8.14.5: Хімія гелію (Z = 2)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33544

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Гелій знаходиться у верхній частині групи благородних газів (яка також містить неон, аргон, криптон, ксенон, радон) і є найменш реактивним елементом. Гелій має багато цікавих характеристик, таких як змушення повітряних куль плавати та піднімати висоту голосу; ці програми розглядаються нижче.

Вступ

Гелій - другий за поширеністю елемент у Всесвіті, поруч з воднем. Гелій безбарвний, без запаху і смаку. Він має дуже низьку температуру кипіння, і є одноатомним. Гелій невеликий і надзвичайно легкий, і є найменш реактивним з усіх елементів; він не реагує ні з іншими елементами, ні з іонами, тому в природі немає гелійсодержащих мінералів. Гелій вперше спостерігався, вивчаючи сонце, і був названий на честь грецького слова, що позначає сонце, Геліос.

Фізичні властивості
Колір	Безбарвний
Фаза при кімнатній температурі	Газ
Щільність	0,0002 г/см ³
Точка кипіння	4,2 КМ
Теплота випаровування	0,1 кДж/моль
Теплопровідність	0,15 Дж/м сек К
Джерело	Природний газ

Атомні властивості
Конфігурація електрона	1с ²
Кількість ізотопів	7 (2 рідини)
спорідненість до електронів	0 кДж/моль
Перша енергія іонізації	2372,3 кДж/моль
Друга енергія іонізації	5250,3 кДж/моль
Поляризуваність	0.198 Å ³
Атомна вага	4.003
Атомний об'єм	27,2 см ³ /моль
Атомний радіус	31 вечора

достаток
У земній корі	8х10 ^-3
В океані Землі	7×10 ^-6
У людському тілі	0%

Виникнення і виробництво

Гелій - один з найпоширеніших елементів у Всесвіті. Великі кількості виробляються в реакціях синтезу енергії в зірках. Раніше гелій використовувався рідко, оскільки лише 0,004% атмосфери Землі - це гелій, що дорівнює одній молекулі гелію на кожні 200 000 молекул повітря, включаючи кисень, водень та азот. Однак відкриття багатих гелієм свердловин в Техасі, Росії, Польщі, Алжирі, Китаї та Канаді зробило гелій більш доступним.

Гелій утворюється в мінералах шляхом радіоактивного розпаду. Гелій видобувається з родовищ природного газу, які часто містять цілих 10% гелію. Ці запаси природного газу є єдиним промислово доступним джерелом гелію. Загальні світові ресурси гелію теоретично складають 25,2 млрд кубометрів; США містять 11,1 млрд кубометрів. Видобутий газ піддають хімічному попередньому очищенню, використовуючи лужну промивку для видалення вуглекислого газу і сірководню. Решта газу охолоджують до -200° C, де всі матеріали, крім гелію, зріджуються.

Історія

Гелій вперше був відкритий в 1868 році французьким астрономом П.Дж. Йенссеном, який вивчав хромосферу Сонця під час сонячного затемнення. Він використовував спектрометр для вирішення світла в його спектр, в якому кожен колір представляє різний газоподібний елемент. Він спостерігав нове жовте світло, зробивши висновок, що воно свідчить про наявність елемента, не відомого раніше. У 1895 році існування гелію на Землі довів сер Вільям Рамзі. При нагріванні клевеїту (радіоактивного мінералу) виділяється інертний газ, який виявився гелієм; цей гелій є побічним продуктом природного розпаду радіоактивних елементів. Хіміки Норман Локер і Едвард Франкленд підтвердили гелій як елемент і назвали його на честь геліоса, грецького слова, що позначає Сонце.

Застосування та небезпеки

Гелій має ряд застосувань завдяки своїй інертній природі. Зріджений гелій має кріогенні властивості, і використовується для заморожування біологічних матеріалів для тривалого зберігання і подальшого використання. Двадцять відсотків промислового використання гелію - це володіння та промислове застосування. Гелій захищає нагріті деталі металів, таких як алюміній і титан, від повітря. Суміші гелію і кисню використовуються в резервуарах для підводних дихальних апаратів: завдяки своїй низькій щільності газ гелій дозволяє кисню легко надходити через легені. Оскільки гелій залишається газом, навіть при температурах, досить низьких для зрідження водню, він використовується як газ під тиском для переміщення рідкого водню в ракетні двигуни. Його інертна природа також робить гелій корисним для охолодження атомних електростанцій.

Найбільш відомою характеристикою гелію є те, що він легше повітря. Він може левітувати повітряні кулі під час вечірок і літати дирижаблі над спортивними стадіонами. Гелій має 92% підйомної сили водню; однак його безпечніше використовувати, оскільки він негорючий і має меншу швидкість дифузії, ніж у водневого газу. Знаменита катастрофа Гінденбурга є прикладом небезпеки використання горючого газу, такого як водень. Оскільки гелій раніше був дуже дорогим, доступний лише із запасів природного газу в США, нацистська Німеччина мала лише водневий газ у своєму розпорядженні. Наслідки були руйнівними, як показано нижче:

В даний час гелій зустрічається в інших запасах природного газу по всьому світу. Вартість гелію зменшилася з $2500/фут ³ у 1915 році до $0.15/фут ³ у 1989 році. Гелій - це те, що утримує дирижаблі Goodyear на плаву над стадіонами.

Гелій часто вдихають з повітряних куль, щоб отримати високий, скрипучий голос. Така практика може бути дуже шкідливою. Вдихання гелію може призвести до втрати свідомості і емболії мозкових артерій, що може тимчасово привести до повної сліпоти. Це відбувається, коли кровоносні судини в легенях розриваються, дозволяючи газу отримати доступ до легеневої судинної системи і згодом мозку.

Характеристика

Газові та плазмові фази

Гелій природним чином міститься в газовому стані. Гелій є другим найменш реактивним елементом і благородним газом (після неону). Його низька атомна маса, теплопровідність, питома теплота та швидкість звуку є найбільшими після водню. Через невеликий розмір атомів гелію швидкість дифузії через тверді речовини втричі більша, ніж у повітря, і на 65% більше, ніж у водню. Елемент інертний, одноатомний в стандартних умовах і найменш водорозчинний газ.

При нормальних температурах навколишнього середовища гелій має негативний коефіцієнт Джоуля Томсона. Таким чином, при вільному розширенні гелій природним чином нагрівається. Однак нижче його температури інверсії Джоуля Томсона (32-50 К при 1 атм) він охолоджується, коли дозволяє вільно розширюватися. Після охолодження гелій може бути зріджений шляхом розширення охолодження. Гелій зазвичай зустрічається у всьому Всесвіті як плазма, стан, в якому електрони не пов'язані з ядрами. Плазми мають високу електричну провідність і піддаються сильному впливу магнітних і електричних полів.

Тверда і рідка фази

Гелій - єдиний елемент, який неможливо затвердіти, знижуючи температуру при звичайних тисках; це повинно супроводжуватися підвищенням тиску. Обсяг твердого гелію, ³ He і ⁴ He, можна зменшити більш ніж на 30%, застосовуючи тиск. Твердий гелій має прогнозовану щільність 0,187 ± 0,009 г/мл при 0 К і 25 бар. Твердий гелій також має різку температуру плавлення і кристалічну структуру. Існує дві форми рідкого гелію: He ⁴ I і He ⁴ II.

Гелій I

Гелій I утворюється при падінні температури нижче 4,22 К і вище лямбда-точки 2,1768 К. Це прозора рідина, яка кипить при подачі тепла і стискається при зниженні температури. Нижче лямбда-точки гелій не кипить, а розширюється. Гелій I має газоподібний показник заломлення 1,026, що ускладнює його поверхню. Він має дуже низьку в'язкість і щільність 1/8, ніж у води. Це властивість можна пояснити за допомогою квантової механіки. І гелій I, і II є квантовими рідинами, що проявляють атомні властивості в макроскопічному масштабі через те, що температура кипіння гелію настільки близька до абсолютного нуля.

Гелій II

При 2,174 К гелій I утворюється в гелій II. Властивості його дуже незвичайні, а речовина описується як надтекучий. Надтекуча - квантово-механічний стан речовини; дворідинна модель для гелію II пояснює, чому одна частина атомів гелію існує в наземному стані, протікає з нульовою в'язкістю, а інша частина знаходиться в збудженому стані, поводиться як звичайна рідина. В'язкість He ⁴ II настільки низька, що немає внутрішнього тертя.

Він ⁴ II може проводити тепло в 300 разів ефективніше, ніж срібло, що робить його найкращим відомим теплопровідником. Його теплопровідність в мільйон разів більше, ніж у гелію I і в кілька сотень разів більше, ніж у міді. Провідність і в'язкість гелію II не підкоряються класичним правилам, але узгоджуються з правилами квантової механіки. При зниженні температури гелій II розширюється в обсязі. Його не можна кип'ятити, а при нагріванні випаровується безпосередньо на газ.

У такому надтекучому стані рідкий гелій може протікати через тонкі капіляри або тріщини набагато швидше, ніж газ гелію. Він також проявляє ефект повзучості, рухаючись по поверхні, здавалося б, проти сили тяжіння. Гелій II повзає по боках відкритої посудини, поки не досягне більш теплої області, де випаровується. В результаті повзучого поведінки і здатності швидко протікати через крихітні отвори гелій II дуже важко обмежитися. Гелій II також проявляє ефект фонтану. Припустимо, камера дозволяє резервуару гелію II фільтрувати надтекучий і ненадтекучий гелій. Коли внутрішня частина ємності нагрівається, надтекучий гелій перетворюється в ненадтекучий гелій для підтримки рівноваги. Це створює інтенсивний тиск на надтекучий гелій, внаслідок чого рідина фонтується з ємності.

Ізотопи

Гелій має вісім відомих ізотопів, але тільки два є стабільними: ³ Він і ⁴ Він. ³ Він зустрічається лише в дуже малих кількостях порівняно з ⁴ Він. Він виробляється в слідових кількостях шляхом бета-розпаду тритію. Ця форма зустрічається в достатку в зірках, як продукт ядерного синтезу. Позапланетні матеріали мають сліди ^{3 He} від сонячних вітрів. ⁴ Він виробляється альфа-розпадом важких радіоактивних елементів на Землі. Це надзвичайно стабільний ізотоп, оскільки його нуклони розташовані в повних оболонках.

Посилання

Бенкс, А. «Гелій». Журнал хімічної освіти 66 (11): 945.
Драгган С. «Гелій».
Іглсон, М. (1994). Коротка енциклопедія хімії, Вальтер Де Грюйтер Inc.
Енгаг, П. Енциклопедія стихій.
Мур, П. і Д. Джозефсон (2000). «Цукровий діабет 2 типу є основним витратом ресурсів». Літопис невідкладної медицини 35:300-303.
Розендаль, К. (1938). «Новий Цепелін описується американським експертом з дирижаблів». Лист новин науки 33 (18): 281-283.
Уїст, Р. і К.Р. Компанії (1988). CRC довідник з хімії та фізики, CRC прес Boca Raton, FL.

Зовнішні посилання

uk.wikipedia.org/Вікі/Гелій
http://chemistry.wikia.com/wiki/Helium
uk.wikipedia.org/wiki/Доброгоїр-лімп

Проблеми

Що відбувається, коли запалену сигарету кидають на протікає гелієвий балон високого тиску?

а). нічого

б). сигарета спалюється перед торканням циліндра

в). циліндр вибухає

г). циліндр стає вогнеметником

Скільки відомо ізотопів гелію? ______
(Гелій газ, або рідина гелію II) протікає швидше, ніж інший при зберіганні у відкритому балоні (при STP).
Що відбувається, коли секція розділеної чашки Петрі заповнюється гелієм II при 2,173 К?

а). Починає кипіти.

б). Вона починає «повзати» над роздільником, незабаром заповнюючи інші ділянки страви.

в). Вона випаровується і незабаром залишає блюдо.

г.) Він твердне і розширюється, розбиваючи роздільники чашки Петрі, і заповнюючи всю чашку.

Гелій вперше був виявлений через ________.

Дописувачі та атрибуція

Jun-Hyun Hwa ng - Каліфорнійський університет, Девіс