Helium: sifat, karakteristik, aplikasi

Helium - gas inert kelompok 18 dari tabel periodik. Ini adalah elemen paling ringan kedua setelah hidrogen. Helium - gas tanpa warna, bau dan rasa yang menjadi cair pada suhu -268,9 ° C titik didih dan titik bekunya lebih rendah dari zat lain yang dikenal. Ini adalah satu-satunya elemen yang tidak memperkuat dengan pendinginan pada tekanan atmosfer normal. Dia pindah ke keadaan padat harus 25 atmosfer, pada suhu 1 K.

Sejarah penemuan

Helium ditemukan di atmosfer gas yang mengelilingi matahari, astronom Perancis Pierre Zhansenom yang pada tahun 1868 selama gerhana telah menemukan garis kuning cerah dalam spektrum kromosfer matahari. Awalnya diasumsikan bahwa baris ini mewakili natrium elemen. Pada tahun yang sama, astronom Inggris Dzhozef Norman Lockyer mengamati garis kuning dalam spektrum matahari, yang tidak sesuai dengan garis natrium dikenal D ₁ dan D _2, dan oleh karena itu menamakannya garis D _3. Lockyer menyimpulkan bahwa hal itu disebabkan oleh suatu zat dalam diketahui Sun di Bumi. Dia dan ahli kimia Edward Frankland dalam elemen judul menggunakan nama Yunani 'Helios' Sun.

Pada tahun 1895, kimiawan Inggris Sir Uilyam Ramzay telah membuktikan keberadaan helium di Bumi. Ia menerima sampel cleveite mineral uranium-bantalan, dan setelah memeriksa gas yang terbentuk selama pemanasan, ditemukan bahwa garis kuning terang dalam spektrum bertepatan dengan garis D _3, diamati pada spektrum matahari. Dengan demikian, elemen baru akhirnya dipasang. Pada tahun 1903 Ramsay dan Frederick Soddy menemukan bahwa helium merupakan produk peluruhan spontan zat radioaktif.

Distribusi di alam

Massa helium adalah sekitar 23% dari total massa alam semesta, dan elemen adalah kedua yang paling umum dalam ruang. Hal ini terkonsentrasi di bintang, di mana hidrogen terbentuk dari fusi yang dihasilkan. Meskipun helium di atmosfer dalam konsentrasi 1 bagian untuk 200 th. (5 ppm) dan terkandung dalam jumlah kecil mineral radioaktif, kelenjar meteorit, serta sumber mineral, sejumlah besar elemen yang ditemukan di Amerika Serikat (terutama di Texas, New Mexico City, Kansas, Oklahoma, Utah, dan Arizona) sebagai komponen (7,6%) dari gas alam. Kecil dan cadangan telah ditemukan di Australia, Aljazair, Polandia, Qatar dan Rusia. Dalam konsentrasi kerak helium hanya sekitar 8 ppb.

isotop

Inti dari masing-masing atom helium berisi dua proton, tapi, seperti dengan unsur-unsur lainnya, ia memiliki isotop. Mereka berisi dari satu sampai enam neutron, sehingga nomor massa mereka mulai dari tiga sampai delapan. Stabil ini adalah elemen yang berat badannya ditentukan oleh helium nomor atom 3 ⁽³ Dia) dan 4 ⁽⁴ Dia). Semua radioaktif lainnya dan cepat membusuk menjadi zat lain. helium bumi bukan merupakan bagian asli dari planet ini, ia terbentuk sebagai hasil dari peluruhan radioaktif. partikel alpha yang dipancarkan oleh inti zat berat radioaktif isotop ⁴ Dia nukleus. Helium tidak menumpuk dalam jumlah besar di atmosfer, karena gravitasi bumi tidak cukup untuk mencegah dari semakin bocor ke ruang angkasa. Jejak ³ Dia di dunia dijelaskan peluruhan beta negatif hidrogen langka-3 elemen (tritium). ⁴ Ia adalah yang paling umum dari isotop stabil: ⁴ rasio Dia atom terhadap ³ Dia adalah sekitar 700 ribu sampai 1 atmosfer dan sekitar 7 juta oleh 1 di beberapa mineral yang kaya helium ..

Sifat fisik helium

didih dan titik leleh dari item ini adalah terendah. Untuk alasan ini, helium ada sebagai gas kecuali dalam kondisi ekstrim. Dia gas terlarut dalam air kurang dari itu dari setiap gas lainnya, dan laju difusi melalui benda padat tiga kali lebih besar dari udara. indeks bias yang paling dekat mendekati 1.

Konduktivitas termal helium adalah yang kedua setelah konduktivitas termal hidrogen, panas spesifik dan yang luar biasa tinggi. Pada suhu biasa dipanaskan selama ekspansi, dan bawah 40 K - didinginkan. Oleh karena itu, pada T <40 K helium dapat dikonversi menjadi cairan dengan memperluas.

Elemen adalah isolator, jika tidak dalam keadaan terionisasi. Seperti gas mulia lainnya, helium memiliki tingkat energi metastabil yang memungkinkan untuk terionisasi dengan mengalirkan listrik bila tegangan di bawah potensi ionisasi.

Helium-4 adalah unik karena memiliki dua bentuk cair. Biasa disebut helium I dan ada pada suhu mulai dari titik didih 4,21 K (-268,9 ° C) sampai sekitar 2,18 K (-271 ° C). konduktivitas termal rendah dari 2,18 K ⁴ Ia menjadi 1000 kali lebih besar dari tembaga. Bentuk ini disebut helium II, untuk membedakannya dari biasa. Ini telah superfluida: viskositas sangat rendah sehingga tidak dapat diukur. Helium II menyebar ke lapisan tipis pada permukaan zat yang bersangkutan, dan mengalir film ini tanpa gesekan bahkan melawan gravitasi.

Kurang berlimpah helium-3 membentuk tiga fase cair yang berbeda, dua di antaranya adalah superfluida. Superfluiditas di ⁴ Ia ditemukan oleh fisikawan Soviet Petrom Leonidovichem Kapitsey di pertengahan 1930-an, dan fenomena yang sama dalam ³ Ia pertama kali ditemukan oleh Douglas D. Osheroff, David M. Lee, dan Robert C. Richardson dari Amerika Serikat pada tahun 1972.

Campuran cair dua isotop helium-3 dan -4 pada suhu di bawah 0,8 K (-272,4 ° C) dibagi menjadi dua lapisan - sebuah murni dasarnya ³ Dia dan ⁴ Ia campuran dengan 6% dari helium-3. Pembubaran ³ Dia di ⁴ Ia disertai oleh efek pendinginan yang digunakan dalam struktur cryostat di mana suhu helium di bawah 0,01 K (-273,14 ° C) dan dipelihara selama beberapa hari.

koneksi

Dalam kondisi normal, helium kimia inert. Dalam ekstrim dapat membuat elemen senyawa yang pada suhu dan tekanan normal indikator tidak stabil. Misalnya, helium dapat membentuk senyawa dengan yodium, tungsten, fluor, fosfor dan belerang, ketika mengalami glow discharge listrik atau dengan pemboman elektron di negara plasma. Oleh karena itu diciptakan HeNe, HgHe _10, Whe ₂ dan ion molekul Dia ₂ ⁺ ₂ Tidak ^++, heh ⁺ dan HED ^+. Teknik ini juga telah menjadi molekul netral Dia ₂ dan HgHe.

plasma

Di alam semesta menguntungkan didistribusikan helium terionisasi, yang sifat berbeda secara substansial dari molekul. Elektron dan proton tidak terkait, dan memiliki konduktivitas listrik yang sangat tinggi bahkan dalam keadaan sebagian terionisasi. Pada partikel bermuatan sangat dipengaruhi oleh medan magnet dan listrik. Sebagai contoh, dalam angin surya dengan ion helium berinteraksi dengan terionisasi hidrogen magnetosfer bumi, menyebabkan aurora borealis.

Penemuan deposito di AS

Setelah pengeboran pada tahun 1903 di Dexter, Kansas, diperoleh oleh gas non-mudah terbakar. Awalnya, itu tidak diketahui bahwa itu berisi helium. gas yang ditemukan, negara diidentifikasi Erasmus Haworth ahli geologi, yang telah mengumpulkan sampel dan University of Kansas melalui ahli kimia Kedi Gamiltona dan David McFarland menemukan bahwa mengandung 72% nitrogen, 15% metana, 1% hidrogen dan 12% tidak teridentifikasi. Setelah menghabiskan analisis selanjutnya, para peneliti menemukan bahwa 1,84% dari sampel helium. Jadi kita tahu bahwa unsur kimia ini hadir dalam jumlah besar di kedalaman Great Plains, di mana ia dapat diekstraksi dari gas alam.

produksi industri

Hal ini telah membuat Amerika Serikat produksi dunia pemimpin helium. Atas saran oleh Sir Richard Threlfall, Angkatan Laut AS yang didanai tiga pabrik percontohan kecil untuk menghasilkan zat ini selama Perang Dunia Pertama untuk memastikan balon rentetan gas lifting tidak mudah terbakar ringan. Menurut program ini diproduksi di total 5700 m ³ 92 persen Dia, meskipun ini diperoleh hanya minimal 100 liter gas. Bagian dari jumlah ini digunakan dalam helium pertama di dunia airship US Navy C-7, yang membuat pelayaran perdananya dari Hampton Roads (Virginia) di Bolling Lapangan (Washington, DC) 7 Desember 1921.

Meskipun proses gas cair suhu rendah pada waktu itu tidak cukup berkembang untuk menjadi signifikan selama Perang Dunia Pertama, produksi terus. Helium umumnya digunakan sebagai gas lift di pesawat. Permintaan itu telah meningkat selama Perang Dunia Kedua ketika digunakan dengan las busur terlindung. Unsur ini juga memiliki kepentingan besar dalam penciptaan bom atom "Manhattan".

Cadangan Nasional AS

Pada tahun 1925, pemerintah Amerika Serikat menciptakan cadangan Nasional helium di Amarillo, Texas, untuk memberikan airships militer pada saat perang dan airships komersial di masa damai. Penggunaan gas jatuh setelah Dunia Kedua, namun saham meningkat pada tahun 1950 untuk menyediakan, antara lain, ini memasok sebagai pendingin yang digunakan dalam produksi oksigen-hidrogen propelan saat balapan ruang dan Perang Dingin. Penggunaan helium di Amerika Serikat pada tahun 1965, delapan kali lebih tinggi dari konsumsi puncak dalam masa perang.

Setelah penerapan hukum pada helium 1960 Biro Pertambangan Streak 5 perusahaan swasta untuk mengekstrak elemen dari gas alam. Program ini dibangun 425-km pipa untuk menghubungkan tanaman ini dengan lapangan gas pemerintah sebagian habis dekat Amarillo, Texas. Campuran helium-nitrogen dipompa ke penyimpanan bawah tanah, dan tetap di sana sampai tidak ada kebutuhan di dalamnya.

Pada tahun 1995, volume saham dirakit miliar meter kubik, sedangkan utang Nasional cadangan 1,4 miliar dolar, yang mendorong Kongres AS pada tahun 1996 untuk phase out dari itu. Setelah adopsi pada tahun 1996 undang-undang tentang privatisasi helium Kementerian Sumber Daya Alam meluncurkan toko likuidasi pada tahun 2005.

Bersih dan produksi

Helium diproduksi hingga 1945 tahun memiliki kemurnian sekitar 98%, lain-lain 2% berada di nitrogen yang cukup untuk airships. Pada tahun 1945, menghasilkan sejumlah kecil 99,9 persen gas untuk digunakan dalam las busur. Pada tahun 1949, kemurnian elemen yang dihasilkan telah mencapai 99,995%.

Selama bertahun-tahun Amerika Serikat menghasilkan lebih dari 90% dari helium komersial di dunia. Sejak tahun 2004, setiap tahun itu bekerja 140 juta m ^3, 85% dari yang terjadi di Amerika Serikat, 10% dilakukan di Aljazair, dan sisanya - di Rusia dan Polandia. Sumber utama helium di dunia adalah ladang gas alam dari Texas, Oklahoma dan Kansas.

Proses untuk memperoleh

Helium (kemurnian 98,2%) diperoleh kembali dari pencairan gas alam dengan komponen lain pada suhu rendah dan pada tekanan tinggi. Adsorpsi gas lainnya didinginkan karbon aktif dapat mencapai kemurnian 99,995%. Sejumlah kecil helium dihasilkan selama pencairan udara dalam skala besar. Dari 900 ton udara bisa mendapatkan sekitar 3.17 meter kubik. m gas.

Bidang aplikasi

gas mulia telah diterapkan di berbagai bidang.

• Helium, yang sifat memungkinkan untuk mendapatkan suhu yang sangat rendah, digunakan sebagai zat pendingin di LHC, MRI aparat superkonduktor magnet dan spektrometer resonansi magnetik nuklir, peralatan satelit, serta untuk pencairan oksigen dan hidrogen dalam rudal "Apollo".
• Sebagai gas inert untuk pengelasan aluminium dan lain-lain. Logam dalam pembuatan semikonduktor dan serat optik.
• .. Untuk menciptakan tekanan dalam tangki bahan bakar dari mesin roket, terutama yang beroperasi pada hidrogen cair, t hanya gas helium mempertahankan keadaan agregasi ketika hidrogen tetap cair);
• Dia-Ne laser gas yang digunakan untuk memindai barcode pada box office di supermarket.
• mikroskop Helium-ion memungkinkan Anda untuk mendapatkan gambar terbaik dari elektronik.
• Karena permeabilitas tinggi dari gas mulia yang digunakan untuk menguji kebocoran, misalnya di dalam mobil sistem pendingin udara, serta mengisi cepat airbag pada tabrakan.
• kepadatan rendah memungkinkan bola dekoratif diisi dengan helium. Gas inert diganti gas hidrogen meledak di airships dan balon. Misalnya, dalam meteorologi, balon helium digunakan untuk mengangkat alat ukur.
• Pendingin cryogenic digunakan, karena suhu unsur kimia dalam mungkin keadaan cair minimum.
• Helium, yang sifat menyediakannya reaktivitas rendah dan kelarutan air (dan darah), dalam campuran dengan oksigen telah menemukan aplikasi dalam formulasi pernapasan untuk scuba diving dan memegang pekerjaan caisson.
• Meteorit dan batu dianalisis atas isi dari elemen ini untuk menentukan usia mereka.

Helium: sifat-sifat unsur

Dia sifat fisik utama adalah sebagai berikut:

• nomor atom: 2.
• Relatif massa atom helium: 4,0026.
• Titik lebur: tidak ada.
• Titik didih: -268,9 ° C.
• Density (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / n.
• oksidasi negara 0.