Sejarah Helio, sifat, struktur, risiko, kegunaan

Dia helium Ia adalah elemen kimia yang simbolnya. Ini adalah gas mulia pertama dalam jadual berkala, dan biasanya terletak pada akhir yang sama. Di bawah keadaan biasa ia adalah gas lengai, kerana tidak ada sebatiannya yang stabil; Ia juga berkembang dengan cepat dan merupakan bahan dengan titik mendidih sedikit pun.

Di peringkat popular, ia adalah gas yang terkenal, kerana dalam peristiwa yang tidak terhitung atau parti kanak -kanak itu biasa. Walau bagaimanapun, apa yang benar -benar dan selamanya hilang ke arah sudut sistem suria, dan seterusnya, mereka adalah atom helium yang dibebaskan apabila dunia dipecahkan.

Belon melambung dengan helium, yang paling dekat yang boleh menjadi elemen ini dalam situasi sehari -hari. Sumber: Pixabay.

Malah, ada orang -orang yang, dan dengan alasan yang besar, percaya bahawa belon helium mewakili amalan yang tidak sesuai untuk gas ini. Nasib baik, ia mempunyai kegunaan yang lebih penting dan menarik, terima kasih kepada sifat fizikal dan kimianya yang memisahkannya dari elemen kimia lain.

Contohnya, helium cecair sangat sejuk sehingga dapat membekukan apa -apa, sebagai aloi logam, menjadikannya bahan superkonduktor. Ia juga merupakan cecair yang menunjukkan superfluidity, mampu memanjat dinding bekas kaca.

Namanya kerana dia mula -mula dikenal pasti di bawah sinar matahari dan bukan di bumi. Ia adalah elemen kedua yang paling banyak di seluruh alam semesta dan, walaupun kepekatannya tidak masuk akal di kerak bumi, ia dapat diperoleh dari rizab gas asli dan mineral radioaktif uranium dan thorium.

Di sini helium menunjukkan satu lagi fakta yang ingin tahu: ia adalah gas yang berlimpah lebih banyak di bawah tanah daripada di atmosfera, di mana ia berakhir melarikan diri dari bumi dan medan gravitinya.

[TOC]

Sejarah

Helium tidak ditemui di bumi tetapi di bawah sinar matahari. Malah, namanya berasal dari perkataan Yunani 'helios' yang bermaksud matahari. Kewujudan unsur sahaja membezakan jadual berkala Dmitri Mendeléyev, kerana tidak ada tempat untuk gas baru; iaitu, pada masa itu tidak ada apa -apa tentang gas mulia.

Nama 'Helio', yang ditulis sebagai 'helium' dalam bahasa Inggeris, berakhir dengan akhiran -ium merujuknya sebagai logam; Tepat kerana kewujudan gas lain selain oksigen, hidrogen, fluorin, klorin dan nitrogen tidak dapat dimasukkan.

Nama ini ditetapkan oleh ahli astronomi Inggeris Norman Lockyer, yang belajar dari England apa yang diperhatikan oleh astronomi Perancis.

Ia adalah garis spektrum kuning elemen yang tidak diketahui sehingga itu. Lockyer mengatakan bahawa ini disebabkan oleh kehadiran elemen kimia baru yang terdapat di bawah sinar matahari.

Pada tahun 1895, hampir dua puluh tahun kemudian, ahli kimia Scotland Sir William Ramsay mengiktiraf spektrum yang sama dari gas yang tinggal ketika mempelajari mineral radioaktif: Cleveíta. Oleh itu, Helio di sini juga.

Sifat fizikal dan kimia

Penampilan

Ampoule dengan sampel helium bersinar selepas kejutan elektrik. Sumber: Hi-Res Imej Elemen Kimia [CC oleh 3.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/oleh/3.0)]

Helium adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, yang tidak mempunyai rasa dan juga tidak aktif. Walau bagaimanapun, apabila kejutan elektrik digunakan, dan bergantung kepada perbezaan voltan, ia mula bersinar seperti kabut kelabu-moral (imej atas), kemudian bersinar dengan cahaya oren. Oleh itu, lampu helium adalah oren.

Nombor atom (z)

2

Jisim molar

4.002 g/mol

Takat lebur

-272.2 ºC

Takat didih

-268.92 ºC

Ketumpatan

-0.1786 g/l, di bawah keadaan normal, iaitu, dalam fasa gas.

-0.145 g/ml, di titik lebur, helium cecair.

-0.125 g/ml, ketika helium mula mendidih.

-0.187 g/ml, pada 0 k dan 25 atm, iaitu, helium pepejal kepada keadaan tekanan dan suhu tertentu.

Triple Point

2,177 K dan 5,043 kPa (0.04935 atm)

Titik kritikal

5,1953 K dan 0.22746 MPa (2,2448 atm)

Haba Fusion

0.0138 kJ/mol

Haba pengewapan

0.0829 kJ/mol

Kapasiti haba molar

20.78 j/(mol · k)

Tekanan wap

0.9869 atm pada 4.21 k. Nilai ini berfungsi untuk memberi idea bagaimana armada.

Tenaga pengionan

-Pertama: 2372.3 kJ/mol (dia⁺ gas)

-Kedua: 5250.5 kJ/mol (dia²⁺ gas)

Tenaga pengionan untuk helium sangat tinggi kerana atom gas mesti kehilangan elektron, yang mengalami beban nuklear yang kuat. Ia juga dapat difahami jika saiz kecil atom dipertimbangkan dan bagaimana "dekat" adalah dua elektron berkenaan dengan nukleus (dengan dua proton dan dua neutron).

Kelarutan

Di dalam air, 0.97 ml dibubarkan setiap 100 ml air pada 0 ºC, yang bermaksud bahawa ia sedikit larut.

Boleh melayani anda: ammonium oxalate

Reaktiviti

Helium adalah elemen kimia reaktif kedua yang paling rendah. Dalam keadaan biasa, ia berjaya mengesahkan bahawa ia adalah gas lengai; Tidak pernah (untuk apa yang kelihatannya) dapat dimanipulasi sebatian helium di dalam bilik atau makmal tanpa tekanan besar yang bertindak di atasnya; Atau mungkin, suhu tinggi atau rendah secara dramatik.

Contoh yang kita lihat di kawasan NA₂Dia, yang stabil hanya di bawah tekanan 300 GPa, diterbitkan semula dalam sel yunque berlian.

Sementara ikatan kimia di NA₂Mempunyai "orang asing" kerana mempunyai elektron mereka yang terletak di kristal, mereka jauh dari interaksi mudah dinding van der dan, oleh itu, ia tidak hanya terdiri daripada atom helium yang terperangkap oleh agregat molekul. Di sinilah dilema di antara sebatian helium yang nyata dan yang tidak.

Contohnya, molekul nitrogen ke tekanan tinggi boleh memenjarakan atom helium untuk menyebabkan sejenis clatter₂)_sebelas.

Juga, terdapat kompleks endo -menstabilkan kation fullerene, c₆₀⁺ⁿ dan c₇₀⁺ⁿ, di mana rongga mereka boleh menempatkan atom helium; dan kation molekul heh⁺ (He-h⁺), terdapat dalam nebula yang sangat jauh.

Nombor pengoksidaan

Yang kerana rasa ingin tahu cuba mengira nombor pengoksidaan untuk helium di mana -mana sebatiannya akan mendapati bahawa ini sama dengan 0. Di na₂Dia, sebagai contoh, boleh dianggap bahawa formulanya sepadan dengan ion hipotesis₂⁺Dia^2-; Tetapi itu adalah untuk mengandaikan bahawa dia mempunyai watak ionik yang tulen, ketika pada hakikatnya hubungannya jauh dari.

Di samping itu, helium tidak memenangi elektron kerana ia tidak dapat menampungnya dalam orbital 2s, tenaga tidak tersedia; Dan tidak mungkin anda kehilangannya, kerana saiz atomnya yang dikurangkan dan beban nuklear yang berkesan nukleusnya. Itulah sebabnya helium selalu mengambil bahagian (secara teori) sebagai atom⁰ Dalam sebatiannya.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Helium, seperti semua gas yang diperhatikan dalam makroeskala, menduduki jumlah bekas yang menyimpannya, dengan itu mempunyai cara yang tidak terbatas. Walau bagaimanapun, apabila suhu turun dan mula sejuk di bawah -269 ºC, gas mengalir dalam cecair tidak berwarna; Helium I, yang pertama dari dua fasa cecair untuk elemen ini.

Sebab mengapa helium mengalir pada suhu yang rendah itu disebabkan oleh beberapa daya penyebaran yang mengekalkan atom mereka bersama -sama; Apa sahaja fasa yang dipertimbangkan. Ini dapat dijelaskan dari konfigurasi elektroniknya:

1s²

Di mana dua elektron menduduki orbital atom 1s. Atom helium dapat divisualisasikan sebagai sfera yang hampir sempurna, yang pinggir elektronik homogennya tidak begitu terdedah kepada polarisasi oleh beban nuklear yang berkesan dari dua proton dalam nukleus.

Oleh itu, momen -momen dipole spontan dan disebabkan tidak biasa dan sangat lemah; Oleh itu, suhu mesti mendekati sifar mutlak supaya atom -atom telah mendekati kelambatan yang mencukupi dan membuat daya dispersif mereka menentukan cecair; Atau lebih baik, kaca helium.

Dimer

Dalam fasa gas ruang yang memisahkan atom mempunyai sedemikian rupa sehingga dapat diandaikan bahawa salah satu yang lain selalu dipisahkan. Begitu banyak sehingga dalam lepuh, jumlah kecil, helium kelihatan tidak berwarna sehingga ia tertakluk kepada kejutan elektrik, yang mengionkan atomnya dalam kabus yang berwarna abu -abu dan kecil.

Walau bagaimanapun, dalam fasa cecair atom mempunyai, walaupun dengan interaksi lemah mereka, mereka tidak boleh lagi "mengabaikan" untuk masa yang lebih lama. Sekarang daya penyebaran membenarkan mereka₂. Oleh itu, anda boleh memikirkan helium saya sebagai kelompok yang luas dari dia₂ seimbang dengan atom fasa wapnya.

Itulah sebabnya helium saya sangat sukar untuk dibezakan dari wapnya. Sekiranya cecair ini tumpah di luar bekas hermetiknya, ia melarikan diri seperti suar putih.

Helio II

Apabila suhu turun lebih banyak, menyentuh 2,178 K (-270,972 ºC), peralihan fasa berlaku: Helium I diubah menjadi Helium II.

Dari sudut ini, cecair helium yang menarik menjadi cecair berlebihan atau kuantum; iaitu, sifat makroskopiknya ditunjukkan seolah -olah dimer₂ Mereka adalah atom individu (dan mungkin mereka). Ia tidak mempunyai kelikatan yang lengkap, kerana tidak ada permukaan yang dapat menghentikan atom semasa gelongsor atau "memanjat".

Itulah sebabnya Helio II dapat naik melalui dinding bekas kaca yang mengatasi daya graviti; Tidak kira betapa tinggi mereka, selagi permukaan kekal pada suhu yang sama dan, oleh itu, tidak menonjol.

Ia boleh melayani anda: asid pituitari (H3PO2): sifat, kegunaan dan reagen

Oleh sebab itu, helium cecair tidak dapat disimpan dalam bekas kaca, kerana ia akan melarikan diri sebelum fissure atau kelemahan yang sedikit; Sangat serupa dengan bagaimana ia berlaku dengan gas. Sebaliknya, keluli tahan karat digunakan untuk merancang bekas ini (tangki Dewars).

Kristal

Walaupun suhu turun sehingga 0 k (sifar mutlak), daya penyebaran antara atom saya tidak akan cukup kuat untuk memerintahkan mereka dalam struktur kristal. Untuk membuat pemejalan, tekanan mesti meningkat kepada kira -kira 25 atm; Dan kemudian, kristal heksagon padat muncul (HCP).

Kajian geofizik menunjukkan bahawa struktur HCP ini tetap tidak berubah setakat ini tekanan meningkat (sehingga urutan Pascal Giga, GPA). Walau bagaimanapun, terdapat rantau sempit dalam gambarajah suhu tekanannya di mana kristal HCP ini mengalami peralihan ke fasa padu yang berpusat pada badan (BCC).

Di mana dan dapatkan

Cosmos dan batu

Helium mewakili unsur kedua yang paling banyak di alam semesta dan 24% daripada jisimnya. Sumber: Pxhere.

Helium adalah elemen kedua yang paling banyak di seluruh alam semesta, dilampaui hanya oleh hidrogen. Bintang -bintang sentiasa menghasilkan jumlah atom helium yang tidak dapat diukur dengan menggabungkan dua teras hidrogen semasa proses nukleosintesis.

Begitu juga, sebarang proses radioaktif yang memancarkan zarah α adalah sumber pengeluaran atom helium jika mereka berinteraksi dengan elektron alam sekitar; Contohnya, dengan badan batu di tangki mineral radioaktif uranium dan thorium. Kedua -dua elemen ini mengalami kerosakan radioaktif, bermula dengan uranium:

Kerosakan radioaktif dalam uranium dalam pembentukan zarah alfas, yang kemudiannya berubah menjadi atom helium dalam deposit bawah tanah. Sumber: Gabriel Bolívar.

Oleh itu, di dalam batu -batu di mana mineral radioaktif ini tertumpu, atom helium akan terperangkap, yang akan dibebaskan apabila ia dicerna dalam media berasid.

Antara beberapa mineral ini ialah Cleveíta, Carnotita, dan Uraninite, semuanya terdiri daripada uranium oksida (UO₂ atau u₃Sama ada₈) dan kekotoran thorium, logam berat dan nadir bumi. Helium, pengairan melalui saluran bawah tanah, boleh berakhir dengan takungan gas asli, mata air mineral atau besi meteorik.

Dianggarkan bahawa jisim helium bersamaan dengan 3000 tan dihasilkan setiap tahun, dari kerosakan radioaktif uranium dan thorium.

Udara dan laut

Helium tidak terlalu larut di dalam air, begitu cepat daripada kemudian ia berakhir naik dari kedalaman (di mana asalnya dijumpai), untuk menyeberangi lapisan atmosfera dan akhirnya sampai ke ruang sidereal. Atomnya sangat kecil dan ringan sehingga medan graviti bumi tidak dapat mengekalkannya di atmosfera.

Oleh kerana di atas, kepekatan helium di udara (5.2 ppm) dan di lautan (4 ppt) sangat rendah.

Sekiranya anda ingin mengekstrak dari mana -mana dua media, pilihan "terbaik" akan menjadi udara, yang pertama kali perlu menyerahkannya kepada pencairan untuk memendekkan semua gas komponennya, sementara helium kekal dalam keadaan gas.

Walau bagaimanapun, tidak praktikal untuk mendapatkan helium dari udara, tetapi dari batu -batu yang diperkaya dengan mineral radioaktif; atau lebih baik lagi, rizab gas asli, di mana helium boleh mewakili sehingga 7% daripada jumlah jisimnya.

Pencairan dan penyulingan gas asli

Daripada menundukkan udara, lebih mudah dan lebih menguntungkan. Oleh itu, kecemerlangan par bahan mentah (komersial) untuk mendapatkan helium adalah gas asli, yang juga boleh dikemukakan kepada penyulingan pecahan.

Produk akhir penyulingan selesai membersihkan dengan karbon diaktifkan, yang melalui helium kesucian yang hebat. Dan akhirnya, helium memisahkan dari neon melalui proses kriogenik di mana helium cecair digunakan.

Isotop

Helium dibentangkan secara semula jadi sebagai isotop ⁴Dia, yang nukleus telanjangnya adalah zarah yang terkenal α. Atom ini ⁴Saya mempunyai dua neutron dan dua proton. Dalam kelimpahan yang lebih rendah adalah isotop ³Dia, yang hanya mempunyai satu neutron. Yang pertama lebih berat (ia mempunyai jisim atom yang lebih besar) daripada yang kedua.

Oleh itu, pasangan isotop ³Dia dan ⁴Mempunyai mereka yang menentukan sifat mesurable dan apa yang kita faham tentang helium sebagai elemen kimia. Sejak ³Dia lebih ringan, diandaikan bahawa atom mereka mempunyai lebih banyak tenaga kinetik dan, oleh itu, mereka memerlukan suhu yang lebih rendah untuk bersatu padu dalam keadaan yang berlebihan.

Dia ³Saya telah mempertimbangkan spesies yang sangat jarang berlaku di Bumi; Walau bagaimanapun, di tanah lunar lebih banyak (kira -kira 2000 kali). Itulah sebabnya bulan telah tertakluk kepada projek dan cerita sebagai sumber yang mungkin ³Dia, yang boleh digunakan sebagai bahan bakar nuklear untuk kapal angkasa masa depan.

Boleh melayani anda: bahan tulen

Antara isotop helium lain boleh disebutkan, dengan masa separuh hayat masing -masing: ⁵Dia (t_1/2= 7.6 · 10^-22 s), ⁶Dia (t_1/2= 0.8 s) dan ⁸Dia (t_1/2= 0.119 s).

Risiko

Helium adalah gas lengai dan, oleh itu, tidak mengambil bahagian dalam mana -mana tindak balas yang berlaku di dalam badan kita.

Atomnya secara praktikal memasuki dan dihembuskan tanpa interaksi mereka dengan biomolekul yang menghasilkan kesan berikutnya; Kecuali dalam bunyi yang dipancarkan dari tali vokal, yang menjadi lebih akut dan mempunyai kekerapan lebih banyak.

Orang yang menyedut helio belon (secara sederhana), bercakap dengan suara akut, sama dengan tupai (atau itik).

Masalahnya terletak pada hakikat bahawa jika orang tersebut menghirup jumlah helium yang tidak sesuai, risiko mencekik larian, kerana atom mereka bergerak ke molekul oksigen; Dan oleh itu, ia tidak akan dapat bernafas sehingga semua helium itu menghembuskan nafas, yang seterusnya disebabkan oleh tekanannya dapat merobek tisu paru -paru atau menyebabkan barotraumas.

Kes -kes orang yang telah meninggal dunia akibat Helio yang menyedihkan telah dilaporkan kerana yang baru dijelaskan.

Sebaliknya, walaupun ia tidak mewakili risiko kebakaran memandangkan kekurangan kereaktifan terhadap oksigen (atau bahan lain), jika ia disimpan di bawah tekanan tinggi dan melarikan diri, pelariannya boleh berbahaya secara fizikal.

Aplikasi

Ciri -ciri fizikal dan kimia Helio bukan sahaja menjadikannya gas khas, tetapi juga bahan yang sangat berguna untuk aplikasi yang merit suhu sangat rendah. Dalam seksyen ini beberapa aplikasi atau kegunaan ini akan ditangani.

Tekanan dan Sistem Pembersihan

Dalam sesetengah sistem, perlu meningkatkan tekanan (tekanan), dan untuk ini ia mesti disuntik atau membekalkan yang tidak berinteraksi dengan mana -mana komponennya; Contohnya, dengan reagen atau permukaan sensitif terhadap reaksi yang tidak diingini.

Oleh itu, tekanan dapat ditingkatkan dengan jumlah helium, yang inersia kimia menjadikannya sesuai untuk tujuan ini. Suasana lengai yang memudahkan melebihi kes -kes nitrogen tertentu.

Untuk proses terbalik, iaitu, pembersihan, helium juga digunakan kerana keupayaannya untuk menyeret semua oksigen, wap air atau mana -mana gas lain, yang kehadirannya ingin menghapuskan. Dengan cara ini tekanan sistem dikurangkan apabila helium telah dikosongkan.

Pengesanan kebocoran

Helium boleh ditapis melalui fissure yang sedikit, jadi ia juga berfungsi untuk mengesan kebocoran dalam paip, bekas vacuum tinggi atau tangki kriogenik.

Kadang -kadang pengesanan boleh dilakukan secara visual atau melalui sentuhan; Walau bagaimanapun, kebanyakan pengesan adalah apa yang "melemparkan" isyarat di mana dan berapa banyak helium melarikan diri dari sistem di bawah pemeriksaan.

Seret gas

Atom helium, seperti yang disebutkan untuk sistem pembersihan, boleh menyeretnya, bergantung kepada tekanan anda, molekul yang lebih berat. Sebagai contoh, prinsip ini digunakan setiap hari dalam analisis kromatografi gas, kerana ia dapat menyeret sampel yang diatasi di sepanjang lajur, di mana ia berinteraksi dengan fasa pegun.

Belon dan Airships

Helium digunakan untuk mengembung kapal udara dan jauh lebih selamat daripada hidrogen kerana ia bukan gas mudah terbakar. Sumber: Pixabay.

Oleh kerana ketumpatannya yang rendah berbanding dengan udara dan, sekali lagi, kekurangan kereaktifan dengan oksigen, ia telah digunakan untuk mengembung belon pada parti kanak -kanak (dicampur dengan oksigen sehingga tidak ada yang tercekik untuk bernafas), dan udara (imej unggul) , tanpa dapat mewakili risiko kebakaran.

Menyelam

Helium adalah salah satu komponen utama tangki oksigen yang mana penyelam bernafas. Sumber: Pxhere.

Apabila penyelam turun ke kedalaman yang lebih besar, mereka merasa sukar untuk bernafas akibat tekanan besar yang dikenakan oleh air. Itulah sebabnya Helio ditambah dalam tangki oksigennya untuk mengurangkan ketumpatan gas yang penyelam bernafas dan menghembus nafas, dan oleh itu, ia dapat dihiasi dengan kerja yang kurang.

Kimpalan arka

Dalam proses kimpalan, arka elektrik membawa haba yang mencukupi sehingga kedua -dua logam itu bergabung. Jika dilakukan di bawah suasana helium, logam pijar tidak akan bertindak balas dengan oksigen udara untuk menjadi oksida masing -masing; Oleh itu, helium menghalangnya daripada berlaku.

Superconductors

Helium cecair digunakan untuk menyejukkan magnet yang digunakan dalam pengimbas pengimejan resonans magnetik nuklear. Sumber: Jan Ainali [CC oleh 3.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/oleh/3.0)]

Helium cecair sangat sejuk sehingga dapat membekukan logam untuk mengubahnya menjadi superkonduktor. Terima kasih kepada ini, magnet yang sangat kuat telah dihasilkan, yang, disejukkan dengan helium cecair, telah digunakan dalam imej imej atau spektrometer resonans magnetik nuklear.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi Keempat). MC Graw Hill.
2. Andy Estance. (17 April 2019). Ion Helium Hydride dikesan di Angkasa untuk Pertama Pertama: Bukti Ditemui untuk Kimia yang Tindakan dari Minit Pertama Alam Semesta. Pulih dari: dunia kimia.com
3. Peter Wothers. (19 Ogos 2009). Helium. Kimia dalam elemennya. Pulih dari: dunia kimia.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Diperoleh dari: dalam.Wikipedia.org
5. Mao, h. K., Wu, dan., Jephcoat, a. P., Hemley, r. J., Bell, ms. M., & Bassett, w. Ke. (1988). Struktur kristal dan ketumpatan helium sehingga 232 kbar. Diperolehi dari: artikel.Adsabs.Harvard.Edu
6. Pusat Kebangsaan Maklumat Bioteknologi. (2019). Helium. Pangkalan data PUBCHEM. CID = 23987. Pulih dari: pubchem.NCBI.NLM.NIH.Gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 Februari 2017). Up, Up and Away: Ahli kimia mengatakan 'ya,' helium boleh membentuk sebatian. Universiti Negeri Utah. Pulih dari: Phys.org
8. Steve Gagnon. (s.F.). Isotop elemen helium. Jefferson Lab. Pulih dari: pendidikan.Jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Pulih dari: kimiaExplaed.com