HELIUM: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, RISKER, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2025

Den helium är ett grundämne med symbolen han. Det är den första ädla gasen i det periodiska systemet och ligger vanligtvis längst till höger om det. Under normala förhållanden är det en inert gas, eftersom ingen av dess få föreningar är stabil; Det expanderar också mycket snabbt och är det ämne med den lägsta kokpunkten av alla.

På en populär nivå är det en välkänd gas, eftersom det vid otaliga evenemang eller barnfester är vanligt att bevittna hur en ballong stiger tills den går förlorad på himlen. Men vad som verkligen och för evigt går förlorat i solsystemets hörn, och därefter, är heliumatomerna som släpps när ballongen exploderar eller tömmer ut.

Helium-uppblåsta ballonger, det närmaste du kan komma till detta element i vardagliga situationer. Källa: Pixabay.

Det finns faktiskt de som och med goda skäl anser att heliumballonger representerar en olämplig praxis för denna gas. Lyckligtvis har den mer viktiga och intressanta användningsområden, tack vare dess fysikaliska och kemiska egenskaper som skiljer den från andra kemiska element.

Till exempel är flytande helium så kallt att det kan frysa vad som helst, som en metalllegering och förvandla den till ett supraledande material. På samma sätt är det en vätska som manifesterar överflödighet, som kan klättra uppför en glasbehållares väggar.

Namnet beror på att det identifierades för första gången på solen och inte på jorden. Det är det näst vanligaste elementet i hela universumet, och även om dess koncentration är försumbar i jordskorpan, kan den erhållas från reserverna av naturgas och radioaktiva mineraler av uran och thorium.

Här demonstrerar helium ett annat märkligt faktum: det är en gas som är mycket rikare i undergrunden än i atmosfären, där den hamnar på att rymma från jorden och dess gravitationsfält.

Historia

Helium upptäcktes inte på jorden utan på solen. I själva verket kommer det från det grekiska ordet 'helios' som betyder sol. Elementets existens kontrasterade Dmitri Mendelejevs periodiska tabell, eftersom det inte fanns någon plats i en ny gas; Med andra ord, då hade man absolut inget misstänkt för ädla gaser.

Namnet 'helium', skrivet som 'helium' på engelska, slutade med att suffixet -ium hänvisade till det som en metall; just för att det inte kunde medges att det finns en annan gas än syre, väte, fluor, klor och kväve.

Detta namn betecknades av den engelska astronomen Norman Lockyer, som studerade från England vad som observerades av den franska astronomen Jules Janssen i Indien under en solförmörkelse 1868.

Det var en gul spektralinje från ett hittills okänt element. Lockyer hävdade att detta berodde på närvaron av ett nytt kemiskt element som hittades i solen.

År 1895, nästan tjugo år senare, kände den skotska kemisten Sir William Ramsay igen samma spektrum från en restgas när han studerade ett radioaktivt mineral: cleveite. Så det fanns helium här på jorden också.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Ampoule med ett heliumprov som lyser efter en elektrisk stöt. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Helium är en färglös, luktfri gas som inte har någon smak och är också inert. Men när en elektrisk chock appliceras, och beroende på spänningsskillnaden, börjar den glöda som en grå-lila dis (bilden ovan) och sedan glöda med en orange glöd. Därför är heliumljusen orange.

Atomnummer (Z)

två

Molmassa

4,002 g / mol

Smältpunkt

-272,2 ºC

Kokpunkt

-268,92 ºC

Densitet

-0.1786 g / L, under normala förhållanden, det vill säga i gasfasen.

-0.145 g / ml, vid smältpunkten, flytande helium.

-0,125 g / ml, precis som helium börjar koka.

-0,187 g / ml, vid 0 K och 25 atm, det vill säga fast helium vid de specifika betingelserna för tryck och temperatur.

Triple point

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

Kritisk punkt

5.1953 K och 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Smältvärme

0,0138 kJ / mol

Förångningsvärme

0,0829 kJ / mol

Molär värmekapacitet

20,78 J / (mol K)

Ångtryck

0,9869 atm vid 4,21 K. Detta värde ger dig en uppfattning om hur flyktig helium kan vara och hur lätt den kan komma ut vid rumstemperatur (nära 298 K).

Ioniseringsenergier

-Först: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ gasformig)

-Sekund: 5250,5 kJ / mol (He ²⁺ gasformig)

Joniseringsenergierna för helium är särskilt höga eftersom gasformiga atomer måste tappa en elektron som upplever en stark effektiv kärnladdning. Det kan också förstås genom att betrakta atomens lilla storlek och hur "nära" de två elektronerna är till kärnan (med dess två protoner och två neutroner).

löslighet

I vatten upplöses 0,97 ml för varje 100 ml vatten vid 0 ° C, vilket betyder att det är dåligt lösligt.

Reaktivitet

Helium är det näst minst reaktiva kemiska elementet i naturen. Under normala förhållanden är det korrekt att säga att det är en inert gas; Aldrig (verkar det) kan en heliumförening manipuleras i ett rum eller laboratorium utan enorma tryck som verkar på den; eller kanske dramatiskt höga eller låga temperaturer.

Ett exempel ses i föreningen Na ₂ Han, som är stabila endast under ett tryck av 300 GPa, som återges i en diamant städ cell.

Även om de kemiska bindningarna i Na ₂ He är "konstiga" eftersom de har sina elektroner väl belägna i kristallerna, är de långt ifrån enkla Van der Walls-interaktioner och består därför inte bara av heliumatomer som fångas av molekylära aggregat. . Det är här dilemmaet uppstår mellan vilka heliumföreningar som är verkliga och vilka som inte är det.

Till exempel, kvävemolekyler vid höga tryck kan fälla en heliumatom för bildning av en slags klatrat, Han (N ₂ ) ₁₁ .

På samma sätt finns det de endohedrala komplexen av fullerenjoner, C ₆₀ ^{+ n} och C ₇₀ ^{+ n} , i vars hålrum de kan hysa heliumatomer; och molekylkatjonen HeH ⁺ (He-H ⁺ ), som finns i mycket avlägsna nebulosor.

Oxidationsnummer

Nyfikenhet som försöker att beräkna oxidationstal för helium i en av dess föreningar kommer att hittas, att detta är lika med 0. I Na ₂ har, till exempel, kanske tror att de formel motsvarar hypotetisk Na ₂ ⁺ I ^2- ; men sådant skulle vara att anta att det har en ren jonisk karaktär, när dess bindningar i verkligheten är långt ifrån så.

Dessutom får helium inte elektron eftersom den inte kan rymma dem i 2-talets omloppsbana, energiskt otillgängliga; Det är inte heller möjligt att förlora dem på grund av den lilla storleken på sin atom och den stora effektiva kärnkraftsladdningen i dess kärna. Det är därför helium alltid deltar (i teorin) som en He ^0- atom i dess härledda föreningar.

Struktur och elektronisk konfiguration

Helium, som alla gaser som observeras på en makroskala, upptar volymen av behållarna som lagrar den och har således en obestämd form. Men när temperaturen sjunker och börjar svalna under -269 ºC kondenseras gasen till en färglös vätska; helium I, den första av de två vätskefaserna för detta element.

Anledningen till att helium kondenseras vid så låg temperatur beror på de låga spridningskrafterna som håller sina atomer samman; oavsett fas som beaktas. Detta kan förklaras från dess elektroniska konfiguration:

1s ²

I vilka två elektroner upptar 1: s atombomb. Heliumatomen kan visualiseras som en nästan perfekt sfär, vars homogena elektroniska periferi sannolikt inte polariseras av den effektiva kärnladdningen för de två protonerna i kärnan.

Således är spontana och inducerade dipolmoment sällsynta och mycket svaga; Därför måste temperaturen närma sig absolut noll så att He-atomerna närmar sig tillräckligt långsamt och uppnår att deras spridande krafter definierar en vätska; eller ännu bättre, en heliumkristall.

dimerer

I gasfasen är utrymmet som separerar He-atomerna sådant att det kan antas att de alltid är separerade från varandra. Så mycket att helium verkar färglöst i en liten volymflaska tills den utsätts för en elektrisk urladdning, som joniserar sina atomer i en gråaktig dis och inte mycket ljus.

I vätskefasen kan emellertid He-atomerna, inte ens med deras svaga interaktioner, inte längre "ignoreras". Nu tillåter spridningskraften dem en stund att gå samman och bilda dimerer: He-He eller He ₂ . Därför kan helium I betraktas som stora kluster av He ₂ i jämvikt med dess atomer i ångfasen.

Det är därför helium I är så svårt att skilja från dess ångor. Om denna vätska hälls ut ur den lufttäta behållaren, flyr den ut som en vitaktig flare.

Helium II

När temperaturen sjunker ännu mer vid beröring av 2 178 K (-270,972 ºC) inträffar en fasövergång: helium I omvandlas till helium II.

Från denna punkt blir den redan fascinerande heliumvätska en supervätska eller kvantvätska; det vill säga, deras makroskopiska egenskaper manifesteras som om Han ₂ dimerer var enskilda atomer (och kanske de är). Det saknar fullständig viskositet, eftersom det inte finns någon yta som kan stoppa en atom under sin glidning eller "klättring".

Det är därför helium II kan klättra på väggarna i en glasbehållare som övervinner tyngdkraften; oavsett hur höga de är, så länge ytan förblir vid samma temperatur och därför inte flyktiga.

På grund av detta kan flytande helium inte förvaras i glasbehållare, eftersom det skulle undkomma vid den minsta sprickan eller spalten; mycket liknande hur det skulle hända med en gas. Istället används rostfritt stål för att designa sådana fartyg (Dewars tanks).

kristaller

Även om temperaturen sjönk till 0 K (absolut noll), skulle spridningskraften mellan He-atomerna inte vara tillräckligt stark för att ordna dem till en kristallin struktur. För att stelning ska äga rum måste trycket stiga till cirka 25 atm; och sedan visas kompakta hexagonala heliumkristaller (hcp).

Geofysiska studier visar att denna hcp-struktur förblir oförändrad oavsett hur mycket tryck ökar (upp till storleken på gigapascals, GPa). Det finns emellertid ett smalt område i deras trycktemperaturdiagram där dessa hcp-kristaller genomgår en övergång till en kroppscentrerad kubisk fas (bcc).

Var att hitta och få

Kosmos och stenar

Helium representerar det näst vanligaste elementet i universum och 24% av dess massa. Källa: Pxhere.

Helium är det näst vanligaste elementet i hela universumet, näst efter väte. Stjärnor producerar ständigt oändliga mängder heliumatomer genom att smälta två vätekärnor under processen med nukleosyntes.

På samma sätt är varje radioaktiv process som avger α-partiklar en källa till produktion av heliumatomer om de interagerar med elektronerna i miljön; till exempel med de från en stenig kropp i avsättningar av radioaktiva mineraler av uran och thorium. Dessa två element genomgår radioaktivt förfall, börjar med uran:

Radioaktivt förfall av uran vid bildning av alfapartiklar, som senare omvandlas till en heliumatom i underjordiska avlagringar. Källa: Gabriel Bolívar.

Därför fångas heliumatomerna i klipporna där dessa radioaktiva mineraler är koncentrerade, som kommer att frigöras när de smälts upp i sura media.

Bland några av dessa mineraler är cleveite, carnotite och uraninite, alla sammansatta av uranoxider (UO ₂ eller U ₃ O ₈ ) och föroreningar av thorium, tungmetaller och sällsynta jordartser. Helium bevattnas genom underjordiska kanaler kan hamna i naturgasbehållare, mineralfjädrar eller i meteoriska järn.

Det uppskattas att en massa helium motsvarande 3000 ton årligen produceras i litosfären från det radioaktiva förfallet av uran och thorium.

Luft och hav

Helium är dåligt lösligt i vatten, så förr snarare än senare hamnar det upp från djupet (var dess ursprung är), tills det passerar atmosfärens lager och äntligen når det yttre rymden. Dess atomer är så små och lätta att jordens gravitationsfält inte kan hålla dem tillbaka i atmosfären.

På grund av ovanstående är koncentrationen av helium både i luften (5,2 ppm) och i havet (4 ppt) mycket låg.

Om man ville extrahera det från någon av dessa två media, skulle det "bästa" alternativet vara luft, som först måste utsättas för kondensering för att kondensera alla dess komponentgaser, medan helium förblir i gasformigt tillstånd.

Det är emellertid inte praktiskt att få helium från luften, utan från stenar berikade med radioaktiva mineraler; eller ännu bättre, från naturgasreserver, där helium kan representera upp till 7% av dess totala massa.

Naturgasförgasning och destillation

I stället för att kondensera luften är det lättare och mer lönsamt att använda naturgas, vars heliumkomposition utan tvekan är mycket större. Således är råvaran par excellence (kommersiell) för att erhålla helium naturgas, som också kan utsättas för fraktionerad destillation.

Den slutliga produkten av destillationen är färdigrenad med aktivt kol, genom vilket en mycket ren helium passerar. Och slutligen separeras helium från neon genom en kryogen process där flytande helium används.

isotoper

Helium förekommer huvudsakligen i naturen som ⁴ He- isotopen , vars nakna kärna är den berömda α-partikeln. Denna ^4- He- atom har två neutroner och två protoner. I mindre överflöd är isotopen ³ Han, som bara har en neutron. Den första är tyngre (har en högre atommassa) än den andra.

Således är isotopparet ³ He och ⁴ He de som definierar de mätbara egenskaperna och vad vi förstår av helium som ett kemiskt element. Med tanke på att ³ Han är lättare antas det att dess atomer har högre kinetisk energi och att de därför behöver en ännu lägre temperatur för att sammanfalla till en överflödig vätska.

Den ³ Han anses vara en mycket sällsynta arter här på jorden; emellertid i månjord är det mer omfattande (cirka 2000 gånger mer). Därför har månen varit föremål för projekt och berättelser som en möjlig källa till ³ He, som kan användas som kärnbränsle för framtidens rymdskepp.

Bland andra isotoper av helium kan nämnas, med deras respektive halveringstid: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) och ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

risker

Helium är en inert gas och deltar därför inte i någon av de reaktioner som inträffar i våra kroppar.

Dess atomer kommer praktiskt taget in och ut andas ut utan deras interaktioner med biomolekyler som ger en yttre effekt; utom i ljudet som sänds ut från stämbanden, som blir högre och mer frekventa.

Människor som inhalerar helium från en ballong (med mått) talar med en hög röst, liknande den för en ekorre (eller anka).

Problemet är att om en sådan person inhalerar en olämplig mängd helium riskerar de att kvävas, eftersom dess atomer förskjuter syrgasmolekylerna; och därför kommer du inte att kunna andas förrän du andas ut allt det helium, vilket i sin tur på grund av dess tryck kan riva lungvävnaden eller orsaka barotrauma.

Fall av personer som har dött från inandning av helium har rapporterats på grund av vad som just har förklarats.

Å andra sidan, även om det inte utgör en brandrisk med tanke på dess brist på reaktivitet gentemot syre (eller ett annat ämne), om det förvaras under högt tryck och det slipper ut, kan dess läckage vara fysiskt farligt.

tillämpningar

De fysiska och kemiska egenskaperna hos helium gör det inte bara till en speciell gas utan också ett mycket användbart ämne för applikationer som kräver extremt låga temperaturer. I det här avsnittet kommer några av dessa applikationer eller användningsområden att behandlas.

Tryck och avluftsystem

I vissa system är det nödvändigt att öka trycket (trycksätta), och för detta måste en gas injiceras eller tillföras som inte interagerar med någon av dess komponenter; till exempel med reagens eller ytor som är känsliga för oönskade reaktioner.

Således kan trycket ökas med volymer av helium, vars kemiska inertitet gör det idealiskt för detta ändamål. Den inerta atmosfären som den ger överstiger i vissa fall kväve.

För den omvända processen, det vill säga rensningen, används helium också på grund av dess förmåga att fånga in allt syre, vattenångor eller någon annan gas, vars närvaro du vill ta bort. På detta sätt reduceras systemets tryck när helium har tömts.

Läckagedetekteringar

Helium kan läcka genom den minsta sprickan, så den tjänar också till att upptäcka läckor i rör, högvakuumbehållare eller kryogena tankar.

Ibland kan detektering göras visuellt eller genom beröring; emellertid är det mestadels en detektor som "signalerar" var och hur mycket helium flyr från systemet under inspektion.

Bärargas

Heliumatomer, som nämnts för spolningssystem, kan bära med sig, beroende på deras tryck, tyngre molekyler. Till exempel används denna princip dagligen i gaskromatografianalys, eftersom den kan dra det finfördelade provet längs kolonnen, där det interagerar med den stationära fasen.

Ballonger och luftskepp

Helium används för att blåsa upp luftfartyg och är mycket säkrare än väte eftersom det inte är en brandfarlig gas. Källa: Pixabay.

På grund av dess låga täthet jämfört med luft och, återigen, dess brist på reaktivitet med syre, har den använts för att blåsa upp ballonger på barns fester (blandad med syre så att ingen kvävs från att andas in den) och luftskepp (toppbild) , utan att representera en brandrisk.

Dykning

Helium är en av huvudkomponenterna i syretankarna som dykare andas in med. Källa: Pxhere.

När dykare går ner till större djup, har de svårt att andas på grund av det stora tryck som utövas av vattnet. Därför läggs helium till deras syretankar för att minska densiteten på gasen som dykare andas in och andas ut, och därmed kan den andas ut med mindre arbete.

Bågsvetsar

I svetsprocessen ger den elektriska bågen tillräckligt med värme för att de två metallerna ska kunna samlas. Om den utförs under en heliumatmosfär reagerar den glödande metallen inte med syret i luften för att bli dess respektive oxid; därför förhindrar helium detta från att hända.

Supraledare

Flytande helium används för att kyla magneterna som används i bildskannrar för kärnmagnetisk resonansbild. Källa: Jan Ainali

Flytande helium är så kallt att det kan frysa metaller till superledare. Tack vare detta har det varit möjligt att tillverka mycket kraftfulla magneter, som kylda med flytande helium har använts i bildskannrar eller kärnmagnetresonansspektrometrar.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17 april 2019). Heliumhydridjon upptäcktes i rymden för första gången: bevis hittade för svårfångad kemi från universumets första minuter. Återställd från: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19 augusti 2009). Helium. Kemi i dess element. Återställd från: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Återställd från: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Kristallstruktur och Heliumdensitet upp till 232 Kbar. Återställd från: Articles.adsabs.harvard.edu
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Helium. PubChem-databas. CID = 23987. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 februari 2017). Upp, upp och bort: Kemister säger "ja", helium kan bilda föreningar. Utah State University. Återställd från: phys.org
8. Steve Gagnon. (Sf). Isotoper av elementet helium. Jefferson Lab. Återställd från: utbildning.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Återställd från: chemistryexplained.com