El helio es un gas verdaderamente noble. Todavía no ha sido posible obligarlo a entrar en ninguna reacción. La molécula de helio es monoatómica.
En términos de ligereza, este gas es superado solo por el hidrógeno, el aire es 7,25 veces más pesado que el helio.
El helio es casi insoluble en agua y otros líquidos. Y de la misma manera, ni una sola sustancia se disuelve notablemente en helio líquido.
El helio sólido no se puede obtener a ninguna temperatura a menos que se aumente la presión.
En la historia del descubrimiento, investigación y aplicación de este elemento, se encuentran los nombres de muchos físicos y químicos destacados. diferentes paises. Se interesaron por el helio, trabajaron con helio: Jansen (Francia), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Inglaterra), Palmieri (Italia), Keesom, Camerling-Onnes (Holanda), Feynman, Onsager (EEUU), Kapitsa, Kikoin , Landau (Unión Soviética) y muchos otros científicos destacados.
La singularidad de la apariencia del átomo de helio está determinada por la combinación de dos sorprendentes estructuras naturales en él: campeones absolutos en términos de compacidad y resistencia. En el núcleo de helio, helio-4, ambas capas intranucleares están saturadas, tanto protones como neutrones. El doblete electrónico que enmarca este núcleo también está saturado. Estos diseños son la clave para comprender las propiedades del helio. De ahí su fenomenal inercia química y el tamaño récord de su átomo.
El papel del núcleo del átomo de helio - partículas alfa en la historia de la formación y desarrollo de la física nuclear es enorme. Si recuerdas, fue el estudio de la dispersión de partículas alfa lo que llevó a Rutherford al descubrimiento del núcleo atómico. Cuando se bombardeó el nitrógeno con partículas alfa, se llevó a cabo por primera vez la interconversión de los elementos, algo con lo que muchas generaciones de alquimistas han soñado durante siglos. Cierto, en esta reacción, no fue el mercurio el que se convirtió en oro, sino el nitrógeno en oxígeno, pero esto es casi tan difícil de hacer. Las mismas partículas alfa estuvieron involucradas en el descubrimiento del neutrón y la producción del primer isótopo artificial. Posteriormente, se sintetizaron curio, berkelio, californio y mendelevio utilizando partículas alfa.
Hemos enumerado estos hechos con un solo propósito: mostrar que el elemento #2 es un elemento muy inusual.
helio terrestre
El helio es un elemento inusual, y su historia es inusual. Fue descubierto en la atmósfera del Sol 13 años antes que en la Tierra. Más precisamente, se descubrió una línea D amarilla brillante en el espectro de la corona solar, y lo que se escondía detrás de ella se supo de manera confiable solo después de que se extrajo helio de minerales terrestres que contenían elementos radiactivos.
El helio en el Sol fue descubierto por el francés J. Jansen, quien realizó sus observaciones en la India el 19 de agosto de 1868, y el inglés J.H. Lockyer - 20 de octubre del mismo año. Las cartas de ambos científicos llegaron a París el mismo día y fueron leídas en una reunión de la Academia de Ciencias de París el 26 de octubre con un intervalo de varios minutos. Los académicos, sorprendidos por tan extraña coincidencia, decidieron noquear una medalla de oro en honor a este evento.
En 1881, el científico italiano Palmieri informó sobre el descubrimiento de helio en gases volcánicos. Sin embargo, su mensaje, luego confirmado, fue tomado en serio por pocos científicos. El helio terrestre secundario fue descubierto por Ramsay en 1895.
EN la corteza terrestre Hay 29 isótopos, durante la desintegración radiactiva de los cuales se forman partículas alfa, núcleos de átomos de helio altamente activos y de alta energía.
Básicamente, el helio terrestre se forma durante la desintegración radiactiva del uranio-238, el uranio-235, el torio y los productos inestables de su desintegración. Cantidades incomparablemente más pequeñas de helio son producidas por la lenta descomposición del samario-147 y el bismuto. Todos estos elementos generan solo el isótopo pesado del helio, 4 He, cuyos átomos pueden considerarse como restos de partículas alfa, enterrados en una capa de dos electrones apareados, en un doblete de electrones. A principios períodos geológicos, probablemente, había otra serie de elementos naturalmente radiactivos que ya habían desaparecido de la faz de la Tierra, saturando el planeta de helio. Uno de ellos fue la serie neptuniana ahora recreada artificialmente.
Según la cantidad de helio encerrado en rock o mineral, se puede juzgar su edad absoluta. Estas medidas se basan en las leyes de la desintegración radiactiva: por ejemplo, la mitad del uranio-238 se convierte en helio y plomo en 4520 millones de años.
El helio en la corteza terrestre se acumula lentamente. Una tonelada de granito, que contiene 2 g de uranio y 10 g de torio, produce solo 0,09 mg de helio en un millón de años, medio centímetro cúbico. Los muy pocos minerales ricos en uranio y torio contienen una gran cantidad de helio, unos pocos centímetros cúbicos de helio por gramo. Sin embargo, la participación de estos minerales en la producción de helio natural es cercana a cero, ya que son muy raros.
Los compuestos naturales que contienen isótopos alfa activos son solo la fuente principal, pero no la materia prima para la producción industrial de helio. Es cierto que algunos minerales con una estructura densa (metales nativos, magnetita, granate, apatita, circón y otros) retienen firmemente el helio que contienen. Sin embargo, la mayoría de los minerales eventualmente sufren procesos de meteorización, recristalización, etc., y el helio los abandona.
Las burbujas de helio liberadas por las estructuras cristalinas emprenden un viaje a través de la corteza terrestre. Una parte muy pequeña de ellos se disuelve en agua subterránea. La formación de soluciones de helio más o menos concentradas requiere condiciones especiales, principalmente altas presiones. Otra parte del helio nómada ingresa a la atmósfera a través de los poros y grietas de los minerales. Las moléculas de gas restantes caen en trampas subterráneas, donde se acumulan durante decenas, cientos de millones de años. Las trampas son capas de rocas sueltas, cuyos huecos están llenos de gas. El lecho de tales depósitos de gas suele ser agua y petróleo, y desde arriba están bloqueados por estratos herméticos al gas de rocas densas.
Dado que otros gases también vagan por la corteza terrestre (principalmente metano, nitrógeno, dióxido de carbono) y, además, en cantidades mucho mayores, no hay acumulaciones puras de helio. El helio está presente en los gases naturales como una impureza menor. Su contenido no supera las milésimas, las centésimas, rara vez las décimas de un por ciento. El gran contenido de helio (1.5...10%) de los depósitos de metano-nitrógeno es un fenómeno extremadamente raro.
Los gases naturales resultaron ser prácticamente la única fuente de materias primas para la producción industrial de helio. Para la separación de otros gases se aprovecha la excepcional volatilidad del helio asociada a su baja temperatura de licuefacción. Después de que todos los demás componentes del gas natural se condensan mediante un enfriamiento profundo, se bombea el gas helio. Luego se purifica de las impurezas. La pureza del helio de fábrica alcanza el 99,995%.
Las reservas de helio en la Tierra se estiman en 5·10 14 m 3 ; a juzgar por los cálculos, se formó en la corteza terrestre durante 2 mil millones de años diez veces más. Esta discrepancia entre la teoría y la práctica es comprensible. El helio es un gas ligero y, como el hidrógeno (aunque más lentamente), no escapa de la atmósfera al espacio exterior. Probablemente, durante la existencia de la Tierra, el helio de nuestro planeta se actualizó repetidamente: el viejo escapó al espacio y, en su lugar, entró en la atmósfera fresco, "exhalado" por la Tierra.
Hay al menos 200.000 veces más helio en la litosfera que en la atmósfera; incluso más helio potencial se almacena en el "útero" de la Tierra, en elementos alfa activos. Pero el contenido total de este elemento en la Tierra y la atmósfera es pequeño. El helio es un gas raro y difuso. Para 1 kg de material terrestre, hay solo 0,003 mg de helio, y su contenido en el aire es de 0,00052 por ciento en volumen. Una concentración tan baja aún no permite la extracción económica de helio del aire.
Helio en el Universo
Las entrañas y la atmósfera de nuestro planeta son pobres en helio. Pero esto no significa que no sea suficiente en todas partes del Universo. Según estimaciones modernas, el 76% de la masa cósmica es hidrógeno y el 23% helio; ¡solo queda el 1% en todos los demás elementos! Así, la materia del mundo puede llamarse hidrógeno-helio. Estos dos elementos predominan en estrellas, nebulosas planetarias y gas interestelar.
Arroz. una. Curvas de abundancia de elementos en la Tierra (arriba) y en el espacio.
La curva "cósmica" refleja el papel excepcional del hidrógeno y el helio en el universo y el significado especial del grupo helio en la estructura del núcleo atómico. Aquellos elementos y sus isótopos cuyo número de masa se divide en cuatro tienen la mayor abundancia relativa: 16 O, 20 Ne, 24 Mg, etc.
Probablemente, todos los planetas del sistema solar contienen helio radiogénico (formado durante la desintegración alfa), y los planetas grandes también contienen helio relicto del espacio. El helio está abundantemente representado en la atmósfera de Júpiter: según algunos datos, está allí en un 33%, según otros, en un 17%. Este descubrimiento formó la base de la trama de una de las historias del famoso científico y escritor de ciencia ficción A. Azimov. En el centro de la historia hay un plan (posiblemente factible en el futuro) para entregar helio desde Júpiter, o incluso lanzarlo al satélite más cercano de este planeta, Júpiter V, una armada de máquinas cibernéticas en criotrones (sobre ellos - abajo) . Inmerso en el helio líquido de la atmósfera de Júpiter (temperaturas ultrabajas y superconductividad - las condiciones necesarias criotrones), estas máquinas convertirán a Júpiter V en el centro cerebral del sistema solar...
El origen del helio estelar fue explicado en 1938 por los físicos alemanes Bethe y Weizsacker. Más tarde, su teoría recibió confirmación y refinamiento experimental con la ayuda de aceleradores de partículas. Su esencia es la siguiente.
Los núcleos de helio se sintetizan a temperaturas estelares a partir de protones en un proceso de fusión que libera 175 millones de kilovatios-hora de energía por cada kilogramo de helio.
Diferentes ciclos de reacciones pueden conducir a la fusión del helio.
En las condiciones de estrellas no muy calientes, como nuestro Sol, parece predominar el ciclo protón-protón. Consta de tres transformaciones consecutivas. Primero, dos protones se combinan a gran velocidad para formar un deuterón, una estructura de un protón y un neutrón; en este caso, se separan un positrón y un neutrino. Además, el deuterón se combina con un protón para formar helio ligero con la emisión de un cuanto gamma. Finalmente, dos núcleos de 3 He reaccionan transformándose en una partícula alfa y dos protones. Una partícula alfa, habiendo adquirido dos electrones, se convertirá entonces en un átomo de helio.
El mismo resultado final da un ciclo de carbono-nitrógeno más rápido, cuya importancia no es muy grande en condiciones solares, pero en estrellas más calientes que el Sol, el papel de este ciclo es mayor. Consta de seis pasos - reacciones. El carbono juega aquí el papel de catalizador para el proceso de fusión de protones. La energía liberada durante estas transformaciones es la misma que en el ciclo protón-protón: 26,7 MeV por átomo de helio.
La reacción de fusión del helio es la base de la actividad energética de las estrellas, su brillo. En consecuencia, la síntesis de helio puede considerarse el antepasado de todas las reacciones en la naturaleza, la causa fundamental de la vida, la luz, el calor y los fenómenos meteorológicos en la Tierra.
El helio no siempre es el producto final de la fusión estelar. Según la teoría del profesor D.A. Frank-Kamenetsky, en la fusión sucesiva de núcleos de helio, se forman 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, y la captura de protones por parte de estos núcleos conduce a la formación de otros núcleos. Para la síntesis de núcleos de elementos pesados hasta el transuranio, se requieren temperaturas superaltas excepcionales, que se desarrollan en estrellas inestables "nuevas" y "supernovas".
El famoso químico soviético A.F. Kapustinsky llamó protoelementos de hidrógeno y helio, elementos de la materia primaria. ¿No es esta primacía la que explica la posición especial del hidrógeno y el helio en el sistema periódico de los elementos, en particular el hecho de que el primer período esté esencialmente desprovisto de la periodicidad característica de otros períodos?
Lo mejor...
El átomo de helio (también conocido como molécula) es la estructura molecular más fuerte. Las órbitas de sus dos electrones son exactamente iguales y pasan extremadamente cerca del núcleo. Para exponer un núcleo de helio, debe gastar una energía récord: 78,61 MeV. De ahí la fenomenal pasividad química del helio.
Durante los últimos 15 años, los químicos han logrado obtener más de 150 compuestos químicos de gases nobles pesados (los compuestos de gases nobles pesados se discutirán en los artículos "Krypton" y "Xenon"). Sin embargo, la inercia del helio permanece, como antes, fuera de toda sospecha.
Los cálculos muestran que si se encontrara una forma de obtener, por ejemplo, fluoruro u óxido de helio, durante la formación absorberían tanta energía que las moléculas resultantes serían "explotadas" por esta energía desde el interior.
Las moléculas de helio son no polares. Las fuerzas de interacción intermolecular entre ellos son extremadamente pequeñas, menos que en cualquier otra sustancia. Por lo tanto, los valores más bajos de cantidades críticas, el punto de ebullición más bajo, los calores de evaporación y fusión más bajos. En cuanto al punto de fusión del helio, a presión normal no existe en absoluto. El helio líquido a una temperatura arbitrariamente cercana al cero absoluto no se solidifica si, además de la temperatura, se le somete a una presión de 25 o más atmósferas. No existe otra sustancia similar en la naturaleza.
Tampoco hay otro gas tan insignificantemente soluble en líquidos, especialmente polares, y tan poco propenso a la adsorción como el helio. Es el mejor conductor de electricidad entre los gases y el segundo, después del hidrógeno, conductor de calor. Su capacidad calorífica es muy alta y su viscosidad es baja.
El helio penetra asombrosamente rápido a través de delgadas particiones hechas de algunos polímeros orgánicos, porcelana, cuarzo y vidrio de borosilicato. Curiosamente, el helio se difunde a través del vidrio blando 100 veces más lento que a través del vidrio de borosilicato. El helio también puede penetrar muchos metales. Sólo el hierro y los metales del grupo del platino, incluso los calientes, le son completamente impenetrables.
Basado en el principio de permeabilidad selectiva Nuevo método extracción de helio puro a partir de gas natural.
Los científicos muestran un interés excepcional en el helio líquido. En primer lugar, es el líquido más frío en el que, además, no se disuelve notablemente ninguna sustancia. En segundo lugar, es el más ligero de los líquidos con una tensión superficial mínima.
A una temperatura de 2.172°K, hay un cambio abrupto en las propiedades del helio líquido. La especie resultante se denomina convencionalmente helio II. El helio II hierve de manera bastante diferente a otros líquidos, no hierve cuando hierve, su superficie permanece completamente tranquila. El helio II conduce el calor 300 millones de veces mejor que el helio líquido ordinario (helio I). La viscosidad del helio II es prácticamente nula, es mil veces menor que la viscosidad del hidrógeno líquido. Por lo tanto, el helio II tiene superfluidez: la capacidad de fluir sin fricción a través de capilares de diámetro arbitrariamente pequeño.
Otro isótopo estable de helio, 3 He, pasa al estado superfluido a una temperatura que está a solo centésimas de grado de la bala absoluta. Los superfluidos helio-4 y helio-3 se denominan líquidos cuánticos: los efectos mecánicos cuánticos aparecen en ellos incluso antes de que se solidifiquen. Esto explica el estudio muy detallado del helio líquido. Sí, y ahora producen mucho: cientos de miles de litros al año. Pero el helio sólido apenas se ha estudiado: las dificultades experimentales para estudiar este cuerpo tan frío son grandes. Sin duda, este vacío se llenará, ya que los físicos esperan muchas cosas nuevas del conocimiento de las propiedades del helio sólido: después de todo, también es un cuerpo cuántico.
Inerte pero muy necesario
A fines del siglo pasado, la revista inglesa Punch publicó una caricatura en la que se representaba a Helio como un hombrecito astuto que guiñaba un ojo, un habitante del Sol. El texto debajo de la imagen decía: “¡Finalmente, me atraparon en la Tierra! ¡Ha sido suficiente! Me pregunto cuánto tiempo pasará antes de que descubran qué hacer conmigo.
De hecho, han pasado 34 años desde el descubrimiento del helio terrestre (el primer informe sobre esto se publicó en 1881) antes de que encontrara una aplicación práctica. Aquí jugó un cierto papel el original físico, técnico, eléctrico y, en menor medida, Propiedades químicas helio, que requirió un largo estudio. Los principales obstáculos fueron la distracción y el alto costo del elemento No. 2.
Los alemanes fueron los primeros en usar helio. En 1915, comenzaron a llenar sus aeronaves bombardeando Londres con él. Pronto, el helio ligero pero no inflamable se convirtió en un relleno indispensable para los vehículos aeronáuticos. El declive en la industria de los dirigibles, que comenzó a mediados de la década de 1930, condujo a una ligera disminución en la producción de helio, pero solo por un tiempo corto. Este gas atrajo cada vez más la atención de químicos, metalúrgicos y constructores de maquinaria.
Muchos procesos y operaciones tecnológicas no se pueden realizar en el aire. Para evitar la interacción de la sustancia resultante (o materia prima) con los gases del aire, se crean entornos de protección especiales; y no hay gas más adecuado para estos fines que el helio.
Inerte, ligero, móvil, buen conductor del calor, el helio es un medio ideal para transferir líquidos y polvos inflamables de un recipiente a otro; son precisamente estas funciones las que realiza en cohetes y misiles guiados. En un entorno protector de helio, tienen lugar etapas separadas de obtención de combustible nuclear. Los elementos combustibles de los reactores nucleares se almacenan y transportan en contenedores llenos de helio.
Con la ayuda de detectores de fugas especiales, cuya acción se basa en la excepcional capacidad de difusión del helio, revelan la más mínima posibilidad de fuga en reactores nucleares y otros sistemas bajo presión o vacío.
Los últimos años se han caracterizado por un aumento renovado en la construcción de aeronaves, ahora sobre una base científica y técnica superior. En varios países, se han construido y se están construyendo aeronaves llenas de helio con una capacidad de carga de 100 a 3000 toneladas. Son económicas, confiables y convenientes para el transporte de carga voluminosa, como gasoductos, refinerías de petróleo, torres de transmisión de energía. , etc El llenado con un 85 % de helio y un 15 % de hidrógeno es ignífugo y solo reduce la sustentación en un 7 % en comparación con el llenado de hidrógeno.
Empezaron las altas temperaturas reactores nucleares de un nuevo tipo, en el que el helio sirve como refrigerante.
EN investigación científica El helio líquido es ampliamente utilizado en tecnología. Las temperaturas ultrabajas favorecen el conocimiento profundo de la materia y su estructura; a temperaturas más altas, los detalles sutiles de los espectros de energía quedan enmascarados por el movimiento térmico de los átomos.
Ya existen solenoides superconductores hechos de aleaciones especiales, que a la temperatura del helio líquido crean fuertes campos magnéticos(hasta 300 mil oersteds) con costos de energía insignificantes.
A la temperatura del helio líquido, muchos metales y aleaciones se vuelven superconductores. Relés superconductores: los criotrones se utilizan cada vez más en el diseño de computadoras electrónicas. Son simples, confiables, muy compactos. Los superconductores, y con ellos el helio líquido, se vuelven esenciales para la electrónica. Se incluyen en el diseño de detectores de radiación infrarroja, amplificadores moleculares (másers), generadores cuánticos ópticos (láseres) y dispositivos para medir frecuencias de microondas.
Por supuesto, estos ejemplos no agotan el papel del helio en la tecnología moderna. Pero si no fuera por el limitado recursos naturales, no la dispersión extrema del helio, encontraría muchos más usos. Se sabe, por ejemplo, que cuando se conservan en un ambiente de helio, los productos alimenticios conservan su sabor y aroma originales. Pero la comida enlatada con “helio” sigue siendo una “cosa en sí misma”, porque el helio no es suficiente y se usa solo en las industrias más importantes y donde es indispensable. Por lo tanto, es especialmente insultante darse cuenta de que con el gas natural combustible, cantidades mucho mayores de helio pasan a través de aparatos, hornos y hornos de síntesis química y van a la atmósfera que las extraídas de fuentes que contienen helio.
Ahora se considera ventajoso separar el helio solo en los casos en que su contenido en gas natural no sea inferior al 0,05%. Las reservas de dicho gas están disminuyendo todo el tiempo, y es posible que se agoten antes de que finalice nuestro siglo. Sin embargo, el problema de la "deficiencia de helio" probablemente se resolverá en este momento, en parte debido a la creación de métodos nuevos y más avanzados para separar gases, extrayendo de ellos las fracciones más valiosas, aunque insignificantes, y en parte debido a la fusión termonuclear controlada. . El helio será un producto importante, aunque subproducto, de los "soles artificiales".
Isótopos de helio
En la naturaleza, hay dos isótopos estables de helio: helio-3 y helio-4. El isótopo ligero es un millón de veces menos común en la Tierra que el isótopo pesado. Es el más raro de los isótopos estables que existen en nuestro planeta. Se han obtenido artificialmente otros tres isótopos de helio. Todos ellos son radiactivos. La vida media del helio-5 es de 2,4 x 10 -21 segundos, la del helio-6 es de 0,83 segundos y la del helio-8 es de 0,18 segundos. El isótopo más pesado, interesante porque hay tres neutrones por protón en sus núcleos, se descubrió por primera vez en Dubna en los años 60. Los intentos de obtener helio-10 hasta ahora no han tenido éxito.
Último gas sólido
El helio fue el último de todos los gases en convertirse en estado líquido y sólido. Las especiales dificultades de licuar y solidificar el helio se explican por la estructura de su átomo y algunas características. propiedades físicas. En particular, el helio, como el hidrógeno, a temperaturas superiores a -250 °C, al expandirse, no se enfría, sino que se calienta. Por otro lado, la temperatura crítica del helio es extremadamente baja. Es por eso que el helio líquido se obtuvo por primera vez solo en 1908 y sólido, en 1926.
aire helio
El aire en el que todo o la mayor parte de su nitrógeno ha sido reemplazado por helio ya no es una novedad en la actualidad. Es ampliamente utilizado en tierra, bajo tierra y bajo el agua.
El aire helio es tres veces más ligero y mucho más móvil que el aire ordinario. Se comporta más activamente en los pulmones: rápidamente trae oxígeno y evacua rápidamente. dióxido de carbono. Es por eso que se administra aire helio a pacientes con trastornos respiratorios y algunas operaciones. Alivia la asfixia, cura asma bronquial y enfermedades de la laringe.
Respirar aire helio elimina prácticamente la embolia de nitrógeno (enfermedad de los cajones), a la que son susceptibles los buceadores y especialistas de otras profesiones, cuyo trabajo se realiza en condiciones de alta presión, durante la transición de alta presión a normal. La causa de esta enfermedad es bastante significativa, especialmente en la presión arterial alta, la solubilidad del nitrógeno en la sangre. A medida que la presión disminuye, se libera en forma de burbujas de gas que pueden obstruir los vasos sanguíneos, dañar los nódulos nerviosos... A diferencia del nitrógeno, el helio es prácticamente insoluble en los fluidos corporales, por lo que no puede provocar la enfermedad por descompresión. Además, el aire de helio elimina la aparición de "anestesia de nitrógeno", aparentemente similar a la intoxicación por alcohol.
Tarde o temprano, la humanidad tendrá que aprender a vivir y trabajar durante mucho tiempo en el fondo del mar para aprovechar seriamente los recursos minerales y alimentarios de la plataforma. Y a grandes profundidades, como han demostrado los experimentos de investigadores soviéticos, franceses y estadounidenses, el helio-aire sigue siendo indispensable. Los biólogos han demostrado que la respiración prolongada con aire de helio no causa cambios negativos en el cuerpo humano y no amenaza cambios en el aparato genético: la atmósfera de helio no afecta el desarrollo de las células y la frecuencia de las mutaciones. Hay trabajos cuyos autores consideran que el helio aire es el medio aéreo óptimo para las naves espaciales que realizan vuelos de larga duración al Universo. Pero hasta ahora, el aire de helio artificial aún no se ha elevado más allá de la atmósfera terrestre.
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HELIO(He), un elemento monoatómico, pertenece a la familia de los gases nobles, situándose en el grupo cero de la tabla periódica; peso atómico 3,99, densidad relativa al aire 0,137; 1 m 3 de helio químicamente puro a 0° y 760 mm pesa 0,1785 kg (el helio es 7,2 veces más ligero que el aire y 2 veces más pesado que el hidrógeno); la fuerza de sustentación de 1 m 3 de helio en las mismas condiciones es de 1,114 kg (es decir, el 92,6 % de la fuerza de sustentación del hidrógeno). El helio es un gas, incoloro e inodoro, completamente inerte químicamente, no arde ni favorece la combustión, no está incluido en ninguno de los compuestos conocidos y no participa en reacciones químicas, ligeramente soluble en agua, completamente insoluble en benceno y alcohol. El helio apenas se convierte en estado líquido (el helio líquido se obtuvo por primera vez en 1908 por Kammerling-Onnes enfriando el helio a una temperatura de -258 ° con hidrógeno líquido hirviendo a presión reducida); en esta forma, el helio es móvil, incoloro y es el líquido más ligero después del hidrógeno; punto de ebullición -268,75°, temperatura crítica -267,75°, presión crítica 2,3 Atm, la tensión superficial del helio líquido es débil, la densidad más alta es 0,1459 a una temperatura de -270,6°. La conductividad térmica del helio a 0°, según los experimentos de Schwartz, es 0,0003386. De todos los gases, después del neón, el helio es el mejor conductor de electricidad; su rigidez dieléctrica es 18,3 (para neón 5,6, para aire 419).
La capacidad del helio para difundirse a través de telas recubiertas de caucho (la cubierta de los globos) es 1,47 veces menor que la del hidrógeno. El helio, utilizado en aeronáutica para llenar aeronaves, hace que volar en ellas sea seguro en términos de fuego incluso si se agrega hidrógeno al helio en una cantidad del 14% en volumen (según los experimentos de la American Bureau of Standards en 1918). El helio se descubrió por primera vez en 1868 en la atmósfera del sol mientras estudiaba el espectro durante Eclipse solar observado en la India. La nueva línea amarilla brillante vista en el espectro y cercana a las líneas D 1 y D 2 del sodio fue nombrada D 3 por Jansen; Frankland y Lockyer descubrieron que pertenece a un elemento aún desconocido, al que llamaron helio (- el sol). En 1888, Hillebrandt descubrió un nuevo gas inerte en los gases liberados por ciertos minerales de uranio cuando se calientan, que tomó por una variedad alotrópica de nitrógeno; Ramsay en 1895 determinó que este nuevo elemento- helio, etc probó la presencia de helio en la tierra; al mismo tiempo Kaiser estableció la presencia de helio en el aire; luego se encontró en muchos minerales (principalmente radiactivos), en los gases de algunos manantiales minerales, minas, volcanes, géiseres y en los gases naturales que emanan del suelo. La cantidad de helio en el aire atmosférico es insignificante, según los experimentos de Ramsay: 0,00041% en volumen, según experimentos posteriores ~ 0,0005% (se cree que 1000 m 3 de aire contienen 5 l de helio) y 0,00007% en peso.
La extracción de helio del aire (normalmente por métodos de fraccionamiento del aire líquido), por su bajo porcentaje, y también por la dificultad de separar el helio de otros gases, por ejemplo, el neón (el neón en el aire es 3 veces más que el helio), es sólo de laboratorio en la naturaleza. En los minerales, el helio se encuentra en estado ocluido, encerrado en pequeños poros del mineral. El helio se extrae de cleveita (de 1 g de cleveita - 7,2 cm 3 de helio), de monacita (2,4 cm 3), fergusonita (2 cm 3), brogerita (1 cm 3), torianita (8-9 cm 3) , esquinita (1 cm 3) y otros minerales de uranio y torio; el helio también se encuentra en minerales de potasio, en cuarzo, berilo, etc. La cantidad de helio contenido en minerales radiactivos depende de la edad geológica, de la densidad de la roca y del contenido de uranio o torio en ellos. Los gases de los manantiales minerales, liberados de la superficie del agua en forma de burbujas, a veces contienen un porcentaje relativamente alto de helio; según la investigación de Mureux, el contenido de helio en los gases de los manantiales franceses alcanza el 10% en volumen (fuente en Santenay); sin embargo, su débito anual es insignificante (no más de 5-10 m3 de helio por año). Los gases de las minas a veces son ricos en helio, pero su liberación es irregular y, por lo general, de corta duración. Los gases volcánicos son todavía poco estudiados. La extracción de helio por las vías enumeradas tiene carácter de laboratorio. Sólo la extracción de helio de los gases naturales que emergen de las entrañas de la tierra tiene importancia industrial. Los estudios de gases naturales para el helio se llevan a cabo en los EE. UU., Francia, Bélgica, Alemania, Italia, Rumania, Austria, sin embargo, la mayoría de las fuentes examinadas aquí, a excepción de los EE. UU., contienen un % insignificante de helio o tienen una tasa anual muy pequeña. caudal, por lo que el monopolio mundial del helio sigue siendo EE.UU.
Con respecto a la URSS, hay muchas razones para creer que la industria del helio puede desarrollarse significativamente debido a la presencia de una gran cantidad de fuentes de gas natural, que sin duda contienen helio, en varias áreas (región del Volga Medio, Cáucaso, Kuban, península de Absheron, etc.).
El uso del helio en la aeronáutica, eliminando el peligro de ignición por gas en los dirigibles, también permite colocar los motores no en góndolas fuera de borda, como es habitual, sino en el interior de la carcasa, lo que reducirá significativamente la resistencia y, en consecuencia, aumentará la velocidad de el barco. Debido a que la difusión del helio a través de la envoltura es más lenta que la del hidrógeno, la fuerza de sustentación del dirigible se conserva mejor. Una gran ventaja del helio es la posibilidad de purificar fácilmente el gas ya usado de los contaminantes, lo que se hace pasándolo a través de aparatos de purificación especiales. Además de la aeronáutica, el helio también se utiliza (en cantidades relativamente pequeñas) en otras áreas de la tecnología, así como para la investigación científica, especialmente para estudiar diversos procesos y propiedades de los cuerpos a temperaturas muy bajas (se alcanzó una temperatura de -272,1 ° por la evaporación del helio líquido). Línea completa cuestiones de física, química, biología, botánica, para cuya solución se necesita una temperatura muy baja, m. b. aclarado usando helio líquido. Para la investigación científica, el helio se usa ampliamente en una serie de laboratorios en varios países, especialmente en el Instituto Criogénico de Leiden (Holanda), donde el profesor Kammerling-Onnes hizo una serie de valiosos descubrimientos cientificos; por ejemplo, se ha descubierto que la conductividad eléctrica de algunos metales a temperaturas muy bajas aumenta millones de veces en comparación con la conductividad eléctrica a temperatura normal. El helio también se usa en la industria eléctrica para lámparas incandescentes y otras lámparas con puntas de tungsteno. A medida que se estudia el helio, se abren nuevas áreas de aplicación.
Producción de helio a partir de gases naturales.
Depósitos de helio. En 1903, se abrió una fisura natural poco profunda cerca de Dexter en Kansas (EE. UU.), liberando gas. El gas era casi incombustible y en esto se diferenciaba mucho de los gases naturales ordinarios. H. P. Kedy y D. F. McFarland, a quienes se les enviaron muestras de este gas para su análisis, informaron que consistía en un 15% de hidrocarburos y un 85% de un gas inerte, aparentemente nitrógeno. Un estudio posterior de esta fracción mostró que, además de nitrógeno, contiene cantidades insignificantes de neón y argón y 1,84 % de helio. También se analizaron los gases emitidos en otras partes del sur de Kansas y áreas adyacentes y se encontró que contenían pequeñas cantidades de helio. Aunque Cady y McFarland publicaron los resultados de su investigación, la importancia de este informe no se apreció adecuadamente hasta el comienzo de la guerra de 1914-18. En ese momento, el helio se extraía exclusivamente de fuentes minerales o de minerales radiactivos. Mientras que millones de m 3 de helio fueron liberados al aire al quemar los gases naturales de Kansas y áreas adyacentes, la cantidad de este gas que los científicos podrían tener a su disposición probablemente no excedía los 0,25 m 3 . El costo de esta pequeña cantidad de gasolina no fue menos de $15,000.
En 1915, al enterarse del trabajo de Cady y McFarland, el gobierno británico asignó fondos para la producción de estudios de helio en Ontario, el único lugar dentro de las posesiones británicas donde existía gas natural en cantidades significativas, y en 1917, al entrar en Después de la guerra, Estados Unidos también emprendió un estudio de todas las fuentes de gas adecuadas para la extracción industrial de helio para las necesidades de la aeronáutica militar.
Se han encontrado depósitos que contienen gas con 0,25-0,5% de helio en el condado de Winton, Ohio. Sin embargo, la cantidad de gas que se escapaba era pequeña. Una muestra del pozo de gas Guevres en Montana mostró un contenido de helio de 0,27%. Dado que un gran pozo de gas en Petrolia (norte de Texas) se distinguió por un contenido muy alto de nitrógeno, se realizaron estudios en esta área. Inmediatamente se confirmó la presencia de campos de gas tan altos en helio como en Kansas y el norte de Oklahoma. El depósito, encontrado en el norte de Texas, se extendía desde el norte del condado de Brown hasta la línea fronteriza entre Texas y Oklahoma. El porcentaje de helio fluctuó considerablemente, y aunque en varios pozos los gases contenían más del 0,25% de helio, solo en Petrolia el contenido de helio era tan alto que se podía hablar de intentos de extracción. Uno de los análisis mostró 1,18% de helio, y en promedio su contenido superó ligeramente el 0,9%.
En Kansas, se han encontrado depósitos con un contenido de helio de 0,1 (o un poco menos) a casi 0,2%. Se encontraron cantidades significativas en el pozo Eldorado, en el condado de Betler, donde se encontró que el gas contenía 1,1% de helio y 40% de nitrógeno. Otro centro importante es el pozo de Augusta en el mismo distrito. Aquí, el horizonte a una profundidad de 360-420 m mostró 1,03-1,14 % de helio. El porcentaje de helio en este horizonte no era indicativo de otros horizontes, y a una profundidad de 460 m resultó ser solo del 0,43%. Esta diferencia entre los horizontes individuales se constató en todos los pozos estudiados, y la explicación de este fenómeno es una tarea muy difícil para la ciencia. El mayor contenido de helio se encontró en Dexter y pozos poco profundos relacionados en el condado de Cowley, Kansas. El contenido de helio en esta zona osciló entre 0,9 y 2,0% (aproximadamente). Posteriormente, en 1917-18, se descubrieron muchos yacimientos de petróleo y gas. Algunos de ellos contenían cantidades significativas de helio; uno de ellos, el pozo Nokona cerca de Petrolia, contiene 1,2% de helio. Durante 1927, se perforaron varios pozos cerca de los antiguos depósitos de Dexter, que arrojaron casi el mismo contenido de helio que habían determinado Cady y McFarland veinte años antes. Este campo está siendo desarrollado por la planta privada The Helium С°.
Las adiciones más importantes a los recursos de helio existentes en los Estados Unidos fueron el condado de Pangendle en el suroeste de Texas y el sistema Woodside en la meseta de Utah. El campo Pangendl cubre más de 5000 km 2 . Se han encontrado pequeñas cantidades de helio en muchos puntos de esta área, pero actualmente solo una pequeña parte del área total se considera apta para el desarrollo industrial. Sin embargo, se supone que la cantidad de helio disponible aquí puede proporcionar una planta con una capacidad mensual de 60.000 m 3 durante 20 años.
Después de Estados Unidos, los depósitos más prometedores parecen estar en Canadá. Se cree que del pozo Formost en Alberta m. b. Anualmente se recibieron 60.000 m 3 de helio. Pero el contenido de helio en el gas aquí es solo del 0,2%. De forma similar, se cree que el pozo de Bow Island en la misma provincia produce 35.000 m 3 de helio al año a partir de un gas con un contenido medio de helio del 0,3 %. Los pozos de gas de Ontario tienen el mayor contenido de helio, especialmente en el condado de Peel, donde se descubre gas con un contenido de 0,8 % de helio. Pero la cantidad total de producción posible aquí es pequeña y puede ser de aproximadamente 6000 m 3 por año.
Contenido de helio en gases. Ya se ha indicado anteriormente el contenido desigual de helio en diferentes horizontes de un mismo pozo. De manera similar, el contenido de helio en diferentes pozos, recibiendo su gas en el mismo horizonte en diferentes partes de un sistema geológico dado, puede representar grandes fluctuaciones. Algunos autores han sugerido que el contenido de helio en cada pozo disminuye a medida que disminuye la presión ejercida por la roca. En apoyo de esta opinión, se refieren a análisis que prueban que el contenido medio de helio en el gas de Petrolia era del 0,8986 % en noviembre de 1926, mientras que en julio de 1925 era del 1,1039 %. Pero tal diferencia puede deberse a otras razones, tal vez, el establecimiento de comunicación con pozos más pobres. Estas diferencias en el contenido de helio dentro del mismo pozo, y el hecho de que los pozos que están estrechamente asociados con ricos depósitos de helio a menudo carecen por completo de helio, hacen que sea muy difícil formular hipótesis de trabajo sobre el origen y la distribución del helio.
Cady y McFarland concluyeron que el contenido de helio es proporcional al contenido de nitrógeno. Esto puede ser cierto, en términos generales, pero hay muchas fuentes de gases con un contenido muy alto de nitrógeno en ausencia casi total de helio. La suposición de que sólo los gases no combustibles son capaces de producir cantidades más o menos importantes de helio también resultó errónea tras el descubrimiento del helio en el gas Petrolia. Antes del descubrimiento del helio en el sistema de Woodside, se suponía que los gases que contenían helio pertenecían exclusivamente a los horizontes de la era Paleozoica, ya que todas las formaciones de la zona media de Ohio y Ontario tienen precisamente ese origen geológico. El gas de Woodside se origina en un horizonte mesozoico temprano que se encuentra directamente sobre las rocas del período Pérmico (era paleozoica tardía). Los gases de Montana y algunos pozos de Alberta se encuentran en formaciones del Cretácico. Es interesante notar que los gases de las formaciones del período Terciario son incomparablemente más pobres en helio que los horizontes Paleozoicos.
Según la opinión general, el contenido de helio en los gases naturales no depende de las condiciones de deposición de aquellos residuos materiales de los que se originan los constituyentes combustibles de estos gases. Todos los científicos están de acuerdo en que el helio debe haberse originado en fuentes muy diferentes a las sustancias combustibles, y su origen suele atribuirse a la existencia de un centro radiactivo cerca o debajo de los horizontes sedimentarios donde se concentra el helio. La conexión de la liberación de helio con aquellas áreas de los estados centrales, donde hubo descargas masivas de rocas cristalinas antiguas, indica la existencia de centros de radiactividad en los lugares de las descargas. Pero se necesitará mucha más investigación para llegar a una conclusión final sobre este tema y juzgar otros depósitos probables de helio (ver tabla).
Producción industrial de helio. Una vez establecida la presencia suficiente helio en Petrolia, se acometió la construcción de dos plantas piloto en Fort Worth y luego se inició la construcción de una tercera planta en la propia Petrolia. La última planta adoptó el método Jeffreys-Norton; una de las plantas de Fort Worth fue diseñada y operada por Linde Air Products C°, la otra por Air Reduction C°. Las dos últimas plantas fueron diseñadas para producir alrededor de 200 m 3 de helio por día. Seis semanas después de que la planta de Linde se pusiera en funcionamiento, comenzó a producir una pequeña cantidad de helio al 50%; cuatro meses después, la producción diaria de la planta aumentó a 140 m 3 70 % de helio; con una mayor purificación, el contenido de helio podría incrementarse al 93%. El proyecto Air Reduction C° se basó en el método de Claude, que había aplicado durante varios años en la extracción de otros gases. Este método, sin embargo, no podía adaptarse tan fácilmente como el método de Linde para extraer helio. El método de Jeffreys-Norton se basa en los mismos principios que el método de Claude, y aunque teóricamente debería ser más productivo que los demás, sin embargo, no dio los resultados adecuados debido a una serie de dificultades mecánicas.
La superioridad práctica del método Linde quedó clara en el otoño de 1918, y luego se desarrolló un proyecto para construir una planta con una capacidad de 1000 m 3 de helio por día. La construcción se inició en 1919 y en 1921 comenzó a funcionar la planta. Al principio, la productividad de la planta era baja, pero pequeños cambios en el diseño la aumentaron significativamente, y en junio de 1925 la planta alcanzó una productividad máxima de 35.000 m 3 de helio. Después de eso, su productividad cayó bruscamente, debido a una disminución en el suministro de gas de Petrolia.
La tarea de obtener helio a partir del gas natural se complica por el hecho de que, además de su inercia química y su punto de ebullición extremadamente bajo, el helio constituye solo una pequeña fracción de los gases naturales más ricos. Todos los diseños se basan en la eliminación de hidrocarburos y nitrógeno como líquidos y en la producción de helio como gas residual. Dado que esto implica el uso de temperaturas extremadamente bajas, es esencial que el dióxido de carbono se elimine lo antes posible para evitar la congelación. El diseño de todas las plantas en en términos generales es el mismo. La principal diferencia radica en el método de enfriamiento final y licuefacción de gases. El diseño de Linde se basa en el efecto Joule-Thomson. En este diseño, la baja temperatura requerida se logra expandiendo los gases enfriados a alta presión en un evaporador o receptor de baja presión. En el diseño de Claude, la temperatura necesaria para licuar gases distintos del helio, es decir, una temperatura de -200°, se alcanza pasando una parte de un gas muy condensado a través de un aparato de expansión. Desde un punto de vista teórico, el proceso de Claude es más productivo que el proceso de Linde. Pero el uso de una máquina de expansión está asociado con dificultades mecánicas que resultaron insuperables para la planta Air Reduction C°. En el proceso de Jeffreys-Norton, buscaron lograr una mayor eficiencia mediante el uso de tres vasos de expansión que operan a diferentes límites de temperatura. La productividad teórica del método es mayor, pero las dificultades mecánicas son aún mayores que con el método Claude.
el camino de Linde. En la planta piloto y el primer diseño de la planta de helio de Linde, el gas natural se puso en contacto con agua de cal en lavadores especiales a baja presión para eliminar el dióxido de carbono. Los buenos resultados obtenidos con los lavadores de soda cáustica, originalmente utilizados en el sistema Jeffreys-Norton, impulsaron su introducción también en el diseño de Linde. Después de este pretratamiento, el gas entra en el primer ciclo o ciclo separador (FIG. 1).
Parte del gas se introduce en compresores de cuatro etapas, sometiéndolo a una presión de hasta 140 atm. Otra parte del gas pasa a través de la válvula de control hacia la tubería de baja presión. Esta tubería, al igual que la tubería del compresor, pasa al preenfriador, donde los gases son enfriados por un ciclo externo de dióxido de carbono, así como por los gases de retorno de un tratamiento previo. La temperatura se reduce aún más al pasar ambas tuberías a través del disipador de calor hacia los gases de retorno. Ambas tuberías pasan luego al fondo del evaporador o separador, comunicándose con éste a través de una serie de boquillas, con el gas alta presión aquí se expande y enfría la mezcla. El separador está dividido en tres unidades, cada una de las cuales tiene su propia columna de purificación y condensador en la parte superior y un receptor en la parte inferior. En cada unidad, una parte conocida del gas se libera como líquido y el gas restante pasa a la unidad superior. El líquido, al evaporarse, sirve para enfriar la unidad de arriba. Hidrocarburos, junto con una pequeña mezcla de nitrógeno, que así se han convertido. de nuevo a estado gaseoso y bajando la temperatura de los gases entrantes que van al separador, salen del separador y son enviados a través del disipador de calor y el preenfriador al compresor, donde su presión sube al nivel de la presión del gas del canalización de la red de la ciudad. El nitrógeno puro se elimina de la parte superior del separador en forma de gas después de haber ayudado a licuar parte del nitrógeno en la unidad superior. El helio crudo, es decir, el gas que contiene aproximadamente un 35-40 % de helio puro en una mezcla casi exclusivamente con nitrógeno, sale de la unidad superior a un contenedor de gas especial y luego ingresa al ciclo de purificación.
En el segundo ciclo de purificación (Fig. 2), el helio crudo se somete a una presión de 70 atm y se envía a un preenfriador y disipador de calor. En el primero, su temperatura se reduce por un ciclo externo de dióxido de carbono y gas que regresa del purificador. En el segundo, el efecto de enfriamiento se logra mediante el gas de retorno junto con bobinas a través de las cuales pasa el helio del purificador. El enfriamiento final y la licuefacción de todos los gases, excepto el helio, tiene lugar en la depuradora, en la que la baja temperatura se consigue mediante un ciclo de nitrógeno externo. Este último se obtiene del separador del ciclo anterior. El gas obtenido del purificador contiene 91-92%, e incluso más, helio puro.
Otras formas de obtener helio. La principal diferencia entre el proceso de Linde y el método utilizado anteriormente en la planta piloto es que en este último, la licuefacción se logró mediante Ch. arreglo usando un ciclo de enfriamiento externo del sistema Claude. Los principios básicos del sistema utilizado por la planta The Helium C° en Dexter son casi los mismos que los de la planta en Fort Worth. La principal diferencia radica en la forma en que los líquidos y gases a baja temperatura producidos durante el proceso se utilizan para enfriar los gases recién entrantes. No hay ciclo de refrigeración externo; la separación del helio de otros gases ocurre en el colector de gas licuado; la licuefacción del nitrógeno, así como de los hidrocarburos, parece tener lugar en los serpentines del disipador de calor y en las tuberías que conducen al colector. El colector sirve como sitio para la separación del helio de los hidrocarburos líquidos y el nitrógeno.
Transporte y almacenamiento de helio. El manejo de este gas extremadamente raro no es una tarea sencilla en sí misma. Hasta hace poco tiempo, el helio siempre se transportaba en cilindros de acero de 0,04 m 3 de capacidad, similares a los que se utilizan para otros gases. El gas estaba bajo una presión de 130-140 atm, de modo que cada cilindro contenía hasta 5,0 m 3 de helio reducido a la presión atmosférica. La capacidad de un vagón de carga simple era de 380 cilindros. Actualmente, todo el helio producido por las plantas se transporta en vagones cisterna especiales propiedad del Ejército y la Marina de los EE. UU. Estos tanques contienen 42,5 m 3 de gas, es decir, aproximadamente tres veces más que antes. El carro tanque consta de una plataforma de estructura plana de acero y tres cilindros de acero sin costura. Los cilindros están estirados a lo largo de toda la longitud del coche y tienen un diámetro interior de 137 cm, como deberían. diseñados para una presión de 140 atm, su construcción debe ser muy pesada, y las paredes de acero deben tener un espesor de 75 mm. El contenedor del vagón es de unas 100 toneladas y el costo es de $85,000. El peso de helio por automóvil es de aproximadamente 1 tonelada. El alto costo y el peso excesivo de estos automóviles llevaron a Chicago Bridge and Iron Works a considerar la construcción de un automóvil más liviano. El coche diseñado constará de 48 cilindros de acero sin costura con un diámetro interior de 35 mm y una longitud igual a la longitud del coche. Su capacidad será la misma que la de tres cilindros. Sin embargo, hasta el momento no se han asignado fondos para la construcción de estos autos. La fuga de gas de los cilindros es del 10% anual. Dado que ocurre exclusivamente a través de válvulas, es muy deseable utilizar cilindros grandes.
Repurificación de helio. Se considera que la fuerza de sustentación del helio es igual al 92% de la fuerza de sustentación del hidrógeno, pero esto es cierto solo para el helio perfectamente puro. Entonces, por ejemplo, el helio, obtenido de Fort Worth, solo podría usarse con dificultad para el dirigible Shenandoah, diseñado para hidrógeno. Cuando el contenido de helio alcanza el 85% por difusión, es necesaria una nueva purificación.
Los estudios experimentales del Laboratorio Criogénico de la Oficina de Minas de los Estados Unidos han demostrado que Carbón activado a bajas temperaturas, es capaz de adsorber casi todos los gases contenidos en el helio impuro. La oficina construyó un pequeño aparato móvil para el ejército para tal purificación de helio. Sin embargo, el costo de la limpieza resultó ser demasiado alto debido a la inconsistencia de las "ollas de carbón" utilizadas en esta operación, y no se utilizó este método. Por ello, se instaló una unidad de limpieza estacionaria en Lekhurst (Nueva Jersey). El método utilizado aquí es básicamente el mismo que el ciclo de limpieza del sistema Linde Fort Worth. El gas impuro se introduce en el depurador donde se libera del dióxido de carbono. Desde aquí pasa al compresor, donde la presión se lleva a 140 atm. Luego, el gas se pasa a través de una serie de recipientes de secado llenos de gel de sílice para eliminar la humedad. Desde aquí, el gas se transfiere a un disipador de calor, donde se enfría con helio puro que se almacena. Desde el absorbedor, el gas ingresa al limpiador primario, donde se enfría aún más y donde se condensa parte de las impurezas. La licuefacción final tiene lugar en el serpentín y colector del limpiador secundario. Este último está rodeado de gotas de aire líquido, que se forma en el ciclo exterior del sistema Claude. Las impurezas condensadas que se acumulan en el fondo del colector también van al rescate. aire liquido para enfriar la unidad. Tras esta purificación, el gas suele alcanzar una pureza del 98%.
Costo y aplicación de helio.. Hasta el momento, se han producido alrededor de 1 millón de m 3 de helio en los Estados Unidos. El costo de la producción de helio en el caso de su producción comercial en Fort Worth fue de alrededor de $23,6 por 100 m 3 . Disminuyó gradualmente y llegó a $ 15,7 en 1924. Dado que el precio del hidrógeno es de $ 1 por 100 m 3 , el hidrógeno seguirá encontrando uso en aeronaves durante algún tiempo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que no existe ningún cálculo para someter el hidrógeno a una nueva purificación, por lo que se requieren cantidades muy elevadas de hidrógeno para abastecer al dirigible durante el año. La repurificación de helio en Lekhurst cuesta sólo 0,4-0,6 dólares por 100 m 3 . Si el helio se vuelve a purificar según sea necesario, entonces, como muestra la experiencia, la operación de un dirigible requiere anualmente el doble de la cantidad de helio en comparación con su capacidad; así, por ejemplo, para el funcionamiento del dirigible "Los Ángeles", con una capacidad de 70.000 m 3 , se requieren durante el año 140.000 m 3 de helio. La construcción de aeronaves más potentes, prevista por el Congreso de los Estados Unidos, aumentará en consecuencia la necesidad de helio.
autor desconocidoEl helio (Helio, He) es un elemento químico en el número 2 en la tabla periódica.
El 18 de agosto de 1868 se esperaba un eclipse solar total. Los astrónomos de todo el mundo se han estado preparando activamente para este día. Esperaban resolver el misterio de las prominencias: protuberancias luminosas visibles en el momento de un eclipse solar total a lo largo de los bordes del disco solar. Algunos astrónomos creían que las prominencias son altas montañas lunares, las cuales, en el momento de un eclipse solar total, son iluminadas por los rayos del Sol; otros pensaron que las prominencias eran montañas sobre el mismo Sol; otros más vieron nubes ardientes de la atmósfera solar en las proyecciones solares. La mayoría creía que las protuberancias no eran más que una ilusión óptica.
En 1851, durante un eclipse solar observado en Europa, el astrónomo alemán Schmidt no solo vio proyecciones solares, sino que también logró discernir que sus contornos cambian con el tiempo. Basándose en sus observaciones, Schmidt concluyó que las protuberancias son nubes de gas caliente expulsadas a la atmósfera solar. erupciones gigantes. Sin embargo, incluso después de las observaciones de Schmidt, muchos astrónomos todavía consideraban que las repisas ardientes eran una ilusión óptica.
Solo después del eclipse total del 18 de julio de 1860, que se observó en. En España, cuando muchos astrónomos vieron con sus propios ojos las proyecciones solares, y los astrónomos italianos Secchi y el francés Dellar consiguieron no sólo esbozarlas, sino también fotografiarlas, nadie tenía dudas sobre la existencia de las prominencias.
Para 1860, ya se había inventado un espectroscopio, un dispositivo que permite, observando la parte visible del espectro óptico, determinar composición cualitativa cuerpo del que se obtiene el espectro observado. Sin embargo, el día del eclipse solar, ninguno de los astrónomos usó un espectroscopio para ver el espectro de prominencias. El espectroscopio se recordó cuando el eclipse ya había terminado.
Por eso, preparándose para el eclipse solar de 1868, cada astrónomo incluyó un espectroscopio en la lista de instrumentos de observación. Jules Jansen, un célebre científico francés, no olvidó este instrumento cuando fue a la India a observar prominencias, donde las condiciones para observar un eclipse solar, según los cálculos de los astrónomos, eran las mejores.
En el momento en que el disco centelleante del Sol estaba completamente cubierto por la Luna, Jules Jansen, examinando con un espectroscopio las llamas rojo anaranjadas que escapaban de la superficie del Sol, vio en el espectro, además de tres familiares líneas de hidrógeno : rojo, verde-azul y azul, un nuevo, desconocido - amarillo brillante. Ninguna de las sustancias conocidas por los químicos de esa época tenía tal línea en la parte del espectro donde Jules Jansen la descubrió. El mismo descubrimiento, pero en casa en Inglaterra, fue hecho por el astrónomo Norman Lockyer.
El 25 de octubre de 1868, la Academia de Ciencias de París recibió dos cartas. Uno, escrito el día después del eclipse solar, vino de Guntur, un pequeño pueblo en la costa este de la India, de Jules Janssen; otra carta fechada el 20 de octubre de 1868 era de Inglaterra de Norman Lockyer.
Las cartas recibidas fueron leídas en una reunión de profesores de la Academia de Ciencias de París. En ellos, Jules Jansen y Norman Lockyer, independientemente el uno del otro, informaron del descubrimiento de la misma "sustancia solar". Esta nueva sustancia, encontrada en la superficie del Sol usando un espectroscopio, Lockyer propuso llamar helio de la palabra griega para "sol" - "helios".
Tal coincidencia sorprendió a la reunión científica de profesores de las Academias y al mismo tiempo atestiguó el carácter objetivo del descubrimiento de un nuevo químico. En honor al descubrimiento de la sustancia de las antorchas solares (protuberancias), se eliminó una medalla. En un lado de esta medalla, están grabados los retratos de Jansen y Lockyer, y en el otro, una imagen del antiguo dios griego Apolo en un carro tirado por cuatro caballos. Debajo del carro había una inscripción en francés: "Análisis de las proyecciones solares del 18 de agosto de 1868".
En 1895, el químico londinense Henry Myers llamó la atención de William Ramsay, el famoso físico y químico inglés, sobre el entonces olvidado artículo de la geóloga Hildebrand. En este artículo, Hildebrand argumentó que algunos minerales raros, cuando se calientan en ácido sulfúrico, emiten un gas que no se quema y no favorece la combustión. Entre estos minerales raros estaba la kleveíta, encontrada en Noruega por Nordenskiöld, el famoso explorador sueco de las regiones polares.
Ramsay decidió investigar la naturaleza del gas contenido en la kleveíta. En todas las tiendas de productos químicos de Londres, los asistentes de Ramsay lograron comprar solo ... un gramo de calumnias, pagando solo 3,5 chelines por ello. Tras aislar varios centímetros cúbicos de gas de la cantidad de cleveita obtenida y purificarla de impurezas, Ramsay la examinó con un espectroscopio. El resultado fue inesperado: el gas liberado por la kleveíta resultó ser... ¡helio!
Sin confiar en su descubrimiento, Ramsay recurrió a William Crookes, el mayor especialista en Londres en ese momento. análisis espectral, con una solicitud para investigar el gas liberado de cleveite.
Crookes investigó el gas. El resultado del estudio confirmó el descubrimiento de Ramsay. Entonces, el 23 de marzo de 1895, se descubrió en la Tierra una sustancia que se encontró en el Sol hace 27 años. El mismo día, Ramsay publicó su descubrimiento, enviando un mensaje a la Royal Society de Londres y otro al famoso químico francés Académico Berthelot. En una carta a Berthelot, Ramsay pidió informar a la reunión científica de profesores de la Academia de París sobre su descubrimiento.
Quince días después de Ramsay, independientemente de él, el químico sueco Langley aisló el helio de la kleveíta y, como Ramsay, informó de su descubrimiento al químico Berthelot.
Por tercera vez, se descubrió helio en el aire, donde, según Ramsay, debería provenir de minerales raros (kleveíta, etc.) durante la destrucción y las transformaciones químicas en la tierra.
También se encontraron pequeñas cantidades de helio en el agua de algunos manantiales minerales. Así, por ejemplo, Ramsay lo encontró en el manantial curativo Cotre en los Pirineos, el físico inglés John William Rayleigh lo encontró en las aguas de los manantiales en el famoso balneario de Bath, el físico alemán Kaiser descubrió el helio en los manantiales que brotan en las montañas de la Selva Negra. Sin embargo, la mayor parte del helio se encontró en algunos minerales. Se encuentra en samarskita, fergusonita, columbita, monacita, uraninita. El mineral torianita de la isla de Ceilán contiene una cantidad particularmente grande de helio. Un kilogramo de torianita, cuando se calienta al rojo vivo, libera 10 litros de helio.
Pronto se estableció que el helio se encuentra solo en aquellos minerales que contienen uranio y torio radiactivos. Los rayos alfa emitidos por algunos elementos radiactivos no son más que los núcleos de los átomos de helio que, al unir electrones, se convierten en átomos de helio.
El helio es un gas transparente, inodoro e insípido, el siguiente elemento de mayor peso atómico después del hidrógeno. Es absolutamente inerte, es decir, no entra en ninguna reacción. De todas las sustancias, el helio tiene el punto de ebullición más bajo de -269°C. El helio líquido es el líquido más hambriento. El helio se "congela" a - 272 ° C. Esta temperatura es solo un grado más alta que la temperatura del cero absoluto.
El helio es el mejor gas para vehículos aeronáuticos. Para rellenarlos se suele utilizar una mezcla de helio (85%) con hidrógeno (15%). Grandes cantidades de helio (hasta 200.000 metros cúbicos), que en el pasado se necesitaban para llenar los dirigibles, se extraían principalmente de los gases naturales.
Para bombardear las grandes ciudades, principalmente las capitales de Inglaterra y Francia, el mando alemán utilizó zepelines durante la Primera Guerra Mundial. Se usó hidrógeno para llenarlos. Por lo tanto, la lucha contra los zepelines fue relativamente simple: un proyectil incendiario que cayó en el caparazón del zepelín encendió hidrógeno, el zepelín se encendió instantáneamente y se quemó. De los 123 zepelines construidos en Alemania durante la Primera Guerra Mundial, 40 se quemaron con proyectiles incendiarios, pero un día bases generales El ejército inglés se sorprendió por el mensaje de particular importancia. Los impactos directos de proyectiles incendiarios en el zepelín alemán no produjeron resultados. El zepelín no estalló en llamas, pero lentamente, aparentemente goteando un gas desconocido, voló hacia atrás.
Los expertos militares quedaron perplejos y, a pesar de una discusión urgente y detallada sobre el tema de la no inflamabilidad del zepelín de los proyectiles incendiarios, no pudieron encontrar la explicación necesaria. El enigma del zepelín fue resuelto por el químico inglés Richard Threlfall. En una carta al Almirantazgo británico, escribió: "... Creo que los alemanes inventaron alguna forma de extraer helio en grandes cantidades, y esta vez llenaron el caparazón de su zepelín no con hidrógeno, como de costumbre, sino con helio. ...".
Sin embargo, la persuasión de los argumentos de Threlfall se vio disminuida por el hecho de que no había fuentes significativas de helio en Alemania. Es cierto que el aire contiene helio, pero allí no es suficiente: un metro cúbico de aire contiene solo 5 centímetros cúbicos de helio. Además, la máquina de refrigeración del sistema Linde, que convierte varios cientos de metros cúbicos de aire en líquido en una hora, no podría producir más de 3 litros de helio durante este tiempo.
¡3 litros de helio por hora! Y para llenar un zepelín, necesitas 5-6 mil metros cúbicos. m) Para obtener tal cantidad de helio, una máquina Linde tendría que funcionar sin parar durante unos doscientos años, doscientas de esas máquinas darían la cantidad requerida de helio en un año. La construcción de 200 plantas para convertir aire en líquido para producir helio es económicamente muy poco rentable y prácticamente sin sentido.
¿De dónde sacaron el helio los químicos alemanes?
Este problema, como resultó más tarde, se resolvió de manera relativamente simple. Mucho antes de la guerra, las compañías alemanas de barcos de vapor que enviaban mercancías a la India y Brasil recibieron instrucciones de cargar los barcos de vapor que regresaban no con lastre ordinario, sino con arena de monacita, que contiene helio. Por lo tanto, se creó una reserva de "materias primas de helio", alrededor de 5 mil toneladas de arena de monacita, de la cual se obtuvo helio para zepelines. Además, se extrajo helio del agua del manantial mineral de Nauheim, que arrojó hasta 70 metros cúbicos. m de helio diarios.
El incidente con el zepelín incombustible fue el ímpetu para una nueva búsqueda de helio. Químicos, físicos, geólogos comenzaron a buscar intensamente helio. De repente se ha vuelto de gran valor. En 1916, 1 metro cúbico de helio costaba 200.000 rublos oro, es decir, 200 rublos el litro. Si tenemos en cuenta que un litro de helio pesa 0,18 g, entonces 1 g cuesta más de 1000 rublos.
El helio se ha convertido en objeto de caza de comerciantes, especuladores, corredores de bolsa. El helio se encontró en cantidades significativas en los gases naturales que salían de las entrañas de la tierra en Estados Unidos, en el estado de Kansas, donde, después de que Estados Unidos entrara en guerra, se construyó una planta de helio cerca de la ciudad de Fort Worth. Pero guerra ha terminado, las reservas de helio permanecieron sin usar, el costo del helio cayó drásticamente y a fines de 1918 ascendía a alrededor de cuatro rublos por metro cúbico.
El helio extraído con tanta dificultad fue utilizado por los estadounidenses solo en 1923 para llenar el ahora pacífico dirigible Shenandoah. Fue el primer y único barco aéreo de carga y pasajeros del mundo lleno de helio. Sin embargo, su "vida" fue de corta duración. Dos años después de su nacimiento, el Shenandoah fue destruido por una tormenta de 55 mil metros cúbicos. m, casi todo el suministro mundial de helio, que se había recolectado durante seis años, se disipó sin dejar rastro en la atmósfera durante una tormenta que duró solo 30 minutos.
En el buceo, el helio se utiliza para producir aire artificial. El aire artificial, en el que el nitrógeno se reemplaza parcialmente por helio, se utiliza para facilitar la respiración de los buzos que trabajan bajo una presión especialmente alta.
Como es sabido, la solubilidad de los gases en líquidos, en igualdad de condiciones, es directamente proporcional a la presión. Los buzos que trabajan bajo alta presión tienen mucho más nitrógeno disuelto en la sangre en comparación con las condiciones normales que existen en la superficie del agua. Al ascender desde una profundidad, cuando la presión se acerca a la normal, la solubilidad del nitrógeno disminuye y su exceso comienza a liberarse. Si el ascenso se hace rápidamente, la liberación del exceso de gases disueltos se produce con tanta violencia que los tejidos del cuerpo ricos en sangre y agua, saturados de gas, espuman con una masa de nitrógeno que burbujea como el champán cuando se abre una botella. La formación de burbujas de nitrógeno en los vasos sanguíneos interrumpe el funcionamiento del corazón, su aparición en el cerebro interrumpe sus funciones, provoca trastornos graves de las funciones vitales del cuerpo y la muerte. Para evitar el desarrollo de los fenómenos descritos, conocidos con el nombre de "enfermedad del cajón", el ascenso de los buzos, es decir, la transición de la presión alta a la normal, se realiza muy lentamente. En este caso, el exceso de gases disueltos se libera gradualmente y no se producen trastornos dolorosos.
Con el uso de aire artificial, en el que el nitrógeno se reemplaza por helio menos soluble, la posibilidad de trastornos dañinos se elimina casi por completo. Esto permite aumentar la profundidad de inmersión de los buceadores (hasta 100 metros o más) y alargar el tiempo que pasan bajo el agua.
El aire de "helio" tiene una densidad tres veces menor que la densidad del aire ordinario. Por lo tanto, es más fácil respirar aire "helio" de lo habitual (disminuye el trabajo de los músculos respiratorios). Esta circunstancia tiene importancia con enfermedades de los músculos respiratorios y algunas otras enfermedades asociadas con el acto de respirar. Por lo tanto, el aire "helio" también se usa en medicina en el tratamiento del asma, la asfixia y otras enfermedades.
El helio también se utiliza en la tecnología de baja temperatura.
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El helio es un elemento químico casi inerte. La sustancia simple helio no es tóxica, es incolora, inodora e insípida. En condiciones normales, es un gas monoatómico. Su punto de ebullición es el más bajo de todos sustancias simples; el helio sólido se obtuvo solo a presiones superiores a 25 atmósferas; a presión atmosférica, no pasa a la fase sólida incluso a temperaturas extremadamente cercanas al cero absoluto. Condiciones extremas también se necesitan para fabricar los pocos compuestos químicos del helio, todos los cuales son inestables en condiciones normales. El nombre de este elemento proviene del griego. ἥλιος - "Sol". Curioso es el hecho de que en el nombre del elemento se utilizó la terminación “-iy”, característica de los metales (en latín “-um” - “Helio”), ya que Lockyer asumió que el elemento que descubrió era un metal. Por analogía con otros gases nobles, sería lógico darle el nombre de "Helión" ("Helión"). EN ciencia moderna El nombre "helión" se asignó al núcleo del isótopo ligero del helio, el helio-3.
En términos de ligereza, este gas es superado solo por el hidrógeno, el aire es 7,25 veces más pesado que el helio.
El helio es casi insoluble en agua y otros líquidos. Y de la misma manera, ni una sola sustancia se disuelve notablemente en helio líquido.
El helio sólido no se puede obtener a ninguna temperatura a menos que se aumente la presión.
En la historia del descubrimiento, investigación y aplicación de este elemento, hay nombres de muchos físicos y químicos prominentes de diferentes países. Las personas interesadas en el helio trabajaron con helio: Jansen (Francia), Lockyer, Crookes (Inglaterra), Palmieri (Italia), Keesom (Holanda), (EE. UU.), Kikoin (Unión Soviética) y muchos otros científicos destacados.
La singularidad de la apariencia del átomo de helio está determinada por la combinación de dos sorprendentes estructuras naturales en él: campeones absolutos en términos de compacidad y resistencia. En el núcleo de helio, helio-4, ambas capas intranucleares están saturadas, tanto protones como neutrones. El doblete electrónico que enmarca este núcleo también está saturado. En estos diseños - la clave para comprender las propiedades del helio. De ahí su fenomenal inercia química y el tamaño récord de su átomo.
El papel del núcleo del átomo de helio - partículas alfa en la historia de la formación y desarrollo de la física nuclear es enorme. Si recuerdas, fue el estudio de la dispersión de partículas alfa lo que llevó a Rutherford al descubrimiento del núcleo atómico. Cuando se bombardeó el nitrógeno con partículas alfa, se llevó a cabo por primera vez la interconversión de los elementos, algo con lo que muchas generaciones de alquimistas han soñado durante siglos. Cierto, en esta reacción, no fue el mercurio el que se convirtió, sino el nitrógeno en oxígeno, pero esto es casi igual de difícil de hacer. Las mismas partículas alfa estuvieron involucradas en el descubrimiento del neutrón y la producción del primer isótopo artificial. Posteriormente, se sintetizaron curio, berkelio, californio y mendelevio utilizando partículas alfa.
Hemos enumerado estos hechos con un solo propósito: mostrar que el elemento #2 es un elemento muy inusual.
helio terrestre
El helio es un elemento inusual, y su historia es inusual. Fue descubierto en la atmósfera del Sol 13 años antes que en la Tierra. Más precisamente, se descubrió una línea D amarilla brillante en el espectro de la corona solar, y lo que se escondía detrás de ella se supo de manera confiable solo después de que se extrajo helio de minerales terrestres que contenían elementos radiactivos.
El helio en el Sol fue descubierto por el francés J. Jansen, quien realizó sus observaciones en la India el 19 de agosto de 1868, y el inglés J.H. Lockyer - 20 de octubre del mismo año. Las cartas de ambos científicos llegaron a París el mismo día y fueron leídas en una reunión de la Academia de Ciencias de París el 26 de octubre con un intervalo de varios minutos. Los académicos, sorprendidos por tan extraña coincidencia, decidieron noquear una medalla de oro en honor a este evento.
En 1881, el científico italiano Palmieri informó sobre el descubrimiento de helio en gases volcánicos. Sin embargo, su mensaje, luego confirmado, fue tomado en serio por pocos científicos. El helio terrestre secundario fue descubierto en 1895.
Hay 29 isótopos en la corteza terrestre, durante la descomposición radiactiva de los cuales se forman partículas alfa, núcleos de átomos de helio altamente activos y de alta energía.
Básicamente, el helio terrestre se forma durante la desintegración radiactiva del uranio-238, el uranio-235, el torio y los productos inestables de su desintegración. Cantidades incomparablemente más pequeñas de helio son producidas por la lenta descomposición del samario-147 y el bismuto. Todos estos elementos generan solo el isótopo pesado del helio, 4 He, cuyos átomos pueden considerarse como restos de partículas alfa, enterrados en una capa de dos electrones apareados, en un doblete de electrones. En los primeros periodos geológicos probablemente existieron también otras series de elementos naturalmente radiactivos que ya habían desaparecido de la faz de la Tierra, saturando el planeta de helio. Uno de ellos fue la serie neptuniana ahora recreada artificialmente.
Por la cantidad de helio atrapado en una roca o mineral, se puede juzgar su edad absoluta. Estas medidas se basan en las leyes de la desintegración radiactiva: por ejemplo, la mitad del uranio-238 se convierte en helio y plomo en 4520 millones de años.
El helio en la corteza terrestre se acumula lentamente. Una tonelada de granito que contiene 2 g de uranio y 10 g de torio produce solo 0,09 mg de helio en un millón de años, medio centímetro cúbico. En muy pocos minerales ricos en uranio y torio, el contenido de helio es bastante alto: unos pocos centímetros cúbicos de helio por gramo. Sin embargo, la participación de estos minerales en la producción de helio natural es cercana a cero, ya que son muy raros.
Los compuestos naturales que contienen isótopos alfa activos son solo la fuente principal, pero no la materia prima para la producción industrial de helio. Es cierto que algunos minerales con una estructura densa (metales nativos, magnetita, granate, apatita, circón y otros) retienen firmemente el helio que contienen. Sin embargo, la mayoría de los minerales eventualmente sufren procesos de meteorización, recristalización, etc., y el helio los abandona.
Las burbujas de helio liberadas por las estructuras cristalinas emprenden un viaje a través de la corteza terrestre. Una parte muy pequeña de ellos se disuelve en las aguas subterráneas. La formación de soluciones de helio más o menos concentradas requiere condiciones especiales, principalmente altas presiones. Otra parte del helio nómada ingresa a la atmósfera a través de los poros y grietas de los minerales. Las moléculas de gas restantes caen en trampas subterráneas, donde se acumulan durante decenas, cientos de millones de años. Las trampas son capas de rocas sueltas, cuyos huecos están llenos de gas. El lecho de tales depósitos de gas suele ser agua y petróleo, y desde arriba están bloqueados por estratos herméticos al gas de rocas densas.
Dado que otros gases también vagan por la corteza terrestre (principalmente metano, nitrógeno, dióxido de carbono) y, además, en cantidades mucho mayores, no hay acumulaciones puras de helio. El helio está presente en los gases naturales como una impureza menor. Su contenido no supera las milésimas, las centésimas, rara vez, las décimas de un porcentaje. El gran contenido de helio (1.5...10%) de los depósitos de metano-nitrógeno es un fenómeno extremadamente raro.
Los gases naturales resultaron ser prácticamente la única fuente de materias primas para la producción industrial de helio. Para la separación de otros gases se aprovecha la excepcional volatilidad del helio asociada a su baja temperatura de licuefacción. Después de que todos los demás componentes del gas natural se condensan mediante un enfriamiento profundo, se bombea el gas helio. Luego se purifica de las impurezas. La pureza del helio de fábrica alcanza el 99,995%.
Las reservas de helio en la Tierra se estiman en 5·10 14 m 3 ; a juzgar por los cálculos, se formó en la corteza terrestre durante 4 mil millones de años diez veces más. Esta discrepancia entre la teoría y la práctica es comprensible. El helio es un gas ligero y, como el hidrógeno (aunque más lentamente), escapa de la atmósfera al espacio exterior. Probablemente, durante la existencia de la Tierra, el helio de nuestro planeta se actualizó repetidamente: el viejo escapó al espacio y, en su lugar, entró en la atmósfera fresco, "exhalado" por la Tierra.
Hay al menos 200.000 veces más helio en la litosfera que en la atmósfera; incluso más helio potencial se almacena en el "útero" de la Tierra, en elementos alfa activos. Pero el contenido total de este elemento en la Tierra y la atmósfera es pequeño. El helio es un gas raro y difuso. Para 1 kg de material terrestre, hay solo 0,003 mg de helio, y su contenido en el aire es de 0,00052 por ciento en volumen. Una concentración tan baja aún no permite la extracción económica de helio del aire.
Helio en el Universo
Las entrañas y la atmósfera de nuestro planeta son pobres en helio. Pero esto no significa que no sea suficiente en todas partes del Universo. Según estimaciones modernas, el 76% de la masa cósmica es hidrógeno y el 23% helio; ¡solo queda el 1% en todos los demás elementos! Así, la materia del mundo puede llamarse hidrógeno-helio. Estos dos elementos predominan en estrellas, nebulosas planetarias y gas interestelar.
Arroz. una.
La curva "cósmica" refleja el papel excepcional del hidrógeno y el helio en el universo y el significado especial del grupo helio en la estructura del núcleo atómico. Aquellos elementos y sus isótopos cuyo número de masa se divide en cuatro tienen la mayor abundancia relativa: 16 O, 20 Ne, 24 Mg, etc.
Probablemente, todos los planetas del sistema solar contienen helio radiogénico (formado durante la desintegración alfa), y los planetas grandes también contienen helio relicto del espacio. El helio está abundantemente representado en la atmósfera de Júpiter: según algunos datos, está allí en un 33%, según otros, en un 17%. Este descubrimiento formó la base de la trama de una de las historias del famoso científico y escritor de ciencia ficción A. Azimov. En el centro de la historia hay un plan (posiblemente factible en el futuro) para entregar helio desde Júpiter, o incluso lanzarlo al satélite más cercano de este planeta, Júpiter V, una armada de máquinas cibernéticas en criotrones (sobre ellos - abajo) . Inmersas en el helio líquido de la atmósfera de Júpiter (las temperaturas ultrabajas y la superconductividad son condiciones necesarias para el funcionamiento de los criotrones), estas máquinas convertirán a Júpiter V en el centro cerebral del sistema solar...
El origen del helio estelar fue explicado en 1938 por físicos alemanes y Weizsäcker. Más tarde, su teoría recibió confirmación y refinamiento experimental con la ayuda de aceleradores de partículas. Su esencia es la siguiente.
Los núcleos de helio se sintetizan a temperaturas estelares a partir de protones en un proceso de fusión que libera 175 millones de kilovatios-hora de energía por cada kilogramo de helio.
Diferentes ciclos de reacciones pueden conducir a la fusión del helio.
En las condiciones de estrellas no muy calientes, como nuestro Sol, parece predominar el ciclo protón-protón. Consta de tres transformaciones consecutivas. Primero, dos protones se combinan a gran velocidad para formar un deuterón, una estructura de un protón y un neutrón; en este caso, se separan un positrón y un neutrino. Además, el deuterón se combina con un protón para formar helio ligero con la emisión de un cuanto gamma. Finalmente, dos núcleos de 3 He reaccionan transformándose en una partícula alfa y dos protones. Una partícula alfa, habiendo adquirido dos electrones, se convertirá entonces en un átomo de helio.
El mismo resultado final da un ciclo de carbono-nitrógeno más rápido, cuya importancia no es muy grande en condiciones solares, pero en estrellas más calientes que el Sol, el papel de este ciclo es mayor. Consta de seis pasos - reacciones. El carbono juega aquí el papel de catalizador para el proceso de fusión de protones. La energía liberada durante estas transformaciones es la misma que en el ciclo protón-protón: 26,7 MeV por átomo de helio.
La reacción de fusión del helio es la base de la actividad energética de las estrellas, su brillo. En consecuencia, la síntesis de helio puede considerarse el antepasado de todas las reacciones en la naturaleza, la causa fundamental de la vida, la luz, el calor y los fenómenos meteorológicos en la Tierra.
El helio no siempre es el producto final de la fusión estelar. Según la teoría del profesor D.A. Frank-Kamenetsky, en la fusión sucesiva de núcleos de helio, se forman 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, y la captura de protones por parte de estos núcleos conduce a la formación de otros núcleos. Para la síntesis de núcleos de elementos pesados hasta el transuranio, se requieren temperaturas superaltas excepcionales, que se desarrollan en estrellas inestables "nuevas" y "supernovas".
El famoso químico soviético A.F. Kapustinsky llamó protoelementos de hidrógeno y helio, elementos de la materia primaria. ¿No es esta primacía la que explica la posición especial del hidrógeno y el helio en el sistema periódico de los elementos, en particular el hecho de que el primer período esté esencialmente desprovisto de la periodicidad característica de otros períodos?
Lo mejor...
El átomo de helio (también conocido como molécula) es la estructura molecular más fuerte. Las órbitas de sus dos electrones son exactamente iguales y pasan extremadamente cerca del núcleo. Para exponer un núcleo de helio, debe gastar una energía récord: 78,61 MeV. De ahí la fenomenal pasividad química del helio.
El helio ha perdido durante mucho tiempo su reputación como elemento químicamente inerte. Hasta la fecha, se conocen muchos compuestos tanto estables como metaestables, incluido el helio. En primer lugar, estos son iones moleculares He 2 (+), He 2 (2+) y HeH (+) formados en plasma a alta temperatura. En estado excitado, tanto la molécula neutra de He 2 como más conexiones complejas, por ejemplo, HHeF, HgHe, CsFHeO y otros. La razón por la que estos compuestos son inestables y solo aparecen en estado excitado es bastante simple. Es un elemento con exceso de electrones, por lo tanto, en estado fundamental, sus compuestos han llenado orbitales moleculares aflojados, lo que hace que el enlace químico sea muy frágil. En el estado excitado, algunos de los electrones (o al menos uno) abandonan los orbitales de aflojamiento, moviéndose hacia los superiores de unión; esto conduce al fortalecimiento de la química. conexiones De los compuestos estables de helio, se pueden observar endofullerenos sintetizados relativamente recientemente, por ejemplo, [correo electrónico protegido] 60 . En estas moléculas, el He está ubicado dentro de la estructura "esférica" C 60.
Las moléculas de helio son no polares. Las fuerzas de interacción intermolecular entre ellos son extremadamente pequeñas, menos que en cualquier otra sustancia. Por lo tanto, los valores más bajos de cantidades críticas, el punto de ebullición más bajo, los calores de evaporación y fusión más bajos. En cuanto al punto de fusión del helio, a presión normal no existe en absoluto. El helio líquido a una temperatura arbitrariamente cercana al cero absoluto no se solidifica si, además de la temperatura, se le somete a una presión de 25 o más atmósferas. No existe otra sustancia similar en la naturaleza.
Tampoco hay otro gas tan insignificantemente soluble en líquidos, especialmente polares, y tan poco propenso a la adsorción como el helio. Es el mejor conductor de la electricidad entre los gases y el segundo, después, conductor del calor. Su capacidad calorífica es muy alta y su viscosidad es baja.
El helio penetra asombrosamente rápido a través de delgadas particiones hechas de algunos polímeros orgánicos, porcelana, cuarzo y vidrio de borosilicato. Curiosamente, el helio se difunde a través del vidrio blando 100 veces más lento que a través del vidrio de borosilicato. El helio también puede penetrar muchos metales. Solo los metales del grupo del platino, incluso los calientes, son completamente impenetrables para él.
El método de extracción de helio puro del gas natural se basa en el principio de permeabilidad selectiva.
Los científicos muestran un interés excepcional en el helio líquido. En primer lugar, es el líquido más frío en el que, además, no se disuelve notablemente ninguna sustancia. En segundo lugar, es el más ligero de los líquidos con una tensión superficial mínima.
A una temperatura de 2.172°K, hay un cambio abrupto en las propiedades del helio líquido. La especie resultante se denomina convencionalmente helio II. El helio II hierve de manera bastante diferente a otros líquidos, no hierve cuando hierve, su superficie permanece completamente tranquila. El helio II conduce el calor 300 millones de veces mejor que el helio líquido ordinario (helio I). La viscosidad del helio II es prácticamente nula, es mil veces menor que la viscosidad del hidrógeno líquido. Por lo tanto, el helio II tiene superfluidez: la capacidad de fluir sin fricción a través de capilares de diámetro arbitrariamente pequeño.
Otro isótopo estable de helio, 3 He, pasa al estado superfluido a una temperatura que está a solo centésimas de grado de la bala absoluta. Los superfluidos helio-4 y helio-3 se denominan líquidos cuánticos: los efectos mecánicos cuánticos aparecen en ellos incluso antes de que se solidifiquen. Esto explica el estudio muy detallado del helio líquido. Sí, y producen mucho: cientos de miles de litros al año. Pero el helio sólido apenas se ha estudiado: las dificultades experimentales para estudiar este cuerpo tan frío son grandes. Sin duda, este vacío se llenará, ya que los físicos esperan muchas cosas nuevas del conocimiento de las propiedades del helio sólido: después de todo, también es un cuerpo cuántico.
Inerte pero muy necesario
A fines del siglo pasado, la revista inglesa Punch publicó una caricatura en la que se representaba a Helio como un hombre que guiñaba un ojo astutamente, un habitante del Sol. El texto debajo de la imagen decía: “¡Finalmente, me atraparon en la Tierra! ¡Ha sido suficiente! Me pregunto cuánto tiempo pasará antes de que descubran qué hacer conmigo.
De hecho, han pasado 34 años desde el descubrimiento del helio terrestre (el primer informe sobre esto se publicó en 1881) antes de que encontrara una aplicación práctica. Aquí jugaron un cierto papel las propiedades físicas, técnicas, eléctricas y, en menor medida, químicas originales del helio, que requirieron un largo estudio. Los principales obstáculos fueron la distracción y el alto costo del elemento No. 2.
Los alemanes fueron los primeros en usar helio. En 1915, comenzaron a llenar sus aeronaves bombardeando Londres con él. Pronto, el helio ligero pero no inflamable se convirtió en un relleno indispensable para los vehículos aeronáuticos. El declive de la industria de los dirigibles, que comenzó a mediados de la década de 1930, condujo a una ligera disminución en la producción de helio, pero solo por un corto tiempo. Este gas atrajo cada vez más la atención de químicos, metalúrgicos y constructores de maquinaria.
Muchos procesos y operaciones tecnológicas no se pueden realizar en el aire. Para evitar la interacción de la sustancia resultante (o materia prima) con los gases del aire, se crean entornos de protección especiales; y no hay gas más adecuado para estos fines que el helio.
Inerte, ligero, móvil, buen conductor del calor, el helio es un medio ideal para transferir líquidos y polvos inflamables de un recipiente a otro; son precisamente estas funciones las que realiza en cohetes y misiles guiados. En un entorno protector de helio, tienen lugar etapas separadas de obtención de combustible nuclear. Los elementos combustibles de los reactores nucleares se almacenan y transportan en contenedores llenos de helio.
Con la ayuda de detectores de fugas especiales, cuya acción se basa en la excepcional capacidad de difusión del helio, revelan la más mínima posibilidad de fuga en reactores nucleares y otros sistemas bajo presión o vacío.
Los últimos años se han caracterizado por un aumento renovado en la construcción de aeronaves, ahora sobre una base científica y técnica superior. En varios países, se han construido y se están construyendo aeronaves llenas de helio con una capacidad de carga de 100 a 3000 toneladas. Son económicas, confiables y convenientes para el transporte de carga voluminosa, como gasoductos, refinerías de petróleo, torres de transmisión de energía. , etc El llenado con un 85 % de helio y un 15 % de hidrógeno es ignífugo y solo reduce la sustentación en un 7 % en comparación con el llenado de hidrógeno.
Comenzaron a operar reactores nucleares de alta temperatura de un nuevo tipo, en los que el helio sirve como refrigerante.
El helio líquido se usa ampliamente en la investigación científica y la ingeniería. Las temperaturas ultrabajas favorecen el conocimiento profundo de la materia y su estructura; a temperaturas más altas, los detalles finos de los espectros de energía quedan enmascarados por el movimiento térmico de los átomos.
Ya existen solenoides superconductores hechos de aleaciones especiales que crean fuertes campos magnéticos (hasta 300.000 oersteds) a la temperatura del helio líquido con un gasto de energía insignificante.
A la temperatura del helio líquido, muchos metales y aleaciones se vuelven superconductores. Relés superconductores: los criotrones se utilizan cada vez más en el diseño de computadoras electrónicas. Son simples, confiables, muy compactos. Los superconductores, y con ellos el helio líquido, se vuelven esenciales para la electrónica. Se incluyen en el diseño de detectores de radiación infrarroja, amplificadores moleculares (másers), generadores cuánticos ópticos (láseres) y dispositivos para medir frecuencias de microondas.
Por supuesto, estos ejemplos no agotan el papel del helio en la tecnología moderna. Pero si no fuera por los recursos naturales limitados, no por la extrema dispersión del helio, habría encontrado muchas más aplicaciones. Se sabe, por ejemplo, que cuando se conservan en un ambiente de helio, los productos alimenticios conservan su sabor y aroma originales. Pero la comida enlatada con “helio” sigue siendo una “cosa en sí misma”, porque el helio no es suficiente y se usa solo en las industrias más importantes y donde es indispensable. Por lo tanto, es especialmente insultante darse cuenta de que con el gas natural combustible, cantidades mucho mayores de helio pasan a través de aparatos, hornos y hornos de síntesis química y van a la atmósfera que las extraídas de fuentes que contienen helio.
Ahora se considera ventajoso separar el helio solo en los casos en que su contenido en gas natural no sea inferior al 0,05%. Las reservas de dicho gas están disminuyendo todo el tiempo, y es posible que se agoten muy pronto. Sin embargo, el problema de la "deficiencia de helio" probablemente se resolverá en este momento, en parte debido a la creación de métodos nuevos y más avanzados para separar gases, extrayendo de ellos las fracciones más valiosas, aunque insignificantes, y en parte debido a la fusión termonuclear controlada. . El helio será un producto importante, aunque subproducto, de los "soles artificiales".
Isótopos de helio
En la naturaleza, hay dos isótopos estables de helio: helio-3 y helio-4. El isótopo ligero es un millón de veces menos común en la Tierra que el isótopo pesado. Es el más raro de los isótopos estables que existen en nuestro planeta. Se han obtenido artificialmente otros tres isótopos de helio. Todos ellos son radiactivos. La vida media del helio-5 es de 2,4 x 10 -21 segundos, la del helio-6 es de 0,807 segundos y la del helio-8 es de 0,119 segundos. El isótopo más pesado, interesante porque hay tres neutrones por protón en sus núcleos, se descubrió por primera vez en Dubna en los años 60. La vida media del helio-9 es 7(4) 10 −21 s. La vida media del helio-10 es 2.7(18) 10 −21 s.
Último gas sólido
El helio fue el último de todos los gases en convertirse en estado líquido y sólido. Las especiales dificultades de licuar y solidificar el helio se explican por la estructura de su átomo y algunas características de sus propiedades físicas. En particular, el helio, como el hidrógeno, a temperaturas superiores a -250 °C, al expandirse, no se enfría, sino que se calienta. Por otro lado, la temperatura crítica del helio es extremadamente baja. Es por eso que el helio líquido se obtuvo por primera vez solo en 1908 y sólido, en 1926.
aire helio
El aire en el que todo o la mayor parte de su nitrógeno ha sido reemplazado por helio ya no es una novedad en la actualidad. Es ampliamente utilizado en tierra, bajo tierra y bajo el agua.
El aire helio es tres veces más ligero y mucho más móvil que el aire ordinario. Se comporta de manera más activa en los pulmones: rápidamente ingresa oxígeno y evacua rápidamente el dióxido de carbono. Es por eso que se administra aire helio a pacientes con trastornos respiratorios y algunas operaciones. Alivia la asfixia, trata el asma bronquial y las enfermedades de la laringe.
Respirar aire helio elimina prácticamente la embolia de nitrógeno (enfermedad de los cajones), a la que son susceptibles los buceadores y especialistas de otras profesiones, cuyo trabajo se realiza en condiciones de alta presión, durante la transición de alta presión a normal. La causa de esta enfermedad es bastante significativa, especialmente en la presión arterial alta, la solubilidad del nitrógeno en la sangre. A medida que la presión disminuye, se libera en forma de burbujas de gas que pueden obstruir los vasos sanguíneos, dañar los nódulos nerviosos... A diferencia del nitrógeno, el helio es prácticamente insoluble en los fluidos corporales, por lo que no puede provocar la enfermedad por descompresión. Además, el aire de helio elimina la aparición de "anestesia de nitrógeno", aparentemente similar a la intoxicación por alcohol.
Tarde o temprano, la humanidad tendrá que aprender a vivir y trabajar durante mucho tiempo en el fondo del mar para aprovechar seriamente los recursos minerales y alimentarios de la plataforma. Y a grandes profundidades, como han demostrado los experimentos de investigadores soviéticos, franceses y estadounidenses, el helio-aire sigue siendo indispensable. Los biólogos han demostrado que la respiración prolongada con aire de helio no causa cambios negativos en el cuerpo humano y no amenaza cambios en el aparato genético: la atmósfera de helio no afecta el desarrollo de las células y la frecuencia de las mutaciones. Hay trabajos cuyos autores consideran que el helio aire es el medio aéreo óptimo para las naves espaciales que realizan vuelos de larga duración al Universo. Pero hasta ahora, el aire de helio artificial aún no se ha elevado más allá de la atmósfera terrestre.
Basado en materiales: images-of-elements.com, n-t.ru
Asignación de números de florete. Tamaños de figuras de papel de aluminio infladas en forma de números. Determinación del volumen de helio necesario para inflar figuras de papel aluminio. La cuestión de los precios de las cifras cifras infladas con helio.
Significado de los números de lámina
Los números de lámina se utilizan para indicar fechas y cifras significativas en el registro. globos. Anteriormente, antes de que aparecieran en el mercado los números de aluminio, los diseñadores tenían que hacer números similares con globos de látex. talla pequeña montado en el marco. Con respecto a los números no estándar o números grandes, esta práctica aún persiste. Sin embargo, para la mayoría de las ocasiones, se utilizan números de papel de aluminio inflados con helio o aire.
En los casos estándar, los números de papel de aluminio reemplazan perfectamente a los análogos hechos a mano con globos redondos de látex. Calidad predecible, bajo costo, alta velocidad de obtención de resultados: estos son los puntos que determinan el uso generalizado de figuras de papel de aluminio.
La industria amplía constantemente la gama de figuras metalizadas: además de los números sólidos (oro, plata, rojo, azul, rosa, etc.), se fabrican figuras que contienen un adorno, un patrón temático o se suministran figuras metalizadas, que son un elemento de diseño colorido.
Altura de los números de lámina regulares
En nuestro país se venden figuras de foil grandes (para helio y para aire). Hay ofertas para comprar figuras de diferentes alturas: 86 cm, 91 cm, 95 cm, 102 cm ( diferentes fabricantes y proveedores). Seamos claros: todos los números de lámina estándar regulares (de diferentes fabricantes), cuando están inflados, tienen la misma altura: alrededor de 85 - 86 cm.
Sí, colegas: las figuras de Anagram y Betallic (EE. UU.), Flexmetal (España), la lámina de Grabo regular (Italia) o incluso las figuras de Falali (China, es decir, "Jolly Feast"), cuando están infladas, tienen la misma altura estándar: aproximadamente 85 - 86cm.
Incluso las figuras "Merry Holiday" con tamaños indicados en los paquetes como 34 "/ 86 cm y 40" / 102 cm, de hecho, tienen la misma altura (en realidad, allí solo cambia el ancho de los números y su volumen, respectivamente).
De hecho, la altura de las figuras de papel de aluminio se ha convertido en el estándar seguido por la mayoría de los fabricantes de bolas y figuras de papel de aluminio.
Volumen de helio para figuras de aluminio
Muchas personas involucradas en nuestra profesión tienen preguntas sobre la cantidad de helio necesaria para inflar una figura particular de una figura. Alguien quiere determinar el costo, alguien solo quiere "saberlo todo", alguien necesita configurar la contabilidad y controlar a sus empleados...
Intentaremos dar respuestas para todos. Como base, tomamos los números de láminas habituales producidos por BETALLIC (EE. UU.).
Los datos de los números de lámina de otros fabricantes pueden diferir ligeramente.
El precio de los números de lámina de helio.
El cálculo del precio de venta total para los números de lámina inflados con helio consta de varios componentes:
- el costo del helio bombeado en una figura de lámina (ver arriba);
- el costo de la figura de lámina en sí - figuras (precios de los proveedores);
- teniendo en cuenta el costo del matrimonio de la inflación y el matrimonio de los números mismos (el porcentaje total de matrimonio supera el 100%, como dice la práctica);
- el costo de inflar y atar números de florete;
- margen comercial.
En realidad, el margen comercial es muchas veces mayor que el precio de costo. Esto es lo que atrae a multitudes de “novatos” a nuestra profesión. La oportunidad de hacer negocios con un margen de ganancia del 300%, siempre que su tanque de helio esté instalado en casa y no haya otros gastos de alquiler, salarios e impuestos, es para muchos un boleto a un mundo de cuento de hadas.
Sin embargo, con el tiempo llega la comprensión de que no todo es tan simple. Pero esa es una historia completamente diferente.
Todo bien y gatos.