ฮีเลียม: คุณสมบัติลักษณะแอพลิเคชัน

ฮีเลียม - ก๊าซเฉื่อยของกลุ่ม 18 ของตารางธาตุ นี้เป็นองค์ประกอบที่มีน้ำหนักเบาที่สุดที่สองหลังจากไฮโดรเจน ฮีเลียม - ก๊าซไม่มีสีกลิ่นและรสชาติซึ่งจะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ -268.9 องศาเซลเซียส จุดเดือดและจุดเยือกแข็งของมันต่ำกว่าที่เป็นที่รู้จักของสารอื่น ๆ มันเป็นเพียงส่วนประกอบที่ไม่แข็งด้วยการระบายความร้อนที่ความดันบรรยากาศปกติ เขาย้ายไปอยู่ที่รัฐที่มั่นคงจะต้องเป็น 25 บรรยากาศที่อุณหภูมิ 1 เค

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ

ฮีเลียมถูกพบในชั้นบรรยากาศก๊าซรอบดวงอาทิตย์ที่นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศสปิแอร์ Zhansenom ว่าในปี 1868 ในช่วงคราสได้พบเส้นสีเหลืองสดใสในสเปกตรัมของ chromosphere แสงอาทิตย์ ตอนแรกมันก็สันนิษฐานว่าบรรทัดนี้แสดงให้เห็นถึงธาตุโซเดียม ในปีเดียวกัน, อังกฤษนักดาราศาสตร์ Dzhozef นอร์มันล็อกเยอร์สังเกตเห็นเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งไม่สอดคล้องกับที่รู้จักกันในสาย D _{โซเดียมที่ 1} และ ₂ D _{และดังนั้นจึงมีการตั้งชื่อมันสาย} D ₃ อคเยอร์สรุปว่ามันมีสาเหตุมาจากสารที่ไม่รู้จักในดวงอาทิตย์บนโลก เขาและนักเคมีเอ็ดเวิร์ดแฟรงแลนด์ในองค์ประกอบของชื่อใช้ชื่อกรีก Helios 'ดวงอาทิตย์

ในปี 1895, นักเคมีชาวอังกฤษเซอร์ Uilyam Ramzay ได้พิสูจน์แล้วว่าการดำรงอยู่ของฮีเลียมบนโลก เขาได้รับตัวอย่าง cleveite ยูเรเนียมแบกแร่ธาตุและหลังจากการตรวจสอบก๊าซที่เกิดขึ้นในระหว่างการให้ความร้อนก็จะพบว่าเส้นสีเหลืองสดใสในสเปกตรัมเกิดขึ้นพร้อมกับสาย D _{3 ข้อสังเกตในสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์} ดังนั้นองค์ประกอบใหม่ถูกติดตั้งในที่สุด ในปี 1903 Ramsay และเฟรเดอริกซอดดีพบว่าก๊าซฮีเลียมเป็นผลิตภัณฑ์ของการสลายตัวโดยธรรมชาติของสารกัมมันตรังสี

การแพร่กระจายในธรรมชาติ

มวลของก๊าซฮีเลียมเป็นประมาณ 23% ของมวลรวมของจักรวาลและองค์ประกอบเป็นครั้งที่สองที่พบมากที่สุดในพื้นที่ มันมีความเข้มข้นในดาวที่ไฮโดรเจนถูกสร้างมาจากฟิวชั่นที่เกิดขึ้น แม้ว่าฮีเลียมในชั้นบรรยากาศที่อยู่ในความเข้มข้นของส่วนที่ 1 ถึง 200 วันได้. (5 ppm) และมีอยู่ในปริมาณที่น้อยของแร่ธาตุกัมมันตรังสีต่อมอุกกาบาตเช่นเดียวกับแหล่งแร่จำนวนมากขององค์ประกอบที่พบในสหรัฐอเมริกา (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเท็กซัส เม็กซิโกซิตี้, แคนซัส, โอคลาโฮมา, ยูทาห์และแอริโซนา) เป็นส่วนประกอบ (7.6%) ของก๊าซธรรมชาติ ขนาดเล็กและสำรองที่ได้รับการค้นพบในประเทศออสเตรเลีย, ประเทศแอลจีเรีย, โปแลนด์, กาตาร์และรัสเซีย ในความเข้มข้นของเปลือกโลกฮีเลียมเป็นเพียงประมาณ 8 ppb

ไอโซโทป

หลักของแต่ละอะตอมฮีเลียมมีสองโปรตอน แต่เช่นเดียวกับองค์ประกอบอื่น ๆ ก็มีไอโซโทป พวกเขามี 1-6 นิวตรอนดังนั้นตัวเลขมวลของพวกเขาตั้งแต่ 3-8 มีเสถียรภาพของเหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่มีน้ำหนักจะถูกกำหนดโดยฮีเลียมเลขอะตอม 3 ⁽³ เขา) และ 4 ⁽⁴ เขา) อื่น ๆ ทั้งหมดของสารกัมมันตรังสีอย่างรวดเร็วและการเสื่อมสลายลงในสารอื่น ๆ ฮีเลียมของโลกไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งที่เป็นต้นฉบับของดาวเคราะห์ที่มันถูกสร้างขึ้นเป็นผลมาจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี อนุภาคอัลฟาปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของสารกัมมันตรังสีจะหนักไอโซโทป ⁴ พระองค์นิวเคลียส ฮีเลียมไม่เกิดการสะสมในปริมาณมากในชั้นบรรยากาศเพราะแรงโน้มถ่วงของโลกไม่เพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้มีความก้าวหน้าการรั่วไหลเข้ามาในพื้นที่ ร่องรอยของ ³ พระองค์ในโลกที่มีการอธิบายเชิงลบเบต้าสลายไฮโดรเจนหายาก 3 องค์ประกอบ (ทริเทียม) ⁴ เขาเป็นที่พบมากที่สุดของไอโซโทป: ⁴ อัตราส่วนของเขาที่มีต่ออะตอม ³ เขาเป็นประมาณ 700 พันถึง 1 บรรยากาศและประมาณ 7 ล้านบาทโดย 1 ในบางแร่ธาตุฮีเลียมที่อุดมไปด้วย ..

คุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซฮีเลียม

จุดเดือดและจุดหลอมเหลวของรายการนี้ต่ำสุด ด้วยเหตุนี้มีอยู่เป็นฮีเลียมก๊าซยกเว้นในสภาวะที่รุนแรง เขาก๊าซละลายในน้ำน้อยกว่าที่ของก๊าซอื่น ๆ และอัตราของการแพร่กระจายผ่านร่างกายแข็งเป็นสามครั้งยิ่งใหญ่กว่าของอากาศ ดัชนีหักเหของที่ใกล้เคียงที่สุดวิธีที่ 1

การนำความร้อนของก๊าซฮีเลียมเป็นครั้งที่สองเท่านั้นที่จะไฮโดรเจนการนำความร้อนความร้อนที่เฉพาะเจาะจงและสูงเป็นพิเศษของมัน ที่อุณหภูมิธรรมดามันจะมีความร้อนระหว่างการขยายตัวและกว่า 40 K - เย็น ดังนั้นที่ T <40 K ฮีเลียมสามารถแปลงสภาพเป็นของเหลวโดยการขยาย

องค์ประกอบที่เป็นฉนวนกันความร้อนถ้าไม่ได้อยู่ในสถานะที่แตกตัวเป็นไอออน เช่นเดียวกับก๊าซมีตระกูลอื่น ๆ ฮีเลียมมีระดับพลังงาน metastable ที่อนุญาตให้มีการแตกตัวเป็นไอออนโดยปล่อยไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าศักยภาพไอออนไนซ์

ฮีเลียม 4 เป็นที่ไม่ซ้ำกันในการที่จะมีสองรูปแบบของเหลว ปกติเรียกว่าฉันฮีเลียมและอยู่ในอุณหภูมิตั้งแต่จุดเดือดของ 4.21 เค (-268,9 ° C) ประมาณ 2,18 k (-271 ° C) การนำความร้อนที่ต่ำกว่าของ 2,18 K ⁴ เขาจะกลายเป็น 1000 ครั้งยิ่งใหญ่กว่าทองแดง รูปแบบนี้จะเรียกว่าก๊าซฮีเลียมที่สองจะแตกต่างจากสามัญ มันได้ superfluid: ความหนืดต่ำเพื่อที่จะไม่สามารถวัดได้ ฮีเลียม II กระจายเป็นฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวของสารใด ๆ ที่เป็นห่วงและภาพยนตร์เรื่องนี้จะไหลโดยไม่ต้องแรงเสียดทานได้แม้กับแรงโน้มถ่วง

อุดมสมบูรณ์น้อยฮีเลียม 3 รูปแบบสามขั้นตอนของเหลวที่แตกต่างกันสองซึ่งเป็น superfluid ของไหลยวดยิ่งใน ⁴ เขาถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์โซเวียต Petrom Leonidovichem Kapitsey ในช่วงกลางทศวรรษ 1930 และปรากฏการณ์เดียวกันใน ³ เขาก็สังเกตเห็นเป็นครั้งแรกโดยดั๊กลาส D โอเชอร์ออฟเดวิดเอ็มลีและโรเบิร์ต C ริชาร์ดสันของสหรัฐอเมริกาในปี 1972

ส่วนผสมของเหลวของสองไอโซโทปของฮีเลียม 3 -4 ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.8 K (-272.4 ° C) แบ่งออกเป็นสองชั้น - ค่าบริสุทธิ์หลัก ³ พระองค์และ ⁴ เขาผสมกับ 6% ของฮีเลียม -3 การสลายตัวของเขา ³ ใน ⁴ ของเขาจะมาพร้อมกับความเย็นซึ่งจะใช้ในโครงสร้าง cryostat ในที่ที่อุณหภูมิฮีเลียมต่ำกว่า 0.01 k (-273,14 ° C) และการบำรุงรักษาไม่กี่วัน

สัมพันธ์

ภายใต้สภาวะปกติฮีเลียมเป็นปฏิกิริยาทางเคมี ในที่รุนแรงสามารถสร้างองค์ประกอบสารประกอบที่ตัวชี้วัดอุณหภูมิและความดันปกติไม่ได้มีเสถียรภาพ ยกตัวอย่างเช่นฮีเลียมสามารถสร้างสารประกอบที่มีไอโอดีนทังสเตนฟลูออรีนฟอสฟอรัสและกำมะถันเมื่ออยู่ภายใต้ปล่อยเรืองแสงไฟฟ้าหรือโดยการโจมตีของอิเล็กตรอนในรัฐพลาสม่า ดังนั้นมันจึงถูกสร้างขึ้น Hene, HgHe ₁₀ Whe ₂ และไอออนโมเลกุลเขา ₂ ⁺ ₂ ไม่ ⁺⁺ หึ ⁺ และเห็ด ⁺ _{เทคนิคนี้ยังได้รับโมเลกุลที่เป็นกลางเขาที่ 2} และ HgHe

พลาสมา

ในจักรวาลกระจายกอบฮีเลียมไอออนที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญจากโมเลกุล อิเล็กตรอนและโปรตอนไม่ได้เชื่อมโยงและมีการนำไฟฟ้าสูงมากแม้จะอยู่ในสถานะที่แตกตัวเป็นไอออนบางส่วน เมื่อวันที่อนุภาคที่มีประจุได้รับอิทธิพลอย่างสูงจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่นในลมสุริยะที่มีไอออนฮีเลียมมีปฏิสัมพันธ์กับโลกไฮโดรเจนไอออนสนามแม่เหล็กที่ก่อให้เกิดแสงเงินแสงทองเหนือ

การค้นพบของเงินฝากในสหรัฐอเมริกา

หลังจากการขุดเจาะในปี 1903 ใน Dexter, Kansas, มันได้มาจากก๊าซไม่ติดไฟ ตอนแรกมันก็ไม่ได้เป็นที่รู้จักกันว่ามันมีฮีเลียม ซึ่งก๊าซพบรัฐระบุอีราสมุสฮาเวิร์ธนักธรณีวิทยาที่มีการเก็บตัวอย่างของเขาและมหาวิทยาลัยแคนซัสทางเคมี Kedi Gamiltona และเดวิดแมคฟาร์แลนด์พบว่ามันมีไนโตรเจน 72%, 15% ก๊าซมีเทนไฮโดรเจน 1% และ 12% ไม่ได้ระบุ หลังจากใช้เวลาในการวิเคราะห์ต่อมานักวิจัยพบว่า 1.84% ของกลุ่มตัวอย่างของฮีเลียม ดังนั้นเราจึงรู้ว่าองค์ประกอบทางเคมีนี้มีอยู่ในปริมาณมากในระดับความลึกของ Great Plains, ที่มันสามารถสกัดได้จากก๊าซธรรมชาติ

การผลิตภาคอุตสาหกรรม

นี้ได้ทำให้ประเทศสหรัฐอเมริกาการผลิตของโลกของผู้นำฮีเลียม คำแนะนำโดยเซอร์ริชาร์ดเธรลฟาลล์ที่กองทัพเรือสหรัฐได้รับการสนับสนุนสามโรงงานนำร่องขนาดเล็กในการผลิตสารนี้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่งเพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซยกไม่ติดไฟลูกโป่งเขื่อนกั้นน้ำที่มีน้ำหนักเบา ตามโปรแกรมนี้มีการผลิตในทั้งหมดของม. ³ ร้อยละ 92 5700 เขาถึงแม้นี่จะได้รับเพียงอย่างน้อย 100 ลิตรของก๊าซ เป็นส่วนหนึ่งของเงินจำนวนนี้ถูกนำมาใช้ในครั้งแรกของโลกฮีเลียมเรือเหาะ ของกองทัพเรือสหรัฐ C-7 ซึ่งทำให้การเดินทางครั้งแรกจาก Hampton Roads (เวอร์จิเนีย) ที่ Bolling ฟิลด์ (Washington, DC) 7 ธันวาคม 1921

แม้ว่ากระบวนการของก๊าซของเหลวที่อุณหภูมิต่ำในช่วงเวลานั้นไม่ได้พัฒนาพอที่จะมีความสำคัญในช่วงสงครามโลกครั้งที่การผลิตอย่างต่อเนื่อง ฮีเลียมโดยทั่วไปจะใช้เป็นก๊าซยกเครื่องบิน ความต้องการมันได้เพิ่มขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเมื่อมันถูกนำมาใช้กับการเชื่อมอาร์ป้องกัน องค์ประกอบที่ยังมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างระเบิดปรมาณู "แมนฮัตตัน"

สำรองแห่งชาติสหรัฐ

ในปี 1925 รัฐบาลสหรัฐอเมริกาสร้างสำรองแห่งชาติของฮีเลียมในอามาริลโล, เท็กซัสเพื่อให้เรือบินทางทหารในช่วงเวลาของสงครามและการค้าเรือบินในยามสงบ การใช้ก๊าซลดลงหลังจากที่ครั้งที่สอง แต่หุ้นที่เพิ่มขึ้นในปี 1950 ที่จะให้ในสิ่งอื่น ๆ ก็ซัพพลายเป็นสารหล่อเย็นที่ใช้ในการผลิตออกซิเจนไฮโดรเจนจรวดระหว่างพื้นที่การแข่งขันและสงครามเย็น การใช้ก๊าซฮีเลียมในประเทศสหรัฐอเมริกาในปี 1965 แปดครั้งสูงกว่าการบริโภคสูงสุดในยามสงคราม

หลังจากที่การยอมรับของกฎหมายเกี่ยวกับฮีเลียม 1960 สำนักเครื่องจักร Streak 5 บริษัท เอกชนในการสกัดองค์ประกอบจากก๊าซธรรมชาติ โปรแกรมนี้ถูกสร้างขึ้น 425 กม. เพื่อเชื่อมต่อท่อพืชเหล่านี้กับรัฐบาลหมดบางส่วนแหล่งก๊าซธรรมชาติที่อยู่ใกล้อามาริลโล, เท็กซัส ส่วนผสมฮีเลียมไนโตรเจนสูบเข้าไปในการจัดเก็บใต้ดินและยังคงอยู่ที่นั่นจนกระทั่งมีความจำเป็นในนั้นไม่มี

1995 โดยปริมาณของหุ้นประกอบพันล้านลูกบาศก์เมตรในขณะที่หนี้ของสงวนแห่งชาติ 1.4 พันล้านดอลลาร์ซึ่งทำให้สภาคองเกรสของสหรัฐฯในปี 1996 ที่จะออกมาในช่วงของมัน ต่อไปนี้การยอมรับในปี 1996 ของกฎหมายที่เกี่ยวกับการแปรรูปของฮีเลียมกระทรวงทรัพยากรธรรมชาติเปิดตัวการจัดเก็บการชำระบัญชีในปี 2005

สะอาดและการผลิต

ฮีเลียมผลิตจนถึง 1945 ปีที่มีความบริสุทธิ์ประมาณ 98% คนอื่น ๆ 2% อยู่ในไนโตรเจนที่เพียงพอสำหรับเรือบิน ในปี 1945 ผลิตจำนวนเล็กน้อยจากร้อยละ 99.9 ของก๊าซสำหรับการใช้งานในการเชื่อมอาร์ 1949 โดยความบริสุทธิ์ขององค์ประกอบที่เกิดขึ้นได้ถึง 99.995%

หลายปีที่ผ่านสหรัฐอเมริกาผลิตมากกว่า 90% ของก๊าซฮีเลียมในเชิงพาณิชย์ของโลก ตั้งแต่ปี 2004 ทุกปีมันก็ทำงานออก 140 ล้านม. ^3, 85% ของที่เกิดขึ้นในสหรัฐอเมริกา 10% ได้ดำเนินการในสาธารณรัฐประชาธิปไตยประชาชนแอลจีเรียและส่วนที่เหลือ - ในรัสเซียและโปแลนด์ แหล่งที่มาหลักของฮีเลียมในโลกที่มีแหล่งก๊าซธรรมชาติของเท็กซัส, โอคลาโฮมาและแคนซัส

ขั้นตอนการขอรับ

ฮีเลียม (ความบริสุทธิ์ 98.2%) มีการกู้คืนจากเหลวของก๊าซธรรมชาติโดยส่วนประกอบอื่น ๆ ที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูง ดูดซับก๊าซอื่น ๆ ระบายความร้อนด้วยคาร์บอนสามารถบรรลุความบริสุทธิ์ของ 99.995% จำนวนเงินที่เล็ก ๆ ของฮีเลียมเหลวที่ผลิตในระหว่างอากาศขนาดใหญ่ ของ 900 ตันของอากาศจะได้รับประมาณ 3.17 ลูกบาศก์เมตร ก๊าซเมตร

ด้านของแอพลิเคชัน

ก๊าซโนเบิลได้ถูกนำมาใช้ในด้านต่างๆ

• ฮีเลียมซึ่งคุณสมบัติช่วยให้เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำมากถูกนำมาใช้เป็นสารทำความเย็นใน LHC, MRI เครื่องมือยิ่งยวดแม่เหล็กและนิวเคลียร์สเปกโทรมิเตอร์แม่เหล็ก, อุปกรณ์รับสัญญาณดาวเทียม, เช่นเดียวกับเหลวของออกซิเจนและไฮโดรเจนในขีปนาวุธ "อพอลโลที่"
• ในฐานะที่เป็นก๊าซเฉื่อยสำหรับการเชื่อมอลูมิเนียมและอื่น ๆ . โลหะในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และเส้นใยออปติคอล
• .. เพื่อสร้างแรงดันในถังเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวดโดยเฉพาะอย่างยิ่งการดำเนินงานในไฮโดรเจนเหลว, เสื้อก๊าซฮีเลียมเพียงเก็บรักษาสถานะของการรวมเมื่อไฮโดรเจนยังคงมีสภาพคล่อง);
• He-Ne เลเซอร์ก๊าซ ที่ใช้ในการสแกนบาร์โค้ดบนบ็อกซ์ออฟฟิศในซูเปอร์มาร์เก็ต
• กล้องจุลทรรศน์ฮีเลียมไอออนช่วยให้คุณได้ภาพที่ดีที่สุดกว่าอิเล็กทรอนิกส์
• เนื่องจากการซึมผ่านสูงของแก๊สมีตระกูลจะใช้ในการทดสอบการรั่วไหลเช่นในรถระบบปรับอากาศเช่นเดียวกับอย่างรวดเร็วกรอกถุงลมนิรภัยเมื่อการปะทะกัน
• ความหนาแน่นต่ำช่วยให้ลูกของตกแต่งบ้านที่เต็มไปด้วยก๊าซฮีเลียม ก๊าซเฉื่อยจะถูกแทนที่ก๊าซไฮโดรเจนระเบิดเรือบินและลูกโป่ง ยกตัวอย่างเช่นในอุตุนิยมวิทยา, ลูกโป่งฮีเลียมที่ใช้ในการยกเครื่องมือวัด
• น้ำหล่อเย็นอุณหภูมิจะใช้เนื่องจากอุณหภูมิขององค์ประกอบทางเคมีในสถานะของเหลวที่เป็นไปได้ต่ำสุด
• ฮีเลียมซึ่งคุณสมบัติให้มันเป็นโปรแกรมการเกิดปฏิกิริยาต่ำและการละลายน้ำ (เลือด) ในส่วนผสมกับออกซิเจนได้พบในระบบทางเดินหายใจสูตรสำหรับการดำน้ำและการถือครองการทำงานกระสุน
• อุกกาบาตและหินมีการวิเคราะห์เนื้อหาขององค์ประกอบนี้เพื่อตรวจสอบอายุของพวกเขา

ฮีเลียม: คุณสมบัติขององค์ประกอบ

เขามีคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญมีดังนี้

• เลขอะตอม: 2
• มวลญาติของอะตอมฮีเลียม: 4.0026
• จุดหลอมเหลว: ไม่มี
• จุดเดือด: -268,9 องศาเซลเซียส
• ความหนาแน่น (1 ATM, 0 ° C): 0,1785 g / n
• สถานะออกซิเดชัน 0