هلیوم: خواص، ویژگی ها، کاربردها

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

هلیوم گازی بی اثر از گروه هجدهم جدول تناوبی است. این عنصر پس از هیدروژن دومین عنصر سبک است. هلیوم گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه است که در دمای 268.9- درجه سانتی گراد به مایع تبدیل می شود. نقطه جوش و انجماد آن کمتر از هر ماده شناخته شده دیگری است. این تنها عنصری است که هنگام سرد شدن در فشار معمولی جو جامد نمی شود. برای جامد شدن هلیوم به ۲۵ اتمسفر در ۱ K نیاز است.

تاریخچه کشف

هلیوم در اتمسفر گازی اطراف خورشید توسط ستاره شناس فرانسوی پیر یانسن کشف شد که در سال 1868 در طی یک کسوف یک خط زرد روشن در طیف کروموسفر خورشیدی کشف کرد. در ابتدا تصور می شد که این خط نشان دهنده عنصر سدیم است. در همان سال، جوزف نورمن لاکر، ستاره شناس انگلیسی، خط زردی را در طیف خورشید مشاهده کرد که با خطوط سدیم شناخته شده D₁ و D₂ مطابقت نداشت. ، و بنابراین نام خط او را D_{3 گذاشت. لاکیر به این نتیجه رسید که این امر توسط ماده ای در خورشید ناشناخته در زمین ایجاد شده است. او و شیمیدان ادوارد فرانکلند از نام عنصر استفاده کردندنام یونانی خورشید هلیوس است.}

در سال 1895، شیمیدان بریتانیایی سر ویلیام رمزی وجود هلیوم را در زمین ثابت کرد. او نمونه‌ای از کلویت کانی حاوی اورانیوم را به‌دست آورد، و پس از بررسی گازهای تشکیل‌شده هنگام گرم شدن، دریافت که خط زرد روشن در طیف با خط D_{3 مطابقت دارد. طیف خورشید بنابراین، عنصر جدید در نهایت نصب شد. در سال 1903، رمزی و فردریک سودو به این نتیجه رسیدند که هلیوم یک محصول پوسیدگی خود به خودی از مواد رادیواکتیو است.}

گسترش در طبیعت

جرم هلیوم حدود ۲۳ درصد کل جرم کیهان است و این عنصر دومین عنصر فراوان در فضا است. در ستاره ها متمرکز شده است، جایی که از هیدروژن در نتیجه همجوشی گرما هسته ای تشکیل شده است. اگرچه هلیوم در جو زمین با غلظت 1 قسمت در 200 هزار (5ppm) یافت می شود و به مقدار کمی در مواد معدنی رادیواکتیو، آهن شهاب سنگی و چشمه های معدنی یافت می شود، اما مقادیر زیادی از این عنصر در ایالات متحده یافت می شود. به ویژه در تگزاس، نیویورک) مکزیک، کانزاس، اوکلاهما، آریزونا و یوتا) به عنوان یک جزء (تا 7.6٪) از گاز طبیعی است. ذخایر کوچکی در استرالیا، الجزایر، لهستان، قطر و روسیه یافت شده است. در پوسته زمین، غلظت هلیوم تنها حدود 8ppb است.

ایزوتوپ

هسته هر اتم هلیوم دارای دو پروتون است، اما مانند سایر عناصر، ایزوتوپ دارد. آنها حاوی یک تا شش نوترون هستند، بنابراین تعداد جرمی آنها از سه تا هشت متغیر است.عناصر پایدار عناصری هستند که جرم هلیوم آنها با اعداد اتمی 3 (³He) و 4 (⁴He) تعیین می شود. بقیه مواد رادیواکتیو هستند و خیلی سریع به مواد دیگر تجزیه می شوند. هلیوم زمینی جزء اصلی سیاره نیست، آن را در نتیجه تجزیه رادیواکتیو تشکیل شده است. ذرات آلفا که از هسته مواد رادیواکتیو سنگین ساطع می شوند، هسته های ایزوتوپ ⁴He هستند. هلیوم به مقدار زیاد در جو انباشته نمی شود زیرا گرانش زمین به اندازه کافی قوی نیست که از فرار تدریجی آن به فضا جلوگیری کند. آثار ³He بر روی زمین با واپاشی منفی بتا عنصر کمیاب هیدروژن-3 (تریتیوم) توضیح داده می شود. ⁴او فراوان ترین ایزوتوپ پایدار است: نسبت ⁴اتم های او به ^{3He حدود 700 هزار به 1 در جو و حدود 7 میلیون به 1 در برخی کانی های حاوی هلیوم است.}

خواص فیزیکی هلیوم

نقطه جوش و ذوب این عنصر کمترین است. به همین دلیل، هلیوم به عنوان گاز وجود دارد، مگر در شرایط شدید. گازی He کمتر از هر گاز دیگری در آب حل می شود و سرعت انتشار در جامدات سه برابر هوا است. ضریب شکست آن به 1 نزدیک است.

رسانایی گرمایی هلیوم بعد از هیدروژن در رتبه دوم قرار دارد و ظرفیت گرمایی ویژه آن به طور غیرعادی بالاست. در دماهای معمولی، در حین انبساط گرم می شود و زیر 40 کلوین سرد می شود. بنابراین، در T<40 K، هلیوم را می توان به تبدیل کردمایع با انبساط.

اگر عنصری در حالت یونیزه نباشد، دی الکتریک است. مانند سایر گازهای نجیب، هلیوم دارای سطوح انرژی ناپایدار است که به آن اجازه می دهد در تخلیه الکتریکی زمانی که ولتاژ زیر پتانسیل یونیزاسیون باقی می ماند یونیزه بماند.

هلیوم-4 از این نظر منحصر به فرد است که دو شکل مایع دارد. معمولی هلیوم I نامیده می شود و در دماهای مختلف از نقطه جوش 4.21 کلوین (268.9- درجه سانتی گراد) تا حدود 2.18 کلوین (271- درجه سانتی گراد) وجود دارد. کمتر از 2.18 کلوین، رسانایی گرمایی 4 او 1000 برابر مس می شود. این شکل هلیوم II نامیده می شود تا آن را از فرم معمولی متمایز کند. فوق سیال است: ویسکوزیته آنقدر کم است که نمی توان آن را اندازه گیری کرد. هلیوم II به صورت یک لایه نازک روی سطح هر چیزی که لمس می کند پخش می شود و این لایه بدون اصطکاک حتی در برابر جاذبه جریان دارد.

هلیوم-3 با فراوانی کمتر، سه فاز مایع مجزا را تشکیل می دهد که دو فاز آن فوق سیال هستند. ابرسیالیت در ⁴او توسط فیزیکدان شوروی پیوتر لئونیدوویچ کاپیتسا در اواسط دهه 1930 کشف شد، و همان پدیده در ^{3او اولین بار توسط او مورد توجه قرار گرفت. داگلاس دی اوشروف، دیوید ام. لی، و رابرت اس. ریچاردسون از ایالات متحده آمریکا در سال 1972.}

مخلوط مایع دو ایزوتوپ هلیوم-3 و -4 در دمای کمتر از 0.8 K (272.4- درجه سانتیگراد) به دو لایه تقسیم می شود - تقریباً خالص ³He و مخلوطی از⁴He با 6% هلیوم-3. انحلال ³He در ^{4He با یک اثر خنک کننده همراه است که در طراحی کرایوستات ها استفاده می شود که در آن دمای هلیوم کاهش می یابد.زیر 0.01 K (-273.14 درجه سانتیگراد) و برای چند روز در آنجا نگهداری می شود.}

اتصالات

در شرایط عادی، هلیوم از نظر شیمیایی بی اثر است. در شرایط شدید، می توانید اتصالات عنصری ایجاد کنید که در دما و فشار معمولی پایدار نیستند. به عنوان مثال، هلیوم می‌تواند ترکیباتی با ید، تنگستن، فلوئور، فسفر و گوگرد در هنگام بمباران الکترون‌ها یا در حالت پلاسما، در معرض یک تخلیه برقی برقی تشکیل دهد. بنابراین، یون‌های مولکولی HeNe، HgHe₁₀، WHe₂ و He₂ یون‌های مولکولی ایجاد شدند. +^{، نه}2++^{، HeH}+ ^{و HeD+}. این تکنیک همچنین به دست آوردن مولکول های خنثی He² و HgHe را ممکن کرد.

پلاسما

در جهان، هلیوم یونیزه عمدتاً توزیع شده است که خواص آن به طور قابل توجهی با مولکولی متفاوت است. الکترون‌ها و پروتون‌های آن محدود نیستند و حتی در حالت یونیزه شده جزئی، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد. ذرات باردار به شدت تحت تأثیر میدان های مغناطیسی و الکتریکی قرار می گیرند. برای مثال، در باد خورشیدی، یون‌های هلیوم، همراه با هیدروژن یونیزه شده، با مگنتوسفر زمین برهم‌کنش می‌کنند و باعث ایجاد شفق‌های قطبی می‌شوند.

کشف ایالات متحده

پس از حفر چاه در سال 1903، گاز غیر قابل اشتعال در دکستر، کانزاس به دست آمد. در ابتدا مشخص نبود که حاوی هلیوم باشد. اینکه کدام گاز پیدا شد توسط زمین شناس ایالتی اراسموس هاورث تعیین شدنمونه هایی از آن جمع آوری شد و در دانشگاه کانزاس با کمک شیمیدانان Cady Hamilton و David McFarland دریافتند که حاوی 72 درصد نیتروژن، 15 درصد متان، 1 درصد هیدروژن و 12 درصد شناسایی نشده است. پس از تجزیه و تحلیل بیشتر، دانشمندان دریافتند که 1.84 درصد از نمونه هلیوم است. بنابراین آنها متوجه شدند که این عنصر شیمیایی به مقدار زیادی در روده های دشت بزرگ وجود دارد، جایی که می توان آن را از گاز طبیعی استخراج کرد.

تولید صنعتی

این امر ایالات متحده را به رهبر جهانی در تولید هلیوم تبدیل کرده است. به پیشنهاد سر ریچارد ترلفال، نیروی دریایی ایالات متحده بودجه سه کارخانه آزمایشی کوچک را برای تولید این ماده در طول جنگ جهانی اول به منظور تهیه بالون های رگبار با یک گاز بالابر سبک و غیر قابل اشتعال تامین کرد. این برنامه در مجموع 5700 متر 3 92% او تولید کرد، اگرچه قبلا کمتر از 100 لیتر گاز تولید شده بود. مقداری از این حجم در اولین کشتی هوایی هلیومی جهان، C-7 نیروی دریایی ایالات متحده، که اولین سفر خود را از همپتون رودز، ویرجینیا به بولینگ فیلد، واشنگتن دی سی در 7 دسامبر 1921 انجام داد، استفاده شد.

اگرچه فرآیند مایع سازی گاز در دمای پایین در آن زمان به اندازه کافی پیشرفت نکرده بود که در طول جنگ جهانی اول قابل توجه باشد، تولید ادامه یافت. هلیوم عمدتاً به عنوان گاز بالابر در هواپیما استفاده می شد. تقاضا برای آن در طول جنگ جهانی دوم، زمانی که در جوشکاری قوس محافظ مورد استفاده قرار گرفت، افزایش یافت. این عنصر در پروژه بمب اتمی نیز مهم بود.منهتن.

سهام ملی ایالات متحده

در سال 1925، دولت ایالات متحده ذخیره‌گاه ملی هلیوم را در آماریلو، تگزاس، با هدف ارائه کشتی‌های هوایی نظامی در زمان جنگ و کشتی‌های هوایی تجاری در زمان صلح، تأسیس کرد. استفاده از گاز پس از جنگ جهانی دوم کاهش یافت، اما عرضه گاز در دهه 1950 افزایش یافت تا، از جمله، عرضه گاز به عنوان خنک کننده مورد استفاده در تولید سوخت موشک اکسی هیدروژن در طول مسابقه فضایی و جنگ سرد فراهم شود. مصرف هلیوم ایالات متحده در سال 1965 هشت برابر اوج مصرف خود در زمان جنگ بود.

به دنبال قانون هلیوم در سال 1960، اداره معادن با 5 شرکت خصوصی قراردادی برای استخراج این عنصر از گاز طبیعی منعقد کرد. برای این برنامه، یک خط لوله گاز به طول 425 کیلومتر ساخته شد که این نیروگاه ها را به یک میدان گازی دولتی در نزدیکی آماریلو، تگزاس متصل می کند. مخلوط هلیوم-نیتروژن به یک انبار زیرزمینی پمپ شد و تا زمانی که مورد نیاز بود در آنجا باقی ماند.

تا سال 1995، یک میلیارد متر مکعب از سهام جمع آوری شده بود و ذخیره ملی 1.4 میلیارد دلار بدهی داشت، که باعث شد کنگره ایالات متحده آن را در سال 1996 به تدریج حذف کند. پس از تصویب قانون خصوصی سازی هلیوم در سال 1996، وزارت منابع طبیعی شروع به انحلال تأسیسات ذخیره سازی در سال 2005 کرد.

خلوص و حجم تولید

هلیوم تولید شده قبل از سال 1945 دارای خلوص حدود 98٪، بقیه 2٪ بود.نیتروژن را به خود اختصاص داد که برای کشتی های هوایی کافی بود. در سال 1945 مقدار کمی گاز 99.9 درصد برای استفاده در جوشکاری قوس الکتریکی تولید شد. تا سال 1949، خلوص عنصر به دست آمده به 99.995% رسیده بود.

برای سالهای متمادی، ایالات متحده بیش از 90 درصد هلیوم تجاری جهان را تولید می کرد. از سال 2004، سالانه 140 میلیون متر 3 تولید کرده است که 85 درصد آن از ایالات متحده، 10 درصد از الجزایر و بقیه از روسیه و لهستان می آید. منابع اصلی هلیوم در جهان میادین گازی تگزاس، اوکلاهما و کانزاس هستند.

روند دریافت

هلیوم (با خلوص 98.2٪) از گاز طبیعی با مایع کردن سایر اجزا در دماهای پایین و فشار بالا استخراج می شود. جذب سایر گازها توسط کربن فعال خنک شده به خلوص 99.995 درصد می رسد. مقدار کمی هلیوم از مایع شدن هوا در مقیاس بزرگ تولید می شود. از 900 تن هوا می توان حدود 3.17 متر مکعب به دست آورد. متر گاز.

حوزه های کاربردی

گاز نجیب در زمینه های مختلف استفاده شده است.

هلیوم که خواص آن دستیابی به دمای بسیار پایین را ممکن می کند، به عنوان یک عامل خنک کننده در برخورد دهنده بزرگ هادرون، آهنرباهای ابررسانا در دستگاه های MRI و طیف سنج های تشدید مغناطیسی هسته ای، تجهیزات ماهواره ای و همچنین برای مایع سازی اکسیژن استفاده می شود. و هیدروژن در موشک های آپولو.
به عنوان یک گاز بی اثر برای جوشکاری آلومینیوم و سایر فلزات، در تولید فیبرهای نوری و نیمه هادی ها.
برای ایجادفشار در مخازن سوخت موتورهای موشک، به ویژه آنهایی که با هیدروژن مایع کار می کنند، زیرا تنها هلیوم گازی حالت تجمع خود را در زمانی که هیدروژن مایع باقی می ماند حفظ می کند؛
لیزرهای گازی He-Ne برای اسکن بارکد در صندوق‌های سوپرمارکت استفاده می‌شود.
میکروسکوپ یون هلیوم تصاویر بهتری نسبت به میکروسکوپ الکترونی تولید می کند.
به دلیل نفوذپذیری بالا، گاز نجیب برای بررسی نشتی، به عنوان مثال، سیستم های تهویه مطبوع خودرو، و برای باد کردن سریع کیسه های هوا در هنگام تصادف استفاده می شود.
چگالی کم به شما امکان می دهد بادکنک های تزئینی را با هلیوم پر کنید. گاز بی اثر جایگزین هیدروژن انفجاری در کشتی های هوایی و بالن ها شده است. به عنوان مثال، در هواشناسی، بالن های هلیومی برای بلند کردن وسایل اندازه گیری استفاده می شود.
در فناوری برودتی، به عنوان خنک کننده عمل می کند، زیرا دمای این عنصر شیمیایی در حالت مایع کمترین دمای ممکن است.
هلیوم، که خواص آن واکنش پذیری و حلالیت کم آن را در آب (و خون)، مخلوط با اکسیژن فراهم می کند، در ترکیبات تنفسی برای غواصی و کار کیسون کاربرد پیدا کرده است.
شهاب‌سنگ‌ها و سنگ‌ها برای تعیین سن آنها برای این عنصر تجزیه و تحلیل می‌شوند.