Helyum: özellikleri, özellikleri, uygulamaları

2024 Yazar: Angel Austin | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-02 17:57

Helyum, periyodik tablonun 18. grubunda yer alan bir soy gazdır. Hidrojenden sonra en hafif ikinci elementtir. Helyum, -268.9 °C'de sıvı hale gelen renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Kaynama ve donma noktaları bilinen diğer maddelerden daha düşüktür. Normal atmosfer basıncında soğutulduğunda katılaşmayan tek elementtir. Helyumun katılaşması için 1 K'de 25 atmosfer gerekir.

Keşif geçmişi

Helyum, 1868'de bir tutulma sırasında güneş kromosferinin tayfında parlak sarı bir çizgi keşfeden Fransız gökbilimci Pierre Jansen tarafından Güneş'i çevreleyen gazlı atmosferde keşfedildi. Bu çizginin başlangıçta sodyum elementini temsil ettiği düşünülüyordu. Aynı yıl, İngiliz gökbilimci Joseph Norman Lockyer güneş tayfında D₁ ve D₂ bilinen sodyum çizgilerine karşılık gelmeyen sarı bir çizgi gözlemledi.ve bu yüzden onun hattına D_{3 adını verdi. Lockyer, buna Dünya'da bilinmeyen Güneş'teki bir maddenin neden olduğu sonucuna vardı. O ve kimyager Edward Frankland element adına kullandıGüneş'in Yunanca adı Helios'tur.}

1895'te İngiliz kimyager Sir William Ramsay, Dünya'da helyumun varlığını kanıtladı. Uranyum içeren mineral kleveitin bir örneğini aldı ve ısıtıldığında oluşan gazları inceledikten sonra, spektrumdaki parlak sarı çizginin, gözlemlenen D_{3 çizgisiyle çakıştığını buldu. Güneşin spektrumu. Böylece, yeni eleman nihayet kuruldu. 1903'te Ramsay ve Frederick Soddu, helyumun radyoaktif maddelerin kendiliğinden bozunma ürünü olduğunu belirlediler.}

Doğada yayılma

Helyumun kütlesi, evrenin tüm kütlesinin yaklaşık %23'ü kadardır ve element uzayda en bol bulunan ikinci elementtir. Termonükleer füzyonun bir sonucu olarak hidrojenden oluştuğu yıldızlarda yoğunlaşmıştır. Helyum, dünya atmosferinde 200 binde 1 kısım (5 ppm) konsantrasyonunda bulunmasına ve radyoaktif minerallerde, göktaşı demirinde ve mineral kaynaklarda az miktarda bulunmasına rağmen, elementin büyük bir kısmı Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunur (özellikle Teksas, New York'ta) Meksika, Kansas, Oklahoma, Arizona ve Utah) doğal gazın bir bileşeni olarak (%7,6'ya kadar). Avustralya, Cezayir, Polonya, Katar ve Rusya'da küçük rezervler bulundu. Yerkabuğunda, helyum konsantrasyonu sadece yaklaşık 8 ppb'dir.

İzotoplar

Her helyum atomunun çekirdeği iki proton içerir, ancak diğer elementler gibi izotopları vardır. Bir ila altı nötron içerirler, bu nedenle kütle numaraları üç ila sekiz arasında değişir. Kararlı olanlar, helyum kütlesi 3 (³He) ve 4 (⁴He) atom numaralarıyla belirlenen elementlerdir. Geri kalan her şey radyoaktiftir ve çok hızlı bir şekilde diğer maddelere bozunur. Karasal helyum, gezegenin orijinal bileşeni değildir, radyoaktif bozunma sonucu oluşmuştur. Ağır radyoaktif maddelerin çekirdekleri tarafından yayılan alfa parçacıkları, ⁴He izotopunun çekirdeğidir. Helyum, atmosferde büyük miktarlarda birikmez, çünkü Dünya'nın yerçekimi, yavaş yavaş uzaya kaçmasını önleyecek kadar güçlü değildir. ³O'nun Dünya'daki izleri, nadir element hidrojen-3'ün (trityum) negatif beta bozunması ile açıklanmaktadır. ⁴O, kararlı izotopların en bol olanıdır: ⁴He atomlarının ^{3He'ye oranı atmosferde yaklaşık 700 bin ila 1 ve bazı helyum içeren minerallerde yaklaşık 7 milyon ila 1'dir.}

Helyumun fiziksel özellikleri

Bu elementin kaynama ve erime noktaları en düşüktür. Bu nedenle helyum, aşırı koşullar dışında bir gaz olarak bulunur. Gaz halinde O, suda diğer gazlardan daha az çözünür ve katılarda yayılma hızı havanınkinin üç katıdır. Kırılma indisi 1'e en yakın olanıdır

Helyumun termal iletkenliği yalnızca hidrojenden sonra ikinci sıradadır ve özgül ısı kapasitesi alışılmadık şekilde yüksektir. Normal sıcaklıklarda genleşme sırasında ısınır ve 40 K'nin altına soğur. Bu nedenle, T<40 K'da helyum,genişleme yoluyla sıvı.

Bir element iyonize halde değilse bir dielektriktir. Diğer soy gazlar gibi, helyum da voltaj iyonizasyon potansiyelinin altında kaldığında elektriksel deşarjda iyonize kalmasına izin veren yarı kararlı enerji seviyelerine sahiptir.

Helyum-4, iki sıvı formu olması bakımından benzersizdir. Sıradan, helyum I olarak adlandırılır ve 4,21 K (-268,9 °C) ile yaklaşık 2,18 K (-271 °C) arasında değişen sıcaklıklarda bulunur. 2.18 K'nin altında, 4He'nin termal iletkenliği bakırınkinin 1000 katı olur. Bu forma, normal formdan ayırt etmek için helyum II denir. Süper akışkandır: viskozite o kadar düşüktür ki ölçülemez. Helyum II, dokunduğu her şeyin yüzeyinde ince bir film halinde yayılır ve bu film yerçekimine karşı bile sürtünmesiz akar.

Daha az miktarda bulunan helyum-3, ikisi süperakışkan olan üç farklı sıvı faz oluşturur. ⁴'deki süperakışkanlık 1930'ların ortalarında Sovyet fizikçi Pyotr Leonidovich Kapitsa tarafından keşfedildi ve aynı fenomen ^{3'da ilk kez tarafından fark edildi. 1972'de ABD'den Douglas D Osherov, David M. Lee ve Robert S. Richardson.}

0,8 K (-272,4 °C) altındaki sıcaklıklarda iki helyum-3 ve -4 izotopunun sıvı karışımı iki katmana ayrılır - neredeyse saf ³He ve⁴He ile %6 helyum-3 karışımı. ³He'nin ^{4He'ye çözünmesine, helyum sıcaklığının düştüğü kriyostatların tasarımında kullanılan bir soğutma etkisi eşlik eder.0,01 K'nin (-273,14 °C) altında ve orada birkaç gün muhafaza edildi.}

Bağlantılar

Normal koşullar altında helyum kimyasal olarak inerttir. Aşırı koşullarda, normal sıcaklık ve basınçlarda stabil olmayan eleman bağlantıları oluşturabilirsiniz. Örneğin helyum, elektronlarla bombardıman edildiğinde veya plazma durumunda elektriksel bir parıltı deşarjına maruz kaldığında iyot, tungsten, flor, fosfor ve kükürt içeren bileşikler oluşturabilir. Böylece HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ ve He₂ moleküler iyonları oluşturuldu+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{ve HeD+}. Bu teknik aynı zamanda He² ve HgHe nötr moleküllerini elde etmeyi mümkün kıldı.

Plazma

Evrende iyonize helyum ağırlıklı olarak dağılmıştır ve özellikleri molekülerden önemli ölçüde farklıdır. Elektronları ve protonları bağlı değildir ve kısmen iyonize halde bile çok yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. Yüklü parçacıklar, manyetik ve elektrik alanlarından güçlü bir şekilde etkilenir. Örneğin, güneş rüzgarında, iyonize hidrojenle birlikte helyum iyonları, Dünya'nın manyetosferiyle etkileşime girerek auroralara neden olur.

ABD keşfi

1903'te bir kuyu açıldıktan sonra Dexter, Kansas'ta yanıcı olmayan gaz elde edildi. Başlangıçta, helyum içerdiği bilinmiyordu. Hangi gazın bulunduğu devlet jeologu Erasmus Haworth tarafından belirlendi.bunun örneklerini ve Kansas Üniversitesi'nde kimyager Cady Hamilton ve David McFarland'ın yardımıyla %72 nitrojen, %15 metan, %1 hidrojen içerdiğini ve %12'sinin tanımlanmadığını tespit etti. Daha fazla analizden sonra, bilim adamları örneğin % 1.84'ünün helyum olduğunu buldular. Böylece bu kimyasal elementin Great Plains'in bağırsaklarında büyük miktarlarda bulunduğunu ve buradan doğal gazdan çıkarılabileceğini öğrendiler.

Endüstriyel üretim

Bu, Amerika Birleşik Devletleri'ni helyum üretiminde dünya lideri yaptı. Sir Richard Threlfall'ın önerisiyle ABD Donanması, I. Dünya Savaşı sırasında baraj balonlarına hafif, yanıcı olmayan bir kaldırma gazı sağlamak amacıyla bu maddeyi üretmek için üç küçük deney tesisine fon sağladı. Daha önce 100 litreden daha az gaz üretilmiş olmasına rağmen, program toplam 5.700 m3 %92 He üretti. Bu hacmin bir kısmı, 7 Aralık 1921'de Hampton Roads, Virginia'dan Bolling Field, Washington, DC'ye ilk seferini yapan, dünyanın ilk helyum zeplin olan ABD Donanması C-7'de kullanıldı.

Düşük sıcaklıkta gaz sıvılaştırma süreci o dönemde I. Dünya Savaşı sırasında önemli olacak kadar gelişmemiş olsa da üretim devam etti. Helyum esas olarak uçaklarda kaldırma gazı olarak kullanılmıştır. Korumalı ark kaynağında kullanıldığında, II. Dünya Savaşı sırasında ona olan talep arttı. Element atom bombası projesinde de önemliydi. Manhattan.

ABD Ulusal Hisse Senedi

1925'te Amerika Birleşik Devletleri hükümeti, savaş zamanlarında askeri hava gemileri ve barış zamanlarında ticari hava gemileri sağlamak amacıyla Teksas, Amarillo'da Ulusal Helyum Rezervi'ni kurdu. Dünya Savaşı'ndan sonra gaz kullanımı azaldı, ancak 1950'lerde, diğer şeylerin yanı sıra, uzay yarışı ve Soğuk Savaş sırasında oksihidrojen roket yakıtı üretiminde kullanılan bir soğutucu olarak tedarikini sağlamak için arz arttı. 1965'teki ABD helyum kullanımı, savaş zamanı tüketiminin sekiz katıydı.

1960 tarihli Helyum Yasası'nın ardından, Maden Bürosu, elementi doğal gazdan çıkarmak için 5 özel şirketle sözleşme yaptı. Bu program için, bu santralleri Teksas, Amarillo yakınlarındaki kısmen tükenmiş bir hükümet gaz sahasına bağlayan 425 kilometrelik bir gaz boru hattı inşa edildi. Helyum-azot karışımı bir yer altı depolama tesisine pompalandı ve ihtiyaç duyulana kadar orada kaldı.

1995 yılına kadar, bir milyar metreküp stok toplandı ve Ulusal Rezerv'in 1.4 milyar dolar borcu vardı, bu da ABD Kongresi'ni 1996'da aşamalı olarak kaldırmaya sevk etti. Helyum özelleştirme yasasının 1996 yılında kabul edilmesinden sonra, Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2005 yılında depolama tesisini tasfiye etmeye başladı.

Saflık ve üretim hacimleri

1945'ten önce üretilen helyum yaklaşık %98 saflığa sahipti, geri kalan %2hava gemileri için yeterli olan azottan sorumluydu. 1945'te ark kaynağında kullanılmak üzere az miktarda yüzde 99,9 gaz üretildi. 1949'a gelindiğinde, ortaya çıkan elementin saflığı %99,995'e ulaşmıştı.

Uzun yıllar boyunca, Amerika Birleşik Devletleri dünyanın ticari helyumunun %90'ından fazlasını üretti. 2004'ten bu yana, %85'i Amerika Birleşik Devletleri'nden, %10'u Cezayir'den ve geri kalanı Rusya ve Polonya'dan olmak üzere yılda 140 milyon m3 üretti. Dünyadaki ana helyum kaynakları Teksas, Oklahoma ve Kansas'taki gaz sahalarıdır.

Alma işlemi

Helyum (%98,2 saflık), diğer bileşenleri düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda sıvılaştırarak doğal gazdan çıkarılır. Soğutulmuş aktif karbon tarafından diğer gazların adsorpsiyonu %99,995 saflığa ulaşır. Havanın büyük ölçekte sıvılaştırılmasıyla az miktarda helyum üretilir. 900 ton havadan yaklaşık 3.17 metreküp elde edilebilir. m gaz.

Uygulama alanları

Soygaz çeşitli alanlarda kullanılmıştır.

Özellikleri ultra düşük sıcaklıklar elde etmeyi mümkün kılan helyum, Büyük Hadron Çarpıştırıcısında bir soğutma maddesi olarak, MRI makinelerinde süper iletken mıknatıslar ve nükleer manyetik rezonans spektrometrelerinde, uydu ekipmanlarında ve ayrıca oksijeni sıvılaştırmak için kullanılır. ve Apollo roketlerinde hidrojen.
Alüminyum ve diğer metallerin kaynağında, optik fiberlerin ve yarı iletkenlerin üretiminde soy gaz olarak.
Oluşturmakroket motorlarının yakıt tanklarındaki basınç, özellikle sıvı hidrojenle çalışan motorlar, çünkü hidrojen sıvı kaldığında yalnızca gaz halindeki helyum toplanma durumunu korur);
He-Ne gaz lazerleri, süpermarket kasalarında barkodları taramak için kullanılır.
Helyum İyon mikroskobu elektron mikroskobundan daha iyi görüntüler üretir.
Yüksek geçirgenliği nedeniyle, örneğin araba klima sistemlerindeki sızıntıları kontrol etmek ve bir çarpışmada hava yastıklarını hızla şişirmek için asil gaz kullanılır.
Düşük yoğunluk, dekoratif balonları helyumla doldurmanıza olanak tanır. İnert gaz, hava gemilerinde ve balonlarda patlayıcı hidrojenin yerini aldı. Örneğin meteorolojide ölçüm aletlerini kaldırmak için helyum balonları kullanılır.
Kriyojenik teknolojide, bu kimyasal elementin sıvı haldeki sıcaklığı mümkün olan en düşük olduğu için soğutucu görevi görür.
Oksijenle karıştırılmış suda (ve kanda) düşük reaktivite ve çözünürlük sağlayan özellikleri olan helyum, tüplü dalış ve keson çalışması için solunum bileşimlerinde uygulama bulmuştur.
Meteoritler ve kayalar, yaşlarını belirlemek için bu element için analiz edilir.