Heeliumi tootmine tööstuses. Tehniline heelium - rakendus teaduses ja tööstuses. USA rahvuslik aktsia

Heelium  (He) on inertgaas, mis on perioodiliste elementide süsteemi teine \u200b\u200belement, aga ka kerguse ja levimuse teine \u200b\u200belement Universumis. See viitab lihtsatele ainetele ja standardtingimustes (standardne temperatuur ja rõhk) on monatomne gaas.

Heelium  Sellel puudub maitse, värvus, lõhn ja see ei sisalda toksiine.

Kõigist lihtsatest ainetest on heeliumil väikseim keemispunkt (T \u003d 4,216 K). Atmosfäärirõhul on tahke heeliumi saamine võimatu isegi absoluutse nulli lähedastel temperatuuridel - tahkeks vormiks muundamiseks vajab heelium rõhku üle 25 atmosfääri. Heeliumi keemilisi ühendeid on vähe ja kõik need on standardtingimustes ebastabiilsed.
   Looduses esinev heelium koosneb kahest stabiilsest isotoobist - He ja 4He. He-isotoop on väga haruldane (isotoobi arvukus on 0,00014%) 4He isotoobis 99,99986%. Lisaks looduslikele on teada ka 6 tehislikku radioaktiivset heeliumi isotoopi.
   Peaaegu kõik, mis universumis saadaval on, oli heelium primaarne nukleosüntees, mis leidis aset esimestel minutitel pärast Suurt Pauku.
   Praegu peaaegu kõik heelium  mis moodustub vesinikust tähesooles toimuva termotuumasünteesi tagajärjel. Meie planeedil moodustub heelium raskete elementide alfa-lagunemise protsessis. Maakera kaudu lekiv heelium tuleb välja maagaasi osana ja võib moodustada kuni 7% selle koostisest. Esiletõstmiseks heelium  maagaasist kasutatakse fraktsionaalset destilleerimist - elementide eraldamist madalal temperatuuril.

Heeliumi avastamise ajalugu

18. augustil 1868 oli oodata täielikku päikesevarjutust. Astronoomid kogu maailmas valmistuvad selleks päevaks aktiivselt. Nad lootsid lahendada silmapaistvate asjade müsteeriumi - päikese ketta servades täieliku päikesevarjutuse ajal nähtavad helendavad eendid. Mõned astronoomid uskusid, et silmapaistvad kohad on kõrged Kuu mäed, mida täieliku päikesevarjutuse ajal valgustavad päikesekiired; teised arvasid, et silmapaistvad kohad olid mäed päikese käes; teised nägid päikese eendites päikese atmosfääri tuliseid pilvi. Enamik uskus, et silmapaistvad kohad pole muud kui optiline illusioon.

Aastal 1851, Euroopas täheldatud päikesevarjutuse ajal, nägi Saksa astronoom Schmidt mitte ainult päikese väljaulatuvusi, vaid suutis ka märgata, et nende piirjooned aja jooksul muutuvad. Oma tähelepanekute põhjal järeldas Schmidt, et silmapaistvad kohad on kuumad gaasipilved, mis hiiglaslike pursketega päikese atmosfääri paiskuvad. Kuid isegi pärast Schmidti tähelepanekuid pidasid paljud astronoomid tuletõrjeredelid ikkagi optiliseks illusiooniks.

Alles pärast 18. juulil 1860 Hispaanias täheldatud täielikku varjutust, kui paljud astronoomid nägid oma silmaga päikese väljaulatuvust ning itaalia Secchi ja prantslane Dellar suutsid mitte ainult visandada, vaid ka neid pildistada, ei kahelnud keegi silmapaistvate objektide olemasolus. .

1860. aastaks oli juba leiutatud spektroskoop - seade, mis võimaldab optilise spektri nähtava osa vaatlemisel kindlaks teha selle keha kvalitatiivse koostise, millest vaadeldav spekter saadakse. Kuid päikesevarjutuse päeval ei kasutanud ükski astronoomidest silmapaistvuse spektri uurimiseks spektroskoopi. Spektroskoop tuli meelde, kui eclipse oli juba läbi.

Seetõttu hõlmas iga astronoom 1868. aasta päikesevarjutuse ettevalmistamisel vaatlusriistade loetellu ka spektroskoopi. Tuntud prantsuse teadlane Jules Jansen ei unustanud seda seadet, asudes jälgima silmapaistvaid kohti Indias, kus astronoomide arvutuste kohaselt olid päikesevarjutuse vaatluseks parimad tingimused.

Sel hetkel, kui Päikese sädelev ketas oli Kuuga täielikult kaetud, nägi Jules Jansen, uurides spektroskoobi abil Päikese pinnalt pääsenud oranžikaspunaseid leeke, lisaks kolmele tuttavale vesinikujoonele: punast, rohelist-sinist ja sinist, uut, harjumatu - erekollane. Ühelgi tolle aja keemikutele teadaoleval ainel polnud spektri selles osas, kus Jules Jansen selle avastas, sellist joont. Sama avastuse, kuid kodus, Inglismaal, tegi astronoom Norman Lokier.

Pariisi Teaduste Akadeemia sai 25. oktoobril 1868 kaks kirja. Üks, mis oli kirjutatud päev pärast päikesevarjutust, tuli India idaranniku väikelinnast Gunturist Jules Jansenilt; veel üks 20. oktoobri 1868 kuupäevaga kiri oli Inglismaalt Norman Lokierilt.

Saadud kirjad loeti ette Pariisi Teaduste Akadeemia professorite koosolekul. Neis teatasid Jules Jansen ja Norman Lokier teineteisest sõltumatult sama "päikeseenergia aine" avastamisest. See uus aine, mis leiti Päikese pinnalt spektroskoobi abil, tegi Lokier ettepaneku kutsuda heeliumi kreekakeelsest sõnast "päike" - "heelos".

See kokkusattumus üllatas akadeemiate professorite akadeemilist koosolekut ja tunnistas samal ajal uue keemilise aine avastamise objektiivsust. Päikesepõletite (prominentide) avastuse auks löödi välja medal. Selle medali ühele küljele on graveeritud Janseni ja Lokieri portreed, teiselt poolt Vana-Kreeka päikesejumala Apollo pilt vankris, mille joonistasid neli hobust. Vankri all ilutses prantsusekeelne kiri: "Päikesepurjete analüüs 18. augustil 1868"

1895. aastal juhtis Londoni keemik Henry Myers kuulsa inglise füüsiku-keemiku William Ramsay tähelepanu geoloogi Hildebrandi tol ajal unustatud artiklile. Hildebrand väitis selles artiklis, et mõned haruldased mineraalid eraldavad väävelhappes kuumutades gaasi, mis ei põle ega toeta põlemist. Nende haruldaste mineraalide hulgas oli kleveit, mille leidis Norrast kuulus polaaralade Rootsi maadeavastaja Nordenskjöld.

Ramsay otsustas uurida laimu sisaldava gaasi olemust. Kõigist Londoni keemiakauplustest suutsid Ramsay abilised osta ainult ... ühe grammi kleitiiti, makstes selle eest vaid 3,5 šillingit. Olles eraldanud saadud kleviidi kogusest mitu kuupsentimeetrit gaasi ja puhastanud selle lisanditest, uuris Ramsay seda spektroskoobi abil. Tulemus oli ootamatu: kleviidist vabanenud gaas osutus ... heeliumiks!

Usaldamata oma avastust, pöördus Ramsay Londoni tollase suurima spektraalanalüüsi spetsialisti William Crookesi poole palvega uurida Cleveitist ammutatud gaasi.

Crookes uuris gaasi. Uuringu tulemus kinnitas Ramsay avastamist. Nii avastati 23. märtsil 1895 Maalt aine, mis leiti Päikeselt 27 aastat tagasi. Samal päeval avaldas Ramsay oma avastuse, saates ühe teate Londoni Kuninglikule Ühingule ja teise kuulsale prantsuse keemikule akadeemikule Berthelotile. Berthelotile saadetud kirjas palus Ramsay teavitada Pariisi akadeemia professorite teadusliku kohtumise avastustest.

Viisteist päeva pärast Ramsayt eraldas Rootsi keemik Langle temast sõltumatult kleviidist heeliumi ja teatas sarnaselt Ramsayga keemiku Berthelot'ile oma heeliumi avastamisest.

Kolmandat korda leiti õhus heelium, kus see pidi Ramsay sõnul pärinema haruldastest mineraalidest (Cleveite jt) Maa peal hävitamise ja keemiliste muutuste ajal.

Väikestes kogustes leiti heeliumi ka mõne mineraalvee allikast. Näiteks leidis Ramsay teda Püreneede mägedes asuvas Cotreux tervendavas allikas, inglise füüsik John William Rayleigh leidis ta kuulsa Bathi kuurordi allikate vetest, saksa füüsik Kaiser avastas Heeliumi võtmetes, mis peksid Musta metsa mägedes. Kuid heeliumi leiti kõige rohkem mõnedest mineraalidest. Seda leidub Samarskite, Fergusoniidis, Columbites, Monazite, uraanis. Tseilonist pärit tooriidi mineraal sisaldab palju heeliumi. Kilogramm torjaniiti eraldab kuumutamisel 10 l heeliumi.

Peagi tehti kindlaks, et heeliumi leidub ainult neis mineraalides, mis sisaldavad radioaktiivset uraani ja tooriumit. Mõne radioaktiivse elemendi kiiratavad alfakiired ei ole muud kui heeliumi aatomite tuumad.

Loost ...

Selle ebatavalised omadused võimaldavad heeliumi laialdast kasutamist mitmesugustel eesmärkidel. Esimene, absoluutselt loogiline, lähtudes selle kergusest, on selle kasutamine õhupallides ja õhulaevades. Ja erinevalt vesinikust, ei ole see plahvatusohtlik. Seda heeliumi omadust kasutasid sakslased Esimeses maailmasõjas lahingulaevade jaoks. Negatiivne külg on see, et heeliumiga täidetud õhulaev ei lenda nii kõrgel kui vesinik.

Suurte linnade, peamiselt Inglismaa ja Prantsusmaa pealinnade pommitamiseks kasutasid Saksa väeosad Esimese maailmasõja ajal õhulaevu (zeppeline). Nende täitmiseks kasutati vesinikku. Seetõttu oli võitlus nende vastu suhteliselt lihtne: õhulaeva kestasse vajunud süütav kest süttis vesinikule, see süttis silmapilkselt ja aparaat põles välja. Esimese maailmasõja ajal Saksamaal ehitatud 123 õhulaevast põles süütekoor 40. Kuid kord üllatas Inglise armee peastaap erilise tähtsusega teatega. Otsene süütekoor tabas Saksa tsepelinit tulemusteta. Õhulaev ei süttinud, vaid voolas aeglaselt mõne tundmatu gaasiga välja, lendas tagasi.

Sõjaväeeksperdid olid hämmingus ja hoolimata kiireloomulisest ja detailsest arutelust süütekestadest pärineva tsepelini süttivuse teemal, ei leidnud nad vajalikku selgitust. Mõistatuse lahendas inglise keemik Richard Threlfall. Briti admiraliteedile saadetud kirjas kirjutas ta: "... ma usun, et sakslased leiutasid viisi suures koguses heeliumi ekstraheerimiseks ja seekord täitsid nad oma tsepepeliini kesta mitte vesinikuga, nagu tavaliselt, vaid heeliumiga ..."

Threlfali usaldusväärsust vähendas aga asjaolu, et Saksamaal polnud olulisi heeliumi allikaid. Tõsi, heelium sisaldub õhus, kuid sellest ei piisa: ühes kuupmeetris õhku sisaldab heelium ainult 5 kuupsentimeetrit. Linde süsteemi jahuti, mis muudab tunni jooksul mitusada kuupmeetrit õhku vedelikuks, ei saaks selle aja jooksul toota rohkem kui 3 liitrit heeliumi.

3 liitrit heeliumi tunnis! Ja tsepeliini täitmiseks vajate 5 ÷ 6 tuhat kuupmeetrit. m) Sellise koguse heeliumi saamiseks pidi üks Linde-masin umbes kakssada aastat töötama peatumata, kakssada neist masinatest annaks soovitud koguse heeliumi ühe aasta jooksul. 200 heeliumi tootmiseks vedelikuks muundamise tehase ehitamine on majanduslikult väga tulutu ja peaaegu mõttetu.

Kust saksa keemikud said heeliumi?

Nagu hiljem selgus, lahendati see küsimus suhteliselt lihtsalt. Ammu enne sõda kästi Indiasse ja Brasiiliasse kaupu vedanud Saksa laevafirmadel korraldada tagasisaatmislaevad mitte tavalise ballasti, vaid heeliumi sisaldava monasiitliiva abil. Nii loodi “heeliumi tooraine” varud - umbes 5000 tonni monasiitliiva, millest heeliumi saadi tsepeliinide jaoks. Lisaks ekstraheeriti Nauheimi mineraalallika veest heeliumi, andes kuni 70 kuupmeetrit. m heeliumi päevas.

Tulekindla tsepelini juhtum oli tõukeks heeliumi uuele otsingule. Keemia, füüsikud ja geoloogid hakkasid intensiivselt heeliumi otsima. Ta omandas äkki tohutu väärtuse. 1916. aastal maksis 1 kuupmeeter heeliumi kullas 200 000 rubla, s.o 200 rubla liitri kohta. Kui arvestada, et liiter heeliumi kaalub 0,18 g, siis maksis 1 g sellest rohkem kui 1000 rubla.

Heeliumist sai kaupmeeste, spekulantide ja börsimaaklerite jahipidamise objekt. Märkimisväärses koguses heeliumi leiti looduslikest gaasidest maa soolestikust Ameerikas, Kansase osariigis, kus pärast Ameerika sõja algust ehitati Fort Worthi linna lähedale heeliumi tehas. Kuid sõda lõppes, heeliumivarud jäid kasutamata, heeliumi maksumus langes järsult ja ulatus 1918. aasta lõpus umbes nelja rublani kuupmeetri kohta.

Selliste raskustega saadud heeliumi kasutasid ameeriklased alles 1923. aastal praeguseks rahuliku Shenandoahi õhulaeva täitmiseks. Ta oli esimene ja ainus heeliumiga täidetud kauba- ja reisilaev. Tema "elu" osutus siiski lühikeseks. Kaks aastat pärast sündi hävitas torm tormi Shenandoah. 55 tuhat kuupmeetrit m, peaaegu kogu kuue aasta jooksul kogutud heeliumivarustus oli vaid 30 minutit kestnud tormi ajal atmosfääris täielikult hajutatud.

Heeliumrakendus

Heelium looduses

Enamasti maised heelium  moodustatud uraani-238, uraan-235, tooriumi ja ebastabiilsete lagunemissaaduste radioaktiivse lagunemise ajal. Võrreldamatult väiksem kogus heeliumi annab samarium-147 ja vismuti aeglase lagunemise. Kõik need elemendid genereerivad ainult raske heeliumi isotoopi - He 4, mille aatomeid võib pidada alfaosakeste jääkideks, mis on maetud kahe paaris elektroniga kesta - elektroonilises dubletis. Varastel geoloogilistel perioodidel oli arvatavasti ka teisi looduslikult radioaktiivseid elementide seeriaid, mis olid juba Maa pinnalt kadunud, küllastades planeedi heeliumiga. Üks neist oli nüüd kunstlikult taasloodud Neptunium sari.

Kivimi või mineraali sisse lõksunud heeliumi koguse järgi saab hinnata nende absoluutset vanust. Need mõõtmised põhinevad radioaktiivse lagunemise seadustel: näiteks 4,52 miljardi aasta jooksul muutub pool uraan-238-st heelium  ja viia.

Heelium  koguneb maapõues aeglaselt. Üks tonn graniiti, mis sisaldab 2 g uraani ja 10 g tooriumi, toodab miljoni aasta jooksul vaid 0,09 mg heeliumi - pool kuupsentimeetrit. Vähestes uraani- ja tooriumirikastes mineraalides on heeliumi sisaldus üsna kõrge - paar kuupsentimeetrit heeliumi grammi kohta. Nende mineraalide osakaal heeliumi looduslikus tootmises on siiski nullilähedane, kuna need on väga haruldased.

Maal on vähe heeliumi: 1 m 3 õhku sisaldab ainult 5,24 cm 3 heeliumi ja iga maapealse materjali kilogramm sisaldab 0,003 mg heeliumi. Kuid universumis levimuse osas võtab heelium vesiniku järel 2. koha: heelium moodustab umbes 23% kosmilisest massist. Ligikaudu pool kogu heeliumist on koondunud maakooresse, peamiselt selle graniidist kestas, kuhu on kogunenud peamised radioaktiivsete elementide varud. Maapõue heeliumi sisaldus on väike - 3 x 10–7 massiprotsenti. Heelium koguneb maavarade vabades gaasikogumites ja õlides; sellised maardlad saavutavad tööstusliku mõõtme. Heeliumi maksimaalsed kontsentratsioonid (10–13%) leiti uraanikaevanduste vabades gaaside akumulatsioonides ja gaasides ning (20–25%) gaasides, mis iseenesest eralduvad põhjaveest. Mida vanemad on gaasi kandvad settekivimid ja mida suurem on radioaktiivsete elementide sisaldus neis, seda rohkem on looduslike gaaside koostises heeliumi.

Heeliumi kaevandamine

Heeliumi toodetakse tööstuslikul tasandil nii süsivesinike kui lämmastiku koostisega looduslikest ja naftagaasidest. Vastavalt tooraine kvaliteedile jagunevad heeliumiladestused järgmisteks osadeks: rikkad (Ta sisaldus\u003e 0,5 mahuprotsenti); tavaline (0,10–0,50) ja kehv< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Maailma heeliumivarud on 45,6 miljardit kuupmeetrit. Suured hoiused asuvad USA-s (45% maailma ressurssidest), järgnevad Venemaa (32%), Alžeeria (7%), Kanada (7%) ja Hiina (4%).
   USA on ka heeliumi tootmise liider (140 miljonit kuupmeetrit aastas), seejärel Alžeeria (16 miljonit).

Venemaa on maailmas kolmandal kohal - 6 miljonit kuupmeetrit aastas. Orenburgi heeliumi tehas on praegu ainus heeliumi tootmise kodumaine allikas ja gaasi tootmine väheneb. Sellega seoses on eriti olulised kõrge heeliumi kontsentratsiooniga (kuni 0,6%) Ida-Siberi ja Kaug-Ida gaasiväljad. Üks paljulubavamaid on Kovykta ha kondensaadiväli, mis asub Irkutski piirkonna põhjas. Ekspertide sõnul sisaldab see umbes 25% kogu maailmastx heeliumivarud.

Näitaja nimi	Heelium (klass A) (vastavalt TU 51-940-80)	Heelium (B klass) (vastavalt TU 51-940-80)	Kõrge puhtusastmega heelium, klass 5.5 (vastavalt TU 0271-001-45905715-02)	Kõrge puhtusastmega heelium, klass 6,0 (vastavalt TU 0271-001-45905715-02)
Heelium, mitte vähem
Lämmastik, mitte enam
Hapnik + argoon
Neoon, mitte enam
Veeaur, mitte rohkem
Süsivesinikud, mitte rohkem
CO2 + CO, mitte rohkem
Vesinik, mitte rohkem

Ohutus

- Heelium ei ole mürgine, ei ole põlev ega plahvatusohtlik
   - Heeliumi on lubatud kasutada suure rahvahulga kõikides kohtades: kontsertidel, tutvustustel, staadionitel ja poodides.
   - Gaasiline heelium on füsioloogiliselt inertne ega kujuta endast ohtu inimesele.
   - Heelium ei ole keskkonnale ohtlik, seetõttu pole tema jääkide kõrvaldamine, kõrvaldamine ja kõrvaldamine balloonides vajalik.
   - Heelium on õhust palju kergem ja hajub Maa ülemises atmosfääris.

Heelium (klassid A ja B vastavalt TU 51-940-80)
Tehniline nimi	Heeliumgaas
Keemiline valem
OON nimekirja number
Transpordi ohuklass
Füüsikalised omadused
Füüsiline seisund	Normaaltingimustes - gaas
Tihedus, kg / m³	Tavalistes tingimustes (101,3 kPa, 20 ° C), 1627
Keemispunkt, C rõhul 101,3 kPa
Kolmanda punkti temperatuur ja tasakaalurõhk C, (MPa)
Lahustuvus vees	tähtsusetu
Tule- ja plahvatusoht	tule- ja plahvatusohutu
Püsivus ja reaktsioonivõime
Stabiilsus	Stabiilne
Reaktsioonivõime	Inertne gaas
Oht inimestele
Mürgine toime	Mittetoksiline
Keskkonnaoht	Ei kahjusta keskkonda
Tähendab	Kehtivad mis tahes vahendid

Heeliumi ladustamine ja transport

Heeliumgaasi saab transportida kõigi transpordivahenditega vastavalt kaubaveo eeskirjadele konkreetse transpordiliigi järgi. Transport toimub spetsiaalsetes pruuni värvi terasballoonides ja heeliumi transpordiks mõeldud konteinerites. Vedelat heeliumi veetakse tüüpi STG-40, STG-10 ja STG-25 mahutites 40, 10 ja 25 liitrit.

Tehniliste gaasiballoonide veo eeskirjad

Ohtlike kaupade vedu Vene Föderatsioonis on reguleeritud järgmiste dokumentidega:

1. "Ohtlike kaupade autoveo eeskirjad" (muudetud Vene Föderatsiooni Transpordiministeeriumi määrusega 11.06.1999 nr 37, 14. oktoober 1999 nr 77; registreeritud Vene Föderatsiooni Justiitsministeeriumis 18. detsembril 1995, registreering nr 997).

2. "Ohtlike kaupade rahvusvahelise autoveo Euroopa leping" (ADR), millega Venemaa ühines ametlikult 28. aprillil 1994 (Vene Föderatsiooni valitsuse määrus 03.02.1994 nr 76).

3. "Teeeeskirjad" (SDA 2006), nimelt artikkel 23.5, mis sätestab, et "ohtlike kaupade vedu toimub ... vastavalt erieeskirjadele."

4. "Vene Föderatsiooni haldusõiguserikkumiste seadustik", mille 2. osa artikkel 12.21 näeb ette vastutuse ohtlike kaupade veo eeskirjade rikkumise eest vormis "Juhtidele haldustrahv ühe kuni kolme miinimumpalga ulatuses või sõidukite juhtimisõiguse äravõtmine perioodiks üks kuni kolm kuud; transpordi eest vastutavatele ametnikele - kümme kuni kakskümmend miinimumpalka. "

Vastavalt lõike 3 punktile 1.2 "Reeglite kehtivus ei kehti piiratud arvu ohtlike ainete veo kohta ühes sõidukis, mille vedu võib käsitada tavajäätmete veona". Samuti selgitatakse, et "teatud tüüpi ohtlike kaupade ohutu veo nõuetes on määratletud piiratud arv ohtlikke kaupu. Selle kindlaksmääramisel on võimalik kasutada ohtlike kaupade rahvusvahelise veo Euroopa kokkuleppe (ADR) nõudeid." Seega on ohtliku lastina vedada lubatud ainete maksimaalse koguse küsimus ADR-i jaotise 1.1.3 uurimiseks, mis kehtestab erandid Euroopa eeskirjadest ohtlike kaupade veoks, mis on seotud erinevate asjaoludega.

Näiteks vastavalt punkti 1.1.3.1 sätetele ei kohaldata ADRi sätteid ... ohtlike kaupade veo suhtes eraisikute poolt, kui need kaubad on jaemüügiks pakendatud ja mõeldud isiklikuks tarbimiseks, koduseks kasutamiseks, vaba aja veetmiseks või sportimiseks, kui tingimusel, et võetakse meetmed normaalsetes veotingimustes mis tahes sisu lekke vältimiseks. "

Ohtlike kaupade veoeeskirjadega ametlikult tunnustatud konfiskeerimise rühm - konfiskeerimine, mis on seotud ühes veoühikus veetava kogusega (punkt 1.1.3.6).

Kõik gaasid klassifitseeritakse vastavalt ADR klassifikatsioonile teise ainete klassi. Kolmandasse transpordikategooriasse kuuluvad mittesüttivad ja mittetoksilised gaasid (rühmad A - neutraalsed ja O - oksüdeerivad), maksimaalse kogusepiiranguga 1000 ühikut. Tuleohtlik (rühm F) - teise, maksimaalse kogusepiiranguga 333 ühikut. "Ühiku" all mõeldakse mahuti, milles surugaas asub, 1 liitrit või 1 kg veeldatud või lahustatud gaasi. Seega on maksimaalne gaaside kogus, mida saab ühes veoühikus ohtliku kaubana vedada, järgmine:

Heelium on tõeliselt üllas gaas. Teda pole veel olnud võimalik sundida reageerima. Heeliumi molekul on monatomne. Kerguselt on see gaas teisel kohal vesinikul, õhk on heeliumist 7,25 korda raskem. Heelium on vees ja muudes vedelikes peaaegu lahustumatu. Ja samal viisil ei lahustu vedelas heeliumis ükski aine.

Kui rõhku ei suurendata, saab tahket heeliumi mitte ühelgi temperatuuril.

Selle elemendi avastamise, uurimise ja rakendamise ajaloos on leitud paljude silmapaistvate füüsikute ja keemikute nimed erinevatest riikidest. Heliumi vastu töötanud, töötanud heeliumiga: Jansen (Prantsusmaa), Locker, Ramsay, Crookes, Rutherford (Inglismaa), Palmeri (Itaalia), Keyes, Camerling Onnes (Holland), Feynman, Onsager (USA), Kapitsa, Kikoin, Landau ( Nõukogude Liit) ja paljud teised suuremad teadlased.

Heeliumi aatomi väljanägemise ainulaadsus on määratud kahe hämmastava loodusliku struktuuri kombinatsiooni abil - absoluutsed meistrid kompaktsuses ja tugevuses. Heeliumi tuumas, heelium-4, on mõlemad intranukleaarsed kestad küllastunud - nii prooton kui ka neutron. Seda südamikku raamiv elektrooniline dublett on samuti küllastunud. Nendes kujundustes on heeliumi omaduste mõistmise võti. Siit tulevad tema fenomenaalne keemiline inertsus ja selle aatomi rekordiliselt väikesed suurused.

Heeliumi aatomi tuuma tohutu roll on alfaosake tuumafüüsika kujunemise ja arengu ajaloos. Kui mäletate, viis see Rutherfordi aatomituuma avastamiseni alfaosakeste hajumise uurimise. Kui lämmastikku pommitati alfaosakestega, muudeti elemendid kõigepealt - midagi sellist, millest paljud põlvkonnad alkeemikuid olid sajandeid unistanud. Tõsi, selles reaktsioonis ei muutunud kullaks mitte elavhõbe, vaid lämmastik hapnikuks, kuid seda on peaaegu sama keeruline teha. Samad alfaosakesed osalesid neutroni avastamises ja esimese kunstliku isotoobi tootmises. Hiljem sünteesiti alfaosakeste abil curium, berkeley, California ja Mendelian.

Loetlesime need faktid ainult ühel eesmärgil - näidata, et element number 2 on väga ebatavaline element.

Maa heelium

Heelium on ebatavaline element ja selle ajalugu on ebatavaline. See avastati Päikese atmosfääris 13 aastat varem kui Maal. Täpsemalt, päikesekorona spektrist avastati erekollane joon D ja mis selle taga peidus, sai usaldusväärselt teada alles pärast seda, kui heeliumi kaevandati radioaktiivseid elemente sisaldavatest maapealsetest mineraalidest.

Maapõues on 29 isotoopi, mille radioaktiivse lagunemise käigus moodustuvad alfaosakesed - väga aktiivsed, heeliumiaatomite suure energiatuumaga.

Enamasti moodustub maapealne heelium uraani-238, uraan-235, tooriumi ja ebastabiilsete lagunemissaaduste radioaktiivse lagunemise ajal. Võrreldamatult väiksem kogus heeliumi annab samarium-147 ja vismuti aeglase lagunemise. Kõik need elemendid tekitavad ainult raske heeliumi isotoobi 4 He, mille aatomeid võib pidada alfaosakeste jäänusteks, mis on maetud kahe paaris elektroniga kesta - elektroonilisse dubleti. Varastel geoloogilistel perioodidel oli arvatavasti ka teisi looduslikult radioaktiivseid elementide seeriaid, mis olid juba Maa pinnalt kadunud, küllastades planeedi heeliumiga. Üks neist oli nüüd kunstlikult taasloodud Neptunium sari.

Kivimi või mineraali sisse lõksunud heeliumi koguse järgi saab hinnata nende absoluutset vanust. Need mõõtmised põhinevad radioaktiivse lagunemise seadustel: näiteks 4,52 miljardi aasta jooksul muutub pool uraan-238-st heeliumja viia.

Maakoores olev heelium koguneb aeglaselt. Üks tonn graniiti, mis sisaldab 2 g uraani ja 10 g tooriumi, toodab miljoni aasta jooksul vaid 0,09 mg heeliumi - pool kuupsentimeetrit. Vähestes uraani- ja tooriumirikastes mineraalides on heeliumi sisaldus üsna kõrge - paar kuupsentimeetrit heeliumi grammi kohta. Nende mineraalide osakaal heeliumi looduslikus tootmises on siiski nullilähedane, kuna need on väga haruldased.
  Heelium pi Suni avastasid prantslane J. Jansen, kes tegi oma tähelepanekud Indias 10. augustil 1868, ja inglane J. Locker sama aasta 20. oktoobril. Mõlema teadlase kirjad saabusid Pariisi samal päeval ja loeti ette 26. oktoobri Pariisi Teaduste Akadeemia koosolekul mitmeminutilise intervalliga. Sellise kummalise kokkusattumuse tabanud akadeemikud võtsid selle sündmuse auks vastu otsuse kuldmedal välja lüüa.

Looduslikud ühendid, mis sisaldavad alfa-aktiivseid isotoope, on heeliumi tööstuslikuks tootmiseks ainult allikad, kuid mitte toorained. Tõsi, mõned tiheda struktuuriga mineraalid - looduslikud metallid, magniit, granaat, apatiit, tsirkoon ja teised - hoiavad neis suletud heeliumi kindlalt kinni. Enamik mineraale läbib aja jooksul ilmastikuolu, rekristalliseerumist jne ja heelium jätab need välja.

Kristallstruktuuridest vabanenud heeliumimullid rändavad maapõues. Nendest väga ebaoluline osa lahustub põhjavees. Enam või vähem kontsentreeritud heeliumilahuste moodustamiseks on vaja eritingimusi, eriti kõrgrõhku. Teine osa mineraalide pooride ja pragude kaudu ekslevast heeliumist eraldub atmosfääri. Ülejäänud gaasimolekulid satuvad maa-alustesse püünistesse, millesse neid koguneb kümneid, sadu miljoneid aastaid. Lõksudena toimivad lahtiste kivimite kihid, mille tühimikud on täidetud gaasiga. Selliste gaasimahutite alus on tavaliselt vesi ja õli ning nende peal kattuvad tihedate kivimite õhukindlad kihid.

Kuna maapõues tiirlevad muud gaasid (peamiselt metaan, lämmastik, süsinikdioksiid) ja pealegi palju suuremates kogustes, pole puhtad heeliumiklastrid. Maagaasides on heelium väikese lisandina. Selle sisu ei ületa tuhandikku, sajandikku, harva - kümnendiku protsenti. Metaani-lämmastiku ladestuste suur (1,5-10%) heligeensus on äärmiselt haruldane nähtus.

Maagaasid osutusid heeliumi tööstuslikuks tootmiseks praktiliselt ainsaks tooraineallikaks. Muudest gaasidest eraldamiseks kasutatakse heeliumi erakordset lendumist, mis on seotud selle madala vedeldamise temperatuuriga. Pärast kõigi teiste maagaasi komponentide kondenseerimist sügava jahutamisega pumbatakse gaasiline heelium välja. Siis puhastatakse see lisanditest. Tehase heeliumi puhtus ulatub 99,995% -ni.

Maal on heeliumivarude suurus 54014 m 3; arvutuste järgi moodustus see maapõues 2 miljardi aasta jooksul ehk kümme korda rohkem. See erinevus teooria ja praktika vahel on mõistetav. Heelium on kerge gaas ja sarnaselt vesinikuga (kuigi aeglasemalt) pääseb see atmosfäärist maailmaruumi. Tõenäoliselt on Maa eksistentsi ajal meie planeedi heeliumi korduvalt värskendatud - vana pääses kosmosesse ja selle asemel sisenes atmosfääri värske “väljahingatud” Maa.

Litosfääris on heelium vähemalt 200 tuhat korda suurem kui atmosfääris; veelgi suurem potentsiaalne heelium on salvestatud Maa "üsas" - alfa-aktiivsetes elementides. Kuid selle elemendi kogu sisaldus Maal ja atmosfääris on väike. Heelium on haruldane ja hajutatud gaas. 1 kg maapealse materjali kohta toodetakse ainult 0,003 mg heeliumi ja selle sisaldus õhus on 0,00052 mahuprotsenti. Nii madal kontsentratsioon ei võimalda veel heeliumi ökonoomset eraldamist õhust.

Inertsne, kuid väga vajalik heelium

Eelmise sajandi lõpus postitas ingliskeelne ajakiri Punch karikatuuri heeliumist, mida kujutati kelmika pilguga mehena - Päikese elanikuna. Pildi all olev tekst oli järgmine: “Lõpuks püüti mind maa peale! See kestis piisavalt kaua! Huvitav on teada, kui palju aega möödub, enne kui nad saavad aru, mida minuga teha? ”

Maapealse heeliumi avastamisest (esimene aruanne selle kohta avaldati 1881. aastal) on möödunud 34 aastat, enne kui see leidis praktilist rakendust. Teatud rolli mängisid siin heeliumi algsed füüsikalised, elektrilised ja vähemal määral keemilised omadused, mis vajasid pikka uurimist. Peamisteks takistusteks olid osa nr 2 mõtlematus ja kõrge hind. Selle tõttu polnud heeliumi harjutamiseks saadaval.

Esimest heeliumi kasutasid sakslased. 1915. aastal hakkasid nad neid täitma õhulaevadega, mis pommitasid Londonit. Varsti sai kergest, kuid mittepõlevast heeliumist lennundusseadmete asendamatu täiteaine. 1930. aastate keskel alanud õhulaevade tööstuse langus tõi kaasa heeliumi tootmise kerge languse, kuid seda vaid lühikeseks ajaks. See gaas köitis keemikute, metallurgide ja masinaehitajate tähelepanu üha enam.

Paljusid tehnoloogilisi protsesse ja toiminguid ei saa õhus läbi viia. Tekkiva aine (või lähteaine) vastasmõju õhugaasidega vältimiseks looge spetsiaalne kaitsekeskkond; ja selleks pole heeliumiks sobivat gaasi.

Inertne, kerge, liikuv, hästijuhtiv soojus, heelium on ideaalne vahend tuleohtlike vedelike ja pulbrite teisaldamiseks ühest mahutist teise; just neid funktsioone täidab ta rakettide ja juhitavate rakettide korral. Heeliumi kaitsvas keskkonnas läbivad teatavad tuumakütuse tootmise etapid. Heeliumiga täidetud konteinerid ladustavad ja transpordivad tuumareaktorite kütuseelemente. Spetsiaalsete lekkedetektorite abil, mille toime põhineb heeliumi erakordsel difusioonivõimalusel, selgub väikseim lekkevõimalus tuumareaktorites või muudes rõhu või vaakumi all olevates tuumareaktorites.

  Viimastele aastatele on iseloomulik õhulaevade ehituse korduv tõus, nüüd juba kõrgemal teaduslikul ja tehnilisel alusel. Mitmes riigis on ehitatud ja neid ehitatakse heeliumiga täidetud õhulaevu kandevõimega 100 kuni 3000 tonni. Need on ökonoomsed, usaldusväärsed ja mugavad selliste mahukaupade vedamiseks nagu gaasijuhtmed, naftatöötlemistehased, jõuülekandetornid jne. 85% heeliumi täitmine ja 15% vesinik on tulekindel ja ainult 7% vähendab tõusu võrreldes vesiniku täitmisega.

Toimima hakkas uut tüüpi kõrge temperatuuriga tuumareaktorid, milles heelium toimib jahutusvedelikuna.

Teadusuuringutes ja tehnoloogias kasutatakse vedelat heeliumi laialdaselt. Ülimalt madalad temperatuurid soosivad põhjalikke teadmisi ainest ja selle struktuurist - kõrgematel temperatuuridel varjatakse energiaspektrite peeneid detaile aatomite soojusliikumisega.

Juba praegu on olemas spetsiaalsetest sulamitest pärinevad ülijuhtivad solenoidid, mis tekitavad vedela heeliumi temperatuuril tugevaid magnetvälju (kuni 300 tuhat oerstedit) ebaoluliste energiakuludega.

Vedela heeliumi temperatuuril muutuvad paljud metallid ja sulamid ülijuhtideks. Ülijuhtivad releed - krüotroone kasutatakse üha enam elektrooniliste arvutite ehitamisel. Need on lihtsad, usaldusväärsed, väga kompaktsed. Ülijuhid ja koos nendega vedel heelium muutuvad elektroonikas vajalikuks. Need kuuluvad infrapunakiirguse detektorite, molekulaarsete võimendite (masereid), optiliste kvantgeneraatorite (laserid) ja mikrolaine sageduste mõõtmise instrumentide väljatöötamisse.

Muidugi ei ammenda need näited heeliumi rolli kaasaegses tehnoloogias. Kuid kui see poleks piiratud loodusvarade, mitte heeliumi äärmise hajutamise pärast, oleks ta leidnud veel palju rakendusi. On teada, et näiteks heeliumis säilitades säilitavad toiduained oma esialgse maitse ja aroomi. Kuid heeliumikonservid jäävad iseenesest "asjaks", sest heeliumist ei piisa ja seda kasutatakse ainult kõige olulisemates tööstusharudes ja kohtades, kus ilma selleta hakkama ei saa. Seetõttu on eriti pettumust valmistav teadmine, et põlev maagaas läbib ja läheb atmosfääri keemilise sünteesi aparaatide, ahjude ja ahjude kaudu atmosfääri palju suuremaid koguseid heeliumi kui need, mida ekstraheeritakse heeliumi kandvatest allikatest.

Nüüd peetakse heeliumi vabastamist kasulikuks ainult neil juhtudel, kui selle sisaldus maagaasis on vähemalt 0,05%. Sellise gaasi varud vähenevad pidevalt ja on võimalik, et need ammenduvad enne meie sajandi lõppu. Kuid selleks ajaks on heeliumi defitsiidi probleem tõenäoliselt lahendatud - osalt luues uued, täiustatud meetodid gaasi eraldamiseks, ekstraheerides neilt kõige väärtuslikumad, ehkki mahuosade osas väheolulised ja osalt tänu kontrollitud termotuumasünteesile. Heeliumist saab oluline, ehkki kõrvalsaadus, toode kunstlike päikeste tootmisel.

HELIIUMISOTOOPID, looduses on kaks stabiilset heeliumi isotoopi: heelium-3 ja heelium-4. Kerget isotoopi on Maal jaotatud miljon korda vähem kui rasket. See on meie planeedil levinumaid stabiilseid isotoope. Kunstlikult saadi veel kolm heeliumi isotoopi. Kõik nad on radioaktiivsed. Heelium-5 poolestusaeg on 2,440–21 sekundit, heelium-6 on 0,83 sekundit, heelium-8 on 0,18 sekundit. Raskeim isotoop, huvitav selle poolest, et selle tuumades on prootoni kohta kolm neutronit, saadi esmakordselt Dubnas 60ndatel. Katsed hankida heelium-10 on seni olnud ebaõnnestunud.

VIIMANE TAHKE GAASI. Heelium viidi kõigist gaasidest vedelasse ja tahkesse olekusse. Heeliumi vedeldamise ja tahkestamise erilisi raskusi selgitatakse selle aatomi struktuuriga ja selle füüsikaliste omaduste mõningate omadustega. Täpsemalt, heelium, nagu vesinik, temperatuuril üle - 250 ° C, laienedes, ei jahuta, vaid soojeneb. Teisest küljest on heeliumi kriitiline temperatuur äärmiselt madal. Sellepärast saadi vedel heelium esmakordselt alles 1908 ja tahke - 1926.

HELIUM AIR. Õhk, milles kogu või suurem osa lämmastikust on asendatud heeliumiga, pole tänapäeval enam uudis. Seda kasutatakse laialdaselt maal, maa all ja vee all.

Heelium õhk on kolm korda kergem ja palju liikuvam kui tavaline õhk. See käitub kopsudes aktiivsemalt - väljastab kiiresti hapniku ja evakueerib kiiresti süsihappegaasi. Sellepärast antakse heeliumiõhku hingamisteede häiretega patsientidele ja mõnele operatsioonile. See leevendab lämbumist, ravib astmat ja kõrihaigusi.

Heliumiõhuga hingamine elimineerib praktiliselt lämmastikuemboolia (dekompressioonhaigus), mis kõrgel rõhul normaalseks muutumisel on allutatud sukeldujatele ja teistele ametitele, kelle töö toimub kõrge rõhu all. Selle haiguse põhjus on üsna märkimisväärne, eriti kõrge vererõhu, lämmastiku lahustuvuse korral veres. Rõhu vähenedes eraldub see gaasimullide kujul, mis võivad ummistada veresooni, kahjustada närvisõlmi ... Erinevalt lämmastikust on heelium kehavedelikes praktiliselt lahustumatu, mistõttu ei saa see olla dekompressioonhaiguse põhjustaja. Lisaks välistab heeliumiõhk "lämmastiku anesteesia" esinemise, mis on väliselt sarnane alkoholimürgitusega.

Varem või hiljem peab inimkond õppima, kuidas pikka aega merepõhjas elada ja töötada, et riiuli mineraal- ja toiteressursse tõsiselt ära kasutada. Ja suurtes sügavustes, nagu näitasid Nõukogude, Prantsuse ja Ameerika teadlaste katsed, on heeliumiõhk endiselt hädavajalik. Bioloogid on tõestanud, et pikaajaline heeliumiõhuga hingamine ei põhjusta inimkehas negatiivseid muutusi ega ohusta muutusi geneetilises aparaadis: heeliumi atmosfäär ei mõjuta rakkude arengut ja mutatsioonide sagedust. On teada teoseid, mille autorid peavad heeliumiõhku optimaalseks õhukandjaks kosmoselaevadele, mis teevad pikki lende Universumisse.

MEIE HELIUM. 1980. aastal pälvis I. L. Andrejevi juhitud teadlaste ja spetsialistide rühm riigipreemia tehnoloogia loomise ja juurutamise eest heliumi kontsentraatide tootmiseks suhteliselt vaestest heeliumi kandvatest gaasidest. Orenburgi gaasivälja juurde ehitati heeliumitehas, millest on saanud meie peamine päikeseenergiagaasi tarnija erinevate tööstusharude vajadusteks.

HELIUMKOMPLEKT. Aastal 1978 suutis akadeemik V. A. Legasov ja tema kolleegid glütsiini aminohappemolekulis sisalduvate triitiumi tuumade lagunemise ajal registreerida paramagneetilise heeliumi sisaldava kompleksi, milles täheldati heelium-3 tuuma hüperpeenet interaktsiooni paarimata elektroniga. See on siiani suurim saavutus heeliumkeemias.

On olemas kolm peamist saamise allikat  heelium:

• heeliumi sisaldavatest maagaasidest
• mineraalidest
• õhust

Heeliumi tootmine maagaasist

Peamine heeliumi tootmise meetod on fraktsionaalse kondenseerimise meetod looduslikest heeliumi sisaldavatest gaasidest, s.o. sügavjahutuse meetod. Lisaks kasutatakse selle iseloomulikku omadust - madalaimat keemistemperatuuri võrreldes teadaolevate ainetega. See võimaldab teil kondenseerida kõiki heeliumiga seotud gaase, eriti metaani ja lämmastikku. Protsess viiakse tavaliselt läbi kahes etapis:

• nn toorheeliumi eraldamine (kontsentraat, mis sisaldab 70–90% He)
• puhastamine tehniliselt puhta heeliumi saamiseks.

Alloleval joonisel on näidatud üks taime seadistustest heeliumi ekstraheerimiseks maagaasist.

Gaas surutakse 25 atmosfääri ja selle rõhu all siseneb seade. Gaasist puhastamine ja gaasi osaline kuivatamine viiakse läbi pesurites, mida niisutatakse lahusega, mis sisaldab 10-20% monoetanoolamiini, 70-80% dietüleenglükooli ja 5-10% vett. Pärast puhastamist jääb gaasi 0,003–0,008% süsinikdioksiidi ja kastepunkt ei ületa 5 ° C. Edasine kuivatamine viiakse läbi silikageeliga adsorberites, kus kastepunkti temperatuur on -45 ° C.

Ligikaudu 20 atmosfääri rõhu korral siseneb puhas kuiv gaas esialgsesse soojusvahetisse 1, kus see jahutatakse vastupidise gaasivooluga temperatuurini -28 ° C. Sellisel juhul toimub raskete süsivesinike kondenseerumine, mis eraldatakse separaatoris 2. Ammoniaagi külmkapis 3 jahutatakse gaas temperatuurini -45 ° C, kondensaat eraldatakse separaatoris 4. Põhisoojusvahetis 5 langeb gaasi temperatuur -110 ° C-ni, mille tagajärjel märkimisväärne osa kondenseerub. metaan. Auru-vedeliku segu (umbes 20% vedelikust) drosseeritakse esimeses vastuvoolu kondensaatoris 6 rõhuni 12 atmosfääri, mille väljalaskeavas on kuni 3% ulatuses heeliumiga rikastatud auru-gaasi segu. Torudes moodustunud kondensaat voolab eemaldamissektsiooni, mille plaatidel eemaldatakse vedelikust selles lahustunud heelium ja kinnitatakse auru-gaasivoolu.

Vedelik lastakse jahutada 1,5 atmosfääri kondensaatori korpusesse, kus see toimib jahutusagensina. Siin moodustunud aur juhitakse soojusvahetite 5 ja 1 kaudu. Kondensaatorist 6 väljuv ja kuni 3% Ta sisaldav auru-gaasisegu läheb teisele vastuvoolu kondensaatorile 7, mis koosneb kahest osast, rõhul 12 atmosfääri: alumises osas on mähisoojusvaheti, torud, mille kuubikuline vedelik, mille õhutemperatuur on 12 kuni 1,5 atmosfääri, aurustub ja ülemises osas on otsetoruga soojusvaheti, mille rõngakujulises ruumis keeb lämmastik temperatuuril -203 ° С ja rõhul 0,4 atmosfääri. Gaasisegu komponentide kondenseerumise tagajärjel aparaadi 7 alumises osas rikastatakse gaasi heeliumiga kuni 30-50% ja ülemises osas kuni 90-92%.

Selle kompositsiooni toores heelium siseneb rõhul 11-12 atmosfääri soojusvahetitesse, kus see kuumutatakse ja eemaldatakse paigaldisest. Kuna maagaas sisaldab väikeseid vesiniku lisandeid, suureneb vesiniku kontsentratsioon toores heeliumis 4-5% -ni. Vesiniku eemaldamine toimub katalüütilise hüdrogeenimisega, millele järgneb gaasi kuivatamine adsorbentides silikageelil. Toorheelium pressitakse membraankompressoriga 8 temperatuurini 150-200 atmosfääri, jahutatakse soojusvahetis 9 ja juhitakse otsevoolu mähisekondensaatorisse 10, mida jahutatakse lämmastiku keetmisel vaakumis. Kondensaat (vedel) kogutakse separaatorisse 11 ja eemaldatakse perioodiliselt ning kondenseerimata gaas, mis sisaldab umbes 98% Ta läheb adsorberisse 12 aktiivsöega, mida jahutatakse vedela lämmastiku abil. Adsorberist väljuv heelium sisaldab vähem kui 0,05% lisandeid ja siseneb tootena silindritesse 13.

USA looduslikud gaasid on eriti rikas heeliumi poolest, mis määrab heeliumi laialdase kasutamise selles riigis.

Mineraalidest heeliumi saamine

Muud heeliumi allikad on  mõned radioaktiivsed mineraalid  sisaldavad uraani, tooriumi ja samariumi:

• laimu
• fergusoniit
• samarskite
• gadoliniit
• monasiit
• toorianiit

Eelkõige monasiitliivadsuured maardlad asuvad Travankoris (India): selle maardla monasiidid sisaldavad umbes 1 cm3 heeliumi 1 grammis maagis.

Monotsüüdist heeliumi saamiseks on vaja monotsüüti kuumutada suletud anumas temperatuurini 1000 ° C. Heelium eraldub koos süsinikdioksiidiga (CO 2), mis seejärel absorbeeritakse naatriumhüdroksiidi (NaOH) lahusega. Jääkgaas sisaldab 96,6% He. Edasine puhastamine viiakse läbi lämmastiku eemaldamiseks magneesiumimetallil temperatuuril 600 ° C ja seejärel järelejäänud lisandite eemaldamiseks temperatuuril 580 ° C - kaltsiummetalliga. Tootmisgaas sisaldab üle 99,5% He. 1000 tonni monasiitliiva võib saada umbes 1000 m 3 puhast heeliumi. Sellised heeliumi valmistamise meetod ei ole tehniliselt ja tööstuslikult huvipakkuv..

Heeliumi tootmine õhust

Heeliumi on õhus väikestes kogustes.millest seda saab kõrvaltootena hapniku ja lämmastiku tootmisel õhust, mida on kirjeldatud artiklis "". Õhu eraldamiseks vedela lämmastiku kohal tööstuslikes destilleerimiskolonnides kogutakse neooni ja heeliumi ülejäänud gaasiline segu. Allolev pilt näitab claude'i aparaatspetsiaalselt kohandatud sellise segu eraldamiseks.

Klapi D kaudu aparaadist väljuv gaas jahutatakse mähis S, mis valatakse jääktlämmastiku kondenseerimiseks T-st vedela lämmastikuga. Ventiili R kerge avamise korral saadakse segu, mis sisaldab väga vähe lämmastikku. Selle heeliumi tööstusliku tootmise meetodi kasutamisel on lisaks suure hulga õhu töötlemise vajaduse raskusele ka täiendavaid raskusi - vajadus heeliumi eraldamine neoonist. Selle eraldamise võib läbi viia vedela vesiniku abil, milles neoon tahkub, või neooni adsorbeerimisel vedela lämmastiku abil jahutatud aktiivsöega.

Heeliumi saamine õhust on ebapraktiline  väikese koguse tõttu - 0,00046% mahust või 0,00007% massist. Arvutused näitavad, et õhust ekstraheeritud heeliumi ühe kuupmeetri maksumus on tuhandeid kordi suurem kui siis, kui seda ekstraheeritakse maagaasidest. Nii kõrge hind välistab muidugi heeliumi tööstusliku eraldamise õhust.

Näiteks: 1 kuupmeetri heeliumi saamiseks peate eraldama 116 tonni lämmastikku.

Keemiline element heelium avastati kõigepealt Päikeselt ja alles seejärel Maa peal.

Heeliumi avastamise ajaloos mängis võtmerolli Norman Lockyer, ühe maailma juhtivama teaduspublikatsiooni - ajakirja - asutaja Loodus. Ajakirja numbri ettevalmistamisel kohtus ta Londoni teadusasutusega ja hakkas tundma huvi astronoomia vastu. See oli aeg, mil Kirchhoff-Bunseni avastusest inspireerituna astronoomid alles hakkasid uurima tähtede kiirgava valguse spektrit. Loker suutis ise teha mitmeid olulisi avastusi - eelkõige näitas ta esimesena, et päikeseplekid on ülejäänud päikesepinnast külmemad, ning ka esimene, kes näitas Päikese väliskesta olemasolu, kutsudes seda kromosfäär. Aastal 1868, uurides aatomite kiirgavat valgust silmapiirides - tohutul hulgal plasma väljutamist Päikese pinnalt -, märkas Lockyer mitmeid varem tundmatuid spektraaljooni ( vaata  Spektroskoopia). Katsed laboritingimustes samu jooni saada ebaõnnestusid, mille põhjal Lockyer jõudis järeldusele, et on avastanud uue keemilise elemendi. Locker nimetas seda kreeka keelest heeliumiks helios  "Päike."

Teadlased olid hämmeldunud, kuidas nad reageerivad heeliumi väljanägemisele. Mõned väitsid, et silmapaistvuse spektrite tõlgendamisel tehti tõlgendus, kuid see seisukoht pälvis vähem toetajaid, kuna üha suuremal osal astronoomidest õnnestus Lockyeri jooni jälgida. Teised väitsid, et Päikesel on elemente, mida Maal pole - mis, nagu juba mainitud, on vastuolus loodusseaduste peamise sättega. Veel uskusid teised (oli vähemus), et ühel päeval leitakse Maalt heeliumi.

1890. aastate lõpus viisid lord Rayleigh ja sir William Ramsay läbi terve rea katseid, mis viisid argooni avastamiseni. Ramsay tegi oma installatsiooni ümber, et kasutada seda uraani sisaldavate mineraalide eralduvate gaaside uurimiseks. Ramsay avastas nende gaaside spektrist tundmatud read ja saatis proovid mitmele kolleegile analüüsimiseks. Pärast proovi kättesaamist tundis Lockyer kohe ära jooned, mida ta oli päikesevalguses rohkem kui veerand sajandit tagasi täheldanud. Heeliumi mõistatus lahendati: gaas asub kahtlemata Päikesel, kuid see on olemas ka siin Maa peal. Tänapäeval tuntakse seda gaasi tavaelus kõige paremini õhulaevade ja õhupallide täispuhumisel ( vaata  Grahami seadus) ja teaduses - tänu selle rakendusele krüogeenika, tehnoloogia ülimadalate temperatuuride saavutamiseks.

Koroonium ja nebulus

Küsimus, kas Universumis leidub kuskil keemilisi elemente, mida Maal pole, pole 20. sajandil oma aktuaalsust kaotanud. Päikese välise atmosfääri - päikese - uurimisel kroonidKuumast, väga haruldasest plasmast koosnevad astronoomid avastasid spektrijooned, mida nad ei suutnud ühegi tuntud maise elemendiga tuvastada. Teadlased on soovitanud, et need read kuuluvad uude elementi, mida nimetatakse koroonium. Ja kui uurida mõne spektrit udud  - gaaside ja tolmu kogunemine galaktikas - avastati veel üks salapärane joon. Neid omistati teisele "uuele" elemendile - nebulia. 1930ndatel jõudis ameerika astrofüüsik Ira Sprague Bowen (1898–1973) järeldusele, et nebuliumijooned kuuluvad tegelikult hapniku hulka, kuid omandasid selle vormi Päikese ja udukogude äärmuslike tingimuste tõttu, pealegi neid tingimusi ei saa maalaborites korrata. Koroonium osutus väga ioniseeritud rauaks. Ja neid ridu nimetatakse keelatud read.

Joseph Norman LOCKIER
Joseph Norman Lockyer, 1836–1920

Inglise teadlane. Sündinud Rugby linnas sõjaväearsti peres. Lockyer jõudis teadusesse ebaharilikul viisil, alustades oma karjääri sõjaministeeriumi ametnikuna. Lisaraha teenimiseks hakkas ta, kasutades ära avalikku huvi teaduse vastu, välja andma populaarteaduslikku ajakirja. 1869. aastal ilmus ajakirja esimene number. Loodus, ja 50 aastat oli Lockyer selle toimetaja. Ta osales paljudel ekspeditsioonidel, jälgides kogu päikesevarjutust. Üks neist ekspeditsioonidest viis ta heeliumi avastamiseni. Lockyer on tuntud ka kui arheoastronoomia rajaja - teadus, mis uurib iidsete struktuuride nagu Stonehenge astronoomilist tähendust - ja paljude mitteilukirjanduslike raamatute autor.

Definitsioon

Heelium  - Perioodilise tabeli teine \u200b\u200belement. Nimetus - mitte ladinakeelsest heeliumist. Asub esimesel perioodil VIIIA rühm. See kuulub inertsete (üllaste) gaaside rühma. Tuumalaeng on 2.

Heeliumit leidub Maal peamiselt atmosfääris, kuid osa selle kogustest eraldub teatud osades Maa soolestikust koos looduslike gaasidega. Ka paljude mineraalveeallikate veed eraldavad heeliumi.

Heelium on värvitu raskesti veeldatud gaas (keemistemperatuur -268,9 ° C), mis karastub ainult ülerõhu all (aatomi struktuur on näidatud joonisel 1). Sellel on tugev võime tungida läbi klaasi ja metallfooliumi. See lahustub halvasti vees, parem benseenis, etanoolis ja tolueenis.

Joon. 1. Heeliumi aatomi struktuur.

Heeliumi aatom- ja molekulmass

Definitsioon

Suhteline molekulmass M r  on molekuli molaarmass, mis on seotud 1/12 süsinikuaatomi-12 (12 C) molaarmassiga. See on mõõtmeteta kogus.

Definitsioon

Suhteline aatommass A r  on aine aatomi molaarmass, mida tähistatakse 1/12 süsinikuaatomi 12 (12 C) molaarmassist.

Kuna heelium eksisteerib vabas olekus monatomsete He molekulide kujul, langevad selle aatomi ja molekulmassid kokku. Need on võrdsed 4 003-ga.

Heeliumi isotoobid

Heelium - kosmose kõige levinum element vesiniku järel - koosneb kahest stabiilsest isotoobist: 4 He ja 3 He. Nende massiarvud on 4 ja 3. Heeliumi aatomi 4 tuumas on kaks prootonit ja kaks neutronit ning 3 He aatomil on sama arv prootoneid ja üks neutron.

Spektrianalüüs näitab selle olemasolu päikese atmosfääris, tähtedes, meteoriitides. 4 He tuuma akumuleerumise Universumis põhjustab termotuumareaktsioon, mis toimib päikese- ja täheenergia allikana.

Heeliumioonid

Tavalistes tingimustes on heelium keemiliselt inertne, kuid tugeva aatomite ergastamise korral võib see moodustada molekulaarseid ioone He2 +. Tavalistes tingimustes on need ioonid ebastabiilsed; hõivates puuduva elektroni, lagunevad nad kaheks neutraalseks aatomiks.

Molekuli ja heeliumi aatom

Vaba olekus eksisteerib heelium monatomsete He molekulide kujul.

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Ülesanne	Süsivesinik sisaldab 92,3% süsinikku. Prinditakse süsivesiniku (C x H y) molekulaarne (empiiriline) valem, kui selle aurutihedus heeliumis (He) on 6,5.
Lahendus	Elemendi X massifraktsioon HX kompositsiooni molekulis arvutatakse järgmise valemi abil: ω (X) \u003d n × Ar (X) / M (HX) x 100%. Märkige süsinikuaatomite arv molekulis tähisega "x", vesinikuaatomite arv tähisega "y". Leidke vesiniku protsent süsivesinike koostises: ω (H) \u003d 100% - ω (C) \u003d 100% - 92,3% \u003d 7,7%. Leiame vastavad süsiniku ja vesiniku elementide suhtelised aatommassid (D. I. Mendelejevi perioodilisustabelist võetud suhtelise aatommassi väärtused on ümardatud täisarvuni). Ar (C) \u003d 12 amu; Ar (H) \u003d 1 amu Elementide protsent jagatakse vastavateks aatommassideks. Seega leiame ühendi molekulis olevate aatomite arvu suhte: 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. Nii et kõige lihtsam valem on süsivesinik CH. M (CH) \u003d Ar (C) + Ar (H) \u003d 12 + 1 \u003d 13 / mol. Orgaanilise aine molaarmassi saab määrata selle heeliumi tiheduse põhjal: M aine \u003d M (He) × D (He); M aine \u003d 4 × 6,5 \u003d 26 g / mol. Süsivesinike valemi leidmiseks leiame saadud molaarmasside suhte: M aine / M (CH) \u003d 26/13 \u003d 2. Seega peaksid süsiniku ja vesiniku aatomite indeksid olema 2 korda kõrgemad, s.o. Süsivesiniku molekulaarne (empiiriline) valem on C 2 H 2. See on atsetüleen.
Vastus	C 2 H 2. See on atsetüleen.

NÄIDE 2

Ülesanne	Silindris, mille maht on 60 l temperatuuril 20 o C ja 40 atm, on heelium. Määrake NU-s tarbitud heeliumi kogus, kui pärast 8-tunnist töötamist langes rõhk silindris 32 atm-ni ja temperatuur tõusis 22 ° C-ni.
Lahendus	Esiteks tõlkige kraadid Kelvini: T1 \u003d 273 + 20 \u003d 293 K; T 2 \u003d 273 + 22 \u003d 295 K. Vastavalt gaasi kombineeritud seadusele: PV / T \u003d P 0 V 0 / T 0; V 0 \u003d PVT 0 / P 0 T. Ballooni heeliumi algseisundi jaoks vähendatud maht oli: V 0 algväärtus \u003d P 1 × V 1 × T 0 / P 0 × T 1. Ballooni heeliumi lõppseisundi jaoks oli vähendatud maht: V 0 lõplik \u003d P 2 × V 2 × T 0 / P 0 × T 2. Kasutatava heeliumi kogust väljendatakse nu: V x \u003d V 0 esialgne - V 0 lõplik; V x \u003d -; V x \u003d (T 0 / P 0) × [(P 1 × V 1 / T 1) - (P 2 × V 2 / T 2)]. Kuna mahuti maht on konstantne, siis V 1 \u003d V 2 \u003d V, siis: 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.
Vastus	459 l