HELIUM: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, RISIKO, BRUK - KJEMI - 2026

Den helium er et grunnstoff med symbolet He. Det er den første edle gassen i det periodiske systemet, og den ligger vanligvis ytterst til høyre for den. Under normale forhold er det en inert gass, siden ingen av de få forbindelsene er stabile; Den ekspanderer også veldig raskt og er stoffet med det laveste kokepunktet av alle.

På et populært nivå er det en kjent gass, siden det ved utallige hendelser eller barnefester er vanlig å være vitne til hvordan en ballong stiger til den går tapt på himmelen. Det som imidlertid virkelig og for alltid går tapt i hjørnene av solsystemet, og utover, er heliumatomer som frigjøres når ballongen eksploderer eller tømmes ut.

Heliumoppblåste ballonger, det nærmeste du kan komme til dette elementet i hverdagslige situasjoner. Kilde: Pixabay.

Det er faktisk de som, og med god grunn, anser at heliumballonger representerer en upassende praksis for denne gassen. Heldigvis har den viktigere og interessante bruksområder, takket være dets fysiske og kjemiske egenskaper som skiller det fra andre kjemiske elementer.

For eksempel er flytende helium så kaldt at det kan fryse noe, som en metallisk legering, og gjøre det til et superledende materiale. På samme måte er det en væske som manifesterer overflødighet, som er i stand til å klatre oppover veggene i en glassbeholder.

Navnet kommer fra det faktum at det ble identifisert for første gang på Solen og ikke på Jorden. Det er det nest mest tallrike elementet i hele universet, og selv om konsentrasjonen er ubetydelig i jordskorpen, kan den fås fra reservene til naturgass og radioaktive mineraler av uran og thorium.

Her demonstrerer helium et annet nysgjerrig faktum: det er en gass som er mye rikere i undergrunnen enn i atmosfæren, der den ender med å rømme fra jorden og dens tyngdefelt.

Historie

Helium ble ikke oppdaget på jorden, men på sola. Faktisk kommer navnet fra det greske ordet 'helios' som betyr sol. Eksistensen av elementet i seg selv kontrasterte periodiske tabeller til Dmitri Mendeleev, siden det ikke var noe sted i det for en ny gass; Med andre ord, da var det absolutt ingen mistanke om edle gasser.

Navnet 'helium', skrevet som 'helium' på engelsk, endte med at suffikset -ium refererte til det som et metall; nettopp fordi eksistensen av en annen gass enn oksygen, hydrogen, fluor, klor og nitrogen ikke kunne tillates.

Dette navnet ble betegnet av den engelske astronomen Norman Lockyer, som studerte fra England det som ble observert av den franske astronomen Jules Janssen i India, under en solformørkelse i 1868.

Det var en gul spektrallinje fra et hittil ukjent element. Lockyer hevdet at dette skyldtes tilstedeværelsen av et nytt kjemisk element funnet i solen.

I 1895, nesten tjue år senere, kjente den skotske kjemikeren Sir William Ramsay det samme spekteret fra en restgass da han studerte et radioaktivt mineral: cleveite. Så det var helium her på jorden også.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Ampoule med en heliumprøve som gløder etter et elektrisk støt. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements

Helium er en fargeløs, luktfri gass som ikke har smak og er også inert. Imidlertid, når et elektrisk støt påføres, og avhengig av spenningsforskjellen, begynner det å gløde som en grå-lilla uklarhet (over bildet), og deretter glød med en oransje glød. Derfor er helium-lysene oransje.

Atomnummer (Z)

to

Molmasse

4,002 g / mol

Smeltepunkt

-272,2 ºC

Kokepunkt

-268,92 ºC

tetthet

-0.1786 g / L, under normale forhold, det vil si i gassfasen.

-0.145 g / ml, ved smeltepunktet, flytende helium.

-0,125 g / ml, akkurat som helium begynner å koke.

-0,187 g / ml, ved 0 K og 25 atm, det vil si fast helium ved de spesifikke betingelser for trykk og temperatur.

Trippel punkt

2.177 K og 5.043 kPa (0,04935 atm)

Kritisk punkt

5.1953 K og 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Fusjonsvarme

0,0138 kJ / mol

Fordampingsvarme

0,0829 kJ / mol

Molar varmekapasitet

20,78 J / (mol K)

Damptrykk

0,9869 atm ved 4,21 K. Denne verdien gir deg en ide om hvor flyktig helium kan være og hvor lett den kan slippe ut ved romtemperatur (nær 298 K).

Ioniseringsenergier

-Først: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gasser)

-Sekund: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gassformig)

Ioniseringsenergiene for helium er spesielt høye fordi gassformet atom må miste et elektron, som opplever en sterk effektiv kjernefysisk ladning. Det kan også forstås ved å vurdere atomets lille størrelse og hvor "nær" de to elektronene er til kjernen (med dens to protoner og to nøytroner).

løselighet

I vann blir 0,97 ml oppløst for hver 100 ml vann ved 0 ºC, noe som betyr at det er dårlig oppløselig.

reaktivitet

Helium er det nest minst reaktive kjemiske elementet i naturen. Under normale forhold er det riktig å si at det er en inert gass; Aldri (ser det ut til) kan en heliumforbindelse manipuleres i et rom eller laboratorium uten enormt trykk som virker på det; eller kanskje dramatisk høye eller lave temperaturer.

Et eksempel sees på forbindelsen Na ₂ He, som bare er stabil under et trykk på 300 GPa, gjengitt i en diamant-amboltcelle.

Selv om de kjemiske bindingene i Na ₂ He er "rare" fordi de har elektronene sine godt plassert i krystallene, er de langt fra enkle Van der Walls-interaksjoner, og består derfor ikke bare av heliumatomer fanget av molekylære aggregater. . Det er her dilemmaet oppstår mellom hvilke heliumforbindelser som er reelle og hvilke som ikke er det.

For eksempel kan nitrogenmolekyler ved høyt trykk felle et heliumatom for å danne en slags klatrat, He (N ₂ ) ₁₁ .

På samme måte er det endohedrale komplekser av fulleren kationer, C ₆₀ ^{+ n} og C ₇₀ ^{+ n} , i hvis hulrom de kan huse heliumatomer; og molekylkatjonen HeH ⁺ (He-H ⁺ ), funnet i veldig fjerne tåker.

Oksidasjonsnummer

Nysgjerrighet som forsøker å beregne oksidasjonstall for helium i en hvilken som helst av dets forbindelser vil bli funnet at denne er lik 0. I Na ₂ har, for eksempel, skulle tro at formelen tilsvarer hypotetisk Na ₂ ⁺ I ^2- ; men slikt vil være å anta at det har en ren ionisk karakter, når dens bindinger i virkeligheten langt fra er så.

Videre får helium ikke elektroner fordi den ikke har plass til dem i 2s-bane, energisk utilgjengelig; Det er heller ikke mulig å miste dem på grunn av det lille størrelsen på atomet og den store effektive kjernefysiske ladningen i kjernen. Derfor deltar helium alltid (i teorien) som et He ^0- atom i dets avledede forbindelser.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Helium, som alle gasser observert på en makroskala, opptar volumet av beholderne som lagrer den, og har således en ubestemt form. Når temperaturen synker og begynner å avkjøle under -269 ºC, kondenserer imidlertid gassen til en fargeløs væske; helium I, den første av de to flytende fasene for dette elementet.

Årsaken til at helium kondenserer ved så lav temperatur skyldes de lave spredningskreftene som holder atomene sammen; uansett fase betraktet. Dette kan forklares ut fra dens elektroniske konfigurasjon:

1s ²

I hvilke to elektroner okkuperer atom atombanen. Heliumatomet kan visualiseres som en nesten perfekt sfære, hvis homogene elektroniske periferi neppe vil være polarisert av effektiv kjernefysisk ladning av de to protonene i kjernen.

Dermed er spontane og induserte dipolmomenter sjeldne og veldig svake; så temperaturen må nærme seg absolutt null slik at He-atomene nærmer seg sakte nok og oppnår at deres spredningskrefter definerer en væske; eller enda bedre, en heliumkrystall.

dimer

I gassfasen er rommet som skiller He-atomene slik at det kan antas at de alltid er atskilt fra hverandre. Så mye at helium virker fargeløst i et lite volumflaske til det blir utsatt for en elektrisk utladning, som ioniserer atomene i en gråaktig og svakt opplyst tåke.

Imidlertid kan He-atomene, selv med deres svake interaksjoner, ikke lenger "ignoreres" i væskefasen. Nå tillater spredningsstyrken dem øyeblikk å slå seg sammen for å danne dimerer: He-He eller He ₂ . Derfor kan helium I betraktes som enorme klynger av He ₂ i likevekt med dets atomer i dampfasen.

Det er derfor helium I er så vanskelig å skille fra dampene. Hvis denne væsken blir sølt ut av sin lufttette beholder, slipper den ut som en hvitaktig bluss.

Helium II

Når temperaturen synker enda mer, og berører 2,178 K (-270,972 ºC), oppstår en faseovergang: helium I blir transformert til helium II.

Fra dette tidspunktet blir den allerede fascinerende heliumvæsken en overflødig væske eller kvantefluid; det vil si at deres makroskopiske egenskaper manifesterer seg som om He _2- dimerer var individuelle atomer (og kanskje de er). Det mangler fullstendig viskositet, siden det ikke er noen overflate som kan stoppe et atom under glidningen eller "klatring".

Derfor kan helium II klatre på veggene i en glassbeholder og overvinne tyngdekraften; uansett hvor høye de er, så lenge overflaten forblir ved samme temperatur og derfor ikke flyktige.

På grunn av dette kan flytende helium ikke lagres i glassbeholdere, da det vil slippe ut ved den minste sprekk eller spalte; veldig lik hvordan det ville skje med en bensin. I stedet brukes rustfritt stål til å designe slike kar (Dewars tanks).

krystaller

Selv om temperaturen falt til 0 K (absolutt null), ville spredningskraften mellom He-atomene ikke være sterk nok til å ordne dem inn i en krystallinsk struktur. For at størkning skal skje, må trykket stige til omtrent 25 atm; og så vises kompakte sekskantede heliumkrystaller (hcp).

Geofysiske studier viser at denne hcp-strukturen forblir uendret uansett hvor mye trykk øker (opp til størrelsen på gigapascals, GPa). Imidlertid er det et smalt område i deres trykk-temperaturdiagram der disse hcp-krystaller gjennomgår en overgang til en kroppssentrert kubikkfase (bcc).

Hvor å finne og skaffe

Kosmos og steiner

Helium representerer det nest mest tallrike elementet i universet og 24% av dets masse. Kilde: Pxhere.

Helium er det nest mest tallrike elementet i hele universet, men bare hydrogen. Stjerner produserer stadig umålelige mengder heliumatomer ved å smelte sammen to hydrogenkjerner under prosessen med nukleosyntese.

På samme måte er enhver radioaktiv prosess som avgir α-partikler en kilde til produksjon av heliumatomer hvis de interagerer med elektronene i miljøet; for eksempel med de fra en steinete kropp i avsetninger av radioaktive mineraler av uran og thorium. Disse to elementene gjennomgår radioaktivt forfall, og begynner med uran:

Radioaktivt forfall av uran ved dannelse av alfapartikler, som senere blir transformert til et heliumatom i underjordiske avsetninger. Kilde: Gabriel Bolívar.

Derfor, i bergartene der disse radioaktive mineralene er konsentrert, vil heliumatomene bli fanget, som vil bli frigjort når de blir fordøyd i sure medier.

Blant noen av disse mineralene er cleveitt, karnotitt og uraninitt, alle sammensatt av uranoksider (UO ₂ eller U ₃ O ₈ ) og urenheter av thorium, tungmetaller og sjeldne jordarter. Helium, irrigert gjennom underjordiske kanaler, kan ende opp i naturgassreservoarer, mineralfjærer eller i meteorisk strykejern.

Det er anslått at det produseres en helium tilsvarende 3000 tonn årlig i litosfæren, fra det radioaktive forfallet av uran og thorium.

Luft og hav

Helium er ikke veldig løselig i vann, så før heller enn senere ender det opp fra dypet (uansett hvor det er), til det krysser lagene i atmosfæren og endelig når det ytre rom. Atomene er så små og lette at jordens gravitasjonsfelt ikke kan holde dem tilbake i atmosfæren.

På grunn av det ovennevnte er konsentrasjonen av helium både i luften (5,2 ppm) og i sjøene (4 ppt) veldig lav.

Hvis man da ønsket å trekke det ut fra et av disse to mediene, ville det "beste" alternativet være luft, som først måtte bli utsatt for kondisjonering for å kondensere alle komponentgassene, mens heliumet forblir i gassform.

Det er imidlertid ikke praktisk å få helium fra luften, men fra bergarter beriket med radioaktive mineraler; eller enda bedre, fra naturgassreserver, hvor helium kan utgjøre opptil 7% av den totale massen.

Naturgass-kondisjonering og destillasjon

I stedet for å kondensere luften, er det enklere og mer lønnsomt å bruke naturgass, hvis heliumsammensetning utvilsomt er mye større. Således er råstoffet par excellence (kommersielt) for å oppnå helium naturgass, som også kan bli utsatt for fraksjonert destillasjon.

Det endelige produktet av destillasjonen er ferdig renset med aktivert karbon, gjennom hvilket en veldig ren helium passerer. Og til slutt skilles helium fra neon ved en kryogen prosess der flytende helium brukes.

isotoper

Helium forekommer hovedsakelig i naturen som ⁴ He- isotopen , hvis nakne kjerne er den berømte α-partikkelen. Dette ⁴ He- atomet har to nøytroner og to protoner. I mindre overflod er isotopen ³ Han, som bare har ett nøytron. Den første er tyngre (har en høyere atommasse) enn den andre.

Dermed er isotopparet ³ He og ⁴ He de som definerer de målbare egenskapene og det vi forstår om helium som et kjemisk element. Siden ³ Han er lettere, antas det at atomene har høyere kinetisk energi, og at de derfor trenger en enda lavere temperatur for å samkoble seg i en overflødig væske.

De ³ Han regnes som en veldig sjelden art her på jorden; Imidlertid er det i månefjord mye mer (omtrent 2000 ganger mer). Derfor har månen vært gjenstand for prosjekter og historier som en mulig kilde til ³ He, som kan brukes som atomdrivstoff for fremtidens romfartøy.

Blant andre isotoper av helium kan nevnes, med deres respektive halveringstid: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) og ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

risiko

Helium er en inert gass og deltar derfor ikke i noen av reaksjonene som oppstår i kroppene våre.

Atomer kommer praktisk talt inn og ut uten å ha interaksjoner med biomolekyler som gir en ytre effekt; bortsett fra i lyden som sendes ut fra stemmebåndene, som blir høyere og hyppigere.

Mennesker som inhalerer helium fra en ballong (i moderasjon) snakker med en høy stemme, lik den for en ekorn (eller and).

Problemet er at hvis personen inhalerer en upassende mengde helium, risikerer han å kveles, siden atomene fortrenger oksygenmolekylene; og derfor vil du ikke være i stand til å puste før du puster ut alt det heliumet, som igjen på grunn av dets press kan rive lungevevet eller forårsake barotrauma.

Det er rapportert om tilfeller av personer som døde av inhalering av helium på grunn av det som nettopp er forklart.

På den annen side, selv om det ikke representerer en brannrisiko gitt dens manglende reaktivitet overfor oksygen (eller et annet stoff), hvis det er lagret under høyt trykk og det slipper ut, kan lekkasjen være fysisk farlig.

applikasjoner

De fysiske og kjemiske egenskapene til helium gjør det ikke bare til en spesiell gass, men også et veldig nyttig stoff for anvendelser som krever ekstremt lave temperaturer. I denne delen vil noen av disse applikasjonene eller bruksområdene bli adressert.

Trykk- og avluftingssystemer

I noen systemer er det nødvendig å øke trykket (trykk), og for dette må en gass injiseres eller tilføres som ikke samvirker med noen av komponentene; for eksempel med reagenser eller overflater som er følsomme for uønskede reaksjoner.

Dermed kan trykket økes med volumer av helium, hvis kjemiske inertitet gjør det ideelt for dette formålet. Den inerte atmosfæren som den gir overstiger i visse tilfeller nitrogen.

For den omvendte prosessen, det vil si rensingen, brukes også helium på grunn av dens evne til å fange inn all oksygen, vanndamp eller annen gass, hvis tilstedeværelse du vil fjerne. På denne måten reduseres trykket i systemet når heliumet er tømt.

Lekkasjedeteksjoner

Helium kan lekke gjennom den minste sprekken, så den tjener også til å oppdage lekkasjer i rør, høye vakuumbeholdere eller kryogene tanker.

Noen ganger kan deteksjon gjøres visuelt eller ved berøring; det er imidlertid mest en detektor som "signaliserer" hvor og hvor mye helium som rømmer fra systemet under inspeksjon.

Bærergass

Heliumatomer kan som nevnt for renseanlegg bære med seg, avhengig av deres trykk, tyngre molekyler. For eksempel brukes dette prinsippet daglig i gasskromatografianalyse, da det kan dra den forstøvede prøven langs kolonnen, der den samvirker med den stasjonære fasen.

Ballonger og luftskip

Helium brukes til å blåse opp luftskip og er mye tryggere enn hydrogen fordi det ikke er en brennbar gass. Kilde: Pixabay.

På grunn av den lave tettheten sammenlignet med luft, og igjen, den manglende reaktiviteten med oksygen, har den blitt brukt til å blåse ballonger på barnefester (blandet med oksygen slik at ingen kveles fra å puste den), og luftskip (toppbilde) , uten å representere en brannfare.

dykking

Helium er en av hovedkomponentene i oksygenbeholdere som dykkere puster inn med. Kilde: Pxhere.

Når dykkere stiger ned til større dyp, finner de det vanskelig å puste på grunn av det store trykket som vannet utøver. Det er grunnen til at helium blir tilsatt oksygenbeholdere for å redusere tettheten av gassen som dykkere puster og puster ut, slik at den kan utåndes med mindre arbeid.

Buesveiser

I sveiseprosessen gir den elektriske lysbuen nok varme til at de to metallene kan komme sammen. Hvis den utføres under en heliumatmosfære, vil ikke glødende metall reagere med oksygenet i luften for å bli dets respektive oksyd; derfor forhindrer helium at dette skjer.

Superledere

Flytende helium brukes til å avkjøle magneter som brukes i skannere for kjernemagnetisk resonansavbildning. Kilde: Jan Ainali

Flytende helium er så kaldt at det kan fryse metaller til superledere. Takket være dette har det vært mulig å produsere veldig kraftige magneter, som, avkjølt med flytende helium, har blitt brukt i bildeskannere eller kjernemagnetiske resonansspektrometre.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17. april 2019). Heliumhydridion påvist i verdensrommet for første gang: bevis funnet for unnvikende kjemi fra universets første minutter. Gjenopprettet fra: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19. august 2009). Helium. Kjemi i sitt element. Gjenopprettet fra: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Krystallstruktur og helhetstetthet opp til 232 Kbar. Gjenopprettet fra: Articles.adsabs.harvard.edu
6. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Helium. PubChem-databasen. CID = 23987. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6. februar 2017). Opp, opp og bort: Kjemikere sier 'ja', helium kan danne forbindelser. Utah State University. Gjenopprettet fra: phys.org
8. Steve Gagnon. (SF). Isotoper av elementet helium. Jefferson Lab. Gjenopprettet fra: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Gjenopprettet fra: chemistryexplained.com