Proizvodnja helija u industriji. Tehnički helijum - primjena u nauci i industriji. Američka nacionalna dionica

Helijum   (He) je inertni plin, koji je drugi element periodičnog sistema elemenata, kao i drugi element u lakoći i rasprostranjenosti u Univerzumu. Odnosi se na jednostavne materije i u standardnim uslovima (Standardna temperatura i pritisak) je monatomski gas.

Helijum   Nema ukusa, boje, mirisa i ne sadrži toksine.

Među svim jednostavnim supstancama, helijum ima najmanju tačku ključanja (T \u003d 4.216 K). Pri atmosferskom pritisku je nemoguće dobiti kruti helijum, čak i na temperaturama blizu apsolutne nule - da bi se helijum pretvorio u čvrsti oblik, potreban je pritisak iznad 25 atmosfera. Malo je hemijskih spojeva helija i svi su nestabilni u standardnim uvjetima.
   Helijum koji se prirodno sastoji od dva stabilna izotopa - He i 4He. Izotop "He" je veoma redak (izotopsko obilje je 0,00014%) na 99,99986% u 4He izotopu. Pored prirodnih, poznata su i 6 umjetnih radioaktivnih izotopa helija.
   Pojava gotovo svega što je dostupno u Univerzumu, helijum je bio primarna nukleosinteza, koja se odvijala u prvim minutama nakon Velikog praska.
   Trenutno gotovo svi helijum   nastao od vodonika kao posledica termonuklearne fuzije koja se javlja u crevima zvezda. Na našoj planeti, helijum je formiran u procesu raspadanja alfa teških elemenata. Taj deo, helijum, koji uspeva da procuri kroz Zemljinu koru, izlazi kao deo prirodnog gasa i može činiti do 7% svog sastava. Da istaknem helijum   od prirodnog plina upotrebljava se frakcijska destilacija - proces niskotemperaturnog odvajanja elemenata.

Istorija otkrića helijuma

18. avgusta 1868. godine očekivalo se totalno pomračenje Sunca. Astronomi širom svijeta aktivno se pripremaju za ovaj dan. Nadali su se da će riješiti misteriju istaknutih napomena - svjetlosne izbočine vidljive u vrijeme potpunog pomračenja Sunca po ivicama solarnog diska. Neki astronomi vjerovali su da su na istaknutim mjestima visoke mjesečeve planine, koje u vrijeme potpunog pomračenja Sunca osvjetljavaju zrake Sunca; drugi su mislili da su istaknute planine na samom suncu; drugi su u ispupčenjima sunca vidjeli vatrene oblake solarne atmosfere. Većina je vjerovala da istaknuti dijelovi nisu ništa drugo do optička iluzija.

Tokom 1851. godine, za vrijeme pomračenja Sunca u Europi, njemački astronom Schmidt nije samo vidio solarne izbočine, već je uspio uočiti i kako se njihovi obrisi vremenom mijenjaju. Na osnovu svojih opažanja Schmidt je zaključio da su istaknuta oblaka vrućeg plina koji se gigantskim erupcijama izbacuju u solarnu atmosferu. Međutim, čak i nakon Schmidtovih opažanja, mnogi astronomi su i dalje smatrali da su požarne police bile optička iluzija.

Tek nakon potpunog pomračenja 18. jula 1860. godine, koje je primijećeno u Španiji, kada su mnogi astronomi vlastitim očima vidjeli solarne izbočine, a talijanski Secchi i Francuz Dellar uspjeli su ne samo skicirati, već i fotografirati, niko nije sumnjao u postojanje istaknutih krajeva .

Do 1860. godine već je izumljen spektroskop - uređaj koji omogućava promatranjem vidljivog dijela optičkog spektra utvrditi kvalitativni sastav tijela iz kojeg se dobiva promatrani spektar. Međutim, na dan pomračenja Sunca, niko od astronoma nije koristio spektroskop za ispitivanje spektra istaknutosti. Spektroskop se sećao kada je pomračenje već bilo kraj.

Zato je, pripremajući se za pomračenje Sunca 1868. godine, svaki astronom u listu instrumenata za promatranje uvrstio i spektroskop. Jules Jansen, poznati francuski naučnik, nije zaboravio ovaj uređaj, krenuvši da posmatra istaknutost u Indiji, gde su uslovi za posmatranje pomračenja Sunca prema proračunima astronoma bili najbolji.

U trenutku kada je pjenušav disk Sunca u potpunosti prekrio Mjesec, Jules Jansen, istražujući uz pomoć spektroskopa, narančasto-crveni plamen koji je pobjegao s površine Sunca ugledao je u spektru, pored tri poznate linije vodika: crvenog, zeleno-plavog i plavog, novog, nepoznato - jarko žuto. Nijedna supstanca poznata tadašnjim hemičarima nije imala takvu liniju u onom dijelu spektra gdje ga je otkrio Jules Jansen. Isto otkriće, ali kod kuće, u Engleskoj, napravio je astronom Norman Lokier.

25. oktobra 1868. pariška Akademija nauka dobila je dva pisma. Jedan, napisan dan nakon pomračenja Sunca, došao je iz Guntura, malog grada na istočnoj obali Indije, od Julesa Jansena; još jedno pismo, od 20. oktobra 1868. godine, stiglo je iz Engleske od Normana Lokiera.

Primljena pisma pročitana su na sastanku profesora pariske Akademije nauka. U njima su Jules Jansen i Norman Lokier, međusobno neovisno, prijavili otkriće iste "solarne supstance". Ovu novu supstancu, koja se pronašla na površini Sunca pomoću spektroskopa, Lokier je predložio da se od grčke riječi "sun" - "helios" nazove helij.

Ova slučajnost iznenadila je akademski sastanak profesora Akademija i ujedno svjedočila objektivnoj prirodi otkrića nove hemijske supstance. U čast otkrića supstance solarnih baklji (istaknutosti) medalja je uništena. Na jednoj strani ove medalje ugravirani su portreti Jansena i Lokiera, a na drugoj je slika drevnog grčkog boga sunca Apolona u kolima koju su nacrtala četiri konja. Pod kočijama je na francuskom pisao natpis: "Analiza solarnih izbočina 18. avgusta 1868."

1895. londonski hemičar Henry Myers skrenuo je pažnju Williama Ramsayja, poznatog engleskog fizičara-hemičara, na tada zaboravljeni članak geologa Hildebranda. U ovom je članku Hildebrand tvrdila da neki rijetki minerali kada se zagrijavaju u sumpornoj kiselini emitiraju plin koji ne sagorijeva i ne podržava izgaranje. Među tim rijetkim mineralima bio je i kleveit koji ga je u Norveškoj pronašao Nordenskjöld, poznati švedski istraživač polarnih regija.

Ramsay je odlučio istražiti prirodu plina sadržanog u kleveti. U svim hemijskim trgovinama u Londonu, Ramsayevi pomoćnici uspjeli su kupiti samo ... jedan gram cleveitea, plativši za njega samo 3,5 šilinga. Izdvojivši nekoliko kubnih centimetara plina od dobijene količine cleveita i očistivši ga od nečistoće, Ramsay ga je ispitao spektroskopom. Rezultat je bio neočekivan: ispustio se plin iz cleveite-a ... helij!

Ne vjerujući svom otkriću, Ramsay se obratio Williamu Crookesu, najvećem stručnjaku za spektralnu analizu u Londonu u to vrijeme, sa zahtjevom da istraži gas koji se izvlači iz cleveita.

Crookes je istraživao gas. Rezultat studije potvrdio je otkriće Ramsayja. Dakle, 23. marta 1895. godine na Zemlji je otkrivena tvar koja je pronađena na Suncu prije 27 godina. Istog dana Ramsay je objavio svoje otkriće slanjem jedne poruke u Londonu Kraljevskom društvu, a drugu čuvenom francuskom hemičaru akademiku Berthelotu. U pismu Berthelotu, Ramsay je zatražio da obavijesti o otkriću naučnog skupa profesora pariske akademije.

Petnaest dana nakon Ramsayja, švedski hemičar Langle izolirao je helij od cleveita i, poput Ramsayja, kemičaru Berthelotu prijavio je svoje otkriće helija.

Treći put otkriven je helij u zraku, gdje je, prema Ramsayu, trebalo da dolazi od rijetkih minerala (kleveita itd.) Za vreme uništavanja i hemijskih transformacija na Zemlji.

U malim količinama helijum je pronađen i u vodi nekih mineralnih izvora. Na primjer, Ramsay ga je pronašao u ljekovitom izvoru Cotreux u Pirinejskim planinama, engleski fizičar John William Rayleigh pronašao ga je u vodama izvora u poznatom letovalištu Bath, njemački fizičar Kaiser otkrio je helijum u ključevima koji se tuku u planinama Crne šume. Međutim, helijum je pronađen najviše u nekim mineralima. Nalazi se u Samarskite, Fergusonite, Columbite, Monazite, Uranium. Mineral thorianit iz Cejlona sadrži puno helijuma. Jedan kilogram torijanata, kada se zagreva, daje 10 l helijuma.

Ubrzo je utvrđeno da se helijum nalazi samo u onim mineralima koji sadrže radioaktivni uranijum i torijum. Alfa zrake koje emituju neki radioaktivni elementi nisu ništa drugo do jezgre helijumskih atoma.

Iz priče ...

Njegova neobična svojstva omogućavaju široku upotrebu helija za najrazličitije svrhe. Prvi, apsolutno logičan, utemeljen na njegovoj lakoći, je upotreba u balonima i vazdušnim brodovima. A za razliku od vodonika, nije eksplozivan. Ovo svojstvo helija Nemci su koristili u Prvom svjetskom ratu na borbenim zračnim brodovima. Loša strana je da zračni brod napunjen helijem neće letjeti tako visoko kao vodonik.

Za bombardiranje velikih gradova, uglavnom prijestolnica Engleske i Francuske, njemačka komanda je u Prvom svjetskom ratu koristila zračne brodove (zepeline). Za njihovo punjenje upotrijebljeni su vodik. Stoga je borba protiv njih bila relativno jednostavna: zapaljiva granata, koja je pala u školjku zračnog broda, zapalila je vodik, ona se odmah zapalila i aparat je izgorio. Od 123 zračna broda sagrađena u Njemačkoj tokom Prvog svjetskog rata, 40 je spaljeno granatama. No, jednom je Generalštab engleske vojske iznenadio porukom od posebnog značaja. Izravne zapaljive granate pogodile su njemački zeppelin bezuspješno. Zračni brod nije zapalio, no polako je istjerao s nepoznatim plinom i odletio natrag.

Vojni stručnjaci bili su zbunjeni i, usprkos hitnoj i detaljnoj raspravi o pitanju zapaljivosti zeppelina iz zapaljivih granata, nisu mogli pronaći potrebno objašnjenje. Zagonetku je rešio engleski hemičar Richard Threlfall. U pismu britanskom admiralitetu napisao je: "... Vjerujem da su Nijemci izmislili način da dobiju velike količine helija, a ovoga puta punili su školjku svog zeppelina ne vodikom, kao obično, već helijem ..."

Kredibilitet Threlfall-a, međutim, umanjen je činjenicom da Njemačka nije imala značajne izvore helija. Istina, helij se nalazi u zraku, ali ga nema dovoljno: u jednom kubnom metru zraka sadrži samo 5 kubnih centimetara helijuma. Hladnjača sistema Linde, koja u jednom satu pretvara nekoliko stotina kubnih metara vazduha u tečnost, može za to vreme proizvesti ne više od 3 litre helijuma.

3 litre helija na sat! A za punjenje zeppelina treba vam 5 ÷ 6 tisuća kubnih metara. m. Da bi se dobila takva količina helija, jedna Linde-ova mašina morala je raditi bez zaustavljanja oko dvjesto godina, dvjesto ovih strojeva bi dalo željenu količinu helija u jednoj godini. Izgradnja 200 postrojenja za pretvaranje zraka u tečni za proizvodnju helija ekonomski je veoma neisplativa, i gotovo besmislena.

Odakle njemački hemičari od helija?

Ovo je pitanje, kako se kasnije ispostavilo, riješeno relativno jednostavno. Dugo prije rata njemačke brodarske kompanije koje su prevozile robu do Indije i Brazila bile su upućene da pošalju brodove koji se vraćaju ne običnim balastom, već monazitnim pijeskom, koji sadrži helij. Tako je stvorena zaliha "helijumskih sirovina" - oko 5 hiljada tona monazitnog peska, iz koga je dobijen helij za zeppeline. Pored toga, helijum je izvučen iz vode mineralnog izvora Nauheim, čime se osigurava do 70 kubnih metara. m helijuma dnevno.

Slučaj vatrootpornog zeppelina bio je poticaj za novu potragu za helijem. Hemija, fizičari i geolozi počeli su intenzivno tražiti helijum. Odjednom je stekao ogromnu vrijednost. Godine 1916. 1 kubni metar helija koštao je 200 000 rubalja u zlatu, tj. 200 rubalja po litri. Ako uzmete u obzir da litra helija teži 0,18 g, tada ga 1 g košta više od 1000 rubalja.

Helijum je postao objekt lova na trgovce, špekulante i posrednike. Značajne količine helijuma pronađene su u prirodnim plinovima iz utrobe zemlje u Americi, u državi Kansas, gdje je izgrađena biljka helija u blizini grada Fort Worth, nakon što je Amerika ušla u rat. Ali rat se završio, rezerve helija su ostale neiskorištene, troškovi helijuma su naglo opali i iznosili su oko 1918. godine po kubnom metru.

Helijum, dobijen s takvim poteškoćama, Amerikanci su koristili tek 1923. godine za popunjavanje sada mirnog zračnog broda Shenandoah. Bio je prvi i jedini zračni teretno-putnički brod napunjen helijem. Međutim, pokazalo se da mu je "život" bio kratak. Dvije godine nakon rođenja, Shenandoah je uništila oluja. 55 hiljada kubika m, gotovo cjelokupna svjetska opskrba helijemom, prikupljena šest godina, potpuno se raspršila u atmosferi tokom oluje koja je trajala samo 30 minuta.

Primjena helija

Helijum u prirodi

Uglavnom zemaljski helijum   koje nastaju tokom radioaktivnog raspada urana-238, urana-235, torijuma i nestabilnih produkata raspada. Neusporedivo manja količina helija daje sporo propadanje samarijuma-147 i bizmuta. Svi ti elementi generiraju samo teški izotop helija - He 4, čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica ukopanih u ljusci dva uparena elektrona - u elektroničkom dubletu. U ranim geološkim periodima, vjerovatno, postojali su i drugi prirodno radioaktivni niz elemenata koji su već nestali s lica Zemlje, zasićući planetu helijem. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana serija Neptunium.

Po količini helija zarobljenog u stijeni ili mineralu može se prosuditi njihova apsolutna starost. Ta se mjerenja temelje na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovica urana-238 u 4,52 milijarde godina pretvara se u helijum   i vode.

Helijum   akumulira se u zemljinoj kori polako. Jedna tona granita, koja sadrži 2 g uranijuma i 10 g torija, proizvede svega 0,09 mg helijuma za milion godina - pola kubnog centimetra. U vrlo malo minerala bogatih uranijumom i torijumom, sadržaj helija je prilično visok - nekoliko kubnih centimetara helijuma po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helija blizu je nule, jer su vrlo rijetki.

Na Zemlji ima malo helija: 1 m 3 zraka sadrži samo 5,24 cm 3 helija, a svaki kilogram zemaljskog materijala sadrži 0,003 mg helija. Ali u pogledu rasprostranjenosti u Univerzumu, helijum zauzima 2. mjesto nakon vodonika: helij čini oko 23% kosmičke mase. Oko polovine helijuma koncentrirano je u zemljinoj kori, uglavnom u njegovoj granitnoj ljusci, koja je akumulirala glavne rezerve radioaktivnih elemenata. Sadržaj helija u zemljinoj kori je mali - 3 x 10 -7 mas. Helijum se akumulira u slobodnim gasovitim akumulacijama mineralnih sirovina i u uljima; takva ležišta dostižu industrijske razmjere. Maksimalne koncentracije helija (10 -13%) pronađene su u akumulacijama slobodnih plinova i plinovima rudnika urana i (20-25%) u plinovima koji su spontano oslobođeni iz podzemnih voda. Što je starija starost sedimentnih stijena koje sadrže gas i što je veći sadržaj radioaktivnih elemenata u njima, to je više helijuma u sastavu prirodnih gasova.

Iskopavanje helija

Helij se proizvodi u industrijskim razmjerima iz prirodnih i naftnih gasova, sastava ugljikovodika i dušika. Prema kvaliteti sirovina, naslage helija se dijele na: bogate (Sadržaj\u003e 0,5% po volumenu); obične (0,10-0,50) i slabe< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Svetske rezerve helijuma su 45,6 milijardi kubnih metara. Veliki depoziti nalaze se u SAD-u (45% svjetskih resursa), a slijede Rusija (32%), Alžir (7%), Kanada (7%) i Kina (4%).
   SAD je takođe lider u proizvodnji helija (140 miliona kubika godišnje), a potom Alžir (16 miliona).

Rusija je treća na svetu - 6 miliona kubičnih metara godišnje. Postrojenje za helijum u Orenburgu trenutno je jedini domaći izvor proizvodnje helija, a proizvodnja plina u opadanju. U tom smislu, plinska polja u istočnom Sibiru i na Dalekom istoku sa visokim koncentracijama helija (do 0,6%) su od posebnog značaja. Jedan od najperspektivnijih je Kovykta ha polje kondenzata koje se nalazi na severu Irkutske oblasti. Prema stručnjacima, sadrži oko 25% svijetax rezerve helija.

Naziv indikatora	Helij (stepen A) (prema TU 51-940-80)	Helij (stepen B) (prema TU 51-940-80)	Helij visoke čistoće, 5,5 stepena (prema TU 0271-001-45905715-02)	Helij visoke čistoće, razred 6.0 (prema TU 0271-001-45905715-02)
Helijum, ne manje
Dušik, ne više
Kiseonik + argon
Neon, ne više
Vodene pare, ne više
Ugljikovodonici, ne više
CO2 + CO, ne više
Vodonik, ne više

Sigurnost

- Helijum nije toksičan, nije zapaljiv, nije eksplozivan
   - Helijum je dozvoljeno koristiti na bilo kojim mjestima velike gomile ljudi: na koncertima, promocijama, stadionima, trgovinama.
   - Plinoviti helijum je fiziološki inertan i ne predstavlja opasnost za ljude.
   - Helij nije opasan za okoliš, stoga odlaganje, zbrinjavanje i uklanjanje njegovih ostataka u cilindrima nije potrebno.
   - Helijum je mnogo lakši od zraka i raspada se u gornjoj atmosferi Zemlje.

Helijum (klase A i B prema TU 51-940-80)
Tehničko ime	Gas helijuma
Hemijska formula
OON Liste broj
Klasa opasnosti u transportu
Fizička svojstva
Fizičko stanje	U normalnim uslovima - gas
Gustoća, kg / m³	U normalnim uslovima (101,3 kPa, 20 C), 1627
Tačka ključanja, C na 101,3 kPa
Temperatura 3. točke i ravnotežni tlak C, (MPa)
Rastvorljivost u vodi	beznačajna
Opasnost od požara i eksplozije	vatra i eksplozija sigurni
Stabilnost i reaktivnost
Stabilnost	Stabilno
Reaktivnost	Inertni plin
Opasnost po ljude
Toksični efekti	Netoksično
Opasnost po životnu sredinu	Nema štetno djelovanje na okoliš
Znači	Primjenjuju se bilo koja sredstva

Skladištenje i transport helija

Plin helij može se prevoziti svim prevoznim sredstvima u skladu s pravilima prevoza robe određenim načinom transporta. Prevoz se vrši u posebnim čeličnim cilindrima smeđe boje i kontejnerima za transport helija. Tečni helij transportira se u transportnim brodovima tipa STG-40, STG-10 i STG-25 zapremine 40, 10 i 25 litara.

Pravila za transport tehničkih gasnih boca

Prevoz opasne robe u Ruskoj Federaciji uređen je sljedećim dokumentima:

1. „Pravila za cestovni prijevoz opasnih tereta“ (dopunjena Naredbama Ministarstva saobraćaja Ruske Federacije od 11.06.1999. Br. 37, od 14. oktobra 1999. br. 77; registrovana u Ministarstvu pravde Ruske Federacije 18. decembra 1995., br. 997).

2. "Evropski sporazum o međunarodnom cestovnom prevozu opasnih roba" (ADR), kojem je Rusija zvanično pristupila 28. aprila 1994. (Uredba Vlade Ruske Federacije od 03.02.1994. Br. 76).

3. "Pravila cestovnog prometa" (SDA 2006), naime članak 23.5., Koji kaže da se "prijevoz ... opasne robe ... obavlja u skladu s posebnim pravilima."

4. "Zakonik Ruske Federacije o upravnim prekršajima", član 12.21 dela 2. koji predviđa odgovornost za kršenje pravila za prevoz opasnog tereta u obliku "administrativne kazne za vozače u visini od jedne do tri minimalne zarade ili lišavanje prava na upravljanje vozilima u periodu od jedan do tri mjeseca, a za službenike odgovorne za prijevoz - od deset do dvadeset minimalnih plata. "

U skladu s podstavkom 3., odredba 1.2. "Valjanost Pravilnika ne odnosi se na ... prijevoz ograničenog broja opasnih tvari u jednom vozilu, čiji se prijevoz može smatrati prijevozom neopasnog tereta." Objašnjava i da je "ograničen broj opasne robe definiran u zahtjevima za siguran prijevoz određene vrste opasne robe. Pri njezinu određivanju moguće je koristiti zahtjeve Europskog sporazuma o međunarodnom prijevozu opasne robe (ADR)." Stoga se pitanje najveće količine tvari koje se mogu prevoziti kao neopasni teret svodi na proučavanje odjeljka 1.1.3. ADR-a, kojim se utvrđuju izuzeća od europskih pravila za prijevoz opasnih roba povezanih s različitim okolnostima.

Tako se, na primjer, u skladu s 1.1.3.1., „Odredbe ADR-a ne primjenjuju ... na prijevoz opasnih roba od strane privatnih osoba kada se ta roba pakuje za maloprodaju i namijenjena je za njihovu osobnu potrošnju, kućnu upotrebu, slobodno vrijeme ili sport, kada pod uvjetom da se poduzmu mjere kako bi se spriječilo istjecanje sadržaja u normalnim uvjetima prijevoza. "

Međutim, skupina zaplena formalno priznata pravilima za prijevoz opasne robe - zapleni povezani s količinama koje se prevoze u jednoj transportnoj jedinici (klauzula 1.1.3.6).

Svi plinovi se klasificiraju u drugu klasu tvari prema klasifikaciji ADR-a. Nezapaljivi, netoksični plinovi (grupe A - neutralni i O - oksidiraju) spadaju u treću transportnu kategoriju, sa ograničenjem maksimalne količine od 1000 jedinica. Zapaljivo (grupa F) - do druge, s maksimalnom granicom od 333 jedinice. Pod "jedinicom" podrazumijeva se 1 litra kapaciteta posude u kojoj se nalazi komprimirani plin ili 1 kg ukapljenog ili otopljenog plina. Dakle, najveća količina plinova koja se može transportirati kao neopasan teret u jednoj transportnoj jedinici je sljedeća:

Helijum je zaista plemeniti gas. Još ga nije bilo moguće prisiliti na bilo kakve reakcije. Molekul helija je monatomski. Po lakoći, ovaj gas je drugi samo vodonik, vazduh je 7,25 puta teži od helijuma. Helijum je gotovo nerastvorljiv u vodi i drugim tečnostima. I na isti način se niti jedna supstanca ne primjećuje rastopljeno u tekućem helijumu.

Čvrsti helijum se ne može dobiti ni na jednoj temperaturi ako se ne poveća pritisak.

U istoriji otkrića, istraživanja i primjene ovog elementa nalaze se imena mnogih uglednih fizičara i hemičara iz različitih zemalja. Zainteresovani za helij, surađivali sa helijem: Jansen (Francuska), Locker, Ramsay, Crookes, Rutherford (Engleska), Palmeri (Italija), Keyes, Camerling Onnes (Holandija), Feynman, Onsager (SAD), Kapitsa, Kikoin, Landau ( Sovjetski Savez) i mnogi drugi veliki naučnici.

Jedinstvenost izgleda atoma helija određena je kombinacijom dviju nevjerojatnih prirodnih struktura u njemu - apsolutnih šampiona u kompaktnosti i snazi. U jezgri helija, helijum-4, zasićene su obje intranuklearne školjke - i protonski i neutron. Elektronski duble koji uokviruje ovu jezgru je takođe zasićen. U tim je dizajnima ključ za razumijevanje svojstava helija. Odavde dolazi njegova fenomenalna hemijska inertnost i rekordno male veličine njegovog atoma.

Ogromna uloga jezgre atoma helija jeste alfa čestica u historiji nastajanja i razvoja nuklearne fizike. Ako se sjećate, upravo je istraživanje rasipanja alfa čestica dovelo Rutherford do otkrića atomskog jezgra. Kada je dušik bombardiran alfa česticama, elementi su se najpre transformisali - nešto o čemu su vekovima sanjale mnoge generacije alhemičara. Istina, u ovoj se reakciji nije živost pretvorila u zlato, nego dušik u kisik, ali to je gotovo jednako teško učiniti. Iste alfa čestice sudjelovale su u otkrivanju neutrona i proizvodnji prvog umjetnog izotopa. Kasnije su se uz pomoć alfa čestica sintetizirali kuron, berkli, kalifornija i mendelijan.

Naveli smo ove činjenice sa samo jednom svrhom - pokazati da je element broj 2 vrlo neobičan element.

Zemlji helijum

Helijum je neobičan element, a njegova povijest je neobična. Otkriven je u atmosferi Sunca 13 godina ranije nego na Zemlji. Tačnije, svijetla žuta linija D otkrivena je u spektru solarne korone, a ono što se skrivalo iza nje postalo je pouzdano poznato tek nakon što je helij izvađen iz zemaljskih minerala koji sadrže radioaktivne elemente.

U zemljinoj kori nalazi se 29 izotopa, za vreme radioaktivnog raspada od kojih nastaju alfa čestice - visoko aktivne, sa visokim energetskim jezgrama helijumskih atoma.

Uglavnom zemaljski helij nastaje tokom radioaktivnog raspada urana-238, urana-235, torija i nestabilnih produkata raspada. Neusporedivo manja količina helija daje sporo propadanje samarijuma-147 i bizmuta. Svi ti elementi stvaraju samo težak izotop helija - 4 He, čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica ukopanih u ljusci dva uparena elektrona - u elektroničkom dubletu. U ranim geološkim periodima, vjerovatno, postojali su i drugi prirodno radioaktivni niz elemenata koji su već nestali s lica Zemlje, zasićući planetu helijem. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana serija Neptunium.

Po količini helija zarobljenog u stijeni ili mineralu može se prosuditi njihova apsolutna starost. Ta se mjerenja temelje na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovica urana-238 u 4,52 milijarde godina pretvara se u helijumi vode.

Helijum u zemljinoj kori se akumulira polako. Jedna tona granita, koja sadrži 2 g uranijuma i 10 g torija, proizvede svega 0,09 mg helijuma za milion godina - pola kubnog centimetra. U vrlo malo minerala bogatih uranijumom i torijumom, sadržaj helija je prilično visok - nekoliko kubnih centimetara helijuma po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helija blizu je nule, jer su vrlo rijetki.
  Helium pi Sun otkrili su Francuz J. Jansen, koji je obavio svoja zapažanja u Indiji 10. avgusta 1868, i Englez J. Locker, 20. oktobra iste godine. Pisma obojice naučnika stigla su u Pariz istog dana i pročitana su na sastanku Pariške akademije nauka 26. oktobra sa razmakom od nekoliko minuta. Akademici, pogođeni takvom čudnom slučajnošću, usvojili su rezoluciju za isbijanje zlatne medalje u čast ovog događaja.

Prirodni spojevi, koji sadrže alfa-aktivne izotope, su samo izvor, ali ne i sirovine za industrijsku proizvodnju helija. Istina, neki minerali guste strukture - urođeni metali, magnetit, granat, apatit, cirkon i drugi - čvrsto zadržavaju helijum zatvoren u njima. Međutim, većina minerala s vremenom prolazi kroz vremenske uvjete, prekristalizaciju itd. I helijum ih ostavlja.

Mjehurići helija koji se oslobađaju od kristalnih građevina putuju po zemljinoj kori. Vrlo beznačajan dio njih se rastvara u podzemnim vodama. Za stvaranje više ili manje koncentriranih otopina helija potrebni su posebni uvjeti, posebno visoki pritisci. Još jedan dio lutajućeg helija kroz pore i pukotine minerala oslobađa se u atmosferu. Preostale molekule plina padaju u podzemne zamke, u kojima se akumuliraju desetinama, stotinama miliona godina. Slojevi labavih stijena, praznine kojih su ispunjene gasom, služe kao zamke. Dno takvih rezervoara za gorivo obično je voda i nafta, a na vrhu se plinopropusni slojevi gustih stijena preklapaju.

Budući da se ostali plinovi (uglavnom metan, dušik, ugljični dioksid) lutaju u zemljinoj kori, a osim toga u mnogo većim količinama, čisti glijevski grozdovi ne postoje. Helijum je prisutan u prirodnim gasovima kao mala nečistoća. Njen sadržaj ne prelazi hiljade, stotinke, rijetko - desetine posto. Velika (1,5-10%) heliogenost ležišta metan-azota izuzetno je rijetka pojava.

Prirodni plinovi pokazali su se gotovo jedinim izvorom sirovina za industrijsku proizvodnju helija. Iznimna hlapljivost helija povezana s njegovom niskom temperaturom ukapljivanja koristi se za odvajanje od ostalih plinova. Nakon što se sve ostale komponente prirodnog plina kondenzuju dubokim hlađenjem, ispumpava se gasoviti helijum. Tada se čisti od nečistoća. Čistoća fabričkog helijuma doseže 99,995%.

Rezerve helija na Zemlji procjenjuju se na 54014 m 3; sudeći prema proračunima, nastao je u zemljinoj kori tijekom 2 milijarde godina, deset puta više. Ova razlika između teorije i prakse je razumljiva. Helij je lagani plin i poput vodonika (iako sporiji) bježi iz atmosfere u svjetski prostor. Vjerovatno je tokom postojanja Zemlje helijum naše planete više puta ažuriran - stari je pobjegao u svemir, a umjesto njega je svježa „izdahnuta“ Zemlja ušla u atmosferu.

U litosferi je helij najmanje 200 hiljada puta veći nego u atmosferi; još više potencijalnog helija je pohranjeno u "materici" Zemlje - u alfa-aktivnim elementima. Ali, ukupni sadržaj ovog elementa u Zemlji i atmosferi je mali. Helijum je redak i raspršen gas. Za 1 kg zemaljskog materijala stvara se samo 0,003 mg helija, a njegov sadržaj u zraku iznosi 0,00052 volumnih posto. Tako niska koncentracija još ne dopušta ekonomično izvlačenje helija iz zraka.

Inertni, ali jako potreban helijum

Krajem prošlog stoljeća engleski magazin Punch objavio je karikaturu helija prikazanu kao luđački namignućeg čovjeka - stanovnika Sunca. Tekst ispod slike glasi: „Konačno sam uhvaćen na Zemlji! Trajalo je dovoljno dugo! Zanimljivo je znati koliko će vremena proći prije nego što shvate šta da urade sa mnom? "

Uistinu je prošlo 34 godine od otkrića zemaljskog helija (prvi izvještaj o tome objavljen je 1881.) prije nego što je on pronašao praktičnu primjenu. Tu su određenu ulogu odigrala prvobitna fizičko-tehnička, električna, a u manjoj mjeri i hemijska svojstva helija, što je zahtijevalo dugo istraživanje. Glavne prepreke bile su odsutnost i visoki troškovi elementa br. 2. Zbog toga helijum nije bio dostupan za praksu.

Prvi helijum koristili su Nemci. 1915. godine počeli su ih ispunjavati svojim zračnim brodovima, koji su bombardirali London. Ubrzo, lagani, ali nezapaljivi helij, postao je nezamjenjivo punilo aeronautičkih uređaja. Pad industrije zračnih brodova koji je započeo sredinom 1930-ih doveo je do blagog pada proizvodnje helija, ali samo nakratko. Ovaj gas je sve više privlačio pažnju hemičara, metalista i mašinovođa.

Mnogi tehnološki procesi i operacije se ne mogu izvoditi u vazduhu. Da biste izbjegli interakciju rezultirajuće tvari (ili sirovine) sa zračnim plinovima, stvorite posebna zaštitna okruženja; a za te svrhe nema prikladnijeg plina od helija.

Inertna, lagana, pokretna, dobro provodljiva toplina, helij je idealno sredstvo za prijenos zapaljivih tekućina i praha iz jednog spremnika u drugi; upravo te funkcije on obavlja u projektilima i vođenim raketama. U zaštitnom mediju helija prolaze se određene faze proizvodnje nuklearnog goriva. Kontejneri napunjeni helijem skladište i prevoze gorivne elemente nuklearnih reaktora. Uz pomoć posebnih detektora propuštanja, čije djelovanje se temelji na izuzetnoj difuzijskoj sposobnosti helija, otkriva se najmanji potencijal istjecanja u nuklearnim reaktorima ili drugim sustavima pod pritiskom ili vakuumom.

  Posljednje godine obilježen je opetovanim usponom zračnog broda, sada na većoj naučnoj i tehničkoj osnovi. Zrakoplovi napunjeni helijem, nosivosti od 100 do 3000 tona, grade se i grade se u velikom broju zemalja, ekonomični su, pouzdani i prikladni za transport glomazne robe, kao što su plinovodi, rafinerije nafte, tornjevi za prijenos energije itd. 85% punjenja helijem a 15% vodika je vatrootporno i samo 7% smanjuje dizanje u usporedbi s punjenjem vodikom.

Počela je raditi nova vrsta nuklearnih reaktora visoke temperature u kojima helij služi kao rashladno sredstvo.

U naučnim istraživanjima i tehnologiji tečni helijum se široko koristi. Ultra niske temperature pogoduju dubinskom poznavanju materije i njene strukture - na višim temperaturama sitni detalji energetskih spektra maskirani su toplinskim kretanjem atoma.

Već postoje superprevodni solenoidi iz specijalnih legura koji stvaraju jaka magnetska polja (do 300 tisuća oestova) uz zanemarivu cijenu energije pri temperaturi tečnog helija.

Na temperaturi tečnog helija, mnogi metali i legure postaju superprovodnici. Superprevodni releji - kriotroni se sve više koriste u konstrukciji elektronskih računara. Oni su jednostavni, pouzdani, vrlo kompaktni. Superprevodnici, a s njima i tečni helijum, postaju potrebni za elektroniku. Oni su uključeni u dizajn detektora infracrvenog zračenja, molekularnih pojačala (maser), optičkih kvantnih generatora (lasera) i instrumenata za mjerenje mikrotalasnih frekvencija.

Naravno, ovi primjeri ne iscrpljuju ulogu helija u modernoj tehnologiji. Ali da nije bilo ograničenih prirodnih resursa, a ne ekstremne disperzije helija, on bi našao mnogo više primjena. Poznato je, na primjer, da prehrambeni proizvodi kada konzerviraju u heliju zadržavaju svoj izvorni okus i aromu. Ali konzervirana hrana "helijum" ostaje "stvar sama po sebi", jer helijum nije dovoljan i koristi se samo u najvažnijim industrijama i na mestima gde bez njega ne možete. Stoga je posebno razočaravajuće shvatiti da sa zapaljivim prirodnim plinom mnogo veće količine helija prolaze i odlaze u atmosferu kroz uređaje, peći i peći za kemijsku sintezu od onih izvađenih iz izvora koji sadrže helij.

Sada se smatra korisnim oslobađanje helija samo u onim slučajevima ako njegov sadržaj u prirodnom plinu nije manji od 0,05%. Rezerve takvog plina se konstantno smanjuju, a moguće je da će se one iscrpiti prije kraja našeg stoljeća. Međutim, problem "nedostatka helija" do ovog trenutka vjerojatno će se riješiti - dijelom stvaranjem novih, naprednijih metoda za odvajanje plina, izdvajanjem iz njih najvrjednijih, iako beznačajnih količinskih frakcija, a dijelom zahvaljujući kontroliranom termonuklearnom fuzijom. Helij će postati važan, mada nusproizvod, aktivnosti aktivnosti "umjetnih sunca".

HELIUM ISOTOPES, U prirodi postoje dva stabilna izotopa helija: helijum-3 i helijum-4. Laki izotop se distribuira na Zemlji milion puta manje od teškog. Ovo je najrjeđi stabilni izotopi koji postoje na našoj planeti. Umjetno su dobivena još tri izotopa helija. Svi su radioaktivni. Poluživot helijuma-5 je 2.440-21 sekundi, helijum-6 je 0.83 sekunde, helijum-8 je 0.18 sekundi. Najteži izotop, zanimljiv po tome što u njegovim jezgrama postoje tri neutrona po protonu, prvi put je dobiven u Dubni 60-ih godina. Pokušaji za dobijanjem helijuma-10 do sada nisu bili uspešni.

POSLEDNJI ČISTI GAS. Najnoviji od svih gasova helijum je prenesen u tečno i čvrsto stanje. Posebne poteškoće ukapljivanja i očvršćivanja helija se objašnjavaju strukturom njegovog atoma i nekim karakteristikama njegovih fizičkih svojstava. Posebno se helijum, poput vodika, pri temperaturi iznad - 250 ° C, šireći, ne hladi, već zagrijava. S druge strane, kritična temperatura helija je izuzetno niska. Zato je tečni helijum prvi put dobijen tek 1908., a čvrst - 1926.

HELIUM AIR. Zrak u kojem sav ili veći dio dušika zamjenjuje helij danas više nije vijest. Široko se koristi na kopnu, podzemlju i pod vodom.

Zrak helijuma je tri puta lakši i mnogo pokretniji od običnog vazduha. Ponaša se aktivnije u plućima - brzo isporučuje kisik i brzo evakuira ugljični dioksid. Zato se helijumski zrak daje pacijentima s respiratornim poremećajima i nekim operacijama. Olakšava gušenje, liječi astmu i bolesti grkljana.

Disanje helijskim zrakom praktično eliminira dušičnu emboliju (dekompresijska bolest), kojoj pri prelasku iz visokog tlaka u normalan podliježu ronioci i druga zanimanja čiji se posao odvija pod velikim pritiskom. Uzrok ove bolesti je prilično značajan, posebno kod visokog krvnog pritiska, rastvorljivosti dušika u krvi. Kako se pritisak smanjuje, oslobađa se u obliku mjehurića gasa, koji mogu začepiti krvne žile, oštetiti živčane čvorove… Za razliku od dušika, helij je praktično netopljiv u tjelesnim tekućinama, tako da ne može biti uzrok dekompresijske bolesti. Osim toga, zrak helijem eliminira pojavu "azotne anestezije", spolja slične alkoholskoj intoksikaciji.

Prije ili kasnije, čovječanstvo će morati dugo naučiti kako živjeti i raditi na morskom dnu kako bi ozbiljno iskoristili mineralne i hranjive resurse na polici. A na velikim dubinama, što pokazuju eksperimenti sovjetskih, francuskih i američkih istraživača, zrak helijuma je i dalje neophodan. Biolozi su dokazali da produženo disanje helijumskim zrakom ne uzrokuje negativne promjene u ljudskom tijelu i ne prijeti promjenama na genetskom aparatu: atmosfera helija ne utječe na razvoj ćelija i frekvenciju mutacije. Poznata su djela čiji autori smatraju da je helijski zrak optimalni zračni medij za svemirske brodove koji obavljaju duge letove do svemira.

NAŠ HELIUM. 1980. godine, skupina naučnika i stručnjaka pod vodstvom I. L. Andreeva dobila je Državnu nagradu za stvaranje i primjenu tehnologije za proizvodnju koncentrata helija iz relativno siromašnih plinova koji sadrže helijum. Na gasnom polju Orenburg izgrađena je tvornica helija, koja je postala naš glavni dobavljač "solarnog plina" za potrebe različitih industrija.

HELIUM COMPLEX. 1978. akademik V. A. Legasov i njegovi kolege tijekom raspada jezgra tritija uključenih u molekulu aminokiseline glicina uspjeli su registrirati kompleks koji sadrži paramagnetski helij u kojem je uočena hiperfinija interakcije jezgre helijuma-3 s nesparenim elektronom. Ovo je dosad najveće dostignuće u hemiji helija.

Postoji tri glavna izvora dobivanja   helijum:

• od prirodnih gasova koji sadrže helijum
• od minerala
• iz zraka

Proizvodnja helija iz prirodnog gasa

Glavna metoda za proizvodnju helija je metoda frakcijske kondenzacije iz prirodnih plinova koji sadrže helij, tj. metoda dubokog hlađenja. Štoviše, koristi se njegovo karakteristično svojstvo - najniža tačka ključanja u odnosu na poznate tvari. To vam omogućava da kondenzujete sve gasove povezane sa helijem, posebno metan i azot. Proces se obično izvodi u dve faze:

• izolacija takozvanog sirovog helijuma (koncentrata koji sadrži 70-90% He)
• pročišćavanje da bi se dobio tehnički čisti helijum.

Na slici ispod prikazana je jedna instalacija postrojenja za vađenje helija iz prirodnog plina.

Plin se komprimira na 25 atmosfera i pod tim pritiskom ulazi u instalaciju. Pročišćavanje iz (CO 2) i djelomično sušenje plina vrši se u skruberima koji se navodnjavaju otopinom koja sadrži 10-20% monoetanolamina, 70-80% dietilen glikola i 5-10% vode. Nakon pilinga ostaje 0,003-0,008% ugljičnog dioksida CO2 u plinu, a tačka rose ne prelazi 5 ° C. Dalje se sušenje vrši u adsorberima sa silikagelom, gdje se postiže temperatura rosišta od -45 ° C.

Pri tlaku od oko 20 atmosfera, čisti suhi plin ulazi u preliminarni izmjenjivač topline 1, gdje se reverznim protocima plina hladi na -28 ° C. Kada se to dogodi, dolazi do kondenzacije teških ugljikovodika, koji se odvajaju u separatoru 2. U amonijačnom hladnjaku 3 plin se hladi na -45 ° C, kondenzat se odvaja u separatu 4. U glavnom izmjenjivaču topline 5 temperatura plina pada na -110 ° C, što rezultira znatnim dijelom kondenzira metan. Mješavina para-tekućina (oko 20% tečnosti) u prvom kondenzatoru protoka 6 se natapa pod pritiskom od 12 atmosfera, na čijem se izljevu smjesa para-plin obogaćuje helijem do 3%. Kondenzat formiran u epruvetama teče u odstranjevajući odeljak, na pločama čiji je helij u njemu otopljen uklanja se iz tečnosti i pričvršćuje se na struju para i gasa.

Tečnost se odbacuje na 1,5 atmosfere u otvor kondenzatora, gdje služi kao rashladno sredstvo. Ovdje formirana para ispušta se kroz izmjenjivače topline 5 i 1. Mješavina pare i plina koja napušta kondenzator 6 i sadrži do 3%. Prelazi u drugi kondenzator protiv protoka 7, koji se sastoji od dva dijela, pod pritiskom 12 atmosfere: u donjem dijelu se nalazi zavojni izmjenjivač topline, u epruvete iz kojih kubična tekućina iz 12 do 1,5 atmosfere isparava, a u gornjem dijelu se nalazi izmjenjivač topline s direktnim cijevima, u prstenastom prostoru u kojem dušik ključa na temperaturi od -203 ° C i tlaku 0,4 atmosfere. Kao rezultat kondenzacije sastojaka plinske smjese u donjem dijelu uređaja 7, plin se obogaćuje helijem do 30-50%, a u gornjem dijelu do 90-92%.

Sirovi helij ovog sastava pod pritiskom od 11-12 atmosfera ulazi u izmjenjivače topline, gdje se zagrijava i uklanja iz instalacije. Budući da prirodni plin sadrži male nečistoće vodonika, koncentracija vodika u sirovom helijumu raste na 4-5%. Uklanjanje vodika vrši se katalitičkim hidrogeniranjem, nakon čega slijedi sušenje plina u adsorberima silikagelom. Sirovi helijum komprimira se na 150-200 atmosfere pomoću membranskog kompresora 8, hladi se u izmjenjivaču toplote 9 i dovodi u kondenzator 10 zavojnice sa direktnim protokom, hlađen vrelom dušikom pod vakuumom. Kondenzat (tečnost) sakuplja se u separatoru 11 i periodično uklanja, a kondenzovani plin koji sadrži otprilike 98%. On ide u adsorber 12 aktivnim ugljenom hlađenim tečnim azotom. Helij koji napušta adsorber sadrži manje od 0,05% nečistoće i ulazi u cilindre 13 kao proizvod.

Prirodni plinovi u SAD-u posebno su bogati helijumom, koji određuje rasprostranjenu upotrebu helija za ovu zemlju.

Dobijanje helija iz minerala

Ostali su izvori helija   neki radioaktivni minerali   koji sadrže uranijum, torijum i samarijum:

• klevetu
• fergusonit
• samarskite
• gadolinit
• monazit
• torianit

Posebno monazitski pijesakvelika ležišta koja se nalaze u Travankoru (Indija): monaziti ovog ležišta sadrže oko 1 cm 3 helija u 1 g rude.

Za dobivanje helija iz monocita je potrebno zagrijati monocit u zatvorenoj posudi na 1000 ° C. Oslobađa se helijum zajedno sa ugljen-dioksidom (CO 2), koji se apsorbuje rastvorom natrijum-hidroksida (NaOH). Preostali gas sadrži 96,6% He. Daljnje pročišćavanje vrši se na 600 ° C na magnezijevom metalu radi uklanjanja dušika, a zatim na 580 ° C - na metalu kalcijuma za uklanjanje preostalih nečistoća. Proizvodni plin sadrži preko 99,5% He. Iz 1000 tona monazitnog pijeska može se dobiti oko 1000 m 3 čistog helija. Takve način proizvodnje helija nije od tehničkog i industrijskog interesa..

Proizvodnja helija iz vazduha

Helijum je u zraku u malim količinama.iz kojeg se može dobiti kao nusproizvod pri proizvodnji kisika i dušika iz zraka opisanog u članku "". U industrijskim destilacijskim stupcima za odvajanje zraka iznad tečnog azota, sakuplja se preostala gasovita smeša neona i helija. Slika ispod pokazuje claudov aparatposebno prilagođen za odvajanje takve smjese.

Plin koji napušta aparat kroz ventil D hladi se u zavojnici S, koja se izliva sa tečnim azotom iz T da bi se kondenzirao zaostali azot. Ako se ventil R malo otvori, dobiva se smjesa koja sadrži vrlo malo dušika. Ovom metodom industrijske proizvodnje helija, pored poteškoća u potrebi da se preradi velika količina zraka, postoji i dodatna poteškoća - potreba odvajanje helija od neona. Ovo odvajanje može se provesti pomoću tekućeg vodika, u kojem se neon očvrsne, ili adsorpcijom neona aktivnim ugljenom hlađenim tekućim dušikom.

Dobijanje helija iz vazduha je nepraktično   zbog male količine - 0.00046% zapremine ili 0.00007% mase. Proračuni pokazuju da će cijena jednog kubnog metra helija izvučenog iz zraka biti hiljadama puta veća nego kada se on izvlači iz prirodnih plinova. Tako visoki trošak, naravno, eliminira mogućnost industrijskog odvajanja helija od zraka.

Na primjer: Da biste dobili 1 kubni metar helija, trebate izdvojiti 116 tona dušika.

Hemijski element helij prvo je otkriven na Suncu, a tek potom i na Zemlji.

Ključnu ulogu u historiji otkrića helija imao je Norman Lockyer, osnivač jedne od vodećih svjetskih znanstvenih publikacija - časopisa Priroda. U pripremi za izdanje časopisa, upoznao se sa londonskim naučnim establišmentom i zanimao se za astronomiju. To je bilo vreme kada su, inspirisani otkrićem Kirchhoffa - Bunsena, astronomi tek počeli proučavati spektar svetlosti koji emituju zvezde. Sam Loker uspio je napraviti niz važnih otkrića - posebno, prvi je pokazao da su sunčeve pjege hladnije od ostatka sunčeve površine, a ujedno je i prvi pokazao prisustvo vanjske ljuske Sunca, nazivajući ga hromosfera. 1868. godine, dok je ispitivao svjetlost koju zrače atomi u istaknutosti - ogromni izbacivanja plazme s površine Sunca, Lockyer je primijetio niz nepoznatih spektralnih linija ( vidi   Spektroskopija). Pokušaji dobivanja istih linija u laboratorijskim uvjetima nisu uspjeli, iz čega je Lockyer zaključio da je otkrio novi kemijski element. Locker ga je zvao grčki helios   "Sunce."

Naučnici su bili zbunjeni kako reaguju na pojavu helijuma. Neki su sugerirali da je napravljena interpretacija u interpretaciji spektra istaknutih elemenata, ali to je gledište dobilo manje pristalica, budući da je sve veći broj astronoma uspio promatrati Lockyerove linije. Drugi su tvrdili da na Suncu postoje elementi koji nisu na Zemlji - što se, kao što je već spomenuto, protivi glavnoj odredbi zakona o prirodi. Još drugi (bilo ih je manjina) vjerovali su da će se jednog dana na Zemlji naći helij.

Krajem 1890-ih, Lord Rayleigh i sir William Ramsay proveli su niz eksperimenata koji su doveli do otkrića argona. Ramsay je izmijenio svoju instalaciju kako bi ga iskoristio za proučavanje plinova koje emituju minerali koji sadrže uranijum. Ramsay je otkrio nepoznate linije u spektru tih plinova i poslao uzorke nekoliko kolega na analizu. Nakon što je uzeo uzorak, Lockyer je odmah prepoznao linije koje je zapazio na suncu prije više od četvrt vijeka. Riješena je zagonetka helija: plin se nesumnjivo nalazi na Suncu, ali postoji i ovdje na Zemlji. Danas je ovaj plin najpoznatiji u svakodnevnom životu kao plin za naduvavanje vazdušnih brodova i balona ( vidi   Grahamov zakon), a u znanosti - zahvaljujući njegovoj primjeni u kriogenetika, tehnologija za postizanje ultra-niskih temperatura.

Koronijum i Nebulus

Pitanje ima li negdje u Univerzumu kemijskih elemenata kojih nema na Zemlji nije izgubilo na značaju u 20. stoljeću. U istraživanju vanjske solarne atmosfere - solarne krunicekoji se sastojao od vruće, vrlo redfinirane plazme, astronomi su otkrili spektralne linije koje se nisu mogle poistovjetiti s bilo kojim od poznatih zemaljskih elemenata. Naučnici su predložili da te linije pripadaju novom elementu koji se zove coronium. I kad se proučavaju spektri nekih maglice   - daleka nakupljanja gasova i prašine u Galaksiji - otkrivena je još jedna misteriozna linija. Pripisani su drugom „novom“ elementu - nebulia. 1930-ih američka astrofizičarka Ira Sprague Bowen (1898-1973) došla je do zaključka da linije magline zapravo pripadaju kiseoniku, ali su taj oblik stekle zbog ekstremnih uvjeta koji postoje na Suncu i u maglicama, štoviše ovi se uslovi ne mogu reprodukovati u zemaljskim laboratorijama. Koronij se pokazao kao visoko jonizirano gvožđe. I nazivaju se ove linije zabranjene linije.

Joseph Norman LOCKIER
Joseph Norman Lockyer, 1836-1920

Engleski naučnik. Rođen je u gradu Ragbi u porodici vojnog ljekara. Lockyer je nauku došao na neobičan način, započevši svoju karijeru kao službenik u Ministarstvu rata. Da bi zaradio dodatni novac, iskoristivši javni interes za nauku, počeo je da objavljuje popularni naučni časopis. 1869. objavljen je prvi broj časopisa. Prirodai Lockyer je 50 godina ostao njegov urednik. Učestvovao je u mnogim ekspedicijama promatrajući totalna pomračenja Sunca. Jedna od tih ekspedicija dovela ga je do otkrića helija. Lockyer je poznat i kao osnivač arheoastronomije - nauke koja proučava astronomsko značenje drevnih struktura poput Stonehengea - i autor mnogih nefantastičnih knjiga.

Definicija

Helijum   - Drugi element periodne tablice. Oznaka - Ne od latinskog „helium“. Smještena u prvom periodu, VIIIA grupa. Pripada grupi inertnih (plemenitih) plinova. Jezgre naboj je 2.

Helij se nalazi na Zemlji uglavnom u atmosferi, ali se neke njegove količine oslobađaju na određenim mjestima iz utrobe Zemlje zajedno sa prirodnim gasovima. Vode mnogih mineralnih izvora takođe emituju helijum.

Helij je bezbojni, teško ukapljeni plin (tačka ključanja -268,9 o C), koji se očvrsne samo pod viškom pritiska (atomska struktura je prikazana na slici 1). Ima snažnu sposobnost prodiranja staklene i metalne folije. Loše je topiv u vodi, bolji je u benzenu, etanolu, toluenu.

Sl. 1. Struktura atoma helija.

Atomska i molekularna masa helija

Definicija

Relativna molekulska masa M r   je molarna masa molekula, povezana sa 1/12 molarne mase atoma ugljika-12 (12 C). Ovo je bezdimenzionalna količina.

Definicija

Relativna atomska masa A r   je molarna masa atoma neke tvari, koja se odnosi na 1/12 molarne mase atoma ugljika-12 (12 C).

Budući da helij postoji u obliku monatomskih molekula He u slobodnom stanju, njegove atomske i molekularne mase se podudaraju. One su jednake 4.003.

Izotopi helija

Helijum - najčešći element prostora nakon vodonika - sastoji se od dva stabilna izotopa: 4 He i 3 He. Njihovi masni brojevi su 4 i 3. Nukleus atoma helija 4 Heli sadrži dva protona i dva neutrona, a atom 3 He ima isti broj protona i jedan neutron.

Spektralna analiza pokazuje njegovo prisustvo u atmosferi Sunca, zvijezda, u meteoritima. Akumulacija 4 He jezgre u Univerzumu uzrokovana je termonuklearnom reakcijom, koja služi kao izvor solarne i zvjezdane energije.

Ioni helija

U normalnim uslovima, helijum je hemijski inertan, ali uz snažno pobuđivanje atoma može formirati molekularne ione He 2 +. U normalnim uslovima, ovi joni su nestabilni; hvatajući nestali elektron, oni se raspadaju na dva neutralna atoma.

Atom molekula i helija

U slobodnom stanju, helijum postoji u obliku monatomskih Mo molekula.

Primjeri rješavanja problema

PRIMER 1

Zadatak	Ugljikovodik sadrži 92,3% ugljika. Ispišite molekularnu (empirijsku) formulu ugljikovodika (C x H y) ako je njegova gustoća pare u helijumu (He) 6,5.
Rješenje	Maseni udio elementa X u molekuli HX sastava izračunava se sljedećom formulom: ω (X) \u003d n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Označite broj atoma ugljika u molekuli sa „x“, broj atoma vodika sa „y“. Pronađite postotak vodika u sastavu ugljikovodika: ω (H) \u003d 100% - ω (C) \u003d 100% - 92,3% \u003d 7,7%. Pronalazimo odgovarajuće relativne atomske mase elemenata ugljika i vodika (vrijednosti relativnih atomskih masa uzetih iz periodične tablice D. I. Mendeleeva zaokružuju se na cijele brojeve). Ar (C) \u003d 12 amu; Ar (H) \u003d 1 amu Procenat elemenata dijeli se na odgovarajuće relativne atomske mase. Dakle, nalazimo odnos između broja atoma u molekuli jedinjenja: x: y \u003d m (Ca) / Ar (C): m (H) / Ar (P); x: y \u003d 92,3 / 12: 7,7 / 1; x: y: z \u003d 7.7: 7.7 \u003d 1: 1 Dakle, najjednostavnija formula je ugljikovodični CH. M (CH) \u003d Ar (C) + Ar (H) \u003d 12 + 1 \u003d 13 / mol. Molarna masa organske materije se može odrediti njegovom gustoćom na helijumu: M supstanca \u003d M (He) × D (He); M supstanca \u003d 4 × 6,5 \u003d 26 g / mol. Da bismo pronašli pravu formulu ugljikovodika, naći ćemo omjer dobivenih molarnih masa: M supstanca / M (CH) \u003d 26/13 \u003d 2. Dakle, indeksi ugljikovih i vodikovih atoma trebali bi biti 2 puta veći, tj. Molekularna (empirijska) formula ugljikovodika je C2H 2. To je acetilen.
Odgovor	C 2 H 2. To je acetilen.

PRIMER 2

Zadatak	U cilindru zapremine 60 l na 20 o C i 40 atm nalazi se helijum. Utvrdite količinu helija potrošene na NU ako je nakon 8 sati rada, tlak u cilindru pao na 32 atm, a temperatura porasla na 22 o C.
Rješenje	Prvo prevedite stupnjeve u Kelvin: T1 \u003d 273 + 20 \u003d 293 K; T 2 \u003d 273 + 22 \u003d 295 K. Prema zakonu o kombiniranom plinu: PV / T \u003d P 0 V 0 / T 0; V 0 \u003d PVT 0 / P 0 T. Za početno stanje helija u balonu, smanjena zapremina je: V 0 početna \u003d P 1 × V 1 × T 0 / P 0 × T 1. Za krajnje stanje helija u balonu, smanjena zapremina je: V 0 final \u003d P 2 × V 2 × T 0 / P 0 × T 2. Izrazite količinu helija potrošene na nu: V x \u003d V 0 početno - V 0 konačno; V x \u003d -; V x \u003d (T 0 / P 0) × [(P 1 × V 1 / T 1) - (P 2 × V 2 / T 2)]. Budući da je kapacitet spremnika konstantan, tada je V 1 \u003d V 2 \u003d V, tada: V x \u003d (T 0 × V / P 0) × [(P 1 / T 1) - (P 2 / T 2)]; V x \u003d (273 × 60/1) × [(40/293) - (32/295)] \u003d 459 l.
Odgovor	459 l