambungan

Di bawah keadaan biasa, helium lengai secara kimia. Dalam keadaan yang melampau, anda boleh membuat sambungan elemen yang tidak stabil pada suhu dan tekanan biasa. Sebagai contoh, helium boleh membentuk sebatian dengan iodin, tungsten, fluorin, fosforus, dan sulfur apabila tertakluk kepada nyahcas cahaya elektrik apabila dihujani dengan elektron atau dalam keadaan plasma. Oleh itu, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ dan He₂ ion molekul telah dicipta+^{, Bukan}2++^{, HeH}+ ^{dan HeD+}. Teknik ini juga memungkinkan untuk mendapatkan molekul neutral He² dan HgHe.

Plasma

Di Alam Semesta, helium terion diedarkan secara dominan, sifat-sifatnya berbeza dengan ketara daripada molekul. Elektron dan protonnya tidak terikat, dan ia mempunyai kekonduksian elektrik yang sangat tinggi walaupun dalam keadaan separa terion. Zarah bercas sangat dipengaruhi oleh medan magnet dan elektrik. Contohnya, dalam angin suria, ion helium, bersama-sama dengan hidrogen terion, berinteraksi dengan magnetosfera Bumi, menyebabkan aurora.

Penemuan AS

Selepas menggerudi telaga pada tahun 1903, gas tidak mudah terbakar diperolehi di Dexter, Kansas. Pada mulanya, ia tidak diketahui bahawa ia mengandungi helium. Gas mana yang ditemui ditentukan oleh ahli geologi negeri Erasmus Haworth, yangmengumpul sampelnya dan di Universiti Kansas dengan bantuan ahli kimia Cady Hamilton dan David McFarland mendapati ia mengandungi 72% nitrogen, 15% metana, 1% hidrogen dan 12% tidak dikenal pasti. Selepas analisis lanjut, saintis mendapati bahawa 1.84% daripada sampel adalah helium. Jadi mereka mengetahui bahawa unsur kimia ini terdapat dalam kuantiti yang banyak di dalam perut Great Plains, dari mana ia boleh diekstrak daripada gas asli.

Pengeluaran industri

Ini telah menjadikan Amerika Syarikat peneraju dunia dalam pengeluaran helium. Atas cadangan Sir Richard Threlfall, Tentera Laut AS membiayai tiga loji eksperimen kecil untuk menghasilkan bahan ini semasa Perang Dunia I untuk menyediakan belon bertempur dengan gas pengangkat yang ringan dan tidak mudah terbakar. Program ini menghasilkan sejumlah 5,700 m3 92% He, walaupun kurang daripada 100 liter gas sebelum ini dihasilkan. Sebahagian daripada jilid ini digunakan dalam kapal udara helium pertama di dunia, Tentera Laut AS C-7, yang membuat pelayaran sulungnya dari Hampton Roads, Virginia ke Bolling Field, Washington, DC pada 7 Disember 1921.

Walaupun proses pencairan gas suhu rendah tidak cukup maju pada masa itu untuk menjadi ketara semasa Perang Dunia I, pengeluaran diteruskan. Helium digunakan terutamanya sebagai gas angkat dalam pesawat. Permintaan untuknya meningkat semasa Perang Dunia II, apabila ia digunakan dalam kimpalan arka terlindung. Unsur itu juga penting dalam projek bom atom. Manhattan.

Stok Nasional AS

Pada tahun 1925, kerajaan Amerika Syarikat menubuhkan Rizab Helium Nasional di Amarillo, Texas, untuk tujuan menyediakan kapal udara tentera semasa perang dan kapal udara komersial pada masa aman. Penggunaan gas merosot selepas Perang Dunia II, tetapi bekalan telah meningkat pada tahun 1950-an untuk menyediakan, antara lain, bekalannya sebagai penyejuk yang digunakan dalam pengeluaran bahan api roket oksihidrogen semasa perlumbaan angkasa lepas dan Perang Dingin. Penggunaan helium A. S. pada tahun 1965 adalah lapan kali ganda penggunaan puncak semasa perang.

Berikutan Akta Helium 1960, Biro Perlombongan telah mengontrak 5 syarikat swasta untuk mengekstrak unsur tersebut daripada gas asli. Untuk program ini, saluran paip gas sepanjang 425 kilometer telah dibina yang menghubungkan loji ini ke medan gas kerajaan yang hampir habis berhampiran Amarillo, Texas. Campuran helium-nitrogen dipam ke dalam kemudahan penyimpanan bawah tanah dan kekal di situ sehingga diperlukan.

Menjelang 1995, satu bilion meter padu stok telah dikutip dan Rizab Negara berjumlah $1.4 bilion dalam hutang, mendorong Kongres AS untuk menghapuskannya secara berperingkat pada tahun 1996. Selepas undang-undang penswastaan helium diluluskan pada tahun 1996, Kementerian Sumber Asli mula membubarkan kemudahan penyimpanan pada tahun 2005.

Kesucian dan volum pengeluaran

Helium yang dihasilkan sebelum 1945 mempunyai ketulenan kira-kira 98%, selebihnya 2%menyumbang nitrogen, yang mencukupi untuk kapal udara. Pada tahun 1945, sejumlah kecil 99.9 peratus gas dihasilkan untuk digunakan dalam kimpalan arka. Menjelang tahun 1949, ketulenan unsur yang terhasil telah mencapai 99.995%.

Selama bertahun-tahun, Amerika Syarikat menghasilkan lebih 90% helium komersial dunia. Sejak 2004, ia telah menghasilkan 140 juta m3 setiap tahun, 85% daripadanya berasal dari Amerika Syarikat, 10% dari Algeria, dan selebihnya dari Rusia dan Poland. Sumber utama helium di dunia ialah medan gas Texas, Oklahoma dan Kansas.

Terima proses

Helium (98.2% ketulenan) diekstrak daripada gas asli dengan mencairkan komponen lain pada suhu rendah dan tekanan tinggi. Penjerapan gas lain oleh karbon teraktif yang disejukkan mencapai ketulenan 99.995%. Sebilangan kecil helium dihasilkan dengan mencairkan udara secara besar-besaran. Kira-kira 3.17 meter padu boleh diperoleh daripada 900 tan udara. m gas.

Kawasan permohonan

Gas mulia telah digunakan dalam pelbagai bidang.

Helium, yang sifatnya memungkinkan untuk memperoleh suhu ultra rendah, digunakan sebagai agen penyejuk dalam Large Hadron Collider, magnet superkonduktor dalam mesin MRI dan spektrometer resonans magnetik nuklear, peralatan satelit, dan juga untuk mencairkan oksigen dan hidrogen dalam roket Apollo.
Sebagai gas lengai untuk mengimpal aluminium dan logam lain, dalam penghasilan gentian optik dan semikonduktor.
Untuk menciptatekanan dalam tangki bahan api enjin roket, terutamanya yang menggunakan hidrogen cecair, kerana hanya helium gas yang mengekalkan keadaan pengagregatannya apabila hidrogen kekal cecair);
Laser gas He-Ne digunakan untuk mengimbas kod bar semasa pembayaran di pasar raya.
Mikroskop Ion Helium menghasilkan imej yang lebih baik daripada mikroskop elektron.
Oleh kerana kebolehtelapannya yang tinggi, gas mulia digunakan untuk memeriksa kebocoran masuk, contohnya, sistem penghawa dingin kereta dan untuk mengembung beg udara dengan cepat semasa kemalangan.
Ketumpatan rendah membolehkan anda mengisi belon hiasan dengan helium. Gas lengai telah menggantikan hidrogen letupan dalam kapal udara dan belon. Contohnya, dalam meteorologi, belon helium digunakan untuk mengangkat alat pengukur.
Dalam teknologi kriogenik, ia berfungsi sebagai penyejuk, kerana suhu unsur kimia ini dalam keadaan cecair adalah paling rendah yang mungkin.
Helium, yang sifatnya memberikannya kereaktifan rendah dan keterlarutan dalam air (dan darah), bercampur dengan oksigen, telah menemui aplikasi dalam komposisi pernafasan untuk kerja selam skuba dan caisson.
Meteorit dan batuan dianalisis untuk unsur ini bagi menentukan umurnya.