ГЕЛИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Гелий является химическим элементом с символом He. Это первый благородный газ в периодической таблице Менделеева, и обычно он находится в крайнем правом углу. В нормальных условиях это инертный газ, поскольку ни одно из его немногих соединений не является стабильным; Он также очень быстро расширяется и является веществом с самой низкой температурой кипения из всех.

На популярном уровне это хорошо известный газ, так как на бесчисленных мероприятиях или детских праздниках часто можно наблюдать, как воздушный шар поднимается, пока не теряется в небе. Однако то, что на самом деле и навсегда потеряно для углов Солнечной системы и за ее пределами, - это атомы гелия, которые высвобождаются при взрыве или сдутии воздушного шара.

Надувные гелиевые шары, максимально приближенные к этому элементу в повседневных ситуациях. Источник: Pixabay.

Фактически, есть те, кто и не без оснований считает, что воздушные шары с гелием не подходят для этого газа. К счастью, он имеет более важное и интересное применение благодаря своим физическим и химическим свойствам, которые отделяют его от других химических элементов.

Например, жидкий гелий настолько холоден, что может заморозить что угодно, например металлический сплав, превратив его в сверхпроводящий материал. Точно так же это жидкость, которая проявляет сверхтекучесть, способная взбираться по стенкам стеклянной емкости.

Его название связано с тем, что он был впервые идентифицирован на Солнце, а не на Земле. Это второй по распространенности элемент во всей Вселенной, и, хотя его концентрация в земной коре незначительна, его можно получить из запасов природного газа и радиоактивных минералов урана и тория.

Здесь гелий демонстрирует еще один любопытный факт: это газ, которого в недрах гораздо больше, чем в атмосфере, где он в конечном итоге улетает из Земли и ее гравитационного поля.

история

Гелий был открыт не на Земле, а на Солнце. Фактически, его название происходит от греческого слова «гелиос», что означает солнце. Само по себе существование элемента контрастировало с периодической таблицей Дмитрия Менделеева, поскольку в ней не было места для нового газа; Другими словами, к тому времени о благородных газах не подозревали абсолютно ничего.

Название «гелий», написанное на английском языке как «гелий», заканчивалось суффиксом -ium, обозначающим его как металл; именно потому, что нельзя было допустить существование газа, отличного от кислорода, водорода, фтора, хлора и азота.

Это имя назвал английский астроном Норман Локьер, изучавший в Англии то, что наблюдал французский астроном Жюль Янссен в Индии во время солнечного затмения в 1868 году.

Это была желтая спектральная линия неизвестного до сих пор элемента. Локьер утверждал, что это произошло из-за присутствия нового химического элемента, обнаруженного на Солнце.

В 1895 году, почти двадцать лет спустя, шотландский химик сэр Уильям Рамзи обнаружил такой же спектр остаточного газа, когда изучал радиоактивный минерал: клевеит. Значит, здесь, на Земле, тоже был гелий.

Физические и химические свойства

Внешность

Ампула с образцом гелия, светящимся после удара током. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Гелий - это бесцветный газ без запаха, не имеющий вкуса и инертный. Однако при поражении электрическим током, в зависимости от разницы напряжений, он начинает светиться серо-фиолетовой дымкой (изображение выше), а затем светиться оранжевым свечением. Следовательно, гелиевые огни оранжевые.

Атомный номер (Z)

два

Молярная масса

4,002 г / моль

Температура плавления

-272,2 ºC

Точка кипения

-268,92 ºC

плотность

-0,1786 г / л, в нормальных условиях, то есть в газовой фазе.

-0,145 г / мл, при температуре плавления жидкий гелий.

-0,125 г / мл, когда гелий закипает.

-0,187 г / мл, при 0 К и 25 атм, то есть твердый гелий при этих конкретных условиях давления и температуры.

Тройная точка

2,177 К и 5,043 кПа (0,04935 атм)

Критическая точка

5,1953 К и 0,22746 МПа (2,2448 атм)

Теплота плавления

0,0138 кДж / моль

Теплота испарения

0,0829 кДж / моль

Молярная теплоемкость

20,78 Дж / (моль К)

Давление газа

0,9869 атм при 4,21 К. Это значение дает представление о том, насколько быстрым может быть гелий и насколько легко он может улетучиваться при комнатной температуре (близкой к 298 К).

Энергии ионизации

-Первый: 2372,3 кДж / моль (He ⁺ газообразный)

-Второй: 5250,5 кДж / моль (He ²⁺ газообразный)

Энергии ионизации гелия особенно высоки, потому что газовый атом должен потерять электрон, который испытывает сильный эффективный ядерный заряд. Это также можно понять, учитывая небольшой размер атома и то, насколько «близки» два электрона к ядру (с его двумя протонами и двумя нейтронами).

Растворимость

В воде растворяется 0,97 мл на каждые 100 мл воды при 0 ºC, что означает, что она плохо растворяется.

Реактивность

Гелий - второй наименее реактивный химический элемент в природе. В нормальных условиях можно сказать, что это инертный газ; Никогда (кажется) нельзя манипулировать соединением гелия в комнате или лаборатории без воздействия на него огромного давления; или, возможно, резко высокие или низкие температуры.

Примером может служить соединение Na ₂ He, устойчивое только при давлении 300 ГПа, воспроизводимое в ячейке с алмазной наковальней.

Хотя химические связи в Na ₂ He являются «странными», потому что их электроны хорошо расположены в кристаллах, они далеки от простых взаимодействий Ван-дер-Уоллса и, следовательно, не состоят просто из атомов гелия, захваченных молекулярными агрегатами. , Именно здесь возникает дилемма между тем, какие соединения гелия реальны, а какие нет.

Например, молекулы азота при высоком давлении могут захватить атом гелия с образованием клатрата He (N ₂ ) ₁₁ .

Аналогичным образом существуют эндоэдральные комплексы катионов фуллеренов C ₆₀ ^{+ n} и C ₇₀ ^{+ n} , в полостях которых они могут содержать атомы гелия; и молекулярный катион HeH ⁺ (He-H ⁺ ), обнаруженный в очень далеких туманностях.

Число окисления

Любопытство , которые пытаются , чтобы вычислить число окисления для гелия в любом из его соединений будет установлено , что это равно 0. В Na ₂ имеет, например, мог бы подумать , что формула соответствует гипотетическому Na ₂ ⁺ I ^2- ; но это означало бы предположить, что он имеет чисто ионный характер, хотя на самом деле его связи далеки от таковых.

Кроме того, гелий не получает электроны, потому что он не может разместить их на 2s-орбитали, энергетически недоступен; Он также не может потерять их из-за небольшого размера атома и большого эффективного ядерного заряда его ядра. Вот почему гелий всегда участвует (теоретически) как атом He ⁰ в своих производных соединениях.

Структура и электронная конфигурация

Гелий, как и все газы, наблюдаемые в макроуровне, занимает объем емкостей, в которых он хранится, поэтому имеет неопределенную форму. Однако, когда температура падает и начинает охлаждаться ниже -269 ºC, газ конденсируется в бесцветную жидкость; гелий I, первая из двух жидких фаз этого элемента.

Причина, по которой гелий конденсируется при такой низкой температуре, связана с низкими силами рассеяния, которые удерживают его атомы вместе; независимо от рассматриваемой фазы. Это можно объяснить его электронной конфигурацией:

1с ²

В котором два электрона занимают атомную орбиталь 1s. Атом гелия можно представить как почти идеальную сферу, однородная электронная периферия которой вряд ли будет поляризована эффективным ядерным зарядом двух протонов в ядре.

Таким образом, спонтанные и индуцированные дипольные моменты редки и очень слабы; поэтому температура должна приближаться к абсолютному нулю, чтобы атомы He сближались достаточно медленно и достигали того, чтобы их дисперсионные силы определяли жидкость; а еще лучше кристалл гелия.

димеры

В газовой фазе пространство, разделяющее атомы He, таково, что можно предположить, что они всегда отделены друг от друга. Настолько, что в пузырьке небольшого объема гелий кажется бесцветным, пока не подвергнется электрическому разряду, который ионизирует его атомы в сероватой дымке и не очень яркой.

Однако в жидкой фазе атомы He, даже при их слабом взаимодействии, уже нельзя «игнорировать». Теперь рассеивающая сила позволяет им на мгновение объединяться в димеры: He-He или He ₂ . Следовательно, гелий I можно рассматривать как обширные кластеры He _{2, находящиеся} в равновесии с его атомами в паровой фазе.

Вот почему гелий I так трудно отличить от его паров. Если эта жидкость вылита из герметичного контейнера, она улетучится в виде беловатого пятна.

Гелий II

Когда температура падает еще больше, до 2178 K (-270 972 ºC), происходит фазовый переход: гелий I превращается в гелий II.

С этого момента и без того очаровательная гелиевая жидкость становится сверхтекучей или квантовой жидкостью; то есть их макроскопические свойства проявляются так, как если бы димеры He ₂ были отдельными атомами (а, возможно, так оно и есть). Ему не хватает полной вязкости, так как нет поверхности, которая могла бы остановить атом во время его скольжения или «подъема».

Поэтому гелий II может взбираться по стенкам стеклянной емкости, преодолевая силу тяжести; независимо от того, насколько они высоки, при условии, что поверхность остается при той же температуре и, следовательно, не испаряется.

Из-за этого жидкий гелий нельзя хранить в стеклянной таре, так как он улетучится при малейшей трещине или щели; очень похоже на то, как это было бы с газом. Вместо этого для изготовления таких сосудов (резервуаров Дьюара) используется нержавеющая сталь.

Кристаллы

Даже если бы температура упала до 0 К (абсолютный ноль), сила рассеяния между атомами He не была бы достаточно сильной, чтобы упорядочить их в кристаллическую структуру. Чтобы произошло затвердевание, давление должно подняться примерно до 25 атм; затем появляются компактные гексагональные кристаллы гелия (ГПУ).

Геофизические исследования показывают, что эта ГПУ-структура остается неизменной независимо от того, насколько увеличивается давление (до гигапаскалей, ГПа). Однако на их диаграмме давление-температура есть узкая область, где эти кристаллы ГПУ переходят в объемно-центрированную кубическую фазу (ОЦК).

Где найти и получить

Космос и скалы

Гелий представляет собой второй по численности элемент во Вселенной и составляет 24% от ее массы. Источник: Pxhere.

Гелий - второй по распространенности элемент во всей Вселенной, уступающий только водороду. Звезды постоянно производят неизмеримое количество атомов гелия путем слияния двух ядер водорода в процессе нуклеосинтеза.

Точно так же любой радиоактивный процесс, который испускает α-частицы, является источником образования атомов гелия, если они взаимодействуют с электронами в окружающей среде; например, с каменным телом в месторождениях радиоактивных минералов урана и тория. Эти два элемента подвергаются радиоактивному распаду, начиная с урана:

Радиоактивный распад урана с образованием альфа-частиц, которые позже превращаются в атом гелия в подземных отложениях. Источник: Габриэль Боливар.

Следовательно, в породах, в которых сконцентрированы эти радиоактивные минералы, будут захвачены атомы гелия, которые будут высвобождаться после их переваривания в кислой среде.

Среди некоторых из этих минералов - клевеит, карнотит и уранинит, все они состоят из оксидов урана (UO ₂ или U ₃ O ₈ ) и примесей тория, тяжелых металлов и редкоземельных элементов. Гелий, орошаемый через подземные каналы, может накапливаться в резервуарах природного газа, минеральных источниках или в метеоритных утюгах.

По оценкам, в литосфере в результате радиоактивного распада урана и тория ежегодно образуется масса гелия, эквивалентная 3000 тонн.

Воздух и море

Гелий не очень хорошо растворяется в воде, поэтому рано или поздно он поднимается из глубин (где бы он ни был), пока не пересечет слои атмосферы и наконец не достигнет космического пространства. Его атомы настолько малы и легки, что гравитационное поле Земли не может удержать их в атмосфере.

В связи с этим концентрация гелия как в воздухе (5,2 частей на миллион), так и в море (4 частей на миллион) очень низка.

Если бы затем захотелось извлечь его из любой из этих двух сред, «лучшим» вариантом был бы воздух, в котором его сначала нужно было бы подвергнуть сжижению, чтобы сконденсировать все составляющие его газы, пока гелий остается в газообразном состоянии.

Однако нецелесообразно получать гелий из воздуха, а только из горных пород, обогащенных радиоактивными минералами; или, что еще лучше, из запасов природного газа, где гелий может составлять до 7% от его общей массы.

Сжижение и перегонка природного газа

Вместо сжижения воздуха проще и выгоднее использовать природный газ, гелиевый состав которого, несомненно, намного больше. Таким образом, преимущественно (товарным) сырьем для получения гелия является природный газ, который также можно подвергнуть фракционной перегонке.

Конечный продукт перегонки очищается активированным углем, через который проходит очень чистый гелий. И, наконец, гелий отделяется от неона с помощью криогенного процесса, в котором используется жидкий гелий.

Изотопы

Гелий встречается в природе преимущественно как изотоп ⁴ He, голым ядром которого является знаменитая α-частица. У этого атома ⁴ He два нейтрона и два протона. Менее распространен изотоп ³ He, имеющий только один нейтрон. Первый тяжелее (имеет большую атомную массу), чем второй.

Таким образом, пара изотопов ³ He и ⁴ He определяет измеряемые свойства и то, что мы понимаем о гелии как химическом элементе. Поскольку ³ He легче, следует предположить, что его атомы имеют более высокую кинетическую энергию и, следовательно, требуют еще более низкой температуры для объединения в сверхтекучую среду.

³ Он считается очень редкими видами здесь на Земле; однако в лунных почвах его больше (примерно в 2000 раз). Вот почему Луна была предметом проектов и историй как возможный источник ³ He, который можно было бы использовать в качестве ядерного топлива для космических кораблей будущего.

Среди других изотопов гелия можно упомянуть с их соответствующими периодами полураспада: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 10 ⁻²² с), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 с) и ⁸ He. (t _1/2 = 0,119 с).

риски

Гелий - инертный газ, поэтому он не участвует ни в каких реакциях, происходящих в нашем организме.

Его атомы практически входят и выходят на выдохе без их взаимодействия с биомолекулами, производящего скрытый эффект; за исключением звука, издаваемого голосовыми связками, который становится выше и чаще.

Люди, вдыхающие гелий из воздушного шара (в умеренных количествах), говорят высоким голосом, похожим на голос белки (или утки).

Проблема в том, что если такой человек вдохнет несоответствующее количество гелия, он рискует задохнуться, поскольку его атомы вытесняют молекулы кислорода; и поэтому вы не сможете дышать, пока не выдохнете весь этот гелий, который, в свою очередь, из-за своего давления может разорвать легочную ткань или вызвать баротравму.

Сообщалось о случаях смерти людей от вдыхания гелия из-за того, что было только что объяснено.

С другой стороны, хотя он не представляет опасности возгорания из-за отсутствия реакционной способности по отношению к кислороду (или другому веществу), если он хранится под высоким давлением и улетучивается, его утечка может быть физически опасной.

Приложения

Физические и химические свойства гелия делают его не только особым газом, но и очень полезным веществом для применений, требующих чрезвычайно низких температур. В этом разделе будут рассмотрены некоторые из этих приложений или применений.

Системы давления и стравливания

В некоторых системах необходимо увеличивать давление (повышать давление), и для этого необходимо нагнетать или подавать газ, который не взаимодействует ни с одним из его компонентов; например, с реагентами или поверхностями, чувствительными к нежелательным реакциям.

Таким образом, давление может быть увеличено с помощью объемов гелия, химическая инертность которого делает его идеальным для этой цели. Создаваемая им инертная атмосфера в некоторых случаях превышает атмосферу азота.

Для обратного процесса, то есть продувки, также используется гелий из-за его способности уносить весь кислород, водяные пары или любой другой газ, присутствие которого вы хотите удалить. Таким образом давление в системе снижается после слива гелия.

Обнаружение утечек

Гелий может просачиваться через малейшую трещину, поэтому он также служит для обнаружения утечек в трубах, высоковакуумных контейнерах или криогенных резервуарах.

Иногда обнаружение можно производить визуально или на ощупь; однако в основном это детектор, который «сигнализирует», где и сколько гелия выходит из проверяемой системы.

Газ-носитель

Атомы гелия, как упоминалось для систем продувки, могут уносить с собой, в зависимости от их давления, более тяжелые молекулы. Например, этот принцип используется ежедневно при газовом хроматографическом анализе, поскольку он может перетаскивать распыленный образец вдоль колонки, где он взаимодействует с неподвижной фазой.

Воздушные шары и дирижабли

Гелий используется для надувания дирижаблей и намного безопаснее, чем водород, потому что это негорючий газ. Источник: Pixabay.

Из-за его низкой плотности по сравнению с воздухом и, опять же, отсутствия реакции с кислородом, он использовался для надувания воздушных шаров на детских праздниках (смешанных с кислородом, чтобы никто не задохнулся, дыша им) и дирижаблей (верхнее изображение) , не представляя опасности возгорания.

Дайвинг

Гелий - один из основных компонентов кислородных баллонов, которыми дышат дайверы. Источник: Pxhere.

Когда дайверы спускаются на большую глубину, им становится трудно дышать из-за сильного давления, оказываемого водой. Вот почему в их кислородные баллоны добавляют гелий, чтобы уменьшить плотность газа, которым дайверы дышат и выдыхают, и, таким образом, его можно выдохнуть с меньшими усилиями.

Дуговая сварка

В процессе сварки электрическая дуга обеспечивает достаточно тепла для соединения двух металлов. Если проводить в атмосфере гелия, раскаленный металл не будет реагировать с кислородом воздуха, чтобы стать его соответствующим оксидом; следовательно, гелий предотвращает это.

Сверхпроводники

Жидкий гелий используется для охлаждения магнитов, используемых в сканерах ядерного магнитного резонанса. Источник: Ян Айнали

Жидкий гелий настолько холоден, что может превращать металлы в сверхпроводники. Благодаря этому стало возможным изготавливать очень мощные магниты, которые, охлаждаемые жидким гелием, использовались в сканерах изображений или спектрометрах ядерного магнитного резонанса.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Энди Экстенс. (17 апреля 2019 г.). Ион гидрида гелия, обнаруженный в космосе впервые: свидетельство неуловимой химии, обнаруженное с первых минут Вселенной. Получено с: chemistryworld.com
3. Питер Уотерс. (19 августа 2009 г.). Гелий. Химия в своей стихии. Получено с: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Гелий. Получено с: en.wikipedia.org
5. Мао, ХК, Ву, Ю., Джефкоат, А.П., Хемли, Р.Дж., Белл, П.М., и Бассетт, Вашингтон, 1988 г. Кристаллическая структура и плотность гелия до 232 кбар. Получено с: article.adsabs.harvard.edu
6. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Гелий. База данных PubChem. CID = 23987. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Мэри-Энн Маффолетто. (6 февраля 2017 г.). Вверх, вверх и в сторону: химики говорят «да», гелий может образовывать соединения. Государственный университет Юты. Получено с: Phys.org
8. Стив Ганьон. (SF). Изотопы элемента гелия. Лаборатория Джефферсона. Источник: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Гелий. Получено с: chemistryexplained.com