Heli: mali, sifa, matumizi

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-02 17:56

Heli ni gesi ajizi ya kundi la 18 la jedwali la upimaji. Ni kipengele cha pili chepesi baada ya hidrojeni. Heliamu ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu na isiyo na ladha ambayo inakuwa kioevu katika -268.9 °C. Pointi zake za kuchemsha na kufungia ni za chini kuliko za dutu nyingine yoyote inayojulikana. Ni kipengele pekee ambacho hakiimarishi wakati kilichopozwa kwa shinikizo la kawaida la anga. Inahitaji angahewa 25 kwa K 1 kwa heliamu kuganda.

Historia ya uvumbuzi

Heli iligunduliwa katika angahewa ya gesi inayozunguka Jua na mwanaanga wa Ufaransa Pierre Jansen, ambaye mnamo 1868 wakati wa kupatwa kwa jua aligundua mstari wa manjano angavu katika masafa ya kromosfere ya jua. Mstari huu awali ulifikiriwa kuwakilisha kipengele cha sodiamu. Katika mwaka huo huo, mwanaastronomia Mwingereza Joseph Norman Lockyer aliona mstari wa manjano katika wigo wa jua ambao haukulingana na laini zinazojulikana za sodiamu D₁ na D₂, na hivyo akampa jina la mstari D_{3. Lockyer alihitimisha kuwa ilisababishwa na dutu katika Jua isiyojulikana Duniani. Yeye na duka la dawa Edward Frankland walitumia kwa jina la kitu hichojina la Kigiriki la Jua ni Helios.}

Mnamo 1895, mwanakemia wa Uingereza Sir William Ramsay alithibitisha kuwepo kwa heliamu Duniani. Alipata sampuli ya cleveite ya madini yenye urani, na baada ya kuchunguza gesi zinazoundwa wakati inapokanzwa, aligundua kuwa mstari wa njano mkali katika wigo ulifanana na mstari wa D_{3 wigo wa Jua. Kwa hivyo, kipengele kipya hatimaye kiliwekwa. Mnamo 1903, Ramsay na Frederick Soddu waliamua kwamba heliamu ni zao la kuoza la papo hapo la dutu zenye mionzi.}

Enea kwa asili

Uzito wa heliamu ni takriban 23% ya wingi wote wa ulimwengu, na kipengele hicho ndicho cha pili kwa wingi angani. Imejilimbikizia nyota, ambapo huundwa kutoka kwa hidrojeni kama matokeo ya mchanganyiko wa thermonuclear. Ingawa heliamu hupatikana katika angahewa ya dunia kwa mkusanyiko wa sehemu 1 kwa elfu 200 (5 ppm) na hupatikana kwa kiasi kidogo katika madini yenye mionzi, chuma cha meteorite, na chemchemi za madini, kiasi kikubwa cha kipengele hicho kinapatikana nchini Marekani. hasa katika Texas, New York) Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona na Utah) kama sehemu (hadi 7.6%) ya gesi asilia. Hifadhi ndogo zimepatikana huko Australia, Algeria, Poland, Qatar na Urusi. Katika ukoko wa dunia, mkusanyiko wa heliamu ni takriban ppb 8.

Isotopu

Kiini cha kila atomi ya heliamu kina protoni mbili, lakini kama vipengele vingine, kina isotopu. Zina neutroni moja hadi sita, kwa hivyo idadi yao ya wingi huanzia tatu hadi nane. Zilizotulia ni zile elementi ambazo wingi wake wa heliamu hubainishwa na nambari za atomiki 3 (³He) na 4 (⁴He). Wengine wote ni mionzi na kuoza haraka sana ndani ya vitu vingine. Heliamu ya Dunia sio sehemu ya asili ya sayari, iliundwa kama matokeo ya kuoza kwa mionzi. Chembe za alfa zinazotolewa na viini vya dutu nzito zenye mionzi ni viini vya isotopu ⁴He. Heliamu haijikusanyi kwa wingi katika angahewa kwa sababu nguvu ya uvutano ya Dunia haina nguvu za kutosha kuizuia kutorokea angani hatua kwa hatua. Mafuatiko ya ³Yeye Duniani yanafafanuliwa na uozo hasi wa beta wa kipengele adimu cha hidrojeni-3 (tritium). ⁴Yeye ndiye anayepatikana kwa wingi zaidi kati ya isotopu thabiti: uwiano wa ⁴Yeye atomi kwa ^{3He ni takriban elfu 700 hadi 1 angani na takriban milioni 7 hadi 1 katika baadhi ya madini yenye heliamu.}

Sifa za kimwili za heliamu

Viini vya kuchemka na kuyeyuka vya kipengele hiki ndivyo vilivyo chini zaidi. Kwa sababu hii, heliamu inapatikana kama gesi, isipokuwa chini ya hali mbaya. Gesi Yeye huyeyushwa kidogo katika maji kuliko gesi nyingine yoyote, na kiwango cha usambaaji kupitia vitu vikali ni mara tatu ya hewa. Faharasa yake ya refractive inakaribia zaidi 1.

Mwengo wa joto wa heliamu ni wa pili baada ya hidrojeni, na uwezo wake mahususi wa joto ni wa juu isivyo kawaida. Kwa joto la kawaida, huwaka wakati wa upanuzi, na hupungua chini ya 40 K. Kwa hiyo, katika T<40 K, heliamu inaweza kubadilishwa kuwakioevu kwa upanuzi.

Kipengele ni dielectri ikiwa hakiko katika hali ya ionized. Sawa na gesi zingine nzuri, heliamu ina viwango vya nishati vinavyoweza kubadilika ambavyo huiruhusu kubaki iwe na ioni katika utiriaji wa umeme wakati voltage inasalia chini ya uwezo wa uionishaji.

Helium-4 ni ya kipekee kwa kuwa ina aina mbili za kioevu. Ya kawaida inaitwa helium I na inapatikana kwa joto kuanzia 4.21 K (-268.9 °C) hadi karibu 2.18 K (-271 °C). Chini ya 2.18 K, mshikamano wa joto wa 4Anakuwa mara 1000 ya shaba. Fomu hii inaitwa heliamu II ili kuitofautisha na fomu ya kawaida. Ni superfluid: mnato ni mdogo sana kwamba hauwezi kupimwa. Heliamu II husambaa na kuwa filamu nyembamba juu ya uso wa chochote inachogusa, na filamu hii hutiririka bila msuguano hata dhidi ya mvuto.

Heliamu-3 isiyo na wingi zaidi huunda awamu tatu za kioevu, mbili zikiwa na maji mengi kupita kiasi. Kiwango cha juu cha maji katika ⁴Aligunduliwa na mwanafizikia wa Kisovieti Pyotr Leonidovich Kapitsa katikati ya miaka ya 1930, na hali hiyo hiyo mnamo ^{3Alianza kutambuliwa na Douglas D Osherov, David M. Lee, na Robert S. Richardson wa Marekani mwaka 1972.}

Mchanganyiko wa kimiminika wa isotopu mbili za heliamu-3 na -4 kwenye joto chini ya 0.8 K (-272.4 °C) umegawanywa katika tabaka mbili - karibu safi ³Yeye na mchanganyiko wa⁴Yeye na 6% ya heli-3. Kuyeyushwa kwa ³He ndani ^{4Huambatana na athari ya kupoeza, ambayo hutumika katika uundaji wa cryostats, ambapo halijoto ya heliamu hushuka.chini ya 0.01 K (-273.14 °C) na kudumishwa hapo kwa siku kadhaa.}

Miunganisho

Katika hali ya kawaida, heliamu haipitishi kemikali. Katika hali mbaya, unaweza kuunda viunganisho vya vipengele ambavyo sio imara kwa joto la kawaida na shinikizo. Kwa mfano, heliamu inaweza kuunda misombo yenye iodini, tungsten, florini, fosforasi na salfa inapomwagwa na mwanga wa umeme inapopigwa na elektroni au katika hali ya plasma. Kwa hivyo, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ na Yeye₂ ioni za molekuli ziliundwa+^{, Sio}2++^{, HeH}+ ^{na HeD+}. Mbinu hii pia ilifanya iwezekane kupata molekuli zisizoegemea upande wowote Yeye² na HgHe.

Plasma

Katika Ulimwengu, heliamu ya ioni husambazwa kwa kiasi kikubwa, sifa ambazo hutofautiana kwa kiasi kikubwa na molekuli. Elektroni zake na protoni hazijafungwa, na ina conductivity ya juu sana ya umeme hata katika hali ya ionized. Chembe za kushtakiwa huathiriwa sana na mashamba ya magnetic na umeme. Kwa mfano, katika upepo wa jua, ioni za heliamu, pamoja na hidrojeni ya ioni, huingiliana na sumaku ya Dunia, na kusababisha aurora.

Ugunduzi wa Marekani

Baada ya kuchimba kisima mwaka wa 1903, gesi isiyoweza kuwaka ilipatikana huko Dexter, Kansas. Hapo awali, haikujulikana kuwa ina heliamu. Ni gesi gani ilipatikana iliamuliwa na mwanajiolojia wa serikali Erasmus Haworth, ambayeilikusanya sampuli zake na katika Chuo Kikuu cha Kansas kwa msaada wa wanakemia Cady Hamilton na David McFarland waligundua kuwa ina 72% ya nitrojeni, 15% ya methane, 1% hidrojeni na 12% haikutambuliwa. Baada ya uchambuzi zaidi, wanasayansi waligundua kuwa 1.84% ya sampuli ilikuwa heliamu. Kwa hiyo walijifunza kwamba kipengele hiki cha kemikali kipo kwa wingi sana kwenye matumbo ya Uwanda Mkubwa, ambapo kinaweza kutolewa kutoka kwa gesi asilia.

Uzalishaji wa viwanda

Hii imeifanya Marekani kuongoza duniani katika uzalishaji wa heliamu. Kwa pendekezo la Sir Richard Threlfall, Jeshi la Wanamaji la Marekani lilifadhili mitambo mitatu ya majaribio ili kuzalisha dutu hii wakati wa Vita vya Kwanza vya Dunia ili kutoa puto za barafu na gesi nyepesi ya kunyanyua isiyoweza kuwaka. Mpango huu ulizalisha jumla ya 5,700 m3 92% Yeye, ingawa chini ya lita 100 za gesi zilikuwa zimetolewa hapo awali. Baadhi ya kiasi hiki kilitumika katika meli ya kwanza duniani ya heliamu, Navy ya Marekani C-7, ambayo ilifanya safari yake ya kwanza kutoka Hampton Roads, Virginia hadi Bolling Field, Washington, DC mnamo Desemba 7, 1921.

Ingawa mchakato wa kuyeyusha gesi ya kiwango cha chini haukuwa na maendeleo ya kutosha wakati huo na kuwa muhimu wakati wa Vita vya Kwanza vya Dunia, uzalishaji uliendelea. Heliamu ilitumika zaidi kama gesi ya kuinua katika ndege. Mahitaji yake yalikua wakati wa Vita vya Kidunia vya pili, wakati ilitumika katika kulehemu kwa safu iliyolindwa. Kipengele hicho pia kilikuwa muhimu katika mradi wa bomu la atomiki. Manhattan.

Hifadhi ya Taifa ya Marekani

Mnamo 1925, serikali ya Marekani ilianzisha Hifadhi ya Kitaifa ya Helium huko Amarillo, Texas, kwa madhumuni ya kutoa meli za kijeshi wakati wa vita na ndege za kibiashara wakati wa amani. Matumizi ya gesi yalipungua baada ya Vita vya Kidunia vya pili, lakini usambazaji huo uliongezwa katika miaka ya 1950 ili kutoa, kati ya mambo mengine, usambazaji wake kama kipozezi kinachotumiwa katika utengenezaji wa mafuta ya roketi ya oksijeni wakati wa mbio za angani na Vita Baridi. Matumizi ya heli ya Marekani mwaka wa 1965 yalikuwa mara nane ya kilele cha matumizi yake wakati wa vita.

Kufuatia Sheria ya Helium ya 1960, Ofisi ya Madini ilizipatia kandarasi kampuni 5 za kibinafsi ili kuchimba kipengele hicho kutoka kwa gesi asilia. Kwa mpango huu, bomba la gesi la kilomita 425 lilijengwa kuunganisha mitambo hii na sehemu ya gesi ya serikali iliyopungua kwa kiasi karibu na Amarillo, Texas. Mchanganyiko wa heliamu na nitrojeni ulisukumwa kwenye hifadhi ya chini ya ardhi na kubaki humo hadi ilipohitajika.

Kufikia 1995, mita za ujazo bilioni zilikuwa zimekusanywa na Hifadhi ya Kitaifa ilikuwa na deni la dola bilioni 1.4, na kusababisha Bunge la Marekani kuliondoa mwaka wa 1996. Baada ya sheria ya ubinafsishaji wa helium kupitishwa mwaka 1996, Wizara ya Maliasili ilianza kufilisi ghala mwaka 2005.

Usafi na ujazo wa uzalishaji

Helium iliyotengenezwa kabla ya 1945 ilikuwa na usafi wa takriban 98%, iliyobaki 2%waliendelea kwa nitrojeni, ambayo ilikuwa ya kutosha kwa airships. Mnamo mwaka wa 1945, kiasi kidogo cha gesi ya asilimia 99.9 ilitolewa kwa ajili ya matumizi ya kulehemu ya arc. Kufikia 1949, usafi wa kipengele kilichosababisha ulikuwa umefikia 99.995%.

Kwa miaka mingi, Marekani ilizalisha zaidi ya 90% ya heliamu ya kibiashara duniani. Tangu 2004, imetoa milioni 140 m3 kila mwaka, 85% ikitoka Marekani, 10% kutoka Algeria, na nyingine kutoka Urusi na Poland. Vyanzo vikuu vya heliamu duniani ni maeneo ya gesi ya Texas, Oklahoma na Kansas.

Taratibu za kupokea

Heliamu (asilimia 98.2 ya usafi) hutolewa kutoka kwa gesi asilia kwa kuyeyusha viambajengo vingine katika halijoto ya chini na shinikizo la juu. Uingizaji wa gesi zingine kwa kaboni iliyoamilishwa hufikia usafi wa 99.995%. Kiasi kidogo cha heliamu hutolewa na hewa iliyoyeyusha kwa kiwango kikubwa. Takriban mita za ujazo 3.17 zinaweza kupatikana kutoka kwa tani 900 za hewa. m ya gesi.

Maeneo ya maombi

Gesi adhimu imetumika katika nyanja mbalimbali.

Heli, ambayo sifa zake hurahisisha kupata halijoto ya chini zaidi, hutumika kama kikali ya kupozea kwenye Large Hadron Collider, sumaku za upitishaji maji katika mashine za MRI na vipeo vya miale ya sumaku ya nyuklia, vifaa vya setilaiti, na pia kwa ajili ya kujaza oksijeni. na hidrojeni katika roketi za Apollo.
Kama gesi ajizi ya kulehemu alumini na metali nyingine, katika utengenezaji wa nyuzi za macho na semiconductors.
Ili kuundashinikizo katika matangi ya mafuta ya injini za roketi, hasa zile zinazotumia hidrojeni kioevu, kwa kuwa ni heliamu ya gesi pekee inayohifadhi hali yake ya mkusanyiko wakati hidrojeni inabaki kuwa kioevu);
Leza za gesi za He-Ne hutumika kuchanganua misimbo pau kwenye malipo ya maduka makubwa.
Hadubini ya Helium Ion hutoa picha bora kuliko hadubini ya elektroni.
Kwa sababu ya upenyezaji wake wa juu, gesi bora hutumika kuangalia kama kuna uvujaji ndani, kwa mfano, mifumo ya hali ya hewa ya gari, na kuongeza hewa kwa haraka kwenye mikoba ya hewa katika ajali.
Msongamano mdogo hukuruhusu kujaza puto za mapambo na heliamu. Gesi ajizi imechukua nafasi ya hidrojeni inayolipuka katika vyombo vya anga na puto. Kwa mfano, katika hali ya hewa, puto za heliamu hutumiwa kuinua vyombo vya kupimia.
Katika teknolojia ya cryogenic, hutumika kama kipozezi, kwa kuwa halijoto ya kipengele hiki cha kemikali katika hali ya kimiminiko ndiyo ya chini kabisa iwezekanayo.
Heli, ambayo sifa zake huipatia utendakazi mdogo na umumunyifu katika maji (na damu), iliyochanganyika na oksijeni, imepata matumizi katika utunzi wa kupumua kwa ajili ya kupiga mbizi kwa scuba na kazi ya caisson.
Vimondo na mawe huchanganuliwa ili kipengele hiki kubaini umri wao.