heliu

proprietăți
1 s 2 2 El Tabelul periodic
În general
Numele , simbolul , numărul atomic	Helium, He, 2
Categoria elementului	gaze nobile
Grup , punct , bloc	18 , 1 , p
Aspect	Gaz incolor
numar CAS	7440-59-7
Numărul CE	231-168-5
ECHA InfoCard	100.028.334
Codul ATC	V03 AN03
Fracțiune de masă din învelișul pământului	0,004  ppm
Atomic
Masă atomică	4.002602 (2) și
Raza covalentă	28 pm
Raza Van der Waals	Ora 140
Configuratie electronica	1 s 2
1. Energia de ionizare	24.587 388 80 (15) eV ≈ 2 372.32 kJ / mol
2. Energia de ionizare	54.417 765 0 (3) eV ≈ 5 250.51 kJ / mol
Fizic
Starea fizică	gazos
densitate	0,1785 kg m −3
magnetism	diamagnetic ( = −1,1 10 −9 )${\ displaystyle \ chi _ {m}}$
Punct de topire	0,95 K (-272,2 ° C, la 2,5 MPa)
Punct de fierbere	4,15 K (-269 ° C)
Volumul molar	(solid) 21,00 · 10 −6 m 3 · mol −1
Căldura evaporării	0,0840 kJ / mol
Căldura de fuziune	0,02 kJ mol -1
Viteza sunetului	970 m s −1 la 273,15 K.
Capacitate termică specifică	5193 J kg −1 K −1
Conductivitate termică	0,1513 W m −1 K −1
Chimic
Stări de oxidare	0
Electronegativitate	5,50 (Allred & Rochow); 4,86 (Mulliken); 5,2 (medie); fără informații despre ( scara Pauling )
Izotopi
izotop NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 3 El 0,000137% Grajd 4 El 99,999863  % Grajd 5 El {sin.} 7,618 · 10 −22  s n 0,60 4 El 6 El {sin.} 806,7 ms β - 3.508 6 li
Pentru alți izotopi, consultați lista izotopilor
Proprietăți RMN
Spin numărul cuantic I γ în rad · T −1 · s −1 E r  ( 1 H) f L la B = 4,7 T în MHz 3 El 1/2 −20.38016 10 7 0,442 152.45
instructiuni de siguranta
Etichetarea pericolului GHS Atenţie Frazele H și P. H: 280 P: 403
În măsura în care este posibil și obișnuit, sunt utilizate unități SI . Dacă nu se specifică altfel, datele furnizate se aplică condițiilor standard .

Heliul ( greaca veche ἥλιος hélios , germană „ soare ” ) este un element chimic și are numărul atomic 2. Simbolul elementului său este He. În tabelul periodic se află în al 18-lea  grup IUPAC , fostul grup principal VIII și, prin urmare, este unul dintre gazele nobile . Este incolor, inodor, insipid și non-toxice de gaz .

Heliul rămâne gazos până la temperaturi foarte scăzute; devine lichid doar când este aproape de zero absolut. Este singura substanță care nu se solidifică nici măcar la zero absolut (0  K sau -273,15  ° C ) sub presiune normală . Pe lângă neon, heliul este singurul element pentru care, chiar și în condiții extreme, nu au putut fi detectați compuși care nu s-au degradat imediat după formare. Heliul apare doar sub formă atomică . Cel mai frecvent izotop stabil este ⁴ He; Un alt izotop stabil este ³ He, care este extrem de rar pe pământ .

Comportamentul celor două faze lichide heliu I și heliu II (adică heliu-I și heliu-II ) (în special fenomenul de superfluiditate ) al lui ⁴ El face obiectul cercetărilor actuale în domeniul mecanicii cuantice . Heliul lichid este un instrument indispensabil pentru atingerea temperaturilor extrem de scăzute. Acestea sunt necesare , printre altele, pentru a răci detectoarele cu infraroșu din telescoapele spațiale și pentru a investiga proprietăți precum supraconductivitatea materiei la temperaturi apropiate de zero absolut.

După hidrogen, heliul este al doilea cel mai abundent element din univers și reprezintă aproximativ un sfert din masa totală a materiei din univers. După o teorie recunoscută, aproximativ zece secunde s-au unit după Big Bang, protoni și neutroni prin fuziune către primii nuclei atomici . Aproximativ 25% din masa lor totală este de ⁴ He, 0,001% deuteriu și urme de ³ He. Astfel, cea mai mare parte a heliului a fost creată în timpul Big Bang-ului . Heliul, care s-a format mai târziu în interiorul stelelor prin fuziunea hidrogenului, a continuat în mare parte să fuzioneze pentru a forma elemente mai grele.

Pe pământ, ⁴ El se formează sub formă de particule alfa în timpul descompunerii alfa a diferitelor elemente radioactive, cum ar fi uraniu sau radiu . Heliul este creat atunci când particula alfa smulge doi electroni de la alți atomi. Majoritatea heliului prezent pe pământ este, prin urmare, de origine nestelară. Heliul rezultat se găsește în gazele naturale în concentrații de până la 16 procente în volum. Prin urmare, heliul poate fi obținut din gazele naturale prin distilare fracționată .

Primele dovezi ale heliului au fost descoperite în 1868 de astronomul francez Jules Janssen în timp ce investiga spectrul de lumină al cromosferei solare, unde a găsit linia spectrală galbenă necunoscută a heliului.

Heliul este utilizat în tehnologia de temperatură scăzută , în special ca agent de răcire pentru magneții supraconductori , în aparatele de respirație în adâncime , pentru determinarea vârstei rocilor, ca gaz de umplere pentru baloane, ca gaz de ridicare pentru aeronave și ca gaz de protecție pentru diverse aplicații industriale (de exemplu, în sudarea metalelor protejate cu gaz , ca gaz purtător pentru capilar și în producția de napolitane din siliciu ). După inhalarea heliului, vocea se schimbă scurt („ vocea lui Mickey Mouse ”) datorită vitezei mai mari a sunetului în comparație cu aerul .

poveste

Spectrul complet al soarelui

Liniile spectrale ale heliului. Linia spectrală galbenă este deosebit de vizibilă.

Jules Janssen , primul descoperitor de heliu

Spectrul unei descărcări de heliu gazos

Referințele la elementul heliu au fost obținute mai întâi dintr-o linie spectrală galben strălucitor la o lungime de undă de 587,49 nanometri în spectrul cromosferei soarelui. Astronomul francez Jules Janssen a făcut această observație în India în timpul eclipsei totale de soare din 18 august 1868 . Când și-a făcut descoperirea cunoscută, nimeni nu l-a crezut la început, întrucât un element nou nu fusese găsit niciodată în spațiu înainte ca acesta să poată fi dovedit pe pământ. La 20 octombrie același an, englezul Norman Lockyer a confirmat că linia galbenă era într-adevăr prezentă în spectrul solar și a concluzionat că a fost cauzată de un element necunoscut anterior. Deoarece această linie spectrală era foarte apropiată (1,8 nm de centru) de linia dublă-D Fraunhofer (D2 = 589,00 nm, D1 = 589,60 nm) a sodiului metalic, el a numit linia D3 pentru a se distinge de aceste linii D1 și D2 de sodiu. El și colegul său englez Edward Frankland au sugerat numirea noului element heliu (din grecesc helios , soare).

14 ani mai târziu, în 1882, Luigi Palmieri a reușit pentru prima dată să detecteze elementul heliu pe pământ folosind analiza spectrală a lavei Vezuviului .

Sir William Ramsay

La 23 martie 1895, chimistul britanic William Ramsay a câștigat heliu prin adăugarea de acizi minerali la uraniu mineral Cleveit , o varietate de uraninite , și izolarea gazul care a scăpat. El căuta argon, dar a reușit să observe linia galbenă D3 după ce a separat azotul și oxigenul de gazul izolat. Aceeași descoperire a fost făcută aproape simultan de fizicianul britanic William Crookes și de chimiștii suedezi Per Teodor Cleve și Nicolas Langlet din Uppsala , Suedia . Acestea au colectat cantități suficiente de gaz pentru a putea determina masa sa atomică .

În timpul unei puțuri de petrol din Dexter , Kansas , a fost găsit un puț de gaze naturale al cărui gaz natural conținea 12% din volum de gaz necunoscut. Chimiștii americani Hamilton Cady și David McFarland de la Universitatea din Kansas au aflat în 1905 că este heliu. Ei au publicat un raport că heliul poate fi obținut din gaze naturale. În același an, Ernest Rutherford și Thomas Royds au descoperit că particulele alfa sunt nuclee de heliu.

Prima lichefiere a heliului a fost efectuată în 1908 de către fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes prin răcirea gazului la o temperatură sub 1 K. El nu a putut obține heliu solid chiar și după o răcire ulterioară; acest lucru a fost realizat abia în 1926 de Willem Hendrik Keesom , student al lui Kamerlingh Onnes, prin comprimarea heliului la 25 bari la o temperatură similară. Kamerlingh Onnes a descris pentru prima dată fenomenul lichidelor superfluide cunoscut acum sub numele de Efectul Onnes .

La începutul secolului al XX-lea, cantități mari de heliu au fost găsite în câmpurile de gaze naturale de pe marile câmpii americane , făcând din Statele Unite principalul furnizor mondial de heliu. La propunerea lui Sir Richard Threlfall , marina SUA a sponsorizat trei mici companii experimentale de producere a heliului în timpul primului război mondial pentru a obține heliu ca gaz de umplere pentru baloanele de barieră . Un total de 5.700 de metri cubi de gaz cu un conținut de heliu de 92% au fost extrase din aceste operațiuni. Acest heliu a fost folosit în 1921 în primul dirigibil plin de heliu, C-7 al US Navy.

Guvernul SUA a construit rezerva națională de heliu în Amarillo , Texas , în 1925 pentru a asigura aprovizionarea dirijabilelor militare în timp de război și a dirijabilelor în timp de pace. Tabăra este situată într-o formațiune stâncoasă naturală, la 20 km nord-vest de Amarillo. Deși cererea a scăzut după cel de-al doilea război mondial , instalația de producție Amarillo a fost extinsă pentru a permite heliului lichid să fie utilizat ca agent de răcire pentru combustibilul rachete oxigen-hidrogen și alte articole care să fie răcite. Consumul de heliu din SUA a crescut de opt ori în vârf de război în 1965.

După ce amendamentele la Helium Acts din 1960 (Legea publică 86-777) au fost adoptate în SUA , au fost construite alte cinci fabrici private de producere a heliului. Departamentul american de mine a construit o conductă de 685 de kilometri de la Bushton, în Kansas, la Amarillo, în Texas; În 1995, acest magazin conținea aproximativ un miliard de metri cubi de heliu și, în 2004, de aproximativ zece ori mai mult decât necesarul anual anual de heliu. Depozitul va fi gol și închis până în 2015 ( Legea privind privatizarea heliului ).

Puritatea heliului obținut a crescut rapid după cel de-al doilea război mondial. În 1945, un amestec de 98% heliu și 2% azot era încă folosit pentru dirijabile, în 1949 heliu cu o puritate de 99,995% era deja disponibil comercial. Pentru a atinge acest grad de puritate , este necesar cărbunele activ pentru a elimina impuritățile rămase - majoritatea constând din neon  - prin adsorbție prin presiune .

Apariție

spaţiu

Heliul reprezintă aproximativ 19% din straturile de gaz exterioare ale Neptunului. Componenta principală a lui Neptun este hidrogenul; culoarea albastru-verzui este cauzată de metan .

Conform teoriei big bang-ului , cea mai mare parte a heliului prezent în spațiu a fost creată în primele trei minute după big bang. După hidrogen, heliul este al doilea element cel mai frecvent. 23% din masa materiei vizibile este formată din heliu, deși atomii de hidrogen sunt de opt ori mai abundenți. În plus, heliul este produs prin fuziunea nucleară în stele . Această așa-numită ardere a hidrogenului furnizează energia care face ca stelele din secvența principală , adică majoritatea tuturor stelelor, să strălucească. Acest proces oferă stelelor energie pentru cea mai mare parte a vieții lor. Când majoritatea hidrogenului din miez este consumat la sfârșitul vieții unei stele, miezul se contractă și îi crește temperatura. Ca urmare, heliul poate fi acum ars în carbon ( fulger de heliu , ardere de heliu ). Arderea hidrogenului continuă să aibă loc într-o coajă în jurul acestui miez. Carbonul poate fi, de asemenea, ars în continuare pentru a forma alte elemente. Acest proces continuă de obicei până la fier în absența unei explozii de supernova . O explozie de supernovă sintetizează și elemente mai grele decât fierul, care sunt apoi dispersate în spațiu. În decursul timpului, materia interstelară se îmbogățește cu heliu și elemente mai grele, astfel încât populațiile de stele ulterioare au, de asemenea, o proporție mai mare de heliu și elemente mai grele.

Pe suprafețele stelelor și în nebuloase , heliul este preferențial neutru sau pur și simplu ionizat. Spre deosebire de fizică și chimie, notația cu un supercript „+” (He ⁺ ) nu este utilizată în astronomie , deoarece alte elemente pot fi atât de puternic ionizate încât această notație devine impracticabilă (de exemplu, fierul ionizat de șaisprezece ori în coroana solară ). În astronomie, nivelurile de ionizare sunt desemnate cu cifre romane, heliul neutru fiind denumit He I, ionizat individual ca He II și complet (= de două ori) ionizat ca Helium III (Helium III).

Heliul este, de asemenea, prezent în diferite proporții în atmosferele planetare. Următorul este un exemplu al proporției substanței în apropierea solului sau, în cazul planetelor gazoase, al proporției exterioare a cantității de substanță:

Meteoriți, asteroizi și lună

Heliul poate fi generat și în meteoriți și roci lunare superficiale prin interacțiune ( spalație ) cu razele cosmice . ³ El, în special, poate fi, prin urmare, utilizat pentru a determina așa-numita vârstă de iradiere , care corespunde de obicei perioadei de la care meteoritul a lovit corpul mamei până când a ajuns pe pământ. În plus, ⁴ He se formează în meteoriți prin decăderea elementelor radioactive grele. Există, de asemenea, alte componente de heliu în meteoriți, care provin din momentul în care s-a format sistemul solar.

Partea principală a heliului legată, de asemenea, în regulitul lunii, provine de la vântul solar atunci când lovește suprafața nestingherită de o atmosferă sau un câmp magnetic. Aproximativ 4% din vântul solar este ion de heliu, dintre care aproximativ 0,48 ‰ sunt heliu-3. Ionii de heliu ai vântului solar au o energie de aproximativ 3 keV, pătrund în materia solidă și rămân acolo (→ implantarea ionilor ). Datorită adâncimii scăzute de penetrare a ionilor (sub-micrometru), heliul se găsește în special în porțiunea fină a regulitului de la suprafață și datorită amestecului până la o adâncime de câțiva metri. Este păstrat în special în minerale conductoare ( ilmenit ) care sunt bogate în oxid de titan . Apare aici în concentrații de până la 70 ppm de masă. Aproximativ 100 ppm din heliu legat în roca lunară este izotopul heliu-3 , care este extrem de rar pe pământ și se discută despre utilizarea sa în reactoarele de fuziune.

Pământ

Pământul produce heliu prin procese radioactive în interiorul pământului.

⁴ El este produs în corpul pământului în timpul dezintegrării radioactive ( decăderii alfa ) a elementelor grele, cum ar fi uraniul sau toriul , nucleii de heliu fiind emiși ca particule alfa și apoi prinzi electroni. Poate fi găsit în diferite minerale care conțin uraniu și toriu, cum ar fi pitchblenda .

O proporție de ³ He din mantaua pământului, care este cu mult peste valoarea atmosferică, așa-numitul helium de manta, provine din momentul în care s-a format pământul ; raportul ⁴ He / ³ He din mantaua superioară, care este în mare parte degazată și al cărui stoc de heliu este, prin urmare, completat în mod esențial cu ⁴ He de la descompuneri alfa, este de aproximativ 86.000. Dacă sistemul de convecție al mantei inferioare a pământului este în mare parte separat de cel al mantei superioare și schimbul de masă dintre cele două este corespunzător scăzut, raportul în mantaua inferioară, greu degazată, este între 2500 și 26.000, adică proporția de ³ He este mai mare. Acest lucru prezintă un interes geodinamic deosebit în ceea ce privește cauzele vulcanismului hotspot : în timp ce ⁴ He / ³ He = 86.000 este tipic pentru bazaltele din creastele din mijlocul oceanului, care se formează prin topirea proceselor de material din mantaua superioară, bazaltele din unele puncte fierbinți , pentru Ia insule vulcanice oceanice precum Hawaii și Islanda, de aproximativ trei până la patru ori ³ El mai bogat. Acest lucru se explică în mod obișnuit prin faptul că acest vulcanism este cauzat de pene de manta , a căror origine se află la limita miez-manta și care, prin urmare, constă cel puțin parțial din material din mantaua inferioară.

Heliul apare - prin același mecanism de acumulare - în gazele naturale (până la 16% în volum) și în cantități mici în țiței (0,4%). Rezervele europene de gaze naturale conțin doar proporții de 0,12 (Marea Nordului) la 0,4 la sută în volum (Polonia), în timp ce sunt posibile rezervele de gaze naturale siberiene, nord-americane (Canada, Texas, Kansas și Oklahoma) și algeriene de până la 16 la sută în volum .

În straturile inferioare ale atmosferei terestre , în special în troposferă amestecate de vreme , conținutul de heliu este de aproximativ 5,2 ppm. La altitudini foarte mari, gazele tind să se separe în funcție de densitățile lor diferite, de asemenea împotriva efectului de amestecare al mișcării de căldură moleculară nedirecționată. Peste 100 km altitudine ( homosfera ) atmosfera este din ce în ce mai segregată, deci la altitudini> 400 km, heliul (în termeni de număr de particule) devine gazul predominant. În acest proces, atomii de heliu scapă în spațiu la aceste înălțimi - în cazul staționar atât cât este alimentat de pe suprafața pământului prin difuzie, extracție și vulcanism.

Extracţie

Gazul natural cu un conținut de heliu de 0,2% sau mai mult este cel mai mare și cel mai important furnizor de heliu din punct de vedere economic. Deoarece heliul are o temperatură de fierbere foarte scăzută, este posibil prin răcirea gazului natural să se separe heliul de celelalte substanțe conținute în gazul natural, cum ar fi hidrocarburile și compușii de azot .

Timp de mulți ani, SUA au recuperat peste 90% din heliul din lume utilizabil comercial. În 1995, în SUA au fost produse în total un miliard de metri cubi de heliu. Restul a fost furnizat de instalațiile de producție din Canada , Polonia , Rusia (cu cantități mari în zonele inaccesibile din Siberia ) și alte țări. După trecerea mileniului, s-au adăugat Algeria și Qatarul . Algeria a devenit rapid al doilea cel mai important furnizor de heliu. În 2002, Algeria a produs 16% din heliu distribuit în lume. Heliul este obținut acolo în timpul lichefierii gazelor naturale.

În 2004, Amarillo din Texas avea de aproximativ zece ori cererea anuală globală de heliu. Cu toate acestea, această fostă rezervă strategică a guvernului SUA trebuie vândută sectorului privat datorită Legii privind privatizarea heliului a administrației Clinton din 1996 până în 2015.

Acest lucru a provocat inițial un exces de heliu cu prețuri foarte mici, ceea ce a dus la o utilizare irositoare și, pentru o lungă perioadă de timp, nu a dus la nicio măsură de promovare a economiei. Cu toate acestea, deoarece consumul este în continuă creștere, heliul amenință să devină rar, iar facilitățile pentru recuperarea heliului au fost din ce în ce mai puse în funcțiune de către marii consumatori. Experții avertizează chiar și despre lipsa de heliu, deoarece heliul poate fi obținut numai din unele gaze naturale. În 2016, însă, a fost descoperit un depozit uriaș de heliu în Tanzania, astfel încât criza heliului este considerată deocamdată evitată. Întrucât condițiile geologice în care se formează heliul ar putea fi de asemenea determinate, în viitor se speră descoperiri suplimentare. În septembrie 2019, a fost evidențiată din nou o iminentă criză globală cu heliu.

Izotop ³ El este conținut numai în aproximativ 1,4  ppm în heliu natural de pe pământ și este , prin urmare , de multe ori mai scumpe decât amestecul izotop natural.

generaţie

În principiu, heliul poate fi obținut și în reacțiile nucleare . Heliul ⁴ He este produs prin bombardarea cu neutroni a litiului ⁶ Li într-un reactor nuclear ; tritiul ³ H (hidrogen suprasolicitat) se formează ca subprodus :

${\ displaystyle \ mathrm {{} ^ {6} Li + n \ \ rightarrow \ {} ^ {3} H + {} ^ {4} He}}$

Tritiul se descompune la ³ He prin descompunere beta cu un timp de înjumătățire de 12,33 ani.

Cantități foarte mici de heliu ³ He sunt, de asemenea, incubate în reactoare cu apă moderată atunci când atomii de hidrogen din apă captează neutroni. Hidrogenul greu ( deuteriu ) se formează din hidrogen normal și tritiul se formează din acesta prin captarea ulterioară a neutronilor , care la rândul său devine heliu ³ He prin decăderea beta . Cu hidrogenul normal, rata de captare este mai mare decât în ​​etapa următoare de captare a neutronilor de către hidrogenul greu (prin urmare, centralele nucleare care utilizează apă grea ca moderator pot fi, de asemenea, operate cu uraniu natural):

${\ displaystyle \ mathrm {{} _ {1} ^ {1} H \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {1} ^ {2} H \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma )}} \ _ {1} ^ {3} H \ {\ xrightarrow [{12 {,} 33 \ a}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {2} ^ {3} He}}$

Timpii acordați sunt perioade de înjumătățire .

proprietăți

Proprietăți fizice

Diagrama fazelor de ⁴ He:
hcp: ambalare hexagonală strânsă a sferelor
bcc: sistem de cristal cubic centrat pe corp

După hidrogen, heliul este elementul chimic cu a doua densitate cea mai mică și are cele mai scăzute puncte de topire și fierbere dintre toate elementele. Prin urmare, există doar sub formă de lichid sau solid la temperaturi foarte scăzute. La temperaturi sub 2,17 K, ⁴ He se află într-o fază superfluidă . La presiune normală, heliul nu se solidifică nici măcar la o temperatură apropiată de 0 K. Doar la o presiune peste 2,5 MPa (de aproximativ 25 de ori presiunea atmosferică), heliul se schimbă într-o fază solidă la temperaturi suficient de scăzute.

În stare gazoasă

Heliul este un gaz incolor, inodor, insipid și netoxic. În condiții standard , heliul se comportă aproape ca un gaz ideal . Heliul este atomic în practic toate condițiile. Un metru cub de heliu are o masă de 179 g în condiții standard, în timp ce aerul este de aproximativ șapte ori mai greu. După hidrogen, heliul are cea mai mare conductivitate termică dintre toate gazele și capacitatea sa termică specifică este extraordinar de mare. Heliul este un bun izolator electric . Solubilitatea de heliu în apă este de 1,5 mg / l (9,3 ml / l) la 20 ° C și 101,325 kPa mai mică decât oricare alt gaz. Viteza sa de difuzie prin solide este de trei ori mai mare decât cea a aerului și aproximativ 65% din hidrogen. În condiții standard, heliul are un coeficient negativ Joule-Thomson , ceea ce înseamnă că acest gaz se încălzește atunci când se extinde. Se răcește doar atunci când se extinde sub temperatura de inversiune Joule-Thomson (aprox. 40 K la presiunea atmosferică). Prin urmare, heliul trebuie să fie pre-răcit sub această temperatură înainte de a putea fi lichefiat prin răcirea prin expansiune. Datele sale critice sunt o presiune de 2,27 bari, o temperatură de -267,95 ° C (5,2 K) și o densitate de 0,0696 g / cm ³ .

Tuburi de descărcare cu heliu gaz de diferite modele

În stare lichidă

Heliu I.

La presiune normală, heliul formează un lichid incolor între punctul lambda la 2.1768 K și punctul de fierbere la 4.15 K.

Heliu II

Lichidul ⁴ El dezvoltă proprietăți foarte neobișnuite sub punctul său lambda. Heliul cu aceste proprietăți se numește Heliu II .

Heliul II este o substanță superfluidă . De exemplu, curge prin cele mai mici deschideri în ordinea mărimii de la 10 ⁻⁷  la 10 ⁻⁸  m și nu are vâscozitate măsurabilă . Cu toate acestea, măsurătorile între două discuri mobile au arătat o vâscozitate similară cu cea a heliului gazos. Acest fenomen este explicat cu modelul cu două fluide (sau modelul cu două fluide) conform lui László Tisza . Conform acestei teorii, Heliu II este ca un amestec de ⁴ particule de He în fluidul normal, precum și în stare superfluidă, în consecință, Heliu II se comportă ca și cum ar exista o proporție de atomi de heliu cu și unul fără o vâscozitate măsurabilă. Pe baza acestei teorii, multe fenomene din fizica temperaturilor scăzute, cum ar fi „efectul termomecanic”, pot fi explicate relativ simplu și clar. Cu toate acestea, trebuie să subliniem în mod clar că cele două lichide nu sunt nici separabile teoretic, nici practic. În Helium II, rotonii postulați de Lew Landau ar putea fi detectați ca excitații colective.

Efectul onnes al heliului II

Heliul II arată efectul Onnes : Dacă o suprafață iese din heliu, heliul de pe această suprafață se mișcă și împotriva gravitației. În acest fel, Helium II scapă dintr-un recipient care nu este sigilat. Când ajunge într-o zonă mai caldă, se evaporă. Datorită acestui comportament de fluaj și a capacității Helium II de a scurge chiar și prin cele mai mici deschideri, este foarte dificil să păstrezi heliu lichid într-un spațiu restrâns. Este necesar un recipient foarte atent proiectat pentru a depozita Helium II fără ca acesta să scape sau să se evapore.

Conductivitatea termică a heliului II nu poate fi comparată cu conducerea termică clasică, mai degrabă prezintă paralele cu transportul de căldură prin convecție. Acest lucru permite un transport mai rapid și mai eficient al căldurii pe distanțe mari, ceea ce nu este posibil cu conducerea tradițională a căldurii, chiar și cu conductori de căldură foarte buni. Acest tip de conducere este denumit și al doilea sunet , deoarece poate fi descris în același mod ca și sunetul printr-o ecuație de undă longitudinală : Heliul II la 1,8 K conduce căldura ca impuls la o viteză de 20 m / s.

În 1971, David M. Lee , Douglas D. Osheroff și Robert C. Richardson au reușit să transforme izotopul de heliu ³ He într-o stare superfluidă prin răcirea izotopului sub temperatura de 2,6 mili-Kelvin. Se presupune că doi atomi de ³ He formează o pereche, similar cu o pereche Cooper . Această pereche are un moment magnetic și un moment unghiular . Cei trei oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru fizică din 1996 pentru această descoperire .

În stare solidă

Heliul este singura substanță care nu poate fi solidificată sub presiune normală. Acest lucru funcționează numai sub presiune crescută (aproximativ 2,5 MPa / 0 K pentru heliu-4, 2,93 MPa / 0,315 K pentru heliu-3) și la temperaturi foarte scăzute (mai puțin de 1,5 K). Solidul aproape complet transparent format în timpul tranziției de fază este foarte compresibil. În laborator, volumul său poate fi redus cu până la 30%; Heliul este de peste 50 de ori mai compresibil decât apa. În stare solidă, formează structuri cristaline. Heliul solid și lichid se disting cu greu optic, deoarece indicii lor de refracție sunt aproape aceiași.

Într-un alt caz, dacă temperatura scade sub aproximativ 200 mK și centrifugarea se efectuează în același timp, se poate obține o stare care se numește suprasolid sau suprafest. Aici o parte a solidului își oprește propria rotație și pătrunde în restul materiei. Nu există încă teze sau teorii cunoscute despre acest efect parțial controversat.

Proprietăți atomice

Cei doi electroni ai atomului de heliu formează învelișul de electroni închis, sferic simetric al orbitalului atomic 1s . Această configurație electronică este extrem de stabilă din punct de vedere energetic; nu există niciun alt element cu o energie de ionizare mai mare și o afinitate mai mică de electroni . În ciuda numărului său mai mare de electroni, heliul este mai mic decât hidrogenul și, prin urmare, cel mai mic atom dintre toți.

În funcție de orientarea de centrifugare a celor doi electroni ai atomului de heliu, se vorbește de paraheliu în cazul a două rotiri opuse (S = 0) și de ortoheliu în cazul a două rotiri paralele (S = 1). În cazul ortoheliului, unul dintre electroni nu se află în orbitalul 1s, deoarece acest lucru ar încălca interdicția Pauli .

Denumirea acestor stări se întoarce la o eroare anterioară: Deoarece tranziția electromagnetică dintre starea de bază a ortoheliului și starea de bază a paraheliului (adică starea de bază a heliului) este interzisă , cele două „variante” ale heliului apar spectroscopic ca doi atomi diferiți. Acest lucru i-a determinat pe Carl Runge și Louis Paschen să postuleze că heliul constă din două gaze separate, ortoheliu („heliu real”) și paraheliu (pentru care au sugerat numele de asteriu).

Pe lângă configurația electronică a ortoheliului, electronii își pot asuma alte stări excitate, de exemplu atunci când sunt bombardați cu electroni. Aceste stări excitate de lungă durată sunt cunoscute ca niveluri de energie metastabile .

Proprietăți chimice

Heliul este un gaz nobil . Singura coajă de electroni este complet ocupată de doi electroni. Datorită apropierii lor de nucleul atomic, ambii electroni sunt foarte puternic legați de acesta. Nu în ultimul rând din această cauză, heliul în sine este extrem de inert în comparație cu alte gaze nobile. Acest lucru poate fi văzut și în energiile de ionizare ridicate ale atomului de heliu.

Dimer de heliu

După cum se poate vedea din diagrama orbitală moleculară, atomii de heliu nu formează o legătură chimică între ei . În cazul heliului, orbitalul 1s este ocupat de o pereche de electroni. Când doi dintre acești orbitali atomici complet ocupați (a) și (b) sunt combinați, atât legarea, cât și orbitalul molecular anti-legătură sunt ocupate fiecare cu o pereche de electroni. În cazul orbitalilor de legare (ipotetic) în curs de dezvoltare, starea energetică mai favorabilă, așa-numita legare, este compensată de anticorpul care este, de asemenea, ocupat, dar energetic mai puțin favorabil. Sistemul general nu este energetic mai scăzut și nu există nicio legătură .

Ocuparea orbitalilor unei molecule ipotetice de He 2 .

Datorită interacțiunii Van der Waals , care este eficientă pentru toți atomii și moleculele, există și un dimer pentru heliu , deși cu o energie de legare extrem de mică de aproximativ 1,1 mK (= 9,5 · 10 ⁻²⁶  J) și una corespunzătoare de mare Distanța de legătură de aproximativ 52 Å.

Legături ionice

În condiții extreme, este posibil să se creeze un compus cvasi-chimic de heliu cu un proton (HeH ⁺ ). Acest compus este foarte instabil în condiții normale și nu poate fi izolat sub formă de sare precum HeH ⁺ X ^- .

${\ displaystyle \ mathrm {He + H ^ {+} \ longrightarrow HeH ^ {+}}}$

Un ion de hidrură de heliu se formează într-un amestec de heliu și hidrogen în timpul descărcării electrice

O reacție corespunzătoare poate avea loc între doi atomi de heliu dacă este furnizată energia necesară pentru ionizare.

${\ displaystyle \ mathrm {He + He \ longrightarrow HeHe ^ {+} + e ^ {-}}}$

Cu toate acestea, acești compuși nu pot fi descriși ca fiind compuși chimici reali, ci mai degrabă ca aglomerări ionice care apar în condiții excepționale, există doar pentru un timp foarte scurt și se dezintegrează din nou foarte repede.

Izotopi

Dintre cei opt izotopi cunoscuți ai heliului, doar ³ He și ⁴ He sunt stabili. În atmosfera pământului există doar un atom de ³ He per milion de ⁴ atomi He . Cu toate acestea, proporția celor doi izotopi variază în funcție de locul de origine al probei de heliu examinate. ³ Atomii sunt de o sută de ori mai frecvenți în mediul interstelar . În roci din scoarța și mantaua pământului, proporția este, de asemenea, cu mult peste valoarea atmosferică și variază cu un factor de 10 în funcție de origine. Aceste variații sunt utilizate în geologie pentru a clarifica originea stâncii (vezi și secțiunea Pământ ).

Datorită proprietăților lor diferite de simetrie ( ³ atomi de He sunt fermioni , ⁴ atomi de He sunt bosoni ), ³ He și ⁴ He au unele proprietăți fizice diferite, care sunt deosebit de evidente la temperaturi scăzute. Proporții egale de lichid ³ He și ⁴ He sub 0,8 Kelvin se separă în două lichide nemiscibile, similare cu uleiul și apa, datorită proprietăților lor cuantice diferite. O fază de ³ He pur plutește pe o fază care constă în principal din ⁴ He. Mai mult decât atât, cei doi izotopi diferă în mod clar în fazele lor superfluide (vezi secțiunea Helium II ).

Fuziune nucleară

În anunțurile de noi misiuni spațiale din SUA, Rusia și China, precum și din Europa, India și Japonia către lună , depozitele proporționale mai mari de ³ He acolo au fost menționate de mai multe ori ca o sursă utilă pentru a permite reactoarelor de fuziune nucleară pe baza a acestui izotop pe pământ. Spre deosebire de reacția de fuziune deuteriu - tritiu , reacția deuteriu- ³ He nu produce neutroni liberi, ci protoni cu un câștig de energie similar ridicat . Acest lucru ar reduce dramatic problemele de radioactivitate ale generării de energie prin fuziune. Pe de altă parte, provocarea acestei reacții este o provocare tehnică încă nerezolvată din cauza temperaturii de plasmă mult mai ridicate necesare.

Diproton hipotetic

Un izotop special, fictiv al heliului este ² He, al cărui nucleu, diprotonul , ar consta doar din doi protoni dacă ar exista. Cu toate acestea, nu există o stare legată pentru un sistem format din doi protoni, deoarece datorită principiului Pauli  - spre deosebire de proton și neutron în deuteron  - pot fi doar într-o stare singletă cu rotiri antiparalele. Datorită dependenței puternice de spin a interacțiunii nucleon-nucleon, aceasta este crescută energetic și, prin urmare, nu este legată.

Utilizare și forme de comerț

Reprezentarea schematică a unui laser cu heliu-neon

Heliul oferit în comerțul cu ridicata provine de la plante mari din cinci țări ( SUA , Rusia , Polonia , Qatar și Algeria ); heliul este extras din gaze naturale.

În divizia de gaze tehnice , heliul este furnizat sub formă de gaz comprimat în sticle sub presiune cu o presiune de 200 bari și grade de puritate de la heliu 4,6 (99,996% conținut de heliu) la heliu de înaltă puritate 7,0 (99,99999% conținut de heliu). Cilindrii din oțel cu un volum tipic de 10-50 litri conțin doar 1,8 până la 9,1 metri cubi standard de heliu la 200 de bari, deoarece se comportă clar, nu în mod ideal la 200 de bari . Cantități mai mari sunt livrate în paleți de câte douăsprezece sticle sau pachete de sticle de câte douăsprezece sticle de 50 litri fiecare. Chiar și cantități mai mari vin în lichid criogenic în semiremorci criogenice sau remorci tubulare cu de obicei zece tuburi lungi de 12 m umplute cu aproximativ 200 de bare de heliu, în total 5000 de metri cubi standard.

Heliul este, de asemenea, transportat sub formă lichefiată criogenică, de exemplu, dintr-o instalație de producție din Africa într-un port din vest, lângă Marsilia . Heliul pentru consumatorii finali este oferit în comerț cu o puritate scăzută de aproximativ 98% până la peste 99% în principal sub formă de butelii de gaz într-un singur sens, așa-numitele "gaz cu balon", astfel încât cantități mai mici de baloane să poată fi umflate și a urcat ușor și în siguranță la evenimente și sărbători. Gazul cu balon poate fi, în principiu, utilizat și ca gaz de ridicare pentru baloanele mai mari, cum ar fi baloanele meteorologice , dar este mai scump în această aplicație în comparație cu hidrogenul .

Heliul este utilizat în mai multe moduri:

• Un amestec de heliu- oxigen (80:20) este utilizat ca gaz de respirație în medicina de terapie intensivă. Amestecul curge prin constricții cu o rezistență mai mică și, prin urmare, este mai ușor de respirat.
• În scufundările profesionale , diferite amestecuri de heliu, cum ar fi trimix (constând din oxigen, azot și heliu), hidroliox (hidrogen, heliu și oxigen) și heliox (heliu și oxigen) sunt utilizate ca gaz de respirație . Capacitatea termică ridicată a heliului are un efect dezavantajos aici, care (într-un mediu rece) duce la răcirea plămânilor și, astfel, a scafandrului.
• În industria alimentară , este utilizat ca propulsor sau gaz de ambalare și este aprobat ca aditiv alimentar E 939 .
• Heliul este un gaz purtător preferat pentru baloane și dirijabile, deoarece are o densitate foarte mică în comparație cu aerul, nu arde și, prin urmare, poate fi amestecat în siguranță cu aerul. Prin urmare, heliul a deplasat în mare măsură hidrogenul combustibil , care formează amestecuri inflamabile exploziv cu aerul, chiar dacă densitatea heliului este mai mare și, prin urmare, capacitatea sa de transport este ceva mai mică decât cea a hidrogenului. Cu toate acestea, datorită ratei de difuzie ridicate, cerințele de impermeabilitate ale anvelopei sunt mai mari decât pentru toate celelalte gaze.
• În tehnologia de sudare , heliul este utilizat în forma sa pură sau ca amestec ca gaz inert pentru a proteja punctul de sudare de oxigen . În plus, heliul poate fi folosit pentru a crește adâncimea de ardere și viteza de sudare și pentru a reduce formarea stropilor, în special în sudarea robotului și la prelucrarea oțelurilor din aluminiu și inox.
• Din punct de vedere tehnic, heliul lichefiat (izotopii ⁴ He și ³ He) este folosit ca agent de răcire pentru a atinge temperaturi foarte scăzute (a se vedea: criostat ). Cu ⁴ He, temperaturile de până la aproximativ 1 K pot fi obținute prin răcire prin evaporare, cu izotopul ³ He până la aproximativ 240 mK. Prin metoda răcirii amestecului ³ He- ⁴ He se poate obține mK la aproximativ 5, metoda menționată mult mai puțin costisitoare decât un ³ pur este răcirea He. Atunci când se utilizează magneți supraconductori , heliul este utilizat ca agent de răcire pentru a menține supraconductorul sub temperatura sa critică . Aplicațiile practice aici sunt în special imagistica prin rezonanță magnetică (MRT) pentru aplicații medicale, precum și spectroscopia prin rezonanță magnetică (RMN) și funcționarea acceleratorilor de particule în cercetare. În călătoriile spațiale, heliul lichid răcește telescoapele cu infraroșu și camerele cu infraroșu extrem de sensibile din telescoapele spațiale, care pot funcționa doar aproape de zero absolut fără căldură intrinsecă excesivă. Exemple sunt: IRAS , ISO , telescopul spațial Spitzer și Herschel . Un alt domeniu de aplicare este producția de fibre optice de sticlă în turnurile de picătură răcite cu heliu.
• Gazul de heliu comprimat poate fi utilizat ca agent de răcire, mai ales în cazul în care este necesar un agent de răcire care este chimic și fizic deosebit de inert. În ceea ce privește fizica nucleară, însă, numai componenta principală ⁴ El este inertă , în timp ce ³ He este ușor transformat în tritiu radioactiv de către neutroni termici . Un exemplu este reactorul de temperatură înaltă de toriu (scurt: THTR), unde heliul a fost utilizat la temperaturi foarte ridicate. Trebuie remarcat faptul că heliul are o capacitate de căldură molară specifică, dar mică . Acest lucru este deosebit de problematic în cazul aparatelor închise, deoarece în cazul unei creșteri a temperaturii (de exemplu în cazul unei întreruperi de curent) există o creștere rapidă a presiunii. Atunci când este utilizată ca agent de răcire, vâscozitatea heliului, care crește odată cu creșterea temperaturii (ca la toate gazele), sa dovedit a fi dezavantajoasă, deoarece acest lucru poate agrava răcirea zonelor fierbinți.
• Căutare pentru scurgeri în fitingurilor de gaz sub presiune , se face mai ușor prin umplerea cu heliu. Un pulverizator de detectare a scurgerilor este aplicat în exteriorul armăturii de presiune . Heliul pătrunde scurgerile în mod deosebit de ușor și creează bule de spumă mai distincte decât gazul de funcționare.
• În sistemele de vid, heliul este utilizat ca gaz de detectare a scurgerilor cel mai favorabil difuziunii prin evacuarea aparatului de vid cu o pompă și agățarea unui spectrometru de masă în spatele pompei. Dacă aparatul este suflat cu heliu - în exterior, numai local pentru a găsi scurgeri - spectrometrul de masă poate fi utilizat pentru a detecta o posibilă intrare de heliu în aparat și rata de scurgere poate fi măsurată. Această metodă rapidă și sensibilă de detectare a scurgerilor este utilizată și în uzinele chimice și la fabricarea schimbătoarelor de căldură pentru sistemele de aer condiționat sau a rezervoarelor de benzină pentru mașini.
• Heliul este utilizat sub formă de gaz în tehnologia rachetelor pentru a înlocui combustibilul utilizat în rachetele cu combustibil lichid pompat, astfel încât rezervoarele cu pereți subțiri ale rachetelor să nu implodeze atunci când combustibilul este aspirat din rezervoare de pompele de combustibil ale motoarelor. În cazul rachetelor cu combustibil lichid susținute de gaz comprimat, heliul împinge combustibilul în motoare. Heliul este utilizat aici datorită greutății sale scăzute și temperaturii scăzute de fierbere. Deoarece nu poate reacționa cu combustibilul ca gaz nobil, nici combustibilii agresivi hipergolici nu reprezintă o problemă.
• Heliul este utilizat ca gaz auxiliar în diferite tipuri de lasere, de exemplu laserul cu heliu-neon , laserul cu heliu-cadmiu și unele tipuri de lasere cu dioxid de carbon . Acesta servește ca partener de coliziune pentru a excita sau de-excita nivelurile de laser ale mediului laser activ.
• Heliul pur este utilizat ca gaz purtător în cromatografia gazelor (analiză).
• În tuburile de descărcare a gazului , heliul strălucește galben / alb.
• Datorită proprietăților sale termodinamice, heliul este un mediu de lucru foarte bun pentru motoarele Stirling .
• Hiperpolarizat ³ El este utilizat experimental în diagnosticare ca mediu de contrast pentru imagistica prin rezonanță magnetică a plămânilor.
• În loc de aer comprimat pentru a acționa chei de impact la schimbarea roților în cursele auto de Formula 1 . Acest lucru le-a permis să fie acționate cu 30% mai repede la o anumită presiune. Pentru a evita costurile, interzise de reglementări din 2012.
• În cazul unităților de hard disk , umplerea cu heliu în loc de aer reduce efectele de flux și vibrațiile în timpul funcționării și astfel permite distanțe mai mici între discurile magnetice individuale. Cu aceeași dimensiune, mai multe discuri magnetice pot fi găzduite și capacitatea de stocare a hard diskului poate fi mărită.

a condus

Heliul este un gaz inert și este netoxic. Atunci când se manipulează cantități mai mari de heliu gazos, trebuie luate măsuri de siguranță dacă cantitatea de gaz și situația spațială înseamnă că există riscul ca aerul care respiră să fie deplasat. Numărul de accidente cauzate de asfixiere este mai mic cu heliul spre deosebire de alte gaze (de exemplu azot ) care sunt adesea folosite ca gaz inert , deoarece heliul gazos crește imediat datorită densității sale reduse și, prin urmare, apare rar în încăperile slab ventilate din partea inferioară are o deplasare completă a oxigenului din aerul înconjurător și astfel riscul de sufocare . Zonele potențial periculoase pot fi acumularea de heliu gazos în structuri de construcții care sunt impermeabile până la vârf, de exemplu grinzi de acoperiș, sub care se poate forma o „bulă de heliu”.

Atunci când manipulați heliu lichid ( numărul ONU UN 1963) - este cu 73 K mai rece decât azotul lichid, care este denumit și „criogenic” - este necesar să purtați îmbrăcăminte de protecție pentru a preveni degerăturile prin contact. Pericolul apare în principal din recipientele, aparatele și armăturile înghețate sau din pre-răcirea cu LN ₂ , deoarece heliul lichid în sine are doar o capacitate de răcire extrem de mică (220 ml LH are capacitatea de răcire de 1 ml LN ₂ ). O siguranță ochelari de protecție pentru a proteja ochii sau din vedere întreaga față, mănuși groase și o anumită grosime , cu mâinile manșetă. Buzunarele deschise sau arborii portbagajului sunt porți de intrare pentru stropiri și, prin urmare, trebuie evitate. Alte pericole apar din înghețarea și înfundarea și explozia asociate țevilor și vaselor.

Recipientele cu gaz de heliu comprimat - în mare parte cilindri din oțel fără sudură pentru sticle de 200 bar de înaltă presiune sau sticle sudate (adesea: de unică folosință) - sunt sub presiune ridicată. Este strict pentru a evita încălzirea acestuia peste valoarea standard de 60 ° C sau contactul cu focul. Pe de o parte, presiunea internă crește odată cu temperatura și, pe de altă parte, rezistența peretelui de oțel scade, astfel încât există riscul ca vasul să explodeze foarte energic. Chiar și ruperea supapei, de exemplu, dacă o sticlă cade fără capac de protecție sau spargerea unui disc de rupere, declanșează un jet de gaz cu consecințe periculoase.

diverse

După inhalarea heliului, atâta timp cât căile respiratorii conțin o proporție relevantă ridicată de heliu, vocea umană sună considerabil mai sus. (Acest efect este denumit popular „ vocea lui Mickey Mouse ”, dar a fost realizat redând banda mai repede, adică mărind toate frecvențele (și tempo-ul) cu un anumit factor.) Timbrul unei voci, pe de altă parte, depinde de poziția formanților în gură, care sunt influențați de factori precum poziția limbii și a buzelor. (Formanții sunt acele intervale de frecvență care sunt amplificate cel mai intens de efectul rezonanței .) Acești formanți depind și de viteza sunetului c în mediul corespunzător (c _aer = 350 m / s, c _heliu = 1030 m / s). De exemplu, dacă poziția primilor trei formanți în aer este de 220, 2270 și 3270 Hz, aceasta se schimbă în heliu (pur) la 320, 3900 și 5500 Hz. Acest lucru are ca rezultat un model vocal diferit, iar vocea apare în general mai înaltă, chiar dacă pitch- ul pitch-ului ar rămâne neschimbat de nobilul gaz.

Există un efect similar atunci când un instrument de suflat (inițial numai umplut cu aer) este suflat cu heliu.

Vezi si

• Efect Pomeranchuk

literatură

• P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. În: Enciclopedia lui Ullmann de chimie industrială . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi: 10.1002 / 14356007.a17_485 ).
• AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 102-a. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , pp. 417-429.
• FA Cotton, G. Wilkinson, CA Murillo, M. Bochmann: Chimie anorganică avansată . Pelerină. 18. D. Wiley, New York ⁶ 1999, ISBN 0-471-19957-5 , p. 974.
• Christoph Haberstroh: alimentare cu heliu lichid . TUDpress, Dresda 2010, ISBN 978-3-941298-77-4 .
• CE Housecroft, AG Sharpe: Chimie anorganică . Capitolul 22.8a. Pewson, Prentice Hall 2005, ISBN 0-13-039913-2 . P. 666.
• Ekkehard Fluck, Klaus G. Heumann: Tabelul periodic al elementelor, tablă . Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30716-8 .
• RB King (Ed.): Enciclopedia chimiei anorganice . Vol. 8. D. Wiley, New York 1994, ISBN 0-471-93620-0 . P. 4094.

Link-uri web

Wikționar: Heliu  - explicații privind semnificațiile, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• Raport anual al Biroului de administrare a terenurilor (engleză, PDF, 76 KB)
• Laborator de temperatură joasă Helsinki (engleză)
• scinexx.de: mineral de heliu „imposibil” în interiorul pământului? 9 ianuarie 2019

Dovezi individuale

	Acest articol este disponibil ca fișier audio:
	Heliul este un element chimic și are numărul atomic 2. Simbolul elementului său este He. Salvați | Informații  | 63:13 (28.139 MB)
	Mai multe informații pe Wikipedia vorbită