HELIUM: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, RIZIKA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Helium je chemický prvek se symbolem He. Je to první ušlechtilý plyn v periodické tabulce a obvykle se nachází na jeho krajní pravici. Za normálních podmínek je to inertní plyn, protože žádná z jeho mála sloučenin není stabilní; Také se velmi rychle rozšiřuje a je látkou s nejnižší teplotou varu ze všech.

Na populární úrovni je to známý plyn, protože v nesčetných událostech nebo dětských oslavách je běžné svědky toho, jak balón stoupá, dokud není ztracen na obloze. To, co je skutečně a navždy ztraceno v rozích sluneční soustavy a dále, jsou atomy helia, které se uvolňují, jakmile balón exploduje nebo vypustí.

Héliem nahuštěné balóny, nejbližší se k tomuto prvku dostanete v každodenních situacích. Zdroj: Pixabay.

Ve skutečnosti existují lidé, kteří se z dobrého důvodu domnívají, že heliové balónky představují pro tento plyn nevhodnou praxi. Naštěstí má důležitější a zajímavější použití díky svým fyzikálním a chemickým vlastnostem, které jej oddělují od ostatních chemických prvků.

Například kapalné helium je tak chladné, že může zamrznout cokoli, jako je kovová slitina, a proměnit jej v supravodivý materiál. Podobně je to kapalina, která vykazuje nadbytečnost, schopná vyšplhat na stěny skleněné nádoby.

Její jméno je způsobeno tím, že bylo poprvé identifikováno na Slunci a ne na Zemi. Je to druhý nejhojnější prvek v celém vesmíru a přestože je jeho koncentrace zanedbatelná v zemské kůře, lze ji získat ze zásob zemního plynu a radioaktivních minerálů uranu a thoria.

Zde hélium ukazuje další kuriózní skutečnost: je to plyn, který je v podloží mnohem hojnější než v atmosféře, kde nakonec uniká ze Země a jejího gravitačního pole.

Dějiny

Hélium nebylo objeveno na Zemi, ale na Slunci. Ve skutečnosti jeho název pochází z řeckého slova „helios“, což znamená slunce. Existence prvku sama o sobě kontrastovala s periodickou tabulkou Dmitriho Mendeleeva, protože v něm nebylo místo pro nový plyn; Jinými slovy, do té doby nebylo o vznešených plynech vůbec nic podezření.

Název „helium“, psaný jako „helium“ v angličtině, končil příponou --ium, které se na něj odkazovalo jako na kov; právě proto, že nemohla být připuštěna existence jiného plynu než kyslíku, vodíku, fluoru, chloru a dusíku.

Toto jméno určil anglický astronom Norman Lockyer, který studoval z Anglie to, co pozoroval francouzský astronom Jules Janssen v Indii během zatmění Slunce v roce 1868.

Byla to žlutá spektrální čára od dosud neznámého prvku. Lockyer prohlašoval, že toto bylo kvůli přítomnosti nového chemického prvku nalezeného na slunci.

V roce 1895, téměř o dvacet let později, skotský chemik Sir William Ramsay rozpoznal stejné spektrum ze zbytkového plynu, když studoval radioaktivní minerál: cleveit. Takže na Zemi bylo také hélium.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Vzhled

Ampule se vzorkem hélia zářícího po elektrickém šoku. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Hélium je bezbarvý plyn bez zápachu, který nemá chuť a je také inertní. Když však dojde k úrazu elektrickým proudem a v závislosti na rozdílu napětí začne svítit jako šedavě fialový zákal (obrázek nahoře), poté zářit oranžovou září. Proto jsou heliová světla oranžová.

Atomové číslo (Z)

dva

Molární hmotnost

4,002 g / mol

Bod tání

-272,2 ° C

Bod varu

-268,92 ° C

Hustota

-0,1786 g / l, za normálních podmínek, tj. V plynné fázi.

- 0,145 g / ml, v bodu tání, kapalné helium.

-0,125 g / ml, stejně jako helium začíná vařit.

-0,187 g / ml, při 0 K a 25 atm, to znamená, pevné hélium za těchto specifických podmínek tlaku a teploty.

Triple point

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

Kritický bod

5,193 K a 0,22276 MPa (2,2448 atm)

Teplo fúze

0,0138 kJ / mol

Odpařovací teplo

0,0829 kJ / mol

Molární tepelná kapacita

20,78 J / (mol K)

Tlak páry

0,9869 atm při 4,21 K. Tato hodnota vám dává představu o tom, jak prchavé helium může být a jak snadno může uniknout při pokojové teplotě (téměř 298 K).

Ionizační energie

-První: 2372,3 kJ / mol (He ⁺ plynný)

-Second: 5250,5 kJ / mol (plynný He ²⁺)

Ionizační energie pro helium jsou zvláště vysoké, protože plynný atom musí ztratit elektron, který zažívá silný účinný jaderný náboj. To může také být rozuměno zvažováním malé velikosti atomu a jak “blízko” dva elektrony jsou k jádru (s jeho dvěma protony a dvěma neutrony).

Rozpustnost

Ve vodě je 0,97 ml rozpuštěno na každých 100 ml vody při 0 ° C, což znamená, že je špatně rozpustný.

Reaktivita

Hélium je druhým nejméně reaktivním chemickým prvkem v přírodě. Za normálních podmínek je správné říci, že se jedná o inertní plyn; Nikdy (zdá se) nelze s heliovou sloučeninou manipulovat v místnosti nebo laboratoři, aniž by na ni působily enormní tlaky; nebo možná dramaticky vysoké nebo nízké teploty.

Příkladem je vidět ve sloučenině Na ₂ He, který je stabilní pouze za tlaku 300 GPa, reprodukovány v diamantové kovadliny buňky.

Přestože chemické vazby v Na ₂ He jsou „podivné“, protože mají své elektrony dobře umístěné v krystalech, zdaleka nejsou jednoduchými Van der Wallsovými interakcemi, a proto se neskládají jednoduše z atomů helia zachycených molekulárními agregáty.. Právě zde vzniká dilema mezi tím, které sloučeniny hélia jsou skutečné a které nikoli.

Například molekuly dusíku při vysokých tlacích mohou zachytit atom helia a vytvořit tak klatrát, He (N ₂) ₁₁.

Podobně existují endohedrální komplexy fullerenových kationtů C ₆₀ ^{+ na} C ₇₀ ^{+ n}, v jejichž dutinách mohou být uloženy atomy helia; a molekulární kation HeH ⁺ (He-H ⁺), který se nachází ve velmi vzdálených mlhovinách.

Oxidační číslo

Zvědavost, kteří se snaží, aby výpočet oxidační číslo pro helia v některé z jejích sloučenin se zjistilo, že tento se rovná 0. V Na ₂ mají, například, by mohl myslet, že vzorec odpovídá hypotetické Na ₂ ⁺ I ^2-; ale takový by byl předpokládat, že to má čistě iontový charakter, když ve skutečnosti jeho vazby zdaleka nejsou.

Kromě toho hélium nezískává elektrony, protože je nemůže umístit do 2s orbitálních, energeticky nedostupných; Není také možné, aby je ztratil kvůli malé velikosti svého atomu a velkému efektivnímu jadernému náboji svého jádra. Proto se hélium vždy teoreticky účastní jako atom He ⁰ ve svých odvozených sloučeninách.

Struktura a elektronická konfigurace

Hélium, stejně jako všechny plyny pozorované v makrozměrném měřítku, zabírá objem nádob, ve kterých je uložen, a má tedy neurčitý tvar. Když však teplota klesne a začne se ochladit pod -269 ° C, plyn kondenzuje na bezbarvou kapalinu; helium I, první ze dvou kapalných fází pro tento prvek.

Důvod, proč helium kondenzuje při tak nízké teplotě, je kvůli nízkým rozptylovým silám, které drží své atomy pohromadě; bez ohledu na fázi. To lze vysvětlit z jeho elektronické konfigurace:

1s ²

Ve kterém dva elektrony zaujímají atomovou orbitál 1s. Atom helia lze vizualizovat jako téměř dokonalá koule, jejíž homogenní elektronická periferie pravděpodobně nebude polarizována účinným nukleárním nábojem dvou protonů v jádru.

Proto jsou spontánní a indukované dipólové momenty vzácné a velmi slabé; takže teplota se musí přiblížit absolutní nule, aby se atomy He dostaly dostatečně pomalu a dosáhnout toho, aby jejich disperzní síly definovaly kapalinu; nebo ještě lépe, krystal hélia.

Dimers

V plynné fázi je prostor, který odděluje atomy He, takový, že lze předpokládat, že jsou vždy od sebe odděleny. Tolik, že v malé objemové lahvičce se hélium jeví jako bezbarvé, dokud není vystaveno elektrickému výboji, který ionizuje jeho atomy v šedivém zákalu a není příliš jasný.

V kapalné fázi však atomy He, a to i se slabými interakcemi, již nemohou být „ignorovány“. Nyní jim disperzní síla umožňuje, aby se na okamžik spojily a vytvořily dimery: He-He nebo He ₂. Hélium I lze tedy považovat za obrovské shluky He ₂ v rovnováze s atomy v plynné fázi.

Proto je helium I tak obtížné odlišit od par. Pokud se tato tekutina vylije ze vzduchotěsného kontejneru, unikne jako bělavá světlice.

Hélium II

Když teplota klesne ještě více a dotkne se 2 178 K (-270 972 ° C), dojde k fázovému přechodu: hélium I se přemění na helium II.

Od tohoto okamžiku se už fascinující heliová tekutina stává superfluidní nebo kvantovou tekutinou; to znamená, že jejich makroskopické vlastnosti projevovat jako kdyby ₂ dimery byly jednotlivé atomy (a možná, že jsou). Postrádá úplnou viskozitu, protože neexistuje žádný povrch, který by mohl zastavit atom během jeho klouzání nebo „lezení“.

Proto může hélium II vylézt na stěny skleněné nádoby a překonat gravitační sílu; bez ohledu na to, jak vysoké jsou, pokud povrch zůstává na stejné teplotě, a proto se nestane těkavým.

Z tohoto důvodu nelze kapalné helium skladovat ve skleněných nádobách, protože by uniklo při nejmenší trhlině nebo mezeře; velmi podobné tomu, jak by se to stalo s plynem. Místo toho je k navrhování takových nádob používána nerezová ocel (Dewarsovy nádrže).

Krystaly

I kdyby teplota klesla na 0 K (absolutní nula), rozptylová síla mezi atomy He by nebyla dostatečně silná, aby je uspořádala do krystalické struktury. Aby došlo ke ztuhnutí, musí tlak stoupnout na přibližně 25 atm; a poté se objeví kompaktní hexagonální krystaly hélia (hcp).

Geofyzikální studie ukazují, že tato struktura hcp zůstává nezměněna bez ohledu na to, jak se zvyšuje tlak (až do řádu gigapascalů, GPa). Ve schématu tlaku a teploty je však úzká oblast, kde tyto krystaly hcp procházejí přechodem na kubickou fázi zaměřenou na tělo (bcc).

Kde najít a získat

Kosmos a skály

Hélium představuje druhý nejhojnější prvek ve vesmíru a 24% jeho hmotnosti. Zdroj: Pxhere.

Hélium je druhým nejhojnějším prvkem v celém vesmíru, druhým vodíkem. Hvězdy neustále vytvářejí nezměrné množství atomů helia fúzováním dvou atomů vodíku během procesu nukleosyntézy.

Podobně jakýkoli radioaktivní proces, který emituje částice α, je zdrojem produkce atomů helia, pokud interagují s elektrony v prostředí; například u těl skalnatého těla v ložiscích radioaktivních minerálů uranu a thoria. Tyto dva prvky podléhají radioaktivnímu rozkladu, počínaje uranem:

Radioaktivní rozpad uranu při tvorbě alfa částic, které se v podzemních ložiscích později přeměňují na atom helia. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Proto v horninách, kde jsou tyto radioaktivní minerály koncentrovány, budou atomy helia zachyceny, které se uvolní, jakmile se rozloží v kyselém prostředí.

Mezi některé z těchto minerálů patří cleveit, karnotit a uraninit, všechny složené z oxidů uranu (UO ₂ nebo U ₃ O ₈) a nečistot thoria, těžkých kovů a vzácných zemin. Hélium zavlažované podzemními kanály se může hromadit v nádržích na zemní plyn, v minerálních pramenech nebo v meteorických železech.

Odhaduje se, že v litosféře se z radioaktivního rozpadu uranu a thoria ročně vyprodukuje množství hélia ekvivalentní 3 000 tunám.

Vzduch a moře

Hélium není ve vodě příliš rozpustné, takže dříve než později skončí stoupáním z hloubek (ať už je jeho původ jakýkoli), dokud neprochází vrstvami atmosféry a nakonec nedosáhne vesmíru. Jeho atomy jsou tak malé a lehké, že je zemské gravitační pole nemůže udržet zpět v atmosféře.

Vzhledem k výše uvedenému je koncentrace hélia jak ve vzduchu (5,2 ppm), tak v mořích (4 ppt) velmi nízká.

Pokud by tedy někdo chtěl extrahovat z některého z těchto dvou médií, „nejlepší“ možností by byl vzduch, kterému by nejprve muselo být podrobeno zkapalnění, aby kondenzovalo všechny jeho složkové plyny, zatímco hélium zůstane v plynném stavu.

Není však praktické získat helium ze vzduchu, ale z hornin obohacených radioaktivními minerály; nebo ještě lépe, ze zásob zemního plynu, kde hélium může představovat až 7% jeho celkové hmotnosti.

Zkapalňování zemního plynu a destilace

Místo zkapalňování vzduchu je snazší a výhodnější použít zemní plyn, jehož složení helia je nepochybně mnohem větší. Surovina par excellence (komerční) pro získání helia je tedy zemní plyn, který může být rovněž podroben frakční destilaci.

Konečný produkt destilace se dokončí čištění aktivním uhlím, kterým prochází velmi čisté helium. A konečně je helium odděleno od neonu kryogenním procesem, kde se používá kapalné helium.

Izotopy

Hélium se vyskytuje převážně v přírodě jako izotop ⁴ He, jehož holé jádro je slavná α částice. Tento atom ⁴ He má dva neutrony a dva protony. V menší míře je izotop ³ He, který má pouze jeden neutron. První je těžší (má vyšší atomovou hmotnost) než druhý.

Izotopový pár ³ He a ⁴ He jsou tedy ty, které definují měřitelné vlastnosti a to, co chápeme jako helium jako chemický prvek. Vzhledem k tomu, že ³ He je lehčí, předpokládá se, že jeho atomy mají vyšší kinetickou energii, a proto potřebují ještě nižší teplotu, aby se sloučily do superfluidu.

³ On je považován za velmi vzácný druh zde na Zemi; v měsíčních půdách je však hojnější (přibližně 2000krát více). Proto byl Měsíc předmětem projektů a příběhů jako možného zdroje ³ He, který by mohl být použit jako jaderné palivo pro kosmickou loď budoucnosti.

Mezi další izotopy hélia lze uvést jejich příslušné poločasy: ⁵ He (t _1/2 = 7,6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0,8 s) a ⁸ He (t _1/2 = 0,119 s).

Rizika

Hélium je inertní plyn, a proto se nezúčastňuje žádných reakcí, které se vyskytují v našem těle.

Jeho atomy prakticky přicházejí a vystupují vydechovány, aniž by jejich interakce s biomolekuly způsobovaly postranní účinek; kromě zvuku emitovaného hlasivkami, které se stávají stále častějšími.

Lidé, kteří vdechují helium z balónku (s mírou), hovoří vysokým hlasem, podobně jako veverka (nebo kachna).

Problém je v tom, že pokud uvedená osoba vdechne nevhodné množství helia, vystavuje se riziku udusení, protože jeho atomy vytlačují molekuly kyslíku; a proto nebudete moci dýchat, dokud nevydechnete všechno hélium, které zase díky jeho tlaku může roztrhnout plicní tkáň nebo způsobit barotrauma.

Byly hlášeny případy lidí, kteří zemřeli na inhalační helium, kvůli tomu, co bylo právě vysvětleno.

Na druhou stranu, i když nepředstavuje riziko požáru vzhledem k jeho nedostatečné reaktivitě vůči kyslíku (nebo jiné látce), pokud je skladováno pod vysokým tlakem a uniká, jeho únik může být fyzicky nebezpečný.

Aplikace

Fyzikální a chemické vlastnosti helia ho činí nejen speciálním plynem, ale také velmi užitečnou látkou pro aplikace vyžadující extrémně nízké teploty. V této části budou popsány některé z těchto aplikací nebo použití.

Tlakové a odvzdušňovací systémy

V některých systémech je nutné zvýšit tlak (natlakovat), a proto musí být plyn vstřikován nebo přiváděn, který nereaguje s žádnou jeho složkou; například s reagenciemi nebo povrchy citlivými na nežádoucí reakce.

Tlak tak může být zvýšen objemy hélia, jehož chemická inertnost je pro tento účel ideální. Inertní atmosféra, kterou poskytuje, v některých případech převyšuje dusík.

Pro reverzní proces, tj. Proplachování, se helium také používá kvůli své schopnosti strhávat veškerý kyslík, vodní páry nebo jakýkoli jiný plyn, jehož přítomnost chcete odstranit. Tímto způsobem je tlak systému snížen, jakmile bylo vyprázdněno hélium.

Detekce netěsností

Hélium může prosakovat nejmenší trhlinou, takže také slouží k detekci netěsností v trubkách, vysokotlakých nádobách nebo kryogenních nádržích.

Někdy lze detekci provést vizuálně nebo dotykem; je to však většinou detektor, který „signalizuje“, kde a kolik helia uniká z kontrolovaného systému.

Nosný plyn

Atomy hélia, jak je uvedeno pro proplachovací systémy, mohou nést s sebou, v závislosti na jejich tlaku, těžší molekuly. Tento princip je například používán denně při analýze plynovou chromatografií, protože může přetáhnout atomizovaný vzorek podél kolony, kde interaguje se stacionární fází.

Balónky a vzducholodě

Hélium se používá k nafouknutí vzducholodí a je mnohem bezpečnější než vodík, protože to není hořlavý plyn. Zdroj: Pixabay.

Vzhledem ke své nízké hustotě ve srovnání se vzduchem a opět kvůli své nedostatečné reaktivitě s kyslíkem, byl používán k nafouknutí balónků na dětských oslavách (smíchaný s kyslíkem tak, aby ho nikdo neusazoval dýcháním) a vzducholodí (horní obrázek), bez nebezpečí požáru.

Potápění

Helium je jednou z hlavních složek kyslíkových nádrží, které potápěči dýchají. Zdroj: Pxhere.

Když potápěči sestoupí do větších hloubek, je obtížné dýchat kvůli velkému tlaku vyvíjenému vodou. To je důvod, proč se do jejich kyslíkových nádrží přidává helium, aby se snížila hustota plynu, který potápěči dýchají a vydechují, a proto může být vydechováno s menší prací.

Obloukové svary

Při svařování poskytuje elektrický oblouk dostatek tepla pro oba kovy, aby se spojily. Pokud je provedeno v atmosféře helia, žhavý kov nebude reagovat s kyslíkem ve vzduchu, aby se stal jeho příslušným oxidem; proto hélium tomu brání.

Supravodiče

Kapalné helium se používá k chlazení magnetů používaných v zobrazovacích skenerech nukleární magnetické rezonance. Zdroj: Jan Ainali

Kapalné helium je tak chladné, že může zmrazit kovy do supravodičů. Díky tomu bylo možné vyrobit velmi silné magnety, které byly chlazeny kapalným heliem a byly použity v obrazových skenerech nebo nukleárních magnetických rezonancích.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17. dubna 2019). Poprvé byl detekován iont hydridu helia v prostoru: důkaz byl nalezen pro nepolapitelnou chemii od prvních minut vesmíru. Obnoveno z: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19. srpna 2009). Hélium. Chemie ve svém živlu. Obnoveno z: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Hélium. Obnoveno z: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM a Bassett, WA (1988). Krystalová struktura a hustota hélia do 232 kbar. Obnoveno z: articles.adsabs.harvard.edu
6. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Hélium. PubChem Database. CID = 23987. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6. února 2017). Nahoru, nahoru a pryč: Chemici říkají „ano“, helium může tvořit sloučeniny. Státní univerzita v Utahu. Obnoveno z: phys.org
8. Steve Gagnon. (sf). Izotopy prvku Helium. Jefferson Lab. Recovered from: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Hélium. Obnoveno z: chemistryexplained.com