HÉLIUM: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, RIZIKÁ, POUŽITIA - CHÉMIA - 2025

Hélium je chemický prvok so symbolom He. Je to prvý vzácny plyn v periodickej tabuľke a zvyčajne sa nachádza na jeho krajnej pravici. Za normálnych podmienok je to inertný plyn, pretože žiadna z jeho niekoľkých zlúčenín nie je stabilná; Veľmi rýchlo sa rozširuje a je to látka s najnižšou teplotou varu zo všetkých.

Na populárnej úrovni je to známy plyn, pretože v nespočetných udalostiach alebo detských večierkoch je bežné svedčiť o tom, ako balón stúpa, až kým sa stratí na oblohe. To, čo sa skutočne a navždy stratí v rohoch slnečnej sústavy a ďalej, sú atómy hélia, ktoré sa uvoľňujú, keď balón exploduje alebo vyfúkne.

Balóny nafúknuté héliom sú najbližšie k tomuto prvku v každodenných situáciách. Zdroj: Pixabay.

V skutočnosti existujú ľudia, ktorí sa z dobrého dôvodu domnievajú, že héliónové balóny predstavujú pre tento plyn nevhodný postup. Našťastie má dôležitejšie a zaujímavejšie použitia vďaka svojim fyzikálnym a chemickým vlastnostiam, ktoré ho oddeľujú od ostatných chemických prvkov.

Napríklad tekuté hélium je tak chladné, že môže zamrznúť čokoľvek, napríklad kovovú zliatinu, a premení ho na supravodivý materiál. Podobne je to tekutina, ktorá prejavuje nadúvateľnosť a je schopná vyšplhať sa po stenách sklenenej nádoby.

Jeho názov je spôsobený tým, že bol prvýkrát identifikovaný na Slnku a nie na Zemi. Je druhým najhojnejším prvkom v celom vesmíre a hoci je jeho koncentrácia zanedbateľná v zemskej kôre, dá sa získať z rezerv zemného plynu a rádioaktívnych minerálov uránu a tória.

Tu hélium ukazuje ďalší zvláštny fakt: je to plyn, ktorý je v podloží oveľa hojnejší ako v atmosfére, kde nakoniec uniká zo Zeme a jej gravitačného poľa.

histórie

Hélium nebolo objavené na Zemi, ale na Slnku. V skutočnosti jeho názov pochádza z gréckeho slova „helios“, čo znamená slnko. Samotná existencia tohto prvku kontrastovala s periodickou tabuľkou Dmitriho Mendeleeva, pretože v ňom nebolo miesto pre nový plyn; Inými slovami, dovtedy sa absolútne nič netušilo o vzácnych plynoch.

Názov „hélium“ napísaný v angličtine ako „hélium“ sa končí príponou árium, ktorá sa označuje ako kov; práve preto, že nebolo možné pripustiť existenciu iného plynu ako kyslíka, vodíka, fluóru, chlóru a dusíka.

Toto meno určil anglický astronóm Norman Lockyer, ktorý študoval z Anglicka to, čo pozoroval francúzsky astronóm Jules Janssen v Indii počas zatmenia Slnka v roku 1868.

Bola to žltá spektrálna čiara z doteraz neznámeho prvku. Lockyer tvrdil, že to bolo kvôli prítomnosti nového chemického prvku nájdeného na Slnku.

V roku 1895, takmer o dvadsať rokov neskôr, škótsky chemik Sir William Ramsay spoznal rovnaké spektrum zostatkového plynu, keď študoval rádioaktívny minerál: cleveit. Takže tu bolo aj hélium na Zemi.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

vzhľad

Ampulka so vzorkou hélia, ktorá po elektrickom šoku žiari. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Hélium je bezfarebný plyn bez zápachu, ktorý nemá chuť a je tiež inertný. Ak však dôjde k úrazu elektrickým prúdom a v závislosti od rozdielu napätia začne žiariť ako šedo-fialové oparenie (obrázok vyššie), potom žiara oranžovou farbou. Preto sú heliové svetlá oranžové.

Atómové číslo (Z)

dva

Molárna hmota

4,002 g / mol

Bod topenia

-272,2 ° C

Bod varu

-268,92 ° C

Hustota

-0,1786 g / l, za normálnych podmienok, to znamená v plynnej fáze.

- 0,145 g / ml, pri teplote topenia, kvapalné hélium.

-0,125 g / ml, rovnako ako hélium začína vrieť.

-0,187 g / ml, pri 0 K a 25 atm, to znamená, pevné hélium za týchto špecifických podmienok tlaku a teploty.

Trojitý bod

2,177 K a 5,043 kPa (0,04935 atm)

Kritický bod

5,193 K a 0,22276 MPa (2,2448 atm)

Teplo fúzie

0,0138 kJ / mol

Odparovacie teplo

0,0829 kJ / mol

Molárna tepelná kapacita

20,78 J / (mol K)

Tlak vodnej pary

0,9869 atm pri 4,21 K. Táto hodnota vám dáva predstavu o tom, ako môže byť prchavé hélium a ako ľahko môže uniknúť pri izbovej teplote (takmer 298 K).

Ionizačné energie

-Prvé: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ plynný)

- Sekunda: 5250,5 kJ / mol ( plynný He ²⁺ )

Ionizačné energie pre hélium sú obzvlášť vysoké, pretože plynný atóm musí stratiť elektrón, ktorý má silný účinný jadrový náboj. Dá sa to pochopiť aj tým, že sa vezme do úvahy malá veľkosť atómu a ako "blízke" sú tieto dva elektróny k jadru (svojimi dvoma protónmi a dvoma neutrónmi).

rozpustnosť

0,97 ml sa rozpustí vo vode na každých 100 ml vody pri 0 ° C, čo znamená, že je zle rozpustný.

reaktivita

Hélium je druhým najmenej reaktívnym chemickým prvkom v prírode. Za normálnych podmienok je správne tvrdiť, že ide o inertný plyn; Nikdy (zdá sa) nemožno so zlúčeninou hélia manipulovať v miestnosti alebo laboratóriu bez toho, aby na ňu pôsobili obrovské tlaky; alebo možno dramaticky vysoké alebo nízke teploty.

Príkladom je vidieť vo zlúčenine Na ₂ He, ktorý je stabilný iba za tlaku 300 GPa, reprodukované v diamantové nákovy bunky.

Aj keď chemické väzby v Na ₂ He sú „podivné“, pretože majú svoje elektróny dobre umiestnené v kryštáloch, nie sú ani zďaleka jednoduchými Van der Wallsovými interakciami, a preto sa jednoducho netýkajú atómov hélia zachytených molekulárnymi agregátmi. , Tu vzniká dilema, medzi ktorými sú zlúčeniny hélia skutočné a ktoré nie.

Napríklad, molekuly dusíka pri vysokých tlakoch môže pasca atóm hélia produkovať druh klatrátu, on (N ₂ ) ₁₁ .

Podobne existujú endohedické komplexy fullerénových katiónov C ₆₀ ^{+ na} C ₇₀ ^{+ n} , v ktorých dutinách môžu byť umiestnené atómy hélia; a molekulárny katión HeH ⁺ (He-H ⁺ ), nachádzajúci sa vo veľmi vzdialených hmlovinách.

Oxidačné číslo

Zvedavosť, ktorí sa snažia , aby výpočet oxidačné číslo pre hélia v niektorej z jej zlúčenín sa zistilo, že tento sa rovná 0. V Na ₂ majú, napríklad, by mohol myslieť, že vzorec zodpovedá hypotetickej Na ₂ ⁺ I ^2- ; ale také by sa predpokladalo, že má čisto iónový charakter, keď v skutočnosti jeho väzby nie sú ani zďaleka také.

Okrem toho hélium nezískava elektróny, pretože ich nedokáže umiestniť do 2s orbitálnej, energeticky nedostupnej; Nemožno ich stratiť ani z dôvodu malej veľkosti jeho atómu a veľkého účinného jadrového náboja jeho jadra. To je dôvod, prečo hélium vždy podieľa (teoreticky) ako on ⁰ atóm vo svojich odvodených zlúčenín.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Hélium, rovnako ako všetky plyny pozorované na makroúrovni, zaberá objem nádob, ktoré ho uchovávajú, a má teda neurčitý tvar. Ak však teplota klesne a začne sa ochladzovať pod -269 ° C, plyn kondenzuje na bezfarebnú kvapalinu; hélium I, prvá z dvoch kvapalných fáz tohto prvku.

Dôvod, prečo hélium kondenzuje pri takej nízkej teplote, je kvôli nízkym rozptylovým silám, ktoré držia jeho atómy pohromade; bez ohľadu na zvažovanú fázu. Toto možno vysvetliť z jeho elektronickej konfigurácie:

1s ²

V ktorých dva elektróny obsadzujú atómovú orbitál 1 s. Atóm hélia sa dá vizualizovať ako takmer dokonalá guľa, ktorej homogénne elektronické periférie pravdepodobne nebudú polarizované účinným jadrovým nábojom dvoch protónov v jadre.

Preto sú spontánne a indukované dipólové momenty zriedkavé a veľmi slabé; tak sa teplota musí blížiť k absolútnej nule, aby sa atómy He priblížili dostatočne pomaly a aby sa dosiahlo, že ich disperzné sily definujú tekutinu; alebo ešte lepšie, hélium.

diméry

V plynnej fáze je priestor, ktorý oddeľuje atómy He, taký, že sa dá predpokladať, že sú vždy navzájom oddelené. Natoľko, že v malej objemovej fľaštičke sa hélium javí bezfarebne, až kým nie je vystavené elektrickému výboju, ktorý ionizuje jeho atómy v šedivej a slabo osvetlenej hmle.

V kvapalnej fáze však atómy He, aj keď majú slabé interakcie, už nemožno „ignorovať“. Disperzná sila im teraz umožňuje spojiť sa a vytvoriť diméry: He-He alebo He ₂ . Preto hélium I možno považovať za obrovské zhluky He ₂ v rovnováhe s jeho atómami v plynnej fáze.

Preto je hélium I také ťažké odlíšiť od pár. Ak sa táto tekutina vyleje z jej vzduchotesnej nádoby, unikne ako belavá svetlice.

Hélium II

Keď teplota klesne ešte viac a dotkne sa 2 178 K (-270 972 ° C), dôjde k fázovému prechodu: hélium I sa zmení na hélium II.

Od tohto momentu sa už fascinujúca hélium stáva superfluidnou alebo kvantovou tekutinou; to znamená, že ich makroskopické vlastnosti prejavovať ako keby ₂ diméry boli jednotlivé atómy (a možno, že sú). Nemá úplnú viskozitu, pretože neexistuje žiadny povrch, ktorý by mohol zastaviť atóm počas jeho kĺzania alebo „šplhania“.

Preto hélium II môže vyliezť na steny skleneného kontajnera a prekonať gravitačnú silu; bez ohľadu na to, ako vysoké sú, pokiaľ povrch zostáva pri rovnakej teplote, a preto sa nestará.

Z tohto dôvodu sa kvapalné hélium nemôže skladovať v sklenených nádobách, pretože by uniklo pri najmenšej trhline alebo medzere; veľmi podobné tomu, ako by sa to stalo s plynom. Namiesto toho sa na navrhovanie takýchto nádob používa nehrdzavejúca oceľ (Dewarsove nádrže).

kryštály

Aj keby teplota klesla na 0 K (absolútna nula), rozptylová sila medzi atómami He by nebola dosť silná na to, aby ich usporiadala do kryštalickej štruktúry. Aby došlo k stuhnutiu, musí tlak stúpnuť na približne 25 atm; a potom sa objavia kompaktné hexagonálne kryštály hélia (hcp).

Geofyzikálne štúdie ukazujú, že táto štruktúra hcp zostáva nezmenená bez ohľadu na to, ako sa zvyšuje tlak (až do gigapascalov, GPa). V diagrame tlaku a teploty je však úzka oblasť, kde tieto kryštály hcp prechádzajú do kubickej fázy sústredenej na telo (bcc).

Kde nájsť a získať

Kozmos a skaly

Hélium predstavuje druhý najhojnejší prvok vo vesmíre a 24% jeho hmotnosti. Zdroj: Pxhere.

Hélium je druhým najhojnejším prvkom v celom vesmíre, druhým vodíkom. Hviezdy neustále produkujú nezmerateľné množstvo atómov hélia fúziou dvoch atómov vodíka počas procesu nukleosyntézy.

Podobne každý rádioaktívny proces, ktorý emituje častice a, je zdrojom produkcie atómov hélia, ak interagujú s elektrónmi v prostredí; napríklad s horninami v ložiskách rádioaktívnych minerálov uránu a tória. Tieto dva prvky podliehajú rádioaktívnemu rozkladu, počnúc uránom:

Rádioaktívny rozpad uránu za vzniku častíc alfa, ktoré sa v podzemných ložiskách neskôr transformujú na atóm hélia. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Preto sa v horninách, kde sa tieto rádioaktívne minerály koncentrujú, atómy hélia zachytia, čo sa uvoľní po ich vyhnívaní v kyslom prostredí.

Medzi niektoré z týchto minerálov patrí cleveit, karnotit a uraninit, všetky pozostávajúce z oxidov uránu (UO ₂ alebo U ₃ O ₈ ) a nečistôt tória, ťažkých kovov a vzácnych zemín. Hélium zavlažované podzemnými kanálmi sa môže akumulovať v nádržiach na zemný plyn, v minerálnych prameňoch alebo v meteorických železoch.

Odhaduje sa, že v litosfére sa z rádioaktívneho rozkladu uránu a tória ročne vyprodukuje množstvo hélia ekvivalentné 3 000 tonám.

Vzduch a more

Hélium nie je veľmi dobre rozpustné vo vode, takže skôr ako neskôr skončí stúpaním z hĺbok (kdekoľvek je jeho pôvod), kým neprejde cez vrstvy atmosféry a nakoniec nedosiahne vesmír. Jeho atómy sú také malé a ľahké, že ich gravitačné pole Zeme ich nemôže udržať v atmosfére.

Vzhľadom na vyššie uvedené je koncentrácia hélia tak vo vzduchu (5,2 ppm), ako aj v moriach (4 ppt) veľmi nízka.

Ak by sme ho chceli získať z jedného z týchto dvoch médií, „najlepšou“ možnosťou by bol vzduch, ktorý by najskôr musel byť podrobený skvapalneniu, aby kondenzoval všetky jeho zložkové plyny, zatiaľ čo hélium zostane v plynnom stave.

Nie je však praktické získavať hélium zo vzduchu, ale z hornín obohatených rádioaktívnymi minerálmi; alebo ešte lepšie, zo zásob zemného plynu, kde hélium môže predstavovať až 7% jeho celkovej hmotnosti.

Skvapalňovanie a destilácia zemného plynu

Namiesto skvapalňovania vzduchu je ľahšie a výhodnejšie využívať zemný plyn, ktorého zloženie hélia je nepochybne oveľa väčšie. Surovinou par excellence (obchodnou) na získanie hélia je teda zemný plyn, ktorý môže byť tiež podrobený frakčnej destilácii.

Konečný produkt destilácie sa dokončí čistenie aktívnym uhlím, ktorým prechádza veľmi čisté hélium. Nakoniec sa hélium oddeľuje od neónov kryogénnym procesom, pri ktorom sa používa kvapalné hélium.

izotopy

Hélium sa vyskytuje prevažne v prírode ako izotop ⁴ He, ktorého holé jadro je slávna častica α. Tento atóm ⁴ He má dva neutróny a dva protóny. V menšom množstve je izotop ³ He, ktorý má iba jeden neutrón. Prvý je ťažší (má vyššiu atómovú hmotnosť) ako druhý.

Izotopový pár ³ He a ⁴ He sú teda tie, ktoré definujú merateľné vlastnosti a to, čo hélium chápeme ako chemický prvok. Vzhľadom na to, že ³ je ľahší, predpokladá sa, že jeho atómy majú vyššiu kinetickú energiu, a preto potrebujú ešte nižšiu teplotu, aby sa zlúčili do superfluidu.

³ On je považovaný za veľmi vzácny druh tu na Zemi; v lunárnych pôdach je však hojnejší (približne 2000-krát viac). Preto bol Mesiac predmetom projektov a príbehov ako možného zdroja ³ He, ktorý by sa mohol použiť ako jadrové palivo pre kozmickú loď budúcnosti.

Medzi ďalšie izotopy hélia možno uviesť ich príslušné polčasy: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) a ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

riziká

Hélium je inertný plyn, a preto sa nezúčastňuje na žiadnych reakciách, ktoré sa vyskytujú v našom tele.

Jeho atómy prakticky prichádzajú a vystupujú vydychované bez toho, aby interagovali s biomolekulami, čo spôsobuje vedľajší účinok; s výnimkou zvuku emitovaného hlasivkami, ktoré sú čoraz častejšie.

Ľudia, ktorí vdýchnu hélium z balónu (s mierou) hovoria vysokým hlasom, podobne ako veverička (alebo kačica).

Problém je v tom, že ak uvedená osoba vdýchne nevhodné množstvo hélia, vystavuje sa riziku udusenia, pretože jej atómy vytlačia molekuly kyslíka; a preto nebudete môcť dýchať, kým nevydýchnete všetko hélium, ktoré zasa jeho tlakom môže pretrhnúť pľúcne tkanivo alebo spôsobiť barotrauma.

Prípady ľudí, ktorí zomreli v dôsledku vdychovania hélia, boli hlásené v dôsledku toho, čo bolo práve vysvetlené.

Na druhej strane, hoci nepredstavuje riziko požiaru vzhľadom na svoju nedostatočnú reaktivitu na kyslík (alebo inú látku), ak je skladovaný pod vysokým tlakom a uniká, jeho únik môže byť fyzicky nebezpečný.

aplikácia

Fyzikálne a chemické vlastnosti hélia ho robia nielen špeciálnym plynom, ale aj veľmi užitočnou látkou pre aplikácie vyžadujúce extrémne nízke teploty. V tejto časti sa budeme venovať niektorým z týchto aplikácií alebo použití.

Tlakové a odvzdušňovacie systémy

V niektorých systémoch je potrebné zvýšiť tlak (natlakovať), a preto musí byť plyn vstrekovaný alebo dodávaný, ktorý neinteraguje so žiadnymi jeho zložkami; napríklad s činidlami alebo povrchmi citlivými na nežiaduce reakcie.

Tlak sa teda môže zvýšiť objemami hélia, ktorých chemická inertnosť ho robí na tento účel ideálnym. Inertná atmosféra, ktorú poskytuje, v určitých prípadoch prevyšuje dusík.

Na spätný proces, tj preplachovanie, hélium sa tiež používa kvôli svojej schopnosti strhávať všetok kyslík, vodné pary alebo akýkoľvek iný plyn, ktorého prítomnosť chcete odstrániť. Týmto spôsobom sa po vyprázdnení hélia zníži tlak systému.

Detekcie netesností

Hélium môže unikať cez najmenšie praskliny, takže slúži aj na detekciu netesností v potrubiach, vysokotlakových nádobách alebo kryogénnych nádržiach.

Detekcia sa niekedy môže vykonať vizuálne alebo dotykom; je to však väčšinou detektor, ktorý „signalizuje“, kde a koľko hélia uniká z kontrolovaného systému.

Nosný plyn

Atómy hélia, ako sa uvádza v preplachovacích systémoch, ich môžu nosiť v závislosti od tlaku, ťažších molekúl. Tento princíp sa napríklad používa pri analýze plynovou chromatografiou každý deň, pretože môže pretiahnuť atomizovanú vzorku pozdĺž stĺpca, kde interaguje so stacionárnou fázou.

Balóny a vzducholode

Hélium sa používa na nafúknutie vzducholodí a je oveľa bezpečnejšie ako vodík, pretože to nie je horľavý plyn. Zdroj: Pixabay.

Kvôli svojej nízkej hustote v porovnaní so vzduchom a opäť kvôli svojej nedostatočnej reaktivite s kyslíkom sa používa na nafúknutie balónov na detských oslavách (zmiešané s kyslíkom tak, aby ho nikto nedýchol) a vzducholodí (horný obrázok). , bez toho, aby predstavovalo riziko požiaru.

potápanie

Hélium je jednou z hlavných zložiek kyslíkových nádrží, ktoré potápači dýchajú. Zdroj: Pxhere.

Keď potápači zostúpia do väčších hĺbok, je pre nich ťažké dýchať v dôsledku veľkého tlaku vyvíjaného vodou. Preto sa do ich kyslíkových nádrží pridáva hélium, aby sa znížila hustota plynu, ktorý potápači dýchajú a vydychujú, a preto ho možno vydychovať s menšou prácou.

Oblúkové zvary

Pri zváraní poskytuje elektrický oblúk dostatok tepla na to, aby sa oba kovy spojili. Ak sa žiarovkový kov uskutočňuje v atmosfére hélia, nebude reagovať s kyslíkom vo vzduchu, aby sa stal jeho príslušným oxidom; preto hélium tomu bráni.

supravodiče

Kvapalné hélium sa používa na chladenie magnetov používaných v zobrazovacích skeneroch nukleárnej magnetickej rezonancie. Zdroj: Jan Ainali

Kvapalné hélium je tak chladné, že môže zamrznúť kovy do supravodičov. Vďaka tomu bolo možné vyrobiť veľmi silné magnety, ktoré sa ochladili kvapalným héliom a použili sa v obrazových skeneroch alebo v nukleárnych magnetických rezonančných spektrometroch.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Andy rozšírenie. (17. apríla 2019). Prvýkrát sa vo vesmíre objavil ión hydridu hélia: dôkazy sa objavili pre nepolapiteľnú chémiu od prvých minút vesmíru. Získané z: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19. augusta 2009). Hélium. Chémia vo svojom živle. Získané z: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Hélium. Obnovené z: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM a Bassett, WA (1988). Kryštalická štruktúra a hustota hélia do 232 kbar. Obnovené z: articles.adsabs.harvard.edu
6. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Hélium. PubChem Database. CID = 23987. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6. februára 2017). Hore, hore a preč: Chemici hovoria „áno“, hélium môže vytvárať zlúčeniny. Štátna univerzita v Utahu. Obnovené z: phys.org
8. Steve Gagnon. (SF). Izotopy prvku hélium. Jefferson Lab. Získané z: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Hélium. Obnovené z: chemistryexplained.com