Hvor dukkede appelsiner op første gang? Der er beviser for, at orange var kendt i Kina for mindst 4000 år siden! Der er to typer appelsintræfrugter - søde og sure. Den sure appelsin var den første, der blev dyrket i Europa. Han var kendt af maurerne, som fangede

Hvornår blev nøglen først lavet? De gamle egyptere var de første til at bruge noget som en nøgle til at låse døre. De låste dørene med en træbolt indsat i en rille. En bevægelig træstift, kendt som en tumbler, blev fastgjort oven på rillen. Hvornår

Hvor blev de første valg afholdt? Ordet "valg" kommer fra latin, hvor det også betyder "at træffe et valg". Ved valg følte folk, at de havde ret til at vælge deres leder. Og sådan var det i tusinder af år. Gamle jøder og grækere kæmpede for det

Louis Pasteur: fjende opdaget! Mange af de sygdomme, som vi kalder smitsomme i dag, var også kendt af oldtidens folk. De tiltrak sig opmærksomhed ved, at de fik karakter af massesygdomme - epidemier, og var kendetegnet ved deres alvorlige forløb og død.

Hvor begyndte guldudvinding først? Spor af den første guldminedrift blev opdaget i Egypten. Egypterne begyndte at udvinde guld for mere end 5.000 år siden. Vi har også beviser for, at assyrerne for omkring 4.500 år siden kæmpede med deres naboer for at få guld. Også herskerne i Grækenland og Rom

Adlyder ikke den klassiske mekaniks love. Forskere forsøger at opklare mysteriet om helium-4. Det er en let, ikke-radioaktiv isotop af grundstoffet. Faktisk tegner det sig for 99,9% af heliumet på Jorden.

Så hvis den 4. isotop afkøles til -271 grader Celsius, opnås en væske. Kun dens egenskaber er ikke typiske for en væske. For eksempel observeres superfluiditet.

Hvis du placerer helium ind i et kar og placer det lodret, vil væsken overtræde tyngdelovene. Efter et par minutter vil indholdet af beholderen flyde ud af det. Heraf følger det helium – grundstof nysgerrig, og nysgerrigheden skal stilles. Lad os begynde at stifte bekendtskab med materiens egenskaber.

Heliums egenskaber

Ikke. Dette er ikke en partikel af negation, men en betegnelse for det 2. element i det periodiske system, dvs. helium. Gas i sin normale tilstand tykner den kun ved minusgrader. Desuden bør dette minus være et par hundrede grader Celsius.

På samme tid, i egenskaber ved heliumgas uopløselighed i vand er inkluderet. Det vil sige, hvis det ikke selv er det, så er dets molekyler i én fase, uden at bevæge sig ind i andre. I mellemtiden er det ændringen af ​​faser af et stof, der bestemmer dannelsen af ​​en opløsning.

Helium er en inert gas. Dens inerti manifesteres ikke kun i manglen på "ønske" om at opløses i vand. Stoffet har ikke travlt med at indgå i andre reaktioner. Årsag: - stabil ydre skal af atomet.

Den indeholder 2 elektroner. Det er svært at bryde et stærkt par, det vil sige at fjerne en af ​​partiklerne fra et atoms skal. Derfor blev helium ikke opdaget under kemiske eksperimenter, men under en spektroskopisk undersøgelse af prominenser.

Dette skete i anden halvdel af 1800-tallet. Andre inerte gasser, og der er 6 af dem, blev opdaget endnu senere. Omtrent samtidig, det vil sige i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, var det muligt at omdanne helium til flydende form.

Helium - monoatomisk Gas uden smag eller lugt. Dette er også et udtryk for grundstoffets inerti. Han kommunikerer kun med tre "kolleger" i det periodiske system, -, og. Selve reaktionen vil ikke køre.

Du har brug for ultraviolet lys eller elektrisk stød. Men for at helium kan "undslippe" fra et reagensglas eller en anden volumetrisk krop, er der ingen indsats nødvendig. Det 2. element har den laveste adsorption, det vil sige evnen til at koncentrere sig på et plan eller i volumen.

butik heliumgas i cylindere. De skal være helt lufttætte. Ellers vil adsorption spille en grusom spøg med leverandører. Stoffet vil sive gennem de mindste sprækker. Og hvis cylindrene var lavet af porøst materiale, ville helium undslippe gennem det.

Helium gas densitet 7 gange ringere end ilt. Sidstnævnte indikator er 1,3 kg per kubikmeter. Helium har en densitet på kun 0,2 kg. Derfor er helten let. Molær masse af helium svarende til 4 gram pr. mol.

Til sammenligning har luft som helhed en indikator på 29 gram. Det bliver tydeligt, hvorfor det er populært helium til balloner. Forskellen i masserne af 2. element og luft bruges på at løfte byrder. Husk at en muldvarp er lig med 22 liter. Det viser sig, at 22 liter helium er i stand til at løfte en byrde på 25 gram. En kubikmeter gas vil allerede bære mere end et kilogram.

Endelig bemærker vi, at helium har fremragende elektrisk ledningsevne. Det gælder i hvert fald for gasser. Blandt dem er 2'eren ikke længere på andenpladsen, men på førstepladsen. Men med hensyn til indhold på Jorden er helium ikke en leder. I atmosfæren på planeten af ​​artiklens helt er der milliontedele af en procent. Så hvor kommer gassen fra? At fiske den ud af atmosfæren er upraktisk.

Helium ekstraktion

Helium formel er en komponent ikke kun af atmosfæren, men også af det naturlige miljø. Indholdet af 2. element varierer også i forskellige aflejringer. I for eksempel er de rigeste heliumforekomster i Fjernøsten og det østlige Sibirien.

Gasfelterne i disse regioner er dog dårligt udviklede. Heliumindholdet på 0,2-0,8 procent fremmer deres udvikling. Indtil videre udvindes det kun på én forekomst i landet. Den ligger i Orenburg og er anerkendt som fattig på helium. Alligevel produceres der 5.000.000 kubikmeter gas om året.

Den globale heliumproduktion om året er 175.000.000 kubikmeter. Samtidig er gasreserverne 41 milliarder kubikmeter. De fleste af dem er gemt i dybet af Algeriet, Qatar og USA. også med på listen.

Helium opnås fra naturgas ved lavtemperaturkondensering. Resultatet er et koncentrat af det 2. grundstof med dets indhold på mindst 80 %. Yderligere 20 % kommer fra argon, neon, metan og nitrogen. Hvilken gas er helium? blander sig? Ingen. Men urenheder generer folk. Derfor renses koncentratet, så 80% af det 2. grundstof bliver til 100%.

Problemet er, at der også er 100 % sikkerhed for, at planeten vil stå over for en heliummangel. I 2030 skal det globale gasforbrug nå op på 300.000.000 kubikmeter.

Heliumproduktionen om 10 år vil ikke kunne krydse 240.000.000-grænsen på grund af mangel på råvarer. Det er en ikke-fornyelig ressource. Den anden frigives lidt efter lidt under henfaldet af radioaktive bjergarter.

Hastigheden af ​​naturlig produktion kan ikke følge med menneskers behov. Derfor forudser eksperter et kraftigt hop i heliumpriserne. Indtil videre bliver den lave værdi afskrevet ved salget af den amerikanske reservefond, som er blevet urentabel for landet at opretholde.

Den nationale reserve blev oprettet i begyndelsen af ​​forrige århundrede for at fylde militære luftskibe og kommercielle fly. Lagerfaciliteten er placeret i Texas.

Anvendelse af helium

Helium kan findes i raketbrændstoftanke. Der støder 2. til flydende brint. Kun helium er på samme tid i stand til at forblive gasformigt og skaber derfor det nødvendige tryk i motortankene.

At fylde balloner er en anden opgave, hvor det er praktisk helium gas. Kulsyre, for eksempel passer den ikke, fordi den er tung. Lettere end helium kun en gas, dette er brint. Bortset fra det er eksplosivt.

I begyndelsen af ​​forrige århundrede blev Hindenburg-luftskibet fyldt med brint og så det antændte under flyvningen. Siden da er det blevet lavet til fordel for inert, omend lidt tungere, helium.

Helium er også populært som kølemiddel. Anvendelsen er relateret til gassens evne til at generere ultralave temperaturer. Helium købes til hadron-kollidere og kernemagnetiske resonansspektrometre. Det andet element bruges på samme måde i MR-maskiner. Der pumpes helium ind i superledere.

Mange mennesker har gennemgået MR. Scannere ved kassediske, der aflæser stregkoder, er også tæt på masseforbrugeren. Så helium og neon pumpes ind i butikslasere. Separat placeres helium i ionmikroskoper. De giver et bedre billede end elektroniske, man kan sige, de læser også data.

I klimaanlæg er det andet nødvendigt for at diagnosticere lækager. Superpermeabiliteten af ​​artiklens helt er nyttig. Hvis den finder et sted at lække, betyder det, at andre komponenter også kan "lække".

Vi taler om bilklimaanlæg. Airbags er i øvrigt også fyldt med helium. Det siver hurtigere ned i livreddende beholdere end andre gasser.

Helium pris

Farvel, videre pris på heliumgas svarende til cirka 1.300 rubler pr. halvanden kubikmeter. De rummer 10 liter af 2. element. Der er cylindre på 40 liter. Det er næsten 6 kubikmeter helium. Prisen for 40-liters pakker er cirka 4.500.

Forresten, for større tæthed sættes beskyttelsesdæksler på gasflasker. De koster normalt også omkring 300 rubler for en 40-liters beholder og 150 rubler for 10-liters cylindre.

Helium er en virkelig ædelgas. Det har endnu ikke været muligt at tvinge ham til nogen reaktion. Heliummolekylet er monoatomisk.

Med hensyn til lethed er denne gas kun næst efter brint; luft er 7,25 gange tungere end helium.

Helium er næsten uopløseligt i vand og andre væsker. Og på samme måde opløses ikke et eneste stof mærkbart i flydende helium.

Fast helium kan ikke opnås ved nogen temperatur, medmindre trykket øges.

I historien om opdagelsen, forskningen og anvendelsen af ​​dette element kan navnene på mange fremtrædende fysikere og kemikere fra forskellige lande findes. De var interesserede i helium og arbejdede med helium: Jansen (Frankrig), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (England), Palmieri (Italien), Keesom, Kamerlingh-Onnes (Holland), Feynman, Onsager (USA), Kapitza, Kikoin , Landau (Sovjetunionen) og mange andre fremtrædende videnskabsmænd.

Heliumatomets unikke udseende er bestemt af kombinationen af ​​to fantastiske naturlige strukturer - absolutte mestre i kompakthed og styrke. I kernen af ​​helium, helium-4, er begge intranukleare skaller mættede - både proton og neutron. Den elektroniske dublet, der indrammer denne kerne, er også mættet. Disse designs har nøglen til at forstå heliums egenskaber. Dette er kilden til dets fænomenale kemiske inertitet og den rekord lille størrelse af dets atom.

Rollen af ​​heliumatomets kerne - alfa-partiklen - er enorm i historien om dannelsen og udviklingen af ​​kernefysik. Hvis du husker, var det studiet af alfapartikelspredning, der førte Rutherford til opdagelsen af ​​atomkernen. Ved at bombardere nitrogen med alfapartikler blev indbyrdes omdannelse af grundstoffer opnået for første gang - noget som mange generationer af alkymister havde drømt om i århundreder. Sandt nok var det i denne reaktion ikke kviksølv, der blev til guld, men nitrogen til ilt, men det er næsten lige så svært at gøre. De samme alfapartikler var involveret i opdagelsen af ​​neutronen og produktionen af ​​den første kunstige isotop. Senere blev curium, berkelium, californium og mendelevium syntetiseret ved hjælp af alfapartikler.

Vi har kun oplistet disse kendsgerninger til ét formål - at vise, at element nr. 2 er et meget usædvanligt element.

Terrestrisk helium

Helium er et usædvanligt grundstof, og dets historie er usædvanligt. Det blev opdaget i solatmosfæren 13 år tidligere end på Jorden. Mere præcist blev der opdaget en lys gul D-linje i solkoronaens spektrum, og hvad der gemte sig bag den blev først pålideligt kendt, efter at helium blev udvundet af jordiske mineraler indeholdende radioaktive grundstoffer.

Helium i Solen blev opdaget af franskmanden J. Jansen, der udførte sine observationer i Indien den 19. august 1868, og englænderen J.H. Lockyer - 20. oktober samme år. Breve fra begge videnskabsmænd ankom til Paris samme dag og blev læst på et møde i Paris Academy of Sciences den 26. oktober med et interval på flere minutter. Akademikere, forbløffet over et så mærkeligt tilfælde, besluttede at slå en guldmedalje ud til ære for denne begivenhed.

I 1881 rapporterede den italienske videnskabsmand Palmieri opdagelsen af ​​helium i vulkanske gasser. Men hans besked, som senere blev bekræftet, blev taget alvorligt af få videnskabsmænd. Terrestrisk helium blev opdaget igen af ​​Ramsay i 1895.

Der er 29 isotoper i jordskorpen, hvis radioaktive henfald producerer alfapartikler - højaktive højenergikerner af heliumatomer.

Grundlæggende dannes terrestrisk helium under det radioaktive henfald af uranium-238, uranium-235, thorium og ustabile produkter af deres henfald. Usammenligneligt mindre mængder helium produceres af det langsomme henfald af samarium-147 og bismuth. Alle disse grundstoffer genererer kun den tunge isotop af helium - 4 He, hvis atomer kan betragtes som rester af alfapartikler begravet i en skal af to parrede elektroner - i en elektrondublet. I tidlige geologiske perioder var der sandsynligvis andre naturligt radioaktive rækker af grundstoffer, der allerede var forsvundet fra Jordens overflade, og mættede planeten med helium. En af dem var den nu kunstigt genskabte neptunium-serie.

Ud fra mængden af ​​helium, der er låst i en sten eller et mineral, kan man bedømme dens absolutte alder. Disse målinger er baseret på lovene for radioaktivt henfald: for eksempel bliver halvdelen af ​​uran-238 til helium og bly om 4,52 milliarder år.

Helium ophobes langsomt i jordskorpen. Et ton granit indeholdende 2 g uran og 10 g thorium producerer kun 0,09 mg helium over en million år - en halv kubikcentimeter. De meget få mineraler, der er rige på uran og thorium, har et ret højt heliumindhold - adskillige kubikcentimeter helium pr. gram. Imidlertid er andelen af ​​disse mineraler i naturlig heliumproduktion tæt på nul, da de er meget sjældne.

Naturlige forbindelser, der indeholder alfa-aktive isotoper, er kun en primær kilde, men ikke et råmateriale til industriel produktion af helium. Det er sandt, at nogle mineraler med en tæt struktur - indfødte metaller, magnetit, granat, apatit, zirkon og andre - fastholder heliumet i dem. Men over tid gennemgår de fleste mineraler processer med forvitring, omkrystallisation osv., og helium forlader dem.

Heliumbobler frigivet fra krystallinske strukturer begiver sig ud på en rejse hen over jordskorpen. En meget lille del af dem opløses i grundvandet. For at danne mere eller mindre koncentrerede heliumopløsninger kræves særlige forhold, primært høje tryk. En anden del af det vandrende helium slipper ud i atmosfæren gennem porerne og sprækkerne af mineraler. De resterende gasmolekyler falder i underjordiske fælder, hvor de akkumuleres i titusinder eller hundreder af millioner af år. Fælderne er lag af løse sten, hvis hulrum er fyldt med gas. Sengen til sådanne gasreservoirer er normalt vand og olie, og på toppen er de dækket af gasuigennemtrængelige lag af tætte klipper.

Da andre gasser (hovedsageligt metan, nitrogen, kuldioxid) også rejser i jordskorpen, og i meget større mængder, eksisterer der ikke rene heliumophobninger. Helium er til stede i naturgasser som en mindre urenhed. Dens indhold overstiger ikke tusindedele, hundrededele og sjældent tiendedele af en procent. Stort (1,5...10%) heliumindhold i methan-nitrogenaflejringer er et yderst sjældent fænomen.

Naturgas viste sig at være praktisk talt den eneste kilde til råmaterialer til industriel produktion af helium. For at adskille det fra andre gasser bruges heliums exceptionelle flygtighed, der er forbundet med dets lave fortætningstemperatur. Efter at alle andre komponenter i naturgassen er kondenseret under dyb afkøling, pumpes heliumgassen ud. Derefter renses det for urenheder. Renheden af ​​fabrikshelium når 99,995%.

Heliumreserver på Jorden anslås til 5·10 14 m 3 ; at dømme ud fra beregninger blev der dannet titusinder gange mere af det i jordskorpen over 2 milliarder år. Denne uoverensstemmelse mellem teori og praksis er ganske forståelig. Helium er en let gas og slipper ligesom brint (omend langsommere) ikke ud fra atmosfæren til det ydre rum. Sandsynligvis under jordens eksistens blev helium på vores planet gentagne gange fornyet - den gamle fordampede i rummet, og i stedet for det kom frisk helium ind i atmosfæren - "udåndet" af Jorden.

Der er mindst 200 tusind gange mere helium i lithosfæren end i atmosfæren; Endnu mere potentielt helium er lagret i jordens "livmoder" - i alfa-aktive elementer. Men det samlede indhold af dette grundstof i Jorden og atmosfæren er lille. Helium er en sjælden og diffus gasart. Der er kun 0,003 mg helium pr. 1 kg jordisk materiale, og dets indhold i luften er 0,00052 volumenprocent. En så lav koncentration giver endnu ikke mulighed for økonomisk udvinding af helium fra luften.

Helium i universet

Vores planets indre og atmosfære er fattige på helium. Men det betyder ikke, at der er lidt af det overalt i universet. Ifølge moderne skøn er 76 % af den kosmiske masse brint og 23 % helium; kun 1 % tilbage for alle andre elementer! Således kan verdens stof kaldes brint-helium. Disse to elementer dominerer stjerner, planetariske tåger og interstellar gas.

Ris. 1. Elementoverflodskurver på Jorden (øverst) og i rummet.
Den "kosmiske" kurve afspejler brints og heliums enestående rolle i universet og heliumgruppens særlige betydning i atomkernens struktur. Den største relative overflod er de grundstoffer og de isotoper, hvis massetal er opdelt i fire: 16 O, 20 Ne, 24 Mg osv.

Sandsynligvis indeholder alle planeter i solsystemet radiogent (dannet under alfa-henfald) helium, og store indeholder også relikt helium fra rummet. Helium er rigeligt til stede i Jupiters atmosfære: ifølge nogle data er det 33%, ifølge andre - 17%. Denne opdagelse dannede grundlaget for plottet af en af ​​historierne om den berømte videnskabsmand og science fiction-forfatter A. Azimov. I centrum af historien er en plan (muligvis gennemførlig i fremtiden) for levering af helium fra Jupiter, og endda levering af en armada af kybernetiske maskiner på kryotroner til den nærmeste satellit på denne planet - Jupiter V (mere om dem) under). Nedsænket i det flydende helium i Jupiters atmosfære (ultralave temperaturer og superledning er nødvendige betingelser for driften af ​​kryotroner), vil disse maskiner gøre Jupiter V til hjernecentret i solsystemet...

Oprindelsen af ​​stjernehelium blev forklaret i 1938 af de tyske fysikere Bethe og Weizsäcker. Senere fik deres teori eksperimentel bekræftelse og forfining ved hjælp af partikelacceleratorer. Dens essens er som følger.

Heliumkerner smeltes sammen ved stjernetemperaturer fra protoner i fusionsprocesser, der frigiver 175 millioner kilowatt-timers energi for hvert kilogram helium.

Forskellige reaktionscyklusser kan føre til heliumsyntese.

Under forhold med ikke særlig varme stjerner, såsom vores sol, er proton-proton-cyklussen tilsyneladende fremherskende. Den består af tre successivt skiftende transformationer. For det første kombineres to protoner med enorme hastigheder og danner et deuteron – en struktur lavet af en proton og en neutron; i dette tilfælde er positron og neutrino adskilt. Dernæst kombineres deuteronet og protonen for at danne let helium med emission af et gammakvante. Til sidst reagerer to 3 He-kerner og omdannes til en alfapartikel og to protoner. En alfapartikel, der har erhvervet to elektroner, bliver så til et heliumatom.

Det samme endelige resultat er givet af en hurtigere kulstof-nitrogen-cyklus, hvis betydning under solforhold ikke er særlig stor, men på stjerner, der er varmere end Solen, øges denne cyklus rolle. Den består af seks trin - reaktioner. Kulstof spiller her rollen som en katalysator for processen med protonfusion. Den energi, der frigives under disse transformationer, er den samme som under proton-proton-cyklussen - 26,7 MeV pr. heliumatom.

Heliumsyntesereaktionen er grundlaget for stjerners energiske aktivitet og deres glød. Følgelig kan heliumsyntese betragtes som forfaderen til alle reaktioner i naturen, grundårsagen til liv, lys, varme og meteorologiske fænomener på Jorden.

Helium er ikke altid slutproduktet af stjernefusioner. Ifølge teorien fra professor D.A. Frank-Kamenetsky, med den sekventielle fusion af heliumkerner, dannes 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, og indfangningen af ​​protoner af disse kerner fører til dannelsen af ​​andre kerner. Syntesen af ​​kerner af tunge grundstoffer op til transuraniske grundstoffer kræver exceptionelle ultrahøje temperaturer, som udvikler sig på ustabile "novaer" og "supernovaer" stjerner.

Den berømte sovjetiske kemiker A.F. Kapustinsky kaldte brint og helium protoelementer - elementer af primært stof. Er det ikke denne forrang, der skjuler forklaringen på brints og heliums særlige position i grundstoffernes periodiske system, især det faktum, at den første periode i det væsentlige er blottet for den periodicitet, der er karakteristisk for andre perioder?

Det bedste...

Heliumatomet (alias molekyle) er den stærkeste af molekylære strukturer. Banerne for dens to elektroner er nøjagtig ens og passerer ekstremt tæt på kernen. For at afsløre heliumkernen er det nødvendigt at bruge en rekordstor mængde energi - 78,61 MeV. Derfor heliums fænomenale kemiske passivitet.

I løbet af de sidste 15 år er det lykkedes kemikere at opnå mere end 150 kemiske forbindelser af tunge ædelgasser (forbindelser af tunge ædelgasser vil blive diskuteret i artiklerne "Krypton" og "Xenon"). Heliums inerthed forbliver dog, som før, uden for mistanke.

Beregninger viser, at selvom der blev fundet en måde at producere f.eks. heliumfluorid eller oxid på, så ville de under dannelsen absorbere så meget energi, at de resulterende molekyler ville blive "eksploderet" af denne energi indefra.

Heliummolekyler er ikke-polære. Kræfterne af intermolekylær interaktion mellem dem er ekstremt små - mindre end i noget andet stof. Derfor - de laveste værdier af kritiske værdier, det laveste kogepunkt, den laveste varme for fordampning og smeltning. Hvad angår heliums smeltetemperatur, eksisterer den slet ikke ved normalt tryk. Flydende helium ved en temperatur, uanset hvor tæt på det absolutte nulpunkt, størkner ikke, medmindre det udover temperaturen udsættes for et tryk på 25 atmosfærer eller mere. Der er intet andet stof som dette i naturen.

Der er heller ingen anden gas, der er så ubetydeligt opløselig i væsker, især polære, og så lidt tilbøjelige til adsorption som helium. Det er den bedste leder af elektricitet blandt gasser og den næstbedste varmeleder efter brint. Dens varmekapacitet er meget høj og dens viskositet er lav.

Helium trænger utroligt hurtigt gennem tynde skillevægge lavet af nogle organiske polymerer, porcelæn, kvarts og borosilikatglas. Det er mærkeligt, at helium diffunderer gennem blødt glas 100 gange langsommere end gennem borosilikatglas. Helium kan også trænge igennem mange metaller. Kun jern- og platingruppemetaller, selv når de opvarmes, er fuldstændig uigennemtrængelige for det.

En ny metode til at udvinde rent helium fra naturgas er baseret på princippet om selektiv permeabilitet.

Forskere viser usædvanlig interesse for flydende helium. For det første er det den koldeste væske, hvori desuden ikke et eneste stof opløses mærkbart. For det andet er det den letteste af væsker med en minimal overfladespænding.

Ved en temperatur på 2.172°K sker der en brat ændring i flydende heliums egenskaber. Den resulterende art kaldes konventionelt helium II. Helium II koger helt anderledes end andre væsker; det koger ikke under kogning, dets overflade forbliver helt rolig. Helium II leder varme 300 millioner gange bedre end almindeligt flydende helium (helium I). Viskositeten af ​​helium II er praktisk talt nul, den er tusind gange mindre end viskositeten af ​​flydende brint. Derfor har helium II superfluiditet - evnen til at flyde uden friktion gennem kapillærer med vilkårlig lille diameter.

En anden stabil isotop af helium, 3 He, går i en superflydende tilstand ved en temperatur, der kun er hundrededele af en grad væk fra den absolutte kugle. Superfluid helium-4 og helium-3 kaldes kvantevæsker: de udviser kvantemekaniske effekter, selv før de størkner. Dette forklarer den meget detaljerede undersøgelse af flydende helium. Og nu producerer de meget af det – hundredtusindvis af liter om året. Men fast helium er næppe blevet undersøgt: De eksperimentelle vanskeligheder ved at studere denne koldeste krop er store. Dette hul vil utvivlsomt blive udfyldt, da fysikere forventer en masse nye ting fra at forstå egenskaberne ved fast helium: Det er trods alt også et kvantelegeme.

Inert, men meget nødvendigt

I slutningen af ​​forrige århundrede offentliggjorde det engelske magasin Punch en tegneserie, hvor helium blev afbildet som en lumsk blinkende lille mand - en indbygger i Solen. Teksten under billedet lød: ”Endelig blev jeg fanget på Jorden! Det varede længe nok! Jeg spekulerer på, hvor lang tid det vil tage, før de finder ud af, hvad de skal gøre med mig?

Der gik faktisk 34 år fra opdagelsen af ​​terrestrisk helium (den første rapport om dette blev offentliggjort i 1881), før det fandt praktisk brug. En vis rolle her spillede heliums oprindelige fysiske, tekniske, elektriske og i mindre grad kemiske egenskaber, hvilket krævede en lang undersøgelse. De vigtigste forhindringer var fraværet og høje omkostninger ved element nr. 2.

Tyskerne var de første til at bruge helium. I 1915 begyndte de at fylde deres luftskibe, der bombede London med det. Snart blev let, men ikke-brændbart helium et uundværligt fyldstof til luftfartsfartøjer. Nedgangen i luftskibskonstruktion, der begyndte i midten af ​​30'erne, førte til en vis nedgang i heliumproduktionen, men kun i kort tid. Denne gas tiltrak sig i stigende grad opmærksomhed fra kemikere, metallurger og maskiningeniører.

Mange teknologiske processer og operationer kan ikke udføres i luften. For at undgå interaktion af det resulterende stof (eller råmateriale) med luftgasser skabes særlige beskyttende miljøer; og der er ingen mere egnet gas til disse formål end helium.

Inert, let, mobil og en god varmeleder, helium er et ideelt middel til at presse meget brandfarlige væsker og pulvere fra en beholder til en anden; Det er disse funktioner, den udfører i missiler og styrede missiler. Individuelle faser af produktionen af ​​nukleart brændsel finder sted i et heliumbeskyttende miljø. Brændselselementer i atomreaktorer opbevares og transporteres i beholdere fyldt med helium.

Ved hjælp af specielle lækagedetektorer, hvis virkning er baseret på heliums exceptionelle diffusionsevne, identificerer de den mindste mulighed for lækage i atomreaktorer og andre systemer under tryk eller vakuum.

De seneste år har været præget af en fornyet stigning i luftskibskonstruktion, nu på et højere videnskabeligt og teknisk grundlag. I en række lande er der bygget og er ved at blive bygget luftskibe med heliumfyldning med en bæreevne på 100 til 3000 tons. De er økonomiske, pålidelige og bekvemme til transport af store laster, såsom gasrørledninger, olieraffinaderier, el. linjestøtter mv. Fyldningen på 85 % helium og 15 % brint er brandsikker og reducerer kun løft med 7 % sammenlignet med en brintfyldning.

Højtemperatur-atomreaktorer af en ny type, hvor helium tjener som kølevæske, er begyndt at fungere.

Flydende helium er meget udbredt i videnskabelig forskning og teknologi. Ultralave temperaturer fremmer indgående kendskab til stof og dets struktur - ved højere temperaturer maskeres subtile detaljer i energispektrene af atomernes termiske bevægelse.

Der eksisterer allerede superledende solenoider lavet af specielle legeringer, der skaber stærke magnetiske felter ved flydende heliumtemperaturer (op til 300 tusind oersted) med ubetydeligt energiforbrug.

Ved temperaturen af ​​flydende helium bliver mange metaller og legeringer superledere. Superledende relæer - kryotroner - bruges i stigende grad i design af elektroniske computere. De er enkle, pålidelige og meget kompakte. Superledere, og med dem flydende helium, er ved at blive nødvendige for elektronik. De er inkluderet i design af infrarøde strålingsdetektorer, molekylære forstærkere (masere), optiske kvantegeneratorer (lasere) og instrumenter til måling af ultrahøje frekvenser.

Selvfølgelig udtømmer disse eksempler ikke heliums rolle i moderne teknologi. Men hvis det ikke var for den begrænsede natur af naturressourcer og den ekstreme spredning af helium, ville det have fundet mange flere anvendelser. Det er f.eks. kendt, at fødevareprodukter, når de bliver konserveret i helium, bevarer deres oprindelige smag og aroma. Men "helium" dåsemad forbliver stadig en "ting i sig selv", fordi der ikke er nok helium, og det bruges kun i de vigtigste industrier, og hvor det ikke kan undværes. Derfor er det særligt stødende at indse, at med brændbar naturgas passerer meget større mængder helium gennem kemiske synteseapparater, ovne og ovne og slipper ud i atmosfæren end dem, der udvindes fra heliumholdige kilder.

Nu anses det for rentabelt kun at frigive helium i tilfælde, hvor indholdet i naturgas ikke er mindre end 0,05%. Reserverne af sådan gas falder konstant, og det er muligt, at de vil være opbrugt inden udgangen af ​​dette århundrede. Problemet med "heliummangel" vil dog sandsynligvis være løst på dette tidspunkt - dels gennem skabelsen af ​​nye, mere avancerede metoder til at separere gasser, udvinde de mest værdifulde, omend ubetydelige fraktioner fra dem, og dels takket være kontrolleret termonuklear fusion. Helium vil blive et vigtigt, omend biprodukt, af "kunstige soles" aktivitet.

Helium isotoper

Der er to stabile isotoper af helium i naturen: helium-3 og helium-4. Den lette isotop er fordelt på Jorden en million gange mindre end den tunge. Dette er den sjældneste stabile isotop, der findes på vores planet. Yderligere tre isotoper af helium er blevet opnået kunstigt. De er alle radioaktive. Halveringstiden for helium-5 er 2,4·10 –21 sekunder, helium-6 er 0,83 sekunder, helium-8 er 0,18 sekunder. Den tungeste isotop, interessant fordi der i dens kerner er tre neutroner pr. proton, blev først undersøgt i Dubna i 60'erne. Forsøg på at skaffe helium-10 har indtil videre været forgæves.

Sidste faste gas

Helium var den sidste af alle gasser, der blev omdannet til flydende og fast tilstand. De særlige vanskeligheder ved at gøre helium flydende og størkne forklares af strukturen af ​​dets atom og nogle træk ved dets fysiske egenskaber. Især helium, ligesom brint, ved temperaturer over – 250°C, når det ekspanderer, afkøles ikke, men opvarmes. På den anden side er den kritiske temperatur for helium ekstremt lav. Derfor blev flydende helium først opnået i 1908 og fast helium i 1926.

Helium luft

Luft, hvori alt eller det meste af nitrogenet er erstattet af helium, er ikke længere nyheder i dag. Det er meget udbredt på land, under jorden og under vand.

Heliumluft er tre gange lettere og meget mere mobil end almindelig luft. Den opfører sig mere aktivt i lungerne – den tilfører hurtigt ilt og evakuerer hurtigt kuldioxid. Derfor gives heliumluft til patienter med vejrtrækningsforstyrrelser og nogle operationer. Det lindrer kvælning, behandler bronkial astma og sygdomme i strubehovedet.

Indånding af heliumluft eliminerer praktisk talt nitrogen-emboli (caisson-sygdom), som dykkere og specialister fra andre erhverv, der arbejder under højtryksforhold, er modtagelige for under overgangen fra højt tryk til normalt. Årsagen til denne sygdom er ret betydelig, især med højt blodtryk, opløseligheden af ​​nitrogen i blodet. Efterhånden som trykket falder, frigives det i form af gasbobler, som kan tilstoppe blodkar, beskadige nerveknuder... I modsætning til nitrogen er helium praktisk talt uopløseligt i kropsvæsker, så det kan ikke forårsage trykfaldssyge. Derudover eliminerer heliumluft forekomsten af ​​"nitrogennarkose", som eksternt ligner alkoholforgiftning.

Før eller siden bliver menneskeheden nødt til at lære at leve og arbejde på havbunden i lang tid for for alvor at kunne drage fordel af mineral- og føderessourcerne på sokkelen. Og på store dybder, som sovjetiske, franske og amerikanske forskeres eksperimenter har vist, er heliumluft stadig uundværlig. Biologer har bevist, at langvarig vejrtrækning af heliumluft ikke forårsager negative ændringer i menneskekroppen og ikke truer ændringer i det genetiske apparat: Heliumatmosfæren påvirker ikke udviklingen af ​​celler og hyppigheden af ​​mutationer. Der er værker, hvis forfattere anser heliumluft for at være det optimale luftmedium til rumfartøjer, der foretager lange flyvninger ind i universet. Men indtil videre er kunstig heliumluft endnu ikke steget ud over Jordens atmosfære.

Helium, typisk produceret af det radioaktive henfald af uran-238 og uran-235, blev fundet i solatmosfæren 13 år tidligere end på Jorden. Denne gas har de laveste kritiske værdier, det laveste kogepunkt og den laveste fordampnings- og smeltevarme. Hvad angår heliums smeltetemperatur, eksisterer den slet ikke ved normalt tryk. Intet andet stof som dette kan findes i naturen...

Helium er et usædvanligt grundstof, og dets historie er noget mystisk og uforståelig. Det blev fundet i solatmosfæren 13 år tidligere end på Jorden. Mere præcist blev der opdaget en lys gul D-linje i solkoronaens spektrum, og hvad der gemte sig bag den blev først pålideligt kendt, efter at helium blev udvundet af jordiske mineraler indeholdende radioaktive grundstoffer.

Hvordan dannes helium?

Terrestrisk helium dannes hovedsageligt under det radioaktive henfald af uranium-238, uranium-235, thorium og ustabile produkter af deres henfald. Helium ophobes langsomt i jordskorpen. Et ton granit indeholdende 2 g uran og 10 g thorium producerer kun 0,09 mg helium over en million år - en halv kubikcentimeter. De meget få uran- og thorium-rige mineraler har et ret højt heliumindhold – adskillige kubikcentimeter helium pr. gram.

Over tid gennemgår de fleste mineraler processer med forvitring, omkrystallisation osv., og helium forlader dem. Heliumboblerne, der frigives fra de krystallinske strukturer, opløses delvist i grundvandet. En anden del af helium undslipper ud i atmosfæren gennem porer og revner af mineraler. De resterende gasmolekyler falder i underjordiske fælder, hvor de akkumuleres i titusinder eller hundreder af millioner af år. Fælderne her er lag af løse sten, hvis hulrum er fyldt med gas. Sengen til sådanne gasreservoirer er normalt vand eller olie, og på toppen er de dækket af gasuigennemtrængelige lag af tætte klipper.

Heliumsyntese - livets begyndelse

Vores planets indre og atmosfære er fattige på helium. Men det betyder ikke, at der er lidt af det overalt i universet. Ifølge moderne skøn er 76 % af den kosmiske masse brint og 23 % helium; kun én procent tilbage for alle andre elementer. Således kan verdens stof kaldes brint-helium. Disse to elementer dominerer stjerner, planetariske tåger og interstellar gas. Heliumsyntesereaktionen er grundlaget for stjerners energiske aktivitet og deres glød. Følgelig kan heliumsyntese betragtes som forfaderen til alle reaktioner i naturen, grundårsagen til liv, lys, varme og meteorologiske fænomener på Jorden.

Naturgasser er praktisk talt den eneste kilde til råmaterialer til industriel produktion af helium. Helium er til stede i naturgasser som en mindre urenhed. Dens indhold overstiger ikke tusindedele, hundrededele, sjældent tiendedele af en procent. Stort (1,5-10%) heliumindhold i methan-nitrogenaflejringer er et yderst sjældent fænomen. Til adskillelse fra andre gasser bruges heliums usædvanlige flygtighed, der er forbundet med dets lave fortætningstemperatur. Efter at alle andre komponenter i naturgassen er kondenseret under dyb afkøling, pumpes heliumgassen ud. Derefter renses det for urenheder. Renheden af ​​fabrikshelium når 99,995%. Flydende helium fremstilles ved at gøre heliumgas flydende.

Heliums egenskaber

Helium gas– en inert gas uden farve, lugt eller smag. Flydende helium– en farveløs, lugtfri væske med et kogepunkt ved normalt atmosfærisk tryk på 101,3 kPa (760 mm Hg) 4,215 K (minus 268,9 ° C) og en massefylde på 124,9 kg/m 3.

Helium er ikke giftigt, ikke brandfarligt, ikke eksplosivt, men ved høje koncentrationer i luften forårsager det iltmangel og kvælning. Flydende helium er en lavtkogende væske, der kan forårsage forfrysninger i huden og skader på øjnenes slimhinde.

Helium atom(alias molekyle) er den stærkeste af molekylære strukturer. Banerne for dens to elektroner er nøjagtig ens og passerer ekstremt tæt på kernen. For at blotlægge heliumkernen er det nødvendigt at bruge en rekordstor mængde energi (78,61 eV). Dette indebærer heliums fænomenale kemiske passivitet.

Heliummolekyler er ikke-polære. Kræfterne af intermolekylær interaktion mellem dem er ekstremt små - mindre end i noget andet stof. Af denne grund har helium de laveste kritiske værdier, det laveste kogepunkt og den laveste fordampnings- og smeltevarme. Hvad angår heliums smeltetemperatur, eksisterer den slet ikke ved normalt tryk. Flydende helium ved en temperatur, uanset hvor tæt på det absolutte nulpunkt, størkner ikke, medmindre det udover temperaturen udsættes for et tryk på 25 atmosfærer eller mere. Der er intet andet stof som dette i naturen. Det er den bedste leder af elektricitet blandt gasser og den næstbedste varmeleder efter brint. Dens varmekapacitet er meget høj, og dens viskositet er tværtimod lille.

Helium, luftskibe, dykkere og atomenergi...

Helium blev først brugt i Tyskland. I 1915 begyndte tyskerne at fylde deres luftskibe, der bombede London med det. Snart blev let, men ikke-brændbart helium et uundværligt fyldstof til luftfartsfartøjer. Nedgangen i luftskibskonstruktion, der begyndte i midten af ​​30'erne, førte til en vis nedgang i heliumproduktionen, men kun i kort tid. Denne gas tiltrak sig i stigende grad opmærksomhed fra kemikere, metallurger og maskiningeniører.

Et andet anvendelsesområde for helium skyldes det faktum, at mange teknologiske processer og operationer ikke kan udføres i luften. For at undgå interaktion af det resulterende stof (eller råmateriale) med luftgasser skabes særlige beskyttende miljøer, og der er ingen gas, der er mere egnet til disse formål end helium.

I helium beskyttende miljø gennemgå separate faser af opnåelse af nukleart brændsel. Brændselselementer i atomreaktorer opbevares og transporteres i beholdere fyldt med helium. Ved hjælp af specielle lækagedetektorer, hvis virkning er baseret på heliums exceptionelle diffusionsevne, identificerer de den mindste mulighed for lækage i atomreaktorer og andre systemer under tryk eller vakuum.

Inden for videnskabelig forskning og teknik alment benyttet flydende helium. Ultralave temperaturer fremmer indgående kendskab til stof og dets struktur - ved højere temperaturer maskeres subtile detaljer i energispektrene af atomernes termiske bevægelse.

Der eksisterer allerede superledende solenoider lavet af specielle legeringer, der skaber stærke magnetiske felter (op til 300 tusind oersted) ved temperaturen af ​​flydende helium med ubetydeligt energiforbrug. Ved temperaturen af ​​flydende helium bliver mange metaller og legeringer superledere. Superledende kryotronrelæer bruges i stigende grad i design af elektroniske computere. De er enkle, pålidelige og meget kompakte. Superledere, og med dem flydende helium, er ved at blive nødvendige for elektronik. De er inkluderet i design af infrarøde strålingsdetektorer, molekylære forstærkere (masere), optiske kvantegeneratorer (lasere) og instrumenter til måling af ultrahøje frekvenser.

Helium-ilt blandinger blev et pålideligt middel til at forebygge trykfaldssyge og gav en stor tidsgevinst ved løft af dykkere. Som bekendt er opløseligheden af ​​gasser i væsker, alt andet lige, direkte proportional med trykket. Dykkere, der arbejder under højt tryk, har meget mere nitrogen opløst i deres blod sammenlignet med normale forhold, der eksisterer på overfladen af ​​vandet. Når man stiger fra dybden, når trykket nærmer sig det normale, falder opløseligheden af ​​nitrogen, og dets overskud begynder at blive frigivet. Hvis stigningen er hurtig, sker frigivelsen af ​​overskydende opløste gasser så voldsomt, at kroppens blod- og vandrige væv, mættet med gas, skummer med en masse nitrogenbobler - som champagne, når en flaske åbnes.

Dannelsen af ​​nitrogenbobler i blodkarrene forstyrrer hjertets funktion, deres udseende i hjernen forstyrrer dets funktioner, og alt dette fører tilsammen til alvorlige forstyrrelser i kroppens funktion og i sidste ende til døden. For at forhindre udviklingen af ​​de beskrevne fænomener, kendt som "dekompressionssyge", udføres dykkernes stigning, dvs. overgangen fra højtryk til normal, meget langsomt.

I dette tilfælde frigives overskydende opløste gasser gradvist, og der opstår ingen smertefulde lidelser. Med brugen af ​​kunstig luft, hvor nitrogen erstattes af mindre opløseligt helium, er muligheden for skadelige lidelser næsten fuldstændig elimineret. Dette gør det muligt at øge dybden af ​​dykkernes nedstigning (op til 100 meter eller mere) og forlænge tiden under vand.

"Helium" luft har en densitet tre gange mindre end almindelig lufts. Derfor er det lettere at indånde sådan luft end normal luft (åndedrætsmusklernes arbejde falder). Denne omstændighed er vigtig for luftvejssygdomme. Derfor "helium" luft også brugt i medicin i behandling af astma, kvælning og andre sygdomme.

Endnu ikke evig, men allerede harmløs

Udviklet ved Los Alamos Fermi National Laboratory (New Mexico) ny motor, hvilket for alvor kan ændre opfattelsen af ​​bilen som en af ​​hovedkilderne til forurening. Med en effektivitet, der kan sammenlignes med en forbrændingsmotors (30-40%), er den blottet for sine vigtigste ulemper: bevægelige dele, der kræver smøring for at reducere friktion og slid, og miljøskadelige emissioner fra ufuldstændig forbrænding af brændstof.

Faktisk taler vi om at forbedre den velkendte eksterne forbrændingsmotor, foreslået af den skotske præst R. Stirling tilbage i 1816. Denne motor blev ikke udbredt i køretøjer på grund af dens mere komplekse design sammenlignet med forbrændingsmotoren, højere materialeforbrug og omkostninger. Men den termoakustiske energikonverter, der er foreslået af amerikanske forskere, hvori komprimeret helium fungerer som arbejdsvæske, adskiller sig positivt fra sin forgænger i fraværet af omfangsrige varmevekslere, der forhindrede dens brug i personbiler, og i den nærmeste fremtid er i stand til at blive en miljømæssigt acceptabelt alternativ ikke kun til forbrændingsmotoren, men også solenergikonverter, køleskab, klimaanlæg. Omfanget af dets anvendelse er stadig vanskeligt at forestille sig.