Heli: propietats, característiques, aplicacions

2024 Autora: Angel Austin | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 17:43

L'heli és un gas inert del 18è grup de la taula periòdica. És el segon element més lleuger després de l'hidrogen. L'heli és un gas incolor, inodor i insípid que es torna líquid a -268,9 °C. Els seus punts d'ebullició i congelació són inferiors als de qualsevol altra substància coneguda. És l'únic element que no es solidifica quan es refreda a pressió atmosfèrica normal. Es necessiten 25 atmosferes a 1 K perquè l'heli es solidifiqui.

Historial de descobriments

L'heli va ser descobert a l'atmosfera gasosa que envoltava el Sol per l'astrònom francès Pierre Jansen, qui l'any 1868 durant un eclipsi va descobrir una línia groga brillant a l'espectre de la cromosfera solar. Originalment es va pensar que aquesta línia representava l'element sodi. El mateix any, l'astrònom anglès Joseph Norman Lockyer va observar una línia groga a l'espectre solar que no es corresponia amb les conegudes línies de sodi D₁ i D₂, i així la va anomenar la línia D_{3. Lockyer va concloure que va ser causada per una substància al Sol desconeguda a la Terra. Ell i el químic Edward Frankland van utilitzar el nom de l'elementel nom grec del Sol és Helios.}

El 1895, el químic britànic Sir William Ramsay va demostrar l'existència d'heli a la Terra. Va obtenir una mostra de la cleveita mineral que contenia urani i, després d'examinar els gasos formats quan es va escalfar, va trobar que la línia groc brillant de l'espectre coincidia amb la línia D_{3 observada a l'espectre del Sol. Així, finalment es va instal·lar el nou element. El 1903, Ramsay i Frederick Soddu van determinar que l'heli és un producte de desintegració espontània de substàncies radioactives.}

Estàs a la natura

La massa d'heli és aproximadament el 23% de la massa sencera de l'univers, i l'element és el segon més abundant a l'espai. Es concentra a les estrelles, on es forma a partir d'hidrogen com a resultat de la fusió termonuclear. Encara que l'heli es troba a l'atmosfera terrestre a una concentració d'1 part per 200 mil (5 ppm) i es troba en petites quantitats en minerals radioactius, ferro de meteorits i fonts minerals, grans quantitats de l'element es troben als Estats Units (especialment a Texas, Nova York), Mèxic, Kansas, Oklahoma, Arizona i Utah) com a component (fins a un 7,6%) del gas natural. S'han trobat petites reserves a Austràlia, Algèria, Polònia, Qatar i Rússia. A l'escorça terrestre, la concentració d'heli és només d'unes 8 ppb.

Isòtops

El nucli de cada àtom d'heli conté dos protons, però com altres elements, té isòtops. Contenen d'un a sis neutrons, de manera que el seu nombre de massa oscil·la entre tres i vuit. Els estables són els elements la massa d'heli dels quals està determinada pels nombres atòmics 3 (³He) i 4 (⁴He). Tota la resta són radioactives i es desintegren molt ràpidament en altres substàncies. L'heli terrestre no és el component original del planeta, es va formar com a resultat de la desintegració radioactiva. Les partícules alfa emeses pels nuclis de les substàncies radioactives pesants són nuclis de l'isòtop ⁴He. L'heli no s'acumula en grans quantitats a l'atmosfera perquè la gravetat de la Terra no és prou forta com per evitar que s'escapi gradualment a l'espai. Els rastres de ³He a la Terra s'expliquen per la desintegració beta negativa de l'element rar hidrogen-3 (triti). ⁴He és el més abundant dels isòtops estables: la proporció dels àtoms ⁴He a ^{3He és d'uns 700.000 a 1 a l'atmosfera i d'uns 7 milions a 1 en alguns minerals que contenen heli.}

Propietats físiques de l'heli

Els punts d'ebullició i fusió d'aquest element són els més baixos. Per aquest motiu, l'heli existeix com a gas, excepte en condicions extremes. L'He gasós es dissol menys en aigua que qualsevol altre gas, i la velocitat de difusió a través dels sòlids és tres vegades la de l'aire. El seu índex de refracció s'aproxima més a 1.

La conductivitat tèrmica de l'heli és la segona només per darrere de la de l'hidrogen i la seva capacitat tèrmica específica és inusualment alta. A temperatures normals, s'escalfa durant l'expansió i es refreda per sota dels 40 K. Per tant, a T<40 K, es pot convertir en helilíquid per expansió.

Un element és un dielèctric si no està en estat ionitzat. Com altres gasos nobles, l'heli té nivells d'energia metaestables que li permeten romandre ionitzat en una descàrrega elèctrica quan el voltatge es manté per sota del potencial d'ionització.

Heli-4 és únic perquè té dues formes líquides. L'ordinari s'anomena heli I i existeix a temperatures que van des d'un punt d'ebullició de 4,21 K (-268,9 °C) a uns 2,18 K (-271 °C). Per sota de 2,18 K, la conductivitat tèrmica de 4He esdevé 1000 vegades la del coure. Aquesta forma s'anomena heli II per distingir-la de la forma normal. És superfluid: la viscositat és tan baixa que no es pot mesurar. L'heli II s'estén en una pel·lícula fina a la superfície del que toqui, i aquesta pel·lícula flueix sense fricció fins i tot contra la gravetat.

L'heli-3 menys abundant forma tres fases líquides diferents, dues de les quals són superfluides. Superfluidesa a ⁴ Va ser descobert pel físic soviètic Pyotr Leonidovich Kapitsa a mitjans de la dècada de 1930, i el mateix fenomen a ^{3El primer va ser observat per Douglas D Osherov, David M. Lee i Robert S. Richardson dels EUA el 1972.}

Una barreja líquida de dos isòtops d'heli-3 i -4 a temperatures inferiors a 0,8 K (-272,4 °C) es divideix en dues capes - gairebé pura ³He i una barreja de⁴He amb un 6% d'heli-3. La dissolució de ³He en ^{4He s'acompanya d'un efecte de refredament, que s'utilitza en el disseny de criòstats, en què la temperatura de l'heli baixaper sota de 0,01 K (-273,14 °C) i s'hi manté durant diversos dies.}

Connexions

En condicions normals, l'heli és químicament inert. En condicions extremes, podeu crear connexions d'elements que no siguin estables a temperatures i pressions normals. Per exemple, l'heli pot formar compostos amb iode, tungstè, fluor, fòsfor i sofre quan se sotmet a una descàrrega elèctrica brillant quan es bombardeja amb electrons o en estat de plasma. Així, es van crear ions moleculars HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ i He₂+^{, No}2++^{, HeH}+ ^{i HeD+}. Aquesta tècnica també va permetre obtenir molècules neutres He² i HgHe.

Plasma

A l'Univers, l'heli ionitzat es distribueix predominantment, les propietats del qual difereixen significativament de les moleculars. Els seus electrons i protons no estan units, i té una conductivitat elèctrica molt alta fins i tot en estat parcialment ionitzat. Les partícules carregades es veuen fortament afectades pels camps magnètics i elèctrics. Per exemple, al vent solar, els ions d'heli, juntament amb l'hidrogen ionitzat, interaccionen amb la magnetosfera de la Terra, provocant les aurores.

descobriment dels EUA

Després de perforar un pou l'any 1903, es va obtenir gas no inflamable a Dexter, Kansas. Inicialment, no se sabia que contingués heli. Quin gas es va trobar va ser determinat pel geòleg estatal Erasmus Haworth, quien van recollir mostres i a la Universitat de Kansas amb l'ajuda dels químics Cady Hamilton i David McFarland van trobar que conté un 72% de nitrogen, un 15% de metà, un 1% d'hidrogen i un 12% no es va identificar. Després d'una anàlisi posterior, els científics van trobar que l'1,84% de la mostra era heli. Així que van saber que aquest element químic està present en grans quantitats a les entranyes de les Grans Planes, d'on es pot extreure del gas natural.

Producció industrial

Això ha convertit els Estats Units en el líder mundial en producció d'heli. A proposta de Sir Richard Threlfall, la Marina dels Estats Units va finançar tres petites plantes experimentals per produir aquesta substància durant la Primera Guerra Mundial per proporcionar als globus de presa amb un gas d'elevació lleuger i no inflamable. El programa va produir un total de 5.700 m3 92% He, tot i que anteriorment s'havien produït menys de 100 litres de gas. Part d'aquest volum es va utilitzar a la primera aeronau d'heli del món, la US Navy C-7, que va fer el seu viatge inaugural des de Hampton Roads, Virginia fins a Bolling Field, Washington, DC el 7 de desembre de 1921.

Tot i que el procés de liqüefacció de gasos a baixa temperatura no estava prou avançat en aquell moment per ser significatiu durant la Primera Guerra Mundial, la producció va continuar. L'heli s'utilitzava principalment com a gas d'elevació en avions. La seva demanda va créixer durant la Segona Guerra Mundial, quan es va utilitzar en la soldadura d'arc blindat. L'element també va ser important en el projecte de la bomba atòmica. Manhattan.

Estoc nacional dels EUA

El 1925, el govern dels Estats Units va establir la Reserva Nacional d'Heli a Amarillo, Texas, amb el propòsit de proporcionar aeronaus militars en temps de guerra i aeronaus comercials en temps de pau. L'ús de gas va disminuir després de la Segona Guerra Mundial, però el subministrament es va incrementar a la dècada de 1950 per proporcionar, entre altres coses, el seu subministrament com a refrigerant utilitzat en la producció de combustible de coets d'oxihidrogen durant la carrera espacial i la Guerra Freda. L'ús d'heli als Estats Units el 1965 va ser vuit vegades més gran que el seu consum màxim en temps de guerra.

Després de la Llei de l'heli de 1960, l'Oficina de Mines va contractar 5 empreses privades per extreure l'element del gas natural. Per a aquest programa, es va construir un gasoducte de 425 quilòmetres que connectava aquestes plantes amb un jaciment de gas del govern parcialment esgotat prop d'Amarillo, Texas. La barreja d'heli-nitrogen es va bombejar a una instal·lació d'emmagatzematge subterrània i hi va romandre fins que es va necessitar.

L'any 1995, s'havien recaptat mil milions de metres cúbics d'estocs i la Reserva Nacional tenia un deute de 1.400 milions de dòlars, cosa que va fer que el Congrés dels Estats Units l'eliminés gradualment el 1996. Després de l'aprovació de la llei de privatització de l'heli el 1996, el Ministeri de Recursos Naturals va començar a liquidar la instal·lació d'emmagatzematge el 2005.

Volums de puresa i producció

L'heli produït abans de 1945 tenia una puresa d'aproximadament el 98%, la resta del 2%representava el nitrogen, que era suficient per als dirigibles. El 1945, es va produir una petita quantitat del 99,9 per cent de gas per utilitzar-la en la soldadura per arc. El 1949, la puresa de l'element resultant havia arribat al 99,995%.

Durant molts anys, els Estats Units van produir més del 90% de l'heli comercial del món. Des del 2004, ha produït 140 milions de m3 anuals, el 85% dels quals prové dels Estats Units, el 10% d'Algèria i la resta de Rússia i Polònia. Les principals fonts d'heli del món són els jaciments de gas de Texas, Oklahoma i Kansas.

Procés de recepció

L'heli (98,2% de puresa) s'extreu del gas natural mitjançant la liquació d' altres components a baixes temperatures i altes pressions. L'adsorció d' altres gasos per carbó actiu refrigerat aconsegueix una puresa del 99,995%. Es produeix una petita quantitat d'heli liquant l'aire a gran escala. A partir de 900 tones d'aire es poden obtenir uns 3,17 metres cúbics. m de gas.

Àrees d'aplicació

El gas noble s'ha utilitzat en diversos camps.

L'heli, les propietats del qual permeten obtenir temperatures molt baixes, s'utilitza com a agent de refrigeració en el Gran Col·lisionador d'Hadrons, imants superconductors en màquines de ressonància magnètica i espectròmetres de ressonància magnètica nuclear, equips de satèl·lit i també per liquar oxigen. i hidrogen als coets Apollo.
Com a gas inert per soldar alumini i altres metalls, en la producció de fibres òptiques i semiconductors.
Per crearpressió als dipòsits de combustible dels motors de coets, especialment els que funcionen amb hidrogen líquid, ja que només l'heli gasós conserva el seu estat d'agregació quan l'hidrogen roman líquid);
Els làsers de gas He-Ne s'utilitzen per escanejar codis de barres a les caixes dels supermercats.
El microscopi d'ions d'heli produeix millors imatges que el microscopi electrònic.
A causa de la seva alta permeabilitat, el gas noble s'utilitza per comprovar si hi ha fuites, per exemple, en els sistemes d'aire condicionat dels cotxes i per inflar ràpidament les coixins de seguretat en cas d'accident.
La baixa densitat us permet omplir globus decoratius amb heli. El gas inert ha substituït l'hidrogen explosiu en aeronaus i globus. Per exemple, en meteorologia, els globus d'heli s'utilitzen per aixecar instruments de mesura.
En tecnologia criogènica, serveix com a refrigerant, ja que la temperatura d'aquest element químic en estat líquid és la més baixa possible.
L'heli, les propietats del qual li proporcionen una baixa reactivitat i solubilitat en aigua (i sang), barrejat amb oxigen, ha trobat aplicació en composicions respiratòries per al busseig i treballs de caixó.
S'analitzen meteorits i roques per a aquest element per determinar la seva edat.