Hélium: vlastnosti, charakteristiky, aplikácie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 17:55

Hélium je inertný plyn 18. skupiny periodickej tabuľky. Je to druhý najľahší prvok po vodíku. Hélium je bezfarebný plyn bez zápachu a chuti, ktorý sa stáva kvapalným pri teplote -268,9 °C. Jeho body varu a tuhnutia sú nižšie ako u ktorejkoľvek inej známej látky. Je to jediný prvok, ktorý pri ochladzovaní pri normálnom atmosférickom tlaku nestuhne. Na stuhnutie hélia je potrebných 25 atmosfér pri 1 K.

História objavov

Hélium objavil v plynnej atmosfére obklopujúcej Slnko francúzsky astronóm Pierre Jansen, ktorý v roku 1868 počas zatmenia objavil jasne žltú čiaru v spektre slnečnej chromosféry. Pôvodne sa predpokladalo, že táto čiara predstavuje prvok sodík. V tom istom roku anglický astronóm Joseph Norman Lockyer pozoroval žltú čiaru v slnečnom spektre, ktorá nezodpovedala známym sodíkovým čiaram D₁ a D₂, a tak jej líniu pomenoval D_{3. Lockyer dospel k záveru, že to spôsobila látka na Slnku neznáma na Zemi. On a chemik Edward Frankland použili v názve prvkugrécky názov pre Slnko je Helios.}

V roku 1895 britský chemik Sir William Ramsay dokázal existenciu hélia na Zemi. Získal vzorku minerálu s uránom cleveit a po preskúmaní plynov vznikajúcich pri jeho zahrievaní zistil, že jasne žltá čiara v spektre sa zhoduje s čiarou D_{3 pozorovanou v r. spektrum Slnka. Nový prvok bol teda konečne nainštalovaný. V roku 1903 Ramsay a Frederick Soddu zistili, že hélium je produkt spontánneho rozpadu rádioaktívnych látok.}

Šírené v prírode

Hmotnosť hélia predstavuje približne 23 % celkovej hmotnosti vesmíru a prvok je druhým najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Sústreďuje sa vo hviezdach, kde vzniká z vodíka v dôsledku termonukleárnej fúzie. Hoci sa hélium nachádza v zemskej atmosfére v koncentrácii 1 diel na 200 tisíc (5 ppm) a nachádza sa v malom množstve v rádioaktívnych mineráloch, meteoritoch a minerálnych prameňoch, veľké množstvá tohto prvku sa nachádzajú v Spojených štátoch amerických (najmä v Texase, New Yorku). Mexiko, Kansas, Oklahoma, Arizona a Utah) ako súčasť (až 7,6 %) zemného plynu. Malé zásoby sa našli v Austrálii, Alžírsku, Poľsku, Katare a Rusku. V zemskej kôre je koncentrácia hélia len asi 8 ppb.

Izotopy

Jadro každého atómu hélia obsahuje dva protóny, no rovnako ako ostatné prvky má izotopy. Obsahujú jeden až šesť neutrónov, takže ich hmotnostné čísla sa pohybujú od troch do ôsmich. Stabilné sú prvky, ktorých hmotnosť hélia je určená atómovými číslami 3 (³He) a 4 (⁴He). Všetky ostatné sú rádioaktívne a veľmi rýchlo sa rozpadajú na iné látky. Pozemské hélium nie je pôvodnou zložkou planéty, vzniklo v dôsledku rádioaktívneho rozpadu. Alfa častice emitované jadrami ťažkých rádioaktívnych látok sú jadrá izotopu ⁴He. Hélium sa v atmosfére nehromadí vo veľkých množstvách, pretože zemská gravitácia nie je dostatočne silná, aby zabránila jeho postupnému úniku do vesmíru. Stopy ³He na Zemi sú vysvetlené negatívnym beta rozpadom vzácneho prvku vodíka-3 (trícia). ⁴He je najhojnejší zo stabilných izotopov: pomer ⁴Heatómov k ^{3He je asi 700 tisíc ku 1 v atmosfére a asi 7 miliónov ku 1 v niektorých mineráloch obsahujúcich hélium.}

Fyzikálne vlastnosti hélia

Teploty varu a topenia tohto prvku sú najnižšie. Z tohto dôvodu hélium existuje ako plyn, s výnimkou extrémnych podmienok. Plynný He sa rozpúšťa vo vode menej ako ktorýkoľvek iný plyn a rýchlosť difúzie cez pevné látky je trikrát vyššia ako vo vzduchu. Jeho index lomu sa najviac približuje k 1.

Tepelná vodivosť hélia je na druhom mieste po vodíku a jeho špecifická tepelná kapacita je nezvyčajne vysoká. Pri bežných teplotách sa počas expanzie zahrieva a ochladzuje pod 40 K. Preto pri T<40 K možno hélium premeniť nakvapalina expanziou.

Prvok je dielektrikum, ak nie je v ionizovanom stave. Rovnako ako iné vzácne plyny, hélium má metastabilné úrovne energie, ktoré mu umožňujú zostať ionizované v elektrickom výboji, keď napätie zostáva pod ionizačným potenciálom.

Hélium-4 je jedinečné v tom, že má dve kvapalné formy. Bežné sa nazýva hélium I a existuje pri teplotách v rozmedzí od bodu varu 4,21 K (-268,9 °C) do približne 2,18 K (-271 °C). Pod 2,18 K sa tepelná vodivosť 4He stáva 1000-násobkom medenej. Táto forma sa nazýva hélium II, aby sa odlíšila od normálnej formy. Je supratekutý: viskozita je taká nízka, že sa nedá zmerať. Hélium II sa rozprestrie do tenkého filmu na povrchu čohokoľvek, čoho sa dotkne, a tento film tečie bez trenia aj proti gravitácii.

Menej zastúpené hélium-3 tvorí tri odlišné kvapalné fázy, z ktorých dve sú supratekuté. Supratekutosť v ⁴Objavil ho sovietsky fyzik Pyotr Leonidovič Kapica v polovici 30. rokov 20. storočia a rovnaký jav v ^{3Prvýkrát si ho všimol Douglas D Osherov, David M. Lee a Robert S. Richardson z USA v roku 1972.}

Kvapalná zmes dvoch izotopov hélia-3 a -4 pri teplotách pod 0,8 K (-272,4 °C) je rozdelená do dvoch vrstiev - takmer čistá ³He a zmes⁴He so 6% hélia-3. Rozpustenie ³He na ^{4He je sprevádzané chladiacim efektom, ktorý sa využíva pri konštrukcii kryostatov, v ktorých klesá teplota héliapod 0,01 K (-273,14 °C) a udržiava sa tam niekoľko dní.}

Connections

Za normálnych podmienok je hélium chemicky inertné. V extrémnych podmienkach môžete vytvárať spojenia prvkov, ktoré nie sú stabilné pri normálnych teplotách a tlakoch. Napríklad hélium môže vytvárať zlúčeniny s jódom, volfrámom, fluórom, fosforom a sírou, keď je vystavené elektrickému žiarivému výboju pri bombardovaní elektrónmi alebo v plazmovom stave. Tak boli vytvorené molekulárne ióny HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ a He₂+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{a HeD+}. Táto technika tiež umožnila získať neutrálne molekuly He² a HgHe.

Plazma

Vo vesmíre je prevažne distribuované ionizované hélium, ktorého vlastnosti sa výrazne líšia od molekulárnych. Jeho elektróny a protóny nie sú viazané a má veľmi vysokú elektrickú vodivosť aj v čiastočne ionizovanom stave. Nabité častice sú silne ovplyvnené magnetickými a elektrickými poľami. Napríklad v slnečnom vetre ióny hélia spolu s ionizovaným vodíkom interagujú s magnetosférou Zeme a spôsobujú polárne žiary.

objav v USA

Po vyvŕtaní studne v roku 1903 sa v Dexter v Kansase získal nehorľavý plyn. Spočiatku sa nevedelo, že obsahuje hélium. Ktorý plyn sa našiel, určil štátny geológ Erasmus Haworth, ktorýzozbierali jeho vzorky a na univerzite v Kansase s pomocou chemikov Cady Hamilton a Davida McFarlanda zistili, že obsahuje 72 % dusíka, 15 % metánu, 1 % vodíka a 12 % nebolo identifikovaných. Po ďalšej analýze vedci zistili, že 1,84 % vzorky tvorilo hélium. Dozvedeli sa teda, že tento chemický prvok je prítomný v obrovských množstvách v útrobách Veľkých plání, odkiaľ ho možno získavať zo zemného plynu.

Priemyselná výroba

Spojené štáty sa vďaka tomu stali svetovým lídrom vo výrobe hélia. Na návrh Sira Richarda Threlfalla americké námorníctvo financovalo tri malé experimentálne závody na výrobu tejto látky počas 1. svetovej vojny s cieľom poskytnúť balistickým balónom ľahký, nehorľavý zdvíhací plyn. Program vyprodukoval celkovo 5 700 m3 92 % He, hoci predtým sa vyrobilo menej ako 100 litrov plynu. Časť tohto objemu bola použitá v prvej héliovej vzducholodi na svete, US Navy C-7, ktorá uskutočnila svoju prvú plavbu z Hampton Roads vo Virgínii do Bolling Field, Washington, DC 7. decembra 1921.

Hoci proces nízkoteplotného skvapalňovania plynu nebol v tom čase dostatočne pokročilý, aby bol významný počas 1. svetovej vojny, výroba pokračovala. Hélium sa používalo hlavne ako zdvihový plyn v lietadlách. Dopyt po ňom vzrástol počas 2. svetovej vojny, kedy sa používal pri zváraní v ochrannej atmosfére. Prvok bol dôležitý aj v projekte atómovej bomby. Manhattan.

Národný sklad USA

V roku 1925 vláda Spojených štátov amerických zriadila Národnú rezervu hélia v Amarille v Texase na účely poskytovania vojenských vzducholodí v čase vojny a komerčných vzducholodí v čase mieru. Po 2. svetovej vojne sa používanie plynu znížilo, ale v 50. rokoch 20. storočia došlo k zvýšeniu jeho dodávok, aby sa okrem iného zabezpečila jeho dodávka ako chladiva používaného pri výrobe kyslíkovodíkového raketového paliva počas vesmírnych pretekov a studenej vojny. Spotreba hélia v USA v roku 1965 bola osemnásobkom najvyššej spotreby počas vojny.

Po héliovom zákone z roku 1960 úrad pre bane uzavrel zmluvu s 5 súkromnými spoločnosťami na ťažbu prvku zo zemného plynu. Pre tento program bol vybudovaný 425-kilometrový plynovod spájajúci tieto elektrárne s čiastočne vyčerpaným vládnym plynovým poľom neďaleko Amarilla v Texase. Zmes hélia a dusíka bola prečerpaná do podzemného skladovacieho zariadenia a zostala tam, kým to nebolo potrebné.

Do roku 1995 sa zhromaždila miliarda kubických metrov zásob a dlh v Národnej rezerve bol 1,4 miliardy dolárov, čo prinútilo Kongres USA, aby ju v roku 1996 postupne vyradil. Po schválení zákona o privatizácii hélia v roku 1996 začalo ministerstvo prírodných zdrojov v roku 2005 likvidáciu skladovacieho zariadenia.

Čistota a objem výroby

Hélium vyrobené pred rokom 1945 malo čistotu asi 98 %, zvyšok 2 %predstavoval dusík, ktorý bol pre vzducholode dostatok. V roku 1945 sa vyrobilo malé množstvo 99,9 percentného plynu na použitie pri oblúkovom zváraní. Do roku 1949 dosiahla čistota výsledného prvku 99,995 %.

Po mnoho rokov Spojené štáty americké vyrábali viac ako 90 % svetového komerčného hélia. Od roku 2004 vyrába 140 miliónov m3 ročne, z čoho 85 % pochádza zo Spojených štátov, 10 % z Alžírska a zvyšok z Ruska a Poľska. Hlavnými zdrojmi hélia na svete sú plynové polia v Texase, Oklahome a Kansase.

Prijímací proces

Hélium (čistota 98,2 %) sa získava zo zemného plynu skvapalňovaním iných komponentov pri nízkych teplotách a vysokom tlaku. Adsorpcia ostatných plynov ochladeným aktívnym uhlím dosahuje čistotu 99,995 %. Malé množstvo hélia sa vyrába skvapalňovaním vzduchu vo veľkom meradle. Z 900 ton vzduchu sa dá získať asi 3,17 kubických metrov. m plynu.

Oblasti použitia

Ušlechtilý plyn sa používa v rôznych oblastiach.

Hélium, ktorého vlastnosti umožňujú dosiahnuť ultranízke teploty, sa používa ako chladivo vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, supravodivých magnetoch v MRI strojoch a spektrometroch nukleárnej magnetickej rezonancie, satelitných zariadeniach a tiež na skvapalňovanie kyslíka a vodík v raketách Apollo.
Ako inertný plyn na zváranie hliníka a iných kovov, pri výrobe optických vlákien a polovodičov.
Na vytvorenietlak v palivových nádržiach raketových motorov, najmä tých, ktoré sú poháňané kvapalným vodíkom, pretože iba plynné hélium si zachováva svoj stav agregácie, keď vodík zostáva tekutý);
Plynové lasery He-Ne sa používajú na skenovanie čiarových kódov pri pokladniach supermarketov.
Héliový iónový mikroskop vytvára lepšie obrázky ako elektrónový mikroskop.
Vzácny plyn sa vďaka svojej vysokej priepustnosti používa na kontrolu netesností napríklad v klimatizačných systémoch áut a na rýchle nafúknutie airbagov pri nehode.
Nízka hustota vám umožňuje plniť dekoratívne balóniky héliom. Inertný plyn nahradil vo vzducholodiach a balónoch výbušný vodík. Napríklad v meteorológii sa héliové balóny používajú na zdvíhanie meracích prístrojov.
V kryogénnej technológii slúži ako chladivo, keďže teplota tohto chemického prvku v kvapalnom stave je najnižšia možná.
Hélium, ktorého vlastnosti mu zaisťujú nízku reaktivitu a rozpustnosť vo vode (a krvi), zmiešané s kyslíkom, našlo uplatnenie v dýchacích kompozíciách pre potápanie a prácu v kesóne.
Meteority a horniny sa analyzujú na tento prvok, aby sa určil ich vek.