Helium: eigenschappen, kenmerken, toepassingen

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 17:53

Helium is een inert gas van de 18e groep van het periodiek systeem. Het is het op een na lichtste element na waterstof. Helium is een kleurloos, geurloos en smaakloos gas dat vloeibaar wordt bij -268,9 °C. De kook- en vriespunten zijn lager dan die van enige andere bekende stof. Het is het enige element dat niet stolt bij afkoeling bij normale atmosferische druk. Het duurt 25 atmosfeer bij 1 K voordat helium stolt.

Ontdekkingsgeschiedenis

Helium werd ontdekt in de gasvormige atmosfeer rond de zon door de Franse astronoom Pierre Jansen, die in 1868 tijdens een zonsverduistering een heldergele lijn ontdekte in het spectrum van de zonnechromosfeer. Oorspronkelijk werd gedacht dat deze lijn het element natrium voorstelde. In hetzelfde jaar observeerde de Engelse astronoom Joseph Norman Lockyer een gele lijn in het zonnespectrum die niet overeenkwam met de bekende natriumlijnen D₁ en D₂, en daarom noemde hij haar lijn D_{3. Lockyer concludeerde dat het werd veroorzaakt door een op aarde onbekende stof in de zon. Hij en de chemicus Edward Frankland gebruikten de naam van het elementde Griekse naam voor de zon is Helios.}

In 1895 bewees de Britse chemicus Sir William Ramsay het bestaan van helium op aarde. Hij nam een monster van het uraniumhoudende mineraal cleveiet, en na onderzoek van de gassen die gevormd werden bij verhitting, ontdekte hij dat de heldergele lijn in het spectrum samenviel met de D_{3-lijn die werd waargenomen in het spectrum van de zon. Zo werd het nieuwe element eindelijk geïnstalleerd. In 1903 bepaalden Ramsay en Frederick Soddu dat helium een spontaan vervalproduct is van radioactieve stoffen.}

Verspreid in de natuur

De massa van helium is ongeveer 23% van de totale massa van het universum, en het element is het op één na meest voorkomende element in de ruimte. Het is geconcentreerd in sterren, waar het wordt gevormd uit waterstof als gevolg van thermonucleaire fusie. Hoewel helium in de atmosfeer van de aarde wordt aangetroffen in een concentratie van 1 deel per 200 duizend (5 ppm) en in kleine hoeveelheden wordt aangetroffen in radioactieve mineralen, meteorietijzer en minerale bronnen, worden grote hoeveelheden van het element gevonden in de Verenigde Staten (vooral in Texas, New York), Mexico, Kansas, Oklahoma, Arizona en Utah) als bestanddeel (tot 7,6%) van aardgas. Kleine reserves zijn gevonden in Australië, Algerije, Polen, Qatar en Rusland. In de aardkorst is de concentratie helium slechts ongeveer 8 ppb.

Isotopen

De kern van elk heliumatoom bevat twee protonen, maar net als andere elementen heeft het isotopen. Ze bevatten één tot zes neutronen, dus hun massagetal varieert van drie tot acht. De stabiele zijn de elementen waarvan de heliummassa wordt bepaald door atoomnummers 3 (³He) en 4 (⁴He). Al de rest is radioactief en verv alt zeer snel in andere stoffen. Terrestrisch helium is niet het oorspronkelijke bestanddeel van de planeet, het werd gevormd als gevolg van radioactief verval. Alfadeeltjes uitgezonden door de kernen van zware radioactieve stoffen zijn kernen van de isotoop ⁴He. Helium hoopt zich niet in grote hoeveelheden op in de atmosfeer omdat de zwaartekracht van de aarde niet sterk genoeg is om te voorkomen dat deze geleidelijk de ruimte in ontsnapt. Sporen van ³He op aarde worden verklaard door het negatieve bètaverval van het zeldzame element waterstof-3 (tritium). ⁴Hij is de meest voorkomende van de stabiele isotopen: de verhouding van ⁴Hij atomen tot ^{3He is ongeveer 700 duizend tot 1 in de atmosfeer en ongeveer 7 miljoen tot 1 in sommige heliumbevattende mineralen.}

Fysieke eigenschappen van helium

De kook- en smeltpunten van dit element zijn het laagst. Om deze reden bestaat helium als gas, behalve onder extreme omstandigheden. Gasvormig Hij lost minder op in water dan enig ander gas, en de diffusiesnelheid door vaste stoffen is driemaal die van lucht. De brekingsindex komt het dichtst bij 1.

De thermische geleidbaarheid van helium is de tweede alleen voor die van waterstof, en de specifieke warmtecapaciteit is ongewoon hoog. Bij normale temperaturen warmt het op tijdens expansie en koelt het af onder 40 K. Daarom kan helium bij T<40 K worden omgezet in:vloeistof door expansie.

Een element is een diëlektricum als het zich niet in een geïoniseerde toestand bevindt. Net als andere edelgassen heeft helium metastabiele energieniveaus waardoor het geïoniseerd kan blijven in een elektrische ontlading wanneer de spanning onder het ionisatiepotentieel blijft.

Helium-4 is uniek omdat het twee vloeibare vormen heeft. De gewone heet helium I en bestaat bij temperaturen variërend van een kookpunt van 4,21 K (-268,9 ° C) tot ongeveer 2,18 K (-271 ° C). Onder 2,18 K wordt de thermische geleidbaarheid van 4Hij 1000 keer die van koper. Deze vorm wordt helium II genoemd om hem te onderscheiden van de normale vorm. Het is supervloeibaar: de viscositeit is zo laag dat het niet meetbaar is. Helium II verspreidt zich in een dunne film op het oppervlak van alles wat het aanraakt, en deze film vloeit zonder wrijving, zelfs tegen de zwaartekracht in.

Het minder overvloedige helium-3 vormt drie verschillende vloeibare fasen, waarvan er twee supervloeibaar zijn. Superfluïditeit in ⁴Hij werd halverwege de jaren dertig ontdekt door de Sovjet-fysicus Pjotr Leonidovich Kapitsa, en hetzelfde fenomeen in ^{3Hij werd voor het eerst opgemerkt door Douglas D Osherov, David M. Lee en Robert S. Richardson uit de VS in 1972.}

Een vloeibaar mengsel van twee isotopen van helium-3 en -4 bij temperaturen onder 0,8 K (-272,4 °C) is verdeeld in twee lagen - bijna zuiver ³He en een mengsel van⁴He met 6% helium-3. Het oplossen van ³He in ^{4He gaat gepaard met een koelend effect, dat wordt gebruikt bij het ontwerp van cryostaten, waarbij de heliumtemperatuur da altonder 0,01 K (-273,14 °C) en daar meerdere dagen gehandhaafd.}

Verbindingen

Onder normale omstandigheden is helium chemisch inert. In extreme omstandigheden kunt u elementverbindingen maken die niet stabiel zijn bij normale temperaturen en drukken. Helium kan bijvoorbeeld verbindingen vormen met jodium, wolfraam, fluor, fosfor en zwavel wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrische glimontlading wanneer het wordt gebombardeerd met elektronen of in de plasmatoestand. Zo werden HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ en He₂ moleculaire ionen gecreëerd+^{, Niet}2++^{, HeH}+ ^{en HeD+}. Deze techniek maakte het ook mogelijk om neutrale moleculen He² en HgHe te verkrijgen.

Plasma

In het heelal wordt geïoniseerd helium voornamelijk verspreid, waarvan de eigenschappen aanzienlijk verschillen van moleculair. Zijn elektronen en protonen zijn niet gebonden en het heeft een zeer hoge elektrische geleidbaarheid, zelfs in gedeeltelijk geïoniseerde toestand. Geladen deeltjes worden sterk beïnvloed door magnetische en elektrische velden. In de zonnewind werken heliumionen bijvoorbeeld samen met geïoniseerde waterstof in wisselwerking met de magnetosfeer van de aarde, waardoor de aurora's ontstaan.

Amerikaanse ontdekking

Na het boren van een put in 1903 werd onbrandbaar gas gewonnen in Dexter, Kansas. Aanvankelijk was niet bekend dat het helium bevatte. Welk gas werd gevonden, is bepaald door staatsgeoloog Erasmus Haworth, dieverzamelde er monsters van en ontdekte aan de Universiteit van Kansas met de hulp van chemici Cady Hamilton en David McFarland dat het 72% stikstof, 15% methaan, 1% waterstof bevat en dat 12% niet is geïdentificeerd. Na verdere analyse ontdekten de wetenschappers dat 1,84% van het monster helium was. Zo leerden ze dat dit chemische element in enorme hoeveelheden aanwezig is in de ingewanden van de Great Plains, van waaruit het uit aardgas kan worden gewonnen.

Industriële productie

Hierdoor zijn de Verenigde Staten wereldleider geworden op het gebied van heliumproductie. Op voorstel van Sir Richard Threlfall financierde de Amerikaanse marine drie kleine experimentele fabrieken om deze stof tijdens de Eerste Wereldoorlog te produceren om spervuurballonnen te voorzien van een licht, niet-ontvlambaar hijsgas. Het programma produceerde in totaal 5.700 m3 92% He, hoewel er voorheen minder dan 100 liter gas was geproduceerd. Een deel van dit volume werd gebruikt in 's werelds eerste heliumluchtschip, de US Navy C-7, die op 7 december 1921 zijn eerste reis maakte van Hampton Roads, Virginia naar Bolling Field, Washington, DC.

Hoewel het proces voor het vloeibaar maken van gas bij lage temperatuur op dat moment niet voldoende was gevorderd om significant te zijn tijdens de Eerste Wereldoorlog, ging de productie door. Helium werd voornamelijk gebruikt als liftgas in vliegtuigen. De vraag ernaar groeide tijdens de Tweede Wereldoorlog, toen het werd gebruikt bij afgeschermd booglassen. Het element was ook belangrijk in het atoombomproject. Manhattan.

Nationale voorraad in de VS

In 1925 richtte de regering van de Verenigde Staten het National Helium Reserve op in Amarillo, Texas, met als doel militaire luchtschepen te leveren in tijden van oorlog en commerciële luchtschepen in tijden van vrede. Na de Tweede Wereldoorlog nam het gebruik van gas af, maar in de jaren vijftig werd het aanbod vergroot om onder meer te voorzien in de aanvoer als koelmiddel voor de productie van oxyhydrogen-raketbrandstof tijdens de ruimtewedloop en de Koude Oorlog. Het heliumgebruik in de VS in 1965 was acht keer zo hoog als het maximale verbruik in oorlogstijd.

Na de Heliumwet van 1960 heeft het Bureau of Mines 5 particuliere bedrijven gecontracteerd om het element uit aardgas te winnen. Voor dit programma werd een 425 kilometer lange gaspijpleiding aangelegd die deze centrales verbindt met een gedeeltelijk uitgeput overheidsgasveld nabij Amarillo, Texas. Het helium-stikstofmengsel werd in een ondergrondse opslagfaciliteit gepompt en bleef daar tot het nodig was.

Tegen 1995 was er een miljard kubieke meter voorraad verzameld en had de National Reserve een schuld van $ 1,4 miljard, wat het Amerikaanse Congres ertoe bracht het in 1996 geleidelijk af te schaffen. Nadat de heliumprivatiseringswet in 1996 was aangenomen, begon het ministerie van Natuurlijke Hulpbronnen in 2005 met de liquidatie van de opslagfaciliteit.

Zuiverheid en productievolumes

Helium geproduceerd vóór 1945 had een zuiverheid van ongeveer 98%, de rest 2%goed voor stikstof, wat voldoende was voor luchtschepen. In 1945 werd een kleine hoeveelheid 99,9 procent gas geproduceerd voor gebruik bij booglassen. In 1949 had de zuiverheid van het resulterende element 99,995% bereikt.

Gedurende vele jaren produceerden de Verenigde Staten meer dan 90% van 's werelds commerciële helium. Sinds 2004 heeft het jaarlijks 140 miljoen m3 geproduceerd, waarvan 85% uit de Verenigde Staten, 10% uit Algerije en de rest uit Rusland en Polen. De belangrijkste bronnen van helium in de wereld zijn de gasvelden van Texas, Oklahoma en Kansas.

Ontvangstproces

Helium (98,2% zuiverheid) wordt gewonnen uit aardgas door andere componenten vloeibaar te maken bij lage temperaturen en hoge drukken. De adsorptie van andere gassen door gekoelde actieve kool bereikt een zuiverheid van 99,995%. Door lucht op grote schaal vloeibaar te maken, wordt een kleine hoeveelheid helium geproduceerd. Uit 900 ton lucht kan ongeveer 3,17 kubieke meter worden gehaald. m gas.

Toepassingsgebieden

Edelgas is in verschillende velden gebruikt.

Helium, waarvan de eigenschappen het mogelijk maken om ultra-lage temperaturen te verkrijgen, wordt gebruikt als koelmiddel in de Large Hadron Collider, supergeleidende magneten in MRI-machines en nucleaire magnetische resonantiespectrometers, satellietapparatuur, en ook voor het vloeibaar maken van zuurstof en waterstof in Apollo-raketten.
Als inert gas voor het lassen van aluminium en andere metalen, bij de productie van optische vezels en halfgeleiders.
Makendruk in de brandstoftanks van raketmotoren, vooral die welke op vloeibare waterstof werken, aangezien alleen gasvormig helium zijn aggregatietoestand behoudt wanneer waterstof vloeibaar blijft);
He-Ne-gaslasers worden gebruikt om streepjescodes te scannen bij kassa's van supermarkten.
De heliumionenmicroscoop produceert betere beelden dan de elektronenmicroscoop.
Vanwege zijn hoge doorlaatbaarheid wordt edelgas gebruikt om te controleren op lekken in bijvoorbeeld auto-airconditioningsystemen en om snel airbags op te blazen bij een ongeval.
Lage dichtheid stelt u in staat om decoratieve ballonnen te vullen met helium. Inert gas heeft explosieve waterstof in luchtschepen en ballonnen vervangen. In de meteorologie worden heliumballonnen bijvoorbeeld gebruikt om meetinstrumenten op te tillen.
In de cryogene technologie dient het als koelmiddel, omdat de temperatuur van dit chemische element in vloeibare toestand het laagst mogelijk is.
Helium, waarvan de eigenschappen zorgen voor een lage reactiviteit en oplosbaarheid in water (en bloed), gemengd met zuurstof, is toegepast in ademhalingssamenstellingen voor duiken en caissonwerk.
Meteorieten en rotsen worden geanalyseerd op dit element om hun leeftijd te bepalen.