Hélium

18. srpna 1868 francouzský vědec Pierre Jansen během úplného zatmění Slunce v indickém městě Guntur poprvé prozkoumal chromosféru Slunce . Jansenovi se podařilo upravit spektroskop tak, aby bylo možné pozorovat spektrum sluneční koróny nejen při zatmění, ale i v běžných dnech. Další den spektroskopie slunečních protuberancí spolu s vodíkovými čarami - modrou, zeleno-modrou a červenou - odhalila velmi jasně žlutou čáru, původně pořízenou Jansenem a dalšími astronomy, kteří ji pozorovali pro sodíkovou D čáru . Janssen o tom okamžitě napsal Francouzské akademii věd . Následně bylo zjištěno, že jasně žlutá čára ve slunečním spektru se neshoduje s čárou sodíku a nepatří k žádnému z dříve známých chemických prvků [6] [7] .

O dva měsíce později, 20. října, provedl výzkum slunečního spektra také anglický astronom Norman Lockyer , který nevěděl o vývoji svého francouzského kolegy. Poté, co objevil neznámou žlutou čáru s vlnovou délkou 588 nm (přesněji - 587,56 nm ), označil ji D 3 , protože byla velmi blízká Fraunhoferovým čarám D 1 ( 589,59 nm ) a D 2 ( 588,99 nm ) sodíku. O dva roky později Lockyer, spolu s anglickým chemikem Edwardem Franklandem , ve spolupráci s nímž pracoval, navrhl dát novému prvku jméno „helium“ (z jiného řeckého ἥλιος – „slunce“) [7] .

Je zajímavé, že dopisy Jeansena a Lockyera dorazily do Francouzské akademie věd ve stejný den - 24. října 1868, ale Lockyerův dopis, který napsal o čtyři dny dříve, dorazil o několik hodin dříve. Druhý den byly oba dopisy přečteny na schůzi Akademie. Na počest nové metody studia prominenci se Francouzská akademie rozhodla razit medaili. Na jedné straně medaile byly nad zkříženými větvemi vavřínu vyryty portréty Jansena a Lockyera a na druhé straně obraz mytologického boha světla Apollóna , vládnoucího ve voze se čtyřmi koňmi cválajícími plnou rychlostí [7] .

V roce 1881 publikoval Ital Luigi Palmieri zprávu o svém objevu hélia ve sopečných plynech fumarol . Zkoumal světle žlutou olejovou látku, která se usadila z výtrysků plynu na okrajích kráteru Vesuv . Palmieri kalcinoval tento vulkanický produkt v plameni Bunsenova hořáku a pozoroval spektrum plynů uvolněných během toho. Vědecká komunita přivítala tuto zprávu s nedůvěrou, protože Palmieri svou zkušenost popsal vágně. O mnoho let později byla ve složení fumarolových plynů skutečně nalezena malá množství helia a argonu [7] .

27 let po svém původním objevu bylo na Zemi objeveno helium - v roce 1895 skotský chemik William Ramsay zkoumal vzorek plynu získaného rozkladem nerostu cleveit a našel v jeho spektru stejnou jasně žlutou čáru, která byla dříve na Slunci. spektrum. Vzorek byl poslán k dalšímu studiu slavnému anglickému spektroskopickému vědci Williamu Crookesovi , který potvrdil, že žlutá čára pozorovaná ve spektru vzorku se shoduje s čárou D 3 helia. 23. března 1895 poslal Ramsay zprávu o svém objevu helia na Zemi Královské společnosti v Londýně a také Francouzské akademii prostřednictvím slavného chemika Marcelina Berthelota [7] .

Švédští chemici P. Kleve a N. Lengle dokázali z kleveitu izolovat dostatek plynu k určení atomové hmotnosti nového prvku [8] [9] .

V roce 1896 Heinrich Kaiser , Siegbert Friedländer a v roce 1898 Edward Bailey konečně prokázali přítomnost helia v atmosféře [7] [10] [11] .

Ještě před Ramsayem bylo helium izolováno také americkým chemikem Francisem Hillebrandem , ale mylně se domníval, že získal dusík [11] [12] a v dopise Ramsaymu ho uznal za prioritu objevu.

Při zkoumání různých látek a minerálů Ramsay zjistil, že helium v nich doprovází uran a thorium . V roce 1906 E. Rutherford a T. Royds zjistili, že částice alfa radioaktivních prvků jsou jádra helia [13] . Tyto studie znamenaly začátek moderní teorie struktury atomu [14] .

V roce 1908 holandský fyzik Heike Kamerling-Onnes získal kapalné helium . Použil škrcení (viz Joule-Thomsonův efekt ), poté, co byl plyn předchlazený v kapalném vodíku vařícím ve vakuu. Pokusy získat pevné helium byly dlouho neúspěšné i při teplotě 0,71 K , čehož dosáhl student Kamerling-Onnes, německý fyzik Willem Hendrik Keesom . V roce 1926 izoloval krystaly působením tlaku nad 35 atm a ochlazením stlačeného hélia v kapalném héliu vroucím pod ředěním [15] .

V roce 1932 Keesom zkoumal povahu změny tepelné kapacity kapalného helia s teplotou. Zjistil, že kolem 2,19 K je pomalý a plynulý nárůst tepelné kapacity nahrazen prudkým poklesem a křivka tepelné kapacity má podobu řeckého písmene λ (lambda). Proto teplota, při které dochází ke skoku v tepelné kapacitě, má podmíněný název " λ - bod " [15] . Přesnější hodnota teploty v tomto bodě, stanovená později, je 2,172 K. V bodě λ dochází k hlubokým a náhlým změnám základních vlastností kapalného helia - jedna fáze kapalného helia je v tomto bodě nahrazena druhou, a to bez uvolnění latentního tepla; dochází k fázovému přechodu druhého řádu . Nad teplotou bodu λ se nachází tzv. helium-I a pod ním helium-II [15] .

V roce 1938 objevil sovětský fyzik Pjotr Leonidovič Kapica fenomén supratekutosti kapalného helia-II , který spočívá v prudkém poklesu viskozitního koeficientu , v důsledku čehož helium proudí prakticky bez tření [15] [16] . Zde je to, co napsal v jedné ze svých zpráv o objevu tohoto jevu [17] :

... takové množství tepla, které bylo skutečně přeneseno, leží mimo fyzikální možnosti, že těleso podle jakýchkoli fyzikálních zákonů nemůže předat více tepla, než je jeho tepelná energie vynásobená rychlostí zvuku. Při obvyklém mechanismu vedení tepla nemohlo být teplo přenášeno v takovém měřítku, jak bylo pozorováno. Museli jsme hledat jiné vysvětlení.

A místo vysvětlování přenosu tepla vedením tepla, tedy přenosu energie z jednoho atomu na druhý, by se to dalo vysvětlit triviálněji - konvekcí, přenosem tepla ve hmotě samotné. Nestává se, že by se zahřáté helium pohybovalo nahoru a studené dolů, vlivem rozdílu rychlostí vznikají konvekční proudy a tím dochází k přenosu tepla. K tomu však bylo nutné předpokládat, že helium při svém pohybu proudí bez jakéhokoli odporu. Již jsme měli případ, kdy se elektřina pohybovala bez odporu po vodiči. A usoudil jsem, že i helium se pohybuje bez jakéhokoli odporu, že to není látka přehřátá, ale supratekutá.

… Pokud je viskozita vody 10⋅10 −2 P , pak je to miliardkrát více tekutiny než voda…

Původ jména

Název pochází z řečtiny. ἥλιος - "Slunce" (viz Helios ). V názvu prvku byla použita koncovka „-iy“, charakteristická pro kovy (v latině „-um“ - „Helium“), protože Lockyer předpokládal, že prvek, který objevil, byl kov. Analogicky s jinými vzácnými plyny by bylo logické dát mu jméno „Helion“ („Helion“) [7] . V moderní vědě byl název „ helion “ přiřazen jádru světelného izotopu helia- helium-3 [18] .

Prevalence

Ve vesmíru

Helium zaujímá druhé místo v hojnosti ve vesmíru po vodíku - asi 23 % hmotnosti [19] . Tento prvek je však na Zemi vzácný. Téměř všechno helium ve vesmíru vzniklo v prvních několika minutách po velkém třesku [20] [21] během prvotní nukleosyntézy . V moderním vesmíru, téměř celé nové helium je tvořeno jako výsledek termonukleární fúze z vodíku v vnitřnostech hvězd (viz proton-protonový cyklus , uhlík-cyklus dusíku ). Na Zemi vzniká v důsledku alfa rozpadu těžkých prvků ( částice alfa emitované při rozpadu alfa jsou jádra helia-4) [22] . Část hélia, které vzniklo při rozpadu alfa a prosakuje horninami zemské kůry, je zachyceno zemním plynem , jehož koncentrace helia může dosáhnout 7 % objemu a více.

Zemská kůra

V rámci osmnácté skupiny je helium z hlediska obsahu v zemské kůře druhé (po argonu ) [23] .

Obsah helia v atmosféře (vznikajícího rozpadem thoria , uranu a jejich dceřiných radionuklidů) je 5,27⋅10 −4 % obj., 7,24⋅10 −5 % hm. [4] [11] [22] . Zásoby helia v atmosféře , litosféře a hydrosféře se odhadují na 5⋅10 14 m³ [4] . Zemní plyny obsahující helium obsahují zpravidla do 2 % objemových helia. Extrémně vzácné jsou akumulace plynů, jejichž obsah helia dosahuje 8-16 % [22] .

Průměrný obsah helia v suchozemské hmotě je 0,003 mg/kg nebo 0,003 g/t [22] . Nejvyšší koncentrace helia je pozorována v minerálech obsahujících uran, thorium a samarium [24] : kleveit , fergusonit , samarskit , gadolinit , monazit ( monazitové písky v Indii a Brazílii), thorianit . Obsah helia v těchto minerálech je 0,8-3,5 l/kg , zatímco v thorianitu dosahuje 10,5 l/kg [11] [22] . Toto helium je radiogenní a obsahuje pouze izotopčtyři
Ten je tvořen z alfa částic emitovaných při alfa rozpadu uranu, thoria a jejich dceřiných radionuklidů, ale i dalších přírodních alfa-aktivních prvků (samarium, gadolinium atd.).

V roce 2016 norští a britští vědci objevili ložiska helia poblíž Viktoriina jezera v Tanzanii. Podle přibližných odhadů odborníků je objem zásob 1,5 miliardy metrů krychlových [25] .

Značné zásoby helia jsou obsaženy ve východosibiřských nalezištích plynu v Rusku. Zásoby helia v poli Kovykta se odhadují na 2,3 miliardy metrů krychlových [26] , v poli Chayandinskoye - na 1,4 miliardy metrů krychlových [27] .

Světový trh s heliem

Helium se získává z přírodních a ropných plynů; světové zásoby se odhadují na 45,6 miliard m³ .

Světový trh s heliem je 170-190 milionů m³/rok [28] Hlavní podíl na světové produkci helia je v USA a Kataru ; Od roku 2015 se podíl Spojených států na světové produkční bilanci snížil z 67 % na cca 56 % a nadále klesá, Katar a Alžírsko zaujímají zhruba 28 %, respektive 9 % trhu.

Těžba v Rusku

Rusko si tento plyn zajišťuje samo; domácí poptávka v roce 2020 nepřesáhla 5 milionů m³ . [29] Až donedávna se téměř veškeré domácí helium vyrábělo v héliovém závodě OOO Gazprom dobycha Orenburg [30] z plynu s nízkým obsahem helia (do 0,055 % obj.), a proto bylo nákladné.

Dne 9. června 2021 byl poblíž města Svobodny v Amurské oblasti spuštěn největší závod na výrobu helia na světě, Amur Gas Processing Plant , s kapacitou 60 milionů m³ helia ročně [31] . Zdrojovou základnou pro něj je plyn z pole Chayandinskoye s řádově vyšším obsahem helia , což umožňuje výrazně snížit jeho náklady. Rusko se od roku 2021 plánuje stát jedním z největších vývozců helia [32] .

Od roku 2018 Irkutsk Oil Company staví dvě továrny na výrobu helia v Irkutské oblasti. [33] Plánovaná kapacita je 15-17 milionů litrů helia ročně, spuštění první elektrárny je v roce 2022.

Naléhavým problémem je další rozvoj a komplexní zpracování zemních plynů z velkých ložisek východní Sibiře , která se vyznačují vysokým obsahem helia (0,15–1 % obj.) podobně jako Chayandinskoye.

Cena

V roce 2009 se ceny plynného helia soukromými společnostmi pohybovaly od 2,5 do 3 USD/m³ [34] .
V roce 2019 se cena helia výrazně zvýšila a činí 30-32 USD/m³ u plynu o čistotě 99,995 % .

Výroba helia

Helium se získává ze zemního plynu nízkoteplotním separačním procesem – frakční destilací nebo membránovou separací plynu [35] .

V průmyslu se helium získává ze zemních plynů obsahujících helium (v současnosti jsou využívána především ložiska obsahující více než 0,1 % helia). Hélium se od ostatních plynů odděluje hlubokým ochlazením s využitím skutečnosti, že je obtížnější jej zkapalnit než všechny ostatní plyny.

Chlazení se provádí několikastupňovým škrcení , čištěním od CO 2 a uhlovodíků . Výsledkem je směs helia, neonu a vodíku. Tato směs, takzvané surové helium (70-90 % objemových helia), se čistí z vodíku (4-5 %) s CuO při 650-800 K.

Finálního dočištění se dosáhne ochlazením zbylé směsi s varem ve vakuu N 2 a adsorpcí nečistot na aktivní uhlí v adsorbérech chlazených rovněž kapalným N 2 . Produkují helium technické čistoty (99,80 % objemových helia) a vysoké čistoty (99,985 %).

Definice

Kvalitativně se helium stanovuje analýzou emisních spekter (charakteristické čáry 587,56 nm a 388,86 nm ), kvantitativně - hmotnostními spektrometrickými a chromatografickými metodami analýzy, jakož i metodami založenými na měření fyzikálních vlastností (hustota, tepelná vodivost atd.) [ 4 ] .

Fyzikální vlastnosti

Helium je téměř inertní chemický prvek.

Jednoduchá látka helium je netoxická, bezbarvá, bez zápachu a chuti. Za normálních podmínek je to monatomický plyn. Jeho bod varu ( T = 4,215 K pročtyři
He ) je nejmenší mezi všemi látkami; pevné helium bylo získáno pouze při tlacích nad 25 atmosfér - při atmosférickém tlaku nepřechází do pevné fáze ani při absolutní nule . Extrémní podmínky jsou také nutné k vytvoření několika chemických sloučenin helia, z nichž všechny jsou za normálních podmínek nestabilní .

Helium 3 He a 4 He nemají hlavní trojný bod (ve kterém jsou rovnovážné fáze v různých stavech agregace - pevné , kapalné a plynné ) - v obou případech rovnovážná čára pevné fáze s kapalinou (He I a He II) a kapalná fáze s plynnou se nikde nekříží: pevná fáze je v rovnováze pouze s kapalnou [36] [37] [38] . Další látky s touto vlastností nejsou známy [37] . Přítomnost křivky koexistence pevné a kapalné fáze na fázovém diagramu helia a nepřítomnost křivky koexistence pevné a plynné fáze na diagramu znamená, že pevné helium se může roztavit, ale nemůže se odpařit [39] .

Chemické vlastnosti

Helium je chemicky nejméně aktivní prvek 18. skupiny ( inertní plyny ) a obecně celé periodické tabulky [40] . Všechny chemické sloučeniny helia (stejně jako argon, neon) existují pouze ve formě tzv. excimerových molekul (extrémně nestabilních), ve kterých jsou excitované elektronové stavy stabilní a základní je nestabilní. Helium tvoří dvouatomové molekuly He+
2, fluor HeF, chlorid HeCl ( molekuly excimeru vznikají působením elektrického výboje nebo ultrafialového záření na směs helia s fluorem nebo chlorem ).

Existuje také možnost vazby atomu helia van der Waalsovými silami , například s molekulou fullerenu nebo s atomem neonu , avšak v takových strukturách jiné atomy neovlivňují elektronovou strukturu atomu helia [41] [42] .

Vazebná energie molekulárního iontu helia He+
2je 58 kcal/mol , rovnovážná mezijaderná vzdálenost je 1,09 Å [43] .

Vlastnosti v plynné fázi

Za normálních podmínek se helium chová téměř jako ideální plyn . Za všech podmínek je helium jednoatomová látka. Za standardních podmínek (std.c.: 0 °C, 105 Pa ), jeho hustota je 0,17847 kg/m³ , má tepelnou vodivost 0,1437 W/(m K) a jeho specifická tepelná kapacita je extrémně vysoká: s p = 5,193 kJ/(kg K) [44] [45] ; pro srovnání - pro H 2 se rovná 14,23 kJ / (kg K) . Měrná tepelná kapacita při konstantním objemu s v = 3,116 kJ/(kg·K) (st.c.) [44] . Rychlost zvuku v heliu je 972,8 m/s (s.c.) [44] . Tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, rychlost zvuku a měrný objem (hodnota, vzájemná hustota) helia je tedy větší než u všech ostatních plynů, s výjimkou vodíku .

Helium je méně rozpustné ve vodě než jakýkoli jiný známý plyn. V 1 litru vody při 20 °C se rozpustí asi 8,8 ml ( 9,78 při 0 °C , 10,10 při 80 °C ), v ethanolu - 2,8 ml/l při 15 °C a 3,2 ml/l při 25 °C .

Rychlost difúze pevnými materiály , která je v první aproximaci nepřímo úměrná odmocnině molekulové hmotnosti, je třikrát vyšší pro helium než pro vzduch a je přibližně 65 % rychlosti difúze vodíku [46] .

Index lomu helia je blíže k jednotce než index lomu jakéhokoli jiného plynu za stejných podmínek. Například pro záření o vlnové délce 589,6 nm ( spektrální čára sodíku D) je index lomu (st.c.) pro helium n D = 1 + 35 10 −6 , pro vodík 1 + 132 10 −6 , pro dusík 1 + 298 10 −6 [47] .

Tento plyn má za normální okolní teploty záporný Joule-Thomsonův koeficient , to znamená, že se zahřívá, když je škrcen přes porézní přepážky nebo malé otvory, ale jako všechny plyny se ochlazuje při jakékoli teplotě adiabatickou expanzí. Teprve pod teplotou Joule-Thomsonovy inverze (přibližně 40 K za normálního tlaku) se během škrcení ochladí.

Po ochlazení pod tuto teplotu může být helium zkapalněno expanzním chlazením. Takové chlazení se provádí pomocí expandéru .

Spektrum neutrálního helia

Při průchodu proudu trubicí naplněnou heliem jsou pozorovány výboje různých barev, v závislosti především na tlaku plynu v trubici. Viditelné světelné spektrum helia má obvykle žlutou barvu. S klesajícím tlakem se barvy mění na růžovou, oranžovou, žlutou, jasně žlutou, žlutozelenou a zelenou. To je způsobeno přítomností několika sérií čar umístěných v oblasti mezi infračervenou a ultrafialovou částí spektra ve spektru helia. Nejdůležitější čáry helia ve viditelné části spektra leží mezi 706,62 nm a 447,14 nm [15] . Snížení tlaku vede ke zvýšení střední volné dráhy elektronu , to znamená ke zvýšení jeho energie při srážce s atomy helia. To vede k přechodu atomů do excitovaného stavu s vyšší energií, v důsledku čehož se spektrální čáry posouvají z červeného k fialovému okraji viditelného spektra.

Dobře prozkoumané spektrum helia má dvě ostře odlišné sady řad čar – jednoduchou ( 1 S 0 ) a trojici ( 3 S 1 ), takže na konci 19. století Lockyer , Runge a Paschen navrhli, že helium se skládá z směs dvou plynů; jeden z nich měl podle jejich předpokladu ve spektru žlutou čáru na 587,56 nm , druhý měl zelenou čáru na 501,6 nm . Navrhli nazvat tento druhý plyn asterium ( Asterium ) z řečtiny. "hvězda". Ramsay a Travers však ukázali, že spektrum helia závisí na podmínkách: při tlaku plynu 7-8 mm Hg. Umění. nejjasnější žlutá čára; s klesajícím tlakem roste intenzita zelené čáry. Spektra atomu helia vysvětlil Heisenberg v roce 1926 [48] (viz výměnná interakce ). Spektrum závisí na vzájemném směru spinů elektronů v atomu - atom s opačně orientovanými spiny (dává v optických spektrech zelenou čáru) se nazývá parahelium , se spiny kosměrnými (se žlutou čarou ve spektru ) - ortohelium . Linie parahelia jsou jednoduché, linie ortohelia jsou velmi úzké triplety. Atom helia je za normálních podmínek v jediném ( singletovém ) stavu. K převedení atomu helia do tripletového stavu je potřeba strávit práci v 19,77 eV . Přechod atomu helia z tripletového stavu do singletového stavu je extrémně vzácný. Takový stav, ze kterého je přechod do hlubšího sám o sobě nepravděpodobný, se nazývá metastabilní stav . Atom lze vyvést z metastabilního stavu do stabilního vystavením atomu vnějšímu působení, například nárazem elektronů nebo srážkou s jiným atomem s přenosem excitační energie přímo na atom [49] . V atomu parahelia (singletový stav helia) jsou rotace elektronů směrovány opačně a celkový spinový moment je roven nule. V tripletovém stavu (ortohelium) jsou spiny elektronů souměrné, celkový spinový moment je roven jednotce. Pauliho princip zakazuje, aby dva elektrony byly ve stavu se stejnými kvantovými čísly, takže elektrony ve stavu orthohelia s nejnižší energií, které mají stejné spiny, jsou nuceny mít různá hlavní kvantová čísla : jeden elektron je v orbitalu 1 s , a druhý je ve vzdálenějších 2 od jádra s -orbitaly (stav slupky 1 s 2 s ). V paraheliu jsou oba elektrony ve stavu 1 s (stav slupky 1 s 2 ).

Spontánní interkombinační (tedy provázená změnou celkového spinu) přechod s emisí fotonu mezi ortho- a paraheliem je extrémně silně potlačený, nicméně při interakci s dopadajícím elektronem nebo jiným atomem jsou možné neradiační přechody.

V bezkolizním prostředí (například v mezihvězdném plynu ) je spontánní přechod z nižšího stavu orthohelia 2 3 S 1 do základního stavu parahelia 1 0 S 1 možný současným vyzařováním dvou fotonů nebo v důsledku jediného -fotonový magnetický dipólový přechod (M1). Za těchto podmínek je odhadovaná doba života atomu ortohelia v důsledku dvoufotonového rozpadu 2 3 S 1 → 1 0 S 1 + 2 γ 2,49⋅10 8 s neboli 7,9 let [ 50] . První teoretické odhady [51] ukázaly [52] , že životnost v důsledku přechodu magneticko-dipól je řádově delší, to znamená, že dominuje dvoufotonový rozpad. Jen o tři desetiletí později, po nečekaném objevu zakázaných triplet-singlet přechodů některých iontů podobných heliu ve spektrech sluneční koróny [53] , bylo zjištěno [54] , že jednofotonový magnetický dipól rozpadu 2 3 Stav S 1 je mnohem pravděpodobnější; životnost během rozpadu přes tento kanál je „jen“ 8⋅10 3 s [55] .

Životnost prvního excitovaného stavu atomu parahelia 2 0 S 1 je v atomárním měřítku také extrémně dlouhá. Výběrová pravidla pro tento stav zakazují jednofotonový přechod 2 0 S 1 → 1 0 S 1 + γ [56] a pro dvoufotonový rozpad je životnost 19,5 ms [50] .

Vlastnosti kondenzovaných fází

V roce 1908 byl H. Kamerling-Onnes poprvé schopen získat kapalné helium . Pevné helium bylo získáno pouze pod tlakem 25 atmosfér při teplotě asi 1 K ( V. Keesom , 1926). Keesom také objevil přítomnost helium-4 fázového přechodu při 2,17 K ; pojmenoval fáze helium-I a helium-II (pod 2,17 K ). V roce 1938 P. L. Kapitsa zjistil, že helium-II postrádá viskozitu (fenomén supratekutosti ). V heliu-3 se supratekutost vyskytuje pouze při teplotách pod 0,0026 K. Supratekuté helium patří do třídy takzvaných kvantových kapalin , jejichž makroskopické chování lze popsat pouze pomocí kvantové mechaniky .

V roce 2004 se objevila zpráva o objevu supratekutosti pevného helia (tzv. supersolidní efekt ) při jeho studiu v torzním oscilátoru, nicméně mnoho badatelů se shoduje, že efekt objevený v roce 2004 nemá nic společného se supratekutostí helia. krystal. V současné době probíhají četné experimentální a teoretické studie, jejichž účelem je pochopit skutečnou podstatu tohoto jevu.

Izotopy

Přírodní helium se skládá ze dvou stabilních izotopů :čtyři
On ( izotopová abundance - 99,99986%) a mnohem vzácnější3
He (0,00014 %; obsah helia-3 v různých přírodních zdrojích se může lišit v poměrně širokých mezích). Je známo dalších šest umělých radioaktivních izotopů helia.

Doprava

K přepravě plynného helia se používají ocelové lahve ( GOST 949-73) hnědé barvy umístěné ve specializovaných kontejnerech. K přepravě lze použít všechny druhy přepravy v souladu s příslušnými předpisy pro přepravu plynů.

Pro přepravu kapalného helia se používají speciální přepravní nádoby typu Dewar typu STG-10, STG-25 atd. světle šedé barvy o objemu 10, 25, 40, 250 a 500 litrů . Pokud jsou splněna určitá pravidla přepravy, lze použít železniční , silniční a jiné druhy dopravy . Nádoby s kapalným heliem musí být skladovány ve svislé poloze.

Aplikace

Helium je široce používáno v průmyslu a národním hospodářství:

v metalurgii jako ochranný inertní plyn pro tavení čistých kovů ;
v potravinářském průmyslu (registrovaný jako potravinářská přísada E939 ) jako pohonná látka a balicí plyn;
jako chladivo pro dosažení ultranízkých teplot (zejména pro převedení kovů do supravodivého stavu);
pro plnění leteckých plavidel ( vzducholodě a balóny ) - s mírnou ztrátou vztlaku ve srovnání s vodíkem je helium naprosto bezpečné díky své nehořlavosti;
v dýchacích směsích pro hloubkové potápění (viz Potápěčský válec );
pro plnění balónků a plášťů meteorologických sond ;
pro plnění plynových výbojek;
jako chladivo v některých typech jaderných reaktorů ;
jako nosič v plynové chromatografii ;
k vyhledávání netěsností v potrubí a kotlích (viz Héliový detektor netěsností );
jako součást pracovní tekutiny v héliově-neonových laserech ;
jako výplň v některých moderních modelech pevných disků ;
pro plnění baněk vláknových LED žárovek, což umožňuje efektivně odvádět teplo z vláken LED.

Kromě toho nuklid3
Používá se jako pracovní látka plynových neutronových detektorů, včetně polohově citlivých , v technice rozptylu neutronů jako polarizátor . Helium-3 je také slibným palivem pro termonukleární energii . Rozpouštění helia-3 v heliu-4 se používá k získání ultranízkých teplot.

V geologii

Hélium je užitečný ukazatel pro geology . Pomocí heliového zobrazování [57] je možné určit polohu hlubokých zlomů na zemském povrchu . Helium, jako produkt rozpadu radioaktivních prvků , které nasycují horní vrstvu zemské kůry , prosakuje trhlinami a stoupá do atmosféry. V blízkosti takových trhlin a zejména v jejich průsečíkech je koncentrace helia vyšší. Tento jev poprvé prokázal sovětský geofyzik I. N. Yanitsky při hledání uranových rud . Tento vzor se používá ke studiu hluboké struktury Země a hledání rud neželezných a vzácných kovů [58] .

Hélium lze také použít k detekci geotermálních zdrojů . Podle publikovaných studií koncentrace helia v půdním plynu nad geotermálními zdroji překračují hodnoty pozadí 20–200krát [59] .

Zvýšené koncentrace helia v půdním plynu mohou naznačovat přítomnost uranových ložisek [60]

Vojenské aplikace

1. světová válka - tankování vojenských vzducholodí v USA a Německu.
30. - 60. léta 20. století se mylně domnívalo, že těžbu helia lze využít k hledání uranových rud [61] . Proti tomu se v roce 1911 postavila M. Sklodowska-Curie .
Od 50. let - čištění palivových nádrží od kapalných raket .

V astronomii

Asteroid (895) Helio , objevený v roce 1918, je pojmenován po heliu .

Biologická role

Helium, pokud je známo, nemá žádnou biologickou funkci.

Fyziologické působení

Přestože inertní plyny mají anestetický účinek, tento účinek se neprojevuje u helia a neonu při atmosférickém tlaku , zatímco se zvýšením tlaku se symptomy „high pressure nervového syndromu“ (HPP) objevují dříve [62] .
Obsah helia ve vysokých koncentracích (více než 80 %) ve vdechované směsi může způsobit závratě, nevolnost, zvracení, ztrátu vědomí a smrt z asfyxie (v důsledku kyslíkového hladovění a plynové embolie ) [63] . Jediný nádech čistého helia, například z heliového balónku, má často podobný účinek. Stejně jako při vdechování jiných inertních plynů dochází v důsledku nedostatku chuti a čichu při vdechování vysokých koncentrací často k neočekávané ztrátě vědomí.
Při vdechování hélia se zabarvení hlasu ztenčuje, podobně jako kvákání kachny [64] . Vyšší než ve vzduchu, rychlost zvuku v heliu, ceteris paribus (například teplota ) zvyšuje rezonanční frekvenci vokálního traktu (jako nádoby naplněné plynem).

Zdravotní rizika

Vdechování helia může být zdraví nebezpečné vzhledem k tomu, že se kyslík nedostává do plic, nicméně heliox a trimix (kyslík, dusík, helium) jsou považovány za relativně bezpečné dýchací směsi [65] [66] [67] .

Viz také

Izotopy helia : helium-2 (diproton) , helium-3 , helium-4 .
Agregátní stavy : kapalné helium , pevné helium .
Heliemetrie je věda, která studuje průchod helia různými médii.
Heliový průzkum je jednou z metod geochemického průzkumu.
Pomeranchukův efekt je anomální povaha tání (nebo tuhnutí) lehkého izotopu helia.3
On .

Poznámky

↑ 1 2 Meija J. , Coplen T. B. , Berglund M., Brand W. A., Bièvre P. D., Gröning M., Holden N. E., Irrgeher J., Loss R. D., Walczyk T. et al. Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) (English) // Pure and Applied Chemistry - IUPAC , 2016. - Vol. 88, Iss. 3. - ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925 – doi:10.1515/PAC-2015-0305
↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atomové hmotnosti prvků 2011 (IUPAC Technical Report ) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Sv. 85 , č. 5 . - S. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ 1 2 3 Velikost helia v několika prostředích . www.webelements.com. Získáno 10. července 2009. Archivováno z originálu 19. prosince 2008.
↑ 1 2 3 4 5 Sokolov V. B. Helium // Chemická encyklopedie : v 5 dílech / Ch. vyd. I. L. Knunyants . - M . : Sovětská encyklopedie , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 513-514. — 623 s. — 100 000 výtisků. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Berdonosov S.S. Helium . Velká ruská encyklopedie (2016). Staženo 31. prosince 2019. Archivováno z originálu 31. prosince 2019. (Ruština)
↑ Kochhar RK Francouzští astronomové v Indii během 17. – 19. století // Journal of the British Astronomical Association. - 1991. - Sv. 101 , č. 2 . - S. 95-100 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Finkelstein D. N. Objev inertních plynů a Mendělejevův periodický zákon // Inertní plyny . - Ed. 2. - M .: Nauka , 1979. - S. 40-46. — (Věda a technický pokrok). - 19 000 výtisků.
↑ Langlet NA Das Atomgewicht des Heliums (německy) // Zeitschrift für anorganische Chemie. - 1895. - Bd. 10, č. 1 . - S. 289-292 . - doi : 10.1002/zaac.18950100130 .
↑ Weaver, ER Bibliografie heliové literatury // Průmyslová a inženýrská chemie. — 1919.
↑ Aaron John Ihde. Kapitola 14. Anorganická chemie I. Základní vývoj // Vývoj moderní chemie . - Ed. 2. - M. : Courier Dover Publications, 1984. - S. 373. - 851 s. — ISBN 0486642356 .
↑ 1 2 3 4 Fastovský V. G., Rovinský A. E., Petrovský Yu. V. Inertní plyny. - Ed. 2. - M .: Atomizdat , 1972. - S. 3-13. — 352 s. - 2400 výtisků.
↑ Lockyer JN Příběh helia // Příroda. - 1896. - Sv. 53, č. 1372 . - S. 342-346.
↑ Okunev V. S. Základy aplikované jaderné fyziky a úvod do reaktorové fyziky. — 2. vyd., opraveno. a doplňkové - M . : Vydavatelství MSTU im. N. E. Bauman, 2015. - S. 138.
↑ Bronstein M. P. Sluneční hmota; Paprsky x; Vynálezci radiotelegrafu. - M . : TERRA - Knižní klub, 2002. - 224 s. - (Svět kolem nás). — ISBN 5-275-00531-8 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D. N. Helium // Inertní plyny . - Ed. 2. - M .: Nauka , 1979. - S. 111-128. — (Věda a technický pokrok). - 19 000 výtisků.
↑ Kapitsa P. L. Viscosity of Liquid Helium under the λ-Point (anglicky) // Nature . - 1938. - Sv. 141 . — str. 74.
↑ Rubinin P. E. , Dmitriev V. V. Akademik P. L. Kapitsa. Vlastnosti kapalného helia // Priroda. - 1997. - č. 12 . Archivováno z originálu 21. února 2016.
↑ Aruev N. N. , Neronov Yu . - 2012. - T. 82 , č. 11 . - S. 116-121 . Archivováno z originálu 14. ledna 2020.
↑ Helium: geologické informace . www.webelements.com. Získáno 11. července 2009. Archivováno z originálu dne 4. srpna 2020.
↑ Hawking S., Mlodinov L. Kapitola osmá. Velký třesk, černé díry a vývoj vesmíru // Nejkratší historie času. - Petrohrad. : Amfora . TID Amphora, 2006. - S. 79-98. — 180 s. - 5000 výtisků. - ISBN 5-367-00164-5 .
↑ Weinberg S. V. První tři minuty // První tři minuty: Moderní pohled na vznik vesmíru . - Ed. 2. - Iževsk: Výzkumné centrum "Regular and Chaotic Dynamics", 2000. - S. 105-122. — 272 s. - 1000 výtisků. — ISBN 5-93972-013-7 .
↑ 1 2 3 4 5 Finkelstein D.N. Kapitola IV. Inertní plyny na Zemi a ve vesmíru // Inertní plyny . - Ed. 2. - M .: Nauka , 1979. - S. 76-110. — 200 s. - ("Věda a technický pokrok"). - 19 000 výtisků.
↑ Hojnost v zemské kůře (angl.) (nepřístupný odkaz) . www.webelements.com. Získáno 11. července 2009. Archivováno z originálu dne 23. května 2008.
↑ Samarium, stejně jako uran a thorium, je přirozeně se vyskytující alfa radioaktivní prvek.
↑ Vědci právě objevili v Africe obrovské pole vzácného helia . Získáno 28. června 2016. Archivováno z originálu 29. června 2016. (neurčitý)
↑ Pole plynového kondenzátu Kovykta . Získáno 5. srpna 2019. Archivováno z originálu dne 5. srpna 2019. (neurčitý)
↑ Pole ropného a plynového kondenzátu Chayandinskoye . Získáno 5. srpna 2019. Archivováno z originálu dne 5. srpna 2019. (neurčitý)
↑ Světový trh s heliem – Gazprom Helium Service LLC . Získáno 2. května 2021. Archivováno z originálu dne 2. května 2021. (neurčitý)
↑ Leťte ke slunci: nový ruský podnik bude mít dopad na globální trh s heliem // Rambler, 18. ledna 2020
↑ Hlavním dodavatelem helia byla OGZ . Získáno 9. června 2010. Archivováno z originálu 9. května 2010. (neurčitý)
↑ Putin se zúčastnil spuštění závodu na zpracování plynu Amur . Získáno 9. června 2021. Archivováno z originálu 9. června 2021. (neurčitý)
↑ The New York Times : V důsledku průlomu ve výrobě helia se svět může stát závislým na Rusku Archivováno 9. prosince 2020 na Wayback Machine
↑ INK postaví 2. závod na výrobu helia v Irkutské oblasti . Získáno 29. září 2021. Archivováno z originálu dne 29. září 2021. (neurčitý)
↑ Petroleum Technology Archived 7. září 2012 na Wayback Machine . Teorie a praxe. 2009(4) ISSN 2070-5379.
↑ Zvýšení kapacity . Získáno 11. března 2021. Archivováno z originálu dne 23. dubna 2021. (neurčitý)
↑ Munster A. , Chemická termodynamika, 2002 , s. 222.
↑ 1 2 Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. , Physics, 1984 , s. 121.
↑ Glagolev K.V., Morozov A.N. , Fyzikální termodynamika, 2007 , s. 241.
↑ Brodyansky V. M. , Od pevné vody ke kapalnému héliu, 1995 , s. 253.
↑ Faustovský V.G., Rovinský A.E. Petrovský Yu.V. inertní plyny. - Ed. 2. - M .: Atomizdat , 1972. - 352 s.
↑ První stabilní sloučenina helia • Obrázek dne . "Prvky" . Staženo: 21. října 2022. (Ruština)
↑ Alexandr Vojťuk. Helium bylo nuceno vytvořit stabilní chemickou sloučeninu . N+1: vědecké práce, novinky, objevy . Staženo: 21. října 2022. (Ruština)
↑ L. Pauling . Povaha chemické vazby / překlad z angličtiny. M. E. Dyatkina, ed. prof. Ano, K. Syrkina. - M. - L. : Chemická literatura GNTI, 1947. - S. 262. - 440 s.
↑ 1 2 3 Mc Carty RD Termodynamické vlastnosti helia 4 od 2 do 1500 K při tlacích do 10 8 Pa // Journal of Physical and Chemical Reference Data. - 1973. - Sv. 2 , ne. 4 . - S. 923-1042 . — ISSN 0047-2689 . - doi : 10.1063/1.3253133 .
↑ Helium - Informace o prvcích, vlastnosti a použití | Periodická tabulka . www.rsc.org . Staženo: 21. října 2022. (neurčitý)
↑ Hampel CA Encyklopedie chemických prvků. - New York: Van Nostrand Reinhold, 1968. - S. 256–268. — ISBN 978-0-442-15598-8 .
↑ Vlastnosti prvků: Část I. Fyzikální vlastnosti / Ed. G. V. Samsonová. - 2. vyd. - M. : Hutnictví, 1976. - S. 366. - 600 s. — 15 000 výtisků.
↑ W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
↑ Frish S. E. Optická spektra atomů. - M. - L .: Nakladatelství fyzikální a matematické literatury , 1963. - S. 69-71. — 640 s.
↑ 1 2 G. W. F. Drake, G. A. Victor, A. Dalgarno. Dvoufotonový rozpad singletových a tripletových metastabilních stavů iontů podobných heliu. Phys. Rev. 180, 25-32 (1969).
↑ G. Breit a E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
↑ RD Rytíř. Životnost metastabilního stavu 2 3 S 1 ve skladovaných Li + iontech. — Ph.D. Diplomová práce. Laboratoř Lawrence Berkeley. - 1979. - 136 s.
↑ A. H. Gabriel a C. Jordan. Satelity s dlouhými vlnovými délkami k iontovým rezonančním čarám podobným He v laboratoři a na Slunci Archivováno 31. srpna 2010 na Wayback Machine . Nature 221, 947 (1969).
↑ HR Griem, Spontánní jednofotonový rozpad 2 3 S 1 v iontech podobných heliu . Astrophys. J. 156, L103 (1969).
↑ G. Feinberg, J. Sucher. Výpočet rychlosti rozpadu pro 2 3 S 1 → 1 1 S 0 + jeden foton v heliu . Phys. Rev. Lett. 26, 681-684 (1971).
↑ To je vysvětleno úvahami o symetrii. Počáteční i konečný stav atomu jsou sféricky symetrické a nemají preferovaný směr - oba elektrony jsou ve stavu s a celkový spinový moment je také nulový. Emise fotonu s určitou hybností vyžaduje porušení této symetrie.
↑ Studie helia potvrzují přítomnost ropy na Ayském bloku v Rusku (nedostupný odkaz) . Získáno 21. října 2011. Archivováno z originálu dne 2. dubna 2015. (neurčitý)
↑ Státní registr objevů SSSR . Yanitsky I. N. Vědecký objev č. 68 "Vzor rozložení koncentrace helia v zemské kůře"
↑ Heliový průzkum, možná technika pro lokalizaci geotermálních nádrží. Alan A. Roberts, Irving Friedman, Terrence J. Donovan, Edward H. Denton. US Geological Survey, Denver, Colorado 80225 .
↑ Průzkum zemního plynu heliem v uranovém ložisku Aurora, komplex McDermitt Caldera, Oregon. G. Michael Reimer. US Geological Survey, Branch of Isotope Geology, Denver, Colorado Archivováno 1. února 2016 na Wayback Machine .
↑ Muzičenko N. I. Vzorce rozložení helia v zemské kůře a jejich význam při geochemickém hledání ložisek plynu, ropy a radioaktivních prvků [Text]: (Metod. doporučení) / N. I. Muzičenko, V. V. Ivanov; Ministerstvo geologie SSSR. All-Unie. vědecký výzkum Ústav jaderné geofyziky a geochemie "VNIYAGG". - Moskva: [b. and.], 1970. - 228 s., 1 list.
↑ Pavlov B.N. Problém ochrany člověka v extrémních podmínkách hyperbarického biotopu (nepřístupný odkaz) . www.argonavt.com (15. května 2007). Datum přístupu: 6. července 2009. Archivováno z originálu 21. srpna 2011. (Ruština)
↑ Zotov P. B., Skryabin E. G., Reichert L. I., Zhmurov V. A., Spaderova N. N., Bukhna A. G., Zenkevich A. A., Plotnikova D. S. Helium mezi prostředky sebevražedných akcí // Suicidology. - 2022. - V. 13, č. 2 (47). - S. 92-116. — ISSN 2224-1264 . — doi : 10.32878/suiciderus.22-13-02(47)-92-116 .
↑ V. N. Viter. Experimenty s heliem část 8 . Získáno 16. prosince 2014. Archivováno z originálu 15. září 2014. (neurčitý)
↑ Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid. Sebevražedné udušení heliem: Zpráva o třech případech / Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle (německy, anglicky) // Wiener Klinische Wochenschrift. - 2007. - T. 119 , č. 9-10 . - S. 323-325 . - doi : 10.1007/s00508-007-0785-4 . — PMID 17571238 .
↑ Montgomery B. . 2 nalezeni mrtví pod vypuštěným balónem , Tampa Bay Times (3. června 2006). Archivováno z originálu 30. prosince 2013. Staženo 27. září 2016.
↑ Dva studenti zemřou po dýchání helia , CBC (4. června 2006). Archivováno z originálu 31. prosince 2013. Staženo 27. září 2016.

Literatura

Brodyansky V. M. Od pevné vody ke kapalnému héliu (historie chladu) . — M .: Energoatomizdat , 1995. — 336 s. - (Populárně naučná knihovna studenta). — ISBN 5-283-00176-8.
Glagolev KV, Morozov AN Fyzikální termodynamika. — 2. vyd., opraveno. - M . : Vydavatelství MSTU im. N. E. Bauman, 2007. - 270 s. — (Fyzika na Vysokém učení technickém). - ISBN 978-5-7038-3026-0.
Zhdanov L. S., Zhdanov G. L. Fyzika pro střední speciální vzdělávací instituce. - 4. vydání, Rev. — M .: Nauka, 1984. — 512 s.
Münster A. Chemická termodynamika / Per. s ním. pod. vyd. člen korespondent Akademie věd SSSRYa I. Gerasimova. - 2. vyd., vymazáno. -M.: URSS, 2002. - 296 s. — ISBN 5-354-00217-6.
Evdoshenko Yu.V. Jak bylo objeveno sovětské helium. Ke stému výročí héliového průmyslu v Rusku // Obchod s plynem. 2022. č. 2. S. 79-86 .

Odkazy

Helium on Webelements Archivováno 9. května 2008 na Wayback Machine .
Helium v Popular Library of Chemical Elements Archivováno 20. ledna 2007 na Wayback Machine .
Helium Shot Archivováno 23. ledna 2022 na Wayback Machine .
Průzkum helia v oblasti Rustamovskaya a blok Aisky v Bashkiria Archivní kopie ze dne 27. srpna 2016 na Wayback Machine .

Slovníky a encyklopedie

Velká dánština
Skvělý norský
Velký Rus
Velký sovět (1 ed.)
Brockhaus a Efron
okolo světa
Malý Brockhaus a Efron
Britannica (online)
Brockhaus
Treccani
Universalis

V bibliografických katalozích
BNF : 11978648w GND : 4132459-6 J9U : 987007555644805171 LCCN : sh85060043 NDL : 00563132 NKC : ph503003

Izotopy helia
Stáj: 3 On: Helium-3 , 4 On: Helium-4 Nestabilní (méně než jeden den) : 2 On: Helium-2 ( Diproton ), 5 On: Helium-5 , 6 On: Helium-6 , 7 On: Helium-7 , 8 On: Helium-8 , 9 On: Helium -9 , 10 He: Helium-10
viz také. Helium , Tabulka nuklidů