Helium

Med hensyn til udbredelse i universet og med hensyn til lethed rangerer den næst efter brint . Dens kogepunkt er det laveste blandt alle kendte stoffer.

Opdagelseshistorie

Den 18. august 1868 udforskede den franske videnskabsmand Pierre Jansen , mens han under en total solformørkelse i den indiske by Guntur , først Solens kromosfære . Jansen formåede at justere spektroskopet på en sådan måde, at solkoronaens spektrum ikke kun kunne observeres under en formørkelse, men også på almindelige dage. Den næste dag afslørede spektroskopi af solprominenser sammen med brintlinjer - blå, grøn-blå og rød - en meget lys gul linje, oprindeligt taget af Jansen og andre astronomer, der observerede den for natrium D-linjen . Janssen skrev straks til det franske videnskabsakademi om dette . Efterfølgende viste det sig, at den lyse gule linje i solspektret ikke falder sammen med natriumlinjen og ikke tilhører nogen af de tidligere kendte kemiske grundstoffer [6] [7] .

To måneder senere, den 20. oktober, foretog den engelske astronom Norman Lockyer , uden at vide om udviklingen af sin franske kollega, også forskning i solspektret. Efter at have opdaget en ukendt gul linje med en bølgelængde på 588 nm (mere præcist - 587,56 nm ), betegnede han den D 3 , da den var meget tæt på Fraunhofer-linierne D 1 ( 589,59 nm ) og D 2 ( 588,99 nm ) natrium. To år senere foreslog Lockyer sammen med den engelske kemiker Edward Frankland , i samarbejde med hvem han arbejdede, at give det nye grundstof navnet "helium" (fra andet græsk ἥλιος - "sol") [7] .

Det er interessant, at Jeansens og Lockyers breve ankom til det franske videnskabsakademi samme dag – den 24. oktober 1868, men Lockyers brev, skrevet af ham fire dage tidligere, ankom flere timer tidligere. Næste dag blev begge breve læst på et møde i Akademiet. Til ære for den nye metode til at studere prominenser besluttede det franske akademi at præge en medalje. På den ene side af medaljen var portrætter af Jansen og Lockyer indgraveret over krydsede grene af laurbær , og på den anden et billede af den mytologiske lysgud Apollo , der herskede i en vogn med fire heste, der galopperede i fuld fart [7] .

I 1881 offentliggjorde italieneren Luigi Palmieri en rapport om sin opdagelse af helium i fumarolernes vulkanske gasser . Han undersøgte et lysegult olieagtigt stof, der lagde sig fra gasstråler på kanten af Vesuv - krateret . Palmieri calcinerede dette vulkanske produkt i flammen fra en Bunsen-brænder og observerede spektret af gasser, der blev frigivet under dette. Det videnskabelige samfund hilste dette budskab med vantro, eftersom Palmieri beskrev sin oplevelse vagt. Mange år senere blev der faktisk fundet små mængder helium og argon i sammensætningen af fumarolgasser [7] .

27 år efter sin oprindelige opdagelse blev helium opdaget på Jorden - i 1895, den skotske kemiker William Ramsay , der undersøgte en prøve af gas opnået fra nedbrydningen af mineralet cleveit , fandt i sit spektrum den samme lyse gule linje, der blev fundet tidligere i solen. spektrum. Prøven blev sendt til yderligere undersøgelse til den berømte engelske spektroskopi-forsker William Crookes , som bekræftede, at den gule linje observeret i prøvens spektrum falder sammen med D3- linjen af helium. Den 23. marts 1895 sendte Ramsay en besked om sin opdagelse af helium på Jorden til Royal Society of London , såvel som til det franske akademi gennem den berømte kemiker Marcelin Berthelot [7] .

De svenske kemikere P. Kleve og N. Lengle var i stand til at isolere nok gas fra kleveit til at bestemme atomvægten af det nye grundstof [8] [9] .

I 1896 beviste Heinrich Kaiser , Siegbert Friedländer , og i 1898 Edward Bailey endelig tilstedeværelsen af helium i atmosfæren [7] [10] [11] .

Allerede før Ramsay blev helium også isoleret af den amerikanske kemiker Francis Hillebrand , men han troede fejlagtigt, at han havde opnået nitrogen [11] [12] , og i et brev til Ramsay anerkendte han ham som opdagelsens prioritet.

Ved at udforske forskellige stoffer og mineraler opdagede Ramsay, at helium i dem ledsager uran og thorium . I 1906 fandt E. Rutherford og T. Royds ud af, at alfapartiklerne af radioaktive grundstoffer er heliumkerner [ 13 ] . Disse undersøgelser markerede begyndelsen på den moderne teori om atomets struktur [14] .

I 1908 opnåede den hollandske fysiker Heike Kamerling-Onnes flydende helium . Han brugte drosling (se Joule-Thomson-effekten ), efter at gassen var forkølet i flydende brint, der koger under vakuum. Forsøg på at opnå fast helium forblev mislykkede i lang tid selv ved en temperatur på 0,71 K , som blev nået af eleven af Kamerling-Onnes, den tyske fysiker Willem Hendrik Keesom . I 1926 isolerede han krystaller ved at påføre tryk over 35 atm og afkøle komprimeret helium i flydende helium, der koger under sjældenhed [15] .

I 1932 undersøgte Keesom arten af ændringen i flydende heliums varmekapacitet med temperaturen. Han fandt ud af, at omkring 2,19 K erstattes den langsomme og jævne stigning i varmekapaciteten af et kraftigt fald, og varmekapacitetskurven har form af det græske bogstav λ (lambda). Derfor får den temperatur, hvor springet i varmekapacitet sker, det betingede navn " λ - punkt " [15] . En mere nøjagtig temperaturværdi på dette tidspunkt, etableret senere, er 2.172 K. Ved λ -punktet sker der dybe og bratte ændringer i flydende heliums grundlæggende egenskaber - en fase af flydende helium erstattes på dette tidspunkt af en anden, og uden frigivelse af latent varme; en andenordens faseovergang finder sted . Over λ -punktets temperatur er der det såkaldte helium-I , og under det helium-II [15] .

I 1938 opdagede den sovjetiske fysiker Pyotr Leonidovich Kapitsa fænomenet superfluiditet af flydende helium-II , som består i et kraftigt fald i viskositetskoefficienten , som et resultat af hvilket helium flyder praktisk talt uden friktion [15] [16] . Her er, hvad han skrev i en af sine rapporter om opdagelsen af dette fænomen [17] :

... en sådan mængde varme, der faktisk blev overført, ligger ud over de fysiske muligheder, at et legeme ifølge nogen fysiske love ikke kan overføre mere varme end dens termiske energi ganget med lydens hastighed. Med den sædvanlige varmeledningsmekanisme kunne varme ikke overføres i en sådan skala, som er blevet observeret. Vi måtte lede efter en anden forklaring.

Og i stedet for at forklare overførsel af varme ved termisk ledning, altså overførsel af energi fra et atom til et andet, kunne det forklares mere trivielt - ved konvektion, selve varmeoverførslen i stoffet. Sker det ikke, at det opvarmede helium rykker op, og det kolde går ned, på grund af hastighedsforskellen opstår der konvektionsstrømme, og derved sker der varmeoverførsel. Men for dette var det nødvendigt at antage, at helium strømmer uden nogen modstand under sin bevægelse. Vi har allerede haft et tilfælde, hvor elektricitet bevægede sig uden modstand langs en leder. Og jeg besluttede, at helium også bevæger sig uden modstand, at det ikke er et overvarmeledende stof, men et superflydende.

… Hvis vands viskositet er 10⋅10 −2 P , så er det en milliard gange mere flydende end vand …

Navnets oprindelse

Navnet kommer fra det græske. ἥλιος - "Sol" (se Helios ). I grundstoffets navn blev endelsen "-iy", karakteristisk for metaller , brugt (på latin "-um" - "Helium"), da Lockyer antog, at det grundstof, han opdagede, var et metal. I analogi med andre ædelgasser ville det være logisk at give den navnet "Helion" ("Helion") [7] . I moderne videnskab er navnet " helion " blevet tildelt kernen af den lette isotop helium - helium-3 [18] .

Prævalens

I universet

Helium rangerer nummer to i overflod i universet efter brint - omkring 23 vægtprocent [19] . Dette element er dog sjældent på Jorden. Næsten alt helium i universet blev dannet i de første par minutter efter Big Bang [20] [21] under primordial nukleosyntese . I det moderne univers dannes næsten alt nyt helium som et resultat af termonuklear fusion fra brint i stjerners indre (se proton-proton-cyklus , kulstof-nitrogen-cyklus ). På Jorden er den dannet som et resultat af alfa-henfald af tunge grundstoffer ( alfapartikler udsendt under alfa-henfald er helium-4 kerner) [22] . En del af heliumet, der opstod under alfa-henfald og siver gennem jordskorpens klipper , fanges af naturgas , hvor koncentrationen af helium kan nå op på 7% af volumenet og derover.

Jordens skorpe

Inden for rammerne af den attende gruppe ligger helium på andenpladsen med hensyn til indhold i jordskorpen (efter argon ) [23] .

Heliumindholdet i atmosfæren (dannet som et resultat af henfaldet af thorium , uran og deres datterradionuklider) er 5,27⋅10 −4 % efter volumen, 7,24⋅10 −5 % efter masse [4] [11] [22] . Heliumreserver i atmosfæren , lithosfæren og hydrosfæren er anslået til 5⋅10 14 m³ [4] . Heliumholdige naturgasser indeholder som regel op til 2 volumenprocent helium. Yderst sjældne er ophobninger af gasser, hvis heliumindhold når 8-16 % [22] .

Det gennemsnitlige indhold af helium i terrestrisk stof er 0,003 mg/kg eller 0,003 g/t [22] . Den højeste koncentration af helium er observeret i mineraler indeholdende uran, thorium og samarium [24] : kleveite , fergusonite , samarskite , gadolinite , monazit ( monazit sand i Indien og Brasilien), thorianit . Heliumindholdet i disse mineraler er 0,8-3,5 l/kg , mens det i thorianit når 10,5 l/kg [11] [22] . Dette helium er radiogent og indeholder kun isotopenfire
Han er dannet af alfapartikler, der udsendes under alfa-henfaldet af uran, thorium og deres datter radionuklider, såvel som andre naturlige alfa-aktive elementer (samarium, gadolinium, etc.).

I 2016 opdagede norske og britiske forskere heliumforekomster nær Victoriasøen i Tanzania. Ifølge omtrentlige skøn fra eksperter er mængden af reserver 1,5 milliarder kubikmeter [25] .

Betydelige reserver af helium er indeholdt i de østsibiriske gasfelter i Rusland. Heliumreserver i Kovykta-feltet anslås til 2,3 milliarder kubikmeter [26] , i Chayandinskoye-feltet - til 1,4 milliarder kubikmeter [27] .

Verdensmarkedet for helium

Helium udvindes af naturlige gasser og petroleumsgasser ; verdensreserverne anslås til 45,6 milliarder m³ .

Verdensmarkedet for helium er 170-190 millioner m³/år [28] Den største andel af verdens heliumproduktion er i USA og Qatar ; Siden 2015 er USA's andel af verdensproduktionsbalancen faldet fra 67% til omkring 56% og fortsætter med at falde, Qatar og Algeriet optager henholdsvis omkring 28% og 9% af markedet.

Minedrift i Rusland

Rusland forsyner sig selv med denne gas; indenlandsk efterspørgsel for 2020 oversteg ikke 5 mio. m³ . [29] Indtil for nylig blev næsten alt indenlandsk helium produceret på heliumfabrikken i OOO Gazprom dobycha Orenburg [30] fra gas med et lavt heliumindhold (op til 0,055 % vol.), og derfor havde det en høj pris.

Den 9. juni 2021 blev det største heliumproduktionsanlæg i verden, Amur Gas Processing Plant , med en kapacitet på 60 millioner m³ helium om året, søsat nær byen Svobodny i Amur-regionen [31] . Ressourcebasen for det er gas fra Chayandinskoye-feltet med en størrelsesorden højere heliumindhold , hvilket gør det muligt at reducere omkostningerne betydeligt. Rusland planlægger at blive en af de største eksportører af helium fra 2021 [32] .

Siden 2018 har Irkutsk Oil Company bygget to heliumfabrikker i Irkutsk-regionen. [33] Den planlagte kapacitet er 15-17 millioner liter helium om året, lanceringen af det første anlæg er 2022.

Et presserende problem er den videre udvikling og komplekse behandling af naturgasser fra store forekomster i det østlige Sibirien , som er kendetegnet ved et højt indhold af helium (0,15-1% vol.) svarende til Chayandinskoye.

Pris

I 2009 varierede private virksomheders priser for gasformigt helium fra 2,5 til 3 USD/m³ [34] .
I 2019 er prisen på helium steget markant og udgør 30-32 USD/m³ for gas med en renhed på 99,995 % .

Heliumproduktion

Helium udvindes fra naturgas ved en lavtemperaturseparationsproces - fraktioneret destillation eller ved membrangasseparation [35] .

I industrien udvindes helium fra heliumholdige naturgasser (på nuværende tidspunkt udnyttes hovedsageligt aflejringer indeholdende mere end 0,1 % helium). Helium adskilles fra andre gasser ved dyb afkøling, idet det er vanskeligere at gøre det flydende end alle andre gasser.

Afkøling udføres ved drosling i flere trin, rensning for CO 2 og kulbrinter . Resultatet er en blanding af helium, neon og brint. Denne blanding, det såkaldte råhelium (70-90% helium efter volumen), renses fra brint (4-5%) med CuO ved 650-800 K.

Endelig oprensning opnås ved at afkøle den resterende blanding med N2 , der koger under vakuum og adsorption af urenheder på aktivt kul i adsorbere , der også er afkølet med flydende N2 . De producerer helium af teknisk renhed (99,80% helium efter volumen) og høj renhed (99,985%).

Definition

Kvalitativt bestemmes helium ved at analysere emissionsspektre (karakteristiske linjer 587,56 nm og 388,86 nm ), kvantitativt - ved massespektrometriske og kromatografiske analysemetoder, samt metoder baseret på måling af fysiske egenskaber (densitet, varmeledningsevne osv.) [ ] .

Fysiske egenskaber

Helium er et næsten inert kemisk grundstof.

Det simple stof helium er ugiftigt, farveløst, lugtfrit og smagløst. Under normale forhold er det en monoatomisk gas. Dens kogepunkt ( T = 4,215 K forfire
Han ) er den mindste blandt alle stoffer; fast helium blev kun opnået ved tryk over 25 atmosfærer - ved atmosfærisk tryk går det ikke over i den faste fase selv ved det absolutte nulpunkt . Ekstreme forhold er også nødvendige for at skabe de få kemiske forbindelser af helium, som alle er ustabile under normale forhold .

Helium 3 He og 4 He har ikke et hovedtrippelpunkt ( hvor ligevægtsfaserne er i forskellige aggregeringstilstande - fast , flydende og gasformig ) - i begge tilfælde ligevægtslinjen for den faste fase med væske (He I og He II) og flydende faser med gasformig skærer ikke hinanden nogen steder: den faste fase er kun i ligevægt med den flydende [36] [37] [38] . Andre stoffer med denne egenskab er ukendte [37] . Tilstedeværelsen af kurven for sameksistens af faste og flydende faser på fasediagrammet for helium og fraværet af kurven for sameksistens af faste og gasfaser på diagrammet betyder, at fast helium kan smelte, men ikke kan fordampe [39] .

Kemiske egenskaber

Helium er det mindst kemisk aktive grundstof i den 18. gruppe ( inerte gasser ) og generelt i hele det periodiske system [40] . Alle kemiske forbindelser af helium (såvel som argon, neon) eksisterer kun i form af såkaldte excimer-molekyler (ekstremt ustabile), hvor exciterede elektroniske tilstande er stabile, og grundtilstanden er ustabil. Helium danner diatomiske He-molekyler+
2, fluorid HeF, chlorid HeCl ( excimermolekyler dannes ved virkningen af en elektrisk udladning eller ultraviolet stråling på en blanding af helium med fluor eller klor ).

Der er også mulighed for at binde et heliumatom med van der Waals-kræfter , for eksempel med et fullerenmolekyle eller med et neonatom , men i sådanne strukturer påvirker andre atomer ikke heliumatomets elektroniske struktur [ 41] [42] .

Bindingsenergien af helium molekylær ion He+
2er 58 kcal/mol , ligevægtsinternukleære afstand er 1,09 Å [43] .

Egenskaber i gasfasen

Under normale forhold opfører helium sig næsten som en ideel gas . Under alle forhold er helium et monoatomisk stof. Under standardbetingelser (std.c.: 0 °C, 105 Pa ), dens massefylde er 0,17847 kg/m³ , den har en termisk ledningsevne på 0,1437 W/(m K) , og dens specifikke varmekapacitet er ekstrem høj: med p = 5,193 kJ/(kg K) [44] [45] ; til sammenligning - for H 2 er det lig med 14,23 kJ / (kg K) . Specifik varmekapacitet ved konstant volumen med v = 3,116 kJ/(kg·K) (st.c.) [44] . Lydens hastighed i helium er 972,8 m/s (s.c.) [44] . Således er varmeledningsevnen, den specifikke varmekapacitet, lydhastigheden og det specifikke volumen (værdi, reciprok tæthed) af helium større end for alle andre gasser, med undtagelse af brint .

Helium er mindre opløseligt i vand end nogen anden kendt gas. I 1 liter vand ved 20 °C opløses ca. 8,8 ml ( 9,78 ved 0 °C , 10,10 ved 80 °C ), i ethanol - 2,8 ml/l ved 15 °C og 3,2 ml/l ved 25 °C .

Diffusionshastigheden gennem faste materialer , som i den første tilnærmelse er omvendt proportional med roden af molekylvægten, er tre gange højere for helium end for luft , og er cirka 65% af diffusionshastigheden for brint [46] .

Heliums brydningsindeks er tættere på enhed end for nogen anden gas under lige betingelser. For eksempel, for stråling med en bølgelængde på 589,6 nm ( natriumspektrallinje D), er brydningsindekset (st.c.) for helium n D = 1 + 35 10 −6 , for hydrogen 1 + 132 10 −6 , for nitrogen 1 + 298 10 −6 [47] .

Denne gas har en negativ Joule-Thomson-koefficient ved normal omgivelsestemperatur, det vil sige, at den opvarmes, når den drosles gennem porøse ledeplader eller små huller, men som alle gasser afkøles den ved enhver temperatur gennem adiabatisk ekspansion. Kun under Joule-Thomson inversionstemperaturen (ca. 40 K ved normalt tryk) afkøles den under droslingsprocessen.

Efter afkøling under denne temperatur kan helium gøres flydende ved ekspansionskøling. Sådan afkøling udføres ved hjælp af en ekspander .

Spektret af neutralt helium

Når en strøm føres gennem et rør fyldt med helium, observeres udledninger af forskellige farver, hovedsageligt afhængigt af trykket af gassen i røret. Heliums synlige lysspektrum er normalt gul i farven. Når trykket falder, skifter farverne til pink, orange, gul, lys gul, gulgrøn og grøn. Dette skyldes tilstedeværelsen i heliumspektret af flere serier af linjer placeret i området mellem de infrarøde og ultraviolette dele af spektret. De vigtigste heliumlinjer i den synlige del af spektret ligger mellem 706,62 nm og 447,14 nm [15] . Et fald i tryk fører til en stigning i den gennemsnitlige frie vej for en elektron , det vil sige en stigning i dens energi, når den kolliderer med heliumatomer. Dette fører til overførsel af atomer til en exciteret tilstand med en højere energi, som et resultat af hvilken spektrallinjerne skifter fra den røde til den violette kant af det synlige spektrum.

Det velstuderede spektrum af helium har to skarpt forskellige sæt linjeserier - enkelt ( 1 S 0 ) og triplet ( 3 S 1 ), så i slutningen af det 19. århundrede foreslog Lockyer , Runge og Paschen , at helium består af en blanding af to gasser; en af dem havde ifølge deres antagelse en gul linje ved 587,56 nm i spektret , den anden havde en grøn linje ved 501,6 nm . De foreslog at kalde denne anden gas asterium ( Asterium ) fra det græske. "stjerne". Ramsay og Travers viste imidlertid , at heliums spektrum afhænger af forholdene: ved et gastryk på 7-8 mm Hg. Kunst. den lyseste gule linje; efterhånden som trykket falder, øges intensiteten af den grønne linje. Heliumatomets spektre blev forklaret af Heisenberg i 1926 [48] (se udvekslingsinteraktion ). Spektret afhænger af den indbyrdes retning af spins af elektronerne i atomet - et atom med modsat rettede spins (der giver en grøn linje i de optiske spektre) kaldes parahelium , med co-directional spins (med en gul linje i spektret ) ) - orthohelium . Parahelion linjer er enkelte, orthohelium linjer er meget smalle trillinger. Heliumatomet er under normale forhold i en enkelt ( singlet ) tilstand. For at overføre et heliumatom til triplettilstanden skal du bruge arbejde i 19,77 eV . Heliumatomets overgang fra triplettilstanden til selve singlettilstanden er yderst sjælden. En sådan tilstand, hvorfra en overgang til en dybere er usandsynlig i sig selv, kaldes en metastabil tilstand . Et atom kan bringes ud af en metastabil tilstand til en stabil ved at udsætte atomet for ekstern påvirkning, for eksempel ved elektronpåvirkning eller ved at kollidere med et andet atom med overførsel af excitationsenergien direkte til sidstnævnte [49] . I et paraheliumatom (singlettilstanden af helium) er elektronspindene rettet modsat, og det samlede spinmoment er lig nul. I triplettilstanden (orthohelium) er elektronspindene codirectional, det samlede spinmoment er lig med enhed. Pauli-princippet forbyder to elektroner at være i en tilstand med de samme kvantetal, så elektroner i den laveste energitilstand af orthohelium, som har de samme spins, er tvunget til at have forskellige principielle kvantetal : en elektron er i 1 s orbitalen, og den anden er i de mere fjerntliggende 2 fra kernen s -orbitaler (skaltilstand 1 s 2 s ). I parahelium er begge elektroner i 1 s tilstand (skaltilstand 1 s 2 ).

Spontan interkombination (det vil sige ledsaget af en ændring i det totale spin) overgang med fotonemission mellem ortho- og parahelium er ekstremt stærkt undertrykt, dog er ikke-strålende overgange mulige, når de interagerer med en indfaldende elektron eller et andet atom.

I et kollisionsfrit medium (for eksempel i interstellar gas ) er en spontan overgang fra den nedre tilstand af orthohelium 2 3 S 1 til grundtilstanden af parahelium 1 0 S 1 mulig ved at udsende to fotoner samtidigt eller som et resultat af en enkelt -foton magnetisk dipolovergang (M1). Under disse forhold er den estimerede levetid for et orthohelium-atom på grund af to-foton-henfaldet 2 3 S 1 → 1 0 S 1 + 2 γ 2,49⋅10 8 s , eller 7,9 år [50] . De første teoretiske estimater [51] viste [52] at levetiden på grund af magnetisk-dipol-overgangen er størrelsesordener længere, det vil sige at to-foton-henfald dominerer. Kun tre årtier senere, efter den uventede opdagelse af forbudte triplet-singlet-overgange af nogle heliumlignende ioner i solkoronaens spektre [53] , blev det fundet [54] at det en-foton magnetiske dipol-henfald af 2 3 S 1 tilstand er meget mere sandsynlig; levetiden under henfald gennem denne kanal er "kun" 8⋅10 3 s [55] .

Levetiden for den første exciterede tilstand af paraheliumatomet 2 0 S 1 er også ekstremt lang på atomær skala. Selektionsreglerne for denne tilstand forbyder en-foton-overgangen 2 0 S 1 → 1 0 S 1 + γ [56] , og for to-foton-henfaldet er levetiden 19,5 ms [50] .

Egenskaber for kondenserede faser

I 1908 var H. Kamerling-Onnes i stand til at opnå flydende helium for første gang . Fast helium blev kun opnået under et tryk på 25 atmosfærer ved en temperatur på omkring 1 K ( V. Keesom , 1926). Keesom opdagede også tilstedeværelsen af en helium-4 faseovergang ved 2,17 K ; han navngav faserne helium-I og helium-II (under 2,17 K ). I 1938 opdagede P. L. Kapitsa , at helium-II mangler viskositet (fænomenet superfluiditet ). I helium-3 forekommer superfluiditet kun ved temperaturer under 0,0026 K. Superfluid helium tilhører en klasse af såkaldte kvantevæsker , hvis makroskopiske adfærd kun kan beskrives ved hjælp af kvantemekanik .

I 2004 dukkede en meddelelse op om opdagelsen af overflydningen af fast helium (den såkaldte supersolid - effekt ), når man studerede det i en torsionsoscillator, men mange forskere er enige om, at effekten opdaget i 2004 ikke har noget at gøre med overflødigheden af en krystal. I øjeblikket er adskillige eksperimentelle og teoretiske undersøgelser i gang, hvis formål er at forstå den sande natur af dette fænomen.

Isotoper

Naturligt helium er sammensat af to stabile isotoper :fire
Han ( isotopisk overflod - 99,99986%) og meget sjældnere3
He (0,00014%; indholdet af helium-3 i forskellige naturlige kilder kan variere inden for ret vide grænser). Der kendes yderligere seks kunstige radioaktive isotoper af helium.

Transport

Til transport af gasformigt helium bruges stålcylindre ( GOST 949-73 ) af brun farve, placeret i specialiserede beholdere. Alle typer transport kan anvendes til transport, underlagt de relevante regler for transport af gasser.

Til transport af flydende helium anvendes specielle transportbeholdere af Dewar-typen STG-10, STG-25 osv. af lysegrå farve med et volumen på henholdsvis 10, 25, 40, 250 og 500 liter . Når visse transportregler er opfyldt, kan jernbane , vej og andre transportformer bruges . Beholdere med flydende helium skal opbevares i opretstående stilling.

Ansøgning

Helium er meget udbredt i industrien og den nationale økonomi:

i metallurgi som en beskyttende inert gas til smeltning af rene metaller ;
i fødevareindustrien (registreret som fødevareadditiv E939 ) som drivmiddel og emballeringsgas;
som et kølemiddel til opnåelse af ultralave temperaturer (især til at overføre metaller til en superledende tilstand);
til påfyldning af aeronautiske fartøjer ( luftskibe og balloner ) - med et lille tab i løft sammenlignet med brint er helium absolut sikkert på grund af dets ubrændbarhed;
i indåndingsblandinger til dyb dykning (se Dykkercylinder );
til fyldning af balloner og skaller af meteorologiske sonder ;
til påfyldning af gasudledningsrør;
som kølemiddel i nogle typer atomreaktorer ;
som bærer i gaskromatografi ;
at søge efter utætheder i rørledninger og kedler (se Helium lækagedetektor );
som en komponent af arbejdsvæsken i helium-neon lasere ;
som fyldstof i nogle moderne modeller af harddiske ;
til påfyldning af kolberne med glødetråds-LED-lamper, hvilket giver dig mulighed for effektivt at fjerne varme fra LED-glødetrådene.

Hertil kommer nuklidet3
Han bruges som arbejdsstof i gasformige neutrondetektorer, herunder positionsfølsomme , i teknikken til neutronspredning som en polarisator . Helium-3 er også et lovende brændstof til termonuklear energi . Opløsningen af helium-3 i helium-4 bruges til at opnå ultralave temperaturer.

I geologi

Helium er en praktisk indikator for geologer . Ved hjælp af helium-billeddannelse [57] er det muligt at bestemme placeringen af dybe forkastninger på jordens overflade . Helium, som et produkt af henfaldet af radioaktive grundstoffer , der mætter det øverste lag af jordskorpen , siver gennem sprækker og stiger op i atmosfæren. Nær sådanne revner, og især ved deres skæringspunkter, er heliumkoncentrationen højere. Dette fænomen blev først etableret af den sovjetiske geofysiker I. N. Yanitsky under søgningen efter uranmalm . Dette mønster bruges til at studere Jordens dybe struktur og søge efter malme af ikke-jernholdige og sjældne metaller [58] .

Helium kan også bruges til at detektere geotermiske kilder . Ifølge offentliggjorte undersøgelser overstiger heliumkoncentrationerne i jordgas over geotermiske kilder baggrundsværdierne med 20-200 gange [59] .

Forhøjede heliumkoncentrationer i jordgas kan indikere tilstedeværelsen af uranaflejringer [60]

Militære applikationer

Første Verdenskrig - tankning af militære luftskibe i USA og Tyskland.
1930'erne - 1960'erne - man troede fejlagtigt, at heliumudvindinger kunne bruges til at søge efter uranmalme [61] . Tilbage i 1911 var M. Sklodowska-Curie imod dette .
Siden 1950'erne - renselse af brændstoftanke for flydende raketter .

I astronomi

Asteroiden (895) Helio , opdaget i 1918, er opkaldt efter helium .

Biologisk rolle

Helium har så vidt vides ikke nogen biologisk funktion.

Fysiologisk virkning

Selvom inerte gasser har en bedøvende effekt, manifesteres denne effekt ikke i helium og neon ved atmosfærisk tryk , mens med en stigning i tryk opstår symptomer på "højtryksnervøs syndrom" (HPP) tidligere [62] .
Indholdet af helium i høje koncentrationer (mere end 80%) i den inhalerede blanding kan forårsage svimmelhed, kvalme, opkastning, bevidsthedstab og død af asfyksi (som følge af iltsult og gasemboli ) [63] . Et enkelt åndedrag af rent helium, såsom fra en heliumballon, har ofte en lignende effekt. Som ved indånding af andre inaktive gasser opstår der på grund af manglende smag og lugt ofte uventet bevidsthedstab ved indånding af høje koncentrationer.
Når man indånder helium , bliver stemmens klang tynd, svarende til en ands kvaksalver [ 64] . Højere end i luft øger lydens hastighed i helium, ceteris paribus (for eksempel temperatur ) resonansfrekvensen af stemmekanalen (som en beholder fyldt med gas).

Sundhedsrisici

Indånding af helium kan være sundhedsfarligt på grund af det faktum, at ilt ikke kommer ind i lungerne, men heliox og trimix (ilt, nitrogen, helium) betragtes som relativt sikre vejrtrækningsblandinger [65] [66] [67] .

Se også

Isotoper af helium : helium-2 (diproton) , helium-3 , helium-4 .
Aggregerede tilstande : flydende helium , fast helium .
Heliemetri er en videnskab, der studerer heliums passage gennem forskellige medier.
Heliumundersøgelse er en af metoderne til geokemisk udforskning.
Pomeranchuk-effekten er den unormale karakter af smeltningen (eller størkningen) af en let isotop af helium3
Han .

Noter

↑ 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. Grundstoffernes atomvægte 2005 (IUPAC Technical Report) (engelsk) // Pure and Applied Chemistry - 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. Grundstoffernes atomvægte 2011 (IUPAC Technical Report ) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Bd. 85 , nr. 5 . - S. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ 1 2 3 Heliums størrelse i flere miljøer . www.webelements.com. Hentet 10. juli 2009. Arkiveret fra originalen 19. december 2008.
↑ 1 2 3 4 5 Sokolov V. B. Helium // Chemical Encyclopedia : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 513-514. — 623 s. — 100.000 eksemplarer. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Berdonosov S.S. Helium . Great Russian Encyclopedia (2016). Hentet 31. december 2019. Arkiveret fra originalen 31. december 2019. (Russisk)
↑ Kochhar RK Franske astronomer i Indien i det 17. – 19. århundrede // Journal of the British Astronomical Association. - 1991. - Bd. 101 , nr. 2 . - S. 95-100 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Finkelstein D. N. Opdagelse af inerte gasser og Mendeleevs periodiske lov // Inerte gasser . - Ed. 2. - M . : Nauka , 1979. - S. 40-46. — (Videnskabelige og tekniske fremskridt). - 19.000 eksemplarer.
↑ Langlet NA Das Atomgewicht des Heliums (tysk) // 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. Kapitel 14. Uorganisk kemi I. Grundlæggende udviklinger // Udviklingen af moderne kemi . - Ed. 2. - M . : Courier Dover Publications, 1984. - S. 373. - 851 s. — ISBN 0486642356 .
↑ 1 2 3 4 Fastovsky V. G., Rovinsky A. E., Petrovsky Yu. V. Inerte gasser. - Ed. 2. - M .: Atomizdat , 1972. - S. 3-13. — 352 s. - 2400 eksemplarer.
↑ Lockyer JN The Story of Helium // Nature. - 1896. - Bd. 53, nr. 1372 . - S. 342-346.
↑ Okunev V. S. Grundlæggende om anvendt kernefysik og introduktion til reaktorfysik. — 2. udg., rettet. og yderligere - M . : Forlag af MSTU im. N. E. Bauman, 2015. - S. 138.
↑ Bronstein M. P. Solstof; stråler x; Opfinderne af radiotelegrafen. - M . : TERRA - Bogklub, 2002. - 224 s. - (Verden omkring os). — ISBN 5-275-00531-8 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D. N. Helium // Inerte gasser . - Ed. 2. - M . : Nauka , 1979. - S. 111-128. — (Videnskabelige og tekniske fremskridt). - 19.000 eksemplarer.
↑ Kapitsa P. L. Viskositet af flydende helium under λ-punktet (engelsk) // Nature . - 1938. - Bd. 141 . — S. 74.
↑ Rubinin P. E. , Dmitriev V. V. Akademiker P. L. Kapitsa. Egenskaber af flydende helium // Priroda. - 1997. - Nr. 12 . Arkiveret fra originalen den 21. februar 2016.
↑ Aruev N. N. , Neronov Yu . - 2012. - T. 82 , nr. 11 . - S. 116-121 . Arkiveret fra originalen den 14. januar 2020.
↑ Helium: geologisk information . www.webelements.com. Hentet 11. juli 2009. Arkiveret fra originalen 4. august 2020.
↑ Hawking S., Mlodinov L. Kapitel otte. Big Bang, sorte huller og universets udvikling // Tidens korteste historie. - Sankt Petersborg. : Amfora . TID Amphora, 2006. - S. 79-98. - 180 s. - 5000 eksemplarer. - ISBN 5-367-00164-5 .
↑ Weinberg S. V. De første tre minutter // De første tre minutter: Et moderne perspektiv på universets oprindelse . - Ed. 2. - Izhevsk: Forskningscenter "Regular and Chaotic Dynamics", 2000. - S. 105-122. — 272 s. - 1000 eksemplarer. — ISBN 5-93972-013-7 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D.N. Kapitel IV. Inerte gasser på Jorden og i rummet // Inerte gasser . - Ed. 2. - M . : Nauka , 1979. - S. 76-110. - 200 sek. - ("Videnskabelige og tekniske fremskridt"). - 19.000 eksemplarer.
↑ Overflod i jordskorpen (eng.) (utilgængeligt link) . www.webelements.com. Hentet 11. juli 2009. Arkiveret fra originalen 23. maj 2008.
↑ Samarium er ligesom uran og thorium et naturligt forekommende alfa-radioaktivt grundstof.
↑ Forskere har lige opdaget et enormt felt af dyrebar heliumgas i Afrika . Hentet 28. juni 2016. Arkiveret fra originalen 29. juni 2016. (ubestemt)
↑ Kovykta gaskondensatfelt . Hentet 5. august 2019. Arkiveret fra originalen 5. august 2019. (ubestemt)
↑ Chayandinskoye olie- og gaskondensatfelt . Hentet 5. august 2019. Arkiveret fra originalen 5. august 2019. (ubestemt)
↑ Verdens heliummarked - Gazprom Helium Service LLC . Hentet 2. maj 2021. Arkiveret fra originalen 2. maj 2021. (ubestemt)
↑ Flyv til solen: en ny russisk virksomhed vil få indflydelse på det globale heliummarked // Rambler, 18. januar 2020
↑ Hovedleverandøren af helium var OGZ . Hentet 9. juni 2010. Arkiveret fra originalen 9. maj 2010. (ubestemt)
↑ Putin deltog i lanceringen af Amur-gasbehandlingsanlægget . Hentet 9. juni 2021. Arkiveret fra originalen 9. juni 2021. (ubestemt)
↑ The New York Times : Som et resultat af et gennembrud i heliumproduktion kan verden blive afhængig af Rusland Arkiveret 9. december 2020 på Wayback Machine
↑ INK vil bygge den 2. heliumfabrik i Irkutsk-regionen . Hentet 29. september 2021. Arkiveret fra originalen 29. september 2021. (ubestemt)
↑ Petroleum Technology Arkiveret 7. september 2012 på Wayback Machine . Teori og praksis. 2009(4) ISSN 2070-5379.
↑ Øget kapacitet . Hentet 11. marts 2021. Arkiveret fra originalen 23. april 2021. (ubestemt)
↑ Munster A. , Chemical thermodynamics, 2002 , s. 222.
↑ 1 2 Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. , Physics, 1984 , s. 121.
↑ Glagolev K.V., Morozov A.N. , Physical thermodynamics, 2007 , s. 241.
↑ Brodyansky V. M. , Fra fast vand til flydende helium, 1995 , s. 253.
↑ Faustovsky V.G., Rovynsky A.E. Petrovsky Yu.V. inerte gasser. - Ed. 2. - M .: Atomizdat , 1972. - 352 s.
↑ Den første stabile heliumforbindelse • Dagens billede . "Elementer" . Hentet: 21. oktober 2022. (Russisk)
↑ Alexander Voytyuk. Helium blev tvunget til at skabe en stabil kemisk forbindelse . N+1: videnskabelige artikler, nyheder, opdagelser . Hentet: 21. oktober 2022. (Russisk)
↑ L. Pauling . Arten af den kemiske binding / oversættelse fra engelsk. M. E. Dyatkina, red. prof. Ja. K. Syrkina. - M. - L. : GNTI Chemical Literature, 1947. - S. 262. - 440 s.
↑ 1 2 3 Mc Carty RD Termodynamiske egenskaber for helium 4 fra 2 til 1500 K ved tryk til 10 8 Pa // Journal of Physical and Chemical Reference Data. - 1973. - Bd. 2 , nr. 4 . - P. 923-1042 . — ISSN 0047-2689 . - doi : 10.1063/1.3253133 .
↑ Helium - Elementoplysninger, egenskaber og anvendelser | Det periodiske system . www.rsc.org . Hentet: 21. oktober 2022. (ubestemt)
↑ Hampel CA The Encyclopedia of the Chemical Elements. - New York: Van Nostrand Reinhold, 1968. - S. 256–268. — ISBN 978-0-442-15598-8 .
↑ Egenskaber af elementer: Del I. Fysiske egenskaber / Red. G. V. Samsonova. - 2. udg. - M . : Metallurgi, 1976. - S. 366. - 600 s. — 15.000 eksemplarer.
↑ W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
↑ Frish S. E. Optiske spektre af atomer. - M. - L .: Forlag for fysisk og matematisk litteratur , 1963. - S. 69-71. — 640 s.
↑ 1 2 G. W. F. Drake, G. A. Victor, A. Dalgarno. To-foton-henfald af de singlet- og triplet-metastabile tilstande af heliumlignende ioner. Phys. Rev. 180, 25-32 (1969).
↑ G. Breit og E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
↑ RD Ridder. Levetid for den metastabile 2 3 S 1 tilstand i lagrede Li + ioner. - Ph.D.-afhandling. Lawrence Berkeley Laboratory. - 1979. - 136 s.
↑ A. H. Gabriel og C. Jordan. Langbølgelængdesatellitter til de han-lignende ionresonanslinjer i laboratoriet og i solen Arkiveret 31. august 2010 på Wayback Machine . Nature 221, 947 (1969).
↑ HR Griem, spontant enkelt-foton-henfald af 2 3 S 1 i heliumlignende ioner . Astrofys. J. 156, L103 (1969).
↑ G. Feinberg, J. Sucher. Beregning af henfaldshastigheden for 2 3 S 1 → 1 1 S 0 + en foton i helium . Phys. Rev. Lett. 26, 681-684 (1971).
↑ Dette forklares med symmetriovervejelser. Både start- og sluttilstanden af atomet er sfærisk symmetriske og har ikke en foretrukken retning - begge elektroner er i s -tilstand, og det samlede spinmoment er også nul. Emissionen af en foton med et vist momentum kræver krænkelse af denne symmetri.
↑ Heliumundersøgelser bekræfter tilstedeværelsen af olie på Aysky-blokken i Rusland (utilgængeligt link) . Hentet 21. oktober 2011. Arkiveret fra originalen 2. april 2015. (ubestemt)
↑ Statens register over opdagelser af USSR . Yanitsky I. N. Videnskabelig opdagelse nr. 68 "Mønster for fordeling af heliumkoncentration i jordskorpen"
↑ Heliumundersøgelse, en mulig teknik til lokalisering af geotermiske reservoirer. 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 Arkiveret 1. februar 2016 på Wayback Machine .
↑ Musichenko N. I. Mønstre for heliumfordeling i jordskorpen og deres betydning i geokemiske søgninger efter aflejringer af gas, olie og radioaktive grundstoffer [Tekst]: (Metodeanbefalinger) / N. I. Musichenko, V. V. Ivanov; Ministeriet for Geologi i USSR. All-Union. videnskabelig undersøgelse Institut for Nuklear Geofysik og Geokemi "VNIYAGG". - Moskva: [f. and.], 1970. - 228 s., 1 ark.
↑ Pavlov B.N. Problemet med menneskelig beskyttelse under ekstreme forhold i et hyperbarisk habitat (utilgængeligt link) . www.argonavt.com (15. maj 2007). Dato for adgang: 6. juli 2009. Arkiveret fra originalen den 21. august 2011. (Russisk)
↑ 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 blandt midler til selvmordshandlinger // Suicidologi. - 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. Eksperimenter med helium del 8 . Hentet 16. december 2014. Arkiveret fra originalen 15. september 2014. (ubestemt)
↑ Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid. Selvmordskvælning med helium: Rapport om tre tilfælde / Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle (tysk, engelsk) // Wiener Klinische Wochenschrift. - 2007. - T. 119 , nr. 9-10 . - S. 323-325 . - doi : 10.1007/s00508-007-0785-4 . — PMID 17571238 .
↑ Montgomery B. . 2 fundet døde under tømt ballon , Tampa Bay Times (3. juni 2006). Arkiveret fra originalen den 30. december 2013. Hentet 27. september 2016.
↑ To studerende dør efter at have indåndet helium , CBC (4. juni 2006). Arkiveret fra originalen den 31. december 2013. Hentet 27. september 2016.

Litteratur

Brodyansky V. M. Fra fast vand til flydende helium (kuldehistorie) . — M .: Energoatomizdat , 1995. — 336 s. - (Popularvidenskabelige elevens bibliotek). — ISBN 5-283-00176-8.
Glagolev KV, Morozov AN Fysisk termodynamik. — 2. udg., rettet. - M . : Forlag af MSTU im. N. E. Bauman, 2007. - 270 s. — (Fysik ved det tekniske universitet). - ISBN 978-5-7038-3026-0.
Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. Fysik til sekundære specialpædagogiske institutioner. - 4. udg., Rev. — M .: Nauka, 1984. — 512 s.
Münster A. Kemisk termodynamik / Pr. med ham. under. udg. tilsvarende medlem USSR's VidenskabsakademiYa. I. Gerasimova. - 2. udg., slettet. -M.: URSS, 2002. - 296 s. — ISBN 5-354-00217-6.
Evdoshenko Yu.V. Hvordan sovjetisk helium blev opdaget. Til 100-året for heliumindustrien i Rusland // Gasforretning. 2022. nr. 2. S. 79-86 .

Links

Helium på webelementer Arkiveret 9. maj 2008 på Wayback Machine .
Helium på Popular Library of Chemical Elements Arkiveret 20. januar 2007 på Wayback Machine .
Helium Shot Arkiveret 23. januar 2022 på Wayback Machine .
Heliumundersøgelse ved Rustamovskaya-området og Aisky-blokken i Bashkiria Arkivkopi dateret 27. august 2016 på Wayback Machine .

Ordbøger og encyklopædier

Flot dansk
Fantastisk norsk
Stor russer
Great Soviet (1 udg.)
Brockhaus og Efron
jorden rundt
Lille Brockhaus og Efron
Britannica (online)
Brockhaus
Treccani
Universalis

I bibliografiske kataloger
BNF : 11978648w GND : 4132459-6 J9U : 987007555644805171 LCCN : sh85060043 NDL : 00563132 NKC : ph503003

Isotoper af helium
Stald: 3 He: Helium-3 , 4 He: Helium-4 Ustabil (mindre end en dag) : 2 He: Helium-2 ( Diproton ), 5 He: Helium-5 , 6 He: Helium-6 , 7 He: Helium-7 , 8 He: Helium-8 , 9 He: Helium -9 , 10 He: Helium-10
se også. Helium , Tabel over nuklider