HELIUM: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, RISICI, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den helium er et grundstof med symbolet Han. Det er den første ædelgas i den periodiske tabel, og den er normalt placeret yderst til højre for den. Under normale forhold er det en inert gas, da ingen af ​​dens få forbindelser er stabile; Det udvides også meget hurtigt og er det stof med det laveste kogepunkt af alle.

På et populært niveau er det en velkendt gas, da det i utallige begivenheder eller børnefester er almindeligt at se, hvordan en ballon stiger, indtil den går tabt i himlen. Hvad der imidlertid virkelig og for evigt går tabt i hjørnerne af solsystemet og ud over, er heliumatomer, der frigøres, når ballonen eksploderer eller deflaterer.

Helium-oppustede balloner, det tætteste du kan komme til dette element i hverdagssituationer. Kilde: Pixabay.

Der er faktisk dem, der med god grund overvejer, at heliumballoner repræsenterer en upassende praksis for denne gas. Heldigvis har det mere vigtige og interessante anvendelser takket være dets fysiske og kemiske egenskaber, der adskiller det fra andre kemiske elementer.

For eksempel er flydende helium så koldt, at det kan fryse noget, som en metallegering, og omdanne det til et superledende materiale. Ligeledes er det en væske, der manifesterer overflødighed, der er i stand til at klatre op på væggene i en glasbeholder.

Navnet skyldes, at det blev identificeret for første gang på Solen og ikke på Jorden. Det er det næst mest udbredte element i hele universet, og selv om dets koncentration er ubetydelig i jordskorpen, kan det opnås fra reserverne af naturgas og radioaktive mineraler af uran og thorium.

Her demonstrerer helium en anden nysgerrig kendsgerning: det er en gas, der er meget mere rigelig i undergrunden end i atmosfæren, hvor den ender med at flygte fra Jorden og dens tyngdefelt.

Historie

Helium blev ikke opdaget på Jorden, men på solen. Faktisk kommer dets navn fra det græske ord 'helios', der betyder sol. Elementets eksistens kontrasterede Dmitri Mendeleevs periodiske tabel, da der ikke var plads til en ny gas; Med andre ord, på det tidspunkt blev der absolut ikke mistænkt for ædelgasser.

Navnet 'helium', skrevet som 'helium' på engelsk, endte med at suffikset -ium henviste til det som et metal; netop fordi eksistensen af ​​en anden gas end ilt, brint, fluor, klor og nitrogen ikke kunne tillades.

Dette navn blev betegnet af den engelske astronom Norman Lockyer, der studerede fra England, hvad der blev observeret af den franske astronom Jules Janssen i Indien under en solformørkelse i 1868.

Det var en gul spektral linje fra et hidtil ukendt element. Lockyer hævdede, at dette skyldtes tilstedeværelsen af ​​et nyt kemisk element fundet i solen.

I 1895, næsten tyve år senere, genkendte den skotske kemiker Sir William Ramsay det samme spektrum fra en restgas, da han studerede et radioaktivt mineral: cleveite. Så der var helium også her på Jorden.

Fysiske og kemiske egenskaber

Udseende

Ampoule med en heliumprøve, der lyser efter et elektrisk stød. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Helium er en farveløs, lugtfri gas, der ikke har nogen smag og er også inert. Når der påføres et elektrisk stød, og afhængigt af spændingsforskellen, begynder det imidlertid at gløde som en grå-lilla uklarhed (billedet ovenfor), og derefter glødes med en orange glød. Derfor er helium-lysene orange.

Atomnummer (Z)

to

Molar masse

4,002 g / mol

Smeltepunkt

-272,2 ºC

Kogepunkt

-268,92 ºC

Massefylde

-0,1786 g / l under normale forhold, det vil sige i gasfasen.

-0.145 g / ml ved smeltepunktet, flydende helium.

-0,125 g / ml, ligesom helium begynder at koge.

-0,187 g / ml, ved 0 K og 25 atm, dvs. fast helium ved disse specifikke betingelser for tryk og temperatur.

Triple point

2.177 K og 5.043 kPa (0,04935 atm)

Kritisk punkt

5.1953 K og 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Fusionsvarme

0,0138 kJ / mol

Fordampningsvarme

0,0829 kJ / mol

Molær varmekapacitet

20,78 J / (mol K)

Damptryk

0,9869 atm ved 4,21 K. Denne værdi giver dig en idé om, hvor flygtigt helium kan være, og hvor let det kan slippe ud ved stuetemperatur (tæt på 298 K).

Ioniseringsenergier

-Først: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gasformig)

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

Ioniseringsenergierne for helium er især høje, fordi det gasformige atom skal miste en elektron, som oplever en stærk effektiv atomladning. Det kan også forstås ved at overveje atomets lille størrelse og hvor "tæt" de to elektroner er på kernen (med dens to protoner og to neutroner).

Opløselighed

I vand opløses 0,97 ml for hver 100 ml vand ved 0 ° C, hvilket betyder, at det er dårligt opløseligt.

Reaktivitet

Helium er det næst mindst reaktive kemiske element i naturen. Under normale forhold er det korrekt at sige, at det er en inert gas; Aldrig (ser det ud til) kan en heliumforbindelse manipuleres i et rum eller laboratorium uden enormt pres, der virker på det; eller måske dramatisk høje eller lave temperaturer.

Et eksempel ses i forbindelsen Na ₂ He, som er stabil kun under et tryk på 300 GPa, gengivet i en diamant ambolt celle.

Selvom de kemiske bindinger i Na ₂ He er "mærkelige", fordi de har deres elektroner godt placeret i krystallerne, er de langt fra enkle Van der Walls-interaktioner og består derfor ikke blot af heliumatomer, der er fanget af molekylære aggregater.. Det er her, dilemmaet opstår mellem hvilke heliumforbindelser der er reelle, og hvilke der ikke er.

For eksempel nitrogen molekyler ved høje tryk kan fælde en helium atom til dannelse af en slags clathrat Han (N ₂) ₁₁.

Ligeledes er der de endohedrale komplekser af fullerenioner, C ₆₀ ^{+ n} og C ₇₀ ^{+ n}, i hvis hulrum de kan rumme heliumatomer; og den molekylære kation HeH ⁺ (He-H ⁺), der findes i meget fjerne nebler.

Oxidationsnummer

Nysgerrighed, der forsøger at beregne oxidationstrin for helium i en af dets forbindelser vil blive fundet, at dette er lig med 0. I Na ₂ har for eksempel måske tror, at formlen svarer til hypotetisk Na ₂ ⁺ I ^2-; men sådan ville være at antage, at det har en ren ionisk karakter, når dens bindinger i virkeligheden langt fra er sådan.

Endvidere får helium ikke elektroner, fordi det ikke kan rumme dem i 2'erne orbital, energisk utilgængelig; Det er heller ikke muligt for det at miste dem på grund af dets lille størrelse på sit atom og den store effektive atomladning af dens kerne. Derfor deltager helium altid (i teorien) som et He ^0- atom i dets afledte forbindelser.

Struktur og elektronisk konfiguration

Som alle gasser, der observeres på en makroskala, optager helium mængden af ​​containere, der opbevarer den, og har således en ubestemt form. Når temperaturen imidlertid falder og begynder at køle under -269 ºC, kondenserer gassen til en farveløs væske; helium I, den første af de to flydende faser for dette element.

Årsagen til, at helium kondenseres ved en så lav temperatur, skyldes de lave spredningskræfter, der holder dets atomer sammen; uanset hvilken fase der er taget i betragtning. Dette kan forklares ud fra dets elektroniske konfiguration:

1s ²

I hvilke to elektroner optager det atomære kredsløb. Heliumatom kan visualiseres som en næsten perfekt sfære, hvis homogene elektroniske periferi sandsynligvis ikke bliver polariseret af den effektive nukleare ladning af de to protoner i kernen.

Således er spontane og inducerede dipolmomenter sjældne og meget svage; så temperaturen skal nærme sig absolut nul, så He-atomerne nærmer sig langsomt nok og opnår, at deres spredningskræfter definerer en væske; eller endnu bedre, en heliumkrystall.

Dimers

I den gasformige fase er rummet, der adskiller He-atomerne, sådan, at det kan antages, at de altid er adskilt fra hinanden. Så meget, at helium forekommer farveløst i et lille volumenflaske, indtil det udsættes for en elektrisk udladning, der ioniserer dens atomer i en grålig dis og ikke meget lys.

I den flydende fase kan He-atomerne, selv med deres svage interaktion, ikke længere "ignoreres". Nu giver spredningsstyrken dem mulighed for øjeblikkeligt at gå sammen og danne dimerer: He-He eller He ₂. Derfor kan helium I betragtes som store klynger af He ₂ i ligevægt med dets atomer i dampfasen.

Derfor er helium I så svært at skelne fra dens dampe. Hvis denne væske spildes ud af dens lufttætte beholder, slipper den ud som en hvidlig blænding.

Helium II

Når temperaturen falder endnu mere, når den berører 2.178 K (-270.972 ºC), sker der en faseovergang: helium I omdannes til helium II.

Fra dette tidspunkt bliver den allerede fascinerende heliumvæske til en overflødig eller kvantefluid; det vil sige, at deres makroskopiske egenskaber manifesteres som om He _2- dimerer var individuelle atomer (og måske er de). Det mangler fuldstændig viskositet, da der ikke er nogen overflade, der kan stoppe et atom under dets glidning eller "klatring".

Derfor kan helium II klatre på væggene i en glasbeholder, der overvinder tyngdekraften; uanset hvor høje de er, så længe overfladen forbliver ved den samme temperatur og derfor ikke flygtige.

På grund af dette kan flydende helium ikke opbevares i glasbeholdere, da det ville undslippe ved den mindste revne eller spalte; meget lig hvad der ville ske med en gas. I stedet anvendes rustfrit stål til at designe sådanne kar (Dewars-tanke).

krystaller

Selv hvis temperaturen faldt til 0 K (absolut nul), ville spredningskraften mellem He-atomerne ikke være stærk nok til at ordne dem i en krystallinsk struktur. For at størkning skal finde sted, skal trykket stige til ca. 25 atm; og derefter vises kompakte hexagonale heliumkrystaller (hcp).

Geofysiske undersøgelser viser, at denne hcp-struktur forbliver uændret, uanset hvor meget tryk stiger (op til rækkefølgen af ​​gigapascals, GPa). Der er imidlertid et smalt område i deres tryk-temperaturdiagram, hvor disse hcp-krystaller gennemgår en overgang til en kropscentreret kubisk fase (bcc).

Hvor man kan finde og skaffe

Kosmos og klipper

Helium repræsenterer det næst mest rigelige element i universet og 24% af dets masse. Kilde: Pxhere.

Helium er det næst mest rigelige element i hele universet, kun andet end brint. Stjerner producerer konstant umålelige mængder heliumatomer ved at smelte sammen to hydrogenkerner under processen med nukleosyntesen.

Ligeledes er enhver radioaktiv proces, der udsender a-partikler, en kilde til produktion af heliumatomer, hvis de interagerer med elektronerne i miljøet; for eksempel med dem fra en stenet krop i aflejringer af radioaktive mineraler af uran og thorium. Disse to elementer gennemgår radioaktivt forfald, startende med uran:

Radioaktivt henfald af uran ved dannelse af alfa-partikler, der senere omdannes til et heliumatom i underjordiske aflejringer. Kilde: Gabriel Bolívar.

I klipperne, hvor disse radioaktive mineraler er koncentreret, vil heliumatomer derfor blive fanget, som frigives, når de fordøjes i sure medier.

Blandt nogle af disse mineraler er cleveit, carnotit og uraninit, alle sammensat af uranoxider (UO ₂ eller U ₃ O ₈) og urenheder af thorium, tungmetaller og sjældne jordarter. Helium, der er vandet gennem underjordiske kanaler, kan ende med at akkumuleres i naturgasreservoirer, mineralfjedre eller i meteoriske strygejern.

Det anslås, at der årligt produceres en masse helium svarende til 3000 ton i litosfæren fra det radioaktive forfald af uran og thorium.

Luft og have

Helium er ikke meget opløselig i vand, så før end senere ender den med at stige op fra dybden (uanset hvor dens oprindelse er), indtil den krydser lagene i atmosfæren og endelig når det ydre rum. Dens atomer er så små og lette, at jordens tyngdefelt ikke kan holde dem tilbage i atmosfæren.

På grund af ovenstående er koncentrationen af ​​helium både i luften (5,2 ppm) og i havet (4 ppt) meget lav.

Hvis man så ønskede at udtrække det fra et af disse to medier, ville den "bedste" mulighed være luft, hvortil den først skulle underkastes forurening for at kondensere alle dens komponentgasser, mens helium forbliver i en gasformig tilstand.

Det er imidlertid ikke praktisk at få helium fra luften, men fra klipper beriget med radioaktive mineraler; eller endnu bedre fra naturgasreserver, hvor helium kan udgøre op til 7% af dens samlede masse.

Flytning og destillation af naturgas

I stedet for at kondensere luften er det lettere og mere rentabelt at bruge naturgas, hvis heliumsammensætning uden tvivl er meget større. Således er råmaterialet par excellence (kommercielt) til opnåelse af helium naturgas, som også kan underkastes fraktioneret destillation.

Det endelige produkt af destillationen afsluttes med at rense med aktivt kul, gennem hvilket en meget ren helium passerer. Og til sidst adskilles helium fra neon ved en kryogen proces, hvor der anvendes flydende helium.

isotoper

Helium forekommer overvejende i naturen som ⁴ He- isotopen, hvis nakne kerne er den berømte α-partikel. Dette ⁴ He atom har to neutroner og to protoner. I mindre overflod er isotopen ³ Han, som kun har en neutron. Den første er tungere (har en højere atommasse) end den anden.

Således er isotopparet ³ He og ⁴ He dem, der definerer de målbare egenskaber, og hvad vi forstår af helium som et kemisk element. I betragtning af at ³ Han er lettere antages det, at dens atomer har højere kinetisk energi, og at de derfor har brug for en endnu lavere temperatur for at samle sig til en overfladisk væske.

Den ³ Han betragtes som en meget sjælden art her på Jorden; dog i månefjord er det mere rigeligt (ca. 2000 gange mere). Derfor har månen været genstand for projekter og historier som en mulig kilde til ³ He, som kunne bruges som nukleart brændstof til fremtidens rumfartøj.

Blandt andre isotoper af helium kan nævnes 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).

Risici

Helium er en inert gas og deltager derfor ikke i nogen af ​​de reaktioner, der opstår i vores kroppe.

Dens atomer kommer praktisk talt ind og ud, udåndet uden deres interaktion med biomolekyler, der giver en ulteriær virkning; undtagen i lyden, der udsendes fra stemmebåndene, som bliver højere og hyppigere.

Mennesker, der inhalerer helium fra en ballon (i moderation) taler med en høj stemme, svarende til en egern (eller and).

Problemet er, at hvis en sådan person indånder en upassende mængde helium, risikerer de at kvæle sig, da dens atomer fortrænger iltmolekylerne; og derfor vil du ikke være i stand til at trække vejret, før du udånder alt det helium, som igen på grund af dets pres kan rive lungevævet eller forårsage barotrauma.

Der er rapporteret om tilfælde af mennesker, der er døde af inhalation af helium på grund af hvad der netop er blevet forklaret.

På den anden side, selv om det ikke udgør en brandrisiko i betragtning af dens manglende reaktivitet over for ilt (eller et andet stof), hvis det opbevares under højt tryk, og det slipper ud, kan dets lækage være fysisk farligt.

Applikationer

De fysiske og kemiske egenskaber ved helium gør det ikke kun til en speciel gas, men også et meget nyttigt stof til applikationer, der kræver ekstremt lave temperaturer. I dette afsnit adresseres nogle af disse applikationer eller anvendelser.

Tryk og udluftningssystemer

I nogle systemer er det nødvendigt at øge trykket (tryk), og til dette skal en gas indsprøjtes eller tilføres, som ikke interagerer med nogen af ​​dens komponenter; for eksempel med reagenser eller overflader, der er følsomme over for uønskede reaktioner.

Således kan trykket øges med volumener helium, hvis kemiske inertitet gør det ideelt til dette formål. Den inerte atmosfære, den giver, overstiger i visse tilfælde kvælstof.

Til den omvendte proces, det vil sige udrensningen, bruges også helium på grund af dens evne til at inddrage al ilt, vanddamp eller enhver anden gas, hvis tilstedeværelse du vil fjerne. På denne måde reduceres systemets tryk, når heliumet er tømt.

Lækagedetektioner

Helium kan lække gennem den mindste revne, så det tjener også til at detektere lækager i rør, højvakuumcontainere eller kryogene tanke.

Nogle gange kan detektion visuelt eller ved berøring; det er dog mest en detektor, der "signaliserer" hvor og hvor meget helium der slipper ud af systemet under inspektion.

Bærergas

Heliumatomer, som nævnt til rensningssystemer, kan bære dem med, afhængigt af deres tryk, tungere molekyler. For eksempel bruges dette princip dagligt i gaskromatografianalyse, da det kan trække den forstøvede prøve langs søjlen, hvor den interagerer med den stationære fase.

Balloner og luftskibe

Helium bruges til at oppustere luftskibe og er meget sikrere end brint, fordi det ikke er en brandfarlig gas. Kilde: Pixabay.

På grund af dens lave tæthed sammenlignet med luft og igen, dens mangel på reaktivitet med ilt, er det blevet brugt til at oppustere balloner på børnefester (blandet med ilt, så ingen kvæler at trække vejret i det), og luftskibe (øverste billede), uden at repræsentere en brandrisiko.

Dykning

Helium er en af ​​hovedkomponenterne i iltbeholdere, som dykkerne indånder med. Kilde: Pxhere.

Når dykkere går ned til større dybder, har de svært ved at trække vejret på grund af det store pres, der udøves af vandet. Derfor tilføjes helium til deres iltbeholdere for at mindske densiteten af ​​den gas, som dykkere indånder og udånder, og det kan således udåndes med mindre arbejde.

Buesvejsninger

I svejseprocessen giver den elektriske lysbue nok varme til, at de to metaller kan samles. Hvis det udføres under en heliumatmosfære, reagerer glødemetallet ikke med iltet i luften for at blive dets respektive oxid; derfor forhindrer helium dette i at ske.

superledere

Flydende helium bruges til at afkøle magneterne, der bruges i scannere til nukleær magnetisk resonansafbildning. Kilde: Jan Ainali

Flydende helium er så koldt, at det kan fryse metaller til superledere. Takket være dette har det været muligt at fremstille meget kraftige magneter, der afkølet med flydende helium er blevet brugt i billedscannere eller nukleære magnetiske resonansspektrometre.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17. april 2019). Heliumhydridion opdaget i rummet for første gang: bevis fundet for undvigende kemi fra universets første minutter. Gendannes fra: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19. august 2009). Helium. Kemi i dets element. Gendannes fra: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Krystallstruktur og Helium-densitet op til 232 Kbar. Gendannes fra: Articles.adsabs.harvard.edu
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Helium. PubChem-database. CID = 23987. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6. februar 2017). Op, op og væk: Kemikere siger 'ja', helium kan danne forbindelser. Utah State University. Gendannet fra: phys.org
8. Steve Gagnon. (Sf). Isotoper af elementet helium. Jefferson Lab. Genvundet fra: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Gendannes fra: chemistryexplained.com