Hēlijs ir patiesi cēlgāze. Viņu vēl nav izdevies piespiest kādās reakcijās. Hēlija molekula ir monatomiska.
Viegluma ziņā šī gāze ir otrajā vietā aiz ūdeņraža, gaiss ir 7,25 reizes smagāks par hēliju.
Hēlijs gandrīz nešķīst ūdenī un citos šķidrumos. Un tāpat šķidrā hēlijā manāmi nešķīst neviena viela.
Cietu hēliju nevar iegūt nevienā temperatūrā, ja vien netiek paaugstināts spiediens.
Šī elementa atklāšanas, izpētes un pielietošanas vēsturē ir atrodami daudzu ievērojamu fiziķu un ķīmiķu vārdi. dažādas valstis. Viņus interesēja hēlijs, strādāja ar hēliju: Jansens (Francija), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Anglija), Palmieri (Itālija), Keesom, Camerling-Onnes (Holande), Feynman, Onsager (ASV), Kapitsa, Kikoin , Landau (Padomju Savienība) un daudzi citi ievērojami zinātnieki.
Hēlija atoma izskata unikalitāti nosaka divu pārsteidzošu dabisko struktūru kombinācija tajā - absolūtie čempioni kompaktuma un izturības ziņā. Hēlija kodolā, hēlijā-4, ir piesātināti abi intranukleārie apvalki – gan protoni, gan neitroni. Arī elektroniskais dublets, kas veido šo kodolu, ir piesātināts. Šiem dizainparaugiem ir atslēga, lai izprastu hēlija īpašības. Līdz ar to tā fenomenālā ķīmiskā inerce un rekordlielais atoma izmērs.
Hēlija atoma kodola - alfa daļiņu loma kodolfizikas veidošanās un attīstības vēsturē ir milzīga. Ja atceraties, tas bija alfa daļiņu izkliedes pētījums, kas lika Rezerfordam atklāt atoma kodolu. Kad slāpeklis tika bombardēts ar alfa daļiņām, elementu savstarpēja pārvēršana tika veikta pirmo reizi - tas ir tas, par ko daudzas alķīmiķu paaudzes ir sapņojušas gadsimtiem ilgi. Tiesa, šajā reakcijā zeltā pārvērtās nevis dzīvsudrabs, bet gan slāpeklis skābeklī, taču tas ir gandrīz tikpat grūti izdarāms. Tās pašas alfa daļiņas tika iesaistītas neitrona atklāšanā un pirmā mākslīgā izotopa ražošanā. Vēlāk, izmantojot alfa daļiņas, tika sintezēts kārijs, berkelijs, kalifornijs un mendelevija.
Mēs esam uzskaitījuši šos faktus tikai vienam mērķim – lai parādītu, ka elements #2 ir ļoti neparasts elements.
zemes hēlijs
Hēlijs ir neparasts elements, un tā vēsture ir neparasta. Tas tika atklāts Saules atmosfērā 13 gadus agrāk nekā uz Zemes. Precīzāk, Saules vainaga spektrā tika atklāta spilgti dzeltena D līnija, un tas, kas aiz tās slēpjas, kļuva ticami zināms tikai pēc tam, kad no zemes minerāliem, kas satur radioaktīvos elementus, tika iegūts hēlijs.
Hēliju uz Saules atklāja francūzis J. Jansens, kurš savus novērojumus veica Indijā 1868. gada 19. augustā, un anglis J.H. Lockyer - tā paša gada 20. oktobris. Abu zinātnieku vēstules Parīzē ieradās tajā pašā dienā un tika nolasītas Parīzes Zinātņu akadēmijas sanāksmē 26.oktobrī ar vairāku minūšu intervālu. Akadēmiķi, kurus pārsteidza tik dīvaina sakritība, nolēma par godu šim notikumam izsist zelta medaļu.
1881. gadā par hēlija atklāšanu vulkāniskās gāzēs ziņoja itāļu zinātnieks Palmieri. Tomēr viņa vēstījumu, kas vēlāk tika apstiprināts, nopietni uztvēra daži zinātnieki. Sekundāro zemes hēliju Ramzijs atklāja 1895. gadā.
V zemes garoza Ir 29 izotopi, kuru radioaktīvās sabrukšanas laikā veidojas alfa daļiņas - ļoti aktīvi, augstas enerģijas hēlija atomu kodoli.
Pamatā zemes hēlijs veidojas urāna-238, urāna-235, torija un nestabilo sabrukšanas produktu radioaktīvās sabrukšanas laikā. Nesalīdzināmi mazāks hēlija daudzums rodas, lēni sabrūkot samārija-147 un bismutam. Visi šie elementi ģenerē tikai smago hēlija izotopu - 4 He, kura atomus var uzskatīt par alfa daļiņu paliekām, kas apraktas divu pāru elektronu apvalkā - elektronu dubletā. Agrā ģeoloģiskie periodi, iespējams, bija arī citas dabiski radioaktīvas elementu sērijas, kas jau bija pazudušas no Zemes virsmas, piesātinot planētu ar hēliju. Viens no tiem bija tagad mākslīgi atjaunotais Neptūna seriāls.
Atbilstoši aizvērtā hēlija daudzumam akmens vai minerālu, var spriest par to absolūto vecumu. Šie mērījumi ir balstīti uz radioaktīvās sabrukšanas likumiem: piemēram, puse no urāna-238 pārvēršas hēlijā un svinā 4,52 miljardu gadu laikā.
Hēlijs zemes garozā uzkrājas lēni. Viena tonna granīta, kas satur 2 g urāna un 10 g torija, miljona gadu laikā saražo tikai 0,09 mg hēlija – puskubikcentimetru. Ļoti nedaudzie minerāli, kas bagāti ar urānu un toriju, satur diezgan lielu hēlija daudzumu – dažus kubikcentimetrus hēlija uz gramu. Taču šo minerālu īpatsvars dabiskā hēlija ražošanā ir tuvu nullei, jo tie sastopami ļoti reti.
Dabīgie savienojumi, kas satur alfa aktīvos izotopus, ir tikai primārais avots, bet ne izejviela rūpnieciskai hēlija ražošanai. Tiesa, daži minerāli ar blīvu struktūru - vietējie metāli, magnetīts, granāts, apatīts, cirkons un citi - stingri notur tajos esošo hēliju. Tomēr lielākā daļa minerālu galu galā tiek pakļauti atmosfēras iedarbībai, pārkristalizācijai utt., Un hēlijs tos atstāj.
No kristāliskajām struktūrām izdalītie hēlija burbuļi devās ceļojumā pa zemes garozu. Ļoti neliela daļa no tiem izšķīst gruntsūdeņi. Vairāk vai mazāk koncentrētu hēlija šķīdumu veidošanai nepieciešami īpaši apstākļi, galvenokārt augsts spiediens. Vēl viena nomadiskā hēlija daļa nonāk atmosfērā caur minerālu porām un plaisām. Atlikušās gāzes molekulas iekrīt pazemes lamatās, kur tās uzkrājas desmitiem, simtiem miljonu gadu. Slazdi ir irdenu iežu slāņi, kuru tukšumi ir piepildīti ar gāzi. Šādu gāzes rezervuāru gultne parasti ir ūdens un eļļa, un no augšas tos bloķē gāzi necaurlaidīgi blīvu iežu slāņi.
Tā kā zemes garozā klīst arī citas gāzes (galvenokārt metāns, slāpeklis, oglekļa dioksīds), turklāt daudz lielākos daudzumos, tīri hēlija uzkrājumu nav. Hēlijs atrodas dabasgāzēs kā neliels piemaisījums. Tās saturs nepārsniedz tūkstošdaļas, simtdaļas, reti procenta desmitdaļas. Liels (1,5...10%) hēlija saturs metāna-slāpekļa nogulsnēs ir ārkārtīgi reta parādība.
Dabasgāzes izrādījās praktiski vienīgais izejvielu avots hēlija rūpnieciskai ražošanai. Lai atdalītu no citām gāzēm, tiek izmantota hēlija ārkārtējā nepastāvība, kas saistīta ar tā zemo sašķidrināšanas temperatūru. Pēc tam, kad visas pārējās dabasgāzes sastāvdaļas ir kondensētas ar dziļu dzesēšanu, hēlija gāze tiek izsūknēta. Pēc tam to attīra no piemaisījumiem. Rūpnīcas hēlija tīrība sasniedz 99,995%.
Hēlija rezerves uz Zemes tiek lēstas 5·10 14 m 3 ; spriežot pēc aprēķiniem, tas veidojies zemes garozā vairāk nekā 2 miljardus gadu desmit reizes vairāk. Šī teorijas un prakses neatbilstība ir saprotama. Hēlijs ir viegla gāze un, tāpat kā ūdeņradis (lai gan lēnāk), neizplūst no atmosfēras kosmosā. Iespējams, Zemes pastāvēšanas laikā mūsu planētas hēlijs tika atkārtoti atjaunināts - vecais izkļuva kosmosā, un tā vietā atmosfērā iekļuva svaigs - Zemes “izelpots”.
Litosfērā ir vismaz 200 000 reižu vairāk hēlija nekā atmosfērā; vēl vairāk potenciālā hēlija glabājas Zemes "dzemdē" – alfa aktīvajos elementos. Bet kopējais šī elementa saturs Zemē un atmosfērā ir neliels. Hēlijs ir reta un izkliedēta gāze. Uz 1 kg sauszemes materiāla ir tikai 0,003 mg hēlija, un tā saturs gaisā ir 0,00052 tilpuma procenti. Tik zema koncentrācija vēl neļauj ekonomiski iegūt hēliju no gaisa.
Hēlijs Visumā
Mūsu planētas zarnās un atmosfērā ir maz hēlija. Bet tas nenozīmē, ka ar to nepietiek visur Visumā. Pēc mūsdienu aplēsēm 76% no kosmiskās masas ir ūdeņradis un 23% hēlijs; uz visiem pārējiem elementiem paliek tikai 1%! Tādējādi pasaules vielu var saukt par ūdeņraža hēliju. Šie divi elementi dominē zvaigznēs, planētu miglājos un starpzvaigžņu gāzēs.
Rīsi. viens. Elementu pārpilnības līknes uz Zemes (augšā) un kosmosā.
"Kosmiskā" līkne atspoguļo ūdeņraža un hēlija izņēmuma lomu Visumā un hēlija grupas īpašo nozīmi atoma kodola struktūrā. Vislielākais relatīvais daudzums ir tiem elementiem un to izotopiem, kuru masas skaitlis ir sadalīts četros: 16 O, 20 Ne, 24 Mg utt.
Iespējams, visas Saules sistēmas planētas satur radiogēno (veidojoties alfa sabrukšanas laikā) hēliju, un uz lielajām planētām ir arī relikts hēlijs no kosmosa. Jupitera atmosfērā hēlijs ir bagātīgi pārstāvēts: saskaņā ar dažiem datiem tur ir 33%, pēc citiem - 17%. Šis atklājums veidoja pamatu vienam no slavenā zinātnieka un zinātniskās fantastikas rakstnieka A. Azimova stāstiem. Stāsta centrā ir plāns (iespējams, nākotnē īstenojams) hēlija nogādāšanai no Jupitera vai pat izmešanai uz tuvāko šīs planētas satelītu - Jupiter V - kibernētisko mašīnu armādu uz kriotroniem (par tiem - zemāk) . Iegremdēts Jupitera atmosfēras šķidrajā hēlijā (īpaši zema temperatūra un supravadītspēja - nepieciešamos nosacījumus kriotroni), šīs mašīnas pārvērtīs Jupiteru V par Saules sistēmas smadzeņu centru ...
Zvaigžņu hēlija izcelsmi 1938. gadā skaidroja vācu fiziķi Bete un Veizsakers. Vēlāk viņu teorija saņēma eksperimentālu apstiprinājumu un precizējumu ar daļiņu paātrinātāju palīdzību. Tās būtība ir šāda.
Hēlija kodoli tiek sintezēti zvaigžņu temperatūrā no protoniem kodolsintēzes procesā, kas atbrīvo 175 miljonus kilovatstundu enerģijas uz katru kilogramu hēlija.
Dažādi reakciju cikli var izraisīt hēlija saplūšanu.
Ne pārāk karstu zvaigžņu apstākļos, piemēram, mūsu Saule, šķiet, ka dominē protonu-protonu cikls. Tas sastāv no trim secīgām transformācijām. Pirmkārt, divi protoni lielā ātrumā apvienojas, veidojot deuteronu – protona un neitrona struktūru; šajā gadījumā tiek atdalīts pozitrons un neitrīno. Turklāt deuterons tiek apvienots ar protonu, veidojot vieglu hēliju ar gamma kvantu emisiju. Visbeidzot reaģē divi 3 He kodoli, pārvēršoties par alfa daļiņu un diviem protoniem. Alfa daļiņa, ieguvusi divus elektronus, kļūs par hēlija atomu.
Tas pats galarezultāts dod ātrāku oglekļa-slāpekļa ciklu, kura nozīme Saules apstākļos nav īpaši liela, taču uz zvaigznēm, kas ir karstākas par Sauli, šī cikla loma ir pastiprināta. Tas sastāv no sešiem soļiem – reakcijām. Ogleklis šeit spēlē protonu saplūšanas procesa katalizatora lomu. Šo transformāciju laikā izdalītā enerģija ir tāda pati kā protonu-protonu ciklā - 26,7 MeV uz hēlija atomu.
Hēlija saplūšanas reakcija ir zvaigžņu enerģētiskās aktivitātes, to mirdzuma pamatā. Līdz ar to hēlija sintēzi var uzskatīt par visu dabas reakciju priekšteci, dzīvības, gaismas, siltuma un meteoroloģisko parādību cēloni uz Zemes.
Hēlijs ne vienmēr ir zvaigžņu saplūšanas galaprodukts. Saskaņā ar profesora D.A. Franka-Kamenecka hēlija kodolu secīgā saplūšanā veidojas 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, un protonu satveršana ar šiem kodoliem noved pie citu kodolu veidošanās. Smago elementu kodolu sintēzei līdz transurānam ir nepieciešamas ārkārtīgi augstas temperatūras, kas attīstās uz nestabilām "jaunām" un "supernovas" zvaigznēm.
Slavenais padomju ķīmiķis A.F. Kapustinskis sauca ūdeņraža un hēlija protoelementus - primārās vielas elementus. Vai tas nav tas, kas izskaidro ūdeņraža un hēlija īpašo stāvokli periodiskajā elementu sistēmā, jo īpaši to, ka pirmajam periodam būtībā nav citiem periodiem raksturīgās periodiskuma?
Lielākā daļa no visvairāk...
Hēlija atoms (aka molekula) ir spēcīgākā no molekulārajām struktūrām. Tās divu elektronu orbītas ir tieši vienādas un iet ārkārtīgi tuvu kodolam. Lai atklātu hēlija kodolu, jums jāpatērē rekordliela enerģija - 78,61 MeV. Līdz ar to hēlija fenomenālā ķīmiskā pasivitāte.
Pēdējo 15 gadu laikā ķīmiķiem ir izdevies iegūt vairāk nekā 150 smago cēlgāzu ķīmiskos savienojumus (par smago cēlgāzu savienojumiem tiks runāts rakstos "Kriptons" un "Ksenons"). Tomēr hēlija inerce, tāpat kā iepriekš, nav aizdomīga.
Aprēķini liecina, ka, ja tiktu atrasts veids, kā iegūt, teiksim, fluorīdu vai hēlija oksīdu, tad veidošanās laikā tie absorbētu tik daudz enerģijas, ka iegūtās molekulas ar šo enerģiju no iekšpuses “uzsprāgtu”.
Hēlija molekulas ir nepolāras. Starpmolekulārās mijiedarbības spēki starp tiem ir ārkārtīgi mazi - mazāki nekā jebkurā citā vielā. Tātad - zemākās kritisko daudzumu vērtības, zemākā viršanas temperatūra, zemākie iztvaikošanas un kušanas siltumi. Runājot par hēlija kušanas temperatūru, normālā spiedienā tas vispār nepastāv. Šķidrais hēlijs temperatūrā, kas ir patvaļīgi tuvu absolūtajai nullei, nesacietē, ja papildus temperatūrai tas tiek pakļauts 25 vai vairāk atmosfēras spiedienam. Citas tādas vielas dabā nav.
Nav arī citas gāzes, kas tik niecīgi šķīst šķidrumos, īpaši polārajos, un kas būtu tik maz pakļauta adsorbcijai, kā hēlijs. Tas ir labākais elektrības vadītājs starp gāzēm un otrais pēc ūdeņraža, siltuma vadītājs. Tā siltumietilpība ir ļoti augsta un viskozitāte ir zema.
Hēlijs pārsteidzoši ātri iekļūst caur plānām starpsienām, kas izgatavotas no dažiem organiskiem polimēriem, porcelāna, kvarca un borsilikāta stikla. Interesanti, ka hēlijs caur mīkstu stiklu izkliedējas 100 reizes lēnāk nekā caur borsilikāta stiklu. Hēlijs var arī iekļūt daudzos metālos. Tikai dzelzs un platīna grupas metāli, pat karsti, tam ir pilnībā necaurlaidīgi.
Pamatojoties uz selektīvās caurlaidības principu jauna metode tīra hēlija ieguve no dabasgāzes.
Zinātnieki izrāda īpašu interesi par šķidro hēliju. Pirmkārt, tas ir aukstākais šķidrums, kurā turklāt manāmi nešķīst neviena viela. Otrkārt, tas ir vieglākais no šķidrumiem ar minimālu virsmas spraigumu.
2,172°K temperatūrā šķidrā hēlija īpašības krasas mainās. Iegūto sugu parasti sauc par hēliju II. Hēlijs II vārās diezgan atšķirīgi no citiem šķidrumiem, vārot nevārās, tā virsma paliek pavisam mierīga. Hēlijs II vada siltumu 300 miljonus reižu labāk nekā parasts šķidrais hēlijs (hēlijs I). Hēlija II viskozitāte ir praktiski nulle, tā ir tūkstoš reižu mazāka par šķidrā ūdeņraža viskozitāti. Tāpēc hēlijam II piemīt superfluiditāte – spēja bez berzes plūst caur patvaļīgi maza diametra kapilāriem.
Cits stabils hēlija izotops 3 He pāriet superšķidruma stāvoklī temperatūrā, kas ir tikai grāda simtdaļu attālumā no absolūtās lodes. Superšķidrumo hēliju-4 un hēliju-3 sauc par kvantu šķidrumiem: kvantu mehāniskie efekti tajos parādās pat pirms tie sacietē. Tas izskaidro ļoti detalizēto šķidrā hēlija izpēti. Jā, un tagad viņi to ražo daudz - simtiem tūkstošu litru gadā. Bet cietais hēlijs gandrīz nav pētīts: eksperimentālās grūtības, pētot šo ļoti auksto ķermeni, ir lielas. Neapšaubāmi, šī plaisa tiks aizpildīta, jo fiziķi no zināšanām par cietā hēlija īpašībām sagaida daudz jauna: galu galā tas ir arī kvantu ķermenis.
Inerts, bet ļoti nepieciešams
Pagājušā gadsimta beigās angļu žurnāls Punch publicēja multfilmu, kurā hēlijs tika attēlots kā viltīgi mirgojošs cilvēciņš – Saules iemītnieks. Teksts zem attēla bija šāds: “Beidzot viņi mani noķēra uz Zemes! Ir pagājis pietiekami ilgs laiks! Interesanti, cik ilgs laiks paies, līdz viņi sapratīs, ko ar mani darīt?
Patiešām, kopš zemes hēlija atklāšanas (pirmais ziņojums par to tika publicēts 1881. gadā) ir pagājuši 34 gadi, pirms tas tika atrasts praktiski. Noteiktu lomu šeit spēlēja oriģinālie fizikālie, tehniskie, elektriskie un, mazākā mērā, Ķīmiskās īpašības hēlijs, kas prasīja ilgu pētījumu. Galvenie šķēršļi bija izlaidība un elementa Nr.2 augstās izmaksas.
Vācieši bija pirmie, kas izmantoja hēliju. 1915. gadā viņi sāka ar to piepildīt savus dirižabļus, kas bombardēja Londonu. Drīz vien vieglais, bet neuzliesmojošs hēlijs kļuva par neaizvietojamu aeronavigācijas transportlīdzekļu pildvielu. Dirižabļu rūpniecības lejupslīde, kas sākās 20. gadsimta 30. gadu vidū, izraisīja nelielu hēlija ražošanas samazināšanos, bet tikai līdz plkst. īsu laiku. Šī gāze arvien vairāk piesaistīja ķīmiķu, metalurgu un mašīnbūvētāju uzmanību.
Daudzus tehnoloģiskos procesus un darbības nevar veikt gaisā. Lai izvairītos no iegūtās vielas (vai izejvielu) mijiedarbības ar gaisa gāzēm, tiek izveidota īpaša aizsargvide; un šiem mērķiem nav piemērotākas gāzes par hēliju.
Inerts, viegls, mobils, labs siltumvadītājs, hēlijs ir ideāls līdzeklis viegli uzliesmojošu šķidrumu un pulveru pārvietošanai no viena konteinera uz otru; tieši šīs funkcijas tas veic raķetēs un vadāmajās raķetēs. Hēlija aizsardzības vidē notiek atsevišķi kodoldegvielas iegūšanas posmi. Kodolreaktoru degvielas elementi tiek uzglabāti un transportēti ar hēliju piepildītos konteineros.
Ar īpašu noplūdes detektoru palīdzību, kuru darbība balstās uz izcilu hēlija difūzijas spēju, tie atklāj vismazāko noplūdes iespēju kodolreaktoros un citās sistēmās zem spiediena vai vakuuma.
Pēdējie gadi ir bijuši raksturīgi ar jaunu dirižabļu būves pieaugumu, tagad uz augstāku zinātnisku un tehnisku pamatojumu. Vairākās valstīs ir uzbūvēti un tiek būvēti ar hēliju pildīti dirižabļi ar kravnesību no 100 līdz 3000 tonnām, kas ir ekonomiski, uzticami un ērti lielgabarīta kravu pārvadāšanai, piemēram, gāzes vadi, naftas pārstrādes rūpnīcas, elektropārvades torņi. utt. Pildījums ar 85% hēlija un 15% ūdeņraža ir ugunsdrošs un samazina pacēlumu tikai par 7%, salīdzinot ar ūdeņraža pildījumu.
Sākās augstā temperatūra kodolreaktori jauna tipa, kurā hēlijs kalpo kā dzesēšanas šķidrums.
V zinātniskie pētījumišķidrais hēlijs tiek plaši izmantots tehnoloģijā. Īpaši zemas temperatūras veicina padziļinātas zināšanas par vielu un tās struktūru – augstākās temperatūrās smalkas enerģijas spektra detaļas tiek maskētas atomu termiskās kustības dēļ.
Jau pastāv supravadoši solenoīdi, kas izgatavoti no īpašiem sakausējumiem, kas šķidrā hēlija temperatūrā rada spēcīgus magnētiskie lauki(līdz 300 tūkst. oerstedu) ar niecīgām enerģijas izmaksām.
Šķidra hēlija temperatūrā daudzi metāli un sakausējumi kļūst par supravadītājiem. Supravadošie releji - kriotroni arvien vairāk tiek izmantoti elektronisko datoru projektēšanā. Tie ir vienkārši, uzticami, ļoti kompakti. Supravadītāji un līdz ar tiem šķidrais hēlijs kļūst par būtisku elektroniku. Tie ir iekļauti infrasarkanā starojuma detektoru, molekulāro pastiprinātāju (mazeru), optisko kvantu ģeneratoru (lāzeru) un mikroviļņu frekvenču mērīšanas ierīču konstrukcijā.
Protams, šie piemēri neizsmeļ hēlija lomu mūsdienu tehnoloģijās. Bet, ja tas nebūtu ierobežots dabas resursi, nevis ārkārtēja hēlija izkliede, tam būtu daudz vairāk pielietojumu. Ir zināms, piemēram, ka, konservējot hēlija vidē, pārtikas produkti saglabā savu sākotnējo garšu un aromātu. Bet "hēlija" konservi joprojām paliek "lieta pati par sevi", jo ar hēliju nepietiek un to izmanto tikai svarīgākajās nozarēs un tur, kur tas ir neaizstājams. Tāpēc ir īpaši apvainojoši apzināties, ka ar degošu dabasgāzi caur ķīmiskās sintēzes aparātiem, krāsnīm un krāsnīm un nonāk atmosfērā daudz lielāks hēlija daudzums nekā tas, kas iegūts no hēliju saturošiem avotiem.
Tagad tiek uzskatīts par izdevīgu hēliju atdalīt tikai gadījumos, kad tā saturs dabasgāzē nav mazāks par 0,05%. Šādas gāzes rezerves visu laiku samazinās, un, iespējams, tās tiks izsmeltas līdz mūsu gadsimta beigām. Tomēr “hēlija deficīta” problēma līdz šim laikam tiks atrisināta – daļēji pateicoties jaunu, progresīvāku metožu radīšanai gāzu atdalīšanai, vērtīgāko, lai arī nenozīmīgāko frakciju iegūšanai no tām, un daļēji pateicoties kontrolētai kodolsintēzei. . Hēlijs būs nozīmīgs, kaut arī blakusprodukts "mākslīgo saulīšu" produkts.
Hēlija izotopi
Dabā ir divi stabili hēlija izotopi: hēlijs-3 un hēlijs-4. Vieglais izotops uz Zemes ir miljons reižu retāk sastopams nekā smagais izotops. Tas ir retākais no stabilajiem izotopiem, kas pastāv uz mūsu planētas. Mākslīgi iegūti vēl trīs hēlija izotopi. Visi no tiem ir radioaktīvi. Hēlija-5 pussabrukšanas periods ir 2,4 10 -21 sekunde, hēlija-6 ir 0,83 sekundes, hēlija-8 ir 0,18 sekundes. Smagākais izotops, kas interesants ar to, ka uz vienu protonu tā kodolos ir trīs neitroni, pirmo reizi tika atklāts Dubnā 60. gados. Mēģinājumi iegūt hēliju-10 līdz šim ir bijuši nesekmīgi.
Pēdējā cietā gāze
Hēlijs bija pēdējā no visām gāzēm, kas tika pārvērsta šķidrā un cietā stāvoklī. Hēlija sašķidrināšanas un sacietēšanas īpašās grūtības ir izskaidrojamas ar tā atoma uzbūvi un dažām iezīmēm fizikālās īpašības. Jo īpaši hēlijs, tāpat kā ūdeņradis, temperatūrā virs -250°C, izplešoties, nevis atdziest, bet uzsilst. No otras puses, hēlija kritiskā temperatūra ir ārkārtīgi zema. Tāpēc šķidrais hēlijs pirmo reizi tika iegūts tikai 1908. gadā, bet cietais - 1926. gadā.
hēlija gaiss
Gaiss, kurā viss vai lielākā daļa slāpekļa ir aizstāts ar hēliju, mūsdienās vairs nav jaunums. To plaši izmanto uz sauszemes, pazemē un zem ūdens.
Hēlija gaiss ir trīs reizes vieglāks un daudz kustīgāks par parasto gaisu. Plaušās tas uzvedas aktīvāk – ātri atnes skābekli un ātri evakuējas oglekļa dioksīds. Tāpēc pacientiem ar elpošanas traucējumiem un dažām operācijām tiek dots hēlija gaiss. Tas atvieglo nosmakšanu, dziedē bronhiālā astma un balsenes slimības.
Hēlija gaisa elpošana praktiski novērš slāpekļa emboliju (kesona slimību), pret kuru pārejot no augsta spiediena uz normālu ir uzņēmīgi ūdenslīdēji un citu profesiju speciālisti, kuru darbs notiek augsta spiediena apstākļos. Šīs slimības cēlonis ir diezgan nozīmīgs, īpaši pie augsta asinsspiediena, slāpekļa šķīdība asinīs. Samazinoties spiedienam, tas izdalās gāzes burbuļu veidā, kas var aizsprostot asinsvadus, bojāt nervu mezglus... Atšķirībā no slāpekļa, hēlijs praktiski nešķīst ķermeņa šķidrumos, tāpēc nevar izraisīt dekompresijas slimību. Turklāt hēlija gaiss novērš "slāpekļa anestēzijas" rašanos, kas ārēji līdzīga alkohola intoksikācijai.
Agri vai vēlu cilvēcei būs jāiemācās dzīvot un ilgstoši strādāt jūras gultnē, lai nopietni izmantotu šelfa minerālu un pārtikas resursus. Un lielā dziļumā, kā liecina padomju, franču un amerikāņu pētnieku eksperimenti, hēlija gaiss joprojām ir neaizstājams. Biologi ir pierādījuši, ka ilgstoša elpošana ar hēlija gaisu neizraisa negatīvas izmaiņas cilvēka organismā un neapdraud izmaiņas ģenētiskajā aparātā: hēlija atmosfēra neietekmē šūnu attīstību un mutāciju biežumu. Ir darbi, kuru autori hēlija gaisu uzskata par optimālo gaisa vidi kosmosa kuģiem, kas veic garus lidojumus uz Visumu. Taču līdz šim mākslīgais hēlija gaiss vēl nav pacēlies tālāk par zemes atmosfēru.
Sīkāka informācija Kategorija: Skatījumi: 698
HĒLIJS(Viņš), monatomisks elements, pieder pie cēlgāzu saimes, kas atrodas periodiskās tabulas nulles grupā; atommasa 3,99, blīvums attiecībā pret gaisu 0,137; 1 m 3 ķīmiski tīra hēlija pie 0 ° un 760 mm sver 0,1785 kg (hēlijs ir 7,2 reizes vieglāks par gaisu un 2 reizes smagāks par ūdeņradi); 1 m 3 hēlija pacelšanas spēks tādos pašos apstākļos ir 1,114 kg (t.i., 92,6% no ūdeņraža celšanas spēka). Hēlijs ir gāze, bez krāsas un smaržas, pilnīgi ķīmiski inerta, nedeg un neatbalsta degšanu, nav iekļauta nevienā no visiem zināmajiem savienojumiem un nepiedalās ķīmiskās reakcijas, nedaudz šķīst ūdenī, pilnībā nešķīst benzolā un spirtā. Hēlijs gandrīz nepārvēršas šķidrā stāvoklī (šķidro hēliju 1908. gadā pirmo reizi ieguva Kammerling-Onnes, atdzesējot hēliju līdz -258 ° temperatūrai ar šķidru ūdeņradi, kas vārās zem pazemināta spiediena); šajā formā hēlijs ir kustīgs, bezkrāsains un ir vieglākais šķidrums pēc ūdeņraža; viršanas temperatūra -268,75°, kritiskā temperatūra -267,75°, kritiskais spiediens 2,3 Atm, šķidrā hēlija virsmas spraigums ir vājš, lielākais blīvums ir 0,1459 temperatūrā -270,6°. Hēlija siltumvadītspēja 0° temperatūrā saskaņā ar Švarca eksperimentiem ir 0,0003386. No visām gāzēm pēc neona hēlijs ir labākais elektrības vadītājs; tā dielektriskā izturība ir 18,3 (neonam 5,6, gaisam 419).
Hēlija spēja izkliedēties caur gumijotiem audumiem (balonu apvalku) ir 1,47 reizes mazāka nekā ūdeņradim. Hēlijs, ko izmanto aeronautikas dirižabļu piepildīšanai, padara lidojumus uz tiem drošu uguns ziņā pat tad, ja hēlijam tiek pievienots ūdeņradis 14% tilpuma (saskaņā ar Amerikas standartu biroja eksperimentiem 1918. gadā). Hēlijs pirmo reizi tika atklāts 1868. gadā saules atmosfērā, pētot spektru laikā saules aptumsums novērota Indijā. Jauno spilgti dzelteno līniju, kas redzama spektrā un tuvu nātrija D 1 un D 2 līnijām, Jansens nosauca par D 3; Franklends un Lokers atklāja, ka tas pieder pie vēl nezināma elementa, ko viņi sauca par hēliju (- sauli). 1888. gadā Hillebrandts atklāja jaunu inertu gāzi gāzēs, kas karsējot izdalās no noteiktiem urāna minerāliem, ko viņš uzskatīja par alotropisku slāpekļa veidu; Ramzijs 1895. gadā noteica, ka šis jauns elements- hēlijs utt. pierādīja hēlija klātbūtni uz zemes; tajā pašā laikā Kaiser konstatēja hēlija klātbūtni gaisā; tad tas tika atrasts daudzos minerālos (galvenokārt radioaktīvos), dažu minerālavotu, raktuvju, vulkānu, geizeru gāzēs un dabasgāzēs, kas izplūst no augsnes. Hēlija daudzums atmosfēras gaisā ir niecīgs, pēc Ramsay eksperimentiem - 0,00041% pēc tilpuma, pēc turpmākajiem eksperimentiem ~ 0,0005% (tiek uzskatīts, ka 1000 m 3 gaisa satur 5 l hēlija) un 0,00007% pēc svara.
Hēlija ekstrakcija no gaisa (parasti ar šķidrā gaisa frakcionēšanas metodēm) tā zemā procentuālā daudzuma dēļ, kā arī tāpēc, ka ir grūti atdalīt hēliju no citām gāzēm, piemēram, neona (neona gaisā ir 3 reizes vairāk nekā hēlija), ir tikai laboratorijas raksturs. Minerālvielās hēlijs ir aizsprostotā stāvoklī, kas atrodas nelielās minerāla porās. Hēliju iegūst no kleveīta (no 1 g kleveīta - 7,2 cm 3 hēlija), no monacīta (2,4 cm 3), ferguzonīta (2 cm 3), brogerīta (1 cm 3), torianīta (8-9 cm 3) , aeshinīts (1 cm 3) un citi urāna un torija minerāli; hēlijs ir atrodams arī kālija minerālos, kvarcā, berilā uc Radioaktīvos minerālos esošā hēlija daudzums ir atkarīgs no ģeoloģiskā vecuma, no iežu blīvuma un no urāna vai torija satura tajos. Minerālavotu gāzes, kas izdalās no ūdens virsmas burbuļu veidā, dažkārt satur salīdzinoši lielu% hēlija; saskaņā ar Mureux pētījumiem hēlija saturs franču atsperu gāzēs sasniedz 10% pēc tilpuma (avots Santenā); taču to gada debets ir niecīgs (ne vairāk kā 5-10 m3 hēlija gadā). Raktuvju gāzes dažkārt ir bagātas ar hēliju, taču to izdalīšanās ir neregulāra un parasti īslaicīga. Vulkāniskās gāzes joprojām ir maz pētītas. Hēlija ekstrakcijai ar uzskaitītajiem veidiem ir laboratorijas raksturs. Rūpnieciska nozīme ir tikai hēlija ieguvei no dabasgāzēm, kas rodas no zemes zarnām. Dabasgāzes pētījumi hēlijam tiek veikti ASV, Francijā, Beļģijā, Vācijā, Itālijā, Rumānijā, Austrijā, tomēr lielākā daļa šeit apskatīto avotu, izņemot ASV, satur nenozīmīgu % hēlija vai tiem ir ļoti mazs gada apjoms. plūsmas ātrumu, lai pasaules monopols hēlija jomā paliktu ASV.
Attiecībā uz PSRS ir pamats uzskatīt, ka hēlija rūpniecību var ievērojami attīstīt, jo daudzos apgabalos (Vidusvolgas reģions, Kaukāzs) ir liels skaits dabasgāzes avotu, kas neapšaubāmi satur hēliju. Kubana, Abšeronas pussala utt.).
Hēlija izmantošana aeronautikā, novēršot gāzes aizdegšanās draudus dirižabļos, arī dod iespēju novietot motorus nevis piekarināmajās gondolās, kā parasti, bet gan korpusa iekšpusē, kas ievērojami samazinās pretestību un līdz ar to palielinās gaisa kuģu kustības ātrumu. kuģis. Pateicoties lēnākai hēlija difūzijai caur apvalku nekā ūdeņradim, dirižabļa pacelšanas spēks tiek labāk saglabāts. Liela hēlija priekšrocība ir iespēja viegli attīrīt jau izmantoto gāzi no piesārņotājiem, kas tiek veikta, izlaižot to caur īpašiem attīrīšanas aparātiem. Papildus aeronautikai hēliju izmanto (salīdzinoši nelielos daudzumos) arī citās tehnoloģiju jomās, kā arī zinātniskiem pētījumiem, īpaši dažādu procesu un ķermeņu īpašību pētīšanai ļoti zemās temperatūrās (tika sasniegta -272,1° temperatūra). iztvaicējot šķidram hēlijam). Visa rinda fizikas, ķīmijas, bioloģijas, botānikas jautājumi, kuru risināšanai nepieciešama ļoti zema temperatūra, m. b. noskaidrots, izmantojot šķidro hēliju. Zinātniskajos pētījumos hēliju plaši izmanto vairākās laboratorijās dažādās valstīs, īpaši Kriogēnajā institūtā Leidenē (Holandē), kur profesors Kammerling-Onnes izgatavoja vairākas vērtīgas zinātniskie atklājumi; piemēram, ir konstatēts, ka dažu metālu elektrovadītspēja ļoti zemā temperatūrā palielinās miljoniem reižu, salīdzinot ar elektrovadītspēju parastā temperatūrā. Hēliju izmanto arī elektriskajā rūpniecībā kvēlspuldzēm un citām lampām ar volframa uzgaļiem. Pētot hēliju, tiek atvērtas vairākas jaunas tā pielietošanas jomas.
Hēlija ražošana no dabasgāzēm.
Hēlija nogulsnes. 1903. gadā netālu no Deksteras Kanzasā (ASV) tika atklāta sekla dabiskā plaisa, kas izdalīja gāzi. Gāze bija gandrīz nedegoša, un ar to tā krasi atšķīrās no parastajām dabasgāzēm. H. P. Kedy un D. F. McFarland, kuriem tika nosūtīti šīs gāzes paraugi analīzei, ziņoja, ka tā sastāv no 15% ogļūdeņražu un 85% inertas gāzes, acīmredzot slāpekļa. Turpmāka šīs frakcijas izpēte parādīja, ka papildus slāpeklim tajā ir nenozīmīgs daudzums neona un argona un 1,84% hēlija. Tika analizētas arī gāzes, kas emitētas citviet Kanzasas dienvidos un blakus esošajās teritorijās, un konstatēts, ka tās satur nelielu daudzumu hēlija. Lai gan Keidijs un Makfārlends publicēja savu pētījumu rezultātus, šī ziņojuma nozīme netika pienācīgi novērtēta līdz 1914.–1918. gada kara sākumam. Līdz tam laikam hēlijs tika iegūts tikai no minerālu avotiem vai no radioaktīviem minerāliem. Kamēr miljoniem m 3 hēlija izplūda gaisā, sadedzinot Kanzasas un blakus esošo teritoriju dabasgāzes, šīs gāzes daudzums, kas varētu būt zinātnieku rīcībā, visticamāk, nepārsniedza 0,25 m 3 . Šī nelielā gāzes daudzuma izmaksas nebija mazākas par 15 000 USD.
1915. gadā, uzzinot par Keidija un Makfārlenda darbu, Lielbritānijas valdība piešķīra līdzekļus hēlija apsekojumu izgatavošanai Ontario - vienīgajā vietā Lielbritānijas īpašumos, kur dabasgāze pastāvēja ievērojamos daudzumos, un 1917. gadā, ieejot kara laikā ASV veica arī visu gāzes avotu izpēti, kas piemērota hēlija rūpnieciskai ieguvei militārās aeronautikas vajadzībām.
Vintonas apgabalā Ohaio štatā atrastas atradnes, kas satur gāzi ar 0,25-0,5% hēlija. Tomēr izplūdušās gāzes daudzums bija neliels. Paraugs no Guevres gāzes urbuma Montānā uzrādīja hēlija saturu 0,27%. Tā kā liels gāzes urbums Petrolijā (Teksasas ziemeļos) izcēlās ar ļoti augstu slāpekļa saturu, šajā apgabalā tika veikti pētījumi. Nekavējoties tika apstiprināta gāzes atradņu klātbūtne ar tik augstu hēlija saturu kā Kanzasā un Oklahomas ziemeļos. Depozīts, kas atrasts Teksasas ziemeļos, sniedzās no Brauna apgabala uz ziemeļiem līdz robežlīnijai starp Teksasu un Oklahomu. Hēlija procentuālais daudzums ievērojami svārstījās, un, lai gan vairākās akās gāzes saturēja vairāk nekā 0,25% hēlija, tikai Petrolijā hēlija saturs bija tik augsts, ka varēja runāt par mēģinājumiem to iegūt. Viena no analīzēm uzrādīja 1,18% hēlija, un vidēji tā saturs nedaudz pārsniedza 0,9%.
Kanzasā ir atrastas nogulsnes ar hēlija saturu no 0,1 (vai nedaudz mazāk) līdz gandrīz 0,2%. Ievērojami daudzumi tika atrasti Eldorado akā Betleras apgabalā, kur tika konstatēts, ka gāze satur 1,1% hēlija un 40% slāpekļa. Vēl viens nozīmīgs centrs ir Augusta aka tajā pašā rajonā. Šeit horizonts 360-420 m dziļumā uzrādīja 1,03-1,14% hēlija. Hēlija procentuālais daudzums šajā horizontā neliecināja par citiem horizontiem, un 460 m dziļumā tas izrādījās tikai 0,43%. Šī atšķirība starp atsevišķiem horizontiem tika konstatēta visos pētītajos urbumos, un šīs parādības izskaidrošana zinātnei ir ļoti grūts uzdevums. Visaugstākais hēlija saturs tika konstatēts Deksterā un ar to saistītajās seklajās akās Kovlijas apgabalā Kanzasā. Hēlija saturs šajā apgabalā bija no 0,9 līdz 2,0% (aptuveni). Pēc tam, 1917.–1918. gadā, tika atklāti daudzi naftas un gāzes atradnes. Daži no tiem saturēja ievērojamu daudzumu hēlija; viens no tiem, Nokona aka pie Petrolijas, satur 1,2% hēlija. 1927. gadā netālu no bijušajiem laukiem Deksterā tika izurbti vairāki urbumi, kas deva gandrīz tādu pašu hēlija saturu, kādu pirms divdesmit gadiem bija noteikuši Keidijs un Makfārlends. Šo lauku attīsta privātā rūpnīca The Helium С°.
Vissvarīgākie papildinājumi esošajiem hēlija resursiem Amerikas Savienotajās Valstīs bija Pangendlas apgabals Teksasas dienvidrietumos un Vudsaidas sistēma Jūtas plato. Pangendlas lauks aizņem vairāk nekā 5000 km 2 . Neliels hēlija daudzums ir atrasts daudzos šī apgabala punktos, taču tikai neliela daļa no kopējās platības pašlaik tiek uzskatīta par piemērotu rūpnieciskai attīstībai. Tomēr tiek pieņemts, ka šeit pieejamais hēlija daudzums var nodrošināt rūpnīcu ar 60 000 m 3 ikmēneša jaudu 20 gadus.
Pēc Amerikas Savienotajām Valstīm visdaudzsološākie noguldījumi šķiet Kanādā. Tiek uzskatīts, ka no Formost akas Alberta m.b. Ik gadu tika saņemti 60 000 m 3 hēlija. Bet hēlija saturs gāzē šeit ir tikai 0,2%. Tāpat tiek uzskatīts, ka Bow salas aka tajā pašā provincē ik gadu ražo 35 000 m 3 hēlija no gāzes ar vidējo hēlija saturu 0,3%. Ontario gāzes urbumos ir visaugstākais hēlija saturs, īpaši Pīlas apgabalā, kur tiek atklāta gāze ar 0,8% hēlija saturu. Bet kopējais iespējamās ražošanas apjoms šeit ir neliels un var būt aptuveni 6000 m 3 gadā.
Hēlija saturs gāzēs. Nevienlīdzīgais hēlija saturs vienā un tajā pašā urbumā dažādos horizontos jau ir norādīts iepriekš. Līdzīgi hēlija saturs dažādās akās, kas saņem savu gāzi vienā horizontā dažādās noteiktās ģeoloģiskās sistēmas daļās, var ievērojami atšķirties. Daži autori ir ierosinājuši, ka hēlija saturs katrā iedobē samazinās, samazinoties iežu radītajam spiedienam. Lai pamatotu šo uzskatu, viņi atsaucas uz analīzēm, kas pierāda, ka vidējais hēlija saturs Petrolia gāzē 1926. gada novembrī bija 0,8986%, bet 1925. gada jūlijā tas bija 1,1039%. Taču šāda atšķirība var būt citu iemeslu dēļ - iespējams, sakaru izveide ar nabadzīgākām akām. Šīs atšķirības hēlija saturā vienā un tajā pašā urbumā un fakts, ka akās, kas bieži ir cieši saistītas ar bagātīgām hēlija atradnēm, tā pilnībā nav, ir ļoti grūti formulēt jebkuru darba hipotēzi par hēlija izcelsmi un izplatību.
Cady un McFarland secināja, ka hēlija saturs ir proporcionāls slāpekļa saturam. Vispārīgi runājot, tā var būt taisnība, taču ir daudz gāzu avotu ar ļoti augstu slāpekļa saturu gandrīz pilnīgā hēlija trūkuma gadījumā. Pieņēmums, ka tikai nedegošas gāzes spēj radīt vairāk vai mazāk ievērojamu daudzumu hēlija, arī izrādījās kļūdains pēc hēlija atklāšanas Petrolia gāzē. Pirms hēlija atklāšanas Vudsaidas sistēmā tika pieņemts, ka gāzes, kas satur hēliju, pieder tikai paleozoja laikmeta apvāršņiem, jo visiem Ohaio un Ontārio viduszonas veidojumiem ir tieši šāda ģeoloģiskā izcelsme. Mežmalas gāze nāk no agrīnā mezozoja horizonta, kas atrodas tieši virs permas perioda (vēlā paleozoja laikmeta) akmeņiem. Gāzes no Montānas un dažām Alberta akām atrodas krīta veidojumos. Interesanti atzīmēt, ka terciārā perioda veidojumu gāzes ir nesalīdzināmi nabadzīgākas hēlija ziņā nekā paleozoja apvāršņi.
Saskaņā ar vispārējo uzskatu, hēlija saturs dabasgāzēs nav atkarīgs no to materiālu atlieku nogulsnēšanās apstākļiem, no kuriem rodas šo gāzu degošās sastāvdaļas. Visi zinātnieki ir vienisprātis, ka hēlija izcelsme noteikti ir radusies no pavisam citiem avotiem, nevis uzliesmojošām vielām, un tā izcelsme parasti tiek skaidrota ar radioaktīvo centru esamību tuvu vai zem tiem nogulumu apvāršņiem, kur ir koncentrēts hēlijs. Hēlija izdalīšanās saistība ar tām centrālo valstu apgabaliem, kur bija milzīgas seno kristālisko iežu izplūdes, liecina par radioaktivitātes centru esamību izplūdes vietās. Taču būs nepieciešams daudz vairāk pētījumu, lai izdarītu galīgo secinājumu par šo jautājumu un spriestu par citām iespējamām hēlija nogulsnēm (skatīt tabulu).
Hēlija rūpnieciskā ražošana. Kad klātbūtne tika noteikta pietiekami hēlijs Petrolijā, tika uzsākta divu izmēģinājuma rūpnīcu celtniecība Fortvērtā, un pēc tam sākās trešās rūpnīcas celtniecība pašā Petrolijā. Pēdējā iekārta pieņēma Džefrija-Nortona metodi; vienu no Fortvērtas rūpnīcām projektēja un vadīja Linde Air Products C°, otru Air Reduction C°. Abas pēdējās ražotnes bija paredzētas apmēram 200 m 3 hēlija dienā. Sešas nedēļas pēc Lindes rūpnīcas nodošanas ekspluatācijā tā sāka ražot nelielu daudzumu 50% hēlija; četrus mēnešus vēlāk rūpnīcas ikdienas produkcija palielinājās līdz 140 m 3 70% hēlija; ar turpmāku attīrīšanu hēlija saturu varētu palielināt līdz 93%. Gaisa samazināšanas C° projekts tika balstīts uz Kloda metodi, ko viņš vairākus gadus bija izmantojis citu gāzu ieguvē. Tomēr šo metodi hēlija ieguvei nevarēja tik viegli pielāgot kā Lindes metodi. Džefrija-Nortona metode ir balstīta uz tiem pašiem principiem kā Kloda metode, un, lai gan teorētiski tai vajadzētu būt produktīvākai par citām, tā tomēr nedeva atbilstošus rezultātus vairāku mehānisku grūtību dēļ.
Lindes metodes praktiskais pārākums kļuva skaidrs līdz 1918. gada rudenim, un tad tika izstrādāts projekts, lai izveidotu rūpnīcu ar jaudu 1000 m 3 hēlija dienā. Celtniecība tika uzsākta 1919. gadā, un 1921. gadā rūpnīca sāka darboties. Sākumā rūpnīcas produktivitāte bija zema, taču nelielas izmaiņas konstrukcijā to ievērojami palielināja, un 1925. gada jūnijā iekārta sasniedza maksimālo ražīgumu 35 000 m 3 hēlija. Pēc tam tā produktivitāte strauji kritās, jo samazinājās gāzes piegāde no Petrolia.
Uzdevumu iegūt hēliju no dabasgāzes sarežģī fakts, ka papildus ķīmiskajai inercei un ārkārtīgi zemajai viršanas temperatūrai hēlijs veido tikai niecīgu daļu no bagātākajām dabasgāzēm. Visas konstrukcijas ir balstītas uz ogļūdeņražu un slāpekļa kā šķidrumu atdalīšanu un hēlija kā atlikušās gāzes ražošanu. Tā kā tas ir saistīts ar ārkārtīgi zemu temperatūru izmantošanu, ir svarīgi pēc iespējas ātrāk noņemt oglekļa dioksīdu, lai izvairītos no sasalšanas. Visu augu dizains vispārīgi runājot ir tāds pats. Galvenā atšķirība ir gāzu galīgās dzesēšanas un sašķidrināšanas metodē. Linde dizains ir balstīts uz Džoula-Tomsona efektu. Šajā konstrukcijā vajadzīgā zemā temperatūra tiek panākta, iztvaicētājā vai zemspiediena uztvērējā paplašinot augstspiediena atdzesētās gāzes. Kloda projektā temperatūra, kas nepieciešama citu gāzu, izņemot hēliju, sašķidrināšanai, t.i., -200°, tiek panākta, izlaižot daļu ļoti stipri kondensētas gāzes caur izplešanās aparātu. No teorētiskā viedokļa Kloda process ir produktīvāks nekā Lindes process. Bet izplešanās mašīnas izmantošana ir saistīta ar mehāniskām grūtībām, kas izrādījās nepārvaramas gaisa samazināšanas C ° rūpnīcai. Jeffreys-Norton procesā viņi centās panākt lielāku efektivitāti, izmantojot trīs izplešanās tvertnes, kas darbojas dažādās temperatūras robežās. Metodes teorētiskā produktivitāte ir augstāka, bet mehāniskās grūtības vēl lielākas nekā ar Kloda metodi.
Lindes veids. Izmēģinājuma rūpnīcā un pirmajā Lindes hēlija rūpnīcas projektā dabasgāze tika nogādāta saskarē ar kaļķa ūdeni īpašos skruberos zemā spiedienā, lai noņemtu oglekļa dioksīdu. Labie rezultāti, kas iegūti ar kaustiskās sodas skruberiem, kas sākotnēji tika izmantoti Jeffreys-Norton sistēmā, pamudināja tos iekļaut arī Linde dizainā. Pēc šīs priekšapstrādes gāze nonāk pirmajā jeb separatora ciklā (1. zīm.).
Daļa gāzes tiek ievadīta četrpakāpju kompresoros, pakļaujot to spiedienam līdz 140 atm. Cita daļa gāzes tiek novadīta caur vadības vārstu zemspiediena cauruļvadā. Šis cauruļvads, kā arī cauruļvads no kompresora nonāk priekšdzesētājā, kur gāzes atdzesē ārējais oglekļa dioksīda cikls, kā arī gāzes, kas atgriežas no iepriekšējās apstrādes. Temperatūra tiek vēl vairāk samazināta, izlaižot abus cauruļvadus caur siltuma izlietni pret atgriežamajām gāzēm. Pēc tam abi cauruļvadi nonāk iztvaicētāja vai separatora apakšā, sazinoties ar to caur virkni sprauslu ar gāzi augstspiedienašeit tas izplešas un atdzesē maisījumu. Atdalītājs ir sadalīts trīs vienībās, katrai no kurām augšējā daļā ir sava attīrīšanas kolonna un kondensators, bet apakšējā daļā - uztvērējs. Katrā vienībā zināma daļa gāzes tiek atbrīvota kā šķidrums, un pārējā gāze nonāk augstākajā vienībā. Šķidrums, iztvaicējot, kalpo, lai atdzesētu augšējo ierīci. Ogļūdeņraži kopā ar nelielu slāpekļa piejaukumu, kas tādējādi ir pārvērtušies. Atkal nonākot gāzveida stāvoklī un pazeminot uz separatoru ejošo gāzu temperatūru, tās atstāj separatoru un tiek nosūtītas caur radiatoru un priekšdzesētāju uz kompresoru, kur to spiediens paaugstinās līdz atdalītāja gāzes spiediena līmenim. pilsētas tīkla cauruļvads. Tīrs slāpeklis tiek noņemts no separatora augšdaļas kā gāze pēc tam, kad tas ir palīdzējis sašķidrināt daļu slāpekļa augšējā blokā. Neapstrādāts hēlijs, t.i., gāze, kas satur aptuveni 35–40% tīra hēlija maisījumā gandrīz tikai ar slāpekli, atstāj augšējo bloku īpašā gāzes turētājā un pēc tam nonāk attīrīšanas ciklā.
Otrajā, attīrīšanas ciklā (2. att.), neapstrādāts hēlijs tiek pakļauts 70 atm spiedienam un tiek nosūtīts uz iepriekšēju dzesētāju un siltuma izlietni. Pirmajā gadījumā tā temperatūru pazemina ārējais oglekļa dioksīda un gāzes cikls, kas atgriežas no attīrītāja. Otrajā gadījumā dzesēšanas efektu panāk atgaitas gāze kopā ar spirālēm, caur kurām iet hēlijs no attīrītāja. Visu gāzu, izņemot hēliju, galīgā dzesēšana un sašķidrināšana notiek attīrītājā, kurā zemā temperatūra tiek panākta ar ārēja slāpekļa cikla palīdzību. Pēdējais tiek iegūts no iepriekšējā cikla separatora. Gāze, kas iegūta no attīrītāja, satur 91-92% un vēl vairāk tīra hēlija.
Citi veidi, kā iegūt hēliju. Galvenā atšķirība starp Linde procesu un iepriekš izmēģinājuma rūpnīcā izmantoto metodi ir tā, ka pēdējā sašķidrināšanu panāca Ch. arr. izmantojot Claude sistēmas ārējo dzesēšanas ciklu. Sistēmas pamatprincipi, ko izmanto Deksteras Hēlija C° rūpnīca, ir gandrīz tādi paši kā Fortvērtas rūpnīcā. Galvenā atšķirība ir veidā, kādā procesa laikā saražotie zemas temperatūras šķidrumi un gāzes tiek izmantoti, lai atdzesētu tikko ienākošās gāzes. Nav ārēja saldēšanas cikla; hēlija atdalīšanās no citām gāzēm notiek sašķidrinātās gāzes kolektorā; slāpekļa, kā arī ogļūdeņražu sašķidrināšana, šķiet, notiek siltuma izlietnes spirālēs un caurulēs, kas ved uz kolektoru. Kolektors kalpo kā vieta hēlija atdalīšanai no šķidrajiem ogļūdeņražiem un slāpekļa.
Hēlija transportēšana un uzglabāšana. Apstrāde ar šo ārkārtīgi reto gāzi nekādā gadījumā nav vienkāršs uzdevums. Līdz nesenam laikam hēlijs vienmēr tika transportēts tērauda balonos ar tilpumu 0,04 m 3, līdzīgi tiem, ko izmanto citām gāzēm. Gāze atradās zem 130-140 atm spiediena, tāpēc katrā šādā cilindrā bija līdz 5,0 m 3 līdz atmosfēras spiedienam samazināta hēlija. Vienkārša kravas vagona ietilpība bija 380 cilindri. Patlaban viss rūpnīcās saražotais hēlijs tiek transportēts speciālās ASV armijai un jūras kara flotei piederošos autocisternās. Šajās tvertnēs ir 42,5 m 3 gāzes, t.i., aptuveni trīs reizes vairāk nekā iepriekš. Autocisternas sastāv no plakanas tērauda konstrukcijas platformas un trīs bezšuvju tērauda cilindriem. Cilindri ir izstiepti visā automašīnas garumā un to iekšējais diametrs ir 137 cm. Tā kā vajadzētu. paredzētas 140 atm spiedienam, to konstrukcijai jābūt ļoti smagai, un tērauda sienām jābūt 75 mm biezām. Vagona konteiners ir aptuveni 100 tonnas, un izmaksas ir 85 000 USD. Hēlija svars uz vienu automašīnu ir aptuveni 1 tonna. Šo automašīnu augstās izmaksas un pārmērīgais svars lika Čikāgas tiltam un dzelzs rūpnīcai apsvērt iespēju izgatavot vieglāku automašīnu. Projektētā automašīna sastāvēs no 48 bezšuvju tērauda cilindriem ar iekšējo diametru 35 mm un garumu, kas vienāds ar automašīnas garumu. Tā jauda būs tāda pati kā trīscilindru. Pagaidām gan šo automašīnu būvniecībai līdzekļi nav piešķirti. Gāzes noplūde no baloniem ir 10% gadā. Tā kā tas notiek tikai caur vārstiem, ir ļoti vēlams izmantot lielus cilindrus.
Hēlija attīrīšana. Uzskata, ka hēlija pacelšanas spēks ir vienāds ar 92% no ūdeņraža pacelšanas spēka, bet tas attiecas tikai uz pilnīgi tīru hēliju. Tā, piemēram, hēliju, kas iegūts no Fortvērtas, tikai ar grūtībām varēja izmantot Shenandoah dirižablim, kas paredzēts ūdeņradim. Kad hēlija saturs difūzijas dēļ sasniedz 85%, ir nepieciešama jauna attīrīšana.
ASV Raktuvju biroja Kriogēnās laboratorijas eksperimentālie pētījumi liecina, ka Aktivētā ogle zemā temperatūrā tas spēj adsorbēt gandrīz visas gāzes, ko satur netīrs hēlijs. Šādai hēlija attīrīšanai birojs armijai uzbūvēja nelielu mobilo aparātu. Tomēr tīrīšanas izmaksas izrādījās pārāk augstas, jo šajā darbībā izmantotie "ogļu podi" bija nekonsekventi, un šī metode netika izmantota. Tāpēc Lekhurstā (Ņūdžersija) tika uzstādīta stacionāra tīrīšanas iekārta. Šeit izmantotā metode būtībā ir tāda pati kā Linde Fort Worth sistēmas tīrīšanas cikls. Netīrā gāze tiek ievadīta skruberī, kur tā tiek atbrīvota no oglekļa dioksīda. No šejienes tas nonāk kompresorā, kur spiediens tiek pazemināts līdz 140 atm. Pēc tam gāzi laiž cauri vairākiem žāvēšanas traukiem, kas piepildīti ar silikagelu, lai noņemtu mitrumu. No šejienes gāze tiek pārnesta uz siltuma izlietni, kur to atdzesē tīrs hēlijs, kas nonāk uzglabāšanā. No absorbera gāze nonāk primārajā tīrītājā, kur tā vēl vairāk atdziest un daļa piemaisījumu kondensējas. Galīgā sašķidrināšana notiek sekundārā tīrītāja spolē un kolektorā. Pēdējo ieskauj pilienu-šķidruma gaiss, kas veidojas Kloda sistēmas ārējā ciklā. Talkā dodas arī kondensētie piemaisījumi, kas sakrājas kolektora apakšā. šķidrs gaiss lai atdzesētu ierīci. Pēc šīs attīrīšanas gāze parasti sasniedz 98%.
Hēlija izmaksas un pielietojums. Līdz šim ASV ir saražots aptuveni 1 miljons m 3 hēlija. Hēlija ražošanas izmaksas komerciālās ražošanas gadījumā Fortvērtā bija aptuveni 23,6 USD par 100 m 3 . Tas pakāpeniski samazinājās un 1924. gadā sasniedza 15,7 USD. Tā kā ūdeņraža cena ir 1 USD par 100 m 3 , ūdeņradis vēl kādu laiku tiks izmantots dirižabļos. Tomēr jāpatur prātā, ka nav aprēķinu, lai ūdeņradi varētu pakļaut jaunai attīrīšanai, un tāpēc gada laikā ir nepieciešams ļoti liels ūdeņraža daudzums, lai apgādātu dirižabli. Hēlija atkārtota attīrīšana Lekhurstā maksā tikai 0,4-0,6 dolārus par 100 m 3 . Ja hēliju attīra pēc vajadzības, tad, kā rāda pieredze, dirižabļa darbībai ik gadu nepieciešams divreiz lielāks hēlija daudzums, salīdzinot ar tā jaudu; tā, piemēram, dirižabļa "Los Angeles" ar 70 000 m 3 ietilpību funkcionēšanai gada laikā nepieciešami 140 000 m 3 hēlija. Jaudīgāku dirižabļu būvniecība, ko paredzējis ASV Kongress, attiecīgi palielinās nepieciešamību pēc hēlija.
autors nezināmsHēlijs (Hēlium, He) ir ķīmiskais elements ar numuru 2 periodiskajā tabulā.
1868. gada 18. augustā bija gaidāms pilns Saules aptumsums. Astronomi visā pasaulē ir aktīvi gatavojušies šai dienai. Viņi cerēja atrisināt prominenču noslēpumu - gaismas izvirzījumus, kas bija redzami pilnīga saules aptumsuma laikā gar Saules diska malām. Daži astronomi uzskatīja, ka prominences ir augsti Mēness kalni, kurus pilnīga Saules aptumsuma laikā izgaismo Saules stari; citi domāja, ka prominences ir kalni uz pašas Saules; vēl citi Saules projekcijās redzēja ugunīgus saules atmosfēras mākoņus. Lielākā daļa uzskatīja, ka prominences bija tikai optiska ilūzija.
1851. gadā Eiropā novērotā Saules aptumsuma laikā vācu astronoms Šmits ne tikai redzēja Saules projekcijas, bet arī spēja pamanīt, ka to aprises laika gaitā mainās. Pamatojoties uz saviem novērojumiem, Šmits secināja, ka prominences ir karsti gāzes mākoņi, kas izmesti saules atmosfērā. milzu izvirdumi. Tomēr pat pēc Šmita novērojumiem daudzi astronomi ugunīgās dzegas joprojām uzskatīja par optisku ilūziju.
Tikai pēc 1860. gada 18. jūlija pilnā aptumsuma, kas tika novērots plkst. Spānijā, kad daudzi astronomi Saules projekcijas ieraudzīja savām acīm, bet itāļu astronomiem Seki un francūzim Delāram izdevās tās ne tikai uzskicēt, bet arī nofotografēt, nevienam nebija šaubu par prominenču esamību.
1860. gadā jau bija izgudrots spektroskops – ierīce, kas ļauj, novērojot optiskā spektra redzamo daļu, noteikt kvalitatīvs sastāvsķermenis, no kura iegūts novērotais spektrs. Tomēr Saules aptumsuma dienā neviens no astronomiem neizmantoja spektroskopu, lai skatītu prominenču spektru. Spektroskopu atcerējās, kad aptumsums jau bija beidzies.
Tāpēc, gatavojoties 1868. gada Saules aptumsumam, katrs astronoms novērošanas instrumentu sarakstā iekļāva spektroskopu. Slavenais franču zinātnieks Žils Jansens šo ierīci neaizmirsa, kad viņš devās uz Indiju, lai novērotu prominences, kur Saules aptumsuma novērošanai apstākļi, pēc astronomu aprēķiniem, bija vislabākie.
Brīdī, kad dzirkstošo Saules disku pilnībā pārklāja Mēness, Žils Jansens, pētot ar spektroskopu oranžsarkanās liesmas, kas izplūst no Saules virsmas, spektrā ieraudzīja papildus trīs pazīstamām ūdeņraža līnijām. : sarkana, zaļi zila un zila, jauna, nepazīstama - spilgti dzeltena. Nevienai no tā laika ķīmiķiem zināmajām vielām nebija šādas līnijas tajā spektra daļā, kurā to atklāja Žils Jansens. To pašu atklājumu, bet mājās Anglijā, veica astronoms Normans Lokers.
1868. gada 25. oktobrī Parīzes Zinātņu akadēmija saņēma divas vēstules. Viens, kas rakstīts dienu pēc Saules aptumsuma, nāca no Gunturas, mazas pilsētiņas Indijas austrumu krastā, no Žila Jansena; cita vēstule, kas datēta ar 1868. gada 20. oktobri, bija no Anglijas no Normana Lokijera.
Saņemtās vēstules tika nolasītas Parīzes Zinātņu akadēmijas profesoru sanāksmē. Tajās Žils Jansens un Normans Lokers neatkarīgi viens no otra ziņoja par vienas un tās pašas "saules vielas" atklāšanu. Šo jauno vielu, kas tika atrasta uz Saules virsmas, izmantojot spektroskopu, Lokers ierosināja saukt hēliju no grieķu vārda "saule" - "helios".
Šāda sakritība pārsteidza akadēmiju profesoru zinātnisko sanāksmi un vienlaikus liecināja par jauna atklājuma objektīvo raksturu. ķīmisks. Par godu saules lāpu (prominenču) vielas atklāšanai tika izsista medaļa. Šīs medaļas vienā pusē ir iegravēti Jansena un Lokijera portreti, bet otrā - sengrieķu saules dieva Apollona attēls četru zirgu vilktā ratā. Zem ratiem bija uzraksts franču valodā: "Saules projekciju analīze 1868. gada 18. augustā."
1895. gadā Londonas ķīmiķis Henrijs Maierss pievērsa slavenā angļu fiziķa un ķīmiķa Viljama Remzija uzmanību toreiz aizmirstajam ģeologa Hildebranda rakstam. Šajā rakstā Hildebrands apgalvoja, ka daži reti minerāli, karsējot sērskābē, izdala gāzi, kas nedeg un neatbalsta degšanu. Starp šiem retajiem minerāliem bija kleveīts, ko Norvēģijā atrada slavenais zviedru polāro apgabalu pētnieks Nordenskiölds.
Ramzijs nolēma izpētīt kleveitā esošās gāzes raksturu. Visos Londonas ķīmijas veikalos Remzija palīgiem izdevās nopirkt tikai ... vienu gramu apmelojumu, par to samaksājot tikai 3,5 šiliņus. Izdalījis vairākus kubikcentimetrus gāzes no iegūtā kleveīta daudzuma un attīrījis to no piemaisījumiem, Remzijs to pārbaudīja ar spektroskopu. Rezultāts bija negaidīts: no kleveīta izdalītā gāze izrādījās ... hēlijs!
Neuzticoties savam atklājumam, Remzijs vērsās pie tā laika lielākā Londonas speciālista Viljama Krūksa spektrālā analīze, ar lūgumu izmeklēt no kleveīta izdalīto gāzi.
Crookes izmeklēja gāzi. Pētījuma rezultāts apstiprināja Ramsay atklājumu. Tātad 1895. gada 23. martā uz Zemes tika atklāta viela, kas tika atrasta uz Saules pirms 27 gadiem. Tajā pašā dienā Ramzijs publicēja savu atklājumu, nosūtot vienu vēstījumu Londonas Karaliskajai biedrībai un otru slavenajam franču ķīmiķim akadēmiķim Bertelo. Vēstulē Bertelo Ramzijs lūdza informēt Parīzes akadēmijas profesoru zinātnisko sanāksmi par savu atklājumu.
Piecpadsmit dienas pēc Remzija, neatkarīgi no viņa, zviedru ķīmiķis Lenglijs izolēja hēliju no kleveīta un, tāpat kā Ramzijs, ziņoja par savu hēlija atklāšanu ķīmiķim Bertelo.
Trešo reizi hēlijs tika atklāts gaisā, kur, pēc Ramsay domām, tam vajadzēja būt no retajiem minerāliem (kleveīta u.c.) iznīcināšanas un ķīmisko pārvērtību laikā uz zemes.
Neliels hēlija daudzums tika atrasts arī dažu minerālavotu ūdenī. Tā, piemēram, to atrada Remzijs ārstnieciskajā avotā Kotre Pirenejos, angļu fiziķis Džons Viljams Reilijs to atrada avotu ūdeņos slavenajā Batas kūrortā, vācu fiziķis Kaizers atklāja hēliju izplūstošajos avotos. Švarcvaldes kalnos. Tomēr lielākā daļa no visa hēlija tika atrasts dažos minerālos. Tas ir atrodams samarskītā, ferguzonītā, kolumbītā, monazītā, uranītā. Īpaši daudz hēlija satur minerāls torianīts no Ceilonas salas. Kilograms torianīta, uzkarsējot līdz karstumam, izdala 10 litrus hēlija.
Drīz vien tika noskaidrots, ka hēlijs ir atrodams tikai tajos minerālos, kas satur radioaktīvo urānu un toriju. Alfa stari, ko izstaro daži radioaktīvie elementi, nav nekas cits kā hēlija atomu kodoli, kas, piesaistoties elektroniem, pārvēršas par hēlija atomiem.
Hēlijs ir caurspīdīga gāze, bez smaržas un garšas, nākamais lielākais atomu svara elements pēc ūdeņraža. Tas ir absolūti inerts, tas ir, neiesaistās nekādās reakcijās. No visām vielām hēlijam ir zemākā viršanas temperatūra -269°C. Šķidrais hēlijs ir izsalkušākais šķidrums. Hēlijs "sasalst" pie - 272 ° C. Šī temperatūra ir tikai par grādu augstāka par absolūtās nulles temperatūru.
Hēlijs ir labākā gāze aeronavigācijas transportlīdzekļiem. To piepildīšanai parasti izmanto hēlija (85%) maisījumu ar ūdeņradi (15%). Milzīgs daudzums hēlija (līdz 200 000 kubikmetriem), kas agrāk bija vajadzīgs dirižabļu uzpildīšanai, tika iegūts galvenokārt no dabasgāzēm.
Lai bombardētu lielas pilsētas, galvenokārt Anglijas un Francijas galvaspilsētas, Vācijas pavēlniecība Pirmā pasaules kara laikā izmantoja cepelīnus. To piepildīšanai tika izmantots ūdeņradis. Tāpēc cīņa ar cepelīniem bija samērā vienkārša: cepelīna čaulā iekritis aizdedzinošais lādiņš aizdedzināja ūdeņradi, cepelīns acumirklī uzliesmoja un izdega. No 123 Vācijā Pirmā pasaules kara laikā uzbūvētajiem cepelīniem 40 izdega no aizdedzinošām lādiņiem, bet vienu dienu Vispārējā bāze Angļu armiju pārsteidza īpaši svarīgais vēstījums. Tiešie aizdedzinošo šāviņu trāpījumi vācu cepelīnam nedeva rezultātus. Cepelīns neplīsa liesmās, bet lēnām, acīmredzot iztecinot kādu nezināmu gāzi, aizlidoja atpakaļ.
Militārie eksperti bija neizpratnē un, neskatoties uz steidzamu un detalizētu diskusiju par cepelīna neuzliesmojamību no aizdedzinošiem lādiņiem, viņi nevarēja atrast nepieciešamo skaidrojumu. Cepelīna mīklu atrisināja angļu ķīmiķis Ričards Trelfals. Vēstulē Lielbritānijas Admiralitātei viņš rakstīja: "... Es uzskatu, ka vācieši izgudroja kādu veidu, kā iegūt hēliju lielos daudzumos, un šoreiz viņi piepildīja sava cepelīna apvalku nevis ar ūdeņradi, kā parasti, bet ar hēliju. ...".
Tomēr Threlfall argumentu pārliecinošumu mazināja fakts, ka Vācijā nebija nozīmīgu hēlija avotu. Tiesa, hēlijs atrodas gaisā, taču ar to tur ir par maz: vienā kubikmetrā gaisa ir tikai 5 kubikcentimetri hēlija. Turklāt Linde sistēmas saldēšanas iekārta, kas vienā stundā pārvērš vairākus simtus kubikmetru gaisa šķidrumā, šajā laikā varētu saražot ne vairāk kā 3 litrus hēlija.
3 litri hēlija stundā! Un cepelīna pildīšanai vajag 5-6 tūkstošus kubikmetru. m Lai iegūtu šādu hēlija daudzumu, vienai Linde mašīnai bez apstājas būtu jāstrādā aptuveni divsimt gadu, divi simti šādu mašīnu dotu vajadzīgo hēlija daudzumu vienā gadā. 200 rūpnīcu celtniecība gaisa pārvēršanai šķidrumā hēlija ražošanai ir ekonomiski ļoti neizdevīga un praktiski bezjēdzīga.
No kurienes vācu ķīmiķi ieguva hēliju?
Šis jautājums, kā vēlāk izrādījās, tika atrisināts salīdzinoši vienkārši. Jau labu laiku pirms kara vācu tvaikoņu kompānijām, kas sūtīja preces uz Indiju un Brazīliju, tika dots norādījums atgriežamos tvaikoņos iekraut nevis parastu balastu, bet gan monacīta smiltis, kas satur hēliju. Tādējādi tika izveidota "hēlija izejvielu" rezerve - apmēram 5 tūkstoši tonnu monacīta smilšu, no kurām ieguva hēliju cepelīniem. Turklāt no Nauheimas minerālavota ūdens tika iegūts hēlijs, kas deva līdz 70 kubikmetriem. m hēlija dienā.
Incidents ar ugunsdrošo cepelīnu bija stimuls jauniem hēlija meklējumiem. Ķīmiķi, fiziķi, ģeologi sāka intensīvi meklēt hēliju. Tas pēkšņi ir kļuvis par lielu vērtību. 1916. gadā 1 kubikmetrs hēlija maksāja 200 000 zelta rubļu, tas ir, 200 rubļus litrā. Ja ņemam vērā, ka litrs hēlija sver 0,18 g, tad 1 g no tā maksāja virs 1000 rubļiem.
Hēlijs ir kļuvis par tirgotāju, spekulantu, biržas tirgotāju medību objektu. Ievērojamos daudzumos hēlijs tika atrasts dabasgāzēs, kas izplūst no zemes zarnām Amerikā, Kanzasas štatā, kur pēc Amerikas iestāšanās karā netālu no Fortvērtas pilsētas tika uzcelta hēlija rūpnīca. Bet karš ir beidzies, hēlija rezerves palika neizmantotas, hēlija izmaksas strauji kritās un 1918. gada beigās sastādīja aptuveni četrus rubļus par kubikmetru.
Ar šādām grūtībām iegūto hēliju amerikāņi izmantoja tikai 1923. gadā, lai piepildītu tagad mierīgo Shenandoah dirižabli. Tas bija pasaulē pirmais un vienīgais gaisa kravas-pasažieru kuģis, kas piepildīts ar hēliju. Tomēr viņa "dzīve" bija īslaicīga. Divus gadus pēc dzimšanas Shenandoah iznīcināja 55 tūkstošus kubikmetru liela vētra. m, gandrīz viss pasaules hēlija krājums, kas tika savākts sešus gadus, vētras laikā, kas ilga tikai 30 minūtes, atmosfērā izkliedēja bez pēdām.
Niršanā hēliju izmanto mākslīgā gaisa ražošanai. Mākslīgais gaiss, kurā slāpeklis daļēji aizstāts ar hēliju, tiek izmantots, lai atvieglotu nirēju elpošanu, kas strādā zem īpaši augsta spiediena.
Kā zināms, gāzu šķīdība šķidrumos, ja citas lietas ir vienādas, ir tieši proporcionāla spiedienam. Ūdenslīdējiem, kas strādā zem augsta spiediena, asinīs ir daudz vairāk izšķīdināta slāpekļa, salīdzinot ar normāliem apstākļiem, kas pastāv uz ūdens virsmas. Paceļoties no dziļuma, spiedienam tuvojoties normai, slāpekļa šķīdība samazinās un sāk izdalīties tā pārpalikums. Ja kāpiens tiek veikts ātri, lieko izšķīdušo gāzu izdalīšanās notiek tik vardarbīgi, ka ar gāzi piesātinātie ar asinīm un ūdeni bagātie ķermeņa audi, atverot pudeli, puto ar slāpekļa masu kā šampanietis. Slāpekļa burbuļu veidošanās asinsvados traucē sirds darbību, to parādīšanās smadzenēs izjauc tās funkcijas, izraisa nopietnus organisma dzīvības funkciju traucējumus un nāvi. Lai novērstu aprakstīto parādību attīstību, kas pazīstama ar nosaukumu "kesona slimība", ūdenslīdēju pieaugums, tas ir, pāreja no augsta spiediena uz normālu, tiek veikta ļoti lēni. Šajā gadījumā izšķīdušo gāzu pārpalikums tiek atbrīvots pakāpeniski un nerodas sāpīgi traucējumi.
Izmantojot mākslīgo gaisu, kurā slāpeklis tiek aizstāts ar mazāk šķīstošu hēliju, kaitīgo traucējumu iespējamība tiek gandrīz pilnībā novērsta. Tas ļauj nirējiem palielināt nolaišanās dziļumu (līdz 100 metriem vai vairāk) un pagarināt zem ūdens pavadīto laiku.
"Hēlija" gaisa blīvums ir trīs reizes mazāks par parastā gaisa blīvumu. Tāpēc "hēlija" gaisu ir vieglāk elpot nekā parasti (samazinās elpošanas muskuļu darbs). Šis apstāklis ir nozīmi ar elpošanas muskuļu slimībām un dažām citām slimībām, kas saistītas ar elpošanas darbību. Tāpēc "hēlija" gaisu medicīnā izmanto arī astmas, nosmakšanas un citu slimību ārstēšanā.
Hēliju izmanto arī zemas temperatūras tehnoloģijā.
Kāds ir labākais veids, kā apgūt valodu? Jūs varat tērēt daudz laika, pūļu un naudas, algojot skolotājus un pasniedzējus, apmeklējot skolas un svešvalodu kursus. Bet tas viss negarantē rezultātu. Svešvalodu vispareizāk ir apgūt, sazinoties ar tās runātāju, tā ir tā sauktā lauka lingvistikas metode. Kur ir labākā vieta, kur trenēties ar dzimtā valoda? Protams, savā dzimtenē – Anglijā. Izglītība Anglijā tiek uzskatīta par labāko pasaulē. Tāpēc angļu valodas apguve Anglijā ir panākumu atslēga svešvalodas apguvē. Atcerieties, ka mūsdienās par visefektīvāko tiek uzskatīta valodas apguve ar tās dzimto valodu.
Hēlijs ir gandrīz inerts ķīmiskais elements. Vienkāršā viela hēlijs ir netoksiska, bezkrāsaina, bez smaržas un garšas. Normālos apstākļos tā ir monatomiska gāze. Tā viršanas temperatūra ir zemākā starp visām vienkāršas vielas; cietais hēlijs tika iegūts tikai spiedienā virs 25 atmosfērām - atmosfēras spiedienā tas nepāriet cietā fāzē pat temperatūrā, kas ir ārkārtīgi tuvu absolūtajai nullei. Ekstrēmi apstākļi ir nepieciešami arī, lai izveidotu dažus hēlija ķīmiskos savienojumus, kuri visi normālos apstākļos ir nestabili. Šī elementa nosaukums cēlies no grieķu valodas. ἥλιος - "Saule". Interesants ir fakts, ka elementa nosaukumā tika izmantots metāliem raksturīgā galotne “-iy” (latīņu valodā “-um” — “Hēlija”), jo Lokers uzskatīja, ka viņa atklātais elements ir metāls. Pēc analoģijas ar citām cēlgāzēm būtu loģiski dot tai nosaukumu "Helion" ("Helions"). V mūsdienu zinātne Nosaukums "hēlija" tika piešķirts hēlija gaismas izotopa kodolam - hēlija-3.
Viegluma ziņā šī gāze ir otrajā vietā aiz ūdeņraža, gaiss ir 7,25 reizes smagāks par hēliju.
Hēlijs gandrīz nešķīst ūdenī un citos šķidrumos. Un tāpat šķidrā hēlijā manāmi nešķīst neviena viela.
Cietu hēliju nevar iegūt nevienā temperatūrā, ja vien netiek paaugstināts spiediens.
Šī elementa atklāšanas, izpētes un pielietošanas vēsturē ir daudzu ievērojamu fiziķu un ķīmiķu vārdi no dažādām valstīm. Cilvēki, kas interesējas par hēliju, strādāja ar hēliju: Jansens (Francija), Lockyer, Crookes (Anglija), Palmieri (Itālija), Kīsoms (Holande), (ASV), Kikoins (Padomju Savienība) un daudzi citi ievērojami zinātnieki.
Hēlija atoma izskata unikalitāti nosaka divu pārsteidzošu dabisko struktūru kombinācija tajā - absolūtie čempioni kompaktuma un izturības ziņā. Hēlija kodolā, hēlijā-4, ir piesātināti abi intranukleārie apvalki – gan protoni, gan neitroni. Arī elektroniskais dublets, kas veido šo kodolu, ir piesātināts. Šajos dizainos - atslēga, lai izprastu hēlija īpašības. Līdz ar to tā fenomenālā ķīmiskā inerce un rekordlielais atoma izmērs.
Hēlija atoma kodola - alfa daļiņu loma kodolfizikas veidošanās un attīstības vēsturē ir milzīga. Ja atceraties, tas bija alfa daļiņu izkliedes pētījums, kas lika Rezerfordam atklāt atoma kodolu. Kad slāpeklis tika bombardēts ar alfa daļiņām, elementu savstarpēja pārvēršana tika veikta pirmo reizi - tas ir tas, par ko daudzas alķīmiķu paaudzes ir sapņojušas gadsimtiem ilgi. Tiesa, šajā reakcijā par skābekli pārvērtās nevis dzīvsudrabs, bet gan slāpeklis, taču tas ir gandrīz tikpat grūti izdarāms. Tās pašas alfa daļiņas tika iesaistītas neitrona atklāšanā un pirmā mākslīgā izotopa ražošanā. Vēlāk, izmantojot alfa daļiņas, tika sintezēts kārijs, berkelijs, kalifornijs un mendelevija.
Mēs esam uzskaitījuši šos faktus tikai vienam mērķim – lai parādītu, ka elements #2 ir ļoti neparasts elements.
zemes hēlijs
Hēlijs ir neparasts elements, un tā vēsture ir neparasta. Tas tika atklāts Saules atmosfērā 13 gadus agrāk nekā uz Zemes. Precīzāk, Saules vainaga spektrā tika atklāta spilgti dzeltena D līnija, un tas, kas aiz tās slēpjas, kļuva ticami zināms tikai pēc tam, kad no zemes minerāliem, kas satur radioaktīvos elementus, tika iegūts hēlijs.
Hēliju uz Saules atklāja francūzis J. Jansens, kurš savus novērojumus veica Indijā 1868. gada 19. augustā, un anglis J.H. Lockyer - tā paša gada 20. oktobris. Abu zinātnieku vēstules Parīzē ieradās tajā pašā dienā un tika nolasītas Parīzes Zinātņu akadēmijas sanāksmē 26.oktobrī ar vairāku minūšu intervālu. Akadēmiķi, kurus pārsteidza tik dīvaina sakritība, nolēma par godu šim notikumam izsist zelta medaļu.
1881. gadā par hēlija atklāšanu vulkāniskās gāzēs ziņoja itāļu zinātnieks Palmieri. Tomēr viņa vēstījumu, kas vēlāk tika apstiprināts, nopietni uztvēra daži zinātnieki. Sekundārais zemes hēlijs tika atklāts 1895. gadā.
Zemes garozā ir 29 izotopi, kuru radioaktīvās sabrukšanas laikā veidojas alfa daļiņas - augsti aktīvi hēlija atomu kodoli ar augstu enerģiju.
Pamatā zemes hēlijs veidojas urāna-238, urāna-235, torija un nestabilo sabrukšanas produktu radioaktīvās sabrukšanas laikā. Nesalīdzināmi mazāks hēlija daudzums rodas, lēni sabrūkot samārija-147 un bismutam. Visi šie elementi ģenerē tikai smago hēlija izotopu - 4 He, kura atomus var uzskatīt par alfa daļiņu paliekām, kas apraktas divu pāru elektronu apvalkā - elektronu dubletā. Agrīnajos ģeoloģiskajos periodos, iespējams, pastāvēja citas dabiski radioaktīvas elementu sērijas, kas jau bija pazudušas no Zemes virsmas, piesātinot planētu ar hēliju. Viens no tiem bija tagad mākslīgi atjaunotais Neptūna seriāls.
Pēc klintī vai minerālā ieslodzītā hēlija daudzuma var spriest par to absolūto vecumu. Šie mērījumi ir balstīti uz radioaktīvās sabrukšanas likumiem: piemēram, puse no urāna-238 pārvēršas hēlijā un svinā 4,52 miljardu gadu laikā.
Hēlijs zemes garozā uzkrājas lēni. Viena tonna granīta, kas satur 2 g urāna un 10 g torija, miljonā gadu saražo tikai 0,09 mg hēlija – puskubikcentimetru. Ļoti nedaudzos minerālos, kas bagāti ar urānu un toriju, hēlija saturs ir diezgan augsts – daži kubikcentimetri hēlija uz gramu. Taču šo minerālu īpatsvars dabiskā hēlija ražošanā ir tuvu nullei, jo tie sastopami ļoti reti.
Dabīgie savienojumi, kas satur alfa aktīvos izotopus, ir tikai primārais avots, bet ne izejviela rūpnieciskai hēlija ražošanai. Tiesa, daži minerāli ar blīvu struktūru - vietējie metāli, magnetīts, granāts, apatīts, cirkons un citi - stingri notur tajos esošo hēliju. Tomēr lielākā daļa minerālu galu galā tiek pakļauti atmosfēras iedarbībai, pārkristalizācijai utt., Un hēlijs tos atstāj.
No kristāliskajām struktūrām izdalītie hēlija burbuļi devās ceļojumā pa zemes garozu. Ļoti neliela daļa no tiem izšķīst gruntsūdeņos. Vairāk vai mazāk koncentrētu hēlija šķīdumu veidošanai nepieciešami īpaši apstākļi, galvenokārt augsts spiediens. Vēl viena nomadiskā hēlija daļa nonāk atmosfērā caur minerālu porām un plaisām. Atlikušās gāzes molekulas iekrīt pazemes lamatās, kur tās uzkrājas desmitiem, simtiem miljonu gadu. Slazdi ir irdenu iežu slāņi, kuru tukšumi ir piepildīti ar gāzi. Šādu gāzes rezervuāru gultne parasti ir ūdens un eļļa, un no augšas tos bloķē gāzi necaurlaidīgi blīvu iežu slāņi.
Tā kā zemes garozā klīst arī citas gāzes (galvenokārt metāns, slāpeklis, oglekļa dioksīds), turklāt daudz lielākos daudzumos, tīri hēlija uzkrājumu nav. Hēlijs atrodas dabasgāzēs kā neliels piemaisījums. Tās saturs nepārsniedz tūkstošdaļas, simtdaļas, reti - procenta desmitdaļas. Liels (1,5...10%) hēlija saturs metāna-slāpekļa nogulsnēs ir ārkārtīgi reta parādība.
Dabasgāzes izrādījās praktiski vienīgais izejvielu avots hēlija rūpnieciskai ražošanai. Lai atdalītu no citām gāzēm, tiek izmantota hēlija ārkārtējā nepastāvība, kas saistīta ar tā zemo sašķidrināšanas temperatūru. Pēc tam, kad visas pārējās dabasgāzes sastāvdaļas ir kondensētas ar dziļu dzesēšanu, hēlija gāze tiek izsūknēta. Pēc tam to attīra no piemaisījumiem. Rūpnīcas hēlija tīrība sasniedz 99,995%.
Hēlija rezerves uz Zemes tiek lēstas 5·10 14 m 3 ; spriežot pēc aprēķiniem, tas veidojies zemes garozā vairāk nekā 4 miljardus gadu desmit reizes vairāk. Šī teorijas un prakses neatbilstība ir saprotama. Hēlijs ir viegla gāze un, tāpat kā ūdeņradis (lai gan lēnāk), tas no atmosfēras izplūst kosmosā. Iespējams, Zemes pastāvēšanas laikā mūsu planētas hēlijs tika atkārtoti atjaunināts - vecais izkļuva kosmosā, un tā vietā atmosfērā iekļuva svaigs - Zemes “izelpots”.
Litosfērā ir vismaz 200 000 reižu vairāk hēlija nekā atmosfērā; vēl vairāk potenciālā hēlija glabājas Zemes "dzemdē" – alfa aktīvajos elementos. Bet kopējais šī elementa saturs Zemē un atmosfērā ir neliels. Hēlijs ir reta un izkliedēta gāze. Uz 1 kg sauszemes materiāla ir tikai 0,003 mg hēlija, un tā saturs gaisā ir 0,00052 tilpuma procenti. Tik zema koncentrācija vēl neļauj ekonomiski iegūt hēliju no gaisa.
Hēlijs Visumā
Mūsu planētas zarnās un atmosfērā ir maz hēlija. Bet tas nenozīmē, ka ar to nepietiek visur Visumā. Pēc mūsdienu aplēsēm 76% no kosmiskās masas ir ūdeņradis un 23% hēlijs; uz visiem pārējiem elementiem paliek tikai 1%! Tādējādi pasaules vielu var saukt par ūdeņraža hēliju. Šie divi elementi dominē zvaigznēs, planētu miglājos un starpzvaigžņu gāzēs.
Rīsi. viens.
"Kosmiskā" līkne atspoguļo ūdeņraža un hēlija izņēmuma lomu Visumā un hēlija grupas īpašo nozīmi atoma kodola struktūrā. Vislielākais relatīvais daudzums ir tiem elementiem un to izotopiem, kuru masas skaitlis ir sadalīts četros: 16 O, 20 Ne, 24 Mg utt.
Iespējams, visas Saules sistēmas planētas satur radiogēno (veidojoties alfa sabrukšanas laikā) hēliju, un uz lielajām planētām ir arī relikts hēlijs no kosmosa. Jupitera atmosfērā hēlijs ir bagātīgi pārstāvēts: saskaņā ar dažiem datiem tur ir 33%, pēc citiem - 17%. Šis atklājums veidoja pamatu vienam no slavenā zinātnieka un zinātniskās fantastikas rakstnieka A. Azimova stāstiem. Stāsta centrā ir plāns (iespējams, nākotnē īstenojams) hēlija nogādāšanai no Jupitera vai pat izmešanai uz tuvāko šīs planētas satelītu - Jupiter V - kibernētisko mašīnu armādu uz kriotroniem (par tiem - zemāk) . Iegremdētas Jupitera atmosfēras šķidrajā hēlijā (īpaši zema temperatūra un supravadītspēja ir nepieciešami nosacījumi kriotronu darbībai), šīs mašīnas pārvērtīs Jupiteru V par Saules sistēmas smadzeņu centru ...
Zvaigžņu hēlija izcelsmi 1938. gadā izskaidroja vācu fiziķi un Weizsäcker. Vēlāk viņu teorija saņēma eksperimentālu apstiprinājumu un precizējumu ar daļiņu paātrinātāju palīdzību. Tās būtība ir šāda.
Hēlija kodoli tiek sintezēti zvaigžņu temperatūrā no protoniem kodolsintēzes procesā, kas atbrīvo 175 miljonus kilovatstundu enerģijas uz katru kilogramu hēlija.
Dažādi reakciju cikli var izraisīt hēlija saplūšanu.
Ne pārāk karstu zvaigžņu apstākļos, piemēram, mūsu Saule, šķiet, ka dominē protonu-protonu cikls. Tas sastāv no trim secīgām transformācijām. Pirmkārt, divi protoni lielā ātrumā apvienojas, veidojot deuteronu – protona un neitrona struktūru; šajā gadījumā tiek atdalīts pozitrons un neitrīno. Turklāt deuterons tiek apvienots ar protonu, veidojot vieglu hēliju ar gamma kvantu emisiju. Visbeidzot reaģē divi 3 He kodoli, pārvēršoties par alfa daļiņu un diviem protoniem. Alfa daļiņa, ieguvusi divus elektronus, kļūs par hēlija atomu.
Tas pats galarezultāts dod ātrāku oglekļa-slāpekļa ciklu, kura nozīme Saules apstākļos nav īpaši liela, taču uz zvaigznēm, kas ir karstākas par Sauli, šī cikla loma ir pastiprināta. Tas sastāv no sešiem soļiem – reakcijām. Ogleklis šeit spēlē protonu saplūšanas procesa katalizatora lomu. Šo transformāciju laikā izdalītā enerģija ir tāda pati kā protonu-protonu ciklā - 26,7 MeV uz hēlija atomu.
Hēlija saplūšanas reakcija ir zvaigžņu enerģētiskās aktivitātes, to mirdzuma pamatā. Līdz ar to hēlija sintēzi var uzskatīt par visu dabas reakciju priekšteci, dzīvības, gaismas, siltuma un meteoroloģisko parādību cēloni uz Zemes.
Hēlijs ne vienmēr ir zvaigžņu saplūšanas galaprodukts. Saskaņā ar profesora D.A. Franka-Kamenecka hēlija kodolu secīgā saplūšanā veidojas 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, un protonu satveršana ar šiem kodoliem noved pie citu kodolu veidošanās. Smago elementu kodolu sintēzei līdz transurānam ir nepieciešamas ārkārtīgi augstas temperatūras, kas attīstās uz nestabilām "jaunām" un "supernovas" zvaigznēm.
Slavenais padomju ķīmiķis A.F. Kapustinskis sauca ūdeņraža un hēlija protoelementus - primārās vielas elementus. Vai tas nav tas, kas izskaidro ūdeņraža un hēlija īpašo stāvokli periodiskajā elementu sistēmā, jo īpaši to, ka pirmajam periodam būtībā nav citiem periodiem raksturīgās periodiskuma?
Lielākā daļa no visvairāk...
Hēlija atoms (aka molekula) ir spēcīgākā no molekulārajām struktūrām. Tās divu elektronu orbītas ir tieši vienādas un iet ārkārtīgi tuvu kodolam. Lai atklātu hēlija kodolu, jums jāpatērē rekordliela enerģija - 78,61 MeV. Līdz ar to hēlija fenomenālā ķīmiskā pasivitāte.
Hēlijs jau sen ir zaudējis savu ķīmiski inerta elementa reputāciju. Līdz šim ir zināmi daudzi gan stabili, gan metastabīli savienojumi, tostarp hēlijs. Pirmkārt, tie ir He 2 (+), He 2 (2+) un HeH(+) molekulārie joni, kas veidojas augstas temperatūras plazmā. Uzbudinātā stāvoklī gan neitrālā He 2 molekula, gan vairāk sarežģīti savienojumi, piemēram, HHeF, HgHe, CsFHeO un citi. Iemesls, kāpēc šie savienojumi ir nestabili un parādās tikai satrauktā stāvoklī, ir diezgan vienkāršs. Viņš ir elements ar elektronu pārpalikumu, tāpēc pamatstāvoklī tā savienojumi ir aizpildījuši atslābinošas molekulārās orbitāles, kas padara ķīmisko saiti ļoti trauslu. Uzbudinātā stāvoklī daži no elektroniem (vai vismaz viens) atstāj atslābinošās orbitāles, pārejot uz augšējām saistošajām; tas noved pie ķīmiskās vielas nostiprināšanas. savienojumiem. No stabilajiem hēlija savienojumiem var atzīmēt, piemēram, salīdzinoši nesen sintezētos endofullerēnus. [aizsargāts ar e-pastu] 60 . Šajās molekulās He atrodas "sfēriskās" C 60 struktūras iekšpusē.
Hēlija molekulas ir nepolāras. Starpmolekulārās mijiedarbības spēki starp tiem ir ārkārtīgi mazi - mazāki nekā jebkurā citā vielā. Tātad - zemākās kritisko daudzumu vērtības, zemākā viršanas temperatūra, zemākie iztvaikošanas un kušanas siltumi. Runājot par hēlija kušanas temperatūru, normālā spiedienā tas vispār nepastāv. Šķidrais hēlijs temperatūrā, kas ir patvaļīgi tuvu absolūtajai nullei, nesacietē, ja papildus temperatūrai tas tiek pakļauts 25 vai vairāk atmosfēras spiedienam. Citas tādas vielas dabā nav.
Nav arī citas gāzes, kas tik niecīgi šķīst šķidrumos, īpaši polārajos, un kas būtu tik maz pakļauta adsorbcijai, kā hēlijs. Tas ir labākais elektrības vadītājs starp gāzēm un otrs, pēc tam, siltuma vadītājs. Tā siltumietilpība ir ļoti augsta un viskozitāte ir zema.
Hēlijs pārsteidzoši ātri iekļūst caur plānām starpsienām, kas izgatavotas no dažiem organiskiem polimēriem, porcelāna, kvarca un borsilikāta stikla. Interesanti, ka hēlijs caur mīkstu stiklu izkliedējas 100 reizes lēnāk nekā caur borsilikāta stiklu. Hēlijs var arī iekļūt daudzos metālos. Viņam pilnīgi necaurlaidīgi ir tikai platīna grupas metāli, pat karstie.
Tīra hēlija iegūšanas metode no dabasgāzes balstās uz selektīvās caurlaidības principu.
Zinātnieki izrāda īpašu interesi par šķidro hēliju. Pirmkārt, tas ir aukstākais šķidrums, kurā turklāt manāmi nešķīst neviena viela. Otrkārt, tas ir vieglākais no šķidrumiem ar minimālu virsmas spraigumu.
2,172°K temperatūrā šķidrā hēlija īpašības krasas mainās. Iegūto sugu parasti sauc par hēliju II. Hēlijs II vārās diezgan atšķirīgi no citiem šķidrumiem, vārot nevārās, tā virsma paliek pavisam mierīga. Hēlijs II vada siltumu 300 miljonus reižu labāk nekā parasts šķidrais hēlijs (hēlijs I). Hēlija II viskozitāte ir praktiski nulle, tā ir tūkstoš reižu mazāka par šķidrā ūdeņraža viskozitāti. Tāpēc hēlijam II piemīt superfluiditāte – spēja bez berzes plūst caur patvaļīgi maza diametra kapilāriem.
Cits stabils hēlija izotops 3 He pāriet superšķidruma stāvoklī temperatūrā, kas ir tikai grāda simtdaļu attālumā no absolūtās lodes. Superšķidrumo hēliju-4 un hēliju-3 sauc par kvantu šķidrumiem: kvantu mehāniskie efekti tajos parādās pat pirms tie sacietē. Tas izskaidro ļoti detalizēto šķidrā hēlija izpēti. Jā, un viņi to ražo daudz - simtiem tūkstošu litru gadā. Bet cietais hēlijs gandrīz nav pētīts: eksperimentālās grūtības, pētot šo ļoti auksto ķermeni, ir lielas. Neapšaubāmi, šī plaisa tiks aizpildīta, jo fiziķi no zināšanām par cietā hēlija īpašībām sagaida daudz jauna: galu galā tas ir arī kvantu ķermenis.
Inerts, bet ļoti nepieciešams
Pagājušā gadsimta beigās angļu žurnāls Punch publicēja multfilmu, kurā hēlijs tika attēlots kā viltīgi mirgojošs cilvēks – Saules iemītnieks. Teksts zem attēla bija šāds: “Beidzot viņi mani noķēra uz Zemes! Ir pagājis pietiekami ilgs laiks! Interesanti, cik ilgs laiks paies, līdz viņi sapratīs, ko ar mani darīt?
Patiešām, kopš zemes hēlija atklāšanas (pirmais ziņojums par to tika publicēts 1881. gadā) ir pagājuši 34 gadi, pirms tas tika atrasts praktiski. Zināmu lomu šeit spēlēja hēlija sākotnējās fizikālās, tehniskās, elektriskās un mazākā mērā ķīmiskās īpašības, kas prasīja ilgu izpēti. Galvenie šķēršļi bija izlaidība un elementa Nr.2 augstās izmaksas.
Vācieši bija pirmie, kas izmantoja hēliju. 1915. gadā viņi sāka ar to piepildīt savus dirižabļus, kas bombardēja Londonu. Drīz vien vieglais, bet neuzliesmojošs hēlijs kļuva par neaizvietojamu aeronavigācijas transportlīdzekļu pildvielu. Dirižabļu nozares lejupslīde, kas sākās 30. gadu vidū, izraisīja nelielu hēlija ražošanas samazināšanos, taču tikai uz īsu laiku. Šī gāze arvien vairāk piesaistīja ķīmiķu, metalurgu un mašīnbūvētāju uzmanību.
Daudzus tehnoloģiskos procesus un darbības nevar veikt gaisā. Lai izvairītos no iegūtās vielas (vai izejvielu) mijiedarbības ar gaisa gāzēm, tiek izveidota īpaša aizsargvide; un šiem mērķiem nav piemērotākas gāzes par hēliju.
Inerts, viegls, mobils, labs siltumvadītājs, hēlijs ir ideāls instruments viegli uzliesmojošu šķidrumu un pulveru pārvietošanai no viena konteinera uz otru; tieši šīs funkcijas tas veic raķetēs un vadāmajās raķetēs. Hēlija aizsardzības vidē notiek atsevišķi kodoldegvielas iegūšanas posmi. Kodolreaktoru degvielas elementi tiek uzglabāti un transportēti ar hēliju piepildītos konteineros.
Ar īpašu noplūdes detektoru palīdzību, kuru darbība balstās uz izcilu hēlija difūzijas spēju, tie atklāj vismazāko noplūdes iespēju kodolreaktoros un citās sistēmās zem spiediena vai vakuuma.
Pēdējie gadi ir bijuši raksturīgi ar jaunu dirižabļu būves pieaugumu, tagad uz augstāku zinātnisku un tehnisku pamatojumu. Vairākās valstīs ir uzbūvēti un tiek būvēti ar hēliju pildīti dirižabļi ar kravnesību no 100 līdz 3000 tonnām, kas ir ekonomiski, uzticami un ērti lielgabarīta kravu pārvadāšanai, piemēram, gāzes vadi, naftas pārstrādes rūpnīcas, elektropārvades torņi. utt. Pildījums ar 85% hēlija un 15% ūdeņraža ir ugunsdrošs un samazina pacēlumu tikai par 7%, salīdzinot ar ūdeņraža pildījumu.
Sāka darboties jauna tipa augstas temperatūras kodolreaktori, kuros hēlijs kalpo kā dzesēšanas šķidrums.
Šķidrais hēlijs tiek plaši izmantots zinātniskajā izpētē un inženierzinātnēs. Īpaši zemas temperatūras veicina padziļinātas zināšanas par vielu un tās struktūru – augstākās temperatūrās smalkas enerģijas spektru detaļas tiek maskētas atomu termiskās kustības dēļ.
Jau eksistē no īpašiem sakausējumiem izgatavoti supravadoši solenoīdi, kas šķidrā hēlija temperatūrā rada spēcīgus magnētiskos laukus (līdz 300 000 oerstedu) ar niecīgu enerģijas patēriņu.
Šķidra hēlija temperatūrā daudzi metāli un sakausējumi kļūst par supravadītājiem. Supravadošie releji - kriotroni arvien vairāk tiek izmantoti elektronisko datoru projektēšanā. Tie ir vienkārši, uzticami, ļoti kompakti. Supravadītāji un līdz ar tiem šķidrais hēlijs kļūst par būtisku elektroniku. Tie ir iekļauti infrasarkanā starojuma detektoru, molekulāro pastiprinātāju (mazeru), optisko kvantu ģeneratoru (lāzeru) un mikroviļņu frekvenču mērīšanas ierīču konstrukcijā.
Protams, šie piemēri neizsmeļ hēlija lomu mūsdienu tehnoloģijās. Bet, ja tie nebūtu ierobežotie dabas resursi, ne ārkārtēja hēlija izkliede, viņš būtu atradis daudz vairāk pielietojumu. Ir zināms, piemēram, ka, konservējot hēlija vidē, pārtikas produkti saglabā savu sākotnējo garšu un aromātu. Bet "hēlija" konservi joprojām paliek "lieta pati par sevi", jo ar hēliju nepietiek un to izmanto tikai svarīgākajās nozarēs un tur, kur tas ir neaizstājams. Tāpēc ir īpaši apvainojoši apzināties, ka ar degošu dabasgāzi caur ķīmiskās sintēzes aparātiem, krāsnīm un krāsnīm un nonāk atmosfērā daudz lielāks hēlija daudzums nekā tas, kas iegūts no hēliju saturošiem avotiem.
Tagad tiek uzskatīts par izdevīgu hēliju atdalīt tikai gadījumos, kad tā saturs dabasgāzē nav mazāks par 0,05%. Šādas gāzes rezerves visu laiku samazinās, un, iespējams, tās jau pavisam drīz izsīks. Tomēr “hēlija deficīta” problēma līdz šim laikam tiks atrisināta – daļēji pateicoties jaunu, progresīvāku metožu radīšanai gāzu atdalīšanai, vērtīgāko, lai arī nenozīmīgāko frakciju iegūšanai no tām, un daļēji pateicoties kontrolētai kodolsintēzei. . Hēlijs būs nozīmīgs, kaut arī blakusprodukts "mākslīgo saulīšu" produkts.
Hēlija izotopi
Dabā ir divi stabili hēlija izotopi: hēlijs-3 un hēlijs-4. Vieglais izotops uz Zemes ir miljons reižu retāk sastopams nekā smagais izotops. Tas ir retākais no stabilajiem izotopiem, kas pastāv uz mūsu planētas. Mākslīgi iegūti vēl trīs hēlija izotopi. Visi no tiem ir radioaktīvi. Hēlija-5 pussabrukšanas periods ir 2,4 10 -21 sekunde, hēlija-6 ir 0,807 sekundes, hēlija-8 ir 0,119 sekundes. Smagākais izotops, kas interesants ar to, ka uz vienu protonu tā kodolos ir trīs neitroni, pirmo reizi tika atklāts Dubnā 60. gados. Hēlija-9 pussabrukšanas periods ir 7(4) 10–21 s. Hēlija-10 pussabrukšanas periods ir 2,7(18) 10 −21 s.
Pēdējā cietā gāze
Hēlijs bija pēdējā no visām gāzēm, kas tika pārvērsta šķidrā un cietā stāvoklī. Hēlija sašķidrināšanas un sacietēšanas īpašās grūtības ir izskaidrojamas ar tā atoma struktūru un dažām tā fizikālo īpašību iezīmēm. Jo īpaši hēlijs, tāpat kā ūdeņradis, temperatūrā virs -250°C, izplešoties, nevis atdziest, bet uzsilst. No otras puses, hēlija kritiskā temperatūra ir ārkārtīgi zema. Tāpēc šķidrais hēlijs pirmo reizi tika iegūts tikai 1908. gadā, bet cietais - 1926. gadā.
hēlija gaiss
Gaiss, kurā viss vai lielākā daļa slāpekļa ir aizstāts ar hēliju, mūsdienās vairs nav jaunums. To plaši izmanto uz sauszemes, pazemē un zem ūdens.
Hēlija gaiss ir trīs reizes vieglāks un daudz kustīgāks par parasto gaisu. Plaušās tas uzvedas aktīvāk – ātri ienes skābekli un ātri izvada oglekļa dioksīdu. Tāpēc pacientiem ar elpošanas traucējumiem un dažām operācijām tiek dots hēlija gaiss. Tas mazina nosmakšanu, ārstē bronhiālo astmu un balsenes slimības.
Hēlija gaisa elpošana praktiski novērš slāpekļa emboliju (kesona slimību), pret kuru pārejot no augsta spiediena uz normālu ir uzņēmīgi ūdenslīdēji un citu profesiju speciālisti, kuru darbs notiek augsta spiediena apstākļos. Šīs slimības cēlonis ir diezgan nozīmīgs, īpaši pie augsta asinsspiediena, slāpekļa šķīdība asinīs. Samazinoties spiedienam, tas izdalās gāzes burbuļu veidā, kas var aizsprostot asinsvadus, bojāt nervu mezglus... Atšķirībā no slāpekļa, hēlijs praktiski nešķīst ķermeņa šķidrumos, tāpēc nevar izraisīt dekompresijas slimību. Turklāt hēlija gaiss novērš "slāpekļa anestēzijas" rašanos, kas ārēji līdzīga alkohola intoksikācijai.
Agri vai vēlu cilvēcei būs jāiemācās dzīvot un ilgstoši strādāt jūras gultnē, lai nopietni izmantotu šelfa minerālu un pārtikas resursus. Un lielā dziļumā, kā liecina padomju, franču un amerikāņu pētnieku eksperimenti, hēlija gaiss joprojām ir neaizstājams. Biologi ir pierādījuši, ka ilgstoša elpošana ar hēlija gaisu neizraisa negatīvas izmaiņas cilvēka organismā un neapdraud izmaiņas ģenētiskajā aparātā: hēlija atmosfēra neietekmē šūnu attīstību un mutāciju biežumu. Ir darbi, kuru autori hēlija gaisu uzskata par optimālo gaisa vidi kosmosa kuģiem, kas veic garus lidojumus uz Visumu. Taču līdz šim mākslīgais hēlija gaiss vēl nav pacēlies tālāk par zemes atmosfēru.
Pamatojoties uz materiāliem: images-of-elements.com, n-t.ru
Folijas numuru piešķiršana. Uzpūstas folijas figūru izmēri skaitļu veidā. Hēlija tilpuma noteikšana, kas nepieciešams folijas figūru piepūšanai. Jautājums par cenu noteikšanu figūrām, kas uzpūstas ar hēliju.
Folijas skaitļu nozīme
Folijas cipari tiek izmantoti, lai norādītu datumus un nozīmīgos skaitļus reģistrācijā baloni. Iepriekš, pirms folijas numuri parādījās tirgū, dizaineriem bija jāizgatavo līdzīgi skaitļi no lateksa baloniem. mazs izmērs uzstādīts uz rāmja. Attiecībā uz nestandarta numuriem vai lieliem skaitļiem šāda prakse joprojām pastāv. Tomēr vairumā gadījumu tiek izmantoti folijas numuri, kas piepūsti ar hēliju vai gaisu.
Standarta gadījumos folijas numuri lieliski aizstāj ar rokām darinātus analogus, kas izgatavoti no apaļiem lateksa baloniem. Paredzama kvalitāte, zemas izmaksas, liels rezultātu iegūšanas ātrums – tie ir punkti, kas nosaka folijas figūru plašo pielietojumu.
Nozare nepārtraukti paplašina folijas figūru klāstu: papildus viengabalainiem cipariem (zelts, sudrabs, sarkans, zils, rozā u.c.) tiek ražotas figūriņas ar ornamentu, tematisku rakstu vai folijas figūriņas, kuras krāsaina dizaina elements.
Parasto folijas ciparu augstums
Mūsu valstī tiek pārdotas lielas folijas figūras (hēlijam un gaisam). Ir piedāvājumi iegādāties dažāda augstuma figūras: 86 cm, 91 cm, 95 cm, 102 cm ( dažādi ražotāji un piegādātāji). Būsim skaidrāk: visiem parastajiem standarta folijas cipariem (no dažādiem ražotājiem), kad tie ir uzpūsti, ir vienāds augstums: aptuveni 85 - 86 cm.
Jā, kolēģi: Anagram un Betallic figūras (ASV), Flexmetal (Spānija), parastas Grabo folijas (Itālija) vai pat Falali figūras (Ķīna, t.i. "Jolly Feast"), kad tās ir uzpūstas, tām ir vienāds standarta augstums: aptuveni 85 - 86 cm.
Pat figūriņām "Priecīgus svētkus", kuru izmēri uz iepakojumiem norādīti 34 "/86 cm un 40" / 102 cm, patiesībā ir vienāda augstuma (reāli tur mainās tikai skaitļu platums un apjoms, attiecīgi).
De facto folijas figūru augstums ir kļuvis par standartu, ko ievēro lielākā daļa folijas bumbiņu un figūru ražotāju.
Hēlija tilpums folijas figūriņām
Daudziem mūsu profesijas pārstāvjiem ir jautājumi par hēlija daudzumu, kas nepieciešams, lai uzpūstu noteiktu figūru. Kāds vēlas noteikt pašizmaksu, kāds vienkārši vēlas "visu zināt", kādam ir jāiekārto grāmatvedība un jākontrolē savi darbinieki...
Mēs centīsimies sniegt atbildes ikvienam. Par pamatu ņemam parastās BETALLIC (ASV) ražotās folijas figūriņas.
Dati par citu ražotāju folijas cipariem var nedaudz atšķirties.
Hēlija folijas numuru cena
Kopējās pārdošanas cenas aprēķins ar hēliju piepūstas folijas cipariem sastāv no vairākiem komponentiem:
- folijas figūrā iesūknētā hēlija izmaksas (skatīt iepriekš);
- pašas folijas figūras izmaksas - skaitļi (cenas no piegādātājiem);
- ņemot vērā inflācijas un pašu skaitļu laulības izmaksas (kopējais laulību procentuālais daudzums pārsniedz 100%, kā saka prakse);
- folijas numuru piepūšanas un piesiešanas izmaksas;
- tirdzniecības starpība.
Patiesībā tirdzniecības peļņa ir daudzkārt lielāka par pašizmaksu. Tas ir tas, kas piesaista mūsu profesijai daudzus "iesācēju". Iespēja veikt uzņēmējdarbību ar 300% uzcenojumu ar nosacījumu, ka jūsu hēlija tvertne ir uzstādīta mājās, un nav citu izdevumu par īri, algām un nodokļiem, daudziem ir biļete uz pasaku pasauli.
Tomēr ar laiku nāk sapratne, ka viss nav tik vienkārši. Bet tas ir pavisam cits stāsts.
Viss labi un kaķi.