Helium: egenskaber, karakteristika, applikationer

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 17:43

Helium er en inert gas i den 18. gruppe af det periodiske system. Det er det næstletteste grundstof efter brint. Helium er en farveløs, lugtfri og smagløs gas, der bliver flydende ved -268,9 °C. Dets koge- og frysepunkter er lavere end for noget andet kendt stof. Det er det eneste grundstof, der ikke størkner, når det afkøles ved norm alt atmosfærisk tryk. Det tager 25 atmosfærer ved 1 K for helium at størkne.

Opdagelseshistorik

Helium blev opdaget i den gasformige atmosfære omkring Solen af den franske astronom Pierre Jansen, som i 1868 under en formørkelse opdagede en lys gul linje i solkromosfærens spektrum. Denne linje blev oprindeligt antaget at repræsentere grundstoffet natrium. Samme år observerede den engelske astronom Joseph Norman Lockyer en gul linje i solspektret, der ikke svarede til de kendte natriumlinjer D₁ og D₂, og så kaldte han hendes linje D_{3. Lockyer konkluderede, at det var forårsaget af et stof i Solen, der ikke var kendt på Jorden. Han og kemikeren Edward Frankland brugte i grundstoffets navndet græske navn for Solen er Helios.}

I 1895 beviste den britiske kemiker Sir William Ramsay eksistensen af helium på Jorden. Han tog en prøve af det uranholdige mineral cleveit, og efter at have undersøgt de gasser, der dannedes, når det blev opvarmet, fandt han ud af, at den lyse gule linje i spektret faldt sammen med D_{3-linjen observeret i Solens spektrum. Dermed blev det nye element endelig installeret. I 1903 fastslog Ramsay og Frederick Soddu, at helium er et spontant nedbrydningsprodukt af radioaktive stoffer.}

Spredning i naturen

Massen af helium er omkring 23 % af hele universets masse, og grundstoffet er det næstmest udbredte i rummet. Det er koncentreret i stjerner, hvor det er dannet af brint som følge af termonuklear fusion. Selvom helium findes i jordens atmosfære i en koncentration på 1 del pr. 200 tusind (5 ppm) og findes i små mængder i radioaktive mineraler, meteoritjern og mineralkilder, findes store mængder af grundstoffet i USA (især i Texas, New York), Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona og Utah) som en komponent (op til 7,6%) af naturgas. Små reserver er fundet i Australien, Algeriet, Polen, Qatar og Rusland. I jordskorpen er koncentrationen af helium kun omkring 8 ppb.

isotoper

Kernen i hvert heliumatom indeholder to protoner, men ligesom andre grundstoffer har den isotoper. De indeholder en til seks neutroner, så deres massetal varierer fra tre til otte. De stabile er de grundstoffer, hvis heliummasse er bestemt af atomnumrene 3 (³He) og 4 (⁴He). Alle de øvrige er radioaktive og henfalder meget hurtigt til andre stoffer. Terrestrisk helium er ikke den oprindelige komponent af planeten, den blev dannet som et resultat af radioaktivt henfald. Alfa-partikler, der udsendes af kernerne af tunge radioaktive stoffer, er kerner af isotopen ⁴He. Helium ophobes ikke i store mængder i atmosfæren, fordi Jordens tyngdekraft ikke er stærk nok til at forhindre den i gradvist at flygte ud i rummet. Spor af ³Han på Jorden forklares ved det negative beta-henfald af det sjældne grundstof hydrogen-3 (tritium). ⁴Han er den mest udbredte af de stabile isotoper: forholdet mellem ⁴He-atomer og ^{3He er omkring 700.000 til 1 i atmosfæren og omkring 7 mio. til 1 i nogle heliumholdige mineraler.}

Fysiske egenskaber ved helium

Koge- og smeltepunkterne for dette grundstof er de laveste. Af denne grund eksisterer helium som en gas, undtagen under ekstreme forhold. Gasformig He opløses mindre i vand end nogen anden gas, og diffusionshastigheden gennem faste stoffer er tre gange så høj som luft. Dens brydningsindeks kommer tættest på 1.

Heliums varmeledningsevne er kun næst efter brints, og dens specifikke varmekapacitet er usædvanlig høj. Ved almindelige temperaturer opvarmes den under ekspansion og afkøles til under 40 K. Derfor kan helium ved T<40 K omdannes tilvæske ved ekspansion.

Et grundstof er et dielektrikum, hvis det ikke er i en ioniseret tilstand. Ligesom andre ædelgasser har helium metastabile energiniveauer, der tillader det at forblive ioniseret i en elektrisk udladning, når spændingen forbliver under ioniseringspotentialet.

Helium-4 er unik ved, at den har to flydende former. Det almindelige kaldes helium I og eksisterer ved temperaturer fra et kogepunkt på 4,21 K (-268,9 °C) til omkring 2,18 K (-271 °C). Under 2,18 K bliver den termiske ledningsevne for 4Han 1000 gange kobbers. Denne form kaldes helium II for at skelne den fra den normale form. Det er superflydende: viskositeten er så lav, at den ikke kan måles. Helium II spredes til en tynd film på overfladen af, hvad den rører ved, og denne film flyder uden friktion selv mod tyngdekraften.

Det mindre rigelige helium-3 danner tre forskellige flydende faser, hvoraf to er superflydende. Superfluiditet i ⁴Han blev opdaget af den sovjetiske fysiker Pyotr Leonidovich Kapitsa i midten af 1930'erne, og det samme fænomen i ^{3Han blev først bemærket af Douglas D Osherov, David M. Lee og Robert S. Richardson fra USA i 1972.}

En flydende blanding af to isotoper af helium-3 og -4 ved temperaturer under 0,8 K (-272,4 °C) er opdelt i to lag - næsten ren ³He og en blanding af⁴Han med 6 % helium-3. Opløsningen af ³He til ^{4Han er ledsaget af en kølende effekt, som bruges i design af kryostater, hvor heliumtemperaturen falderunder 0,01 K (-273,14 °C) og holdt der i flere dage.}

Forbindelser

Under normale forhold er helium kemisk inert. Under ekstreme forhold kan du lave elementforbindelser, der ikke er stabile ved normale temperaturer og tryk. For eksempel kan helium danne forbindelser med jod, wolfram, fluor, phosphor og svovl, når det udsættes for en elektrisk glødeudladning, når det bombarderes med elektroner eller i plasmatilstand. Således blev HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ og He₂ molekylære ioner skabt+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{og HeD+}. Denne teknik gjorde det også muligt at opnå neutrale molekyler He² og HgHe.

Plasma

I universet er ioniseret helium overvejende fordelt, hvis egenskaber adskiller sig væsentligt fra molekylært. Dens elektroner og protoner er ikke bundet, og den har en meget høj elektrisk ledningsevne selv i en delvis ioniseret tilstand. Ladede partikler er stærkt påvirket af magnetiske og elektriske felter. For eksempel i solvinden interagerer heliumioner sammen med ioniseret brint med Jordens magnetosfære, hvilket forårsager nordlyset.

US opdagelse

Efter boring af en brønd i 1903 blev der opnået ikke-brændbar gas i Dexter, Kansas. I første omgang vidste man ikke, at den indeholdt helium. Hvilken gas der blev fundet blev bestemt af statsgeolog Erasmus Haworth, somindsamlede prøver af det og på University of Kansas med hjælp fra kemikerne Cady Hamilton og David McFarland fandt ud af, at det indeholder 72% nitrogen, 15% methan, 1% brint og 12% blev ikke identificeret. Efter yderligere analyse fandt forskerne ud af, at 1,84% af prøven var helium. Så de lærte, at dette kemiske grundstof er til stede i enorme mængder i tarmene på Great Plains, hvorfra det kan udvindes fra naturgas.

Industriel produktion

Dette har gjort USA til verdens førende inden for heliumproduktion. Efter forslag fra Sir Richard Threlfall finansierede den amerikanske flåde tre små eksperimentelle anlæg til at producere dette stof under Første Verdenskrig for at forsyne spærreildsballoner med en let, ikke-brændbar løftegas. Programmet producerede i alt 5.700 m3 92% He, selvom der tidligere var blevet produceret mindre end 100 liter gas. Noget af dette volumen blev brugt i verdens første heliumluftskib, US Navy C-7, som foretog sin jomfrurejse fra Hampton Roads, Virginia til Bolling Field, Washington, DC den 7. december 1921.

Selv om lavtemperatur-gasvæskeprocessen ikke var avanceret nok på det tidspunkt til at være betydelig under Første Verdenskrig, fortsatte produktionen. Helium blev hovedsageligt brugt som liftgas i fly. Efterspørgslen efter det voksede under Anden Verdenskrig, da det blev brugt til skærmet buesvejsning. Grundstoffet var også vigtigt i atombombeprojektet. Manhattan.

US National Stock

I 1925 etablerede USA's regering National Helium Reserve i Amarillo, Texas, med det formål at levere militære luftskibe i krigstider og kommercielle luftskibe i fredstid. Brugen af gas faldt efter Anden Verdenskrig, men udbuddet blev øget i 1950'erne for blandt andet at give dets forsyning som kølemiddel, der blev brugt til produktion af iltbrint raketbrændstof under rumkapløbet og den kolde krig. USA's heliumforbrug i 1965 var otte gange det højeste forbrug under krigen.

Efter Helium Act fra 1960 indgik Minebureauet 5 private virksomheder til at udvinde grundstoffet fra naturgas. Til dette program blev der bygget en 425 kilometer lang gasrørledning, der forbinder disse anlæg med et delvist udtømt regeringsgasfelt nær Amarillo, Texas. Helium-nitrogenblandingen blev pumpet ind i en underjordisk lagerfacilitet og forblev der, indtil den skulle bruges.

I 1995 var der indsamlet en milliard kubikmeter lager, og National Reserve havde en gæld på $1,4 milliarder, hvilket fik den amerikanske kongres til at udfase den i 1996. Efter heliumprivatiseringsloven blev vedtaget i 1996, begyndte ministeriet for naturressourcer at likvidere lagerfaciliteten i 2005.

Renhed og produktionsmængder

Helium produceret før 1945 havde en renhed på omkring 98 %, resten 2 %stod for nitrogen, hvilket var tilstrækkeligt til luftskibe. I 1945 blev en lille mængde på 99,9 procent gas produceret til brug ved buesvejsning. I 1949 var renheden af det resulterende grundstof nået 99,995%.

I mange år producerede USA over 90 % af verdens kommercielle helium. Siden 2004 har den produceret 140 millioner m3 årligt, hvoraf 85% kommer fra USA, 10% fra Algeriet og resten fra Rusland og Polen. De vigtigste kilder til helium i verden er gasfelterne i Texas, Oklahoma og Kansas.

Modtageproces

Helium (98,2 % renhed) udvindes fra naturgas ved at gøre andre komponenter flydende ved lave temperaturer og høje tryk. Adsorptionen af andre gasser med afkølet aktivt kul opnår en renhed på 99,995%. En lille mængde helium produceres ved at gøre luft flydende i stor skala. Omkring 3,17 kubikmeter kan fås fra 900 tons luft. m gas.

Anvendelsesområder

Ædelgas er blevet brugt på forskellige områder.

Helium, hvis egenskaber gør det muligt at opnå ultralave temperaturer, bruges som kølemiddel i Large Hadron Collider, superledende magneter i MRI-maskiner og kernemagnetiske resonansspektrometre, satellitudstyr og også til at gøre ilt flydende og brint i Apollo-raketter.
Som en inert gas til svejsning af aluminium og andre metaller til fremstilling af optiske fibre og halvledere.
At oprettetryk i brændstoftankene på raketmotorer, især dem, der kører på flydende brint, da kun gasformigt helium bevarer sin aggregeringstilstand, når brint forbliver flydende);
He-Ne gaslasere bruges til at scanne stregkoder ved supermarkedskasser.
Helium Ion-mikroskopet producerer bedre billeder end elektronmikroskopet.
På grund af dens høje permeabilitet bruges ædelgas til at kontrollere for lækager i f.eks. bilers klimaanlæg og til hurtigt at puste airbags op ved et styrt.
Lav densitet giver dig mulighed for at fylde dekorative balloner med helium. Inert gas har erstattet eksplosiv brint i luftskibe og balloner. I meteorologi bruges heliumballoner f.eks. til at løfte måleinstrumenter.
I kryogen teknologi tjener det som et kølemiddel, da temperaturen af dette kemiske element i flydende tilstand er den lavest mulige.
Helium, hvis egenskaber giver det lav reaktivitet og opløselighed i vand (og blod), blandet med oxygen, har fundet anvendelse i åndedrætssammensætninger til dykning og caissonarbejde.
Meteoritter og sten analyseres for dette grundstof for at bestemme deres alder.