Helium

När det gäller prevalens i universum och när det gäller lätthet rankas den på andra plats efter väte . Dess kokpunkt är den lägsta av alla kända ämnen.

Upptäcktshistorik

Den 18 augusti 1868 utforskade den franske vetenskapsmannen Pierre Jansen , under en total solförmörkelse i den indiska staden Guntur , först solens kromosfär . Jansen lyckades justera spektroskopet på ett sådant sätt att solkoronans spektrum kunde observeras inte bara under en förmörkelse, utan även under vanliga dagar. Nästa dag avslöjade spektroskopi av solprominenser , tillsammans med vätelinjer - blå, grön-blå och röd - en mycket ljusgul linje, från början tagen av Jansen och andra astronomer som observerade den för natrium D-linjen . Janssen skrev omedelbart till den franska vetenskapsakademin om detta . Därefter fann man att den ljusgula linjen i solspektrumet inte sammanfaller med natriumlinjen och inte tillhör någon av de tidigare kända kemiska grundämnena [6] [7] .

Två månader senare, den 20 oktober, utförde den engelske astronomen Norman Lockyer , utan att veta om utvecklingen av sin franska kollega, också forskning om solspektrumet. Efter att ha upptäckt en okänd gul linje med en våglängd på 588 nm (mer exakt - 587,56 nm ), betecknade han den D 3 , eftersom den var mycket nära Fraunhofer-linjerna D 1 ( 589,59 nm ) och D 2 ( 588,99 nm ) natrium. Två år senare föreslog Lockyer, tillsammans med den engelske kemisten Edward Frankland , i samarbete med vilken han arbetade, att ge det nya grundämnet namnet "helium" (från annan grekisk ἥλιος - "sol") [7] .

Det är intressant att Jeansens och Lockyers brev anlände till den franska vetenskapsakademin samma dag – den 24 oktober 1868, men Lockyers brev, skrivet av honom fyra dagar tidigare, kom flera timmar tidigare. Dagen efter lästes båda breven vid ett möte i Akademien. För att hedra den nya metoden för att studera framstående, beslutade den franska akademin att prägla en medalj. På ena sidan av medaljen graverades porträtt av Jansen och Lockyer över korsade lagergrenar , och på den andra en bild av den mytologiska ljusguden Apollo , som styrde i en vagn med fyra hästar som galopperade i full fart [7] .

1881 publicerade italienaren Luigi Palmieri en rapport om sin upptäckt av helium i fumarolernas vulkaniska gaser . Han undersökte en ljusgul oljig substans som satte sig från gasstrålar på kanterna av Vesuvius- kratern . Palmieri kalcinerade denna vulkaniska produkt i lågan från en bunsenbrännare och observerade spektrumet av gaser som frigjordes under detta. Det vetenskapliga samfundet hälsade detta meddelande med misstro, eftersom Palmieri beskrev sin upplevelse vagt. Många år senare hittades faktiskt små mängder helium och argon i sammansättningen av fumarolgaser [7] .

27 år efter sin ursprungliga upptäckt upptäcktes helium på jorden - 1895 fann den skotske kemisten William Ramsay , som undersökte ett gasprov som erhållits från nedbrytningen av mineralet cleveit , i dess spektrum samma ljusgula linje som hittades tidigare i solen spektrum. Provet skickades för ytterligare studier till den berömda engelske spektroskopiforskaren William Crookes , som bekräftade att den gula linjen som observerades i provets spektrum sammanfaller med D 3 -linjen av helium. Den 23 mars 1895 skickade Ramsay ett meddelande om sin upptäckt av helium på jorden till Royal Society of London , såväl som till den franska akademin genom den berömda kemisten Marcelin Berthelot [7] .

De svenska kemisterna P. Kleve och N. Lengle lyckades isolera tillräckligt mycket gas från kleveit för att bestämma atomvikten för det nya grundämnet [8] [9] .

1896 bevisade Heinrich Kaiser , Siegbert Friedländer och 1898 Edward Bailey äntligen närvaron av helium i atmosfären [7] [10] [11] .

Redan före Ramsay isolerades helium också av den amerikanske kemisten Francis Hillebrand , men han trodde felaktigt att han hade erhållit kväve [11] [12] , och i ett brev till Ramsay erkände honom som upptäcktens prioritet.

Genom att utforska olika ämnen och mineraler upptäckte Ramsay att helium i dem åtföljer uran och torium . 1906 fann E. Rutherford och T. Royds att alfapartiklarna av radioaktiva grundämnen är heliumkärnor [13] . Dessa studier markerade början på den moderna teorin om atomens struktur [14] .

1908 fick den holländska fysikern Heike Kamerling-Onnes flytande helium . Han använde strypning (se Joule-Thomson-effekten ), efter att gasen förkylts i flytande väte som kokade under vakuum. Försök att få fast helium förblev misslyckade under lång tid även vid en temperatur på 0,71 K , som nåddes av studenten till Kamerling-Onnes, den tyske fysikern Willem Hendrik Keesom . 1926, genom att applicera tryck över 35 atm och kyla komprimerat helium i flytande helium som kokade under sällsynthet, isolerade han kristaller [15] .

1932 undersökte Keesom arten av förändringen i värmekapaciteten hos flytande helium med temperaturen. Han fann att runt 2,19 K , den långsamma och jämna ökningen av värmekapacitet ersätts av ett kraftigt fall, och värmekapacitetskurvan tar formen av den grekiska bokstaven λ (lambda). Därför ges temperaturen vid vilken hoppet i värmekapacitet inträffar det villkorade namnet " λ- punkt " [15] . Ett mer exakt temperaturvärde vid denna punkt, fastställt senare, är 2,172 K. Vid λ -punkten inträffar djupa och abrupta förändringar i de grundläggande egenskaperna hos flytande helium - en fas av flytande helium ersätts vid denna punkt av en annan, och utan frigöring av latent värme; en andra ordningens fasövergång äger rum . Ovanför λ -punktens temperatur finns den så kallade helium-I , och under den helium-II [15] .

År 1938 upptäckte den sovjetiske fysikern Pyotr Leonidovich Kapitsa fenomenet superfluiditet av flytande helium-II , som består i en kraftig minskning av viskositetskoefficienten , som ett resultat av vilket helium flyter praktiskt taget friktion [15] [16] . Här är vad han skrev i en av sina rapporter om upptäckten av detta fenomen [17] :

... en sådan mängd värme som faktiskt överfördes ligger bortom de fysiska möjligheterna att en kropp, enligt några fysiska lagar, inte kan överföra mer värme än dess termiska energi multiplicerat med ljudets hastighet. Med den vanliga värmeledningsmekanismen kunde värme inte överföras i en sådan skala som har observerats. Vi var tvungna att leta efter en annan förklaring.

Och istället för att förklara överföringen av värme genom värmeledning, det vill säga överföringen av energi från en atom till en annan, skulle det kunna förklaras mer trivialt - genom konvektion, överföringen av värme i själva materien. Händer det inte att det uppvärmda heliumet rör sig uppåt, och det kalla går ner, på grund av skillnaden i hastigheter uppstår konvektionsströmmar och därmed uppstår värmeöverföring. Men för detta var det nödvändigt att anta att helium flödar utan motstånd under dess rörelse. Vi har redan haft ett fall då elektricitet rörde sig utan motstånd längs en ledare. Och jag bestämde mig för att helium också rör sig utan motstånd, att det inte är ett övervärmeledande ämne, utan ett överflytande.

… Om vattnets viskositet är 10⋅10 −2 P , är det en miljard gånger mer vätska än vatten …

Namnets ursprung

Namnet kommer från grekiskan. ἥλιος - "Sol" (se Helios ). I grundämnets namn användes ändelsen "-iy", karakteristisk för metaller (på latin "-um" - "Helium"), eftersom Lockyer antog att grundämnet han upptäckte var en metall. I analogi med andra ädelgaser skulle det vara logiskt att ge det namnet "Helion" ("Helion") [7] . I modern vetenskap har namnet " helion " tilldelats kärnan i den lätta isotopen helium - helium-3 [18] .

Prevalens

I universum

Helium rankas tvåa i överflöd i universum efter väte - cirka 23 viktprocent [19] . Detta element är dock sällsynt på jorden. Nästan allt helium i universum bildades under de första minuterna efter Big Bang [20] [21] under primordial nukleosyntes . I det moderna universum bildas nästan allt nytt helium som ett resultat av termonukleär fusion från väte i stjärnornas inre (se proton-protoncykeln , kol-kvävecykeln ). På jorden bildas den som ett resultat av alfasönderfall av tunga grundämnen ( alfapartiklar som emitteras under alfasönderfall är helium-4 kärnor) [22] . En del av heliumet som uppstod under alfasönderfall och sipprar genom jordskorpans stenar fångas upp av naturgas , koncentrationen av helium i vilken kan nå 7% av volymen och däröver.

Jordskorpan

Inom ramen för den artonde gruppen hamnar helium på andra plats vad gäller innehåll i jordskorpan (efter argon ) [23] .

Heliumhalten i atmosfären (bildad som ett resultat av sönderfallet av torium , uran och deras dotterradionuklider) är 5,27⋅10 −4 volymprocent, 7,24⋅10 −5 viktprocent [4] [11] [22] . Heliumreserver i atmosfären , litosfären och hydrosfären uppskattas till 5⋅10 14 m³ [4] . Heliumhaltiga naturgaser innehåller som regel upp till 2 volymprocent helium. Extremt sällsynta är ansamlingar av gaser, vars heliumhalt når 8-16 % [22] .

Medelhalten av helium i marken är 0,003 mg/kg , eller 0,003 g/t [22] . Den högsta koncentrationen av helium observeras i mineraler som innehåller uran, torium och samarium [24] : kleveit , fergusonit , samarskit , gadolinite , monazit ( monazitsand i Indien och Brasilien), torianit . Heliumhalten i dessa mineral är 0,8-3,5 l/kg , medan den i torianit når 10,5 l/kg [11] [22] . Detta helium är radiogent och innehåller endast isotopenfyra
Han bildas av alfapartiklar som släpps ut under alfasönderfallet av uran, torium och deras dotterradionuklider, såväl som andra naturliga alfaaktiva element (samarium, gadolinium, etc.).

2016 upptäckte norska och brittiska forskare heliumavlagringar nära Victoriasjön i Tanzania. Enligt ungefärliga uppskattningar av experter är volymen av reserver 1,5 miljarder kubikmeter [25] .

Avsevärda reserver av helium finns i de östsibiriska gasfälten i Ryssland. Heliumreserver i Kovyktafältet uppskattas till 2,3 miljarder kubikmeter [26] , i Chayandinskoyefältet - till 1,4 miljarder kubikmeter [27] .

Världsmarknaden för helium

Helium utvinns ur natur- och petroleumgaser ; Världsreserverna uppskattas till 45,6 miljarder m³ .

Heliummarknaden i världen är 170-190 miljoner m³/år [28] Den största delen av världens heliumproduktion finns i USA och Qatar ; Sedan 2015 har USA:s andel av världsproduktionsbalansen minskat från 67 % till cirka 56 % och fortsätter att minska, Qatar och Algeriet upptar cirka 28 % respektive 9 % av marknaden.

Gruvdrift i Ryssland

Ryssland förser sig med denna gas; den inhemska efterfrågan för 2020 översteg inte 5 miljoner m³ . [29] Fram till nyligen producerades nästan allt inhemskt helium vid heliumfabriken i OOO Gazprom dobycha Orenburg [30] från gas med låg heliumhalt (upp till 0,055 volymprocent), därför hade det en hög kostnad.

Den 9 juni 2021 lanserades den största heliumproduktionsanläggningen i världen, Amur Gas Processing Plant , med en kapacitet på 60 miljoner m³ helium per år, nära staden Svobodny i Amurregionen [31] . Resursbasen för det är gas från Chayandinskoye-fältet med en storleksordning högre heliuminnehåll , vilket gör det möjligt att avsevärt minska dess kostnad. Ryssland planerar att bli en av de största exportörerna av helium från 2021 [32] .

Sedan 2018 har Irkutsk Oil Company byggt två heliumfabriker i Irkutsk-regionen. [33] Den planerade kapaciteten är 15-17 miljoner liter helium per år, lanseringen av den första anläggningen är 2022.

Ett akut problem är den fortsatta utvecklingen och komplexa bearbetningen av naturgaser från stora fyndigheter i östra Sibirien , som kännetecknas av en hög halt av helium (0,15–1% vol.) liknande Chayandinskoye.

Kostnad

Under 2009 varierade privata företags priser för gasformigt helium från 2,5 till 3 USD/m³ [34] .
Under 2019 har priset på helium ökat markant och uppgår till 30-32 USD/m³ för gas med en renhet på 99,995 % .

Heliumproduktion

Helium utvinns ur naturgas genom en lågtemperaturseparationsprocess - fraktionerad destillation eller genom membrangasseparation [35] .

Inom industrin utvinns helium från heliumhaltiga naturgaser (för närvarande utnyttjas huvudsakligen fyndigheter som innehåller mer än 0,1 % helium). Helium separeras från andra gaser genom djupkylning, med hjälp av det faktum att det är svårare att göra flytande än alla andra gaser.

Kylning utförs genom strypning i flera steg, rening från CO 2 och kolväten . Resultatet är en blandning av helium, neon och väte. Denna blandning, det så kallade råa heliumet (70-90% helium i volym), renas från väte (4-5%) med CuO vid 650-800 K.

Slutlig rening uppnås genom att kyla den återstående blandningen med N2 som kokar under vakuum och adsorption av föroreningar på aktivt kol i adsorbatorer som också kyls med flytande N2 . De producerar helium av teknisk renhet (99,80% helium i volym) och hög renhet (99,985%).

Definition

Kvalitativt bestäms helium genom att analysera emissionsspektra (karakteristiska linjer 587,56 nm och 388,86 nm ), kvantitativt - genom masspektrometriska och kromatografiska analysmetoder, såväl som metoder baserade på mätning av fysikaliska egenskaper (densitet, värmeledningsförmåga etc.) [ ] .

Fysiska egenskaper

Helium är ett nästan inert kemiskt element.

Det enkla ämnet helium är giftfritt, färglöst, luktfritt och smaklöst. Under normala förhållanden är det en monoatomisk gas. Dess kokpunkt ( T = 4,215 K förfyra
Han ) är den minsta av alla ämnen; fast helium erhölls endast vid tryck över 25 atmosfärer - vid atmosfärstryck går det inte över i den fasta fasen ens vid absolut noll . Extrema förhållanden är också nödvändiga för att skapa de få kemiska föreningarna av helium, som alla är instabila under normala förhållanden .

Helium 3 He och 4 He har ingen huvudtrippelpunkt (där jämviktsfaserna är i olika aggregationstillstånd - fast , flytande och gasformig ) - i båda fallen, jämviktslinjen för den fasta fasen med vätska (He I och He II) och flytande faser med gasformig skärs inte någonstans: den fasta fasen är i jämvikt endast med den flytande [36] [37] [38] . Andra ämnen med denna egenskap är okända [37] . Närvaron av kurvan för samexistens av fasta och flytande faser på fasdiagrammet för helium och frånvaron av kurvan för samexistens av fasta och gasfaser på diagrammet betyder att fast helium kan smälta, men inte avdunsta [39] .

Kemiska egenskaper

Helium är det minst kemiskt aktiva grundämnet i den 18:e gruppen ( inerta gaser ) och i allmänhet av hela det periodiska systemet [40] . Alla kemiska föreningar av helium (liksom argon, neon) existerar endast i form av så kallade excimermolekyler (extremt instabila), där exciterade elektroniska tillstånd är stabila och grundtillståndet är instabilt. Helium bildar diatomiska He-molekyler+
2, fluorid HeF, klorid HeCl ( excimermolekyler bildas genom inverkan av en elektrisk urladdning eller ultraviolett strålning på en blandning av helium med fluor eller klor ).

Det finns också möjlighet att binda en heliumatom av van der Waals krafter , till exempel med en fullerenmolekyl eller med en neonatom , men i sådana strukturer påverkar inte andra atomer heliumatomens elektroniska struktur [ 41] [42] .

Bindningsenergin för heliummolekyljonen He+
2är 58 kcal/mol är jämviktsinternukleära avståndet 1,09 Å [43] .

Egenskaper i gasfasen

Under normala förhållanden beter sig helium nästan som en idealisk gas . Under alla förhållanden är helium ett monoatomiskt ämne. Under standardförhållanden (std.c.: 0 °C, 105 Pa ), är dess densitet 0,17847 kg/m³ , den har en värmeledningsförmåga på 0,1437 W/(m K) och dess specifika värmekapacitet är extremt hög: med p = 5,193 kJ/(kg K) [44] [45] ; för jämförelse - för H 2 är det lika med 14,23 kJ / (kg K) . Specifik värmekapacitet vid konstant volym med v = 3,116 kJ/(kg·K) (st.c.) [44] . Ljudhastigheten i helium är 972,8 m/s (s.c.) [44] . Således är värmeledningsförmågan, specifik värmekapacitet, ljudhastighet och specifik volym (värde, reciprok densitet) för helium större än för alla andra gaser, med undantag för väte .

Helium är mindre lösligt i vatten än någon annan känd gas. I 1 liter vatten vid 20 °C löser sig cirka 8,8 ml ( 9,78 vid 0 °C , 10,10 vid 80 °C ), i etanol - 2,8 ml/l vid 15 °C och 3,2 ml/l vid 25 °C .

Diffusionshastigheten genom fasta material , som i den första approximationen är omvänt proportionell mot roten av molekylvikten, är tre gånger högre för helium än för luft , och är ungefär 65% av diffusionshastigheten för väte [46] .

Heliums brytningsindex är närmare enhet än för någon annan gas under lika förhållanden. Till exempel, för strålning med en våglängd på 589,6 nm ( natriumspektrallinje D), är brytningsindex (st.c.) för helium n D = 1 + 35 10 −6 , för väte 1 + 132 10 −6 , för kväve 1 + 298 10 −6 [47] .

Denna gas har en negativ Joule-Thomson-koefficient vid normal omgivningstemperatur, det vill säga den värms upp när den stryps genom porösa bafflar eller små hål, men, som alla gaser, kyls den vid vilken temperatur som helst genom adiabatisk expansion. Endast under Joule-Thomsons inversionstemperatur (cirka 40 K vid normalt tryck) kyls den ner under strypningsprocessen.

Efter kylning under denna temperatur kan helium göras flytande genom expansionskylning. Sådan kylning utförs med hjälp av en expander .

Spektrum av neutralt helium

När en ström passerar genom ett rör fyllt med helium observeras urladdningar av olika färger, främst beroende på gasens tryck i röret. Heliums spektrum av synligt ljus är vanligtvis gult. När trycket minskar ändras färgerna till rosa, orange, gul, klargul, gulgrön och grön. Detta beror på närvaron i heliumspektrumet av flera serier av linjer som ligger i intervallet mellan de infraröda och ultravioletta delarna av spektrumet. De viktigaste heliumlinjerna i den synliga delen av spektrumet ligger mellan 706,62 nm och 447,14 nm [15] . En minskning av trycket leder till en ökning av den genomsnittliga fria vägen för en elektron , det vill säga en ökning av dess energi när den kolliderar med heliumatomer. Detta leder till överföring av atomer till ett exciterat tillstånd med högre energi, som ett resultat av vilket spektrallinjerna skiftar från den röda till den violetta kanten av det synliga spektrumet.

Det väl studerade spektrumet av helium har två skarpt olika uppsättningar av linjeserier - singel ( 1 S 0 ) och triplett ( 3 S 1 ), så i slutet av 1800-talet föreslog Lockyer , Runge och Paschen att helium består av en blandning av två gaser; en av dem, enligt deras antagande, hade en gul linje vid 587,56 nm i spektrumet , den andra hade en grön linje vid 501,6 nm . De föreslog att kalla denna andra gas asterium ( Asterium ) från grekiskan. "stjärna". Ramsay och Travers visade dock att heliums spektrum beror på förhållandena: vid ett gastryck på 7-8 mm Hg. Konst. den ljusaste gula linjen; när trycket minskar, ökar intensiteten på den gröna linjen. Heliumatomens spektra förklarades av Heisenberg 1926 [48] (se utbytesinteraktion ). Spektrumet beror på den ömsesidiga riktningen för elektronernas spinn i atomen - en atom med motsatt riktade spinn (som ger en grön linje i det optiska spektrat) kallas parahelium , med co-directional spins (med en gul linje i spektrumet ) ) - ortohelium . Parahellinjer är enkla, ortohellinjer är mycket smala trillingar. Heliumatomen är under normala förhållanden i ett enda ( singlett ) tillstånd. För att överföra en heliumatom till tripletttillståndet måste du tillbringa arbete i 19,77 eV . Heliumatomens övergång från tripletttillståndet till själva singletttillståndet är extremt sällsynt. Ett sådant tillstånd, från vilket en övergång till ett djupare är osannolikt i sig, kallas ett metastabilt tillstånd . En atom kan föras ur ett metastabilt tillstånd till ett stabilt genom att utsätta atomen för yttre påverkan, till exempel genom elektronpåverkan eller genom att kollidera med en annan atom med överföring av excitationsenergin direkt till den senare [49] . I en paraheliumatom (heliums singletttillstånd) är elektronsnurrarna riktade motsatta och det totala spinnmomentet är lika med noll. I tripletttillståndet (ortohelium) är elektronsnurren i samma riktning, det totala spinnmomentet är lika med enhet. Pauli-principen förbjuder två elektroner från att vara i ett tillstånd med samma kvanttal, så elektroner i ortohelets lägsta energitillstånd, som har samma spinn, tvingas ha olika huvudsakliga kvanttal : en elektron är i 1 s -omloppsbanan, och den andra är i de mer avlägsna 2 från kärnans s -orbitaler (skaltillstånd 1 s 2 s ). I parahelium är båda elektronerna i 1 s - tillståndet (skaltillstånd 1 s 2 ).

Spontan interkombination (det vill säga åtföljd av en förändring i det totala spinnet) övergång med fotonemission mellan orto- och parahelium är extremt starkt undertryckt, men icke-strålningsövergångar är möjliga när de interagerar med en infallande elektron eller en annan atom.

I ett kollisionsfritt medium (till exempel i interstellär gas ) är en spontan övergång från det nedre tillståndet av ortohelium 2 3 S 1 till grundtillståndet för parahelium 1 0 S 1 möjlig genom att sända ut två fotoner samtidigt eller som ett resultat av en enda -fotonmagnetisk dipolövergång ( M1). Under dessa förhållanden är den uppskattade livslängden för en ortoheliumatom på grund av tvåfotonernas sönderfall 2 3 S 1 → 1 0 S 1 + 2 γ 2,49⋅10 8 s , eller 7,9 år [50] . De första teoretiska uppskattningarna [51] visade [52] att livslängden på grund av magnetisk-dipolövergången är storleksordningar längre, det vill säga att två-fotons sönderfall dominerar. Bara tre decennier senare, efter den oväntade upptäckten av förbjudna triplett-singlet-övergångar av några heliumliknande joner i solkoronans spektra [53] , fann man [54] att enfotons magnetiska dipolsönderfall av 2 3 S 1 tillstånd är mycket mer sannolikt; livslängden under förfall genom denna kanal är "bara" 8⋅10 3 s [55] .

Livstiden för det första exciterade tillståndet av paraheliumatomen 2 0 S 1 är också extremt lång på atomär skala. Urvalsreglerna för detta tillstånd förbjuder en-fotonövergången 2 0 S 1 → 1 0 S 1 + γ [56] , och för två-fotonavklingningen är livslängden 19,5 ms [50] .

Egenskaper för kondenserade faser

År 1908 kunde H. Kamerling-Onnes för första gången skaffa flytande helium . Fast helium erhölls endast under ett tryck av 25 atmosfärer vid en temperatur av cirka 1 K ( V. Keesom , 1926). Keesom upptäckte också närvaron av en helium-4 fasövergång vid 2,17 K ; han namngav faserna helium-I och helium-II (under 2,17 K ). 1938 upptäckte P. L. Kapitsa att helium-II saknar viskositet (fenomenet superfluiditet ). I helium-3 förekommer superfluiditet endast vid temperaturer under 0,0026 K. Superfluid helium tillhör en klass av så kallade kvantvätskor , vars makroskopiska beteende endast kan beskrivas med hjälp av kvantmekanik .

År 2004 dök ett meddelande upp om upptäckten av superfluiditeten hos fast helium (den så kallade supersolid - effekten ) när man studerade den i en torsionsoscillator, men många forskare är överens om att effekten som upptäcktes 2004 inte har något att göra med superfluiditeten hos en kristall. För närvarande pågår många experimentella och teoretiska studier, vars syfte är att förstå den sanna naturen hos detta fenomen.

Isotoper

Naturligt helium består av två stabila isotoper :fyra
Han ( isotopisk överflöd - 99,99986%) och mycket sällsyntare3
He (0,00014 %; innehållet av helium-3 i olika naturliga källor kan variera inom ganska vida gränser). Ytterligare sex artificiella radioaktiva isotoper av helium är kända.

Transport

För att transportera gasformigt helium används stålcylindrar ( GOST 949-73 ) av brun färg, placerade i specialiserade behållare. Alla typer av transporter kan användas för transport, med förbehåll för relevanta regler för transport av gaser.

För transport av flytande helium används speciella transportkärl av Dewar-typ STG-10, STG-25, etc. av ljusgrå färg med en volym på 10, 25, 40, 250 respektive 500 liter . När vissa transportregler är uppfyllda kan järnväg , väg och andra transportsätt användas . Kärl med flytande helium måste förvaras i upprätt läge.

Applikation

Helium används ofta i industrin och den nationella ekonomin:

inom metallurgi som en skyddande inert gas för smältning av rena metaller ;
inom livsmedelsindustrin (registrerad som livsmedelstillsats E939 ) som drivmedel och förpackningsgas;
som ett köldmedium för att erhålla ultralåga temperaturer (särskilt för att överföra metaller till ett supraledande tillstånd);
för att fylla flygfartyg ( luftskepp och ballonger ) - med en liten förlust i lyft jämfört med väte är helium absolut säkert på grund av dess obrännbarhet;
i andningsblandningar för djupdykning (se Dykcylinder );
för att fylla ballonger och skal av meteorologiska sonder ;
för fyllning av gasutloppsrör;
som kylmedel i vissa typer av kärnreaktorer ;
som bärare vid gaskromatografi ;
för att söka efter läckor i rörledningar och pannor (se Helium läckagedetektor );
som en komponent av arbetsvätskan i helium- neonlasrar ;
som utfyllnad i vissa moderna modeller av hårddiskar ;
för att fylla kolvarna av LED-glödlampor, vilket gör att du effektivt kan ta bort värme från LED-trådarna.

Dessutom nukliden3
Han används som arbetssubstans i gasformiga neutrondetektorer, inklusive positionskänsliga , i tekniken för neutronspridning som en polarisator . Helium-3 är också ett lovande bränsle för termonukleär energi . Upplösningen av helium-3 i helium-4 används för att erhålla ultralåga temperaturer.

I geologi

Helium är en praktisk indikator för geologer . Med hjälp av heliumavbildning [57] är det möjligt att fastställa platsen för djupa förkastningar på jordens yta . Helium, som en produkt av sönderfallet av radioaktiva grundämnen som mättar det övre lagret av jordskorpan , sipprar genom sprickor och stiger upp i atmosfären. Nära sådana sprickor, och särskilt vid deras korsningar, är heliumkoncentrationen högre. Detta fenomen etablerades först av den sovjetiske geofysikern I. N. Yanitsky under sökandet efter uranmalmer . Detta mönster används för att studera jordens djupa struktur och söka efter malmer av icke-järnhaltiga och sällsynta metaller [58] .

Helium kan också användas för att detektera geotermiska källor . Enligt publicerade studier överstiger heliumkoncentrationerna i markgas över geotermiska källor bakgrundsvärdena med 20–200 gånger [59] .

Förhöjda heliumkoncentrationer i markgas kan indikera närvaron av uranavlagringar [60]

Militära applikationer

Första världskriget - tankning av militära luftskepp i USA och Tyskland.
1930-1960-talet - man trodde felaktigt att heliumextraktioner kunde användas för att söka efter uranmalmer [61] . Redan 1911 motsatte sig M. Sklodowska-Curie detta .
Sedan 1950-talet - rensa bränsletankarna från flytande raketer .

Inom astronomi

Asteroiden (895) Helio , upptäcktes 1918, är uppkallad efter helium .

Biologisk roll

Helium har, så vitt man vet, ingen biologisk funktion.

Fysiologisk verkan

Även om inerta gaser har en bedövningseffekt , manifesteras denna effekt inte i helium och neon vid atmosfärstryck , medan med en ökning av trycket symtom på "högtrycksnervös syndrom" (HPP) uppträder tidigare [62] .
Innehållet av helium i höga koncentrationer (mer än 80 %) i den inhalerade blandningen kan orsaka yrsel, illamående, kräkningar, medvetslöshet och död på grund av asfyxi (till följd av syresvält och gasemboli ) [63] . Ett enda andetag av rent helium, till exempel från en heliumballong, har ofta en liknande effekt. Precis som vid inandning av andra inerta gaser, på grund av bristen på smak och lukt, uppstår ofta oväntad medvetslöshet vid inandning av höga koncentrationer.
När man andas in helium blir röstens klang tunn , liknande kvackningen av en anka [64] . Högre än i luft, ljudhastigheten i helium, ceteris paribus (till exempel temperatur ) ökar resonansfrekvensen i röstkanalen (som en behållare fylld med gas).

Hälsorisker

Inandning av helium kan vara hälsofarligt på grund av att syre inte kommer in i lungorna, däremot anses heliox och trimix (syre, kväve, helium) vara relativt säkra andningsblandningar [65] [66] [67] .

Se även

Isotoper av helium : helium-2 (diproton) , helium-3 , helium-4 .
Aggregat tillstånd : flytande helium , fast helium .
Heliemetri är en vetenskap som studerar heliums passage genom olika medier.
Heliumundersökning är en av metoderna för geokemisk utforskning.
Pomeranchuk-effekten är den anomala karaktären av smältningen (eller stelnandet) av en lätt isotop av helium3
Han .

Anteckningar

↑ 1 2 Meija J. , Coplen T. B. , Berglund M., Brand W. A., Bièvre P. D., Gröning M., Holden N. E., Irrgeher J., Loss R. D., Walczyk T. et al. Grundämnenas atomvikter 2005 (IUPAC Technical Report) (engelska) // Pure and Applied Chemistry - IUPAC , 2016. - Vol. 88, Iss. 3. - ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925 - doi:10.1515/PAC-2015-0305
↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Grundämnenas atomvikter 2011 (IUPAC Technical Report ) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , nr. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ 1 2 3 Storlek på helium i flera miljöer . www.webelements.com. Hämtad 10 juli 2009. Arkiverad från originalet 19 december 2008.
↑ 1 2 3 4 5 Sokolov V. B. Helium // Chemical Encyclopedia : i 5 volymer / Kap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 513-514. — 623 sid. — 100 000 exemplar. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Berdonosov S.S. Helium . Great Russian Encyclopedia (2016). Hämtad 31 december 2019. Arkiverad från originalet 31 december 2019. (ryska)
↑ Kochhar RK Franska astronomer i Indien under 1600- och 1800-talen // Journal of the British Astronomical Association. - 1991. - Vol. 101 , nr. 2 . - S. 95-100 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Finkelstein D. N. Upptäckt av inerta gaser och Mendeleevs periodiska lag // Inerta gaser . - Ed. 2:a. - M . : Nauka , 1979. - S. 40-46. — (Vetenskapliga och tekniska framsteg). - 19 000 exemplar.
↑ Langlet NA Das Atomgewicht des Heliums (tyska) // Zeitschrift für anorganische Chemie. - 1895. - Bd. 10, nr 1 . - S. 289-292 . - doi : 10.1002/zaac.18950100130 .
↑ Weaver, ER Bibliography of Helium Literature // Industrial & Engineering Chemistry. — 1919.
↑ Aaron John Ihde. Kapitel 14. Oorganisk kemi I. Grundläggande utveckling // Utvecklingen av modern kemi . - Ed. 2:a. - M . : Courier Dover Publications, 1984. - S. 373. - 851 sid. — ISBN 0486642356 .
↑ 1 2 3 4 Fastovsky V. G., Rovinsky A. E., Petrovsky Yu. V. Inerta gaser. - Ed. 2:a. - M .: Atomizdat , 1972. - S. 3-13. — 352 sid. - 2400 exemplar.
↑ Lockyer JN Berättelsen om helium // Naturen. - 1896. - Vol. 53, nr 1372 . - s. 342-346.
↑ Okunev V. S. Grunderna i tillämpad kärnfysik och introduktion till reaktorfysik. — 2:a uppl., rättad. och ytterligare - M . : Förlag av MSTU im. N. E. Bauman, 2015. - S. 138.
↑ Bronstein M. P. Solmateria; Strålar x; Uppfinnare av radiotelegrafen. - M . : TERRA - Bokklubben, 2002. - 224 sid. - (Världen omkring oss). — ISBN 5-275-00531-8 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D. N. Helium // Inerta gaser . - Ed. 2:a. - M . : Nauka , 1979. - S. 111-128. — (Vetenskapliga och tekniska framsteg). - 19 000 exemplar.
↑ Kapitsa P. L. Viskositet för flytande helium under λ-punkten (engelska) // Nature . - 1938. - Vol. 141 . — S. 74.
↑ Rubinin P. E. , Dmitriev V. V. Akademiker P. L. Kapitsa. Egenskaper av flytande helium // Priroda. - 1997. - Nr 12 . Arkiverad från originalet den 21 februari 2016.
↑ Aruev N. N. , Neronov Yu . - 2012. - T. 82 , nr 11 . - S. 116-121 . Arkiverad från originalet den 14 januari 2020.
↑ Helium: geologisk information . www.webelements.com. Hämtad 11 juli 2009. Arkiverad från originalet 4 augusti 2020.
↑ Hawking S., Mlodinov L. Kapitel åtta. The Big Bang, Black Holes and the Evolution of the Universum // The Shortest History of Time. - St Petersburg. : Amfora . TID Amphora, 2006. - S. 79-98. — 180 s. - 5000 exemplar. - ISBN 5-367-00164-5 .
↑ Weinberg S. V. De första tre minuterna // De första tre minuterna: Ett modernt perspektiv på universums uppkomst . - Ed. 2:a. - Izhevsk: Forskningscentrum "Regular and Chaotic Dynamics", 2000. - S. 105-122. — 272 sid. - 1000 exemplar. — ISBN 5-93972-013-7 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D.N. Kapitel IV. Inerta gaser på jorden och i rymden // Inerta gaser . - Ed. 2:a. - M . : Nauka , 1979. - S. 76-110. — 200 s. - ("Vetenskap och tekniska framsteg"). - 19 000 exemplar.
↑ Överflöd i jordskorpan (eng.) (otillgänglig länk) . www.webelements.com. Hämtad 11 juli 2009. Arkiverad från originalet 23 maj 2008.
↑ Samarium är, liksom uran och torium, ett naturligt förekommande alfa-radioaktivt grundämne.
↑ Forskare upptäckte precis ett enormt fält av dyrbar heliumgas i Afrika . Hämtad 28 juni 2016. Arkiverad från originalet 29 juni 2016. (obestämd)
↑ Kovykta gaskondensatfält . Hämtad 5 augusti 2019. Arkiverad från originalet 5 augusti 2019. (obestämd)
↑ Chayandinskoye olje- och gaskondensatfält . Hämtad 5 augusti 2019. Arkiverad från originalet 5 augusti 2019. (obestämd)
↑ Världsheliummarknad - Gazprom Helium Service LLC . Hämtad 2 maj 2021. Arkiverad från originalet 2 maj 2021. (obestämd)
↑ Flyg till solen: ett nytt ryskt företag kommer att påverka den globala heliummarknaden // Rambler, 18 januari 2020
↑ Huvudleverantören av helium var OGZ . Hämtad 9 juni 2010. Arkiverad från originalet 9 maj 2010. (obestämd)
↑ Putin deltog i lanseringen av Amur-gasbehandlingsanläggningen . Hämtad 9 juni 2021. Arkiverad från originalet 9 juni 2021. (obestämd)
↑ The New York Times : Som ett resultat av ett genombrott inom heliumproduktion kan världen bli beroende av Ryssland Arkiverad 9 december 2020 på Wayback Machine
↑ INK kommer att bygga den andra heliumfabriken i Irkutsk-regionen . Hämtad 29 september 2021. Arkiverad från originalet 29 september 2021. (obestämd)
↑ Petroleum Technology Arkiverad 7 september 2012 på Wayback Machine . Teori och praktik. 2009(4) ISSN 2070-5379.
↑ Ökad kapacitet . Hämtad 11 mars 2021. Arkiverad från originalet 23 april 2021. (obestämd)
↑ Munster A. , Chemical thermodynamics, 2002 , sid. 222.
↑ 1 2 Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. , Physics, 1984 , sid. 121.
↑ Glagolev K.V., Morozov A.N. , Physical thermodynamics, 2007 , sid. 241.
↑ Brodyansky V. M. , Från fast vatten till flytande helium, 1995 , sid. 253.
↑ Faustovsky V.G., Rovynsky A.E. Petrovsky Yu.V. inerta gaser. - Ed. 2. - M .: Atomizdat , 1972. - 352 sid.
↑ Den första stabila heliumföreningen • Dagens bild . "Element" . Hämtad: 21 oktober 2022. (ryska)
↑ Alexander Voytyuk. Helium tvingades skapa en stabil kemisk förening . N+1: vetenskapliga artiklar, nyheter, upptäckter . Hämtad: 21 oktober 2022. (ryska)
↑ L. Pauling . Den kemiska bindningens natur / översättning från engelska. M.E. Dyatkina, red. prof. Ja, K. Syrkina. - M. - L. : GNTI Chemical Literature, 1947. - S. 262. - 440 sid.
↑ 1 2 3 Mc Carty RD Termodynamiska egenskaper för helium 4 från 2 till 1500 K vid tryck till 10 8 Pa // Journal of Physical and Chemical Reference Data. - 1973. - Vol. 2 , nr. 4 . - P. 923-1042 . — ISSN 0047-2689 . - doi : 10.1063/1.3253133 .
↑ Helium - Elementinformation, egenskaper och användningar | Periodiska systemet . www.rsc.org . Hämtad: 21 oktober 2022. (obestämd)
↑ Hampel CA Encyclopedia of the Chemical Elements. - New York: Van Nostrand Reinhold, 1968. - S. 256–268. — ISBN 978-0-442-15598-8 .
↑ Elements egenskaper: Del I. Fysikaliska egenskaper / Ed. G. V. Samsonova. - 2:a uppl. - M . : Metallurgi, 1976. - S. 366. - 600 sid. — 15 000 exemplar.
↑ W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
↑ Frish S. E. Optiska spektra av atomer. - M. - L .: Förlag för fysisk och matematisk litteratur , 1963. - S. 69-71. — 640 sid.
↑ 1 2 G. W. F. Drake, G. A. Victor, A. Dalgarno. Två-foton sönderfall av singlett- och triplettmetastabila tillstånd av heliumliknande joner. Phys. Varv. 180, 25-32 (1969).
↑ G. Breit och E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
↑ RD Knight. Livstid för det metastabila 2 3 S 1 - tillståndet i lagrade Li + joner. - Doktorsavhandling. Lawrence Berkeley Laboratory. - 1979. - 136 sid.
↑ A. H. Gabriel och C. Jordan. Långvåglängdssatelliter till de hanliknande jonresonanslinjerna i laboratoriet och i solen Arkiverade 31 augusti 2010 vid Wayback Machine . Nature 221, 947 (1969).
↑ HR Griem, spontant singelfoton-sönderfall av 2 3 S 1 i heliumliknande joner . Astrofys. J. 156, L103 (1969).
↑ G. Feinberg, J. Sucher. Beräkning av sönderfallshastigheten för 2 3 S 1 → 1 1 S 0 + en foton i helium . Phys. Varv. Lett. 26, 681-684 (1971).
↑ Detta förklaras av symmetriöverväganden. Både de initiala och slutliga tillstånden för atomen är sfäriskt symmetriska och har inte en föredragen riktning - båda elektronerna är i s- tillståndet, och det totala spinmomentet är också noll. Emissionen av en foton med ett visst momentum kräver kränkning av denna symmetri.
↑ Heliumstudier bekräftar förekomsten av olja på Aysky-blocket i Ryssland (otillgänglig länk) . Hämtad 21 oktober 2011. Arkiverad från originalet 2 april 2015. (obestämd)
↑ Statligt register över upptäckter av Sovjetunionen . Yanitsky I. N. Vetenskaplig upptäckt nr 68 "Mönster för distribution av heliumkoncentration i jordskorpan"
↑ Heliumundersökning, en möjlig teknik för att lokalisera geotermiska reservoarer. Alan A. Roberts, Irving Friedman, Terrence J. Donovan, Edward H. Denton. US Geological Survey, Denver, Colorado 80225 .
↑ Helium Soil Gas Survey of Aurora Uranium Deposit, McDermitt Caldera Complex, Oregon. G. Michael Reimer. US Geological Survey, Branch of Isotope Geology, Denver, Colorado Arkiverad 1 februari 2016 på Wayback Machine .
↑ Musichenko N. I. Mönster för heliumfördelning i jordskorpan och deras betydelse vid geokemiska sökningar efter avlagringar av gas, olja och radioaktiva element [Text]: (Metod. rekommendationer) / N. I. Musichenko, V. V. Ivanov; Ministeriet för geologi i Sovjetunionen. All-Union. vetenskaplig forskning Institutet för kärngeofysik och geokemi "VNIYAGG". - Moskva: [f. and.], 1970. - 228 s., 1 ark.
↑ Pavlov B.N. Problemet med mänskligt skydd under extrema förhållanden i en hyperbar livsmiljö (otillgänglig länk) . www.argonavt.com (15 maj 2007). Tillträdesdatum: 6 juli 2009. Arkiverad från originalet den 21 augusti 2011. (ryska)
↑ Zotov P. B., Skryabin E. G., Reichert L. I., Zhmurov V. A., Spaderova N. N., Bukhna A. G., Zenkevich A. A., Plotnikova D. S. Helium bland medel för självmordshandlingar // Suicidologi. - 2022. - V. 13, nr 2 (47). - S. 92-116. — ISSN 2224-1264 . — doi : 10.32878/suiciderus.22-13-02(47)-92-116 .
↑ V. N. Viter. Experiment med helium del 8 . Hämtad 16 december 2014. Arkiverad från originalet 15 september 2014. (obestämd)
↑ Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid. Suicidal kvävning med helium: Rapport om tre fall / Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle (tyska, engelska) // Wiener Klinische Wochenschrift. - 2007. - T. 119 , nr 9-10 . - S. 323-325 . - doi : 10.1007/s00508-007-0785-4 . — PMID 17571238 .
↑ Montgomery B. . 2 hittades döda under tömd ballong , Tampa Bay Times (3 juni 2006). Arkiverad från originalet den 30 december 2013. Hämtad 27 september 2016.
↑ Två studenter dör efter att ha andats helium , CBC (4 juni 2006). Arkiverad från originalet den 31 december 2013. Hämtad 27 september 2016.

Litteratur

Brodyansky V. M. Från fast vatten till flytande helium (historia av kyla) . — M .: Energoatomizdat , 1995. — 336 sid. - (Populärvetenskapliga studentens bibliotek). — ISBN 5-283-00176-8.
Glagolev KV, Morozov AN Fysisk termodynamik. — 2:a uppl., rättad. - M . : Förlag av MSTU im. N. E. Bauman, 2007. - 270 sid. — (Fysik vid tekniska högskolan). - ISBN 978-5-7038-3026-0.
Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. Fysik för sekundära specialpedagogiska institutioner. - 4:e upplagan, Rev. — M .: Nauka, 1984. — 512 sid.
Münster A. Kemisk termodynamik / Per. med honom. under. ed. motsvarande medlem USSR:s vetenskapsakademiYa. I. Gerasimova. - 2:a uppl., raderad. -M.: URSS, 2002. - 296 sid. — ISBN 5-354-00217-6.
Evdosjenko Yu.V. Hur sovjetiskt helium upptäcktes. Till hundraårsjubileet av heliumindustrin i Ryssland // Gasaffär. 2022. Nr 2. S. 79-86 .

Länkar

Helium on Webelements Arkiverad 9 maj 2008 på Wayback Machine .
Helium på Popular Library of Chemical Elements Arkiverad 20 januari 2007 på Wayback Machine .
Helium Shot Arkiverad 23 januari 2022 på Wayback Machine .
Heliumundersökning vid Rustamovskaya-området och Aisky-blocket i Bashkiria Arkivexemplar daterad 27 augusti 2016 vid Wayback Machine .

Ordböcker och uppslagsverk

Stor dansk
Stor norsk
Stor ryss
Great Soviet (1 upplaga)
Brockhaus och Efron
runt världen
Litet Brockhaus och Efron
Britannica (online)
Brockhaus
Treccani
Universalis

I bibliografiska kataloger
BNF : 11978648w GND : 4132459-6 J9U : 987007555644805171 LCCN : sh85060043 NDL : 00563132 NKC : ph503003

Isotoper av helium
Stall: 3 He: Helium-3 , 4 He: Helium-4 Instabil (mindre än en dag) : 2 He: Helium-2 ( Diproton ), 5 He: Helium-5 , 6 He: Helium-6 , 7 He: Helium-7 , 8 He: Helium-8 , 9 He: Helium -9 , 10 He: Helium-10
se även. Helium , Tabell över nuklider