Heliu

În ceea ce privește prevalența în Univers și în ceea ce privește luminozitatea, se află pe locul al doilea după hidrogen . Punctul său de fierbere este cel mai scăzut dintre toate substanțele cunoscute.

Istoricul descoperirilor

La 18 august 1868, omul de știință francez Pierre Jansen , în timpul unei eclipse totale de soare în orașul indian Guntur , a explorat pentru prima dată cromosfera Soarelui . Jansen a reușit să ajusteze spectroscopul în așa fel încât spectrul coroanei solare să poată fi observat nu numai în timpul unei eclipse, ci și în zilele obișnuite. A doua zi, spectroscopia proeminențelor solare , împreună cu liniile de hidrogen - albastru, verde-albastru și roșu - a scos la iveală o linie galbenă foarte strălucitoare, luată inițial de Jansen și alți astronomi care au observat-o pentru linia D de sodiu . Janssen a scris imediat Academiei Franceze de Științe despre acest lucru . Ulterior, s-a constatat că linia galben strălucitor din spectrul solar nu coincide cu linia sodiului și nu aparține niciunuia dintre elementele chimice cunoscute anterior [6] [7] .

Două luni mai târziu, pe 20 octombrie, astronomul englez Norman Lockyer , neștiind despre evoluțiile colegului său francez, a efectuat și el cercetări asupra spectrului solar. După ce a descoperit o linie galbenă necunoscută cu o lungime de undă de 588 nm (mai precis - 587,56 nm ), el a desemnat-o D3 , deoarece era foarte aproape de liniile Fraunhofer D1 ( 589,59 nm ) și D2 ( 588,99 nm ) sodiu. Doi ani mai târziu, Lockyer, împreună cu chimistul englez Edward Frankland , în colaborare cu care a lucrat, a propus să dea noului element denumirea de „heliu” (din altă greacă ἥλιος - „soare”) [7] .

Este interesant că scrisorile lui Jeansen și Lockyer au ajuns la Academia Franceză de Științe în aceeași zi - 24 octombrie 1868, dar scrisoarea lui Lockyer, scrisă de el cu patru zile mai devreme, a sosit cu câteva ore mai devreme. A doua zi, ambele scrisori au fost citite la o ședință a Academiei. În cinstea noii metode de studiu a proeminențelor, Academia Franceză a decis să bată o medalie. Pe o parte a medaliei erau gravate portrete ale lui Jansen și Lockyer peste ramuri încrucișate de laur , iar pe cealaltă, o imagine a zeului mitologic al luminii Apollo , conducând într-un car cu patru cai galopând la viteza maximă [7] .

În 1881, italianul Luigi Palmieri a publicat un raport despre descoperirea sa de heliu în gazele vulcanice ale fumarolelor . El a examinat o substanță uleioasă galben deschis care s-a depus din jeturile de gaz de pe marginile craterului Vezuvius . Palmieri a calcinat acest produs vulcanic în flacăra unui arzător Bunsen și a observat spectrul de gaze eliberate în timpul acestuia. Comunitatea științifică a întâmpinat acest mesaj cu neîncredere, deoarece Palmieri și-a descris experiența vag. Mulți ani mai târziu, s-au găsit într-adevăr cantități mici de heliu și argon în compoziția gazelor fumarole [7] .

La 27 de ani de la descoperirea sa inițială, heliul a fost descoperit pe Pământ - în 1895, chimistul scoțian William Ramsay , examinând o probă de gaz obținută din descompunerea mineralului cleveite , a găsit în spectrul său aceeași linie galbenă strălucitoare găsită mai devreme în solar. spectru. Proba a fost trimisă pentru studiu suplimentar celebrului om de știință englez în spectroscopie William Crookes , care a confirmat că linia galbenă observată în spectrul eșantionului coincide cu linia D 3 a heliului. La 23 martie 1895, Ramsay a trimis un mesaj despre descoperirea sa de heliu pe Pământ Societății Regale din Londra , precum și Academiei Franceze prin celebrul chimist Marcelin Berthelot [7] .

Chimiștii suedezi P. Kleve și N. Lengle au reușit să izoleze suficient gaz din kleveit pentru a determina greutatea atomică a noului element [8] [9] .

În 1896, Heinrich Kaiser , Siegbert Friedländer și în 1898 Edward Bailey au dovedit în cele din urmă prezența heliului în atmosferă [7] [10] [11] .

Chiar înainte de Ramsay, heliul a fost izolat și de chimistul american Francis Hillebrand , dar el a crezut în mod eronat că a obținut azot [11] [12] , iar într-o scrisoare către Ramsay l-a recunoscut ca fiind prioritatea descoperirii.

Explorând diferite substanțe și minerale, Ramsay a descoperit că heliul din ele însoțește uraniul și toriu . În 1906, E. Rutherford și T. Royds au descoperit că particulele alfa ale elementelor radioactive sunt nuclee de heliu [13] . Aceste studii au marcat începutul teoriei moderne a structurii atomului [14] .

În 1908, fizicianul olandez Heike Kamerling-Onnes a obținut heliu lichid . A folosit throttling (vezi efectul Joule-Thomson ), după ce gazul a fost pre-răcit în hidrogen lichid fierbinte sub vid. Încercările de a obține heliu solid au rămas fără succes pentru o lungă perioadă de timp chiar și la o temperatură de 0,71 K , care a fost atinsă de studentul lui Kamerling-Onnes, fizicianul german Willem Hendrik Keesom . În 1926, prin aplicarea unei presiuni de peste 35 atm și răcirea heliului comprimat în heliu lichid care fierbe sub rarefacție, a izolat cristalele [15] .

În 1932, Keesom a investigat natura modificării capacității termice a heliului lichid cu temperatura. El a descoperit că în jurul valorii de 2,19 K , creșterea lentă și lină a capacității termice este înlocuită cu o scădere bruscă, iar curba capacității termice ia forma literei grecești λ (lambda). Prin urmare, temperatura la care are loc creșterea capacității termice primește denumirea condiționată " λ - point " [15] . O valoare mai precisă a temperaturii în acest punct, stabilită mai târziu, este 2,172 K. În punctul λ , apar modificări profunde și bruște ale proprietăților fundamentale ale heliului lichid - o fază de heliu lichid este înlocuită în acest punct cu alta și fără eliberarea de căldură latentă; are loc o tranziție de fază de ordinul doi . Deasupra temperaturii punctului λ , se află așa-numitul heliu-I , iar sub acesta, heliu-II [15] .

În 1938, fizicianul sovietic Pyotr Leonidovich Kapitsa a descoperit fenomenul de superfluiditate a heliului II lichid , care constă într-o scădere bruscă a coeficientului de vâscozitate , în urma căreia heliul curge practic fără frecare [15] [16] . Iată ce a scris într-unul dintre rapoartele sale despre descoperirea acestui fenomen [17] :

... o asemenea cantitate de căldură care a fost efectiv transferată se află dincolo de posibilitățile fizice încât un corp, conform oricărei legi fizice, nu poate transfera mai multă căldură decât energia sa termică înmulțită cu viteza sunetului. Cu mecanismul obișnuit de conducere a căldurii, căldura nu a putut fi transferată la o asemenea scară așa cum sa observat. A trebuit să căutăm o altă explicație.

Și în loc să explice transferul de căldură prin conducție termică, adică transferul de energie de la un atom la altul, ar putea fi explicat mai banal - prin convecție, transferul de căldură în materie însăși. Nu se întâmplă ca heliul încălzit să se miște în sus, iar cel rece să coboare, din cauza diferenței de viteze, să apară curenți de convecție și astfel să aibă loc transferul de căldură. Dar pentru aceasta a fost necesar să presupunem că heliul curge fără nicio rezistență în timpul mișcării sale. Am avut deja un caz în care electricitatea s-a deplasat fără nicio rezistență de-a lungul unui conductor. Și am decis că și heliul se mișcă fără nicio rezistență, că nu este o substanță supraconductoare, ci superfluid.

… Dacă vâscozitatea apei este 10⋅10 −2 P , atunci aceasta este de un miliard de ori mai fluidă decât apa…

Originea numelui

Numele provine din limba greacă. ἥλιος - „Soare” (vezi Helios ). În numele elementului, a fost folosită terminația „-iy”, caracteristică metalelor (în latină „-um” - „heliu”), deoarece Lockyer a presupus că elementul pe care l-a descoperit este un metal. Prin analogie cu alte gaze nobile , ar fi logic să i se dea denumirea de „Helion” („Helion”) [7] . În știința modernă, numele de „ heliu ” a fost atribuit nucleului izotopului luminos al heliului- heliu-3 [18] .

Prevalență

În univers

Heliul ocupă locul al doilea ca abundență în Univers după hidrogen - aproximativ 23% din masă [19] . Cu toate acestea, acest element este rar pe Pământ. Aproape tot heliul din Univers s-a format în primele minute după Big Bang [20] [21] în timpul nucleosintezei primordiale . În Universul modern, aproape tot noul heliu se formează ca rezultat al fuziunii termonucleare din hidrogen în interiorul stelelor (vezi ciclul proton-proton , ciclul carbon-azot ). Pe Pământ, se formează ca urmare a dezintegrarii alfa a elementelor grele ( particulele alfa emise în timpul dezintegrarii alfa sunt nuclee de heliu-4) [22] . O parte din heliul care a apărut în timpul descompunerii alfa și se infiltrează prin rocile scoarței terestre este captată de gazul natural , concentrația de heliu în care poate ajunge la 7% din volum și mai mult.

Scoarța terestră

În cadrul grupului al optsprezecelea, heliul ocupă locul al doilea ca conținut în scoarța terestră (după argon ) [23] .

Conținutul de heliu din atmosferă (format ca urmare a descompunerii toriului , uraniului și radionuclizilor fii lor) este de 5,27⋅10 −4 % din volum, 7,24⋅10 −5 % din masă [4] [11] [22] . Rezervele de heliu din atmosferă , litosferă și hidrosferă sunt estimate la 5⋅10 14 m³ [4] . Gazele naturale purtătoare de heliu conțin, de regulă, până la 2% heliu în volum. Extrem de rare sunt acumulările de gaze, al căror conținut de heliu ajunge la 8-16% [22] .

Conținutul mediu de heliu în materia terestră este de 0,003 mg/kg , sau 0,003 g/t [22] . Cea mai mare concentrație de heliu se observă în mineralele care conțin uraniu, toriu și samariu [24] : kleveit , fergusonit , samarskite , gadolinit , monazit ( nisipuri monazite din India și Brazilia), thorianit . Conținutul de heliu în aceste minerale este de 0,8-3,5 l/kg , în timp ce în torianit ajunge la 10,5 l/kg [11] [22] . Acest heliu este radiogenic și conține doar izotopulpatru
El , este format din particulele alfa emise în timpul descompunerii alfa a uraniului, toriului și radionuclizilor fiice ai acestora, precum și din alte elemente naturale alfa-active (samarium, gadoliniu etc.).

În 2016, oamenii de știință norvegieni și britanici au descoperit zăcăminte de heliu lângă Lacul Victoria din Tanzania. Conform estimărilor aproximative ale experților, volumul rezervelor este de 1,5 miliarde de metri cubi [25] .

Rezerve considerabile de heliu sunt conținute în câmpurile de gaze din Siberia de Est din Rusia. Rezervele de heliu din câmpul Kovykta sunt estimate la 2,3 miliarde de metri cubi [26] , în câmpul Chayandinskoye - la 1,4 miliarde de metri cubi [27] .

Piața mondială a heliului

Heliul este extras din gazele naturale și petroliere ; rezervele mondiale sunt estimate la 45,6 miliarde m³ .

Piața mondială de heliu este de 170-190 milioane m³/an [28] Cota principală din producția mondială de heliu este în SUA și Qatar ; Din 2015, ponderea Statelor Unite în soldul producției mondiale a scăzut de la 67% la aproximativ 56% și continuă să scadă, Qatar și Algeria ocupă aproximativ 28%, respectiv 9% din piață.

Mineritul în Rusia

Rusia se asigură cu acest gaz; cererea internă pentru 2020 nu a depășit 5 milioane m³ . [29] Până de curând, aproape tot heliul domestic era produs la fabrica de heliu a OOO Gazprom dobycha Orenburg [30] din gaz cu un conținut scăzut de heliu (până la 0,055% vol.), prin urmare, avea un cost ridicat.

La 9 iunie 2021, în apropierea orașului Svobodny din regiunea Amur a fost lansată cea mai mare fabrică de producție de heliu din lume, Uzina de procesare a gazului Amur , cu o capacitate de 60 milioane m³ de heliu pe an . Baza de resurse pentru aceasta este gazul din câmpul Chayandinskoye cu un conținut de heliu cu un ordin de mărime mai mare , ceea ce face posibilă reducerea semnificativă a costului acestuia. Rusia intenționează să devină unul dintre cei mai mari exportatori de heliu din 2021 [32] .

Din 2018, Irkutsk Oil Company construiește două fabrici de heliu în regiunea Irkutsk. [33] Capacitatea planificată este de 15-17 milioane de litri de heliu pe an, lansarea primei centrale este în 2022.

O problemă urgentă este dezvoltarea ulterioară și procesarea complexă a gazelor naturale din depozitele mari din Siberia de Est , care se disting printr-un conținut ridicat de heliu (0,15-1% vol.) similar cu Chayandinskoye.

Cost

În 2009, prețurile companiilor private pentru heliu gazos variau între 2,5 și 3 USD/m³ [34] .
În 2019, prețul heliului a crescut semnificativ și se ridică la 30-32 USD/m³ pentru gazul cu o puritate de 99,995% .

Producția de heliu

Heliul este extras din gazul natural printr-un proces de separare la temperatură joasă - distilare fracţionată sau prin separarea gazelor cu membrană [35] .

În industrie, heliul este obținut din gazele naturale care conțin heliu (în prezent, zăcămintele care conțin mai mult de 0,1% heliu sunt exploatate în principal). Heliul este separat de alte gaze prin răcire profundă, folosindu-se de faptul că este mai greu de lichefiat decât toate celelalte gaze.

Răcirea se efectuează prin reglare în mai multe etape, curățarea acesteia de CO2 și hidrocarburi . Rezultatul este un amestec de heliu, neon și hidrogen. Acest amestec, așa-numitul heliu brut (70-90% heliu în volum), este purificat din hidrogen (4-5%) cu CuO la 650-800 K.

Purificarea finală se realizează prin răcirea amestecului rămas cu N2 la fierbere sub vid și adsorbția impurităților pe cărbune activ în adsorbante răcite tot cu N2 lichid . Acestea produc heliu de puritate tehnică (99,80% heliu în volum) și puritate ridicată (99,985%).

Definiție

Calitativ, heliul se determină prin analiza spectrelor de emisie (linii caracteristice 587,56 nm și 388,86 nm ), cantitativ - prin metode de analiză spectrometrică de masă și cromatografică , precum și metode bazate pe măsurarea proprietăților fizice (densitate, conductivitate termică etc.) [ 4 ] ] .

Proprietăți fizice

Heliul este un element chimic aproape inert.

Substanța simplă heliu este netoxică, incoloră, inodoră și fără gust. În condiții normale, este un gaz monoatomic. Punctul său de fierbere ( T = 4,215 K pentrupatru
El ) este cel mai mic dintre toate substanțele; heliul solid s-a obtinut doar la presiuni de peste 25 atmosfere - la presiunea atmosferica nu trece in faza solida nici macar la zero absolut . Condiții extreme sunt, de asemenea, necesare pentru a crea puținii compuși chimici ai heliului, toți instabili în condiții normale .

Heliu 3 He și 4 He nu au un punct triplu principal (în care fazele de echilibru sunt în diferite stări de agregare - solid , lichid și gazos ) - în ambele cazuri, linia de echilibru a fazei solide cu lichid (He I și He II) și fazele lichide cu gazoase nu se intersectează nicăieri: faza solidă este în echilibru doar cu cea lichidă [36] [37] [38] . Alte substanțe cu această caracteristică sunt necunoscute [37] . Prezența curbei de coexistență a fazelor solide și lichide pe diagrama de fază a heliului și absența curbei de coexistență a fazelor solide și gazoase pe diagramă înseamnă că heliul solid se poate topi, dar nu se poate evapora [39] .

Proprietăți chimice

Heliul este elementul cel mai puțin activ din punct de vedere chimic din grupa a 18-a ( gaze inerte ) și în general din întregul tabel periodic [40] . Toți compușii chimici ai heliului (precum și argonul, neonul) există numai sub formă de așa-numitele molecule excimer (extrem de instabile), în care stările electronice excitate sunt stabile, iar starea fundamentală este instabilă. Heliul formează molecule diatomice He+
2, fluor HeF, clor HeCl ( moleculele de excimer se formează prin acțiunea unei descărcări electrice sau a radiațiilor ultraviolete asupra unui amestec de heliu cu fluor sau clor ).

Există, de asemenea, posibilitatea de a lega un atom de heliu prin forțele van der Waals , de exemplu, cu o moleculă de fuleren sau cu un atom de neon , cu toate acestea, în astfel de structuri, alți atomi nu afectează structura electronică a atomului de heliu [41] [42] .

Energia de legare a ionului molecular de heliu He+
2este de 58 kcal/mol , distanța internucleară de echilibru este de 1,09 Å [43] .

Proprietăți în fază gazoasă

În condiții normale, heliul se comportă aproape ca un gaz ideal . În toate condițiile, heliul este o substanță monoatomică. În condiții standard (std.c.: 0 °C, 105 Pa ), densitatea sa este de 0,17847 kg/m³ , are o conductivitate termică de 0,1437 W/(m K) , iar capacitatea termică specifică este extrem de mare: cu p = 5,193 kJ/(kg K) [44] [45] ; pentru comparație - pentru H 2 este egal cu 14,23 kJ / (kg K) . Capacitate termică specifică la volum constant cu v = 3,116 kJ/(kg·K) (st.c.) [44] . Viteza sunetului în heliu este de 972,8 m/s (s.c.) [44] . Astfel, conductivitatea termică, capacitatea termică specifică, viteza sunetului și volumul specific (valoare, densitate reciprocă) ale heliului este mai mare decât cea a tuturor celorlalte gaze, cu excepția hidrogenului .

Heliul este mai puțin solubil în apă decât orice alt gaz cunoscut. În 1 litru de apă la 20 °C se dizolvă aproximativ 8,8 ml ( 9,78 la 0 °C , 10,10 la 80 °C ), în etanol - 2,8 ml/l la 15 °C și 3,2 ml/l la 25 °C .

Viteza de difuzie prin materiale solide , care este în prima aproximare invers proporțională cu rădăcina greutății moleculare, este de trei ori mai mare pentru heliu decât pentru aer și este de aproximativ 65% din viteza de difuzie a hidrogenului [46] .

Indicele de refracție al heliului este mai aproape de unitate decât cel al oricărui alt gaz în condiții egale. De exemplu, pentru radiația cu o lungime de undă de 589,6 nm ( linia spectrală de sodiu D), indicele de refracție (st.c.) pentru heliu este n D = 1 + 35 10 −6 , pentru hidrogen 1 + 132 10 −6 , pentru azot 1 + 298 10 −6 [47] .

Acest gaz are un coeficient Joule-Thomson negativ la temperatura ambientală normală, adică se încălzește atunci când este stropit prin deflectoare poroase sau prin găuri mici, dar, ca toate gazele, se răcește la orice temperatură prin expansiune adiabatică. Numai sub temperatura de inversiune Joule-Thomson (aproximativ 40 K la presiune normală) se răcește în timpul procesului de throttling.

După răcire sub această temperatură, heliul poate fi lichefiat prin răcire prin expansiune. O astfel de răcire se realizează cu ajutorul unui expander .

Spectrul de heliu neutru

Când un curent este trecut printr-un tub plin cu heliu, se observă descărcări de diferite culori, în funcție în principal de presiunea gazului din tub. Spectrul de lumină vizibilă al heliului este de obicei galben. Pe măsură ce presiunea scade, culorile se schimbă în roz, portocaliu, galben, galben strălucitor, galben-verde și verde. Acest lucru se datorează prezenței în spectrul heliului a mai multor serii de linii situate în intervalul dintre părțile infraroșu și ultraviolete ale spectrului. Cele mai importante linii de heliu din partea vizibilă a spectrului se află între 706,62 nm și 447,14 nm [15] . O scădere a presiunii duce la o creștere a drumului liber mediu al unui electron , adică la o creștere a energiei acestuia atunci când se ciocnește cu atomii de heliu. Acest lucru duce la transferul atomilor într-o stare excitată cu o energie mai mare, în urma căreia liniile spectrale se deplasează de la marginea roșie la violetă a spectrului vizibil.

Spectrul bine studiat al heliului are două seturi puternic diferite de serii de linii - single ( 1 S 0 ) și triplet ( 3 S 1 ), așa că la sfârșitul secolului al XIX-lea , Lockyer , Runge și Paschen au sugerat că heliul constă dintr-un amestec de două gaze; unul dintre ei, conform presupunerii lor, avea o linie galbenă la 587,56 nm în spectru , celălalt avea o linie verde la 501,6 nm . Ei au propus să numească acest al doilea gaz asterium ( Asterium ) din greacă. "stea". Totuși, Ramsay și Travers au arătat că spectrul heliului depinde de condiții: la o presiune a gazului de 7-8 mm Hg. Artă. cea mai strălucitoare linie galbenă; pe măsură ce presiunea scade, intensitatea liniei verzi crește. Spectrele atomului de heliu au fost explicate de Heisenberg în 1926 [48] (vezi interacțiunea de schimb ). Spectrul depinde de direcția reciprocă a spinurilor electronilor din atom - un atom cu spini direcționați opus (care dă o linie verde în spectrul optic) se numește paraheliu , cu spini co-direcționali (cu o linie galbenă în spectru ). ) - ortoheliu . Liniile de paraheliu sunt simple, liniile de ortoheliu sunt triplete foarte înguste. Atomul de heliu în condiții normale este într-o stare unică ( singlet ). Pentru a transfera un atom de heliu în starea triplet, trebuie să petreceți munca în 19,77 eV . Tranziția atomului de heliu de la starea triplet la starea singlet în sine este extrem de rară. O astfel de stare, de la care o tranziție la una mai profundă este puțin probabilă în sine, se numește o stare metastabilă . Un atom poate fi scos dintr-o stare metastabilă într-o stare stabilă prin expunerea atomului la acțiuni externe, de exemplu, prin impactul electronilor sau prin ciocnirea cu un alt atom cu transferul energiei de excitație direct către acesta din urmă [49] . Într-un atom de paraheliu (starea singlet a heliului), spinurile electronilor sunt direcționate opus, iar momentul total de spin este egal cu zero. În starea de triplet (ortoheliu), spinurile electronilor sunt codirecționale, momentul de spin total este egal cu unitatea. Principiul Pauli interzice ca doi electroni să fie într-o stare cu aceleași numere cuantice, astfel încât electronii în starea de energie cea mai scăzută a ortoheliului, având aceiași spini, sunt forțați să aibă numere cuantice principale diferite : un electron se află în orbitalul 1 s , iar cel de-al doilea se află în cei 2 mai îndepărtați de nucleul s -orbitalii (starea învelișului 1 s 2 s ). În paraheliu, ambii electroni sunt în starea 1 s (starea învelișului 1 s 2 ).

Intercombinarea spontană (adică, însoțită de o modificare a spinului total) cu emisia de fotoni între orto- și paraheliu este extrem de puternic suprimată, totuși, tranzițiile nonradiative sunt posibile atunci când interacționează cu un electron incident sau un alt atom.

Într-un mediu fără coliziune (de exemplu, în gazul interstelar ), o tranziție spontană de la starea inferioară a ortoheliului 2 3 S 1 la starea fundamentală a paraheliului 1 0 S 1 este posibilă prin emiterea a doi fotoni simultan sau ca urmare a unui singur -tranzitie dipol magnetic foton (M1). În aceste condiții, durata de viață estimată a unui atom de ortoheliu din cauza dezintegrarii cu doi fotoni 2 3 S 1 → 1 0 S 1 + 2 γ este 2,49⋅10 8 s , sau 7,9 ani [50] . Primele estimări teoretice [51] au arătat [52] că durata de viață datorată tranziției magnetic-dipol este cu ordine de mărime mai lungă, adică domină dezintegrarea a doi fotoni. Doar trei decenii mai târziu, după descoperirea neașteptată a tranzițiilor interzise triplet-singlet ale unor ioni asemănătoare heliului în spectrele coroanei solare [53] , s-a descoperit [54] că dezintegrarea dipolului magnetic de un foton a 2 3 Starea S 1 este mult mai probabilă; durata de viață în timpul dezintegrarii prin acest canal este „doar” 8⋅10 3 s [55] .

Durata de viață a primei stări excitate a atomului de paraheliu 2 0 S 1 este, de asemenea, extrem de lungă la scara atomică. Regulile de selecție pentru această stare interzic tranziția cu un foton 2 0 S 1 → 1 0 S 1 + γ [56] , iar pentru dezintegrarea cu doi fotoni durata de viață este de 19,5 ms [50] .

Proprietățile fazelor condensate

În 1908, H. Kamerling-Onnes a reușit să obțină pentru prima dată heliu lichid . Heliul solid a fost obținut numai la o presiune de 25 de atmosfere la o temperatură de aproximativ 1 K ( V. Keesom , 1926). Keesom a descoperit, de asemenea, prezența unei tranziții de fază cu heliu-4 la 2,17 K ; el a numit fazele heliu-I și heliu-II (sub 2,17 K ). În 1938, P. L. Kapitsa a descoperit că heliul-II nu are vâscozitate (fenomenul de superfluiditate ). În heliu-3, superfluiditatea apare numai la temperaturi sub 0,0026 K. Heliul superfluid aparține unei clase de așa-numite lichide cuantice , al căror comportament macroscopic poate fi descris doar folosind mecanica cuantică .

În 2004, a apărut un mesaj despre descoperirea superfluidității heliului solid (așa-numitul efect supersolid ) la studierea acestuia într-un oscilator de torsiune, cu toate acestea, mulți cercetători sunt de acord că efectul descoperit în 2004 nu are nimic de-a face cu superfluiditatea un cristal. În prezent, sunt în desfășurare numeroase studii experimentale și teoretice, al căror scop este înțelegerea adevăratei naturi a acestui fenomen.

Izotopi

Heliul natural este compus din doi izotopi stabili :patru
El ( abundența izotopică - 99,99986%) și mult mai rar3
El (0,00014%; conținutul de heliu-3 din diferite surse naturale poate varia în limite destul de largi). Sunt cunoscuți încă șase izotopi radioactivi artificiali ai heliului.

Transport

Pentru transportul heliului gazos se folosesc cilindri de oțel ( GOST 949-73) de culoare maro, plasați în containere specializate. Toate tipurile de transport pot fi utilizate pentru transport, sub rezerva reglementărilor relevante pentru transportul gazelor.

Pentru transportul heliului lichid, se folosesc vase speciale de transport de tipul Dewar STG-10, STG-25 etc., de culoare gri deschis, cu un volum de 10, 25, 40, 250 și , respectiv, 500 de litri . Atunci când sunt îndeplinite anumite reguli de transport, pot fi utilizate transportul feroviar , rutier și alte moduri de transport . Vasele cu heliu lichid trebuie depozitate în poziție verticală.

Aplicație

Heliul este utilizat pe scară largă în industrie și economia națională:

în metalurgie ca gaz inert protector pentru topirea metalelor pure ;
în industria alimentară (înregistrat ca aditiv alimentar E939 ) ca propulsor și gaz de ambalare;
ca agent frigorific pentru obținerea de temperaturi ultra-scăzute (în special, pentru transferul metalelor într-o stare supraconductoare );
pentru umplerea navelor aeronautice ( dirigibile și baloane ) - cu o ușoară pierdere de portanță în comparație cu hidrogenul, heliul este absolut sigur datorită incombustibilității sale;
în amestecuri de respirație pentru scufundări adânci (vezi Cilindru de scufundare );
pentru umplerea baloanelor și a carcasei sondelor meteorologice ;
pentru umplerea tuburilor de evacuare a gazelor;
ca agent de răcire în unele tipuri de reactoare nucleare ;
ca purtător în cromatografia gazoasă ;
pentru a căuta scurgeri în conducte și cazane (vezi Detector de scurgeri cu heliu );
ca o componentă a fluidului de lucru în laserele cu heliu-neon ;
ca umplutură în unele modele moderne de hard disk ;
pentru umplerea baloanelor cu lămpi cu LED-uri cu filament, ceea ce vă permite să eliminați eficient căldura din filamentele LED.

În plus, nuclidul3
El este folosit ca substanță de lucru a detectoarelor de neutroni gazoși, inclusiv a celor sensibile la poziție , în tehnica împrăștierii neutronilor ca polarizator . Heliul-3 este, de asemenea, un combustibil promițător pentru energia termonucleară . Dizolvarea heliului-3 în heliu-4 este folosită pentru a obține temperaturi ultra-scăzute.

În geologie

Heliul este un indicator la îndemână pentru geologi . Folosind imagistica cu heliu [57] , este posibil să se determine locația faliilor adânci pe suprafața Pământului . Heliul, ca produs al dezintegrarii elementelor radioactive care saturează stratul superior al scoarței terestre , se infiltrează prin fisuri și se ridică în atmosferă. În apropierea unor astfel de fisuri, și mai ales la intersecțiile lor, concentrația de heliu este mai mare. Acest fenomen a fost stabilit pentru prima dată de geofizicianul sovietic I. N. Yanitsky în timpul căutării minereurilor de uraniu . Acest model este folosit pentru a studia structura profundă a Pământului și pentru a căuta minereuri de metale neferoase și rare [58] .

Heliul poate fi folosit și pentru a detecta sursele geotermale . Conform studiilor publicate, concentrațiile de heliu din gazul din sol peste sursele geotermale depășesc valorile de fond de 20-200 de ori [59] .

Concentrațiile crescute de heliu în gazul din sol pot indica prezența depozitelor de uraniu [60]

Aplicații militare

Primul Război Mondial - realimentarea aeronavelor militare în SUA și Germania.
Anii 1930 - 1960 - s-a crezut în mod eronat că extracțiile de heliu ar putea fi folosite pentru căutarea minereurilor de uraniu [61] . În 1911, M. Sklodowska-Curie s-a opus acestui lucru .
Din anii 1950 - purjarea rezervoarelor de combustibil de rachete lichide .

În astronomie

Asteroidul (895) Helio , descoperit în 1918, poartă numele heliului .

Rolul biologic

Heliul, din câte se știe, nu are nicio funcție biologică.

Acțiune fiziologică

Deși gazele inerte au efect anestezic , acest efect nu se manifestă în heliu și neon la presiunea atmosferică , în timp ce cu o creștere a presiunii simptomele „sindromului nervos de înaltă presiune” (HPP) apar mai devreme [62] .
Conținutul de heliu în concentrații mari (mai mult de 80%) din amestecul inhalat poate provoca amețeli, greață, vărsături, pierderea cunoștinței și moartea prin asfixie (ca urmare a înfometării de oxigen și a emboliei gazoase ) [63] . O singură respirație de heliu pur, cum ar fi dintr-un balon cu heliu, are adesea un efect similar. Ca și în cazul inhalării altor gaze inerte, din cauza lipsei de gust și miros, apare adesea pierderea neașteptată a conștienței la inhalarea unor concentrații mari.
La inhalarea de heliu , timbrul vocii devine subțire, asemănător cu cicăitul unei rațe [64] . Mai mare decât în aer, viteza sunetului în heliu, ceteris paribus (de exemplu, temperatura ) crește frecvența de rezonanță a tractului vocal (ca un recipient umplut cu gaz).

Riscuri pentru sănătate

Inhalarea de heliu poate fi periculoasă pentru sănătate datorită faptului că oxigenul nu pătrunde în plămâni, totuși, heliox și trimix (oxigen, azot, heliu) sunt considerate amestecuri de respirație relativ sigure [65] [66] [67] .

Vezi și

Izotopi de heliu : heliu-2 (diproton) , heliu-3 , heliu-4 .
Stari agregate : heliu lichid , heliu solid .
Helimetria este o știință care studiază trecerea heliului prin diferite medii.
Sondajul cu heliu este una dintre metodele de explorare geochimică.
Efectul Pomeranchuk este natura anormală a topirii (sau solidificării) unui izotop ușor de heliu.3
El .

Note

↑ 1 2 Meija J. , Coplen T. B. , Berglund M., Brand W. A., Bièvre P. D., Gröning M., Holden N. E., Irrgeher J., Loss R. D., Walczyk T. et al. Greutăți atomice ale elementelor 2005 (Raport tehnic IUPAC) (engleză) // Chimie pură și aplicată - IUPAC , 2016. - Vol. 88, Iss. 3. - ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925 - doi:10.1515/PAC-2015-0305
↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Greutăți atomice ale elementelor 2011 (Raport tehnic IUPAC ) // Chimie pură și aplicată . - 2013. - Vol. 85 , nr. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ 1 2 3 Dimensiunea heliului în mai multe medii . www.webelements.com. Consultat la 10 iulie 2009. Arhivat din original la 19 decembrie 2008.
↑ 1 2 3 4 5 Sokolov V. B. Helium // Enciclopedia chimică : în 5 volume / Cap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Enciclopedia Sovietică , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 513-514. — 623 p. — 100.000 de exemplare. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Berdonosov S.S. Helium . Marea Enciclopedie Rusă (2016). Preluat la 31 decembrie 2019. Arhivat din original la 31 decembrie 2019. (Rusă)
↑ Kochhar RK Astronomii francezi din India în secolele XVII-XIX // Journal of the British Astronomical Association. - 1991. - Vol. 101 , nr. 2 . - P. 95-100 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Finkelstein D. N. Descoperirea gazelor inerte și legea periodică a lui Mendeleev // Gaze inerte . - Ed. al 2-lea. - M . : Nauka , 1979. - S. 40-46. — (Știință și progres tehnic). - 19.000 de exemplare.
↑ Langlet NA Das Atomgewicht des Heliums (germană) // Zeitschrift für anorganische Chemie. - 1895. - Bd. 10, nr. 1 . - S. 289-292 . - doi : 10.1002/zaac.18950100130 .
↑ Weaver, ER Bibliography of Helium Literature // Industrial & Engineering Chemistry. — 1919.
↑ Aaron John Ihde. Capitolul 14. Chimie anorganică I. Evoluții fundamentale // Dezvoltarea chimiei moderne . - Ed. al 2-lea. - M . : Publicaţiile Courier Dover, 1984. - S. 373. - 851 p. — ISBN 0486642356 .
↑ 1 2 3 4 Fastovsky V. G., Rovinsky A. E., Petrovsky Yu. V. Gaze inerte. - Ed. al 2-lea. - M .: Atomizdat , 1972. - S. 3-13. — 352 p. - 2400 de exemplare.
↑ Lockyer JN Povestea Heliului // Natura. - 1896. - Vol. 53, nr. 1372 . - P. 342-346.
↑ Okunev V. S. Fundamentele fizicii nucleare aplicate și introducerea în fizica reactoarelor. — Ed. a II-a, corectată. si suplimentare - M . : Editura MSTU im. N. E. Bauman, 2015. - S. 138.
↑ Bronstein M. P. Materia solară; Raze x; Inventatorii radiotelegrafului. - M . : TERRA - Clubul de carte, 2002. - 224 p. - (Lumea din jurul nostru). — ISBN 5-275-00531-8 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D. N. Heliu // Gaze inerte . - Ed. al 2-lea. - M . : Nauka , 1979. - S. 111-128. — (Știință și progres tehnic). - 19.000 de exemplare.
↑ Kapitsa P. L. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point (engleză) // Nature . - 1938. - Vol. 141 . — P. 74.
↑ Rubinin P. E. , Dmitriev V. V. Academician P. L. Kapitsa. Proprietățile heliului lichid // Priroda. - 1997. - Nr. 12 . Arhivat din original pe 21 februarie 2016.
↑ Aruev N. N. , Neronov Yu . - 2012. - T. 82 , Nr. 11 . - S. 116-121 . Arhivat din original pe 14 ianuarie 2020.
↑ Heliu: informații geologice . www.webelements.com. Preluat la 11 iulie 2009. Arhivat din original la 4 august 2020.
↑ Hawking S., Mlodinov L. Capitolul opt. Big Bang, găurile negre și evoluția universului // Cea mai scurtă istorie a timpului. - Sankt Petersburg. : Amforă . TID Amforă, 2006. - S. 79-98. — 180 s. - 5000 de exemplare. - ISBN 5-367-00164-5 .
↑ Weinberg S. V. Primele trei minute // Primele trei minute: o perspectivă modernă asupra originii universului . - Ed. al 2-lea. - Izhevsk: Centrul de cercetare „Dinamica regulată și haotică”, 2000. - S. 105-122. — 272 p. - 1000 de exemplare. — ISBN 5-93972-013-7 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D.N. Capitolul IV. Gaze inerte pe Pământ și în spațiu // Gaze inerte . - Ed. al 2-lea. - M . : Nauka , 1979. - S. 76-110. — 200 s. - („Știință și progres tehnic”). - 19.000 de exemplare.
↑ Abundență în scoarța terestră (ing.) (link inaccesibil) . www.webelements.com. Consultat la 11 iulie 2009. Arhivat din original la 23 mai 2008.
↑ Samariul, la fel ca uraniul și toriul, este un element alfa radioactiv natural.
↑ Oamenii de știință tocmai au descoperit un câmp masiv de gaz heliu prețios în Africa . Consultat la 28 iunie 2016. Arhivat din original pe 29 iunie 2016. (nedefinit)
↑ Câmp de condens de gaz Kovykta . Preluat la 5 august 2019. Arhivat din original la 5 august 2019. (nedefinit)
↑ Câmp de condens de petrol și gaze Chayandinskoye . Preluat la 5 august 2019. Arhivat din original la 5 august 2019. (nedefinit)
↑ Piața mondială de heliu - Gazprom Helium Service LLC . Preluat la 2 mai 2021. Arhivat din original la 2 mai 2021. (nedefinit)
↑ Zburați către soare: o nouă întreprindere rusă va avea un impact asupra pieței globale de heliu // Rambler, 18 ianuarie 2020
↑ Principalul furnizor de heliu a fost OGZ . Consultat la 9 iunie 2010. Arhivat din original pe 9 mai 2010. (nedefinit)
↑ Putin a participat la lansarea fabricii de procesare a gazelor Amur . Consultat la 9 iunie 2021. Arhivat din original pe 9 iunie 2021. (nedefinit)
↑ The New York Times : Ca urmare a unei progrese în producția de heliu, lumea ar putea deveni dependentă de Rusia Arhivată 9 decembrie 2020 la Wayback Machine
↑ INK va construi a doua fabrică de heliu în regiunea Irkutsk . Preluat la 29 septembrie 2021. Arhivat din original la 29 septembrie 2021. (nedefinit)
↑ Petroleum Technology Arhivat pe 7 septembrie 2012 la Wayback Machine . Teorie și practică. 2009(4) ISSN 2070-5379.
↑ Creșterea capacității . Preluat la 11 martie 2021. Arhivat din original la 23 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ Munster A. , Termodinamică chimică, 2002 , p. 222.
↑ 1 2 Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. , Fizica, 1984 , p. 121.
↑ Glagolev K.V., Morozov A.N. , Termodinamică fizică, 2007 , p. 241.
↑ Brodyansky V. M. , De la apă solidă la heliu lichid, 1995 , p. 253.
↑ Faustovsky V.G., Rovynsky A.E. Petrovsky Yu.V. gaze inerte. - Ed. 2. - M .: Atomizdat , 1972. - 352 p.
↑ Primul compus stabil de heliu • Imaginea zilei . „Elemente” . Preluat: 21 octombrie 2022. (Rusă)
↑ Alexander Voytyuk. Heliul a fost forțat să creeze un compus chimic stabil . N+1: lucrări științifice, știri, descoperiri . Preluat: 21 octombrie 2022. (Rusă)
↑ L. Pauling . Natura legăturii chimice / traducere din engleză. M. E. Dyatkina, ed. prof. Da. K. Syrkina. - M. - L. : Literatura chimică GNTI, 1947. - S. 262. - 440 p.
↑ 1 2 3 Mc Carty RD Proprietăți termodinamice ale heliului 4 de la 2 la 1500 K la presiuni la 10 8 Pa // Journal of Physical and Chemical Reference Data. - 1973. - Vol. 2 , nr. 4 . - P. 923-1042 . — ISSN 0047-2689 . - doi : 10.1063/1.3253133 .
↑ Helium - Informații despre elemente, proprietăți și utilizări | Tabel periodic . www.rsc.org . Preluat: 21 octombrie 2022. (nedefinit)
↑ Hampel CA Enciclopedia elementelor chimice. - New York: Van Nostrand Reinhold, 1968. - P. 256–268. — ISBN 978-0-442-15598-8 .
↑ Proprietățile elementelor: Partea I. Proprietăți fizice / Ed. G. V. Samsonova. - Ed. a II-a. - M . : Metalurgie, 1976. - S. 366. - 600 p. — 15.000 de exemplare.
↑ W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
↑ Frish S. E. Spectre optice ale atomilor. - M. - L .: Editura de literatură fizică şi matematică , 1963. - S. 69-71. — 640 p.
↑ 1 2 G. W. F. Drake, G. A. Victor, A. Dalgarno. Dezintegrarea cu doi fotoni a stărilor metastabile singlet și triplet ale ionilor asemănătoare heliului. Fiz. Rev. 180, 25-32 (1969).
↑ G. Breit și E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
↑ RD Knight. Durata de viață a stării metastabile 2 3 S 1 în ionii Li + stocați. - Teză de doctorat. Laboratorul Lawrence Berkeley. - 1979. - 136 p.
↑ A. H. Gabriel și C. Jordan. Sateliți cu lungime de undă lungă la liniile de rezonanță ionică asemănătoare lui în laborator și în soare Arhivat la 31 august 2010 la Wayback Machine . Nature 221, 947 (1969).
↑ HR Griem, Dezintegrarea spontană a unui singur foton a 2 3 S 1 în ioni de tip heliu . Astrophys. J. 156, L103 (1969).
↑ G. Feinberg, J. Sucher. Calculul Ratei de Dezintegrare pentru 2 3 S 1 → 1 1 S 0 + Un Foton în Heliu . Fiz. Rev. Lett. 26, 681-684 (1971).
↑ Acest lucru se explică prin considerații de simetrie. Atât stările inițiale, cât și cele finale ale atomului sunt simetrice sferic și nu au o direcție preferată - ambii electroni sunt în starea s , iar momentul total de spin este, de asemenea, zero. Emisia unui foton cu un anumit impuls necesită încălcarea acestei simetrii.
↑ Studiile pe heliu confirmă prezența petrolului pe blocul Aysky din Rusia (link inaccesibil) . Consultat la 21 octombrie 2011. Arhivat din original la 2 aprilie 2015. (nedefinit)
↑ Registrul de stat al descoperirilor URSS . Yanitsky I. N. Descoperirea științifică nr. 68 „Model de distribuție a concentrației de heliu în scoarța terestră”
^ Heliul Survey, o posibilă tehnică pentru localizarea rezervoarelor geotermale. Alan A. Roberts, Irving Friedman, Terrence J. Donovan, Edward H. Denton. US Geological Survey, Denver, Colorado 80225 .
^ Helium Soil Gas Survey of Aurora Uranium Deposit, McDermitt Caldera Complex, Oregon. G. Michael Reimer. US Geological Survey, Branch of Isotope Geology, Denver, Colorado Arhivat la 1 februarie 2016 la Wayback Machine .
↑ Musichenko N. I. Modele de distribuție a heliului în scoarța terestră și semnificația lor în căutările geochimice pentru depozite de gaze, petrol și elemente radioactive [Text]: (Metod. recomandări) / N. I. Musichenko, V. V. Ivanov; Ministerul Geologiei al URSS. Atot-Unirea. cercetare științifică Institutul de Geofizică și Geochimie Nucleară „VNIYAGG”. - Moscova: [n. and.], 1970. - 228 p., 1 foaie.
↑ Pavlov B.N.Problema protecției omului în condiții extreme a unui habitat hiperbaric (link inaccesibil) . www.argonavt.com (15 mai 2007). Data accesului: 6 iulie 2009. Arhivat din original pe 21 august 2011. (Rusă)
↑ Zotov P. B., Skryabin E. G., Reichert L. I., Zhmurov V. A., Spaderova N. N., Bukhna A. G., Zenkevich A. A., Plotnikova D. S. Helium printre mijloacele de acțiuni suicidare // Suicidologie. - 2022. - V. 13, nr 2 (47). - S. 92-116. — ISSN 2224-1264 . — doi : 10.32878/suiciderus.22-13-02(47)-92-116 .
↑ V. N. Viter. Experimente cu heliu partea 8 . Consultat la 16 decembrie 2014. Arhivat din original la 15 septembrie 2014. (nedefinit)
↑ Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid. Asfixiere suicidară cu heliu: Raportul a trei cazuri / Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle (germană, engleză) // Wiener Klinische Wochenschrift. - 2007. - T. 119 , Nr. 9-10 . - S. 323-325 . - doi : 10.1007/s00508-007-0785-4 . — PMID 17571238 .
↑ Montgomery B. . 2 găsit mort sub un balon dezumflat , Tampa Bay Times (3 iunie 2006). Arhivat din original la 30 decembrie 2013. Preluat la 27 septembrie 2016.
↑ Doi studenți mor după ce au respirat heliu , CBC (4 iunie 2006). Arhivat din original la 31 decembrie 2013. Preluat la 27 septembrie 2016.

Literatură

Brodyansky V. M. De la apă solidă la heliu lichid (istoria frigului) . — M .: Energoatomizdat , 1995. — 336 p. - (Biblioteca populară de științe a elevului). — ISBN 5-283-00176-8.
Glagolev KV, Morozov AN Termodinamică fizică. — Ed. a II-a, corectată. - M . : Editura MSTU im. N. E. Bauman, 2007. - 270 p. — (Fizică la Universitatea Tehnică). - ISBN 978-5-7038-3026-0.
Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. Fizica pentru instituțiile de învățământ secundar special. - Ed. a IV-a, Rev. — M .: Nauka, 1984. — 512 p.
Münster A. Termodinamică chimică / Per. cu el. sub. ed. membru corespondent Academia de Științe a URSSYa. I. Gerasimova. - Ed. a II-a, șters. -M.: URSS, 2002. - 296 p. — ISBN 5-354-00217-6.
Evdosenko Yu.V. Cum a fost descoperit heliul sovietic. La centenarul industriei de heliu din Rusia // Afaceri cu gaze. 2022. Nr 2. S. 79-86 .

Link -uri

Helium pe Webelements Arhivat 9 mai 2008 la Wayback Machine .
Helium la Biblioteca Populară a Elementelor Chimice Arhivat la 20 ianuarie 2007 la Wayback Machine .
Helium Shot Arhivat 23 ianuarie 2022 la Wayback Machine .
Sondajul cu heliu în zona Rustamovskaya și blocul Aisky din Bashkiria Copie de arhivă din 27 august 2016 la Wayback Machine .

Dicționare și enciclopedii

mare danez
Mare norvegian
Rusă mare
Marele Soviet (1 ed.)
Brockhaus și Efron
in jurul lumii
Micul Brockhaus și Efron
Britannica (online)
Brockhaus
Treccani
Universalis

În cataloagele bibliografice
BNF : 11978648w GND : 4132459-6 J9U : 987007555644805171 LCCN : sh85060043 NDL : 00563132 NKC : ph503003

Izotopi ai heliului
Stabil: 3 He: Heliu-3 , 4 He: Heliu-4 Instabil (mai puțin de o zi) : 2 He: Heliu-2 ( diproton ), 5 He: Heliu-5 , 6 He: Heliu-6 , 7 He: Heliu-7 , 8 He: Heliu-8 , 9 He: Heliu -9 , 10 El: Heliu-10
Vezi si. Heliu , Tabelul nuclizilor