ХЕЛИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКОВЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На хелия е химичен елемент със символ Той. Това е първият благороден газ в периодичната таблица и обикновено се намира в крайната дясна част от него. При нормални условия това е инертен газ, тъй като нито едно от малкото му съединения не е стабилно; Освен това се разширява много бързо и е веществото с най-ниската точка на кипене от всички.

На популярно ниво това е добре познат газ, тъй като при безброй събития или детски партита е обичайно да станем свидетели как балон се издига, докато не се изгуби в небето. Обаче това, което наистина и завинаги се губи в ъглите на Слънчевата система и отвъд нея, са хелиевите атоми, които се освобождават, след като балонът избухне или дефлира.

Надути с хелий балони, най-близо до този елемент можете да стигнете в ежедневните ситуации. Източник: Pixabay

Всъщност има такива, които и с основателна причина считат, че балоните с хелий представляват неподходяща практика за този газ. За щастие той има по-важни и интересни приложения, благодарение на своите физични и химични свойства, които го отделят от другите химически елементи.

Например, течният хелий е толкова студен, че може да замрази всичко, като метална сплав, превръщайки го в свръхпроводящ материал. По същия начин това е течност, която проявява свръхтечност, способна да се изкачи по стените на стъклен съд.

Името му идва от факта, че за първи път е идентифициран на Слънцето, а не на Земята. Той е вторият най-изобилен елемент в цялата Вселена и макар концентрацията му да е незначителна в земната кора, тя може да бъде получена от запасите на природен газ и радиоактивни минерали на уран и торий.

Тук хелият демонстрира още един любопитен факт: това е газ, който е много по-изобилен в подпочвата, отколкото в атмосферата, където в крайна сметка избяга от Земята и нейното гравитационно поле.

история

Хелийът не е открит на Земята, а на Слънцето. Всъщност името му идва от гръцката дума „helios“, която означава слънце. Самото съществуване на елемента противоречи на периодичната таблица на Дмитрий Менделеев, тъй като в него нямаше място за нов газ; С други думи, дотогава абсолютно нищо не е подозирано за благородни газове.

Името 'helium', написано като 'helium' на английски език, завършва със суфикса -ium, отнасящ се до него като метал; точно защото съществуването на газ, различен от кислород, водород, флуор, хлор и азот, не можеше да се допусне.

Това име е определено от английския астроном Норман Локър, който е изучавал от Англия това, което е наблюдавано от френския астроном Жул Янсен в Индия, по време на слънчево затъмнение през 1868 година.

Това беше жълта спектрална линия от неизвестен досега елемент. Lockyer твърди, че това се дължи на наличието на нов химичен елемент, открит на Слънцето.

През 1895 г., почти двадесет години по-късно, шотландският химик сър Уилям Рамзи разпознава същия спектър от остатъчен газ, когато изучава радиоактивен минерал: клеветит. Така че и на Земята имаше хелий.

Физични и химични свойства

Външен вид

Ампула с хелиева проба, светеща след токов удар. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Хелият е безцветен газ без мирис и няма инертен ефект. Когато обаче се приложи токов удар и в зависимост от разликата в напрежението, той започва да свети като сивкаво-лилава мъгла (изображение по-горе), след това свети с оранжево сияние. Следователно хелиевите светлини са оранжеви.

Атомно число (Z)

две

Моларна маса

4.002 g / mol

Точка на топене

-272,2 ºC

Точка на кипене

-268,92 ºC

плътност

-0.1786 g / L, при нормални условия, тоест в газова фаза.

-0,145 g / mL, в точката на топене, течен хелий.

-0,125 g / ml, точно когато хелият започне да кипи.

-0.187 g / mL, при 0 К и 25 атм, тоест твърд хелий при тези специфични условия на налягане и температура.

Тройна точка

2.177 K и 5.043 kPa (0.04935 атм)

Критична точка

5.1953 K и 0.22746 MPa (2.2448 атм)

Топлина от синтез

0,0138 kJ / mol

Топлина от изпаряване

0,0829 kJ / mol

Моларен топлинен капацитет

20,78 J / (мол K)

Парно налягане

0.9869 атм при 4.21 K. Тази стойност ви дава представа за това как може да бъде мимолетен хелий и колко лесно може да избяга при стайна температура (близо до 298 К).

Йонизационни енергии

-Първо: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ газообразен)

-Второ: 5250.5 kJ / mol (He ²⁺ газообразни)

Енергиите на йонизацията на хелия са особено високи, тъй като газообразният атом трябва да загуби електрон, който изпитва силен ефективен ядрен заряд. Това може да бъде разбрано и като се разгледа малкият размер на атома и колко „близки“ са двата електрона до ядрото (с неговите два протона и два неутрона).

разтворимост

Във вода 0,97 ml се разтварят на всеки 100 ml вода при 0 ° C, което означава, че тя е слабо разтворима.

реактивност

Хелият е вторият най-реактивен химически елемент в природата. При нормални условия е правилно да се каже, че това е инертен газ; Никога (изглежда) не може хелиево съединение да бъде манипулирано в стая или лаборатория без огромен натиск върху него; или може би драматично високи или ниски температури.

Един пример се вижда в съединението Na ₂ Той, който е стабилен само под налягане от 300 GPa, възпроизведен в диамант наковалня клетка.

Въпреки че химичните връзки в Na ₂ He са "странни", тъй като електроните им са добре разположени в кристалите, те далеч не са прости взаимодействия на Ван дер Уолс и следователно не се състоят просто от хелиеви атоми, хванати от молекулни агрегати., Именно тук възниква дилемата между това кои хелиеви съединения са реални и кои не.

Например, азотните молекули при високо налягане могат да хванат хелиев атом, за да образуват вид клатрат, He (N ₂) ₁₁.

По същия начин има и ендоедричните комплекси от фулреренови катиони, C ₆₀ ^{+ n} и C ₇₀ ^{+ n}, в чиито кухини могат да съхраняват хелиеви атоми; и молекулярният катион HeH ⁺ (He-H ⁺), намиращ се в много далечни мъглявини.

Окислително число

Любопитно, които се опитват да се изчисли степента на окисление на хелий в някоя от неговите съединения ще се установи, че това е равно на 0. В Na ₂ са, например, може да се мисли, че формула съответства на хипотетичен Na ₂ ⁺ I ^2-; но такова би било да се приеме, че той има чист йонски характер, когато в действителност връзките му далеч не са такива.

Освен това хелият не печели електрони, тъй като не може да ги настани в орбиталите 2s, енергийно недостъпни; Нито е възможно да ги загуби, поради малкия размер на атома си и големия ефективен ядрен заряд на ядрото му. Ето защо хелият винаги участва (на теория) като He ⁰ атом в неговите производни съединения.

Структура и електронна конфигурация

Хелият, подобно на всички газове, наблюдавани на макро скала, заема обема на контейнерите, които го съхраняват, като по този начин има неопределена форма. Когато обаче температурата спадне и започне да се охлажда под -269 ° С, газът се кондензира в безцветна течност; хелий I, първата от двете течни фази за този елемент.

Причината хелийът да се кондензира при такава ниска температура се дължи на ниските сили на разсейване, които държат атомите му заедно; каквато и фаза да се счита. Това може да се обясни от електронната му конфигурация:

1s ²

В който два електрона заемат 1s атомна орбитала. Хелиевият атом може да се визуализира като почти перфектна сфера, хомогенната електронна периферия на която е малко вероятно да се поляризира от ефективния ядрен заряд на двата протона в ядрото.

По този начин спонтанните и предизвикани диполни моменти са редки и много слаби; така че температурата трябва да се приближава до абсолютна нула, така че He атомите да се приближават достатъчно бавно и да постигнат, че техните дисперсивни сили определят течност; или още по-добре - хелиев кристал.

димери

В газообразната фаза пространството, което разделя атомите на He, е такова, че може да се предположи, че те винаги са разделени един от друг. Дотолкова, че във флакон с малък обем хелият изглежда безцветен, докато не бъде подложен на електрически разряд, който йонизира атомите му в сивкава и слабо осветена мъгла.

В течната фаза обаче атомите на He, дори при слабите си взаимодействия, вече не могат да бъдат „игнорирани“. Сега силата на разпръскване им позволява за момент да се съединят, за да образуват димери: He-He или He ₂. Следователно, хелий I може да се счита за обширни струпвания на He ₂ в равновесие с неговите атоми във фазата на парата.

Ето защо хелий I е толкова трудно да се разграничи от неговите пари. Ако тази течност се разлее от херметичния й съд, тя избягва като бял пламък.

Хелий II

Когато температурата падне още повече, докосвайки 2 178 К (-270 972 ° С), възниква фазов преход: хелий I се трансформира в хелий II.

От този момент вече завладяващата хелиева течност се превръща в свръх течност или квантова течност; тоест техните макроскопични свойства се проявяват така, сякаш He ₂ димерите са отделни атоми (и може би са такива). Липсва му пълен вискозитет, тъй като няма повърхност, която да спре атом по време на неговото плъзгане или „изкачване“.

Ето защо хелий II може да се изкачи по стените на стъклен съд, преодолявайки силата на гравитацията; колкото и да са високи, стига повърхността да остане при същата температура и следователно да не се изпарява.

Поради това течният хелий не може да се съхранява в стъклени съдове, тъй като може да избяга при най-малка пукнатина или пролука; много подобно на това как би станало с газ. Вместо това за проектиране на такива съдове (резервоари Дюарс) се използва неръждаема стомана.

кристали

Дори ако температурата спадне до 0 K (абсолютна нула), силата на разсейване между атомите на He не би била достатъчно силна, за да ги подреди в кристална структура. За да се получи втвърдяване, налягането трябва да се повиши до приблизително 25 атм; и тогава се появяват компактни шестоъгълни хелиеви кристали (hcp).

Геофизичните проучвания показват, че тази hcp структура остава непроменена, независимо колко се увеличава налягането (до порядъка на гигапаскали, GPa). Съществува обаче тясна област в диаграмата им за температура на налягане, където тези hcp кристали претърпяват преход към телесно центрирана кубична фаза (bcc).

Къде да намеря и получавам

Космос и скали

Хелият представлява вторият най-разпространен елемент във Вселената и 24% от неговата маса. Източник: Pxhere.

Хелият е вторият най-изобилен елемент в цялата Вселена, втори след водорода. Звездите постоянно произвеждат неизмерими количества хелиеви атоми чрез сливане на две водородни ядра по време на процеса на нуклеосинтеза.

По същия начин всеки радиоактивен процес, който излъчва α частици, е източник на производството на хелиеви атоми, ако те взаимодействат с електроните в околната среда; например с тези на скалисто тяло в находища на радиоактивни минерали на уран и торий. Тези два елемента претърпяват радиоактивно разпадане, започвайки от уран:

Радиоактивен разпад на уран при образуването на алфа-частици, които по-късно се трансформират в хелиев атом в подземни находища. Източник: Габриел Боливар.

Следователно, в скалите, където са концентрирани тези радиоактивни минерали, хелиевите атоми ще бъдат хванати в капан, които ще се освободят, след като се усвоят в кисела среда.

Сред някои от тези минерали са клеветит, карнонит и уранинит, всички съставени от уранови оксиди (UO ₂ или U ₃ O ₈) и примеси от торий, тежки метали и рядкоземни части. Хелият, напоен чрез подземни канали, може да се натрупа в резервоари за природен газ, минерални извори или в метеоритни ютии.

Счита се, че в литосферата се произвежда маса хелий, равна на 3000 тона, годишно от радиоактивно разпадане на уран и торий.

Въздух и морета

Хелият не е много разтворим във вода, така че по-рано, отколкото по-късно, той се издига от дълбините (където и да е неговият произход), докато пресече слоевете на атмосферата и накрая достигне космическото пространство. Атомите му са толкова малки и леки, че гравитационното поле на Земята не може да ги задържи в атмосферата.

Поради горното концентрацията на хелий както във въздуха (5,2 ppm), така и в моретата (4 ppt) е много ниска.

Ако човек искаше да го извлече от която и да е от тези две среди, „най-добрият“ вариант би бил въздух, който първо трябва да бъде подложен на втечняване, за да кондензира всички компоненти на газовете си, докато хелият остава в газообразно състояние.

Не е практично да се добива хелий от въздуха, а от скали, обогатени с радиоактивни минерали; или още по-добре, от запасите на природен газ, където хелият може да представлява до 7% от общата му маса.

Втечняване и дестилация на природен газ

Вместо втечняване на въздуха е по-лесно и изгодно да се използва природен газ, чийто състав на хелий безспорно е много по-голям. По този начин суровината par excellence (търговска) за получаване на хелий е природен газ, който също може да бъде подложен на фракционна дестилация.

Крайният продукт на дестилацията е завършено пречистване с активен въглен, през който преминава много чист хелий. И накрая, хелият се отделя от неона чрез криогенен процес, при който се използва течен хелий.

Изотопи

Хелият се среща предимно в природата като изотопа ⁴ He, чието голо ядро ​​е известната α частица. Този ⁴ He атом има два неутрона и два протона. В по-малко изобилие е изотопът ³ He, който има само един неутрон. Първият е по-тежък (има по-висока атомна маса) от втория.

По този начин изотопната двойка ³ He и ⁴ He са тези, които определят измеримите свойства и това, което ние разбираме за хелий като химичен елемент. Като се има предвид, че ³ Той е по-лек, се приема, че неговите атоми имат по-висока кинетична енергия и следователно те се нуждаят от още по-ниска температура, за да се слеят в свръхтечност.

На ³ Той е считан за много редки видове тук, на земята; в лунните почви обаче той е по-обилен (приблизително 2000 пъти повече). Ето защо Луната е обект на проекти и истории като възможен източник на ³ He, който може да се използва като ядрено гориво за космическите кораби на бъдещето.

Сред другите изотопи на хелий могат да бъдат споменати със съответния полуживот: ⁵ He (t _1/2 = 7.6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0.8 s) и ⁸ He (t _1/2 = 0,191 s).

Рискове

Хелият е инертен газ и следователно не участва в никоя от реакциите, протичащи в нашите тела.

Атомите му практически влизат и издишват без взаимодействията им с биомолекули, произвеждащи краен ефект; освен в звука, излъчван от гласните струни, които стават по-високи и по-чести.

Хората, които вдишват хелия от балон (умерено), говорят с висок глас, подобен на този на катеричка (или патица).

Проблемът е, че ако такъв човек вдишва неподходящо количество хелий, той рискува да се задуши, тъй като неговите атоми изместват молекулите на кислорода; и следователно няма да можете да дишате, докато не издишате целия този хелий, който от своя страна поради натиска му може да разкъса белодробната тъкан или да причини баротравма.

Съобщават се случаи на хора, починали от вдишване на хелий, поради това, което току-що беше обяснено.

От друга страна, въпреки че не представлява риск от пожар поради липсата на реактивност спрямо кислород (или друго вещество), ако той се съхранява под високо налягане и избяга, изтичането му може да бъде физически опасно.

Приложения

Физичните и химичните свойства на хелия го правят не само специален газ, но и много полезно вещество за приложения, изискващи изключително ниски температури. В този раздел ще бъдат разгледани някои от тези приложения или приложения.

Системи под налягане и обезвъздушаване

В някои системи е необходимо да се увеличи налягането (под налягане) и за това трябва да се впръска или достави газ, който не взаимодейства с нито един от неговите компоненти; например с реагенти или повърхности, чувствителни към нежелани реакции.

По този начин налягането може да се увеличи с обеми хелий, чиято химическа инертност го прави идеален за тази цел. Инертната атмосфера, която осигурява, превишава в определени случаи тази на азота.

За обратния процес, тоест за прочистването, хелият също се използва поради способността си да улавя целия кислород, водни пари или друг газ, чието присъствие искате да премахнете. По този начин налягането на системата се намалява, след като хелият се изпразни.

Детекции на течове

Хелият може да изтече през най-малката пукнатина, така че служи и за откриване на течове в тръби, контейнери с висок вакуум или криогенни резервоари.

Понякога откриването може да се направи визуално или чрез докосване; въпреки това, това е най-вече детектор, който "сигнализира" къде и колко хелий избягва от контролираната система.

Носещ газ

Хелиевите атоми, както е споменато за системите за очистване, могат да носят със себе си, в зависимост от тяхното налягане, по-тежки молекули. Например този принцип се използва ежедневно при анализ на газова хроматография, тъй като може да влачи атомизираната проба по колоната, където тя взаимодейства със стационарната фаза.

Балони и дирижабли

Хелият се използва за надуване на дирижабли и е много по-безопасен от водорода, тъй като не е запалим газ. Източник: Pixabay

Поради ниската си плътност в сравнение с въздуха и отново липсата на реактивност с кислород, той се използва за надуване на балони на детски партита (смесени с кислород, така че никой да не се задушава от дишането му) и дирижабли (отгоре изображение), без да представлява риск от пожар.

гмуркане

Хелият е един от основните компоненти на кислородните резервоари, с които дишащите дишат. Източник: Pxhere.

Когато водолазите се спускат на по-големи дълбочини, им е трудно да дишат поради големия натиск, упражняван от водата. Ето защо хелий се добавя към техните кислородни резервоари, за да намали плътността на газа, който гмуркачите дишат и издишват, и по този начин той може да бъде издишан с по-малко работа.

Дъгови заварки

В процеса на заваряване електрическата дъга осигурява достатъчно топлина, за да се съберат двата метала. Ако се проведе в хелиева атмосфера, нажежаемият метал няма да реагира с кислорода във въздуха, за да се превърне в съответния оксид; следователно хелият не позволява това да се случи.

свръхпроводници

Течният хелий се използва за охлаждане на магнитите, използвани в скенери за ядрено-магнитен резонанс. Източник: Ян Айнали

Течният хелий е толкова студен, че може да замръзне металите в свръхпроводници. Благодарение на това стана възможно производството на много мощни магнити, които, охладени с течен хелий, са използвани в скенери за изображения или спектрометри за ядрено-магнитен резонанс.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17 април 2019 г.). Хелиевият хидриден йон, открит в космоса за първи път: открити доказателства за неуловима химия от първите минути на Вселената. Възстановено от: chemistryworld.com
3. Питър Уотърс. (19 август 2009 г.). Хелий. Химия в своя елемент. Възстановено от: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Хелий. Възстановено от: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Кристална структура и плътност на хелий до 232 Kbar. Възстановено от: articles.adsabs.harvard.edu
6. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Хелий. PubChem база данни. CID = 23987. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Мери-Ан Муфолето. (6 февруари 2017 г.). Горе, нагоре и далеч: Химиците казват „да“, хелият може да образува съединения. Държавен университет в Юта. Възстановено от: phys.org
8. Стив Гагън. (SF). Изотопи на хелия на елемента. Jefferson Lab. Възстановена от: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Хелий. Възстановена от: chemistryexplained.com