HELIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, RIZICI, UPORABE - KEMIJA

Helij je kemijski element s simbol He. To je prvi plemeniti plin iz periodične tablice, a obično se nalazi na krajnjoj desnoj strani od njega. U normalnim je uvjetima inertan plin, jer nijedan od rijetkih spojeva nije stabilan; Također se vrlo brzo širi i tvar je s najnižom točkom ključanja od svih.

Na popularnoj razini to je dobro poznati plin jer je u bezbroj događanja ili dječjih zabava uobičajeno svjedočiti kako se balon diže dok se ne izgubi na nebu. Međutim, ono što se stvarno i zauvijek izgubilo na uglovima Sunčevog sustava, a i šire, jesu atomi helija koji se oslobađaju kad balon eksplodira ili ispuhne.

Baloni napuhani helijem, najbliži tom elementu u svakodnevnim situacijama. Izvor: Pixabay.

U stvari, postoje oni koji i s dobrim razlogom smatraju da helijski baloni predstavljaju neprikladnu praksu za ovaj plin. Srećom, ima važnije i zanimljivije uporabe, zahvaljujući fizičkim i kemijskim svojstvima koja ga razdvajaju od ostalih kemijskih elemenata.

Na primjer, tekući helij je toliko hladan da može zamrznuti bilo što, poput metalne legure, pretvarajući ga u supravodični materijal. Isto tako, riječ je o tekućini koja iskazuje suvišnost, koja se može popeti na zidove staklene posude.

Ime mu je zbog činjenice da je prvi put identificiran na Suncu, a ne na Zemlji. To je drugi najbrojniji element u čitavom Svemiru, i iako je njegova koncentracija u zemljinoj kori zanemariva, može se dobiti iz rezervi prirodnog plina i radioaktivnih minerala urana i torija.

Ovdje helij pokazuje još jednu zanimljivu činjenicu: to je plin mnogo obilniji u podzemlju nego u atmosferi, gdje završava bijegom sa Zemlje i njenog gravitacijskog polja.

Povijest

Helij nije otkriven na Zemlji, već na Suncu. U stvari, njegovo ime dolazi od grčke riječi 'helios' što znači sunce. Samo postojanje elementa bilo je u suprotnosti s periodičnom tablicom Dmitrija Mendeleeva jer nije bilo mjesta za novi plin; Drugim riječima, do tada se za plemenite plinove nije sumnjalo apsolutno ništa.

Naziv 'helium', na engleskom jeziku napisan kao 'helium', završio je sufiksom -ium koji ga naziva metalom; upravo zato što se postojanje plina koji nije kisik, vodik, fluor, klor i dušik nije moglo priznati.

To je ime označio engleski astronom Norman Lockyer, koji je iz Engleske proučavao ono što je francuski astronom Jules Janssen promatrao u Indiji, za vrijeme pomračenja Sunca 1868. godine.

Bila je to žuta spektralna linija od do sada nepoznatog elementa. Lockyer je tvrdio da je to zbog prisutnosti novog kemijskog elementa koji se nalazi na Suncu.

1895., gotovo dvadeset godina kasnije, škotski kemičar Sir William Ramsay prepoznao je isti spektar iz ostatka plina kada je proučavao radioaktivni mineral: cleveite. Dakle, i na Zemlji je bilo helija.

Fizička i kemijska svojstva

Izgled

Ampula sa uzorkom helija koji svijetli nakon strujnog udara. Izvor: Hi-Res slike kemijskih elemenata

Helij je bezbojni plin bez okusa i također je inertan. Međutim, kada se primijeni strujni udar i ovisno o razlici napona, počinje svijetliti kao sivkasto-ljubičasta izmaglica (iznad slike), a zatim svijetli narančastim sjajem. Stoga su helijske lampice narančaste.

Atomski broj (Z)

dva

Molekulska masa

4.002 g / mol

Talište

-272,2 ºC

Vrelište

-268,92 ºC

Gustoća

-0.1786 g / L, u normalnim uvjetima, to jest u plinskoj fazi.

-0.145 g / ml, tekućeg helija, pri talištu.

-0.125 g / mL, baš kad helij počne ključati.

-0.187 g / mL, pri 0 K i 25 atm, to jest, čvrsti helij pri onim specifičnim uvjetima tlaka i temperature.

Trostruka točka

2.177 K i 5.043 kPa (0.04935 atm)

Kritična točka

5.1953 K i 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Toplina fuzije

0,0138 kJ / mol

Toplina isparavanja

0,0829 kJ / mol

Molarni toplinski kapacitet

20,78 J / (mol K)

Tlak pare

0,9869 atm pri 4,21 K. Ova vrijednost daje vam predstavu o brzom prolaznosti helija i kako lako može pobjeći pri sobnoj temperaturi (blizu 298 K).

Ionizirajuće energije

-Prvo: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ plinovit)

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

Energije ionizacije za helij su posebno velike jer plinoviti atom mora izgubiti elektron koji ima snažan djelotvorni nuklearni naboj. To se može razumjeti i ako se razmotri mala veličina atoma i koliko su dva elektrona "blizu" jezgru (sa svoja dva protona i dva neutrona).

Topljivost

U vodi se otopi 0,97 ml za svakih 100 ml vode pri 0 ° C, što znači da je ona slabo topljiva.

Reaktivnost

Helij je drugi najmanje reaktivni kemijski element u prirodi. U normalnim je uvjetima ispravno reći da je to inertni plin; Nikad (čini se) da se helijskim spojem ne može manipulirati u sobi ili laboratoriju bez ogromnih pritisaka koji djeluju na njega; ili možda dramatično visoke ili niske temperature.

Primjer vidi u spoju Na ₂ He, koji je stabilan samo pod tlakom od 300 GPa, razmnožavati u dijamant nakovnja stanice.

Iako su kemijske veze u Na ₂ On je „čudno”, jer oni imaju svoje elektrone i nalazi se u kristale, oni su daleko od toga da bude jednostavan Van der zidovi odnose, dakle, ne samo sastojati od helija atoma zarobljeni od strane molekularne agregata., Ovdje se postavlja dilema između toga što su spojevi helija stvarni, a koji nisu.

Na primjer, molekule dušika pri visokim pritiscima mogu zarobiti atom helija da tvori neku vrstu klatrata, He (N ₂) ₁₁.

Isto tako, postoje endoedarski kompleksi kationa fulerena, C ₆₀ ^{+ n} i C ₇₀ ^{+ n}, u čije šupljine mogu smjestiti atome helija; i molekularni kation HeH ⁺ (He-H ⁺), koji se nalazi u vrlo udaljenim maglicama.

Oksidacijski broj

Radoznalost koji pokušavaju da izračuna broj oksidacije za helija na njegovu spojeva može se naći da je to jednak 0. U Na ₂ su, na primjer, da je formula odgovara hipotetski Na ₂ ⁺ I ^2-; ali takvo bi bilo pretpostaviti da ima čisti ionski karakter, kad u stvarnosti njegove veze daleko nisu od toga.

Nadalje, helij ne dobiva elektrone jer ih ne može smjestiti u orbital 2s, energetski nedostupan; Niti je moguće da ih izgubi zbog male veličine atoma i velikog učinkovitog nuklearnog naboja svog jezgra. Zato helij uvijek sudjeluje (u teoriji) kao He ⁰ atom u svojim izvedenim spojevima.

Struktura i elektronička konfiguracija

Helij, kao i svi plinovi opaženi na makroskopi, zauzima volumen spremnika koji ga skladište, te tako ima neodređeni oblik. Međutim, kad temperatura padne i počne se hladiti ispod -269 ° C, plin kondenzira u bezbojnu tekućinu; helij I, prva od dvije tekuće faze za ovaj element.

Razlog zašto se helij kondenzira na tako niskoj temperaturi je zbog niskih sila raspršivanja koje drže njegove atome zajedno; bez obzira na fazu koja se smatra. To se može objasniti iz njegove elektroničke konfiguracije:

1s ²

U kojem dva elektrona zauzimaju 1s atomsku orbitalu. Atom helija može se zamisliti kao gotovo savršena sfera, čija homogena elektronska periferija vjerojatno neće biti polarizirana učinkovitim nuklearnim nabojem dva protona u jezgri.

Stoga su spontani i inducirani dipolni trenuci rijetki i vrlo slabi; pa se temperatura mora približiti apsolutnoj nuli tako da se He atomi približavaju dovoljno sporo i postižu da njihove disperzivne sile definiraju tekućinu; ili još bolje, kristal helija.

dimeri

U plinovitoj fazi prostor koji razdvaja He atome je takav da se može pretpostaviti da su uvijek odvojeni jedan od drugog. Toliko da se u bočici s malom volumenom helij čini bezbojnim sve dok nije podvrgnut električnom pražnjenju, koje ionizira svoje atome u sivkastoj i slabo osvijetljenoj magli.

Međutim, u tekućoj fazi se He atomi, čak i uz slabe interakcije, više ne mogu "ignorirati". Sada im sila rasipanja omogućava da se trenutno spoje u obliku dimmera: He-He ili He ₂. Dakle, za helij I mogu se smatrati ogromni grozdovi He _{2 koji su} u ravnoteži s njegovim atomima u parnoj fazi.

Zato se helij I tako teško razlikovati od njegovih para. Ako se ta tekućina izlije iz hermetički zatvorene posude, ona bježi poput bjelkaste boje.

Helij II

Kad temperatura padne još više, dodirujući 2.178 K (-270.972 ºC), dolazi do faznog prijelaza: helij I se pretvara u helij II.

Od ove točke, već fascinantna helijska tekućina postaje pretjerana ili kvantna tekućina; da je njihova makroskopska svojstva očituju se kao da je ₂ dimeri su pojedinačni atomi (a možda i jesu). Nedostaje mu potpuna viskoznost jer ne postoji površina koja može zaustaviti atom tijekom njegovog klizanja ili "penjanja".

Zbog toga se helij II može popeti na zidove staklene posude nadvladavajući silu gravitacije; ma koliko visoke bile, sve dok površina ostaje na istoj temperaturi i stoga se ne hlapi.

Zbog toga se tekući helij ne može skladištiti u staklenim posudama, jer bi mogao pobjeći pri najmanjoj pukotini ili praznini; vrlo slično kako bi se to dogodilo s plinovima. Umjesto toga, nehrđajući čelik koristi se za izradu takvih posuda (spremnici Dewars).

kristali

Čak i ako se temperatura spusti na 0 K (apsolutna nula), sila raspršivanja između atoma He ne bi bila dovoljno jaka da ih pretvori u kristalnu strukturu. Da bi došlo do skrućivanja, tlak mora porasti na približno 25 atm; a zatim se pojavljuju kompaktni šesterokutni kristali helija (hcp).

Geofizičke studije pokazuju da ta struktura hcp ostaje nepromijenjena bez obzira na porast tlaka (do reda gigapaskala, GPa). Međutim, u dijagramu tlaka i temperature postoji usko područje u kojem ovi hcp kristali prolaze prijelaz u kubičnu fazu u središtu tijela (bcc).

Gdje pronaći i nabaviti

Kozmos i stijene

Helij predstavlja drugi najbrojniji element u Svemiru i čini 24% svoje mase. Izvor: Pxhere.

Helij je drugi najbrojniji element u cijelom Svemiru, drugi je samo vodik. Zvijezde konstantno proizvode neizmjerne količine atoma helija spajajući dvije jezgre vodika tijekom procesa nukleosinteze.

Isto tako, svaki radioaktivni proces koji emitira α čestice izvor je stvaranja atoma helija ako oni komuniciraju s elektronima u okolini; na primjer, s onima stjenovitog tijela u naslagama radioaktivnih minerala urana i torija. Ova dva elementa prolaze radioaktivno propadanje, počevši od urana:

Radioaktivno propadanje urana u stvaranju alfa čestica koje se kasnije pretvaraju u atom helija u podzemnim naslagama. Izvor: Gabriel Bolívar.

Stoga će se u stijenama u kojima su koncentrirani ti radioaktivni minerali zarobiti atomi helija, koji će se osloboditi nakon kopanja u kiselom mediju.

Među tim mineralima su kleveit, karnotit i uraninit, koji se sastoje od uranovih oksida (UO ₂ ili U ₃ O ₈) i nečistoće torija, teških metala i rijetkih zemlja. Helij, navodnjavan podzemnim kanalima, može se nakupljati u rezervoarima prirodnog plina, mineralnim izvorima ili u meteorskim glačama.

Procjenjuje se da se u litosferi godišnje proizvede masa helija, koja je jednaka 3000 tona, od radioaktivnog raspada urana i torija.

Zrak i mora

Helij nije jako topiv u vodi, pa će prije nego kasnije završiti uzdizanje iz dubina (odakle god da potječe), sve dok ne pređe slojeve atmosfere i konačno dosegne vanjski prostor. Njeni su atomi toliko mali i lagani da ih gravitacijsko polje Zemlje ne može zadržati u atmosferi.

Zbog navedenog, koncentracija helija i u zraku (5,2 ppm) i u morima (4 ppt) vrlo je niska.

Ako bi je potom željeli izvući iz bilo kojeg od ova dva medija, „najbolja“ opcija bio bi zrak, koji bi prvo morao biti podložan ukapljivanju da bi se kondenzirali svi njegovi sastojci, dok helij ostaje u plinovitom stanju.

Međutim, helij nije praktično dobiti iz zraka, već iz stijena obogaćenih radioaktivnim mineralima; ili još bolje, iz rezervi prirodnog plina, gdje helij može predstavljati do 7% njegove ukupne mase.

Ukapljivanje i destilacija prirodnog plina

Umjesto ukapljivanja zraka, lakše je i isplativije koristiti prirodni plin, čiji je sastav helija nesumnjivo mnogo veći. Sirovina par excellence (komercijalna) za dobivanje helija je prirodni plin koji se također može podvrgnuti frakcijskoj destilaciji.

Krajnji produkt destilacije je završno pročišćavanje aktivnim ugljenom, kroz koji prolazi vrlo čisti helij. I na kraju, helij se odvaja od neona kriogenim postupkom gdje se koristi tekući helij.

izotopi

Helij se pretežno pojavljuje u prirodi kao izotop ⁴ He, čije je golo jezgro čuvena α čestica. Ovaj atom ⁴ He ima dva neutrona i dva protona. U manjem obilju je izotop ³ He, koji ima samo jedan neutron. Prvo je teže (ima veću atomsku masu) od drugog.

Dakle, par izotopa ³ He i ⁴ He su oni koji definiraju mjerljiva svojstva i što helij shvaćamo kao kemijski element. S obzirom na to da je ³ He lakši, pretpostavlja se da njegovi atomi imaju višu kinetičku energiju i da im je zato potrebna još niža temperatura da bi se spojili u višak.

³ On se smatra vrlo rijetke vrste na Zemlji; međutim, u lunarnim tlima je obilnija (otprilike 2000 puta više). Zato je Mjesec predmet projekata i priča kao mogućeg izvora ³ He, koji bi se mogao iskoristiti kao nuklearno gorivo za svemirske brodove budućnosti.

Između ostalih izotopa helija mogu se spomenuti njihovi poluživoti: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 ^10-222 s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) i ⁸ He (t _1/2 = 0,191 s).

rizici

Helij je inertni plin i stoga ne sudjeluje ni u jednoj reakciji koja se događa unutar naših tijela.

Njegovi atomi praktički ulaze i izdišu bez interakcija s biomolekulama koje proizvode zadnji efekt; osim u zvuku koji se ispušta iz glasnica, koji postaju sve viši i učestaliji.

Ljudi koji udišu helij iz balona (umjereno) govore visokim glasom, sličnim onom vjeverice (ili patke).

Problem je u tome što, ako takva osoba udiše neprimjerenu količinu helija, riskira gušenje, jer njegovi atomi istiskuju molekule kisika; i stoga nećete moći disati dok ne izdahnete sav taj helij, koji zauzvrat zbog svog pritiska može rastrgnuti plućno tkivo ili izazvati barotraumu.

Prijavljeni su slučajevi ljudi koji su umrli od udisanja helija zbog onoga što je upravo objašnjeno.

S druge strane, iako ne predstavlja rizik od požara s obzirom na nedostatak reaktivnosti prema kisiku (ili drugoj tvari), ako se skladišti pod visokim tlakom i istječe, njegovo curenje može biti fizički opasno.

Prijave

Fizička i kemijska svojstva helija čine ga ne samo posebnim plinom, već je i vrlo korisnom tvari za primjene koje zahtijevaju izuzetno niske temperature. U ovom ćemo dijelu rješavati neke od tih aplikacija ili upotreba.

Sustavi pod pritiskom i odzračivanjem

U nekim je sustavima potrebno povisiti tlak (podtlačiti), a za to se mora ubrizgati ili dovoditi plin koji ne djeluje na interakciju s bilo kojom njegovom komponentom; na primjer, s reagensima ili površinama osjetljivim na nepoželjne reakcije.

Dakle, tlak se može povećati s količinama helija, čija se kemijska inertnost čini idealnom za ovu svrhu. Inertna atmosfera koju daje u nekim je slučajevima veća od one dušične.

Za obrnuti postupak, odnosno za pročišćavanje, koristi se i helij zbog svoje sposobnosti da unese sav kisik, vodene pare ili bilo koji drugi plin, čiju prisutnost želite ukloniti. Na taj se način tlak u sustavu smanjuje nakon ispražnjenja helija.

Detekcije propuštanja

Helij može procuriti kroz najmanju pukotinu, pa služi i za otkrivanje curenja u cijevima, visoko vakuumskim spremnicima ili kriogenim spremnicima.

Ponekad se otkrivanje može obaviti vizualno ili dodirom; međutim, uglavnom je to detektor koji "signalizira" gdje i koliko helija bježi iz pregledavanog sustava.

Nosač plina

Atomi helija, kao što je spomenuto za sustave pročišćavanja, mogu nositi sa sobom, ovisno o njihovom tlaku, i teže molekule. Na primjer, ovaj se princip svakodnevno koristi u analizi plinske kromatografije, jer može povući atomizirani uzorak duž stupca, gdje djeluje na stacionarnu fazu.

Baloni i zračni brodovi

Helij se koristi za naduvavanje zračnih brodova i puno je sigurniji od vodika jer nije zapaljiv plin. Izvor: Pixabay.

Zbog niske gustoće u usporedbi sa zrakom i, opet, nedostatka reaktivnosti s kisikom, korišten je za naduvavanje balona na dječjim zabavama (pomiješan s kisikom tako da se nitko ne uguši pri disanju) i zračnih brodova (gornja slika), bez predstavljanja opasnosti od požara.

Ronjenje

Helij je jedna od glavnih komponenti spremnika s kisikom s kojima ronioci dišu. Izvor: Pxhere.

Kada se ronioci spuste na veće dubine, teško dišu zbog velikog pritiska vode. Zato se helij dodaje u njihove spremnike s kisikom kako bi se smanjila gustoća plina koji ronioci udišu i izdisaju, pa se na taj način može izdahnuti uz manje rada.

Arc zavariva

U procesu zavarivanja, električni luk daje dovoljno topline da se dva metala sjedine. Ako se izvodi u atmosferi helija, metal sa žarnom niti neće reagirati s kisikom u zraku i postati njegov oksid; stoga, helij sprječava da se to dogodi.

Supervodiči

Tekući helij koristi se za hlađenje magneta koji se koriste u skenerima za magnetsku rezonancu. Izvor: Jan Ainali

Tekući helij je toliko hladan da može smrznuti metale u superprovodnicima. Zahvaljujući tome, moguća je izrada vrlo moćnih magneta, koji su ohlađeni tekućim helijemom korišteni u skenerima slike ili spektrometrima nuklearne magnetske rezonancije.

Reference

Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
Andy Extance. (17. travnja 2019.). Ion helijum hidrida otkriven u svemiru prvi put: dokazi pronađeni za neuhvatljivu kemiju iz prvih minuta svemira. Oporavilo od: chemistryworld.com
Peter Wothers. (19. kolovoza 2009.). Helij. Kemija u svom elementu. Oporavilo od: chemistryworld.com
Wikipedia. (2019). Helij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Kristalna struktura i gustoća helija do 232 Kbar. Oporavak od: articles.adsabs.harvard.edu
Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Helij. PubChem baza podataka. CID = 23987. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Mary-Ann Muffoletto. (6. veljače 2017.). Gore, gore i dalje: Kemičari kažu da, helij može tvoriti spojeve. Državno sveučilište Utah Oporavilo sa: phys.org
Steve Gagnon. (SF). Izotopi elementa Helium. Jefferson laboratorij. Oporavak od: education.jlab.org
Advameg, Inc. (2019). Helij. Oporavilo od: chemistryexplained.com

HELIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, RIZICI, UPORABE - KEMIJA - 2025