Ko je otkrio helijum. Gdje se koristi helijum? Spisak korišćene literature

11.11.2020

Helijum(He) je inertni gas, koji je drugi element periodnog sistema elemenata, kao i drugi element po lakoći i rasprostranjenosti u Univerzumu. Spada u jednostavne supstance i pod standardnim uslovima (standardna temperatura i pritisak) je jednoatomski gas.

Helijum nema ukus, boju, miris i ne sadrži toksine.

Među svim jednostavnim supstancama, helijum ima najnižu tačku ključanja (T = 4,216 K). Pri atmosferskom pritisku nemoguće je dobiti čvrsti helijum, čak i na temperaturama blizu apsolutne nule - da bi prešao u čvrsti oblik, helijumu je potreban pritisak iznad 25 atmosfera. Postoji nekoliko hemijskih jedinjenja helijuma i svi su nestabilni u standardnim uslovima.
Helij koji se pojavljuje u prirodi sastoji se od dva stabilna izotopa, He i 4He. Izotop “He” je vrlo rijedak (obilje izotopa 0,00014%) sa 99,99986% za izotop 4He. Osim prirodnih, poznato je i 6 vještačkih radioaktivnih izotopa helijuma.
Pojava gotovo svega u svemiru, helijuma, bila je primarna nukleosinteza koja se odigrala u prvim minutama nakon Velikog praska.
Trenutno, skoro sve helijum Nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije koja se odvija u unutrašnjosti zvijezda. Na našoj planeti helijum nastaje u procesu alfa raspada teških elemenata. Onaj dio helijuma koji uspije prodrijeti kroz Zemljinu koru izlazi kao dio prirodnog plina i može biti i do 7% njegovog sastava. Šta istaći helijum iz prirodnog plina koristi se frakciona destilacija - proces niskotemperaturnog odvajanja elemenata.

Istorija otkrića helijuma

18. avgusta 1868. očekivalo se potpuno pomračenje Sunca. Astronomi širom svijeta aktivno su se pripremali za ovaj dan. Nadali su se da će riješiti misteriju prominencija - svjetlosne projekcije vidljive u vrijeme potpune pomračenja Sunca duž rubova solarnog diska. Neki astronomi su vjerovali da su prominencije visoke mjesečeve planine, koje su, u vrijeme potpunog pomračenja Sunca, obasjane sunčevim zracima; drugi su mislili da su istaknute planine planine na samom Suncu; treći su vidjeli vatrene oblake sunčeve atmosfere u solarnim projekcijama. Većina je vjerovala da prominencije nisu ništa drugo do optička iluzija.

Godine 1851, tokom pomračenja Sunca posmatranog u Evropi, nemački astronom Šmit ne samo da je video solarne projekcije, već je i uspeo da uoči da se njihovi obrisi menjaju tokom vremena. Na osnovu svojih zapažanja, Šmit je zaključio da su istaknuti oblaci užarenog gasa izbačeni u solarnu atmosferu džinovskim erupcijama. Međutim, čak i nakon Schmidtovih zapažanja, mnogi astronomi su i dalje smatrali vatrene izbočine optičkom iluzijom.

Tek nakon potpunog pomračenja 18. jula 1860. godine, koje je uočeno u Španiji, kada su mnogi astronomi svojim očima vidjeli solarne projekcije, a Italijan Secchi i Francuz Dellar uspjeli ne samo da ih skiciraju, već i fotografišu, niko imao bilo kakve sumnje u postojanje istaknutosti .

Do 1860. već je izmišljen spektroskop - uređaj koji omogućava da se posmatranjem vidljivog dijela optičkog spektra odredi kvalitativni sastav tijela iz kojeg se dobija posmatrani spektar. Međutim, na dan pomračenja Sunca, niko od astronoma nije koristio spektroskop da vidi spektar prominencija. Spektroskop je zapamćen kada se pomračenje već završilo.

Zato je, pripremajući se za pomračenje Sunca 1868. godine, svaki astronom uvrstio spektroskop na listu instrumenata za posmatranje. Jules Jansen, poznati francuski naučnik, nije zaboravio ovaj instrument kada je otišao u Indiju da posmatra prominence, gde su uslovi za posmatranje pomračenja Sunca, prema proračunima astronoma, bili najbolji.

U trenutku kada je iskričavi disk Sunca bio potpuno prekriven Mjesecom, Jules Jansen je, ispitujući spektroskopom narandžasto-crveni plamen koji je bježao sa površine Sunca, vidio u spektru, pored tri poznate linije vodonika. : crvena, zeleno-plava i plava, nova, nepoznata - svijetlo žuta. Nijedna od supstanci poznatih hemičarima tog vremena nije imala takvu liniju u dijelu spektra gdje ju je otkrio Jules Jansen. Isto otkriće, ali kod kuće u Engleskoj, napravio je astronom Norman Lockyer.

Pariška akademija nauka je 25. oktobra 1868. primila dva pisma. Jedan, napisan dan nakon pomračenja Sunca, došao je iz Guntura, malog grada na istočnoj obali Indije, od Julesa Janssena; drugo pismo od 20. oktobra 1868. bilo je iz Engleske od Normana Lockyera.

Pristigla pisma su pročitana na sastanku profesora Pariške akademije nauka. U njima su Jules Jansen i Norman Lockyer, nezavisno jedan od drugog, prijavili otkriće iste "solarne supstance". Ovu novu supstancu, pronađenu na površini Sunca pomoću spektroskopa, Lockyer je predložio da nazove helijum od grčke riječi za "sunce" - "helios".

Takva koincidencija iznenadila je naučni skup profesora Akademija i istovremeno svedočila o objektivnoj prirodi otkrića nove hemijske supstance. U čast otkrića supstance solarnih baklji (prominence) izbačena je medalja. Na jednoj strani ove medalje ugravirani su portreti Jansena i Lockyera, a na drugoj lik starogrčkog boga sunca Apolona u kolima koje vuku četiri konja. Ispod kočije je bio natpis na francuskom: "Analiza solarnih projekcija 18. avgusta 1868."

Godine 1895. londonski hemičar Henry Myers skrenuo je pažnju Williama Ramsaya, poznatog engleskog fizičkog hemičara, na tada zaboravljeni članak geologa Hildebranda. U ovom članku Hildebrand je tvrdio da neki rijetki minerali, kada se zagriju u sumpornoj kiselini, emituju plin koji ne gori i ne podržava sagorijevanje. Među ovim rijetkim mineralima bio je i kleveit, koji je u Norveškoj pronašao Nordenskiöld, poznati švedski istraživač polarnih područja.

Ramsay je odlučio istražiti prirodu plina sadržanog u kleveitu. U svim hemijskim radnjama u Londonu, Ramsayevi pomoćnici uspjeli su kupiti samo ... jedan gram klevete, plativši za to samo 3,5 šilinga. Nakon što je iz dobivene količine kleveita izdvojio nekoliko kubnih centimetara plina i očistio ga od nečistoća, Ramsay ga je ispitao spektroskopom. Rezultat je bio neočekivan: ispostavilo se da je plin oslobođen iz kleveita ... helijum!

Ne vjerujući svom otkriću, Ramsay se obratio Williamu Crookesu, tadašnjem vodećem specijalistu za spektralnu analizu u Londonu, sa zahtjevom da istraži plin oslobođen iz cleveitea.

Crookes je istražio gas. Rezultat studije potvrdio je Ramsayevo otkriće. Tako je 23. marta 1895. godine na Zemlji otkrivena supstanca koja je pronađena na Suncu 27 godina ranije. Istog dana, Ramsay je objavio svoje otkriće, poslavši jednu poruku Kraljevskom društvu u Londonu, a drugu poznatom francuskom hemičaru akademiku Berthelotu. U pismu Berthelotu, Ramsay je tražio da o svom otkriću obavijesti naučni skup profesora Pariške akademije.

Petnaest dana nakon Ramsaya, nezavisno od njega, švedski hemičar Langley izolovao je helijum iz kleveita i, poput Ramsaya, prijavio je svoje otkriće helijuma hemičaru Berthelotu.

Po treći put, helijum je otkriven u vazduhu, gde je, prema Ramziju, trebalo da dođe iz retkih minerala (kleveit i dr.) tokom razaranja i hemijskih transformacija na Zemlji.

Male količine helijuma pronađene su i u vodi nekih mineralnih izvora. Tako ga je, na primjer, pronašao Ramsay u ljekovitom izvoru Cotre na Pirinejima, engleski fizičar John William Rayleigh pronašao ga je u vodama izvora u poznatom ljetovalištu Bath, njemački fizičar Kaiser otkrio je helijum u izvorima koji šikljaju u planinama Švarcvalda. Međutim, najviše helijuma je pronađeno u nekim mineralima. Nalazi se u samarskitu, fergusonitu, kolumbitu, monazitu i uranitu. Mineral torijanit sa ostrva Cejlon sadrži posebno veliku količinu helijuma. Kilogram torijanita, kada se zagrije usijano, oslobađa 10 litara helijuma.

Ubrzo je ustanovljeno da se helijum nalazi samo u onim mineralima koji sadrže radioaktivni uranijum i torij. Alfa zraci koje emituju neki radioaktivni elementi nisu ništa drugo do jezgra atoma helija.

Iz istorije...

Njegova neobična svojstva omogućavaju široku upotrebu helija u različite svrhe. Prvi, apsolutno logičan, zasnovan na svojoj lakoći, je upotreba u balonima i vazdušnim brodovima. Štaviše, za razliku od vodonika, nije eksplozivan. Ovo svojstvo helijuma Nemci su koristili u Prvom svetskom ratu na borbenim vazdušnim brodovima. Nedostatak njegove upotrebe je što vazdušni brod napunjen helijumom neće letjeti tako visoko kao vodonik.

Za bombardiranje velikih gradova, uglavnom prijestolnica Engleske i Francuske, njemačka komanda u Prvom svjetskom ratu koristila je zračne brodove (cepeline). Za njihovo punjenje je korišten vodonik. Stoga je borba protiv njih bila relativno jednostavna: zapaljivi projektil koji je pao u školjku zračnog broda zapalio je vodonik, koji je momentalno planuo i aparat je izgorio. Od 123 zračna broda izgrađena u Njemačkoj tokom Prvog svjetskog rata, 40 je izgorjelo od zapaljivih granata. Ali jednog dana generalštab britanske vojske bio je iznenađen porukom od posebnog značaja. Direktni pogoci zapaljivih granata na njemački cepelin nisu dali rezultate. Dirižabl se nije zapalio, već je polako istječući iz nekog nepoznatog plina poletio nazad.

Vojni stručnjaci su bili zbunjeni i, uprkos hitnoj i detaljnoj raspravi o pitanju nezapaljivosti cepelina od zapaljivih projektila, nisu mogli pronaći potrebno objašnjenje. Zagonetku je riješio engleski hemičar Richard Threlfall. U pismu britanskom admiralitetu, napisao je: "...Vjerujem da su Nemci izmislili neki način za ekstrakciju helijuma u velikim količinama, a ovaj put su napunili školjku svog cepelina ne vodonikom, kao i obično, već helijumom ..."

Međutim, uvjerljivost Threlfallovih argumenata smanjena je činjenicom da u Njemačkoj nije bilo značajnijih izvora helijuma. Istina, helijum se nalazi u zraku, ali on tamo nije dovoljan: jedan kubni metar zraka sadrži samo 5 kubnih centimetara helijuma. Mašina za hlađenje Linde sistema, pretvarajući nekoliko stotina kubnih metara vazduha u tečnost u jednom satu, mogla je da proizvede ne više od 3 litre helijuma za to vreme.

3 litre helijuma na sat! A da biste napunili cepelin, potrebno vam je 5÷6 hiljada kubnih metara. m. Da bi se dobila tolika količina helijuma, jedna Linde mašina je morala da radi bez prestanka oko dve stotine godina, dve stotine takvih mašina bi dalo potrebnu količinu helijuma u jednoj godini. Izgradnja 200 postrojenja za pretvaranje vazduha u tečnost za proizvodnju helijuma ekonomski je vrlo neisplativa, a praktično besmislena.

Odakle su njemački hemičari dobili helijum?

Ovo pitanje je, kako se kasnije pokazalo, riješeno relativno jednostavno. Davno prije rata, njemačke parobrodske kompanije koje su slale robu u Indiju i Brazil dobile su instrukcije da utovare parobrode koji se vraćaju ne običnim balastom, već monazitnim pijeskom koji sadrži helijum. Tako je stvorena rezerva "helijumskih sirovina" - oko 5 hiljada tona monazitnog peska, iz kojeg se dobija helijum za cepeline. Osim toga, helijum je izvađen iz vode mineralnog izvora Nauheim, koja je dala do 70 kubnih metara. m helijuma dnevno.

Incident s vatrostalnim cepelinom bio je poticaj za novu potragu za helijumom. Hemičari, fizičari, geolozi počeli su intenzivno da traže helijum. To je odjednom postalo od velike vrijednosti. Godine 1916. 1 kubni metar helijuma koštao je 200.000 zlatnih rubalja, odnosno 200 rubalja po litru. Ako uzmemo u obzir da je litar helijuma težak 0,18 g, onda je 1 g koštao preko 1000 rubalja.

Helijum je postao predmet lova za trgovce, špekulante, berzanske dilere. Helijum je u značajnim količinama pronađen u prirodnim gasovima koji izlaze iz utrobe zemlje u Americi, u državi Kanzas, gde je, nakon što je Amerika ušla u rat, izgrađena fabrika helijuma u blizini grada Fort Vorta. Ali rat je završio, rezerve helijuma su ostale neiskorištene, cijena helijuma je naglo pala i na kraju 1918. iznosila je oko četiri rublje po kubnom metru.

Helij izvađen s takvim poteškoćama Amerikanci su iskoristili tek 1923. da napune sada mirni zračni brod Shenandoah. Bio je to prvi i jedini zračni teretno-putnički brod na svijetu napunjen helijumom. Međutim, njegov "život" bio je kratkog vijeka. Dvije godine nakon njenog rođenja, Shenandoah je uništen u oluji. 55 hiljada kubnih metara m, gotovo cjelokupna svjetska zaliha helijuma, koja je sakupljana šest godina, raspršila se bez traga u atmosferi tokom oluje koja je trajala samo 30 minuta.

Aplikacija helijuma

Helijum u prirodi

Uglavnom zemaljski helijum nastaje tokom radioaktivnog raspada uranijuma-238, uranijuma-235, torija i nestabilnih produkata njihovog raspada. Neuporedivo manje količine helijuma nastaju sporim raspadom samarija-147 i bizmuta. Svi ovi elementi stvaraju samo teški izotop helijuma - He 4, čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica, zakopanih u ljusci od dva uparena elektrona - u elektronskom dubletu. U ranim geološkim periodima vjerovatno je postojao i drugi prirodno radioaktivan niz elemenata koji su već nestali sa lica Zemlje, zasićujući planetu helijumom. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana neptunska serija.

Po količini helijuma zarobljenog u stijeni ili mineralu može se suditi o njihovoj apsolutnoj starosti. Ova mjerenja se zasnivaju na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovina uranijuma-238 za 4,52 milijarde godina pretvara se u helijum i olovo.

Helijum polako se akumulira u zemljinoj kori. Jedna tona granita, koja sadrži 2 g uranijuma i 10 g torijuma, proizvodi samo 0,09 mg helijuma za milion godina - pola kubnog centimetra. Vrlo malo minerala bogatih uranijumom i torijumom sadrži prilično veliku količinu helijuma - nekoliko kubnih centimetara helijuma po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helijuma je blizu nule, jer su vrlo rijetki.

Na Zemlji ima malo helijuma: 1 m 3 zraka sadrži samo 5,24 cm 3 helijuma, a svaki kilogram zemaljskog materijala sadrži 0,003 mg helijuma. Ali u smislu rasprostranjenosti u svemiru, helijum je na drugom mjestu nakon vodonika: helijum čini oko 23% kosmičke mase. Otprilike polovina ukupnog helijuma koncentrirana je u zemljinoj kori, uglavnom u njenoj granitnoj ljusci, koja je akumulirala glavne rezerve radioaktivnih elemenata. Sadržaj helijuma u zemljinoj kori je mali - 3 x 10 -7% po težini. Helijum se akumulira u akumulacijama slobodnih gasova u crevima i u uljima; takva ležišta dostižu industrijske razmjere. Maksimalne koncentracije helijuma (10-13%) nađene su u akumulacijama slobodnog gasa i gasovima rudnika uranijuma i (20-25%) u gasovima koji se spontano oslobađaju iz podzemnih voda. Što je starija starost sedimentnih stijena koje sadrže plin i što je u njima veći sadržaj radioaktivnih elemenata, to je više helija u sastavu prirodnih plinova.

Rudarstvo helijuma

Proizvodnja helija u industrijskim razmjerima vrši se iz prirodnih i naftnih plinova i ugljikovodika i dušika. Prema kvalitetu sirovina nalazišta helijuma se dijele na: bogata (sadržaj He >0,5% zapremine); obične (0,10-0,50) i loše< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Svjetske rezerve helijuma iznose 45,6 milijardi kubnih metara. Velika ležišta nalaze se u SAD (45% svjetskih resursa), zatim u Rusiji (32%), Alžiru (7%), Kanadi (7%) i Kini (4%).
Sjedinjene Američke Države također vode u proizvodnji helijuma (140 miliona kubnih metara godišnje), a slijedi ih Alžir (16 miliona).

Rusija je na trećem mestu u svetu - 6 miliona kubnih metara godišnje. Fabrika helijuma u Orenburgu trenutno je jedini domaći izvor proizvodnje helijuma, a proizvodnja gasa je u opadanju. U tom smislu, od posebnog su značaja gasna polja Istočnog Sibira i Dalekog istoka sa visokim koncentracijama helijuma (do 0,6%). Jedna od najperspektivnijih je ha Kovykta zokondenzatno polje koje se nalazi na severu Irkutske oblasti. Prema procjeni stručnjaka, sadrži oko 25% svjetskog x rezerve helijuma.

Naziv indikatora	Helijum (razred A) (prema TU 51-940-80)	Helijum (razred B) (prema TU 51-940-80)	Helijum visoke čistoće, stepen 5,5 (prema TU 0271-001-45905715-02)	Helijum visoke čistoće, marke 6.0 (prema TU 0271-001-45905715-02)
Helijum, ne manje
Azot, ne više
Kiseonik + argon
Neon, ne više
Vodena para, ne više
Ugljovodonici, ne više
CO2 + CO, ne više
Vodonik, ne više

Sigurnost

– Helijum je netoksičan, nezapaljiv, neeksplozivan
- Helijum je dozvoljeno koristiti na svim mestima sa puno ljudi: na koncertima, promocijama, stadionima, prodavnicama.
– Plinoviti helijum je fiziološki inertan i ne predstavlja opasnost za ljude.
– Helijum nije opasan ni po okolinu, stoga nije potrebna neutralizacija, iskorišćavanje i eliminacija njegovih ostataka u bocama.
– Helijum je mnogo lakši od vazduha i raspršuje se u gornjim slojevima Zemljine atmosfere.

Helijum (razred A i B prema TU 51-940-80)
Tehnički naziv	Helijum gasovit
Hemijska formula
UN broj
Klasa opasnosti u transportu
Fizička svojstva
Fizičko stanje	U normalnim uslovima - gas
Gustina, kg/m³	U normalnim uslovima (101,3 kPa, 20 C), 1627
Tačka ključanja, C na 101,3 kPa
Temperatura 3. tačke i njen ravnotežni pritisak C, (MPa)
Rastvorljivost u vodi	minor
Opasnost od požara i eksplozije	otporan na vatru i eksploziju
Stabilnost i reaktivnost
Stabilnost	stabilan
Reaktivnost	inertni gas
Ljudska opasnost
Toksičan efekat	Nije toksičan
opasnost po životnu sredinu	Nema štetan uticaj na životnu sredinu
Objekti	Bilo koja sredstva su primjenjiva.

Skladištenje i transport helijuma

Gasni helijum se može transportovati svim vidovima transporta u skladu sa pravilima za prevoz robe na određenom načinu transporta. Transport se obavlja u specijalnim smeđim čeličnim cilindrima i kontejnerima za helij. Tečni helijum se transportuje u transportnim posudama kao što su STG-40, STG-10 i STG-25 zapremine 40, 10 i 25 litara.

Pravila za transport boca sa tehničkim gasovima

Prevoz opasnih materija u Ruskoj Federaciji regulisan je sledećim dokumentima:

1. "Pravila za drumski transport opasnih materija" (izmenjena i dopunjena Naredbom Ministarstva saobraćaja Ruske Federacije od 11.06.1999. br. 37 od 14.10.1999. br. 77; registrovano u Ministarstvu pravde Ruske Federacije 18. decembra 1995. godine, registarski broj 997).

2. "Evropski sporazum o međunarodnom drumskom prevozu opasnih materija" (ADR), kojem je Rusija zvanično pristupila 28. aprila 1994. (Uredba Vlade Ruske Federacije od 03.02.1994. br. 76).

3. "Pravila puta" (SDA 2006), odnosno član 23.5, kojim se utvrđuje da se "Prevoz ... opasnih materija ... obavlja u skladu sa posebnim pravilima."

4. "Kodeks Ruske Federacije o administrativnim prekršajima", član 12.21, dio 2, predviđa odgovornost za kršenje pravila za prevoz opasnih materija u obliku "administrativne kazne za vozače u iznosu od jednog do trostruku minimalnu zaradu ili lišenje prava upravljanja vozilima u trajanju od jednog do tri mjeseca, za službena lica zadužena za poslove saobraćaja - od deset do dvadeset minimalne zarade.

U skladu sa stavom 3. stava 1.2. „Pravila se ne odnose na ... prevoz ograničene količine opasnih materija na jednom vozilu čiji se prevoz može smatrati prevozom neopasne robe“. Takođe se pojašnjava da je "ograničena količina opasnog tereta definisana u zahtevima za bezbedan transport određene vrste opasnog tereta. Prilikom njegovog utvrđivanja moguće je koristiti zahteve Evropskog sporazuma o međunarodnom prevozu opasnih materija". (ADR)". Dakle, pitanje maksimalne količine supstanci koje se mogu transportovati kao neopasne robe svodi se na proučavanje odeljka 1.1.3 ADR-a, koji uspostavlja izuzeća od evropskih pravila za transport opasnog tereta povezana sa različitim okolnostima.

Tako, na primjer, u skladu sa stavom 1.1.3.1 „Odredbe ADR-a ne primjenjuju se ... na prijevoz opasnih tvari koje obavljaju fizička lica, kada je ta roba pakirana za maloprodaju i namijenjena je za ličnu potrošnju, upotrebu u svakodnevnom životu, razonodi ili sportu, ako se poduzmu mjere za sprječavanje curenja sadržaja u normalnim uvjetima prijevoza."

Međutim, grupa izuzeća koja je formalno priznata pravilima za transport opasnog tereta su izuzeća koja se odnose na količine koje se prevoze u jednoj transportnoj jedinici (tačka 1.1.3.6).

Svi gasovi su svrstani u drugu klasu supstanci prema ADR klasifikaciji. Nezapaljivi, netoksični gasovi (grupe A – neutralni i O – oksidirajući) pripadaju trećoj transportnoj kategoriji, sa maksimalnom ograničenjem količine od 1000 jedinica. Zapaljivo (grupa F) - do drugog, sa maksimalnim ograničenjem od 333 jedinice. Pod "jedinicom" se ovdje podrazumijeva 1 litar kapaciteta posude koja sadrži komprimirani plin, odnosno 1 kg ukapljenog ili otopljenog plina. Dakle, maksimalna količina gasova koja se može transportovati u jednoj transportnoj jedinici kao neopasan teret je sledeća:

Helijum

HELIJ-I; m.[iz grčkog. helios - sunce]. Hemijski element (He), hemijski inertan gas bez mirisa, najlakši nakon vodonika.

◁ Helijum, th, th. G-to jezgro.

Helijum

(lat. Helijum), hemijski element VIII grupe periodnog sistema, pripada plemenitim gasovima; bez boje i mirisa, gustina 0,178 g/l. Teže se ukapljuje od svih poznatih gasova (na -268,93ºC); jedina supstanca koja se ne skrući pri normalnom pritisku, bez obzira na to koliko duboko je ohlađena. Tečni helijum je kvantna tečnost koja ima superfluidnost ispod 2,17ºK (-270,98ºC). Mala količina helijuma se nalazi u vazduhu i zemljinoj kori, gde se neprestano stvara tokom raspada uranijuma i drugih α-radioaktivnih elemenata (α-čestice su jezgra atoma helijuma). Helijum je mnogo češći u svemiru, na primjer, na Suncu, gdje je prvi put otkriven (otuda i naziv: od grčkog hēlios - Sunce). Helijum se dobija iz prirodnih gasova. Koriste se u kriogenoj tehnologiji, za stvaranje inertnih medija, u aeronautici (za punjenje stratosferskih balona, balona itd.).

HELIJ

HELIJ (lat. Helium), He (čitaj "helijum"), hemijski element sa atomskim brojem 2, atomske mase 4,002602. Pripada grupi inertnih, odnosno plemenitih gasova (grupa VIIIA periodnog sistema), nalazi se u 1. periodu.
Prirodni helijum se sastoji od dva stabilna nuklida: 3 He (0,00013% zapremine) i 4 He. Gotovo potpuna prevlast helijuma-4 povezana je sa formiranjem jezgara ovog nuklida tokom radioaktivnog raspada uranijuma, torijuma, radijuma i drugih atoma, koji se dogodio tokom duge istorije Zemlje.
Radijus neutralnog atoma helijuma je 0,122 nm. Elektronska konfiguracija neutralnog nepobuđenog atoma 1s 2 . Energije uzastopne jonizacije neutralnog atoma su 24,587 odnosno 54,416 eV (atom helijuma ima najveću energiju odvajanja prvog elektrona među neutralnim atomima svih elemenata).
Jednostavna supstanca helijum je lagani monoatomski gas bez boje, ukusa ili mirisa.
Istorija otkrića
Otkriće helijuma počelo je 1868. godine, kada su francuski astronomi P. J. Jansen posmatrali pomračenje Sunca. (cm. Jansen Pierre Jules Cesar) i Englez D. N. Lockyer (cm. Lockyer Joseph Norman) nezavisno otkrivena u spektru solarne korone (cm. SOLARNA KORONA)žuta linija (zvala se D 3-line), što se nije moglo pripisati nijednom od tada poznatih elemenata. Godine 1871. Lockyer je objasnio njegovo porijeklo prisustvom novog elementa na Suncu. 1895. Englez W. Ramsay (cm. RAMZAY William) izolovao gas iz prirodne radioaktivne rude kleveit, u čijem spektru je isti D 3-line. Lockyer je novom elementu dao ime koje odražava istoriju njegovog otkrića (grčki Helios, sunce). S obzirom da je Lockyer vjerovao da je otkriveni element metal, koristio je završetak "lim" u latinskom nazivu elementa (što odgovara ruskom završetku "ij"), koji se obično koristi u nazivu metala. Tako je helijum, mnogo prije svog otkrića na Zemlji, dobio ime koje ga razlikuje od naziva drugih inertnih plinova sa završetkom.
Biti u prirodi
U atmosferskom vazduhu sadržaj helijuma je veoma nizak i iznosi oko 5,27·10 -4% zapremine. U zemljinoj kori iznosi 0,8 10 -6%, u morskoj vodi - 4 10 -10%. Izvor helijuma je nafta i prirodni gasovi koji sadrže helijum, u kojima sadržaj helijuma dostiže 2-3%, au retkim slučajevima 8-10% zapremine. Ali u svemiru, helijum je drugi najčešći element (posle vodonika): čini 23% kosmičke mase.
Potvrda
Tehnologija proizvodnje helijuma je veoma složena: izoluje se iz prirodnih gasova koji sadrže helijum metodom dubokog hlađenja. Nalazišta takvih gasova postoje u Rusiji, SAD, Kanadi i Južnoj Africi. Helijum se takođe nalazi u nekim mineralima (monazit, torijanit i drugi), dok se iz 1 kg minerala, kada se zagreje, može izdvojiti do 10 litara helijuma.
Fizička svojstva
Helijum je laki negorivi gas, gustina gasovitog helijuma u normalnim uslovima je 0,178 kg/m 3 (manje je samo vodonik). Tačka ključanja helijuma (pri normalnom pritisku) je oko 4,2K (ili -268,93°C, što je najniža tačka ključanja).
Pri normalnom pritisku, tečni helijum se ne može pretvoriti u čvrstu materiju čak ni na temperaturama blizu apsolutne nule (0K). Pri pritisku od oko 3,76 MPa, tačka topljenja helijuma je 2,0K. Najniži pritisak pri kojem se primećuje prelazak tečnog helijuma u čvrsto stanje je 2,5 MPa (25 atm), dok je tačka topljenja helijuma oko 1,1 K (–272,1 °C).
0,86 ml helijuma se rastvara u 100 ml vode na 20 °C, a njegova rastvorljivost je još niža u organskim rastvaračima. Laki molekuli helijuma dobro prolaze (difuziju) kroz različite materijale (plastiku, staklo, neke metale).
Za tečni helijum-4 ohlađen ispod -270,97 °C uočen je niz neobičnih efekata, što daje razlog da se ova tečnost smatra posebnom, takozvanom kvantnom tečnošću. Ova tečnost se obično naziva helijum-II, za razliku od tečnog helijuma-I, tečnosti koja postoji na nešto višim temperaturama. Grafikon toplotnog kapaciteta tečnog helijuma sa promenama temperature podseća na grčko slovo lambda (l). Prelazna temperatura helijuma-I u helijum-II je 2,186 K. Ova temperatura se često naziva l-tačka.
Tečni helijum-II je u stanju da brzo prodre kroz najmanje rupe i kapilare, bez otkrivanja viskoznosti (tzv. superfluidnost). (cm. SUPERFLUIDNOST) tečni helijum-II). Osim toga, helijum-II filmovi se brzo kreću po površini čvrstih tijela, zbog čega tekućina brzo napušta posudu u koju je stavljena. Ovo svojstvo helijuma-II naziva se superpuzanje. Superfluidnost helijuma-II otkrio je 1938. sovjetski fizičar P. L. Kapitsa (cm. KAPITS Pjotr Leonidovič)(Nobelova nagrada za fiziku, 1978.). Objašnjenje za jedinstvena svojstva helijuma-II dao je drugi sovjetski fizičar L. D. Landau (cm. LANDAU Lev Davidovič) 1941-1944 (Nobelova nagrada za fiziku, 1962).
Helijum ne stvara nikakva hemijska jedinjenja. Istina, u razrijeđenom ioniziranom heliju moguće je detektirati dovoljno stabilne dvoatomske He 2 + ione.
Aplikacija
Helijum se koristi za stvaranje inertne i zaštitne atmosfere pri zavarivanju, rezanju i topljenju metala, pri pumpanju raketnog goriva, za punjenje vazdušnih brodova i balona, kao komponenta okruženja helijum lasera. Tečni helijum, najhladnija tečnost na Zemlji, jedinstveno je rashladno sredstvo u eksperimentalnoj fizici, koje omogućava upotrebu ultraniskih temperatura u naučnim istraživanjima (na primer, u proučavanju električne supravodljivosti (cm. SUPERVODLJIVOST)). Zbog činjenice da je helijum veoma slabo rastvorljiv u krvi, koristi se kao sastavni deo veštačkog vazduha kojim se ronioci snabdevaju za disanje. Zamjena dušika helijumom sprječava dekompresijsku bolest (cm. kesonska bolest)(kada se udiše običan vazduh, azot se pod visokim pritiskom rastvara u krvi, a zatim se oslobađa iz nje u obliku mehurića koji začepljuju male sudove).

enciklopedijski rječnik. 2009 .

Sinonimi:

Pogledajte šta je "helijum" u drugim rječnicima:

- (lat. Helijum) He, hemijski element VIII grupe periodnog sistema, atomski broj 2, atomska masa 4,002602, pripada plemenitim gasovima; bez boje i mirisa, gustina 0,178 g/l. Teže se ukapljuje od svih poznatih gasova (na 268,93°C); ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

- (grčki, od helyos sunca). Elementarno tijelo otkriveno u sunčevom spektru i prisutno na Zemlji u nekim rijetkim mineralima; prisutan je u vazduhu u tragovima. Rječnik stranih riječi uključenih u ruski jezik. Čudinov A.N ... Rečnik stranih reči ruskog jezika

- (simbol He), gasoviti nemetalni element, PLEMENI GAS, otkriven 1868. godine. Prvi put dobijen iz minerala klevita (raznovrsnost uranita) 1895. Trenutno je njegov glavni izvor prirodni gas. Takođe sadržano u... Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik

Ja, muž. , stari Eliy, I. Otac: Gelievich, Gelievna Derivati: Gelya (Gela); Elya Poreklo: (od grč. hēlios sunce.) Imendan: 27. jul Rečnik ličnih imena. Helijum Vidi Ellius. Day Angel. Referenca… Rječnik ličnih imena

HELIJ- chem. element, simbol He (lat. Helium), at. n. 2, at. m. 4.002, odnosi se na inertne (plemenite) gasove; bez boje i mirisa, gustine 0,178 kg/m3. U normalnim uslovima, vodonik je jednoatomski gas, čiji se atom sastoji od jezgra i dva elektrona; formirana... Velika politehnička enciklopedija

- (Helijum), He, hemijski element VIII grupe periodnog sistema, atomski broj 2, atomska masa 4,002602; odnosi se na plemenite plinove; supstanca najnižeg ključanja (tbp 268.93shC), jedina koja se ne skrutne pri normalnom pritisku; ... ... Moderna enciklopedija

Chem. osmi element. periodični sistem, redni broj 2; inertni gas sa at. in. 4.003. Sastoji se od dva stabilna izotopa He4 i He3. Soder. oni su promjenjivi i zavise od izvora formiranja, ali uvijek prevladava teški izotop. NA… … Geološka enciklopedija

Helijum- (Helijum), He, hemijski element VIII grupe periodnog sistema, atomski broj 2, atomska masa 4,002602; odnosi se na plemenite plinove; supstanca najnižeg ključanja (tbp 268,93 °C), jedina koja se ne skrutne pri normalnom pritisku; ... ... Ilustrovani enciklopedijski rječnik

Još 1869. godine, u prvom izvještaju o periodičnom zakonu, Mendeljejev je, govoreći o pravcima traženja još neotkrivenih "cigli svemira", indirektno ukazao na vjerovatnoću postojanja helijuma. Napisao je: „Ako mogu da izrazim želju, gledajući priloženu tabelu, čini mi se da je najpoželjnije nadopuniti broj elemenata bliže vodoniku. Oni elementi koji predstavljaju prijelaz sa vodonika na bor i ugljik će, naravno, činiti najvažniju naučnu tekovinu koju se može očekivati od upoznavanja sa novootkrivenim jednostavnim tijelima.

Otprilike u isto vrijeme, astronomi su otkrili atmosferu Sunca. Bilo je nekoliko razloga zašto je ovo otkriće dugo vremena prošlo nezapaženo ili necijenjeno od strane hemičara. Prvo, dovedena je u pitanje realnost postojanja novog; drugo, događaj se odigrao u astronomskom svijetu daleko od hemičara, i konačno, neki ljudi su mislili da ako takva supstanca postoji, previše je daleko od Zemlje i zemaljskih interesa.

Korijene ovog astronomskog događaja je lako ući u trag. Nastala je otkrićem koje je naučnom svijetu postalo poznato 1860. godine, kada su njemački naučnici G. Kirchhoff i R. Bunsen objavili svoj čuveni članak "Hemijska analiza posmatranjem spektra". Ovo otkriće dalo je prirodnjacima moćno oruđe za proučavanje kvalitativnog sastava bilo kojeg objekta - bliskog ili udaljenog - samo da njegova svjetlost može doprijeti do očiju promatrača. Postalo je moguće otkriti prisustvo vrlo malih količina ne samo na Zemlji, već i izvan njenih granica u vrućoj atmosferi Sunca i drugih nebeskih tijela hiljadama svjetlosnih godina udaljenih od Zemlje.

Upotreba spektralne analize dala je obilne rezultate. Tokom samo prve dvije godine nakon otkrića nove metode, Bunsen je uz pomoć spektroskopa otkrio minerale, a zatim iz njih izolovao nove elemente - a Crookes je pronašao u pepelu pirita, a njemački naučnici Reich i Richter -.

Tako je briljantna bila prva faza primjene spektralne analize. U XX veku. njegove moći su se enormno proširile. Postala je metoda ne samo kvalitativne već i kvantitativne analize, metoda za određivanje atomskog i molekularnog sastava supstanci. Na osnovu proučavanja spektra, oni sada procjenjuju fizičko stanje nebeskih tijela i njihovu udaljenost od Zemlje, određuju sjaj zvijezda, temperaturu njihove površine, gustinu zvjezdane atmosfere i još mnogo toga. Ali, možda je spektralna analiza našla najdublju i najvažniju primjenu u proučavanju najsitnijih detalja u strukturi elektronskih omotača atoma, u poznavanju zakona mikrosvijeta.

Može se razumjeti s kojim nestrpljenjem su astronomi očekivali potpunu pomračenje Sunca 1868. Oni su po prvi put namjeravali da koriste spektroskop za proučavanje atmosfere Sunca i rješavanje važnog pitanja: postoje li solarne prominencije i kakva je njihova priroda?

Prominencije se nazivaju crvene svjetleće izbočine (baklje) na rubovima solarnog diska, vidljive golim okom samo tokom potpunog pomračenja. Začudo, ove gigantske baklje prvi je primijetio engleski astronom Boyley tek 1842. godine. Njegova poruka je primljena sa velikim skepticizmom; preovladavalo je mišljenje da postoji optička iluzija. Ali kasnija potpuna pomračenja 1851., a posebno 1860. godine, primorala su većinu naučnika da preispitaju svoje stavove. Astronomi koji su došli u Španiju 1860. godine mogli su svojim očima da vide vatrene izbočine, neki su čak uspeli da ih skiciraju, fotografišu i primete da stalno menjaju svoje obrise.

Bilo je različitih pretpostavki o prirodi ovog fenomena. Neki su vjerovali da su to lunarne planine obasjane sunčevim zracima. Drugi su bili skloni da ih vide kao planine na samom Suncu. Ali najmudriji naučnici su izjavili da su to gigantski stupovi vrućih gasova izbačenih eksplozijama monstruoznih sila koje se dešavaju unutar Sunca. Tu bi novoizmišljeni spektroskop bio od velike pomoći, ali se dogodilo da je u pripremama za posmatranje zaboravljen i zapamćen tek nakon pomračenja.

S druge strane, tokom pomračenja 1868. godine, astronomi su na različitim tačkama na Zemljinoj kugli već usmjeravali spektroskope prema Suncu. Među posmatračima bio je i Francuz Jansen, koji je u tu svrhu poduzeo dugo putovanje do istočne obale Indije, gdje je vidljivost solarne korone obećavala najbolju. Istog dana poslao je telegram iz indijskog grada Guntura Francuskoj akademiji nauka: „Bilo je pomračenje, prominencije, divan neočekivani spektar. Prominencije se sastoje od gasova.”

Jansen je uspeo da podesi prorez spektroskopa na način da se linijski spektar solarne korone može posmatrati ne samo tokom pomračenja, već i običnih dana. Sledećeg jutra primetio je u spektru korone, zajedno sa poznatim linijama vodonika - plavom, zeleno-plavom i crvenom - veoma jarko žutu liniju. Ovu liniju su vidjeli i neki drugi astronomi na dan pomračenja. U početku je uzeto za liniju natrijuma D, jer su bile slične boje i lokacije.

Ali nakon nekoliko mjeseci, Jansen i Englez Lockyer su otkrili da se svijetložuta linija u sunčevom spektru ne poklapa sa linijom natrijuma, i općenito ne postoji takva linija u spektrima elemenata poznatih na našoj planeti. Nakon toga joj je dodijeljen simbol D3.

Jansen je bez odlaganja poslao pismo Akademiji, gdje je iznio svoja zapažanja i opisao novu metodu spektroskopskog istraživanja, prikladnu u bilo koje vrijeme. Bilo je potrebno dosta vremena da pismo iz daleke Indije stigne u Pariz tek 24. oktobra 1868. Istog dana, ali nekoliko sati ranije, Akademija je primila i pismo iz Londona, koje je samo četiri dana ranije napisao Lockyer. Ovaj astronom je takođe otkrio način da se posmatraju prominencije izvan pomračenja i takođe je pronašao žutu liniju D3; njegov sjaj je toliko veliki da bi ga bilo teško ne primijetiti.

Sljedećeg dana oba pisma su pročitana na sjednici Akademije. Dvije poruke iz različitih dijelova svijeta bile su u potpunoj saglasnosti jedna s drugom. Otkrivena je metoda koja vam omogućava da počnete prodirati u tajne kosmičkih tijela! Francuska akademija odlučila je da iskuje medalju u čast ovog izuzetnog događaja. Na jednoj strani medalje urezani su portreti Jean-sena i Lockyera preko ukrštenih lovorovih grana, a na drugoj je slika mitskog boga sunca Apolona, koji vlada u kočiji sa četiri konja koja galopiraju punom brzinom. Na ivici medalje vijuga natpis: "Analiza solarnih izbočina 1868."

Mora se naglasiti da je medalja iskovana u čast nove metode proučavanja istaknutosti i udaljenih svjetiljki, a ne u čast otkrića novog elementa. Pitanje koja supstanca odgovara liniji "D3" dugo je ostalo neriješeno.

Godinu dana kasnije, Rayet je sugerirao da užareni plin, čiji zraci daju misterioznu žutu liniju, zajedno sa vodonikom, čini solarnu atmosferu. Prošle su još dvije godine, a Lockyer (zajedno sa Franklandom) je nazvao ovu supstancu helijum, ali on sam nije bio siguran da je to zaista nova jednostavna supstanca, a ne neki metal ili oblik vodika koji se ne nalazi na Zemlji. Drugi naučnici su pretpostavili da je ovo teška formula H4. Italijan Seki se, očigledno, prvi usudio zaključiti da na Suncu postoji element koji je nepoznat na Zemlji. Svo znanje astronoma o prirodi i svojstvima helija iscrpljeno je idejom o karakteristikama njegovog spektra. Ovo saznanje im je, međutim, omogućilo da otkriju brojne zvijezde u atmosferi.

Što se tiče naučnika drugih specijalnosti, njih je helijum malo zanimao, jer ga niko nije sreo na Zemlji.

Godine 1881. dogodio se događaj u naučnom svijetu - u suštini beznačajan, ali je izazvao žestoke sporove koji do danas nisu prestali. Te godine je italijanski Palmieri objavio izveštaj o svom otkriću helijuma u vulkanskim gasovima (fumarolima). Ovo je bio prvi pokazatelj prisustva helijuma na Zemlji.

Palmieri je ispitao svijetložutu čvrstu masnu supstancu koja se taložila iz plinskih mlaznica na rubovima kratera Vezuva. Naučnik je kalcinirao ovaj vulkanski proizvod u plamenu Bunsenovog plamenika i posmatrao spektar otpuštenih gasova.

Međutim, Palmieri je nejasno opisao svoje iskustvo, izvođenje spektralne analize u takvim uslovima bilo je izuzetno teško, pa je naučna zajednica njegovu poruku dočekala s nepoverenjem. I tek mnogo godina kasnije, kada je prisustvo helijuma u plinovima zemljine kore prepoznato kao neosporna činjenica, počeli su proučavati sastav fumarola i u njima pronašli vrlo male količine helija i argona.

U međuvremenu, Rayleigh i Ramsay su nastavili proučavati ono što su otkrili. U januaru 1895. godine naučnici su podnijeli izvještaj Engleskom kraljevskom društvu o neuspjelim pokušajima da se dobiju hemijska jedinjenja argona sa drugim elementima. Mineralog Myers je slušao njihov nastup. Sjetio se članka analitičkog hemičara Hillebranda, koji se specijalizirao za analizu minerala i stijena i stoga je objavio svoj članak u geološkom časopisu, koji su kemičari rijetko pogledali. Članak napisan prije četiri godine izvještava o sličnim eksperimentima s plinom izolovanim iz minerala uranita (katranske mješavine) kuhanjem sa sumpornom kiselinom ili topljenjem sa sodom. Već tada je autor skrenuo pažnju na činjenicu da količina oslobođenog plina direktno ovisi o sadržaju uranijuma u mineralu. Gillebrand je zaključio da je plin koji je otkrio . Na kraju krajeva, plin je bio bezbojan, bez ukusa i mirisa, nije se otopio u vodi i nije oksidirao.

Sljedećeg jutra Myers je poslao pismo Ramsayu, u kojem mu je skrenuo pažnju na spomenuti članak i savjetovao ga da otkrije: možda Hilebrand nije imao posla s dušikom, već s argonom?

Nakon što je primio pismo, Ramsay je poslao svoje pomoćnike da kupe uranijum. Zaobilazeći sve prodavnice hemikalija u Londonu, uspeli su da sakupe oko 30 g kleveita - retkog minerala koji sadrži i. Kleveite je u Norveškoj pronašao poznati polarni istraživač Nordenskjold.

Ramsay je dugo vremena kuhao uzorke u razrijeđenoj sumpornoj kiselini, skupljajući mehuriće koji se pojavljuju u plinomjeru. U martu je sakupio 20 cm3 bezbojnog gasa. Ramsay je prebacio plin u staklenu cijev, usku u sredini i proširenu na krajevima, i zalemio je umetanjem platinastih žica na krajeve. Kada je prošla električna struja, gas u cevi je jonizovan; Došlo je i do termičke ekscitacije atoma, usled čega je gas sijao, a njegov spektar se mogao posmatrati.

Naravno, Ramsay je bio veoma zadovoljan kada je ugledao plave, narandžaste i zelene linije koje je očekivao, a koje su karakteristične za spektar argona, ali da odmah kažemo da je tu upao u grešku, koju je tek kasnije shvatio. prodro u cijev iz zraka tokom pripreme eksperimenta. I tako, posmatrajući spektar argona, naučnik je bio šokiran; vidio je briljantnu žutu liniju, koja se skoro poklapala sa linijom natrijuma D, ali se još uvijek jasno razlikovala od nje. Ovaj red je bio toliko neočekivan da je Ramsay nekoliko puta ponovio zapažanja. Ali nije bilo sumnje da je neka nova supstanca prisutna u cijevi.

Crookes, izvanredan spektroskopista tog vremena, živio je u Londonu. Ramsay mu je poslao svoju cijev s plinom na detaljan pregled. U propratnom pismu je rekao da je otkrio novi gas, koji je nazvao "kripton" (grčki za "skriven"). Crookes je iste večeri napravio analizu i telegrafirao sledećeg jutra: "Kripton je tačka, dođi da vidiš tačku." A kada je Ramsay stigao, Crookes mu je pokazao ne samo liniju D3, već i niz drugih linija u spektru helijuma - crvene, plave, ljubičaste, koje, budući da su manje svijetle, astronomi nisu mogli razlikovati u spektru Sunca. Štaviše, ispostavilo se da se sama linija D3 sastoji od dvije blisko raspoređene linije; ovo je kasnije izazvalo mnoge naučnike da sumnjaju u identitet "zemaljskog" i "solarnog" helijuma. Međutim, prošlo je malo vremena i astronomi su, koristeći spektroskope veće rezolucije, pronašli potpuno istu dvostruku liniju u spektru sunčeve prominencije. Tako su astrofizička zapažanja ispravljena kada su proučavani na Zemlji.

Prošli vek je obeleženo otkrićem mnogih hemijskih elemenata, ali je bilo i mnogo pogrešnih „otkrića“. Obično je svaki otkrivač nastojao što prije utvrditi svoj prioritet. Kao i Ramsay. Istog dana (23. marta 1895.) poslao je poruku o svom otkriću helijuma na Zemlji Kraljevskom društvu, kao i Francuskoj akademiji preko poznatog hemičara Berthelota. I dvije sedmice kasnije, Berthelot je dobio sličnu poruku od švedskog hemičara Lengleta; ne znajući za Ramsayeve eksperimente, Lenglet je takođe dobijao helijum iz kleveita.

Ubrzo je helijum otkriven u brojnim mineralima i stijenama, posebno u onim gdje je ili je prisutan (odnos između ovih elemenata i helijuma postao je jasan mnogo kasnije). Helijum je takođe pronađen u gasovima izvora Vilbad u Nemačkoj i u pojedinačnim meteoritima.

Imajući na raspolaganju vrlo malo helijuma, Ramsay je ipak otkrio da je ovaj plin hemijski inertan, kao i , i drugi nakon vodonika po lakoći.

Ali čim je helijum prisutan u zemljinoj kori, on mora stalno ulaziti u atmosferu, bježeći tamo s plinovima iz izvora vode, kao i kroz pore i pukotine stijena. Prvi pokušaji da ga pronađu u zraku, koje su napravili Rayleigh, Ramsay i drugi istraživači, bili su neuspješni. S tim u vezi pojavile su se izjave da zbog svoje lakoće helijum, kao

Helijum je inertni gas 18. grupe periodnog sistema. To je drugi najlakši element nakon vodonika. Helijum je gas bez boje, mirisa i ukusa koji postaje tečan na -268,9 °C. Njegove tačke ključanja i smrzavanja su niže od onih kod bilo koje druge poznate supstance. To je jedini element koji se ne stvrdnjava kada se ohladi pri normalnom atmosferskom pritisku. Potrebno je 25 atmosfera da se helijum očvrsne na 1 K.

Istorija otkrića

Helijum je u gasovitoj atmosferi koja okružuje Sunce otkrio francuski astronom Pierre Jansen, koji je 1868. godine tokom pomračenja otkrio jarko žutu liniju u spektru solarne hromosfere. Prvobitno se smatralo da ova linija predstavlja element natrijum. Iste godine je engleski astronom Joseph Norman Lockyer uočio žutu liniju u sunčevom spektru koja nije odgovarala poznatim linijama D 1 i D 2 natrijuma, pa ju je nazvao D 3 linija. Lockyer je zaključio da ga je izazvala supstanca na Suncu nepoznata na Zemlji. On i hemičar Edvard Frankland koristili su grčko ime za sunce, helios, da bi imenovali element.

Godine 1895. britanski hemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helijuma na Zemlji. Dobio je uzorak minerala kleveita koji sadrži uranijum, i nakon ispitivanja gasova koji nastaju prilikom njegovog zagrevanja, otkrio je da se svetlo žuta linija u spektru poklapa sa linijom D 3 koja je primećena u spektru Sunca. Tako je novi element konačno postavljen. Godine 1903. Ramsay i Frederic Soddu su utvrdili da je helijum spontani produkt raspada radioaktivnih supstanci.

Rasprostranjenost u prirodi

Helijum čini oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi po zastupljenosti u svemiru. Koncentrisan je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako se helijum nalazi u zemljinoj atmosferi u koncentraciji od 1 dijela na 200 hiljada (5 ppm) i nalazi se u malim količinama u radioaktivnim mineralima, meteoritskom željezu i mineralnim izvorima, velike količine elementa nalaze se u Sjedinjenim Državama ( posebno u Teksasu, Njujorku).Meksiku, Kanzasu, Oklahomi, Arizoni i Juti) kao komponenta (do 7,6%) prirodnog gasa. Male rezerve pronađene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori koncentracija helijuma je samo oko 8 delova na milijardu.

izotopi

Jezgro svakog atoma helija sadrži dva protona, ali kao i drugi elementi, ima izotope. Sadrže jedan do šest neutrona, tako da se njihov maseni broj kreće od tri do osam. Stabilni su elementi u kojima je masa helija određena atomskim brojevima 3 (3 He) i 4 (4 He). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se raspadaju u druge tvari. Zemaljski helijum nije izvorna komponenta planete, nastao je kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestice koje emituju jezgra teških radioaktivnih supstanci su jezgra izotopa 4 He. Helij se ne akumulira u velikim količinama u atmosferi jer Zemljina gravitacija nije dovoljno jaka da spriječi njen postupni bijeg u svemir. Tragovi 3 He na Zemlji se objašnjavaju negativnim beta raspadom rijetkog elementa vodonika-3 (tricijuma). 4 On je najčešći od stabilnih izotopa: odnos broja atoma 4 He prema 3 He je oko 700 hiljada prema 1 u atmosferi i oko 7 miliona prema 1 u nekim mineralima koji sadrže helijum.

Fizička svojstva helijuma

Tačke ključanja i topljenja ovog elementa su najniže. Iz tog razloga, helijum postoji osim u ekstremnim uslovima. Plinoviti On se manje otapa u vodi nego bilo koji drugi plin, a brzina difuzije kroz čvrste tvari je tri puta veća od zraka. Njegov indeks loma je najbliži 1.

Toplotna provodljivost helijuma je na drugom mjestu nakon vodonika, a njegov specifični toplinski kapacitet je neobično visok. Na uobičajenim temperaturama se zagrijava tokom ekspanzije, a hladi ispod 40 K. Stoga, kod T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Element je dielektrik osim ako nije u jonizovanom stanju. Kao i drugi plemeniti gasovi, helijum ima metastabilne nivoe energije koji mu omogućavaju da ostane jonizovan u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod jonizacionog potencijala.

Helijum-4 je jedinstven po tome što ima dva tečna oblika. Regularni se zove helijum I i postoji na temperaturama u rasponu od tačke ključanja od 4,21 K (-268,9 °C) do oko 2,18 K (-271 °C). Ispod 2,18 K, toplotna provodljivost 4 He postaje 1000 puta veća od one u bakru. Ovaj oblik se naziva helijum II kako bi se razlikovao od normalnog oblika. Super je tečno: viskozitet je toliko nizak da se ne može izmjeriti. Helij II se širi u tanki film na površini svega što dodirne, a ovaj film teče bez trenja čak i protiv gravitacije.

Manje zastupljen helijum-3 formira tri različite tekuće faze, od kojih su dvije superfluidne. Superfluidnost u 4. Otkrio ga je sovjetski fizičar sredinom 1930-ih, a isti fenomen u 3. Prvi su ga primijetili Douglas D. Osherov, David M. Lee i Robert S. Richardson iz SAD-a 1972. godine.

Tečna mješavina dva izotopa helijuma-3 i -4 na temperaturama ispod 0,8 K (-272,4 °C) podijeljena je u dva sloja - gotovo čisti 3 He i mješavinu 4 He sa 6% helijuma-3. Otapanje 3 He u 4 He praćeno je efektom hlađenja, koji se koristi u dizajnu kriostata, u kojima temperatura helijuma pada ispod 0,01 K (-273,14 °C) i održava se na toj temperaturi nekoliko dana.

Veze

U normalnim uslovima, helijum je hemijski inertan. U ekstremnim uslovima možete stvoriti spojeve elemenata koji nisu stabilni pri normalnim temperaturama i pritiscima. Na primjer, helijum može formirati spojeve s jodom, volframom, fluorom, fosforom i sumporom kada je podvrgnut električnom svjetlećem pražnjenju kada je bombardiran elektronima ili u stanju plazme. Tako su nastali HeNe, HgHe 10 , WHe 2 i molekularni joni He 2 + , He 2 ++ , HeH + i HeD +. Ova tehnika je takođe omogućila dobijanje neutralnih molekula He 2 i HgHe.

Plazma

U Univerzumu je pretežno raspoređen jonizovani helijum čija se svojstva značajno razlikuju od molekularnog helijuma. Njegovi elektroni i protoni nisu vezani, a ima vrlo visoku električnu provodljivost čak i u djelomično joniziranom stanju. Na nabijene čestice snažno djeluju magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru, joni helijuma, zajedno sa joniziranim vodonikom, stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, uzrokujući aurora borealis.

Otkriće ležišta u SAD

Nakon bušenja bušotine 1903. godine u Dexteru, Kanzas, dobijen je nezapaljivi plin. U početku se nije znalo da sadrži helijum. Koji je gas pronađen utvrdio je državni geolog Erasmus Havort, koji je sakupio njegove uzorke i na Univerzitetu u Kanzasu, uz pomoć hemičara Cady Hamilton i Davida McFarlanda, utvrdio da sadrži 72% azota, 15% metana, 1% vodonika. a 12% nije identifikovano. Nakon dalje analize, naučnici su otkrili da je 1,84% uzorka bilo helijum. Tako su saznali da je ovaj hemijski element prisutan u ogromnim količinama u utrobi Velike ravnice, odakle se može izvući iz prirodnog gasa.

industrijska proizvodnja

Time su Sjedinjene Države postale svjetski lider u proizvodnji helijuma. Na prijedlog Sir Richarda Threlfalla, američka mornarica je finansirala tri mala eksperimentalna postrojenja za proizvodnju tvari tokom Prvog svjetskog rata kako bi se baloni s baražnim balonima osigurali laganim, nezapaljivim gasom za podizanje. U okviru ovog programa proizvedeno je ukupno 5.700 m 3 od 92% He, iako je prethodno proizvedeno samo manje od 100 litara gasa. Dio ove količine korišten je u prvom svjetskom helijumskom dirižablu C-7, koji je izveo svoj prvi let od Hampton Roadsa do Bolling Fielda 7. decembra 1921. godine.

Iako proces niskotemperaturnog ukapljivanja gasa u to vreme nije bio dovoljno napredan da bi bio značajan tokom Prvog svetskog rata, proizvodnja se nastavila. Helijum se uglavnom koristio kao gas za podizanje aviona. Potražnja za njim je rasla tokom Drugog svetskog rata, kada je korišćen u zavarivanju sa zaštićenim lukom. Element je takođe bio važan u projektu atomske bombe na Menhetnu.

američke nacionalne rezerve

Vlada Sjedinjenih Država je 1925. godine uspostavila Nacionalnu rezervu helijuma u Amarillu u Teksasu u svrhu pružanja vojnih zračnih brodova u vrijeme rata i komercijalnih zračnih brodova u vrijeme mira. Upotreba gasa je opala nakon Drugog svetskog rata, ali je zaliha povećana 1950-ih da bi se, između ostalog, obezbedilo njegovo snabdevanje kao rashladno sredstvo koje se koristilo u proizvodnji raketnog goriva sa kiseonikom tokom svemirske trke i Hladnog rata. Upotreba helijuma u SAD 1965. bila je osam puta veća od najveće ratne potrošnje.

Od Zakona o helijumu iz 1960. godine, Zavod za rudarstvo je ugovarao 5 privatnih kompanija za ekstrakciju ovog elementa iz prirodnog gasa. Za ovaj program izgrađen je gasovod dužine 425 kilometara koji povezuje ova postrojenja sa delimično iscrpljenim državnim gasnim poljem u blizini Amarilla u Teksasu. Mešavina helijuma i azota je pumpana u podzemno skladište i tamo je ostala sve dok nije bila potrebna.

Do 1995. izgrađeno je milijardu kubnih metara zaliha, a Nacionalne rezerve su imale dug od 1,4 milijarde dolara, što je navelo Kongres SAD da ga postupno ukine 1996. Nakon usvajanja zakona o privatizaciji helijuma 1996. godine, Ministarstvo prirodnih resursa počelo je likvidaciju skladišta 2005. godine.

Čistoća i obim proizvodnje

Helijum proizveden prije 1945. bio je oko 98% čist, dok je preostalih 2% bio dušik, što je bilo dovoljno za vazdušne brodove. Godine 1945. proizvedena je mala količina od 99,9% plina za korištenje u elektrolučnom zavarivanju. Do 1949. čistoća rezultirajućeg elementa dostigla je 99,995%.

Dugi niz godina Sjedinjene Države su proizvodile preko 90% komercijalnog helijuma u svijetu. Od 2004. godine godišnje se proizvodi 140 miliona m 3 od čega se 85% proizvodi u SAD, 10% u Alžiru, a ostatak - u Rusiji i Poljskoj. Glavni izvori helijuma u svijetu su plinska polja Teksasa, Oklahome i Kanzasa.

Proces prijema

Helijum (čistoća 98,2%) se izoluje iz prirodnog gasa ukapljivanjem ostalih komponenti na niskim temperaturama i visokim pritiscima. Adsorpcijom ostalih gasova sa ohlađenim aktivnim ugljem postiže se čistoća od 99,995%. Mala količina helijuma se proizvodi ukapljivanjem vazduha u velikim razmerama. Iz 900 tona vazduha može se dobiti oko 3,17 kubnih metara. m gasa.

Prijave

Plemeniti gas je našao primenu u raznim oblastima.

Helij, čija svojstva omogućavaju postizanje ultraniskih temperatura, koristi se kao rashladno sredstvo u Velikom hadronskom sudaraču, supravodljivi magneti u MRI mašinama i spektrometrima nuklearne magnetne rezonance, satelitskoj opremi, kao i za ukapljivanje kisika i vodika u Apollu rakete.
Kao inertni gas za zavarivanje aluminijuma i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluprovodnika.
Za stvaranje pritiska u rezervoarima goriva raketnih motora, posebno onih koji rade na tečni vodonik, jer samo gasoviti helijum zadržava agregacijsko stanje kada vodonik ostaje tečan);
He-Ne se koriste za skeniranje bar kodova na kasama u supermarketima.
Helijum-jonski mikroskop daje bolje slike od elektronskog mikroskopa.
Zbog svoje visoke propustljivosti, plemeniti gas se koristi za proveru curenja u, na primer, sistemima za klimatizaciju automobila, kao i za brzo naduvavanje vazdušnih jastuka u slučaju sudara.
Mala gustoća vam omogućava da napunite ukrasne balone helijumom. Inertni gas je zamenio eksplozivni vodonik u vazdušnim brodovima i balonima. Na primjer, u meteorologiji se helijumski baloni koriste za podizanje mjernih instrumenata.
U kriogenoj tehnologiji služi kao rashladno sredstvo, jer je temperatura ovog hemijskog elementa u tečnom stanju najniža moguća.
Helijum, čija svojstva mu obezbeđuju nisku reaktivnost i rastvorljivost u vodi (i krvi), pomešan sa kiseonikom, našao je primenu u kompozicijama za disanje za ronjenje i rad u kesonu.
Meteoriti i stijene se analiziraju na ovaj element kako bi se utvrdila njihova starost.

Helijum: svojstva elementa

Glavna fizička svojstva He su sljedeća:

Atomski broj: 2.
Relativna masa atoma helijuma: 4,0026.
Tačka topljenja: ne.
Tačka ključanja: -268,9 °C.
Gustina (1 atm, 0 °C): 0,1785 g/p.
Stanja oksidacije: 0.

Hemijski element helijum prvo je otkriven na Suncu, a tek potom na Zemlji.

Ključnu ulogu u istoriji otkrića helijuma odigrao je Norman Lockyer, osnivač jedne od vodećih svjetskih naučnih publikacija - časopisa Priroda. U procesu priprema za pokretanje časopisa upoznao je londonski naučni establišment i zainteresovao se za astronomiju. To je bilo vrijeme kada su, inspirirani otkrićem Kirchhoff-Bunsena, astronomi tek počeli proučavati spektar svjetlosti koju emituju zvijezde. Sam Lockyer je uspio napraviti niz važnih otkrića – posebno, on je bio prvi koji je pokazao da su sunčeve pjege hladnije od ostatka sunčeve površine, a također je bio prvi koji je ukazao na prisutnost vanjske ljuske na Suncu, nazivajući to hromosfera. Godine 1868, dok je istraživao svjetlost koju emituju atomi u prominencijama - ogromnim izbacivanjima plazme sa površine Sunca - Lockyer je primijetio niz do sada nepoznatih spektralnih linija ( cm. Spektroskopija). Pokušaji dobivanja istih linija u laboratoriju završili su neuspjehom, iz čega je Lockyer zaključio da je otkrio novi kemijski element. Lockyer ga je nazvao helijum, na grčkom helios- "Sunce".

Naučnici su se pitali kako da tretiraju pojavu helijuma. Neki su sugerisali da je napravljena greška u tumačenju spektra prominencija, ali ovo gledište dobija sve manje i manje pristalica, jer je sve više i više astronoma bilo u mogućnosti da posmatra Lockyerove linije. Drugi su tvrdili da na Suncu postoje elementi koji nisu na Zemlji - što je, kao što je već spomenuto, u suprotnosti sa glavnom tvrdnjom o zakonima prirode. Drugi su (bili su manjina) vjerovali da će se jednog dana helijum naći na Zemlji.

Krajem 1890-ih, Lord Rayleigh i Sir William Ramsay izveli su niz eksperimenata koji su doveli do otkrića argona. Ramsay je redizajnirao svoju postavku kako bi je koristio za istraživanje plinova koje ispuštaju minerali koji sadrže uranijum. U spektru ovih gasova, Ramsay je otkrio nepoznate linije i poslao uzorke nekolicini kolega na analizu. Nakon što je primio uzorak, Lockyer je odmah prepoznao linije koje je uočio na sunčevoj svjetlosti prije više od četvrt stoljeća. Zagonetka helijuma je riješena: plin je sigurno na Suncu, ali postoji i ovdje na Zemlji. Danas je ovaj plin najpoznatiji u svakodnevnom životu kao plin za naduvavanje zračnih brodova i balona ( cm. Grahamov zakon), a u nauci – zahvaljujući njegovoj primjeni u kriogenika, tehnologija za postizanje ultraniskih temperatura.

Koronijum i Nebulijum

Pitanje da li negdje u Univerzumu postoje hemijski elementi kojih nema na Zemlji nije izgubilo na svojoj aktuelnosti u 20. vijeku. U proučavanju vanjske solarne atmosfere - solarne krune, koji se sastoji od vruće, visoko razrijeđene plazme, astronomi su otkrili spektralne linije koje nisu mogli identificirati ni sa jednim od poznatih zemaljskih elemenata. Naučnici su sugerirali da ove linije pripadaju novom elementu koji je dobio ime koronijum. I kada proučavamo spektre nekih magline- udaljene akumulacije gasova i prašine u Galaksiji - otkrivene su još jedne misteriozne linije. Oni su pripisani još jednom "novom" elementu - nebulija. Tridesetih godina prošlog stoljeća američki astrofizičar Ira Sprague Bowen (1898-1973) došao je do zaključka da linije magline zapravo pripadaju kisiku, ali su ovaj oblik dobile uslijed ekstremnih uvjeta koji postoje na Suncu i u maglinama, a ovi uvjeti ne mogu se reproducirati u zemaljskim laboratorijama. Ispostavilo se da je koronijum visoko jonizovano gvožđe. I ove linije se zovu zabranjene linije.

Joseph Norman LOKYER
Joseph Norman Lockyer, 1836-1920

engleski naučnik. Rođen u gradu Ragbi u porodici vojnog lekara. Lockyer je u nauku došao na neobičan način, započevši svoju karijeru kao službenik u Ministarstvu rata. Da bi zaradio dodatni novac, on je, koristeći interes javnosti za nauku, počeo da izdaje naučnopopularni časopis. Prvi broj časopisa izašao je 1869. Priroda, a 50 godina Lockyer je ostao njegov urednik. Učestvovao je u mnogim ekspedicijama posmatrajući potpune pomračenja Sunca. Jedna od ovih ekspedicija dovela ga je do otkrića helijuma. Lockyer je također poznat kao osnivač arheoastronomije, nauke koja proučava astronomsko značenje drevnih građevina kao što je Stonehenge, i autor mnogih popularnih naučnih knjiga.