De helium is een chemisch element waarvan het symbool Hij is. Het is het eerste edelgas in het periodiek systeem en bevindt zich meestal helemaal rechts ervan. Onder normale omstandigheden is het een inert gas, aangezien geen van de weinige verbindingen stabiel is; Het zet ook erg snel uit en is de stof met het laagste kookpunt van allemaal.
Op een populair niveau is het een bekend gas, omdat het bij talloze evenementen of kinderfeestjes gebruikelijk is om te zien hoe een ballon opstijgt totdat hij verloren gaat in de lucht. Wat echter echt en voor altijd verloren is gegaan in de hoeken van het zonnestelsel, en daarbuiten, zijn de heliumatomen die vrijkomen zodra de ballon explodeert of leegloopt..
Er zijn zelfs mensen die, en terecht, van mening zijn dat heliumballonnen een ongepaste praktijk voor dit gas vormen. Gelukkig heeft het belangrijkere en interessantere toepassingen, dankzij de fysische en chemische eigenschappen die het scheiden van andere chemische elementen..
Vloeibaar helium is bijvoorbeeld zo koud dat het alles kan bevriezen, zoals een metaallegering, en het in een supergeleidend materiaal kan veranderen. Evenzo is het een vloeistof die superfluïditeit vertoont en in staat is om tegen de wanden van een glazen container op te klimmen..
De naam is te danken aan het feit dat het voor het eerst op de zon werd geïdentificeerd en niet op aarde. Het is het op een na meest voorkomende element in het hele universum en hoewel de concentratie ervan verwaarloosbaar is in de aardkorst, kan het worden verkregen uit de reserves van aardgas en radioactieve mineralen zoals uranium en thorium..
Hier demonstreert helium nog een merkwaardig feit: het is een gas dat veel meer voorkomt in de ondergrond dan in de atmosfeer, waar het uiteindelijk ontsnapt uit de aarde en haar zwaartekrachtveld..
Artikel index
Helium werd niet op aarde ontdekt, maar op de zon. De naam komt van het Griekse woord 'helios' wat zon betekent. Het bestaan van het element op zichzelf stond in contrast met het periodiek systeem van Dmitri Mendelejev, aangezien er geen plaats was voor een nieuw gas; dat wil zeggen, tegen die tijd werd er absoluut niets vermoed over edelgassen.
De naam 'helium', geschreven als 'helium' in het Engels, eindigde met het achtervoegsel -ium dat ernaar verwijst als een metaal; juist omdat het bestaan van een ander gas dan zuurstof, waterstof, fluor, chloor en stikstof niet kon worden toegelaten.
Deze naam werd aangewezen door de Engelse astronoom Norman Lockyer, die vanuit Engeland bestudeerde wat er werd waargenomen door de Franse astronoom Jules Janssen in India tijdens een zonsverduistering in 1868.
Het was een gele spectraallijn van een tot dan toe onbekend element. Lockyer beweerde dat dit te wijten was aan de aanwezigheid van een nieuw chemisch element in de zon.
In 1895, bijna twintig jaar later, herkende de Schotse chemicus Sir William Ramsay hetzelfde spectrum van een restgas toen hij een radioactief mineraal bestudeerde: cleveiet. Dus er was helium hier ook op aarde.
Helium is een kleurloos, reukloos gas dat smaakloos en ook inert is. Wanneer er echter een elektrische schok wordt toegepast, begint deze, afhankelijk van het spanningsverschil, te gloeien als een grijsachtig-paarse waas (afbeelding hierboven) en vervolgens te gloeien met een oranje gloed. Daarom zijn de heliumlampen oranje.
twee
4,002 g / mol
-272,2 ºC
-268,92 ºC
-0,1786 g / l, onder normale omstandigheden, dat wil zeggen in de gasfase.
-0,145 g / ml, bij smeltpunt, vloeibaar helium.
-0,125 g / ml, net als het helium begint te koken.
-0,187 g / ml, bij 0 K en 25 atm, dat wil zeggen vast helium bij die specifieke druk- en temperatuuromstandigheden.
2.177 K en 5.043 kPa (0,04935 atm)
5,1953 K en 0,22746 MPa (2,2448 atm)
0,0138 kJ / mol
0,0829 kJ / mol
20,78 J / (mol K)
0,9869 atm bij 4,21 K. Deze waarde geeft u een idee van hoe vluchtig helium kan zijn en hoe gemakkelijk het kan ontsnappen bij kamertemperatuur (bijna 298 K).
-Ten eerste: 2372,3 kJ / mol (He+ gasvormig)
-Ten tweede: 5250,5 kJ / mol (Hetwee+ gasvormig)
De ionisatie-energieën voor helium zijn vooral hoog omdat het gasvormige atoom een elektron moet verliezen, dat een sterke effectieve nucleaire lading ervaart. Het kan ook worden begrepen door te kijken naar de kleine afmetingen van het atoom en hoe 'dicht' de twee elektronen bij de kern zijn (met zijn twee protonen en twee neutronen)..
In water wordt 0,97 ml opgelost voor elke 100 ml water bij 0 ºC, wat betekent dat het slecht oplosbaar is.
Helium is het op een na minst reactieve chemische element in de natuur. Onder normale omstandigheden is het correct om te zeggen dat het een inert gas is; Nooit (zo lijkt het) kan een heliumverbinding in een kamer of laboratorium worden gemanipuleerd zonder dat er enorme druk op wordt uitgeoefend; of misschien dramatisch hoge of lage temperaturen.
Een voorbeeld zien we in de verbinding NatweeHij, die alleen stabiel is onder een druk van 300 GPa, wordt gereproduceerd in een diamanten aambeeldcel.
Terwijl de chemische bindingen in NatweeZe zijn "vreemd" omdat ze hun elektronen goed in de kristallen hebben geplaatst, het zijn verre van eenvoudige Van der Walls-interacties en daarom bestaan ze niet simpelweg uit heliumatomen die worden ingevangen door moleculaire aggregaten. Dit is waar het dilemma ontstaat tussen welke heliumverbindingen echt zijn en welke niet..
Stikstofmoleculen onder hoge druk kunnen bijvoorbeeld een heliumatoom vangen om een soort clathraat te vormen, He (N.tweeelf.
Evenzo zijn er de endohedrale complexen van fullereenkationen, C.60+n en C70+n, in wiens holtes ze heliumatomen kunnen huisvesten; en het moleculaire kation HeH+ (He-H+), gevonden in zeer verre nevels.
Wie uit nieuwsgierigheid het oxidatiegetal voor helium in een van zijn verbindingen probeert te berekenen, zal ontdekken dat dit gelijk is aan 0. In NatweeMen zou bijvoorbeeld kunnen denken dat de formule overeenkomt met hypothetische Na-ionentwee+ik hebtwee-maar dat zou zijn om aan te nemen dat het een puur ionisch karakter heeft, terwijl zijn banden in werkelijkheid verre van zo zijn.
Bovendien krijgt helium geen elektronen omdat het ze niet kan opnemen in de 2s-orbitaal, energetisch niet beschikbaar; Het is ook niet mogelijk om ze te verliezen, vanwege de kleine afmetingen van zijn atoom en de grote effectieve nucleaire lading van zijn kern. Daarom participeert helium altijd (in theorie) als een atoom He0 in zijn afgeleide verbindingen.
Helium neemt, net als alle gassen die op macroschaal worden waargenomen, het volume in van de containers waarin het wordt opgeslagen, en heeft dus een onbepaalde vorm. Wanneer de temperatuur echter daalt en onder -269 ºC begint af te koelen, condenseert het gas tot een kleurloze vloeistof; helium I, de eerste van de twee vloeibare fasen voor dit element.
De reden waarom helium bij zo'n lage temperatuur condenseert, is te wijten aan de lage verstrooiingskrachten die de atomen bij elkaar houden; ongeacht de overwogen fase. Dit kan worden verklaard door de elektronische configuratie:
1stwee
Waarin twee elektronen de 1s atomaire orbitaal bezetten. Het heliumatoom kan worden gevisualiseerd als een bijna perfecte bol, waarvan de homogene elektronische periferie weinig gevoelig is voor polarisatie door de effectieve nucleaire lading van de twee protonen in de kern..
Spontane en geïnduceerde dipoolmomenten zijn dus zeldzaam en erg zwak; dus de temperatuur moet het absolute nulpunt naderen, zodat de He-atomen langzaam genoeg naderen en bereiken dat hun verspreidende krachten een vloeistof definiëren; of nog beter, een heliumkristal.
In de gasfase is de ruimte die de He-atomen scheidt zodanig dat aangenomen mag worden dat ze altijd van elkaar gescheiden zijn. Zo erg zelfs dat het helium in een flesje met een klein volume kleurloos lijkt totdat het wordt blootgesteld aan een elektrische ontlading, die zijn atomen ioniseert in een grijsachtige en niet erg heldere waas..
In de vloeibare fase kunnen He-atomen, zelfs met hun zwakke interacties, echter niet langer "genegeerd" worden. Nu staat de verspreidingskracht hen toe om zich tijdelijk samen te voegen om dimeren te vormen: He-He of Hetwee. Daarom kan helium I worden gezien als enorme clusters van Hijtwee in evenwicht met zijn atomen in de dampfase.
Daarom is helium I zo moeilijk te onderscheiden van zijn dampen. Als deze vloeistof uit de luchtdichte verpakking wordt gemorst, ontsnapt deze als een witachtige gloed..
Wanneer de temperatuur nog verder daalt en 2.178 K (-270.972 ºC) raakt, treedt een faseovergang op: helium I wordt omgezet in helium II.
Vanaf dit punt wordt de toch al fascinerende heliumvloeistof een supervloeistof of kwantumvloeistof; dat wil zeggen, hun macroscopische eigenschappen manifesteren zich alsof de dimeren Hetwee het waren individuele atomen (en misschien zijn ze dat ook). Het mist volledige viscositeit, aangezien er geen oppervlak is dat een atoom kan stoppen tijdens het glijden of "klimmen".
Dat is de reden waarom helium II de wanden van een glazen container kan beklimmen en de zwaartekracht kan overwinnen; hoe hoog ze ook zijn, zolang het oppervlak maar op dezelfde temperatuur blijft en dus niet vervluchtigt.
Hierdoor kan vloeibaar helium niet in glazen containers worden bewaard, omdat het bij de minste scheur of opening zou ontsnappen; lijkt erg op hoe het zou gebeuren met een gas. In plaats daarvan wordt roestvrij staal gebruikt om dergelijke vaten te ontwerpen (Dewars-tanks).
Zelfs als de temperatuur daalde tot 0 K (het absolute nulpunt), zou de verstrooiingskracht tussen de He-atomen niet sterk genoeg zijn om ze in een kristallijne structuur te ordenen. Om stolling te laten plaatsvinden, moet de druk stijgen tot ongeveer 25 atm; en dan verschijnen compacte hexagonale heliumkristallen (hcp).
Geofysische studies tonen aan dat deze hcp-structuur ongewijzigd blijft, ongeacht hoeveel druk toeneemt (tot in de orde van gigapascals, GPa). Er is echter een smal gebied in hun druk-temperatuurdiagram waar deze hcp-kristallen een overgang ondergaan naar een lichaamsgerichte kubische fase (bcc)..
Helium is het tweede meest voorkomende element in het hele universum, na waterstof. Sterren produceren constant onmetelijke hoeveelheden heliumatomen door de fusie van twee waterstofkernen tijdens het nucleosyntheseproces..
Evenzo is elk radioactief proces dat α-deeltjes uitzendt een bron van productie van heliumatomen als ze een interactie aangaan met de elektronen in de omgeving; bijvoorbeeld met die van een rotsachtig lichaam in afzettingen van radioactieve mineralen van uranium en thorium. Deze twee elementen ondergaan radioactief verval, te beginnen met uranium:
Daarom zullen in de rotsen waar deze radioactieve mineralen zijn geconcentreerd, de heliumatomen worden ingevangen, die vrijkomen zodra ze worden verteerd in zure media..
Enkele van deze mineralen zijn cleveiet, carnotiet en uraniniet, allemaal samengesteld uit uraniumoxiden (UOtwee of U3OF8) en thorium, zware metalen en zeldzame aardmetalen. Helium, geïrrigeerd via ondergrondse kanalen, kan zich ophopen in aardgasreservoirs, minerale bronnen of in meteoorijzers.
Geschat wordt dat jaarlijks een massa helium gelijk aan 3000 ton wordt geproduceerd in de lithosfeer, door het radioactieve verval van uranium en thorium..
Helium is niet erg oplosbaar in water, dus vroeg of laat stijgt het op vanuit de diepte (waar het ook vandaan komt), totdat het de lagen van de atmosfeer doorkruist en uiteindelijk de ruimte bereikt. De atomen zijn zo klein en licht dat het zwaartekrachtveld van de aarde ze niet in de atmosfeer kan vasthouden..
Door het bovenstaande is de heliumconcentratie zowel in de lucht (5,2 ppm) als in de zeeën (4 ppt) erg laag..
Als we het uit een van deze twee media zouden willen extraheren, zou de "beste" optie lucht zijn, die eerst vloeibaar gemaakt zou moeten worden om al zijn samenstellende gassen te condenseren, terwijl het helium in een gasvormige toestand blijft..
Het is echter niet praktisch om helium uit de lucht te halen, maar uit gesteenten verrijkt met radioactieve mineralen; of beter nog, uit aardgasreserves, waar helium tot 7% van zijn totale massa kan vertegenwoordigen.
In plaats van de lucht vloeibaar te maken, is het gemakkelijker en rendabeler om aardgas te gebruiken, waarvan de heliumsamenstelling ongetwijfeld veel groter is. De grondstof bij uitstek (commercieel) voor het verkrijgen van helium is dus aardgas, dat ook kan worden onderworpen aan gefractioneerde destillatie.
Het eindproduct van de destillatie wordt afgewerkt door te zuiveren met actieve kool, waar een zeer zuiver helium doorheen stroomt. En tot slot wordt helium gescheiden van neon door een cryogeen proces waarbij vloeibaar helium wordt gebruikt..
Helium komt voornamelijk in de natuur voor als isotoop 4Hij, wiens kale kern het beroemde α-deeltje is. Dit atoom van 4Hij heeft twee neutronen en twee protonen. In minder overvloed is de isotoop 3Hij, die maar één neutron heeft. De eerste is zwaarder (heeft een hogere atomaire massa) dan de tweede.
Dus het isotopenpaar 3Ik heb en 4Hij zijn degenen die de meetbare eigenschappen bepalen en wat we begrijpen van helium als een chemisch element. Sinds de 3Hij is lichter, er wordt aangenomen dat zijn atomen een hogere kinetische energie hebben en dat ze daarom een nog lagere temperatuur nodig hebben voor cohesie in een superfluïdum..
De 3Hij wordt hier op aarde als een zeer zeldzame soort beschouwd; op maanbodems komt het echter meer voor (ongeveer 2000 keer meer). Daarom is de maan het onderwerp geweest van projecten en verhalen als mogelijke bron van 3Hij, die zou kunnen worden gebruikt als nucleaire brandstof voor het ruimtevaartuig van de toekomst.
Onder andere isotopen van helium kunnen de volgende worden genoemd, met hun respectieve halfwaardetijden: 5Ik heb (t1/2= 7,610-22 s), 6Ik heb (t1/2= 0,8 s) en 8Ik heb (t1/2= 0,119 s).
Helium is een inert gas en neemt daarom niet deel aan de reacties die in ons lichaam optreden..
De atomen komen praktisch in- en uitgeademd zonder dat hun interacties met biomoleculen een daaropvolgend effect veroorzaken; behalve het geluid dat wordt uitgezonden door de stembanden, die een hogere toon krijgen en een hogere frequentie hebben.
Mensen die helium inademen uit een ballon (met mate) spreken met een hoge stem, vergelijkbaar met die van een eekhoorn (of eend).
Het probleem is dat als hij een ongeschikte hoeveelheid helium inademt, hij het risico loopt te verstikken, aangezien de atomen de zuurstofmoleculen verdringen; en daarom kun je pas ademen als je al dat helium uitademt, dat op zijn beurt door de druk het longweefsel kan scheuren of barotrauma kan veroorzaken.
Er zijn gevallen gemeld van mensen die zijn overleden door het inademen van helium vanwege wat zojuist is uitgelegd.
Aan de andere kant, hoewel het geen brandgevaar vormt gezien het gebrek aan reactiviteit met zuurstof (of een andere stof), kan het lek fysiek gevaarlijk zijn als het onder hoge druk wordt opgeslagen en ontsnapt..
De fysische en chemische eigenschappen van helium maken het niet alleen een bijzonder gas, maar ook een zeer bruikbare stof voor toepassingen die extreem lage temperaturen vereisen. In deze sectie komen enkele van deze toepassingen of gebruiken aan de orde..
In sommige systemen is het nodig om de druk te verhogen (onder druk te zetten), en hiervoor moet een gas worden geïnjecteerd of aangevoerd dat geen interactie heeft met een van zijn componenten; bijv. met reagentia of oppervlakken die gevoelig zijn voor ongewenste reacties.
Zo kan de druk worden verhoogd met volumes helium, waarvan de chemische inertie het ideaal maakt voor dit doel. De inerte atmosfeer die het mogelijk maakt, overtreft in bepaalde gevallen die van stikstof.
Voor het omgekeerde proces, dat wil zeggen de zuivering, wordt helium ook gebruikt vanwege het vermogen om alle zuurstof, waterdampen of enig ander gas te vervoeren waarvan u de aanwezigheid wilt verwijderen. Op deze manier wordt de druk van het systeem verlaagd zodra het helium is geleegd..
Helium kan door de kleinste scheur lekken, dus het dient ook om lekken in leidingen, hoogvacuümcontainers of cryogene tanks op te sporen.
Soms kan de detectie visueel of door aanraking worden gedaan; Meestal is een detector echter wat het signaal "geeft" van waar en hoeveel helium ontsnapt uit het systeem dat wordt geïnspecteerd..
Heliumatomen, zoals vermeld voor zuiveringssystemen, kunnen, afhankelijk van hun druk, zwaardere moleculen met zich meedragen. Dit principe wordt bijvoorbeeld dagelijks gebruikt bij gaschromatografie-analyse, omdat het het verstoven monster langs de kolom kan slepen, waar het in wisselwerking staat met de stationaire fase..
Vanwege de lage dichtheid in vergelijking met lucht en, nogmaals, het gebrek aan reactiviteit met zuurstof, is het gebruikt om ballonnen op te blazen op kinderfeestjes (gemengd met zuurstof zodat niemand stikt door het in te ademen), en luchtschepen (bovenste afbeelding), zonder een risico op brand te vertegenwoordigen.
Wanneer duikers naar grotere diepten afdalen, vinden ze het moeilijk om te ademen vanwege de grote druk die door het water wordt uitgeoefend. Dat is de reden waarom helium wordt toegevoegd aan hun zuurstoftanks om de dichtheid van het gas dat duikers inademen en uitademen te verminderen, en dus kan het met minder inspanning worden uitgeademd..
Tijdens het lasproces levert de elektrische boog voldoende warmte om de twee metalen samen te laten komen. Indien gedaan onder een heliumatmosfeer, zal het gloeiende metaal niet reageren met de zuurstof in de lucht om zijn respectievelijke oxide te worden; daarom voorkomt helium dit.
Vloeibaar helium is zo koud dat het metalen kan bevriezen tot supergeleiders. Hierdoor is het mogelijk zeer krachtige magneten te vervaardigen die, gekoeld met vloeibaar helium, zijn gebruikt in beeldscanners of kernspinresonantiespectrometers..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.