Hel - Helium

Hel,  2 He
Rura wyładowcza helu.jpg
Hel
Wymowa / H ı L i ə m / ( HEE -lee-əm )
Wygląd zewnętrzny bezbarwny gaz, wykazujący szarą, mętną poświatę (lub czerwonawo-pomarańczową, jeśli używane jest szczególnie wysokie napięcie) po umieszczeniu w polu elektrycznym
Standardowy ciężar atomowy r, std (He) 4.002 602 (2)
Hel w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob Molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson


On

Ne
wodórhellit
Liczba atomowa ( Z ) 2
Grupa grupa 18 (gazy szlachetne)
Okres okres 1
Blok   s-blok
Konfiguracja elektronów 1s 2
Elektrony na powłokę 2
Właściwości fizyczne
Faza STP gaz
Temperatura topnienia 0,95  K (-272,20 ° C, -457,96 ° F) (przy 2,5 MPa)
Temperatura wrzenia 4,222 K (-268,928 ° C, -452,070 ° F)
Gęstość (w STP) 0,1786 g/l
w stanie ciekłym (przy  mp ) 0,145 g / cm 3
gdy płynny (w  bp ) 0,125 g / cm 3
Potrójny punkt 2,177 K, 5,043 kPa
Punkt krytyczny 5,1953 K, 0,22746 MPa
Ciepło stapiania 0,0138  kJ/mol
Ciepło parowania 0,0829 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 20,78 J/(mol·K)
Prężność par (zdefiniowana przez ITS-90 )
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K)     1.23 1,67 2,48 4.21
Właściwości atomowe
Stany utleniania 0
Elektroujemność Skala Paulinga: brak danych
Energie jonizacji
Promień kowalencyjny 28  wieczorem
Promień Van der Waalsa 140 po południu
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe helu
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna sześciokątne ciasno upakowane (hcp)
Sześciokątna, gęsto upakowana struktura krystaliczna dla helu
Prędkość dźwięku 972 m/s
Przewodność cieplna 0,1513 W/(m⋅K)
Zamawianie magnetyczne diamagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna -1,88 × 10 -6  cm 3 /mol (298 K)
Numer CAS 7440-59-7
Historia
Nazewnictwo za Heliosem , greckim bogiem Słońca
Odkrycie Pierre Janssen , Norman Lockyer (1868)
Pierwsza izolacja William Ramsay , Per Teodor Cleve , Abraham Langlet (1895)
Główne izotopy helu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
3 On 0,0002% stabilny
4 On 99,9998% stabilny
Kategoria Kategoria: Hel
| Bibliografia

Hel (z greckiego : ἥλιος , latynizowanehelios , dosł. 'słońce') to pierwiastek chemiczny o symbolu He i liczbie atomowej 2. Jest to bezbarwny, bezwonny, bez smaku, nietoksyczny, obojętny , jednoatomowy gaz , pierwszy w grupie gazów szlachetnych w układzie okresowym . Jego temperatura wrzenia i topnienia jest najniższa spośród wszystkich pierwiastków . Hel jest drugim najlżejszym i drugim najobficiej występującym pierwiastkiem w obserwowalnym wszechświecie ( wodór jest najlżejszym i najbogatszym). Jest obecny w około 24% całkowitej masy pierwiastków, co stanowi ponad 12-krotność masy wszystkich cięższych pierwiastków razem wziętych. Jego obfitość jest podobna do tej na Słońcu i Jowiszu . Wynika to z bardzo wysokiej energii wiązania jądra (na nukleon ) helu-4 w stosunku do trzech kolejnych pierwiastków po helu. Ta energia wiązania helu-4 wyjaśnia również, dlaczego jest on produktem zarówno syntezy jądrowej, jak i rozpadu radioaktywnego . Większość helu we wszechświecie to hel-4, którego zdecydowana większość powstała podczas Wielkiego Wybuchu . Duże ilości nowego helu powstają w wyniku fuzji jądrowej wodoru w gwiazdach .

Hel został po raz pierwszy wykryty jako nieznana, żółta linia widmowa w świetle słonecznym, podczas zaćmienia Słońca w 1868 roku przez Georgesa Rayeta , kapitana CT Haiga, Normana R. Pogsona i porucznika Johna Herschela, a następnie został potwierdzony przez francuskiego astronoma Julesa Janssena . Janssenowi często przypisuje się wykrycie pierwiastka wraz z Normanem Lockyerem . Janssen zarejestrował linię widmową helu podczas zaćmienia Słońca w 1868 roku, podczas gdy Lockyer obserwował ją z Wielkiej Brytanii. Lockyer jako pierwszy zaproponował, aby linia była spowodowana nowym elementem, który nazwał. Formalnego odkrycia pierwiastka dokonali w 1895 r. chemicy Sir William Ramsay , Per Teodor Cleve i Nils Abraham Langlet , którzy odkryli hel pochodzący z rudy uranu , kleweit , który nie jest obecnie uważany za odrębny gatunek minerału, ale za różnorodność uranitu. W 1903 r. na polach gazu ziemnego w niektórych częściach Stanów Zjednoczonych, które są obecnie największym dostawcą tego gazu, odkryto duże rezerwy helu .

Ciekły hel stosuje się w kriogenicznych (największego jednorazowego użytku, pochłania około jednej czwartej produkcji), oraz w chłodzenia z magnesy nadprzewodzące , z główną aplikacji handlowej będącej w MRI skanery. Inne przemysłowe zastosowania helu — jako gaz sprężający i oczyszczający, jako atmosfera ochronna do spawania łukowego oraz w procesach takich jak hodowanie kryształów w celu wytworzenia płytek krzemowych — stanowią połowę wytwarzanego gazu. Dobrze znanym, ale niewielkim zastosowaniem jest gaz podnoszący w balonach i sterowcach . Jak w przypadku każdego gazu, którego gęstość różni się od powietrza, wdychanie niewielkiej ilości helu chwilowo zmienia barwę i jakość ludzkiego głosu . W badaniach naukowych zachowanie dwóch płynnych faz helu-4 (hel I i hel II) jest ważne dla badaczy mechaniki kwantowej (w szczególności właściwości nadciekłości ) oraz dla tych, którzy przyglądają się zjawiskom, takim jak nadprzewodnictwo , w materii w pobliżu zera absolutnego .

Na Ziemi jest stosunkowo rzadki — 5,2 ppm objętości w atmosferze . Większość obecnego dziś ziemskiego helu powstaje w wyniku naturalnego rozpadu radioaktywnego ciężkich pierwiastków promieniotwórczych ( toru i uranu , chociaż istnieją inne przykłady), ponieważ cząstki alfa emitowane przez takie rozpady składają się z jąder helu-4 . Ten radiogeniczny hel jest wychwytywany przez gaz ziemny w stężeniach sięgających 7% objętości, z którego jest ekstrahowany komercyjnie w procesie niskotemperaturowej separacji zwanego destylacją frakcyjną . Wcześniej uważano , że hel ziemski — nieodnawialny zasób, ponieważ po uwolnieniu do atmosfery szybko ucieka w kosmos — był coraz mniej dostępny. Jednak ostatnie badania sugerują, że hel produkowany głęboko pod ziemią w wyniku rozpadu radioaktywnego może gromadzić się w rezerwach gazu ziemnego w większych niż oczekiwano ilościach, w niektórych przypadkach uwolniony przez aktywność wulkaniczną.

Historia

Odkrycia naukowe

Pierwszym dowodem hel 18 sierpnia 1868 obserwowane jako jasnożółty linii o długości fali z 587.49 nm w widmie w chromosferze na słońce . Linia została wykryta przez francuskiego astronoma Julesa Janssena podczas całkowitego zaćmienia Słońca w Guntur w Indiach. Początkowo zakładano, że linia ta zawiera sód . 20 października tego samego roku angielski astronom Norman Lockyer zaobserwował żółtą linię w widmie słonecznym, którą nazwał D 3, ponieważ znajdowała się w pobliżu znanych linii D 1 i D 2 Fraunhofera dla sodu. Doszedł do wniosku, że jest to spowodowane przez nieznany na Ziemi pierwiastek w Słońcu. Lockyer i angielski chemik Edward Frankland nazwali ten pierwiastek greckim słowem oznaczającym Słońce, ἥλιος ( helios ).

Obraz widma widzialnego z nałożonymi ostrymi liniami żółtymi i niebieskimi oraz fioletowymi
Linie widmowe helu

W 1881 roku, włoski fizyk Luigi Palmieri wykryto hel na Ziemi po raz pierwszy przez jego D 3 linii widmowej, kiedy analizuje się materiał, który został wysublimowaną podczas niedawnej erupcji Wezuwiusza .

Sir William Ramsay , odkrywca ziemskiego helu
Próbka cleveite, z której Ramsay po raz pierwszy oczyścił hel

26 marca 1895 roku szkocki chemik Sir William Ramsay wyizolował hel na Ziemi, traktując minerał kleweit (odmiana uraninitu z co najmniej 10% pierwiastkami ziem rzadkich ) kwasami mineralnymi . Ramsay szukał argon , ale po oddzieleniu azotu i tlenu z gazu uwolnionego przez kwas siarkowy , zauważył, że jasnożółty linię odpowiadała D 3 linii obserwowane w widmie Sun. Próbki te zostały zidentyfikowane jako hel przez Lockyera i brytyjskiego fizyka Williama Crookesa . Został on niezależnie wyizolowany z kleweitu w tym samym roku przez chemików Pera Teodora Cleve i Abrahama Langleta w Uppsali w Szwecji, którzy zebrali wystarczającą ilość gazu, aby dokładnie określić jego masę atomową . Hel został również wyizolowany przez amerykańskiego geochemika, Williama Francisa Hillebranda , przed odkryciem Ramsaya, kiedy zauważył niezwykłe linie spektralne podczas testowania próbki minerału uranitu. Hillebrand przypisał jednak linie azotowi. Jego list z gratulacjami do Ramsaya przedstawia interesujący przypadek odkrycia i bliskiego odkrycia w nauce.

W 1907 roku Ernest Rutherford i Thomas Royds wykazali, że cząstki alfajądrami helu , pozwalając cząstkom przeniknąć przez cienką, szklaną ściankę opróżnionej rurki, a następnie wytworzyć w niej wyładowanie, aby zbadać widmo nowego gazu wewnątrz. W 1908 roku hel został po raz pierwszy skroplony przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingha Onnesa poprzez schłodzenie gazu do temperatury poniżej 5 K (-268,15°C; -450,67°F). Próbował go zestalić, jeszcze bardziej obniżając temperaturę, ale nie powiodło się, ponieważ hel nie krzepnie pod ciśnieniem atmosferycznym. Uczeń Onnesa Willem Hendrik Keesom zdołał ostatecznie zestalić 1 cm 3 helu w 1926 r., stosując dodatkowe ciśnienie zewnętrzne.

W 1913 Niels Bohr opublikował swoją „trylogię” na temat budowy atomu, która zawierała ponowne rozważenie serii Pickeringa-Fowlera jako głównego dowodu na poparcie jego modelu atomu . Nazwa tej serii pochodzi od Edwarda Charlesa Pickeringa , który w 1896 roku opublikował obserwacje nieznanych wcześniej linii w widmie gwiazdy ζ Puppis (obecnie wiadomo, że występują one z Wolf-Rayetem i innymi gorącymi gwiazdami). Pickering przypisał obserwację (linie przy 4551, 5411 i 10123  Å ) nowej postaci wodoru o półcałkowitych poziomach przejściowych. W 1912 Alfred Fowler zdołał wyprodukować podobne linie z mieszaniny wodoru i helu i poparł wniosek Pickeringa co do ich pochodzenia. Model Bohra nie pozwala na przejścia pół-całkowite (tak samo jak mechanika kwantowa) i Bohr doszedł do wniosku, że Pickering i Fowler byli w błędzie i zamiast tego przypisał te linie widmowe do zjonizowanego helu, He + . Fowler był początkowo sceptyczny, ale ostatecznie był przekonany, że Bohr miał rację, i do 1915 „spektroskopiści przenieśli [serie Pickeringa-Fowlera] definitywnie [z wodoru] do helu”. Teoretyczna praca Bohra nad serią Pickeringa wykazała potrzebę „ponownego zbadania problemów, które wydawały się już być rozwiązane w ramach teorii klasycznych” i dostarczyły ważnego potwierdzenia dla jego teorii atomowej.

W 1938 roku rosyjski fizyk Piotr Leonidowicz Kapitsa odkrył, że hel-4 nie ma prawie żadnej lepkości w temperaturach bliskich zera absolutnego , zjawisko to nazywa się teraz nadciekłością . Zjawisko to jest związane z kondensacją Bosego–Einsteina . W 1972 roku to samo zjawisko zaobserwowano w helu-3 , ale w temperaturach znacznie bliższych zera absolutnego, przez amerykańskich fizyków Douglasa D. Osheroffa , Davida M. Lee i Roberta C. Richardsona . Uważa się, że zjawisko w helu-3 jest związane z parowaniem fermionów helu-3 w bozony , analogicznie do par elektronów Coopera wytwarzających nadprzewodnictwo .

Ekstrakcja i użytkowanie

Znacznik historyczny, oznaczający ogromne znalezisko helu w pobliżu Dexter, Kansas

Po operacji odwiertów naftowych w 1903 r. w Dexter w stanie Kansas wyprodukował gazowy gejzer, który się nie pali, geolog stanu Kansas, Erasmus Haworth, zebrał próbki ulatniającego się gazu i zabrał je z powrotem na Uniwersytet Kansas w Lawrence, gdzie z pomocą chemików Hamiltona Cady i David McFarland odkryli, że gaz składa się objętościowo z 72% azotu, 15% metanu ( procent palny tylko przy wystarczającej ilości tlenu), 1% wodoru i 12% niezidentyfikowanego gazu. Dzięki dalszej analizie Cady i McFarland odkryli, że 1,84% próbki gazu stanowił hel. To pokazało, że pomimo jego ogólnej rzadkości na Ziemi, hel był skoncentrowany w dużych ilościach pod Wielkimi Równinami Amerykańskimi , dostępny do wydobycia jako produkt uboczny gazu ziemnego .

Dzięki temu Stany Zjednoczone stały się wiodącym światowym dostawcą helu. Zgodnie z sugestią Sir Richarda Threlfalla , Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych sponsorowała podczas I wojny światowej trzy małe eksperymentalne instalacje helu. Celem było zaopatrzenie balonów zaporowych w niepalny, lżejszy od powietrza gaz. Łącznie 5700 m 3 (200,000 stóp sześciennych) na poziomie 92% helu wytworzonych w ramach programu, chociaż mniej niż metra sześciennego gazu uprzednio otrzymanym. Część tego gazu użyto w pierwszej na świecie helu wypełnione sterowiec US Navy w C-klasa sterowiec C-7, który poleciał jego dziewiczego rejsu z Hampton Roads, Virginia , do Bolling Pole w Waszyngtonie, w dniu 1 grudnia 1921 , prawie dwa lata przed pierwszym sztywnym sterowcem marynarki wojennym wypełnionym helem, zbudowanym przez Naval Aircraft Factory USS Shenandoah , poleciał we wrześniu 1923 roku.

Chociaż proces wydobycia przy użyciu niskotemperaturowego skraplania gazu nie został opracowany na czas, aby miał znaczenie podczas I wojny światowej, produkcja była kontynuowana. Hel był używany głównie jako gaz unoszący w lżejszych od powietrza statkach powietrznych. W czasie II wojny światowej wzrosło zapotrzebowanie na hel do gazów unoszących oraz do spawania łukiem osłonowym . Spektrometr masowy hel był również istotny w bombie atomowej Manhattan Project .

Rząd Stanów Zjednoczonych skonfigurować Narodowy Helium Reserve w 1925 roku w Amarillo w Teksasie , w celu dostarczenia wojskowe statki powietrzne w czasie wojny i sterowców handlowych w czasie pokoju. Ze względu na ustawę helową z 1925 r. , która zakazywała eksportu rzadkiego helu, na który USA miały wówczas monopol na produkcję, wraz z zaporowymi kosztami gazu, Hindenburg , podobnie jak wszystkie niemieckie sterowce , został zmuszony do używania wodoru jako windy. gaz. Rynek helu po II wojnie światowej był w depresji, ale rezerwa została rozszerzona w latach 50. XX wieku, aby zapewnić dostawy ciekłego helu jako chłodziwa do wytwarzania paliwa rakietowego tlen/wodór (między innymi) podczas wyścigu kosmicznego i zimnej wojny . Zużycie helu w Stanach Zjednoczonych w 1965 r. było ponad ośmiokrotnie wyższe niż szczytowe zużycie w czasie wojny.

Po „poprawkach do ustawy o helu z 1960 r.” (Prawo publiczne 86-777), Biuro Kopalń Stanów Zjednoczonych zorganizowało pięć prywatnych zakładów odzyskiwania helu z gazu ziemnego. W ramach tego programu ochrony helu Biuro zbudowało 425-milowy (684 km) rurociąg z Bushton w stanie Kansas , aby połączyć te elektrownie z częściowo wyeksploatowanym przez rząd polem gazowym Cliffside w pobliżu Amarillo w Teksasie. Ta mieszanina helowo-azotowa została wstrzyknięta i przechowywana na polu gazowym Cliffside do czasu, gdy była potrzebna, po czym została dalej oczyszczona.

Do 1995 roku zebrano miliard metrów sześciennych gazu, a rezerwa miała dług w wysokości 1,4 miliarda dolarów, co skłoniło Kongres Stanów Zjednoczonych w 1996 roku do stopniowego wycofywania rezerwy. Wynikająca z tego ustawa o prywatyzacji helu z 1996 r. (Public Law 104–273) nakazała Departamentowi Spraw Wewnętrznych Stanów Zjednoczonych opróżnić rezerwę, a sprzedaż rozpoczęła się w 2005 r.

Hel produkowany w latach 1930-1945 miał czystość około 98,3% (2% azotu), co było wystarczające dla sterowców. W 1945 roku wyprodukowano niewielką ilość 99,9% helu do celów spawalniczych. Do 1949 roku dostępne były komercyjne ilości 99,95% helu klasy A.

Przez wiele lat Stany Zjednoczone produkowały ponad 90% komercyjnie użytecznego helu na świecie, podczas gdy zakłady wydobywcze w Kanadzie, Polsce, Rosji i innych krajach produkowały pozostałą część. W połowie lat 90. uruchomiono nowy zakład w Arzewie w Algierii, produkujący 17 milionów metrów sześciennych (600 milionów stóp sześciennych), a produkcja wystarczająca na pokrycie całego zapotrzebowania Europy. Tymczasem do 2000 r. zużycie helu w Stanach Zjednoczonych wzrosło do ponad 15 mln kg rocznie. W latach 2004-2006 wybudowano dodatkowe zakłady w Ras Laffan w Katarze i Skikda w Algierii. Algieria szybko stała się drugim wiodącym producentem helu. Przez ten czas rosło zarówno zużycie helu, jak i koszty jego produkcji. Od 2002 do 2007 roku ceny helu podwoiły się.

W 2012 r. Narodowa Rezerwa Helu Stanów Zjednoczonych stanowiła 30 procent światowego helu. Oczekiwano, że w rezerwie wyczerpie się hel w 2018 roku. Mimo to projekt ustawy w Senacie Stanów Zjednoczonych umożliwiłby rezerwie dalszą sprzedaż gazu. Inne duże rezerwy w Hugoton w Kansas , USA, i pobliskich polach gazowych Kansas i panhandles z Teksasu i Oklahomy . Nowe zakłady helu miały zostać otwarte w 2012 roku w Katarze , Rosji i amerykańskim stanie Wyoming , ale nie oczekiwano, że złagodzą one niedobór.

W 2013 r. Katar uruchomił największą na świecie jednostkę produkującą hel, chociaż kryzys dyplomatyczny Kataru w 2017 r. poważnie dotknął tamtejszą produkcję helu. Rok 2014 został powszechnie uznany za rok nadpodaży w branży helu, po latach słynnych niedoborów. Nasdaq poinformował (2015), że w przypadku Air Products , międzynarodowej korporacji sprzedającej gazy do użytku przemysłowego, ilości helu pozostają pod presją ekonomiczną z powodu ograniczeń w dostawach surowców.

Charakterystyka

Atom helu

Obraz rozmytej szarej kuli z gęstością skali szarości zmniejszającą się od środka.  Skala długości około 1 Angstrem.  Wstawka przedstawia strukturę rdzenia, z dwoma czerwonymi i dwoma niebieskimi atomami w skali długości 1 femtometr.
Atom helu. Przedstawiono jądro (różowy) i rozkład chmury elektronowej (czarny). Jądro (prawy górny róg) w helu-4 jest w rzeczywistości sferycznie symetryczne i bardzo przypomina chmurę elektronową, chociaż w przypadku bardziej skomplikowanych jąder nie zawsze tak jest.

Hel w mechanice kwantowej

Z punktu widzenia mechaniki kwantowej hel jest drugim najprostszym do modelowania atomem , po atomie wodoru . Hel składa się z dwóch elektronów na orbitalach atomowych otaczających jądro zawierające dwa protony i (zwykle) dwa neutrony. Podobnie jak w mechanice Newtona, żaden układ składający się z więcej niż dwóch cząstek nie może być rozwiązany za pomocą dokładnego analitycznego podejścia matematycznego (patrz problem trzech ciał ), a hel nie jest wyjątkiem. Dlatego potrzebne są matematyczne metody numeryczne, nawet do rozwiązania układu jednego jądra i dwóch elektronów. Takie metody chemii obliczeniowej zostały wykorzystane do stworzenia w kilku krokach obliczeniowych obrazu mechaniki kwantowej wiązania elektronów helu, który jest dokładny z dokładnością do < 2% prawidłowej wartości. Takie modele pokazują, że każdy elektron w helu częściowo osłania jądro od drugiego, tak że efektywny ładunek jądrowy Z, który widzi każdy elektron, wynosi około 1,69 jednostki, a nie 2 ładunki klasycznego „nagiego” jądra helu.

Powiązana stabilność jądra helu-4 i powłoki elektronowej

Jądro atomu helu-4 jest identyczne z cząsteczką alfa . Eksperymenty z wysokoenergetycznym rozpraszaniem elektronów pokazują, że jego ładunek spada wykładniczo od maksimum w centralnym punkcie, dokładnie tak jak gęstość ładunku w chmurze elektronowej helu . Ta symetria odzwierciedla podobną fizykę leżącą u podstaw: para neutronów i para protonów w jądrze helu podlegają tym samym prawom mechaniki kwantowej, co para elektronów helu (chociaż cząstki jądrowe podlegają różnym potencjale wiązania jądra), więc wszystkie te Fermiony w pełni zajmują orbitale 1s parami, żaden z nich nie posiada orbitalnego momentu pędu, a każdy z nich anuluje wewnętrzny spin drugiego. Dodanie kolejnej z tych cząstek wymagałoby momentu pędu i uwolniłoby znacznie mniej energii (w rzeczywistości żadne jądro z pięcioma nukleonami nie jest stabilne). Ten układ jest zatem niezwykle stabilny energetycznie dla wszystkich tych cząstek, a stabilność ta wyjaśnia wiele kluczowych faktów dotyczących helu w przyrodzie.

Na przykład stabilność i niska energia stanu chmury elektronowej w helu odpowiada za chemiczną obojętność pierwiastka, a także brak wzajemnego oddziaływania atomów helu, co powoduje najniższe temperatury topnienia i wrzenia wszystkich pierwiastków.

W podobny sposób szczególna stabilność energetyczna jądra helu-4, wywołana podobnymi efektami, odpowiada za łatwość produkcji helu-4 w reakcjach atomowych, które obejmują emisję ciężkich cząstek lub fuzję. Pewna część stabilnego helu-3 (2 protony i 1 neutron) jest wytwarzana w reakcjach fuzji z wodoru, ale jest to bardzo mała frakcja w porównaniu z bardzo korzystnym helem-4.

Energia wiązania na nukleon wspólnych izotopów. Energia wiązania na cząsteczkę helu-4 jest znacznie większa niż wszystkich pobliskich nuklidów.

Niezwykła stabilność jądra helu-4 jest również ważna kosmologicznie : wyjaśnia fakt, że w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu , jako „zupa” wolnych protonów i neutronów, które pierwotnie powstały w stosunku około 6:1 schłodzone do tego stopnia, że ​​wiązanie jądrowe było możliwe, prawie wszystkie pierwsze złożone jądra atomowe, które powstały, były jądrami helu-4. Wiązanie helu-4 było tak ciasne, że produkcja helu-4 pochłonęła prawie wszystkie wolne neutrony w ciągu kilku minut, zanim uległy rozpadowi beta, a także pozostawiło niewiele do utworzenia cięższych atomów, takich jak lit, beryl czy bor. Wiązanie jądrowe helu-4 na nukleon jest silniejsze niż w którymkolwiek z tych pierwiastków (patrz nukleogeneza i energia wiązania ), a zatem po utworzeniu helu nie było dostępnego napędu energetycznego, aby wytworzyć pierwiastki 3, 4 i 5. Było to ledwo korzystne energetycznie aby hel skondensował się w następny pierwiastek o niższej energii na nukleon , węgiel. Jednak ze względu na brak pierwiastków pośrednich, proces ten wymaga niemal jednoczesnego uderzenia trzech jąder helu (patrz proces potrójnej alfa ). Nie było zatem czasu na uformowanie się znaczącego węgla w kilka minut po Wielkim Wybuchu, zanim wczesny rozszerzający się Wszechświat ochłodził się do temperatury i ciśnienia, w których fuzja helu z węglem nie była już możliwa. To pozostawiło wczesny wszechświat z bardzo podobnym stosunkiem wodoru do helu, jaki obserwujemy dzisiaj (3 części wodoru na 1 część helu-4 masowo), z prawie wszystkimi neutronami we wszechświecie uwięzionymi w helu-4.

Wszystkie cięższe pierwiastki (w tym te niezbędne dla planet skalistych, takich jak Ziemia, oraz dla życia opartego na węglu lub innego życia) powstały w ten sposób od Wielkiego Wybuchu w gwiazdach, które były wystarczająco gorące, by skondensować sam hel. Wszystkie pierwiastki inne niż wodór i hel stanowią dziś zaledwie 2% masy materii atomowej we wszechświecie. Z kolei hel-4 stanowi około 23% zwykłej materii Wszechświata — prawie całej zwykłej materii, która nie jest wodorem.

Faza gazowa i plazmowa

Podświetlane jasnoczerwone rurki wyładowcze w kształcie liter H i e
Rurka wyładowcza helu w kształcie symbolu atomowego elementu

Hel jest drugim po neonze najmniej reaktywnym gazem szlachetnym , a tym samym drugim najmniej reaktywnym ze wszystkich pierwiastków. Jest chemicznie obojętny i jednoatomowy we wszystkich standardowych warunkach. Ze względu na stosunkowo niską masę molową (atomową) helu, jego przewodnictwo cieplne , ciepło właściwe i prędkość dźwięku w fazie gazowej są większe niż w przypadku jakiegokolwiek innego gazu z wyjątkiem wodoru . Z tych powodów i małych rozmiarów jednoatomowych cząsteczek helu, hel dyfunduje przez ciała stałe z szybkością trzykrotnie większą niż powietrze i około 65% szybciej niż wodór.

Hel jest najmniej rozpuszczalnym w wodzie gazem jednoatomowym i jednym z najmniej rozpuszczalnych w wodzie spośród wszystkich gazów ( CF 4 , SF 6 i C 4 F 8 mają niższe rozpuszczalności ułamka molowego: 0,3802, 0,4394 i 0,2372 x 2 /10 − 5 , w porównaniu do helu 0,70797 x 2 /10 -5 ), a współczynnik załamania helu jest bliższy jedności niż w przypadku jakiegokolwiek innego gazu. Hel ma ujemny współczynnik Joule-Thomsona w normalnych temperaturach otoczenia, co oznacza, że ​​nagrzewa się, gdy pozwala się swobodnie rozszerzać. Dopiero poniżej temperatury inwersji Joule'a-Thomsona (około 32 do 50 K przy 1 atmosferze) chłodzi się po swobodnym rozszerzaniu. Po wstępnym schłodzeniu poniżej tej temperatury, hel można skroplić przez chłodzenie rozprężne.

Większość pozaziemskiego helu znajduje się w stanie plazmy , o właściwościach zupełnie odmiennych od helu atomowego. W plazmie elektrony helu nie są związane z jej jądrem, co skutkuje bardzo wysoką przewodnością elektryczną, nawet gdy gaz jest tylko częściowo zjonizowany. Naładowane cząstki są pod silnym wpływem pól magnetycznych i elektrycznych. Na przykład w wietrze słonecznym wraz ze zjonizowanym wodorem cząstki oddziałują z magnetosferą Ziemi , powodując prądy Birkelanda i zorzę polarną .

Ciekły hel

Skroplony hel. Ten hel jest nie tylko płynny, ale został schłodzony do stanu nadciekłego . Kropla płynu na dnie szklanki reprezentuje hel samorzutnie uciekający z pojemnika przez boki, aby opróżnić pojemnik. Energia napędzająca ten proces jest dostarczana przez energię potencjalną spadającego helu.

W przeciwieństwie do innych pierwiastków, hel pozostanie płynny aż do zera absolutnego przy normalnym ciśnieniu. Jest to bezpośredni efekt mechaniki kwantowej: w szczególności energia punktu zerowego układu jest zbyt wysoka, aby umożliwić zamarzanie. Stały hel wymaga temperatury 1-1,5 K (około -272 °C lub -457 °F) przy ciśnieniu około 25 barów (2,5 MPa). Często trudno jest odróżnić hel stały od ciekłego, ponieważ współczynniki załamania obu faz są prawie takie same. Ciało stałe ma ostrą temperaturę topnienia i strukturę krystaliczną , ale jest bardzo ściśliwe ; zastosowanie ciśnienia w laboratorium może zmniejszyć jego objętość o ponad 30%. Przy module objętościowym około 27 MPa jest ~100 razy bardziej ściśliwy niż woda. Hel w stanie stałym ma gęstość0,214 ± 0,006 g / cm 3 w 1,15 K a 66 MPa; przewidywana gęstość przy 0 K i 25 barach (2,5 MPa) wynosi0,187 ± 0,009 g / cm 3 . W wyższych temperaturach hel zestala się pod wystarczającym ciśnieniem. W temperaturze pokojowej wymaga to około 114 000 atm.

Hel I

Poniżej jego temperatury wrzenia 4,22 K (-268,93 ° C; -452,07 ° F) i powyżej temperatury lambda 2.1768 K (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F), izotop helu-4 istnieje w normalnym, bezbarwnym stanie ciekłym , zwany helem I . Podobnie jak inne ciecze kriogeniczne , hel I wrze po podgrzaniu i kurczy się po obniżeniu jego temperatury. Jednak poniżej punktu lambda hel nie wrze i rozszerza się wraz z dalszym obniżaniem temperatury.

Hel I ma gazopodobny współczynnik załamania światła równy 1,026, co sprawia, że ​​jego powierzchnia jest tak trudna do zauważenia, że często używa się pływaków styropianowych do pokazania, gdzie znajduje się powierzchnia. Ta bezbarwna ciecz ma bardzo niską lepkość i gęstość 0,145–0,125 g/mL (od około 0 do 4 K), co stanowi zaledwie jedną czwartą wartości oczekiwanej z fizyki klasycznej . Mechanika kwantowa jest potrzebna do wyjaśnienia tej właściwości, dlatego oba stany ciekłego helu (hel I i hel II) nazywane są płynami kwantowymi , co oznacza, że ​​wykazują właściwości atomowe w skali makroskopowej. Może to wynikać z faktu, że jego temperatura wrzenia jest tak bliska zeru bezwzględnego, co uniemożliwia przypadkowemu ruchowi molekularnemu ( energię cieplną ) maskowanie właściwości atomowych.

Hel II

Ciekły hel poniżej punktu lambda (zwany helem II ) wykazuje bardzo nietypowe właściwości. Ze względu na wysoką przewodność cieplną , gdy się zagotuje, nie bulgocze, lecz odparowuje bezpośrednio z powierzchni. Hel-3 ma również fazę nadciekłą , ale tylko w znacznie niższych temperaturach; w rezultacie mniej wiadomo o właściwościach izotopu.

Rysunek przekrojowy przedstawiający jedno naczynie w drugim.  W naczyniu zewnętrznym znajduje się ciecz, która ma tendencję do wpływania do naczynia wewnętrznego przez jego ścianki.
W przeciwieństwie do zwykłych cieczy, hel II będzie pełzał po powierzchniach, aby osiągnąć równy poziom; po chwili poziomy w dwóch pojemnikach wyrównają się. Folii Rollin obejmuje również wnętrze większego pojemnika; jeśli nie zostanie zapieczętowany, hel II wypełznie i ucieknie.

Hel II to nadciekły, kwantowo-mechaniczny stan (patrz: makroskopowe zjawiska kwantowe ) materii o dziwnych właściwościach. Na przykład, gdy przepływa przez kapilary o grubości 10-7 do 10-8  m, nie ma mierzalnej lepkości . Jednak gdy pomiary były wykonywane między dwoma poruszającymi się dyskami, zaobserwowano lepkość porównywalną z gazowym helem. Obecna teoria wyjaśnia to za pomocą dwucieczowego modelu dla helu II. W modelu tym, ciekły hel poniżej punktu lambda jest postrzegany jako zawierający część atomów helu w stanie podstawowym , które są nadciekłe i płyną o dokładnie zerowej lepkości, oraz część atomów helu w stanie wzbudzonym, które zachowują się bardziej jak zwykły płyn.

W efekcie fontanny konstruuje się komorę, która jest połączona ze zbiornikiem helu II za pomocą spiekanego dysku, przez który łatwo przecieka hel nadciekły, ale przez który hel nienadciekły nie może przejść. Jeśli wnętrze pojemnika jest ogrzewane, hel nadciekły zmienia się w hel nienadciekły. W celu utrzymania równowagi frakcji nadciekłego helu, nadciekły hel przecieka i zwiększa ciśnienie, powodując spływanie cieczy z pojemnika.

Przewodność cieplna helu II jest większa niż jakiejkolwiek innej znanej substancji, milion razy większa niż helu I i kilkaset razy większa niż miedzi . Dzieje się tak, ponieważ przewodzenie ciepła odbywa się dzięki wyjątkowemu mechanizmowi kwantowemu. Większość materiałów dobrze przewodzących ciepło ma pasmo walencyjne wolnych elektronów, które służą do przenoszenia ciepła. Hel II nie ma takiego pasma walencyjnego, ale mimo to dobrze przewodzi ciepło. Przepływ ciepła jest regulowana za pomocą równań, które są podobne do równania fali używanej do scharakteryzowania propagacji dźwięku w powietrzu. Kiedy wprowadzane jest ciepło, porusza się z prędkością 20 metrów na sekundę przy 1,8 K przez hel II jako fale w zjawisku znanym jako drugi dźwięk .

Hel II wykazuje również działanie pełzające. Gdy powierzchnia wystaje poza poziom helu II, hel II porusza się po powierzchni wbrew sile grawitacji . Hel II ucieknie z naczynia, które nie jest uszczelnione, pełzając po bokach, aż dotrze do cieplejszego obszaru, w którym wyparuje. Porusza się w folii o grubości 30  nm niezależnie od materiału powierzchni. Ten film nazywa się filmem Rollina i nosi imię człowieka, który jako pierwszy scharakteryzował tę cechę, Bernarda V. Rollina . W wyniku tego pełzającego zachowania i zdolności helu II do szybkiego przeciekania przez małe otwory, bardzo trudno jest go ograniczyć. Jeśli pojemnik nie jest starannie skonstruowany, hel II będzie pełzał po powierzchniach i przez zawory, aż dotrze w cieplejsze miejsce, gdzie wyparuje. Fale rozchodzące się po filmie Rollina rządzą się tym samym równaniem, co fale grawitacyjne w płytkiej wodzie, ale zamiast grawitacji siłą przywracającą jest siła van der Waalsa . Fale te znane są jako trzeci dźwięk .

Izotopy

Znanych jest dziewięć izotopów helu, ale stabilne są tylko hel-3 i hel-4 . W atmosferze ziemskiej jeden atom to3
On
za każdy milion, który jest4
On
… W przeciwieństwie do większości pierwiastków, ilość izotopów helu różni się znacznie w zależności od pochodzenia, ze względu na różne procesy powstawania. Najpowszechniejszy izotop, hel-4, jest wytwarzany na Ziemi przez rozpad alfa cięższych pierwiastków radioaktywnych; pojawiające się cząstki alfa to w pełni zjonizowane jądra helu-4. Hel-4 jest niezwykle stabilnym jądrem, ponieważ jego nukleony są ułożone w kompletne otoczki . Powstał również w ogromnych ilościach podczas nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu .

Hel-3 występuje na Ziemi tylko w śladowych ilościach. Większość z nich jest obecna od powstania Ziemi, choć niektóre spadają na Ziemię uwięzione w kosmicznym pyle . Śladowe ilości są również produkowane przez beta rozpadu z trytu . W skałach skorupy ziemskiej stosunki izotopów różnią się nawet dziesięciokrotnie i można je wykorzystać do zbadania pochodzenia skał i składu płaszcza Ziemi .3
Jest
znacznie bardziej obfity w gwiazdy jako produkt syntezy jądrowej. Zatem w ośrodku międzygwiazdowym proporcja3
On
do4
Jest
około 100 razy wyższy niż na Ziemi. Materiały pozaplanetarne, takie jak regolit księżycowy i asteroid , zawierają śladowe ilości helu-3 z bombardowania przez wiatry słoneczne . Powierzchnia Księżyca zawiera hel-3 w stężeniach rzędu 10 ppb , znacznie wyższych niż około 5 ppt w ziemskiej atmosferze. Wiele osób, począwszy od Geralda Kulcińskiego w 1986 roku, zaproponowało zbadanie Księżyca, wydobycie regolitu księżycowego i wykorzystanie helu-3 do syntezy jądrowej .

Ciekły hel-4 może być chłodzony do około 1 ° K (-272,15 ° C, -457,87 ° F) za pomocą chłodzenia wyparnego w doniczce 1-K . Podobne chłodzenie helu-3, który ma niższą temperaturę wrzenia, może osiągnąć około0,2 kelwina w lodówce hel-3 . Równe mieszaniny cieczy3
On
i4
On
poniżej0,8 K rozdziela się na dwie niemieszające się ze sobą fazy ze względu na ich odmienność (mają różne statystyki kwantowe : atomy helu-4 to bozony, a helu-3 to fermiony ). Lodówki rozcieńczające wykorzystują tę niemieszalność do osiągnięcia temperatury kilku milikelwinów.

Możliwe jest wytwarzanie egzotycznych izotopów helu , które szybko rozpadają się na inne substancje. Najkrótszy żywot ciężki izotop hel hel-5 jest z okresem półtrwania w7,6 x 10 -22  s . Hel-6 rozpada się, emitując cząsteczkę beta, a jego okres półtrwania wynosi 0,8 sekundy. Hel-7 emituje również cząsteczkę beta oraz promieniowanie gamma . Hel-7 i hel-8 powstają w pewnych reakcjach jądrowych . Wiadomo, że hel-6 i hel-8 wykazują jądrowe halo .

Związki

Struktura jonu wodorkowego helu , HHe +
Struktura podejrzanego anionu fluorohelianowego, OFeF

Hel ma wartościowość zerową i jest chemicznie niereaktywny we wszystkich normalnych warunkach. Jest izolatorem elektrycznym, chyba że jest zjonizowany . Podobnie jak w przypadku innych gazów szlachetnych, hel ma metastabilne poziomy energii, które pozwalają mu pozostać zjonizowanym w wyładowaniu elektrycznym o napięciu poniżej jego potencjału jonizacji . Hel może tworzyć niestabilne związki , znane jako ekscymery , z wolframem, jodem, fluorem, siarką i fosforem, gdy zostanie poddany wyładowaniu jarzeniowemu , bombardowaniu elektronami lub zredukowaniu do plazmy w inny sposób. Związki molekularne HeNe, HgHe 10 i WHe 2 oraz jony molekularne He+
2
, on2+
2
, HeH+
i HeD+
zostały stworzone w ten sposób. HeH + jest również stabilny w stanie podstawowym, ale jest niezwykle reaktywny — jest najsilniejszym znanym kwasem Brønsteda i dlatego może istnieć tylko w izolacji, ponieważ będzie protonować każdą cząsteczkę lub przeciwaniony, z którymi się styka. Dzięki tej technice uzyskano również obojętną cząsteczkę He 2 , która ma dużą liczbę układów pasm , oraz HgHe , która najwyraźniej jest utrzymywana razem jedynie przez siły polaryzacyjne.

Związki van der Waalsa helu mogą być również tworzone z gazowym helem kriogenicznym i atomami innej substancji, takiej jak LiHe i He 2 .

Teoretycznie możliwe są inne prawdziwe związki, takie jak fluorowodorek helu (HHeF), który byłby analogiczny do odkrytego w 2000 r. HArF . Obliczenia pokazują, że dwa nowe związki zawierające wiązanie hel-tlen mogą być stabilne. Dwa nowe gatunki molekularne, przewidywane za pomocą teorii, CsFHeO i N(CH 3 ) 4 FHeO, są pochodnymi metastabilnego anionu FHeO −, po raz pierwszy opracowanego w 2005 r. przez grupę z Tajwanu. Jeśli zostanie to potwierdzone eksperymentalnie, jedynym pozostałym pierwiastkiem bez znanych trwałych związków byłby neon .

Atomy helu zostały wprowadzone do cząsteczek pustej klatki węglowej ( fulereny ) poprzez ogrzewanie pod wysokim ciśnieniem. W endohedral cząsteczki fullerenów utworzone są trwałe w wysokich temperaturach. Kiedy powstają chemiczne pochodne tych fulerenów, hel pozostaje w środku. Jeśli stosuje się hel-3 , można go łatwo zaobserwować za pomocą helowej spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego . Doniesiono o wielu fulerenach zawierających hel-3. Chociaż atomy helu nie są połączone wiązaniami kowalencyjnymi lub jonowymi, substancje te mają odmienne właściwości i określony skład, jak wszystkie stechiometryczne związki chemiczne.

Pod wysokim ciśnieniem hel może tworzyć związki z różnymi innymi pierwiastkami. Kryształy klatratu helowo-azotowego (He(N 2 ) 11 ) hodowano w temperaturze pokojowej przy ciśnieniu ca. 10 GPa w diamentowej komórce kowadła . Wykazano, że izolujący elektryd Na 2 He jest termodynamicznie stabilny przy ciśnieniu powyżej 113 GPa. Posiada strukturę fluorytu .

Występowanie i produkcja

Naturalna obfitość

Chociaż na Ziemi występuje rzadko, hel jest drugim najliczniej występującym pierwiastkiem w znanym Wszechświecie, stanowiąc 23% jego masy barionowej . Tylko wodór jest bardziej obfity. Ogromna większość helu powstała w wyniku nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, jedną do trzech minut po Wielkim Wybuchu. W związku z tym pomiary jego obfitości przyczyniają się do tworzenia modeli kosmologicznych. W gwiazdach powstaje w wyniku fuzji jądrowej wodoru w reakcjach łańcuchowych proton-proton i cyklu CNO , będącym częścią gwiezdnej nukleosyntezy .

W atmosferze ziemskiej stężenie helu objętościowo wynosi zaledwie 5,2 części na milion. Stężenie jest niskie i dość stałe pomimo ciągłej produkcji nowego helu, ponieważ większość helu w atmosferze ziemskiej ucieka w kosmos w kilku procesach. W heterosferze ziemskiej , część górnej atmosfery, hel i inne lżejsze gazy są najliczniejszymi pierwiastkami.

Większość helu na Ziemi jest wynikiem rozpadu radioaktywnego . Hel znajduje się w dużych ilościach w minerałach uranu i toru , w tym uraninit i jej odmian cleveite i blendy smolistej , karnotytu i monacytu (nazwa grupy, „monacytu” odnosi się zwykle do monazite- (CE) ), ponieważ emituje cząstki alfa one (hel jądra, He 2+ ), do których elektrony natychmiast łączą się, gdy tylko cząsteczka zostanie zatrzymana przez skałę. W ten sposób w całej litosferze rocznie wytwarza się około 3000 ton metrycznych helu . W skorupie ziemskiej stężenie helu wynosi 8 części na miliard. W wodzie morskiej stężenie wynosi tylko 4 części na bilion. Są też niewielkie ilości w źródłach mineralnych , gazie wulkanicznym i żelazie meteorytowym . Ponieważ hel jest uwięziony pod powierzchnią w warunkach, które zatrzymują również gaz ziemny, największe naturalne stężenia helu na planecie występują w gazie ziemnym, z którego pozyskuje się większość komercyjnego helu. Stężenie waha się w szerokim zakresie od kilku ppm do ponad 7% w małym polu gazowym w hrabstwie San Juan w stanie Nowy Meksyk .

W 2011 roku światowe rezerwy helu szacowano na 40 miliardów metrów sześciennych, z czego jedna czwarta przypada na złoże gazowo-kondensatowe South Pars/North Dome, będące wspólną własnością Kataru i Iranu. W 2015 i 2016 roku ogłoszono, że dodatkowe prawdopodobne rezerwy będą znajdować się pod Górami Skalistymi w Ameryce Północnej oraz w szczelinie wschodnioafrykańskiej .

Nowoczesna ekstrakcja i dystrybucja

Do zastosowań na dużą skalę hel jest pozyskiwany przez destylację frakcyjną z gazu ziemnego, który może zawierać nawet 7% helu. Ponieważ hel ma niższą temperaturę wrzenia niż jakikolwiek inny pierwiastek, do skraplania prawie wszystkich innych gazów (głównie azotu i metanu ) stosuje się niską temperaturę i wysokie ciśnienie . Powstały surowy gaz helowy jest oczyszczany przez kolejne wystawianie na działanie obniżających się temperatur, w których prawie cały pozostały azot i inne gazy są wytrącane z gazowej mieszaniny. Aktywowany węgiel drzewny jest używany jako końcowy etap oczyszczania, zwykle dając 99,995% czystego helu klasy A. Głównym zanieczyszczeniem w helu klasy A jest neon . W końcowym etapie produkcji większość wytwarzanego helu jest upłynniana w procesie kriogenicznym . Jest to konieczne w zastosowaniach wymagających ciekłego helu, a także pozwala dostawcom helu na zmniejszenie kosztów transportu na duże odległości, ponieważ największe pojemniki z ciekłym helem mają ponad pięciokrotnie większą pojemność niż największe przyczepy z rurami z gazowym helem.

W 2008 roku około 169 milionów standardowych metrów sześciennych (SCM) helu zostało wydobytych z gazu ziemnego lub wycofanych ze złóż helu, z czego około 78% ze Stanów Zjednoczonych, 10% z Algierii, a większość pozostałej części z Rosji, Polski i Kataru. Do 2013 roku wzrost produkcji helu w Katarze (pod firmą RasGas zarządzaną przez Air Liquide ) zwiększył udział Kataru w światowej produkcji helu do 25% i uczynił go drugim największym eksporterem po Stanach Zjednoczonych. Szacuje się, że 54 miliardów stóp sześciennych (1,5 x 10 9  m 3 ) pozostawienie helu został znaleziony w Tanzanii 2016 na szeroką skalę elektrowni helu został otwarty Ningxia , Chinach w 2020 roku.

W Stanach Zjednoczonych większość helu wydobywa się z gazu ziemnego Hugoton i pobliskich pól gazowych w Kansas w stanie Oklahoma oraz z pola Panhandle w Teksasie. Duża część tego gazu była kiedyś przesyłana rurociągiem do National Helium Reserve , ale od 2005 r. rezerwa ta jest wyczerpywana i wyprzedana i oczekuje się, że zostanie w dużej mierze wyczerpana do 2021 r., zgodnie z ustawą o odpowiedzialnej administracji i zarządzaniu helem z października 2013 r. (HR 527 ).

Dyfuzja surowego gazu ziemnego przez specjalne półprzepuszczalne membrany i inne bariery to kolejna metoda odzyskiwania i oczyszczania helu. W 1996 roku Stany Zjednoczone udowodniły, że rezerwy helu w takich kompleksach szybów gazowych wynoszą około 147 miliardów standardowych stóp sześciennych (4,2 miliarda SCM). Przy wskaźnikach użycia w tamtym czasie (72 miliony SCM rocznie w USA; patrz wykres kołowy poniżej) wystarczyłoby to helu na około 58 lat użytkowania w USA i mniej (być może 80% czasu) na świecie współczynniki wykorzystania, chociaż czynniki związane z oszczędzaniem i przetwarzaniem wpływają na efektywne liczby rezerw.

Hel musi być pozyskiwany z gazu ziemnego, ponieważ występuje w powietrzu tylko w ułamku tego, co neon, a zapotrzebowanie na niego jest znacznie wyższe. Szacuje się, że gdyby cała produkcja neonów została zmieniona w celu oszczędzania helu, zaspokojono by 0,1% światowego zapotrzebowania na hel. Podobnie tylko 1% światowego zapotrzebowania na hel można by zaspokoić przez przezbrojenie wszystkich instalacji do destylacji powietrza. Hel może być syntetyzowany przez bombardowanie litu lub boru protonami o dużej prędkości lub przez bombardowanie litu deuteronami , ale procesy te są całkowicie nieekonomiczną metodą produkcji.

Hel jest dostępny w handlu w postaci ciekłej lub gazowej. Jako płyn może być dostarczany w małych izolowanych pojemnikach zwanych Dewarami, które mieszczą nawet 1000 litrów helu, lub w dużych pojemnikach ISO o pojemności nominalnej do 42 m 3 (około 11 000 galonów amerykańskich ). W postaci gazowej, małe ilości helu dostarczane w wysokociśnieniowych zbiornikach posiadających aż 8 m 3 (ok. 282 normalnych stóp sześciennych), podczas gdy duże ilości gazu pod wysokim ciśnieniem są dostarczane do przyczep z rur, które mają zdolności tyle jako 4 860 m 3 (ok. 172 000 standardowych stóp sześciennych).

Zwolennicy ochrony

Według konserwatorów helu, takich jak laureat Nagrody Nobla fizyk Robert Coleman Richardson , pisząc w 2010 r., wolnorynkowa cena helu przyczyniła się do „marnotrawstwa” (np. do balonów z helem ). Ceny w 2000 roku zostały obniżone dzięki decyzji Kongresu USA o wyprzedaży do 2015 roku dużych zapasów helu w kraju. Według Richardsona cena musiała zostać pomnożona przez 20, aby wyeliminować nadmierne marnowanie helu. W swojej książce Przyszłość helu jako naturalnego zasobu (Routledge, 2012) Nuttall, Clarke i Głowacki (2012) zaproponowali również utworzenie Międzynarodowej Agencji Helium (IHA) w celu zbudowania zrównoważonego rynku dla tego cennego towaru.

Aplikacje

Duży, solidny walec z otworem w środku i szyną przymocowaną do boku.
Największym jednorazowym zastosowaniem ciekłego helu jest chłodzenie magnesów nadprzewodzących w nowoczesnych skanerach MRI.

Szacunkowe zużycie frakcyjnego helu w USA w 2014 r. według kategorii. Całkowite zużycie to 34 miliony metrów sześciennych.

  Kriogenika (32%)
  Zwiększanie ciśnienia i czyszczenie (18%)
  Spawanie (13%)
  Atmosfery kontrolowane (18%)
  Wykrywanie nieszczelności (4%)
  Mieszanki oddechowe (2%)
  Inne (13%)

Chociaż balony są prawdopodobnie najbardziej znanym zastosowaniem helu, stanowią one niewielką część wszystkich zastosowań helu. Hel jest wykorzystywany do wielu celów, które wymagają pewnych jego unikalnych właściwości, takich jak niska temperatura wrzenia , niska gęstość , niska rozpuszczalność , wysoka przewodność cieplna lub obojętność . Z całkowitej produkcji helu w 2014 r., wynoszącej około 32 mln kg (180 mln standardowych metrów sześciennych) helu rocznie, największe wykorzystanie (około 32% całkowitej produkcji w 2014 r.) dotyczy zastosowań kriogenicznych, z których większość obejmuje chłodzenie magnesów nadprzewodzących w medyczne skanery MRI i spektrometry NMR . Inne główne zastosowania to systemy sprężania i oczyszczania, spawanie, konserwacja kontrolowanych atmosfer i wykrywanie wycieków. Inne zastosowania według kategorii stanowiły stosunkowo niewielkie frakcje.

Atmosfery kontrolowane

Hel jest używany jako gaz ochronny w hodowli kryształów krzemu i germanu , w produkcji tytanu i cyrkonu oraz w chromatografii gazowej , ponieważ jest obojętny. Ze względu na swoją bezwładność, doskonały termicznie i kalorycznie charakter, dużą prędkość dźwięku oraz wysoką wartość współczynnika pojemności cieplnej sprawdza się również w naddźwiękowych tunelach aerodynamicznych i obiektach impulsowych .

Spawanie łukiem wolframowym gazowym

Hel jest stosowany jako gaz osłonowy w procesach spawania łukowego materiałów, które w temperaturach spawania są zanieczyszczone i osłabione powietrzem lub azotem. Podczas spawania łukiem wolframowym w gazie stosuje się wiele obojętnych gazów osłonowych, ale zamiast tańszego argonu stosuje się hel, zwłaszcza do spawania materiałów o wyższej przewodności cieplnej , takich jak aluminium czy miedź .

Drobne zastosowania

Wykrywanie wycieków przemysłowych

Zdjęcie dużego urządzenia w metalowej ramie (ok. 3×1×1,5 m) stojącego w pomieszczeniu.
Dwukomorowa maszyna do wykrywania wycieków helu

Jednym z zastosowań przemysłowych helu jest wykrywanie wycieków . Ponieważ hel dyfunduje przez ciała stałe trzy razy szybciej niż powietrze, jest używany jako gaz znakujący do wykrywania nieszczelności w urządzeniach wysokopróżniowych (takich jak zbiorniki kriogeniczne) i pojemnikach wysokociśnieniowych. Badany obiekt umieszczany jest w komorze, którą następnie opróżnia się i napełnia helem. Hel, który wydostaje się przez nieszczelności, jest wykrywany przez czułe urządzenie ( spektrometr mas z helem ), nawet przy szybkościach wycieku tak małych jak 10-9 mbar·l/s ( 10-10 Pa·m 3 /s). Procedura pomiarowa jest zwykle automatyczna i nazywana jest testem całkowym z helem. Prostszą procedurą jest napełnienie badanego obiektu helem i ręczne poszukiwanie nieszczelności za pomocą ręcznego urządzenia.

Helu wyciekającego przez pęknięcia nie należy mylić z przenikaniem gazu przez materiał sypki. Podczas gdy hel ma udokumentowane stałe przenikania (a więc obliczalny współczynnik przenikania) przez szkło, ceramikę i materiały syntetyczne, gazy obojętne, takie jak hel, nie przenikną większości metali sypkich.

Lot

Dobry rok sterowiec
Ze względu na swoją niską gęstość i niepalność, hel jest preferowanym gazem do napełniania sterowców, takich jak sterowiec Goodyear .

Ponieważ jest lżejszy od powietrza , sterowce i balony są napełniane helem do podnoszenia . Podczas gdy wodór jest bardziej wyporny i przenika przez membranę z mniejszą szybkością, hel ma tę zaletę, że jest niepalny, a nawet ognioodporny . Innym pomniejszym zastosowaniem jest rakieta , gdzie hel jest wykorzystywany jako medium ekspansyjne do wypierania paliwa i utleniaczy w zbiornikach magazynowych oraz do kondensacji wodoru i tlenu w celu wytworzenia paliwa rakietowego . Jest również używany do usuwania paliwa i utleniacza z urządzeń wsparcia naziemnego przed startem oraz do wstępnego schładzania ciekłego wodoru w pojazdach kosmicznych . Na przykład, Saturn V rakiety używane w programie Apollo potrzebował około 370.000 m 3 (13 mln stóp sześciennych helu) do uruchomienia.

Drobne zastosowania komercyjne i rekreacyjne

Hel jako gaz oddechowy nie ma właściwości narkotycznych , dlatego mieszanki helu takie jak trimix , heliox i heliair są używane do nurkowania głębokiego w celu zmniejszenia skutków narkozy, które nasilają się wraz ze wzrostem głębokości. Wraz ze wzrostem ciśnienia wraz z głębokością zwiększa się również gęstość gazu oddechowego, a niska masa cząsteczkowa helu znacznie zmniejsza wysiłek oddechowy poprzez obniżenie gęstości mieszaniny. Zmniejsza to liczbę przepływów Reynoldsa , prowadząc do zmniejszenia przepływu turbulentnego i zwiększenia przepływu laminarnego , co wymaga mniejszej pracy oddechowej. Na głębokościach poniżej 150 metrów (490 stóp) nurkowie oddychający mieszaninami helowo-tlenowymi zaczynają odczuwać drżenie i osłabienie funkcji psychomotorycznych, objawy zespołu nerwowego wysokiego ciśnienia . Efektowi temu można przeciwdziałać w pewnym stopniu przez dodanie pewnej ilości gazu narkotycznego, takiego jak wodór lub azot, do mieszaniny helowo-tlenowej.

Lasery helowo-neonowe , rodzaj niskoenergetycznego lasera gazowego wytwarzającego czerwoną wiązkę, miały różne zastosowania praktyczne, w tym czytniki kodów kreskowych i wskaźniki laserowe , zanim zostały niemal powszechnie zastąpione tańszymi laserami diodowymi .

Ze względu na swoją obojętność i wysoką przewodność cieplną , przezroczystość neutronów oraz ponieważ nie tworzy radioaktywnych izotopów w warunkach reaktora, hel jest stosowany jako nośnik ciepła w niektórych reaktorach jądrowych chłodzonych gazem .

Hel, zmieszany z cięższym gazem, takim jak ksenon, jest przydatny w chłodnictwie termoakustycznym ze względu na wynikający z tego wysoki współczynnik pojemności cieplnej i niską liczbę Prandtla . Obojętność helu ma przewagę środowiskową nad konwencjonalnymi systemami chłodniczymi, które przyczyniają się do zubożenia warstwy ozonowej lub globalnego ocieplenia.

Hel jest również używany w niektórych dyskach twardych .

Zastosowania naukowe

Zastosowanie helu zmniejsza zniekształcające efekty zmian temperatury w przestrzeni między soczewkami w niektórych teleskopach , ze względu na jego wyjątkowo niski współczynnik załamania . Ta metoda jest szczególnie stosowana w teleskopach słonecznych, gdzie próżnioszczelna tuba teleskopowa byłaby zbyt ciężka.

Hel jest powszechnie stosowanym gazem nośnym w chromatografii gazowej .

Wiek skał i minerałów zawierających uran i tor można oszacować, mierząc poziom helu w procesie znanym jako datowanie helowe .

Hel w niskich temperaturach jest używany w kriogenice oraz w niektórych zastosowaniach kriogenicznych. Jako przykłady zastosowań ciekły hel jest używany do chłodzenia niektórych metali do ekstremalnie niskich temperatur wymaganych do nadprzewodnictwa , na przykład w magnesach nadprzewodzących do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego . Duża High Speed hadronów w CERN wykorzystuje 96 ton ciekłego helu, aby utrzymać temperaturę na poziomie 1,9 K (-271,25 ° C, -456,25 ° F).

Zastosowania medyczne

Hel został dopuszczony do użytku medycznego w Stanach Zjednoczonych w kwietniu 2020 roku dla ludzi i zwierząt.

Jako zanieczyszczenie

Chociaż jest chemicznie obojętny, zanieczyszczenie helem zaburzy działanie systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), tak że iPhone'y mogą ulec awarii.

Wdychanie i bezpieczeństwo

Efekty

Neutralny hel w standardowych warunkach jest nietoksyczny, nie odgrywa żadnej roli biologicznej i występuje w śladowych ilościach w ludzkiej krwi.

Prędkość dźwięku w helu jest prawie trzy razy większa od prędkości dźwięku w powietrzu. Ponieważ naturalna częstotliwość rezonansowa z warstwy gazu jest proporcjonalna do szybkości dźwięku w gazie, przy helu w postaci wziewnej, odpowiedni wzrost następuje w częstotliwości rezonansowych tego przewodu wokalnego , który jest wzmacniaczem o wokalu. Ten wzrost częstotliwości rezonansowej wzmacniacza (traktu głosowego) daje zwiększone wzmocnienie składowych fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości wytwarzanych przez bezpośrednie wibracje fałdów głosowych, w porównaniu z przypadkiem, gdy skrzynka głosowa jest wypełniona powietrzem . Kiedy osoba mówi po inhalacji hel, mięśnie, które kontrolują krtań nadal poruszać się w taki sam sposób, jak wtedy, gdy skrzynka głosowa jest wypełniona powietrzem, dlatego na częstotliwości podstawowej (czasami nazywane pitch ) wytwarzany przez bezpośrednie drgań fałdów głosowych robi nie zmieniać. Jednak wzmocnienie preferowane przez wysokie częstotliwości powoduje zmianę barwy wzmacnianego dźwięku, co skutkuje piskliwym, kaczym głosem. Odwrotny efekt, obniżenie częstotliwości rezonansowych, można uzyskać poprzez wdychanie gęstego gazu, takiego jak sześciofluorek siarki lub ksenon .

Zagrożenia

Wdychanie helu w nadmiarze może być niebezpieczne, ponieważ hel jest prostym środkiem duszącym i wypiera tlen potrzebny do normalnego oddychania. Ofiar śmiertelnych odnotowano, w tym młodzieży, która dusi w Vancouver w 2003 roku i dwóch dorosłych, którzy zaduszane w Południowej Florydzie w roku 2006. W 1998 roku australijski dziewczyna z Victoria padł nieprzytomny i chwilowo odwrócił niebieski po inhalacji całą zawartość balonu partii. Wdychanie helu bezpośrednio z butli pod ciśnieniem lub nawet z zaworów napełniania balonów jest niezwykle niebezpieczne, ponieważ wysokie natężenie przepływu i ciśnienie mogą spowodować barotraumę , śmiertelne rozerwanie tkanki płucnej.

Śmierć spowodowana helem jest rzadka. Pierwszy odnotowany w mediach przypadek dotyczył 15-letniej dziewczynki z Teksasu, która zmarła w 1998 roku w wyniku inhalacji helu na przyjęciu u przyjaciela; dokładny rodzaj śmierci helowej jest niezidentyfikowany.

W Stanach Zjednoczonych odnotowano tylko dwie ofiary śmiertelne w latach 2000-2004, w tym mężczyznę, który zmarł w Północnej Karolinie w wyniku barotraumy w 2002 roku. W 2003 roku w Vancouver młodzieniec udusił się, a 27-letni mężczyzna z Australii doznał zatoru po oddychaniu. z butli w 2000 roku. Od tego czasu dwoje dorosłych uduszonych w południowej Florydzie w 2006 roku, a były przypadki w 2009 i 2010 roku, jeden młody Kalifornijczyk, którego znaleziono z torbą na głowie, przymocowaną do zbiornika z helem, a inny nastolatek w Irlandia Północna zmarła z powodu uduszenia. W Eagle Point w stanie Oregon w 2012 roku na imprezie zmarła nastolatka z powodu barotraumy. Dziewczyna z Michigan zmarła z powodu niedotlenienia pod koniec roku.

4 lutego 2015 roku ujawniono, że podczas nagrywania ich głównego programu telewizyjnego 28 stycznia, 12-letnia członkini (nazwisko zatajone) japońskiej grupy śpiewaczej 3B Junior, składającej się wyłącznie z dziewcząt, cierpiała na zator powietrzny , tracąc przytomność i zapadnięcie w śpiączkę w wyniku pęcherzyków powietrza blokujących przepływ krwi do mózgu, po inhalacji ogromnych ilości helu w ramach gry. Incydent został upubliczniony dopiero tydzień później. Pracownicy TV Asahi zorganizowali konferencję prasową w nagłych wypadkach, aby poinformować, że członkini została zabrana do szpitala i wykazuje oznaki rehabilitacji, takie jak poruszanie oczami i kończynami, ale jej świadomość nie została jeszcze wystarczająco odzyskana. Policja wszczęła dochodzenie z powodu zaniedbania środków bezpieczeństwa.

Kwestie bezpieczeństwa dotyczące kriogenicznego helu są podobne do kwestii związanych z ciekłym azotem ; jego ekstremalnie niskie temperatury mogą powodować zimne oparzenia , a stosunek rozszerzalności cieczy do gazu może powodować wybuchy, jeśli nie są zainstalowane urządzenia obniŜające ciśnienie. Z pojemnikami z gazowym helem o temperaturze od 5 do 10 K należy obchodzić się tak, jakby zawierały ciekły hel, ze względu na szybką i znaczną rozszerzalność cieplną, która ma miejsce, gdy gazowy hel o temperaturze poniżej 10 K zostanie podgrzany do temperatury pokojowej .

Przy wysokim ciśnieniu (powyżej około 20 atm lub dwa  MPa ) mieszanina helu i tlenu ( helioks ) może prowadzić do zespołu nerwowego wysokiego ciśnienia , pewnego rodzaju odwrotnego efektu znieczulającego; dodanie niewielkiej ilości azotu do mieszanki może złagodzić problem.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Posłuchaj tego artykułu ( 58 minut )
Mówiona ikona Wikipedii
Ten plik audio został utworzony na podstawie rewizji tego artykułu z dnia 15 lipca 2009 r. i nie odzwierciedla kolejnych edycji. ( 2009-07-15 )

Ogólny

Więcej szczegółów

Różnorodny

Niedobór helu