Hélium patrí do skupiny vzácnych plynov. Kvapalné hélium je najchladnejšia kvapalina na svete. V tomto agregovanom stave má množstvo jedinečných vlastností, ako je supratekutosť a supravodivosť. Viac o jeho vlastnostiach sa dozvieme neskôr.
Hélium
Hélium je jednoduchá látka široko rozšírená vo vesmíre v plynnom stave. V periodickej tabuľke Mendelejeva je druhý a je hneď po vodíku. Vzťahuje sa na inertné alebo vzácne plyny.
Prvok je označený ako „He“. Zo starogréčtiny jeho názov znamená „Slnko“. Najprv sa predpokladalo, že ide o kov. Ukázalo sa však, že ide o monatomický plyn. Hélium je druhá najľahšia chemikália a je bez chuti, farby a zápachu. Má najnižší bod varu.
Za normálnych podmienok je to ideálny plyn. Okrem plynného je schopný byť v pevnom a kvapalnom stave. Jeho inertnosť sa prejavuje v neaktívnej interakcii s inými látkami. Je prakticky nerozpustný vo vode. Na priemyselné účely sa získava zo zemného plynu, pričom sa oddeľuje od nečistôtpomocou silného chladenia.
Plyn môže byť pre ľudí nebezpečný. Zvýšenie jeho koncentrácie vo vzduchu vedie k nedostatku kyslíka v krvi, čo sa v medicíne nazýva kyslíkové hladovanie. Pri požití veľkého množstva spôsobuje zvracanie, stratu vedomia a niekedy aj smrť.
Skvapalnenie hélia
Akýkoľvek plyn môže za určitých podmienok prejsť do kvapalného stavu agregácie. Skvapalnenie sa bežne používa v priemysle, ako aj vo vedeckom výskume. Pri niektorých látkach stačí jednoducho zvýšiť tlak. Iné, ako napríklad hélium, sa stávajú kvapalnými až po ochladení.
Ak je teplota plynu nad kritickým bodom, nebude kondenzovať, bez ohľadu na tlak. Pre hélium je kritický bod 5,19 Kelvina, pre jeho izotop 3He je to 3,35 K.
Kvapalné hélium je takmer dokonalá kvapalina. Vyznačuje sa absenciou povrchového napätia, viskozity. Po zmene tlaku a teploty zostáva jeho objem rovnaký. Kvapalné hélium má extrémne nízke napätie. Látka je bezfarebná a vysoko tekutá.
Vlastnosti tekutého hélia
V kvapalnom stave je hélium zle rozlíšiteľné, pretože slabo láme svetelné lúče. Za určitých podmienok má vlastnosti kvantovej kvapaliny. Vďaka tomu pri normálnom tlaku nekryštalizuje ani pri teplote −273,15 Celzia (absolútna nula). Všetky ostatné známe látky za týchto podmienok tuhnú.
Teplota, pri ktorej tekuté hélium začína vrieť, je -268,9 stupňov Celzia. Fyzikálne vlastnosti jeho izotopov sa značne líšia. Napríklad hélium-4 vrie pri 4,215 K.
Je to Boseova kvapalina, ktorá sa vyznačuje fázovými prechodmi pri teplotách 2 172 Kelvinov a nižších. Fáza He II sa vyznačuje supratekutosťou a supertermálnou vodivosťou. Pri teplotách pod fázou sa He I a He II vyskytujú súčasne, vďaka čomu sa v kvapaline objavujú dve rýchlosti zvuku.
Hélium-3 je Fermiho kvapalina. Vrie pri 3,19 Kelvina. Izotop môže dosiahnuť supratekutosť len pri veľmi nízkych teplotách (niekoľko milikelvinov), keď je medzi jeho časticami dostatočná príťažlivosť.
Supratekutosť hélia
Veda vďačí za štúdium konceptu supratekutosti akademikom S. P. Kapitsovi a L. D. Landauovi.
Akademik dospel k záveru, že po poklese teploty hélia pod 2 172 K látka prechádza z fázy normálneho stavu do úplne nového, nazývaného hélium-II. V tejto fáze látka prechádza kapilárami a úzkymi otvormi bez najmenšieho trenia. Tento stav sa nazýva "superfluidita".
V roku 1941 Landau L. D. pokračoval v štúdiu vlastností tekutého hélia a rozvinul teóriu supratekutosti. Vysvetlitevzal to kvantovými metódami, pričom uplatnil koncept energetického spektra excitácií.
Aplikácie hélia
Prvok hélium bol objavený v spektre Slnka v roku 1868. Na Zemi ho objavil William Ramsay v roku 1895, potom sa dlho študoval a v ekonomickej sfére sa nepoužíval. V priemyselnej činnosti sa začala používať ako palivo pre vzducholode počas prvej svetovej vojny.
Plyn sa aktívne používa na balenie v potravinárskom priemysle, pri tavení kovov. Geológovia ho využívajú na zisťovanie porúch v zemskej kôre. Kvapalné hélium sa používa hlavne ako chladivo schopné udržiavať ultranízke teploty. Táto vlastnosť je nevyhnutná pre vedecký výskum.
Chladiaca kvapalina sa používa v kryogénnych elektrických strojoch, v skenovacích tunelových mikroskopoch, v zariadeniach lekárskych NMR tomografov, v urýchľovačoch nabitých častíc.
Záver
Hélium je inertný alebo vzácny plyn, ktorý vykazuje nízku aktivitu v interakcii s inými látkami. V periodickej tabuľke chemických prvkov je na druhom mieste za vodíkom. V prírode je hmota v plynnom stave. Za určitých podmienok môže prejsť do iných stavov agregácie.
Hlavnou vlastnosťou tekutého hélia je jeho supratekutosť a neschopnosť kryštalizovať pri normálnom tlaku, aj keď teplota dosiahne absolútnu nulu. Vlastnosti izotopov látky nie sú rovnaké. Ich kritickéteploty, ich podmienky varu a rotácie ich častíc.
