HEL: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZAGROŻENIA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Hel to pierwiastek chemiczny o symbolu He. Jest to pierwszy gaz szlachetny w układzie okresowym i zwykle znajduje się po skrajnej prawej stronie. W normalnych warunkach jest to gaz obojętny, ponieważ żaden z jego nielicznych związków nie jest stabilny; Bardzo szybko się również rozszerza i jest substancją o najniższej temperaturze wrzenia ze wszystkich.

Na popularnym poziomie jest to dobrze znany gaz, ponieważ na niezliczonych imprezach lub imprezach dla dzieci często obserwuje się wznoszenie balonu, aż ginie na niebie. Jednak to, co jest naprawdę i na zawsze stracone w rogach Układu Słonecznego i poza nim, to atomy helu, które są uwalniane, gdy balon eksploduje lub opróżnia się.

Balony nadmuchiwane helem, najbliżej tego pierwiastka można dotrzeć w codziennych sytuacjach. Źródło: Pixabay.

W rzeczywistości są tacy, którzy i nie bez powodu uważają, że balony z helem stanowią niewłaściwą praktykę dla tego gazu. Ma na szczęście ważniejsze i ciekawsze zastosowania, dzięki swoim właściwościom fizycznym i chemicznym, które odróżniają go od innych pierwiastków chemicznych.

Na przykład ciekły hel jest tak zimny, że może zamrozić wszystko, na przykład stop metalu, zamieniając go w materiał nadprzewodzący. Podobnie jest to ciecz, która przejawia nadciekłość, zdolną do wspinania się po ściankach szklanego pojemnika.

Swoją nazwę zawdzięcza temu, że po raz pierwszy została zidentyfikowana na Słońcu, a nie na Ziemi. Jest drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w całym Wszechświecie i chociaż jego stężenie w skorupie ziemskiej jest znikome, można go pozyskać z rezerw gazu ziemnego i radioaktywnych minerałów uranu i toru.

Tutaj hel demonstruje kolejny ciekawy fakt: jest to gaz, który występuje w znacznie większej ilości w podłożu niż w atmosferze, gdzie ostatecznie ucieka z Ziemi i jej pola grawitacyjnego.

Historia

Hel został odkryty nie na Ziemi, ale na Słońcu. W rzeczywistości jego nazwa pochodzi od greckiego słowa „helios”, które oznacza słońce. Samo istnienie pierwiastka kontrastowało z układem okresowym Dmitrija Mendelejewa, ponieważ nie było w nim miejsca na nowy gaz; Innymi słowy, do tego czasu nie podejrzewano już absolutnie nic o gazach szlachetnych.

Nazwa „hel”, zapisana w języku angielskim jako „helium”, kończyła się przyrostkiem -ium, określającym go jako metal; właśnie dlatego, że nie można było dopuścić do istnienia innego gazu niż tlen, wodór, fluor, chlor i azot.

Nazwa ta została wyznaczona przez angielskiego astronoma Normana Lockyera, który badał z Anglii to, co zaobserwował francuski astronom Jules Janssen w Indiach podczas zaćmienia Słońca w 1868 roku.

Była to żółta linia widmowa nieznanego dotąd pierwiastka. Lockyer twierdził, że było to spowodowane obecnością nowego pierwiastka chemicznego znalezionego w Słońcu.

W 1895 roku, prawie dwadzieścia lat później, szkocki chemik Sir William Ramsay rozpoznał to samo widmo w pozostałościach gazu, kiedy badał radioaktywny minerał: cleveite. Więc na Ziemi też był hel.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd

Ampułka z świecącą próbką helu po porażeniu prądem. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Hel to bezbarwny, bezwonny gaz, który nie ma smaku i jest obojętny. Jednak po zastosowaniu wstrząsu elektrycznego, w zależności od różnicy napięcia, zaczyna on świecić jako szaro-fioletowa mgiełka (zdjęcie powyżej), a następnie świecić pomarańczowym blaskiem. Dlatego światła helowe są pomarańczowe.

Liczba atomowa (Z)

dwa

Masa cząsteczkowa

4,002 g / mol

Temperatura topnienia

-272,2 ° C

Temperatura wrzenia

-268,92 ° C

Gęstość

-0,1786 g / l, w normalnych warunkach, to znaczy w fazie gazowej.

-0,145 g / ml, w temperaturze topnienia ciekłego helu.

-0,125 g / ml, gdy hel zaczyna wrzeć.

-0,187 g / ml, przy 0 K i 25 atm, czyli hel w stanie stałym w tych specyficznych warunkach ciśnienia i temperatury.

Potrójny punkt

2,177 K i 5,043 kPa (0,04935 atm)

Punkt krytyczny

5,1953 K i 0,22746 MPa (2,2448 atm)

Ciepło topnienia

0,0138 kJ / mol

Ciepło parowania

0,0829 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

20,78 J / (mol K)

Ciśnienie pary

0,9869 atm przy 4,21 K. Ta wartość daje wyobrażenie o tym, jak ulotny może być hel i jak łatwo może się ulotnić w temperaturze pokojowej (blisko 298 K).

Energie jonizacji

-Pierwszy: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gaz)

-Druga: 5250,5 kJ / mol ( gazowy He ²⁺ )

Energie jonizacji helu są szczególnie wysokie, ponieważ gazowy atom musi stracić elektron, który doświadcza silnego skutecznego ładunku jądrowego. Można to również zrozumieć, biorąc pod uwagę mały rozmiar atomu i to, jak „blisko” znajdują się dwa elektrony od jądra (z jego dwoma protonami i dwoma neutronami).

Rozpuszczalność

W wodzie na każde 100 ml wody o temperaturze 0 ° C rozpuszcza się 0,97 ml, co oznacza, że ​​jest słabo rozpuszczalny.

Reaktywność

Hel jest drugim w naturze najmniej reaktywnym pierwiastkiem chemicznym. W normalnych warunkach można powiedzieć, że jest to gaz obojętny; Nigdy (wydaje się) nie można manipulować związkiem helu w pomieszczeniu lub laboratorium bez wywierania na niego ogromnego ciśnienia; a może dramatycznie wysokie lub niskie temperatury.

Przykładem jest związek Na ₂ He, który jest stabilny tylko pod ciśnieniem 300 GPa, odtwarzany w kowadełku diamentowym.

Chociaż wiązania chemiczne w Na ₂ He są „dziwne”, ponieważ ich elektrony są dobrze ulokowane w kryształach, nie są one prostymi interakcjami Van der Wallsa, a zatem nie składają się po prostu z atomów helu uwięzionych przez agregaty molekularne. . To tutaj pojawia się dylemat między tym, które związki helu są rzeczywiste, a które nie.

Na przykład cząsteczki azotu pod wysokim ciśnieniem mogą uwięzić atom helu, tworząc rodzaj klatratu, He (N ₂ ) ₁₁ .

Istnieją również endoedryczne kompleksy kationów fulerenów C ₆₀ ^{+ n} i C ₇₀ ^{+ n} , w których wnękach mogą znajdować się atomy helu; oraz molekularny kation HeH ⁺ (He-H ⁺ ), znaleziony w bardzo odległych mgławicach.

Numer utleniania

Ciekawość którzy próbują do obliczenia utlenienia helu w każdym z jego związków będzie stwierdzić, że jest równe 0. W Na ₂ są, na przykład, można sądzić, że odpowiada wzór hipotetycznych Na ₂ ⁺ I ^2- ; ale takie byłoby założenie, że ma on czysto jonowy charakter, podczas gdy w rzeczywistości jego wiązania są dalekie od takich.

Ponadto hel nie zyskuje elektronów, ponieważ nie może pomieścić ich na orbicie 2s, co jest energetycznie niedostępne; Nie jest też możliwe, aby je utracić z powodu niewielkich rozmiarów atomu i wielkiego skutecznego ładunku jądrowego jądra. Dlatego hel zawsze uczestniczy (w teorii) jako atom He ⁰ w jego pochodnych związkach.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Hel, podobnie jak wszystkie gazy obserwowane w makroskali, zajmuje objętość pojemników, które go przechowują, dzięki czemu ma nieokreślony kształt. Jednak gdy temperatura spada i zaczyna schładzać się poniżej -269 ºC, gaz skrapla się w bezbarwną ciecz; hel I, pierwsza z dwóch faz ciekłych dla tego pierwiastka.

Przyczyną kondensacji helu w tak niskiej temperaturze są niewielkie siły rozpraszania, które utrzymują razem jego atomy; niezależnie od rozważanej fazy. Można to wytłumaczyć na podstawie jego konfiguracji elektronicznej:

1s ²

W którym dwa elektrony zajmują orbital atomowy 1s. Atom helu można wizualizować jako prawie doskonałą kulę, której jednorodne elektroniczne peryferie prawdopodobnie nie zostaną spolaryzowane przez efektywny ładunek jądrowy dwóch protonów w jądrze.

Zatem spontaniczne i indukowane momenty dipolowe są rzadkie i bardzo słabe; tak więc temperatura musi zbliżyć się do zera absolutnego, aby atomy He zbliżały się wystarczająco wolno i osiągały, że ich siły dyspersyjne definiują ciecz; lub nawet lepiej, kryształ helu.

Dimery

W fazie gazowej przestrzeń oddzielająca atomy He jest taka, że ​​można przyjąć, że są one zawsze od siebie oddzielone. Do tego stopnia, że ​​w fiolce o małej objętości hel wydaje się bezbarwny, dopóki nie zostanie poddany wyładowaniu elektrycznemu, które jonizuje jego atomy w szarawej i słabo oświetlonej mgle.

Jednak w fazie ciekłej atomy He, nawet przy ich słabym oddziaływaniu, nie mogą być dłużej „ignorowane”. Teraz siła rozpraszająca pozwala im na chwilowe połączenie się, tworząc dimery: He-He lub He ₂ . Stąd hel I można traktować jako rozległe skupiska He ₂ w równowadze z jego atomami w fazie gazowej.

Dlatego tak trudno odróżnić hel I od jego oparów. Jeśli ten płyn zostanie wylany z hermetycznego pojemnika, ucieka jako biała flara.

Hel II

Gdy temperatura spada jeszcze bardziej, dochodząc do 2178 K (-270 972 ºC), następuje przemiana fazowa: hel I przekształca się w hel II.

Od tego momentu fascynujący już hel staje się nadciekłym lub kwantowym; to znaczy, że ich makroskopowe właściwości manifestują się tak, jakby dimery He ₂ były pojedynczymi atomami (i być może są). Brakuje mu całkowitej lepkości, ponieważ nie ma powierzchni, która mogłaby zatrzymać atom podczas jego ślizgania się lub „wspinania”.

Dlatego hel II może wspinać się po ściankach szklanego pojemnika pokonując siłę grawitacji; bez względu na to, jak są wysokie, o ile powierzchnia pozostaje w tej samej temperaturze i dlatego nie ulatnia się.

Z tego powodu ciekły hel nie może być przechowywany w szklanych pojemnikach, ponieważ uciekałby przy najmniejszym pęknięciu lub szczelinie; bardzo podobny do tego, jak to się stało z gazem. Zamiast tego do konstrukcji takich zbiorników (zbiorników Dewara) używana jest stal nierdzewna.

Kryształy

Nawet gdyby temperatura spadła do 0 K (zera absolutnego), siła rozpraszania między atomami He nie byłaby wystarczająco duża, aby uporządkować je w strukturę krystaliczną. Aby nastąpiło zestalenie, ciśnienie musi wzrosnąć do około 25 atm; a następnie pojawiają się zwarte sześciokątne kryształy helu (hcp).

Badania geofizyczne pokazują, że ta struktura hcp pozostaje niezmieniona bez względu na to, jak bardzo wzrasta ciśnienie (do rzędu gigapaskali, GPa). Jednak istnieje wąski obszar na ich diagramie ciśnienie-temperatura, w którym te kryształy hcp przechodzą przejście do fazy sześciennej centrowanej na ciele (bcc).

Gdzie znaleźć i uzyskać

Kosmos i skały

Hel stanowi drugi najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we Wszechświecie i stanowi 24% jego masy. Źródło: Pxhere.

Hel jest drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w całym Wszechświecie, ustępując tylko wodórowi. Gwiazdy nieustannie wytwarzają niezmierzone ilości atomów helu poprzez fuzję dwóch jąder wodoru podczas procesu nukleosyntezy.

Podobnie każdy proces radioaktywny, w którym emitowane są cząstki α, jest źródłem produkcji atomów helu, jeśli oddziałują one z elektronami w środowisku; na przykład z ciałami skalistymi w złożach radioaktywnych minerałów uranu i toru. Te dwa pierwiastki ulegają rozpadowi radioaktywnemu, począwszy od uranu:

Rozpad radioaktywny uranu w postaci cząstek alfa, które w złożach podziemnych przekształcane są później w atom helu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Dlatego w skałach, w których skoncentrowane są te radioaktywne minerały, zostaną uwięzione atomy helu, które zostaną uwolnione po ich strawieniu w kwaśnym środowisku.

Niektóre z tych minerałów to cleveit, karnotyt i uraninit, wszystkie złożone z tlenków uranu (UO ₂ lub U ₃ O ₈ ) oraz zanieczyszczeń toru, metali ciężkich i ziem rzadkich. Hel nawadniany podziemnymi kanałami może gromadzić się w zbiornikach gazu ziemnego, źródłach mineralnych lub w żelazach meteorytów.

Szacuje się, że w litosferze wytwarzana jest masa helu odpowiadająca 3000 ton rocznie w wyniku radioaktywnego rozpadu uranu i toru.

Powietrze i morza

Hel jest słabo rozpuszczalny w wodzie, więc raczej wcześniej niż później wypływa z głębin (gdziekolwiek jest), aż przecina warstwy atmosfery i ostatecznie dociera do przestrzeni kosmicznej. Jej atomy są tak małe i lekkie, że pole grawitacyjne Ziemi nie może ich zatrzymać w atmosferze.

W związku z powyższym stężenie helu zarówno w powietrzu (5,2 ppm), jak iw morzach (4 ppt) jest bardzo niskie.

Gdyby następnie chciał go wydobyć z któregokolwiek z tych dwóch mediów, „najlepszym” rozwiązaniem byłoby powietrze, któremu najpierw należałoby poddać je skraplaniu w celu skroplenia wszystkich gazów składowych, podczas gdy hel pozostaje w stanie gazowym.

Jednak pozyskiwanie helu z powietrza nie jest praktyczne, ale ze skał wzbogaconych w minerały radioaktywne; lub jeszcze lepiej, z zasobów gazu ziemnego, gdzie hel może stanowić do 7% jego całkowitej masy.

Skraplanie i destylacja gazu ziemnego

Zamiast skraplać powietrze, łatwiej i bardziej opłaca się stosować gaz ziemny, którego skład helu jest niewątpliwie dużo większy. Tak więc surowcem par excellence (handlowym) do otrzymywania helu jest gaz ziemny, który można również poddać destylacji frakcyjnej.

Końcowy produkt destylacji jest zakończony oczyszczaniem węglem aktywnym, przez który przechodzi bardzo czysty hel. Wreszcie hel jest oddzielany od neonu w procesie kriogenicznym, w którym używany jest ciekły hel.

Izotopy

Hel występuje głównie w przyrodzie jako izotop ⁴ He, którego nagim jądrem jest słynna cząstka α. Ten atom ⁴ He ma dwa neutrony i dwa protony. W mniejszej ilości jest izotop ³ He, który ma tylko jeden neutron. Pierwsza jest cięższa (ma większą masę atomową) niż druga.

Zatem para izotopów ³ He i ⁴ He to te, które definiują mierzalne właściwości i to, co rozumiemy przez hel jako pierwiastek chemiczny. Ponieważ ³ He jest lżejszy, zakłada się, że jego atomy mają wyższą energię kinetyczną i dlatego potrzebują jeszcze niższej temperatury, aby połączyć się w nadciekłym.

³ Uważany jest za bardzo rzadkie gatunki tu na ziemi; jednak w glebach księżycowych występuje liczniej (około 2000 razy więcej). Dlatego Księżyc był tematem projektów i opowieści jako potencjalne źródło ³ He, które mogłoby zostać wykorzystane jako paliwo jądrowe dla statku kosmicznego przyszłości.

Wśród innych izotopów helu można wymienić ich okresy półtrwania: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) i ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

Ryzyka

Hel jest gazem obojętnym i dlatego nie bierze udziału w żadnej z reakcji zachodzących w naszym organizmie.

Jego atomy praktycznie wchodzą i wychodzą w wydychanym powietrzu bez ich interakcji z biomolekułami powodującymi efekt ukryty; z wyjątkiem dźwięku emitowanego przez struny głosowe, które stają się wyższe i częstsze.

Ludzie, którzy wdychają hel z balonu (z umiarem), mówią wysokim głosem, podobnym do głosu wiewiórki (lub kaczki).

Problem w tym, że jeśli taka osoba wdycha nieodpowiednią ilość helu, ryzykuje uduszeniem, ponieważ jego atomy wypierają cząsteczki tlenu; dlatego nie będziesz w stanie oddychać, dopóki nie wydychasz całego helu, który z kolei pod wpływem ciśnienia może rozerwać tkanki płucne lub spowodować uraz barotraumy.

Z powodu tego, co właśnie wyjaśniono, odnotowano przypadki osób, które zmarły w wyniku wdychania helu.

Z drugiej strony, chociaż nie stanowi zagrożenia pożarowego ze względu na brak reaktywności w stosunku do tlenu (lub innej substancji), to jeśli jest przechowywany pod wysokim ciśnieniem i ucieka, jego wyciek może być fizycznie niebezpieczny.

Aplikacje

Właściwości fizyczne i chemiczne helu sprawiają, że jest to nie tylko gaz specjalny, ale także bardzo przydatna substancja do zastosowań wymagających ekstremalnie niskich temperatur. W tej sekcji zostaną omówione niektóre z tych aplikacji lub zastosowań.

Systemy ciśnieniowe i upustowe

W niektórych systemach konieczne jest zwiększenie ciśnienia (zwiększenie ciśnienia), a do tego trzeba wtryskiwać lub dostarczać gaz, który nie wchodzi w interakcje z żadnym ze składników; na przykład z odczynnikami lub powierzchniami wrażliwymi na niepożądane reakcje.

W ten sposób ciśnienie można zwiększać za pomocą objętości helu, którego obojętność chemiczna sprawia, że ​​idealnie nadaje się do tego celu. Atmosfera obojętna, którą zapewnia, w niektórych przypadkach przewyższa atmosferę azotu.

Do procesu odwrotnego, czyli oczyszczania, wykorzystywany jest również hel ze względu na jego zdolność do pochłaniania całego tlenu, pary wodnej lub innego gazu, którego obecność chcemy usunąć. W ten sposób ciśnienie systemu jest redukowane po opróżnieniu helu.

Wykrywanie wycieków

Hel może przeciekać nawet przez najmniejsze pęknięcie, dlatego służy również do wykrywania wycieków w rurach, zbiornikach wysokopróżniowych czy zbiornikach kriogenicznych.

Czasami wykrywanie można przeprowadzić wizualnie lub dotykiem; jednakże jest to głównie detektor, który „sygnalizuje”, gdzie i ile helu ulatnia się z badanego systemu.

Gaz nośny

Atomy helu, jak wspomniano w układach przedmuchowych, mogą nosić ze sobą, w zależności od ciśnienia, cięższe cząsteczki. Na przykład zasada ta jest stosowana codziennie w analizie chromatografii gazowej, ponieważ może przeciągać rozpyloną próbkę wzdłuż kolumny, gdzie oddziałuje z fazą stacjonarną.

Balony i sterowce

Hel jest używany do nadmuchiwania sterowców i jest znacznie bezpieczniejszy niż wodór, ponieważ nie jest gazem łatwopalnym. Źródło: Pixabay.

Ze względu na małą gęstość w porównaniu z powietrzem i ponownie brak reaktywności z tlenem, był używany do nadmuchiwania balonów na imprezach dla dzieci (zmieszanych z tlenem, aby nikt się nie dusił) i sterowców (górne zdjęcie) bez stwarzania ryzyka pożaru.

Nurkowanie

Hel jest jednym z głównych składników zbiorników tlenu, którymi oddychają nurkowie. Źródło: Pxhere.

Kiedy nurkowie schodzą na większe głębokości, mają trudności z oddychaniem z powodu dużego ciśnienia wywieranego przez wodę. Dlatego hel jest dodawany do ich zbiorników z tlenem, aby zmniejszyć gęstość gazu, który nurek oddycha i wydycha, a tym samym może być wydychany mniejszym nakładem pracy.

Spoiny łukowe

W procesie spawania łuk elektryczny zapewnia ciepło wystarczające do połączenia dwóch metali. W przypadku przeprowadzania w atmosferze helu żarzący się metal nie będzie reagował z tlenem w powietrzu, aby stać się jego odpowiednim tlenkiem; dlatego hel zapobiega temu zjawisku.

Nadprzewodniki

Ciekły hel służy do chłodzenia magnesów używanych w skanerach do obrazowania metodą jądrowego rezonansu magnetycznego. Źródło: Jan Ainali

Ciekły hel jest tak zimny, że może zamrozić metale w nadprzewodniki. Dzięki temu udało się wyprodukować magnesy o bardzo dużej mocy, które chłodzone ciekłym helem znalazły zastosowanie w skanerach obrazowych czy spektrometrach magnetycznego rezonansu jądrowego.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17 kwietnia 2019). Jon wodorku helu po raz pierwszy wykryty w kosmosie: dowody na nieuchwytną chemię od pierwszych minut wszechświata. Źródło: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19 sierpnia 2009). Hel. Chemia w swoim elemencie. Źródło: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Hel. Odzyskane z: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM i Bassett, WA (1988). Struktura krystaliczna i gęstość helu do 232 kbar. Odzyskany z: items.adsabs.harvard.edu
6. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Hel. Baza danych PubChem. CID = 23987. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 lutego 2017). W górę, w górę i daleko: chemicy mówią „tak”, hel może tworzyć związki. Uniwersytet Stanowy Utah. Odzyskany z: phys.org
8. Steve Gagnon. (sf). Izotopy pierwiastka helu. Jefferson Lab. Pobrane z: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Hel. Odzyskane z: chemistryexplained.com