ج الهليوم. اكتشاف الهيليوم

⁰

الهليوم غاز خامل من المجموعة الثامنة عشر من الجدول الدوري. إنه ثاني أخف عنصر بعد الهيدروجين. الهيليوم غاز عديم اللون والرائحة والمذاق يتحول إلى سائل عند درجة حرارة -268.9 درجة مئوية. نقاط غليانها وتجميدها أقل من تلك الموجودة في أي مادة أخرى معروفة. إنه العنصر الوحيد الذي لا يتجمد عند تبريده عند الضغط الجوي العادي. يستغرق الهيليوم 25 جوًا حتى يتصلب عند 1 كلفن.

تاريخ الاكتشاف

تم اكتشاف الهيليوم في الغلاف الجوي الغازي المحيط بالشمس من قبل عالم الفلك الفرنسي بيير يانسن ، الذي اكتشف في عام 1868 أثناء الكسوف خطًا أصفر لامعًا في طيف الكروموسفير الشمسي. كان يعتقد في الأصل أن هذا الخط يمثل عنصر الصوديوم. في نفس العام ، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي جوزيف نورمان لوكير وجود خط أصفر في الطيف الشمسي لا يتوافق مع خطي الصوديوم المعروفين D 1 و D 2 ، ولذلك أطلق عليه اسم خط D 3. خلص لوكير إلى أن سبب ذلك هو مادة في الشمس غير معروفة على الأرض. استخدم هو والكيميائي إدوارد فرانكلاند الاسم اليوناني للشمس ، هيليوس ، لتسمية العنصر.

في عام 1895 ، أثبت الكيميائي البريطاني السير ويليام رامزي وجود الهيليوم على الأرض. حصل على عينة من معدن الكليفايت الحامل لليورانيوم ، وبعد فحص الغازات المتكونة عند تسخينه ، وجد أن الخط الأصفر اللامع في الطيف يتزامن مع خط D 3 الذي لوحظ في طيف الشمس. وهكذا ، تم تثبيت العنصر الجديد أخيرًا. في عام 1903 ، قرر رامزي وفريدريك سودو أن الهليوم هو نتاج اضمحلال تلقائي للمواد المشعة.

التوزيع في الطبيعة

يشكل الهيليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكلية للكون ، والعنصر هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الفضاء. يتركز في النجوم حيث يتكون من الهيدروجين نتيجة اندماج نووي حراري. على الرغم من وجود الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض بتركيز جزء واحد لكل 200 ألف (5 جزء في المليون) وموجود بكميات صغيرة في المعادن المشعة وحديد النيزك والينابيع المعدنية ، توجد كميات كبيرة من العنصر في الولايات المتحدة ( خاصة في تكساس ونيويورك) المكسيك وكنساس وأوكلاهوما وأريزونا ويوتا) كمكون (يصل إلى 7.6٪) من الغاز الطبيعي. تم العثور على احتياطيات صغيرة في أستراليا والجزائر وبولندا وقطر وروسيا. في قشرة الأرض ، يبلغ تركيز الهيليوم حوالي 8 أجزاء فقط في المليار.

النظائر

تحتوي نواة كل ذرة هيليوم على بروتونين ، ولكن مثل العناصر الأخرى ، لها نظائر. تحتوي على واحد إلى ستة نيوترونات ، لذا فإن أعداد كتلتها تتراوح من ثلاثة إلى ثمانية. العناصر المستقرة هي العناصر التي يتم فيها تحديد كتلة الهيليوم بالأرقام الذرية 3 (3 He) و 4 (4 He). كل ما تبقى مشعة وتتحلل بسرعة كبيرة في مواد أخرى. الهليوم الأرضي ليس المكون الأصلي للكوكب ، لقد تشكل نتيجة الاضمحلال الإشعاعي. جسيمات ألفا المنبعثة من نوى المواد المشعة الثقيلة هي نوى من نظير 4 He. لا يتراكم الهيليوم بكميات كبيرة في الغلاف الجوي لأن جاذبية الأرض ليست قوية بما يكفي لمنعه من الهروب تدريجيًا إلى الفضاء. يتم تفسير آثار 3 He على الأرض من خلال اضمحلال بيتا السلبي لعنصر الهيدروجين 3 النادر (التريتيوم). 4 هو أكثر النظائر المستقرة شيوعًا: نسبة عدد الذرات 4 He إلى 3 وهو حوالي 700 ألف إلى 1 في الغلاف الجوي وحوالي 7 ملايين إلى 1 في بعض المعادن المحتوية على الهيليوم.

الخصائص الفيزيائية للهيليوم

درجة غليان وانصهار هذا العنصر هي الأدنى. لهذا السبب ، يوجد الهيليوم إلا في ظل الظروف القاسية. غازي يذوب في الماء أقل من أي غاز آخر ، ومعدل الانتشار عبر المواد الصلبة هو ثلاثة أضعاف الهواء. معامل انكساره أقرب إلى 1.

تأتي الموصلية الحرارية للهيليوم في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين ، وقدرته الحرارية النوعية عالية بشكل غير عادي. في درجات الحرارة العادية ، يسخن أثناء التمدد ، ويبرد إلى أقل من 40 كلفن. لذلك ، في T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

يعتبر العنصر عازلًا كهربائيًا ما لم يكن في حالة تأين. مثل الغازات النبيلة الأخرى ، يمتلك الهيليوم مستويات طاقة ثابتة تسمح له بالبقاء متأينًا في التفريغ الكهربائي عندما يظل الجهد أقل من جهد التأين.

الهليوم 4 فريد من نوعه لأنه يحتوي على شكلين سائلين. يُطلق على النوع العادي اسم الهيليوم I ويتواجد في درجات حرارة تتراوح من 4.21 كلفن (-268.9 درجة مئوية) إلى حوالي 2.18 كلفن (-271 درجة مئوية). أقل من 2.18 كلفن ، الموصلية الحرارية لـ 4 He تصبح 1000 مرة أكبر من تلك الخاصة بالنحاس. يسمى هذا النموذج بالهيليوم II لتمييزه عن الشكل الطبيعي. إنه سائل فائق: اللزوجة منخفضة للغاية بحيث لا يمكن قياسها. ينتشر الهيليوم II في غشاء رقيق على سطح أي شيء يلمسه ، ويتدفق هذا الفيلم دون احتكاك حتى ضد الجاذبية.

تشكل الهيليوم 3 الأقل وفرة ثلاث مراحل سائلة مميزة ، اثنتان منها فائقتين. الميوعة الفائقة في 4 اكتشفه عالم فيزيائي سوفيتي في منتصف الثلاثينيات من القرن الماضي ، ونفس الظاهرة في 3 تمت ملاحظته لأول مرة من قبل دوغلاس د. أوشيروف ، وديفيد إم لي ، وروبرت س.

خليط سائل من نظيري الهليوم -3 و -4 عند درجات حرارة أقل من 0.8 كلفن (-272.4 درجة مئوية) مقسم إلى طبقتين - نقي تقريبًا 3 He ومزيج من 4 He مع 6٪ هيليوم 3. انحلال 3 He إلى 4 He مصحوب بتأثير التبريد ، والذي يستخدم في تصميم أجهزة التبريد ، حيث تنخفض درجة حرارة الهيليوم إلى أقل من 0.01 كلفن (-273.14 درجة مئوية) ويتم الحفاظ عليها عند درجة الحرارة هذه لعدة أيام.

روابط

في ظل الظروف العادية ، يكون الهيليوم خامل كيميائيا. في الظروف القاسية ، يمكنك إنشاء اتصالات عنصر غير مستقرة في درجات الحرارة والضغوط العادية. على سبيل المثال ، يمكن أن يشكل الهيليوم مركبات بها اليود والتنغستن والفلور والفوسفور والكبريت عند تعرضه لتفريغ توهج كهربائي عند قصفه بالإلكترونات أو في حالة البلازما. وهكذا ، تم إنشاء HeNe و HgHe 10 و WHe 2 والأيونات الجزيئية He 2 + و He 2 ++ و HeH + و HeD +. أتاحت هذه التقنية أيضًا الحصول على جزيئات He 2 و HgHe المحايدة.

بلازما

في الكون ، يتم توزيع الهيليوم المتأين في الغالب ، وتختلف خصائصه بشكل كبير عن جزيئات الهيليوم. إلكتروناتها وبروتوناتها غير مرتبطة ، ولديها موصلية كهربائية عالية جدًا حتى في حالة التأين جزئيًا. تتأثر الجسيمات المشحونة بشدة بالمجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال ، في الرياح الشمسية ، تتفاعل أيونات الهليوم مع الهيدروجين المتأين مع الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يتسبب في حدوث الشفق القطبي.

اكتشاف الودائع في الولايات المتحدة الأمريكية

بعد حفر بئر عام 1903 في دكستر ، كانساس ، تم الحصول على غاز غير قابل للاشتعال. في البداية ، لم يكن معروفًا أنه يحتوي على الهيليوم. تم تحديد الغاز الذي تم العثور عليه من قبل الجيولوجي بالولاية إيراسموس هاورث ، الذي جمع عينات منه وفي جامعة كانساس ، بمساعدة الكيميائيين كادي هاميلتون وديفيد ماكفارلاند ، وجد أنه يحتوي على 72٪ نيتروجين ، 15٪ ميثان ، 1٪ هيدروجين و 12٪ لم يتم تحديدها. بعد مزيد من التحليل ، وجد العلماء أن 1.84٪ من العينة كانت من الهيليوم. لذلك علموا أن هذا العنصر الكيميائي موجود بكميات كبيرة في أحشاء السهول الكبرى ، حيث يمكن استخراجه من الغاز الطبيعي.

الإنتاج الصناعي

هذا جعل الولايات المتحدة رائدة العالم في إنتاج الهليوم. بناءً على اقتراح السير ريتشارد ثريلفال ، مولت البحرية الأمريكية ثلاثة مصانع تجريبية صغيرة لإنتاج المادة خلال الحرب العالمية الأولى لتزويد بالونات وابل بغاز رفع خفيف غير قابل للاشتعال. تم إنتاج ما مجموعه 5700 م 3 من 92 ٪ في إطار هذا البرنامج ، على الرغم من أنه تم إنتاج أقل من 100 لتر فقط من الغاز في السابق. تم استخدام جزء من هذا المجلد في أول منطاد هيليوم C-7 في العالم ، والذي قام بأول رحلة له من Hampton Roads إلى Bolling Field في 7 ديسمبر 1921.

على الرغم من أن عملية تسييل الغاز ذات درجة الحرارة المنخفضة لم تكن متقدمة بما يكفي في ذلك الوقت لتكون مهمة خلال الحرب العالمية الأولى ، استمر الإنتاج. تم استخدام الهيليوم بشكل رئيسي كغاز رفع في الطائرات. نما الطلب عليها خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما تم استخدامها في اللحام بالقوس المحمي. كان العنصر مهمًا أيضًا في مشروع القنبلة الذرية في مانهاتن.

الاحتياطي الوطني الأمريكي

في عام 1925 ، أنشأت حكومة الولايات المتحدة محمية الهيليوم الوطنية في أماريلو ، تكساس لغرض توفير المناطيد العسكرية في أوقات الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم. انخفض استخدام الغاز بعد الحرب العالمية الثانية ، ولكن تم زيادة العرض في الخمسينيات من القرن الماضي لتوفير ، من بين أمور أخرى ، إمداداته كمبرد يستخدم في إنتاج وقود صواريخ أوكسي الهيدروجين خلال سباق الفضاء والحرب الباردة. كان استخدام الهليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 ثمانية أضعاف استهلاك الذروة في زمن الحرب.

منذ قانون الهيليوم لعام 1960 ، تعاقد مكتب المناجم مع 5 شركات خاصة لاستخراج العنصر من الغاز الطبيعي. بالنسبة لهذا البرنامج ، تم بناء خط أنابيب غاز بطول 425 كيلومترًا يربط هذه المحطات بحقل غاز حكومي مستنفد جزئيًا بالقرب من أماريلو ، تكساس. تم ضخ خليط الهيليوم-النيتروجين في مخزن تحت الأرض وبقي هناك حتى الحاجة إليه.

بحلول عام 1995 ، تم بناء مليار متر مكعب من المخزون وكان الاحتياطي الوطني ديونًا بقيمة 1.4 مليار دولار ، مما دفع الكونجرس الأمريكي إلى التخلص التدريجي منه في عام 1996. بعد اعتماد قانون خصخصة الهليوم في عام 1996 ، بدأت وزارة الموارد الطبيعية في تصفية منشأة التخزين في عام 2005.

النقاء وحجم الإنتاج

كان الهيليوم المنتج قبل عام 1945 نقيًا بنسبة 98 ٪ تقريبًا ، والنيتروجين بنسبة 2 ٪ ، وهو ما يكفي للمناطيد. في عام 1945 ، تم إنتاج كمية صغيرة من الغاز بنسبة 99.9٪ لاستخدامها في اللحام بالقوس الكهربائي. بحلول عام 1949 ، وصلت درجة نقاء العنصر الناتج إلى 99.995٪.

لسنوات عديدة ، أنتجت الولايات المتحدة أكثر من 90٪ من الهليوم التجاري في العالم. منذ عام 2004 ، تم إنتاج 140 مليون متر مكعب منها سنويًا ، ينتج 85٪ منها في الولايات المتحدة الأمريكية ، و 10٪ يتم إنتاجها في الجزائر ، والباقي - في روسيا وبولندا. المصادر الرئيسية للهيليوم في العالم هي حقول الغاز في تكساس وأوكلاهوما وكانساس.

عملية الاستلام

الهيليوم (98.2٪ نقاء) معزول عن الغاز الطبيعي عن طريق تسييل المكونات الأخرى عند درجات حرارة منخفضة وضغوط عالية. يحقق امتصاص الغازات الأخرى بالكربون المنشط المبرد درجة نقاء 99.995٪. يتم إنتاج كمية صغيرة من الهيليوم عن طريق تسييل الهواء على نطاق واسع. يمكن الحصول على حوالي 3.17 متر مكعب من 900 طن من الهواء. م من الغاز.

التطبيقات

وجد الغاز النبيل تطبيقًا في مختلف المجالات.

يستخدم الهيليوم ، الذي تتيح خواصه الحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية ، كعامل تبريد في مصادم الهادرون الكبير ، ومغناطيس فائق التوصيل في آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ومقاييس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي ، ومعدات الأقمار الصناعية ، وكذلك لتسييل الأكسجين والهيدروجين في أبولو الصواريخ.
كغاز خامل لحام الألومنيوم والمعادن الأخرى ، في إنتاج الألياف البصرية وأشباه الموصلات.
لخلق ضغط في خزانات الوقود لمحركات الصواريخ ، خاصة تلك التي تعمل على الهيدروجين السائل ، حيث يحتفظ الهيليوم الغازي فقط بحالة التجميع عندما يظل الهيدروجين سائلاً) ؛
يتم استخدام He-Ne لمسح الرموز الشريطية عند الخروج في محلات السوبر ماركت.
ينتج مجهر الهليوم أيون صورًا أفضل من المجهر الإلكتروني.
نظرًا لنفاذه العالية ، يتم استخدام الغاز الخامل للتحقق من وجود تسربات ، على سبيل المثال ، أنظمة تكييف هواء السيارة ، وكذلك لتضخيم الوسائد الهوائية بسرعة في حالة حدوث تصادم.
تسمح لك الكثافة المنخفضة بملء البالونات الزخرفية بالهيليوم. حل الغاز الخامل محل الهيدروجين المتفجر في المناطيد والبالونات. على سبيل المثال ، في الأرصاد الجوية ، تُستخدم بالونات الهيليوم لرفع أدوات القياس.
في التكنولوجيا المبردة ، يعمل كمبرد ، لأن درجة حرارة هذا العنصر الكيميائي في الحالة السائلة هي أدنى درجة ممكنة.
الهيليوم ، الذي توفر له خواص تفاعلية منخفضة وقابلية للذوبان في الماء (والدم) ، ممزوجًا بالأكسجين ، قد وجد تطبيقًا في تركيبات التنفس لغوص السكوبا وعمل الغواص.
يتم تحليل النيازك والصخور لهذا العنصر لتحديد عمرها.

الهليوم: خصائص العنصر

الخصائص الفيزيائية الرئيسية هي كما يلي:

العدد الذري: 2.
الكتلة النسبية لذرة الهيليوم: 4.0026.
نقطة الانصهار: لا.
نقطة الغليان: -268.9 درجة مئوية.
الكثافة (1 ضغط جوي ، 0 درجة مئوية): 0.1785 جم / ع.
حالات الأكسدة: 0.

الهيليوم(lat. helium) ، الرمز He ، عنصر كيميائي من المجموعة الثامنة من النظام الدوري ، يشير إلى غازات خاملة ؛ الرقم التسلسلي 2 ، الكتلة الذرية 4.0026 ؛ غاز عديم اللون والرائحة. يتكون الهيدروجين الطبيعي من نظيرين مستقرين: 3he و 4he (يسود محتوى 4he بشكل حاد).

تم اكتشاف G. لأول مرة ليس على الأرض ، حيث يوجد القليل منها ، ولكن في الغلاف الجوي للشمس. في عام 1868 ، درس الفرنسي ج. يانسن والإنجليزي جيه إن لوكير تكوين البروزات الشمسية باستخدام التحليل الطيفي. احتوت الصور التي تلقوها على خط أصفر لامع (ما يسمى بالخط d3) ، والذي لا يمكن أن يُنسب إلى أي من العناصر المعروفة في ذلك الوقت. في عام 1871 ، أوضح لوكير أصله من خلال وجود عنصر جديد على الشمس ، والذي كان يسمى الهليوم (من اليونانية helios - Sun). تم عزل G. لأول مرة على الأرض في عام 1895 من قبل الإنجليزي دبليو رامزي من معدن cleveite المشع. ظهر نفس الخط في طيف الغاز المنطلق أثناء تسخين الكلفيت.

الهيليوم في الطبيعة. الهيدروجين نادر على الأرض: يحتوي 1 م 3 من الهواء على 5.24 سم 3 فقط من الهيدروجين ، وكل كيلوغرام من المواد الأرضية يحتوي على 0.003 ملغ من الهيدروجين.من حيث الانتشار في الكون ، يحتل الهيدروجين المرتبة الثانية بعد الهيدروجين: يمثل الهيدروجين حوالي 23٪ الكتلة الكونية.

على الأرض ، يتشكل الهيدروجين (بتعبير أدق ، النظير 4he) باستمرار أثناء تحلل اليورانيوم والثوريوم والعناصر المشعة الأخرى (في المجموع ، تحتوي قشرة الأرض على حوالي 29 نظيرًا مشعًا تنتج 4he).

يتركز ما يقرب من نصف الجيولوجيا في القشرة الأرضية ، خاصة في غلافها الجرانيتي ، الذي تراكم الاحتياطيات الرئيسية من العناصر المشعة. محتوى G. في قشرة الأرض صغير - 3 · 10-7٪ بالوزن. يتراكم في تراكمات الغازات الحرة من الأمعاء والزيوت ؛ هذه الودائع تصل إلى نطاق صناعي. تم العثور على التركيزات القصوى للهيدروجين (10-13٪) في تراكمات الغازات الحرة والغازات من مناجم اليورانيوم و (20-25٪) في الغازات المنبعثة بشكل تلقائي من المياه الجوفية. كلما تقدم عمر الصخور الرسوبية الحاملة للغاز وكلما زاد محتوى العناصر المشعة فيها ، زادت كمية الهيدروجين في تكوين الغازات الطبيعية. تتميز الغازات البركانية عادة بمحتوى منخفض من G.

يتم إنتاج الغاز على نطاق صناعي من الغازات الطبيعية والغازات البترولية المكونة من الهيدروكربون والنيتروجين. وفقًا لجودة المواد الخام ، تنقسم رواسب الهيليوم إلى: غنية (محتوى> 0.5٪ من حيث الحجم) ؛ عادي (0.10-0.50) وفقير< 0,10). В СССР природный Г. содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

في الهيدروكسيد الطبيعي من أي أصل (الغلاف الجوي ، من الغازات الطبيعية ، من المعادن المشعة ، النيزك ، إلخ) ، يسود نظير 4. عادةً ما يكون محتوى 3he منخفضًا (اعتمادًا على مصدر حمض الهيدروكلوريك ، يتراوح من 1.3 × 10-4 إلى 2 × 10-8٪) ، وفقط في الهيدروجين المعزول من النيازك يصل إلى 17-31.5٪. معدل تكوين 4H أثناء الاضمحلال الإشعاعي منخفض: في 1 طن من الجرانيت يحتوي ، على سبيل المثال ، 3 جم من اليورانيوم و 15 جم من الثوريوم ، يتم تكوين 1 مجم من الهيدروجين خلال 7.9 مليون سنة ؛ ومع ذلك ، نظرًا لأن هذه العملية تستمر باستمرار ، أثناء وجود الأرض ، كان من المفترض أن تضمن أن محتوى الهيدروكسيد في الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي أعلى بكثير من الموجود حاليًا (حوالي 5 × 1014 م 3). يفسر هذا النقص في G من خلال التطاير المستمر من الغلاف الجوي. تسقط ذرات الضوء من الجاذبية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، وتكتسب تدريجياً سرعة أعلى من السرعة الكونية هناك ، وبالتالي تكتسب القدرة على التغلب على قوى جاذبية الأرض. يؤدي التكوين والتطاير المتزامن لحمض الهيدروكلوريك إلى حقيقة أن تركيزه في الغلاف الجوي ثابت عمليًا.

يتشكل النظير 3he ، على وجه الخصوص ، في الغلاف الجوي أثناء تحلل بيتا لنظير الهيدروجين الثقيل - التريتيوم (T) ، والذي ينشأ بدوره أثناء تفاعل نيوترونات الإشعاع الكوني مع النيتروجين في الغلاف الجوي:

نوى ذرة 4he (التي تتكون من 2 بروتون و 2 نيوترون) ، تسمى جسيمات ألفا أو الهيليونات ، هي الأكثر استقرارًا بين نوى المركب. طاقة الارتباط للنيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) في 4he لها قيمة قصوى مقارنة بنوى العناصر الأخرى (28.2937 MeV) ؛ لذلك ، فإن تكوين نوى 4he من نوى الهيدروجين (البروتونات) 1H مصحوب بإطلاق كمية هائلة من الطاقة. يُعتقد أن هذا التفاعل النووي: 41h = 4he + 2b + + 2n [في وقت واحد مع 4he ، 2 بوزيترون (ب +) و 2 نيوترينوات (ن)] بمثابة المصدر الرئيسي للطاقة للشمس والنجوم الأخرى المماثلة إليها. بفضل هذه العملية ، تتراكم احتياطيات كبيرة جدًا من G.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية . في الظروف العادية ، الغاز هو غاز أحادي الذرة ، عديم اللون والرائحة. الكثافة 0.17846 جم / لتر ، tkip - 268.93 درجة مئوية. G. هو العنصر الوحيد الذي لا يتصلب في الحالة السائلة عند الضغط العادي ، بغض النظر عن مدى عمق تبريده. أقل ضغط لانتقال الجبس السائل إلى صلب 2.5 مليون نيوتن / م 2 (25 صباحًا) ، بينما الصهر هو -272.1 درجة مئوية. الموصلية الحرارية (عند 0 درجة مئوية) 143.8 10-3 واط / سم (ك. يتراوح نصف قطر ذرة G. ، التي تحددها طرق مختلفة ، من 0.85 إلى 1.33. في لتر واحد من الماء عند 20 درجة مئوية ، حوالي 8 8 ml G. طاقة التأين الأولية لـ G. أكبر من أي عنصر آخر - 39.38 10-13 J (24.58 eV) ، G. ليس له تقارب إلكتروني.السائل G. ، الذي يتكون فقط من 4he ، يعرض عددًا من الخصائص الفريدة (انظر أدناه).

حتى الآن ، انتهت محاولات الحصول على مركبات كيميائية مستقرة للغاز بالفشل (انظر الغازات الخاملة). تم إثبات وجود أيون he2 + في التفريغ من خلال التحليل الطيفي. في عام 1967 ، أبلغ الباحثون السوفييت ف.ب.بوشين ، إن في.زكورين ، وف.ك.كابيشيف عن تخليق أيونات hef + ، و hef22 + ، و hef2 + في منطقة تصريف القوس بسبب تفاعل الهيدروجين مع الفلور ، bf3 ، أو ruf5. وفقًا للحساب ، تبلغ طاقة تفكك hef + أيون 2.2 فولت.

الاستلام والتطبيق. في الصناعة ، يتم الحصول على الغاز من الغازات الطبيعية المحتوية على الهيليوم (في الوقت الحاضر ، يتم استغلال الرواسب التي تحتوي على> 0.1٪ غاز بشكل أساسي). يتم فصل G. عن الغازات الأخرى بطريقة التبريد العميق ، باستخدام حقيقة أنه من الصعب تسييلها أكثر من جميع الغازات الأخرى.

بسبب خمول الهيدروجين ، يستخدم على نطاق واسع لخلق جو وقائي في صهر المعادن النشطة وقطعها ولحامها. G. أقل موصلة للكهرباء من غاز خامل آخر ، الأرجون ، وبالتالي فإن القوس الكهربائي في الغلاف الجوي لـ G. يعطي درجات حرارة أعلى ، مما يزيد بشكل كبير من سرعة اللحام بالقوس. يتم استخدام الغاز لملء بالونات الستراتوسفير نظرًا لكثافته المنخفضة إلى جانب عدم قابليته للاحتراق. تجعل الموصلية الحرارية العالية للهيدروجين وخامله الكيميائي وقدرته المنخفضة للغاية على الدخول في تفاعل نووي مع النيوترونات من الممكن استخدام الهيدروجين لتبريد المفاعلات الذرية. السائل G. هو أبرد سائل على وجه الأرض ويعمل كمبرد في دراسات علمية مختلفة. تعتمد إحدى طرق تحديد عمرهم المطلق على تحديد محتوى المعادن المشعة في المعادن المشعة (انظر علم الأرض). نظرًا لحقيقة أن الهيدروجين ضعيف الذوبان في الدم ، فإنه يستخدم كجزء لا يتجزأ من الهواء الاصطناعي الذي يوفره الغواصون للتنفس (استبدال النيتروجين بالهيدروجين يمنع حدوث مرض تخفيف الضغط). كما يتم دراسة إمكانيات استخدام الغاز في الغلاف الجوي لكابينة المركبة الفضائية.

S. S. Berdonosov، V. P. Yakutseni.

سائل الهليوم. يؤدي التفاعل الضعيف نسبيًا بين ذرات الهيدروجين إلى حقيقة أنها تظل غازية إلى درجات حرارة أقل من أي غاز آخر. الحد الأقصى لدرجة الحرارة التي يمكن أن يتم تسييلها دونها (درجة الحرارة الحرجة tk) هو 5.20 K. السائل الهيدروجيل هو السائل الوحيد غير المتجمد: عند الضغط العادي (الشكل 1) ، يظل الهيدروجيل سائلاً عند درجات حرارة منخفضة بشكل تعسفي ويتصلب فقط عند. ضغوط تزيد عن 2.5 مليون نيوتن / م 2 (25 صباحًا).

عند درجة حرارة tλ = 2.19 كلفن والضغط العادي ، يخضع الهيدروجيل السائل لانتقال طور من الدرجة الثانية. فوق درجة الحرارة هذه يسمى هو الأول ، أدناه - هو الثاني. عند درجة حرارة انتقال الطور ، لوحظت زيادة شاذة في السعة الحرارية ، والتواء في منحنى اعتماد درجة الحرارة على كثافة الهدرجة ، وظواهر مميزة أخرى.

في عام 1938 ، اكتشف P. L. Kapitsa السيولة الفائقة في He ii - القدرة على التدفق عمليا بدون لزوجة. شرح إل دي لانداو (1941) هذه الظاهرة على أساس مفاهيم ميكانيكا الكم لطبيعة الحركة الحرارية في السائل الحراري المائي.

في درجات الحرارة المنخفضة ، توصف هذه الحركة على أنها وجود في الهيدروديناميكا السائلة للإثارة الأولية - الفونونات (كمات الصوت) مع الطاقة e = hv (v هو تردد الصوت ، h ثابت بلانك) والزخم p = e / c (c = 240 م / ث - سرعة الصوت). يزداد عدد وطاقة الفونونات مع زيادة درجة الحرارة T. عند t> 0.6 كلفن ، تظهر الإثارة ذات الطاقات العالية (الروتونات) ، حيث يكون اعتماد e (p) غير خطي. الفونونات والروتونات لها زخم وبالتالي كتلة. يشار إلى 1 سم ، وهذه الكتلة تحدد كثافة rn لما يسمى. من المكون الطبيعي للسائل G. عند درجات الحرارة المنخفضة ، تميل rn إلى الصفر عند T -> 0. حركة المكون الطبيعي ، مثل تلك الخاصة بالغاز العادي ، لها طابع لزج. ما تبقى من السائل G. ، ما يسمى. مكون سائل فائق ، يتحرك بدون احتكاك ؛ كثافته هي ps = p - pn. عند T -> tλ pn -> pr ، بحيث تختفي السيولة الفائقة عند النقطة وتختفي السيولة الفائقة (ليس أنا سائلًا لزجًا عاديًا).

وبالتالي ، يمكن أن تحدث حركتان بسرعات مختلفة في وقت واحد في السائل G ..

بناءً على هذه الأفكار ، من الممكن شرح عدد من التأثيرات المرصودة: عندما يخرج ثانيًا من وعاء عبر أنبوب شعري ضيق ، ترتفع درجة الحرارة في الوعاء ، حيث هو أساسًا مكون السائل الفائق الذي يتدفق إلى الخارج ولا يحمل معه حرارة (ما يسمى التأثير الميكانيكي) ؛ عندما يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة بين نهايات الشعيرات الدموية المغلقة مع He ii ، تحدث حركة فيه (تأثير ميكانيكي حراري) - ينتقل مكون السائل الفائق من الطرف البارد إلى الجزء الساخن ويتحول إلى عنصر طبيعي ، والذي يتحرك نحو ، بينما التدفق الكلي غائب. يمكن أن ينتشر نوعان من الصوت في السائل G. - عادي وما يسمى. الصوت الثاني. عندما ينتشر الصوت الثاني في الأماكن التي يتركز فيها المكون الطبيعي ، فإن مكون السائل الفائق يتخلل.

كل ما سبق ينطبق على الهيدروجين العادي ، والذي يتكون أساسًا من نظير 4he. النظير الأندر 3he له خصائص كمومية مختلفة عن خصائص 4he). السائل 3he هو أيضًا سائل غير متجمد (tk = 3.33 K) ، ولكنه ليس سائلًا فائقًا: تزداد لزوجة 3he إلى أجل غير مسمى مع انخفاض درجة الحرارة.

مضاءة: Keezom V.، Helium، trans. من الإنجليزية ، M. ، 1949 ؛ Fastovsky V. G.، Rovinsky A. E. E.، Petrovsky Yu. V.، Inert gases، M.، 1964؛ خالاتنيكوف آي إم ، مقدمة في نظرية السيولة الفائضة ، موسكو ، 1965 ؛ سميرنوف يو ن. ، الهيليوم بالقرب من الصفر المطلق ، "الطبيعة" ، 1967 ، رقم 10 ، ص. 70 ؛ Yakutseni، V.P.، Helium Geology، Leningrad، 1968. انظر أيضًا lit. للفن. الغازات الخاملة.

(أول إلكترون)

الهيليوم- العنصر الترتيبي الثاني للنظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev ، برقم ذري 2. وهو يقع في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الثامنة ، الفترة الأولى من النظام الدوري. يرأس مجموعة الغازات الخاملة في الجدول الدوري. يشار إليه بالرمز هو(الهيليوم). مادة بسيطة الهيليوم(رقم سجل المستخلصات الكيميائية: 7440-59-7) هو غاز أحادي خامل بدون لون أو طعم أو رائحة.

الهيليوم هو أحد أكثر العناصر شيوعًا في الكون ، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين. الهليوم هو أيضًا ثاني أخف عنصر كيميائي (بعد الهيدروجين).

يُستخرج الهيليوم من الغاز الطبيعي عن طريق عملية فصل بدرجة حرارة منخفضة ، ما يسمى بالتقطير التجزيئي. التقطير التجزيئيفي مقال التقطير).

تاريخ اكتشاف الهيليوم

في 18 أغسطس 1868 ، قام العالم الفرنسي بيير يانسن ، خلال كسوف كلي للشمس في مدينة جونتور الهندية ، بدراسة كروموسفير الشمس لأول مرة. نجح يانسن في ضبط المطياف بطريقة يمكن من خلالها ملاحظة طيف الإكليل الشمسي ليس فقط أثناء الكسوف ، ولكن أيضًا في الأيام العادية. في اليوم التالي ، كشف التحليل الطيفي للبروز الشمسي ، جنبًا إلى جنب مع خطوط الهيدروجين - الأزرق والأزرق والأخضر والأحمر - عن خط أصفر لامع للغاية ، التقطه في البداية يانسن وغيره من علماء الفلك الذين لاحظوه على أنه خط D. صوديوم. كتب يانسن على الفور عن هذا إلى أكاديمية العلوم الفرنسية. بعد ذلك ، وجد أن الخط الأصفر اللامع في الطيف الشمسي لا يتطابق مع خط الصوديوم ولا ينتمي إلى أي من العناصر الكيميائية المعروفة سابقًا.

بعد شهرين ، في 20 أكتوبر ، أجرى عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير ، الذي لم يكن يعلم بتطورات زميله الفرنسي ، أيضًا بحثًا عن الطيف الشمسي. بعد أن اكتشف خطًا أصفر غير معروف بطول موجي 588 نانومتر (بدقة أكبر 587.56 نانومتر) ، حدده D 3 ، لأنه كان قريبًا جدًا من خطوط فراونهوفر D 1 (589.59 نانومتر) و D 2 (588.99 نانومتر) صوديوم. بعد ذلك بعامين ، اقترح لوكير ، بالاشتراك مع الكيميائي الإنجليزي إدوارد فرانكلاند ، بالتعاون مع من كان يعمل معه ، إعطاء العنصر الجديد اسم "الهيليوم" ( ήλιος - "الشمس").

من المثير للاهتمام أن رسائل جينسين ولوكير وصلت إلى الأكاديمية الفرنسية للعلوم في نفس اليوم - 24 أكتوبر 1868 ، لكن رسالة لوكير ، التي كتبها قبل أربعة أيام ، وصلت قبل عدة ساعات. في اليوم التالي تمت قراءة الرسالتين في اجتماع للأكاديمية. تكريما للطريقة الجديدة لدراسة البروز ، قررت الأكاديمية الفرنسية سك ميدالية. على جانب واحد من الميدالية ، تم نقش صور يانسن ولوكير فوق الأغصان المتقاطعة لغار ، وعلى الجانب الآخر ، صورة لإله الشمس الأسطوري أبولو ، وهو يحكم في عربة بها أربعة خيول تجري بأقصى سرعة

في عام 1881 ، نشر الإيطالي لويجي بالميري تقريرًا عن اكتشاف الهيليوم في الغازات البركانية (فومارول). قام بفحص مادة زيتية صفراء فاتحة استقرت من نفاثات الغاز على حواف فوهة بركان فيزوف. قام بالميري بتكليس هذا المنتج البركاني في لهب موقد بنسن ولاحظ طيف الغازات المنبعثة خلال ذلك. استقبل المجتمع العلمي هذه الرسالة بالكفر ، حيث وصف بالمييري تجربته بشكل غامض. بعد سنوات عديدة ، تم العثور بالفعل على كميات صغيرة من الهيليوم والأرجون في فومارول.

بعد 27 عامًا فقط من اكتشافه الأولي ، تم اكتشاف الهيليوم على الأرض - في عام 1895 ، قام الكيميائي الاسكتلندي ويليام رامزي بفحص عينة من الغاز تم الحصول عليها من تحلل معدن الكليفايت ، ووجد في طيفه نفس الخط الأصفر اللامع الموجود سابقًا في الطيف الشمسي. تم إرسال العينة لإجراء دراسة إضافية لعالم التحليل الطيفي البريطاني الشهير ويليام كروكس ، الذي أكد أن الخط الأصفر الذي لوحظ في طيف العينة يتزامن مع خط الهليوم D 3. في 23 مارس 1895 ، أرسل رامزي رسالة حول اكتشافه للهيليوم على الأرض إلى الجمعية الملكية في لندن ، وكذلك إلى الأكاديمية الفرنسية ، من خلال الكيميائي الشهير مارسيلين بيرثيلوت.

تمكن الكيميائيان السويديان P. Kleve و N. Lengle من عزل ما يكفي من الغاز من kleveite لتحديد الوزن الذري للعنصر الجديد.

في عام 1896 ، أثبت كل من Heinrich Kaiser و Siegbert Friedländer وبعد ذلك بعامين إدوارد بيلي أخيرًا وجود الهيليوم في الغلاف الجوي.

حتى قبل رامزي ، عزل الكيميائي الأمريكي فرانسيس هيلبراند الهيليوم ، لكنه اعتقد خطأً أنه تلقى النيتروجين وفي رسالة إلى رامزي اعترف به كأولوية اكتشاف.

اكتشف رامزي ، من خلال استكشافه للمواد والمعادن المختلفة ، أن الهيليوم الموجود فيها يرافق اليورانيوم والثوريوم. ولكن بعد ذلك بوقت طويل ، في عام 1906 ، أثبت رذرفورد ورويدز أن جسيمات ألفا للعناصر المشعة هي نوى الهيليوم. شكلت هذه الدراسات بداية النظرية الحديثة لبنية الذرة.

رسم بياني للسعة الحرارية للهيليوم السائل كدالة لدرجة الحرارة

فقط في عام 1908 ، تمكن الفيزيائي الهولندي Heike Kamerling-Onnes من الحصول على الهيليوم السائل عن طريق الاختناق (تأثير جول-طومسون) ، بعد أن تم تبريد الغاز مسبقًا في سائل الهيدروجين المغلي في الفراغ. ظلت محاولات الحصول على الهيليوم الصلب غير ناجحة لفترة طويلة حتى عند درجة حرارة 0.71 ، وهو ما حققه طالب Kamerling-Onnes ، الفيزيائي الألماني ويليم هندريك كيسوم. فقط في عام 1926 ، من خلال الضغط فوق 35 ضغط جوي وتبريد الهيليوم المضغوط في الهيليوم السائل المغلي تحت الخلخلة ، نجح في عزل البلورات.

في عام 1932 ، حقق كيسوم في طبيعة التغير في السعة الحرارية للهيليوم السائل مع درجة الحرارة. وجد أن حوالي 2.19 ارتفاعًا بطيئًا وسلسًا في السعة الحرارية يتم استبداله بانخفاض حاد وأن منحنى السعة الحرارية يأخذ شكل حرف يوناني λ (لامدا). ومن ثم ، فإن درجة الحرارة التي تحدث عندها القفزة في السعة الحرارية تُعطى الاسم الشرطي "λ-point". قيمة درجة الحرارة الأكثر دقة في هذه المرحلة ، والتي تم تحديدها لاحقًا ، هي 2.172. عند النقطة ، تحدث تغييرات عميقة ومفاجئة في الخصائص الأساسية للهيليوم السائل - يتم استبدال مرحلة واحدة من الهيليوم السائل بأخرى ، دون إطلاق حرارة كامنة ؛ يحدث انتقال مرحلي من الدرجة الثانية. فوق درجة حرارة النقطة λ يوجد ما يسمى ب الهليوم- أناوتحتها - الهليوم الثاني.

في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي السوفيتي بيوتر ليونيدوفيتش كابيتسا ظاهرة السوائل الفائضة. الهليوم الثاني، والذي يتكون من انخفاض حاد في معامل اللزوجة ، ونتيجة لذلك يتدفق الهيليوم تقريبًا بدون احتكاك. وهذا ما كتبه في أحد تقاريره عن اكتشاف هذه الظاهرة:
... مثل هذه الكمية من الحرارة التي تم نقلها فعليًا تقع خارج نطاق الاحتمالات الفيزيائية بحيث لا يستطيع الجسم ، وفقًا لأي قوانين فيزيائية ، نقل حرارة أكثر من طاقته الحرارية مضروبة في سرعة الصوت. مع الآلية المعتادة للتوصيل الحراري ، لا يمكن نقل الحرارة على هذا النطاق كما لوحظ. كان علينا البحث عن تفسير آخر.
وبدلاً من شرح انتقال الحرارة عن طريق التوصيل الحراري ، أي نقل الطاقة من ذرة إلى أخرى ، يمكن تفسير ذلك بطريقة تافهة - بالحمل الحراري ، انتقال الحرارة في المادة نفسها. ألا يحدث أن يرتفع الهيليوم المسخن وينخفض البرودة بسبب الاختلاف في السرعات تنشأ تيارات الحمل ، وبالتالي يحدث انتقال الحرارة. ولكن لهذا كان من الضروري افتراض أن الهيليوم يتدفق دون أي مقاومة أثناء حركته. لقد كانت لدينا بالفعل حالة عندما تحركت الكهرباء دون أي مقاومة على طول الموصل. وقررت أن الهيليوم يتحرك أيضًا دون أي مقاومة ، وأنه ليس مادة فائقة الحرارة ، بل مادة فائقة السوائل. ...
... إذا كانت لزوجة الماء 10 2 P ، فهو سائل أكثر بمليار مرة من الماء ...

أصل الاسم

من عند ἥλιος - "صن" (هيليوس). الغريب هو حقيقة أنه في اسم العنصر ، تم استخدام النهاية "-iy" ، وهي خاصية مميزة للمعادن (في اللاتينية "-um" - "هيليوم") ، حيث افترض لوكير أن العنصر الذي اكتشفه كان معدنًا. بالقياس مع الغازات النبيلة الأخرى ، سيكون من المنطقي تسميتها "Helion" ("Helion"). في العلم الحديث ، تم تخصيص اسم "helion" لنواة نظير الضوء للهيليوم - helium-3.

انتشار

في الكون

الهيليوم هو ثاني أكثر وفرة في الكون بعد الهيدروجين - حوالي 23٪ من حيث الكتلة. ومع ذلك ، فإن الهيليوم نادر على الأرض. تم تشكيل كل الهيليوم في الكون تقريبًا في الدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار العظيم ، أثناء التركيب النووي الأولي. في الكون الحديث ، يتكون كل الهيليوم الجديد تقريبًا نتيجة اندماج نووي حراري من الهيدروجين في الأجزاء الداخلية للنجوم (انظر دورة البروتون-البروتون ، دورة الكربون-النيتروجين). على الأرض ، يتشكل نتيجة تحلل ألفا للعناصر الثقيلة (جسيمات ألفا المنبعثة أثناء تحلل ألفا هي نوى الهليوم -4). يتم التقاط جزء من الهيليوم الذي نشأ أثناء تسوس ألفا ويتسرب عبر صخور قشرة الأرض بواسطة الغاز الطبيعي ، حيث يمكن أن يصل تركيز الهيليوم إلى 7٪ من الحجم وما فوق.

قشرة الأرض

ضمن المجموعة الثامنة الهيليوممن حيث المحتوى في قشرة الأرض ، فإنها تحتل المرتبة الثانية (بعد الأرجون).

يبلغ متوسط محتوى الهيليوم في المواد الأرضية 3 جم / طن. لوحظ أعلى تركيز للهيليوم في المعادن التي تحتوي على اليورانيوم والثوريوم والساماريوم: الكلفيت ، فيرغسونيت ، سامارسكايت ، جادولينيت ، مونازيت (رمال المونازيت في الهند والبرازيل) ، الثوريانيت. يبلغ محتوى الهيليوم في هذه المعادن 0.8-3.5 لتر / كجم ، بينما يصل في الثوريانايت إلى 10.5 لتر / كجم.

تعريف الهليوم

يتم تحديد الهيليوم نوعياً من خلال تحليل أطياف الانبعاث (الخطوط المميزة عند 587.56 نانومتر و 388.86 نانومتر) ، كمياً بواسطة طرق التحليل الطيفي الكتلي والكروماتوجرافي ، وكذلك الطرق القائمة على قياس الخصائص الفيزيائية (الكثافة ، التوصيل الحراري ، إلخ).

الخصائص الفيزيائية للهيليوم

الهيليوم عنصر كيميائي خامل تقريبًا.

مادة الهيليوم البسيطة غير سامة وعديمة اللون والرائحة والمذاق. في ظل الظروف العادية ، يكون غازًا أحادي الذرة. نقطة غليانها ( تي= 4.215 لـ 4 He) هو الأصغر بين جميع المواد البسيطة ؛ تم الحصول على الهيليوم الصلب فقط عند ضغوط أعلى من 25 جوًا - عند الضغط الجوي لا ينتقل إلى الطور الصلب حتى عند درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق. الظروف القاسية ضرورية أيضًا لإنشاء القليل من المركبات الكيميائية للهيليوم ، وكلها غير مستقرة في ظل الظروف العادية.

خصائص المرحلة الغازية

خطوط طيفية للهيليوم

في ظل الظروف العادية ، يتصرف الهيليوم تقريبًا مثل الغاز المثالي. في الواقع ، تحت جميع الظروف ، الهيليوم أحادي الذرة. الكثافة 0.17847 كجم / م 3. لها موصلية حرارية (0.1437 واط / (م · ك) عند نورث كارولاينا) أكبر من تلك الخاصة بالغازات الأخرى باستثناء الهيدروجين ، وقدرتها الحرارية النوعية عالية للغاية (c p = 5.23 kJ / (kg · K) عند n.o ، للمقارنة - 14.23 kJ / (kg · K) لـ H 2).

رمز العنصر مصنوع من أنابيب تصريف الغاز المملوءة بالهيليوم

عندما يمر تيار عبر أنبوب مملوء بالهيليوم ، يتم ملاحظة تصريفات بألوان مختلفة ، اعتمادًا بشكل أساسي على ضغط الغاز في الأنبوب. عادة ما يكون طيف الضوء المرئي للهيليوم أصفر اللون. مع انخفاض الضغط ، تتغير الألوان - الوردي والبرتقالي والأصفر والأصفر الفاتح والأصفر والأخضر والأخضر. ويرجع ذلك إلى وجود عدة سلاسل من الخطوط الموجودة في النطاق بين أجزاء الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف في طيف الهليوم ، وتقع أهم خطوط الهيليوم في الجزء المرئي من الطيف بين 706.52 نانومتر و 447.14 نانومتر. يؤدي انخفاض الضغط إلى زيادة متوسط المسار الحر للإلكترون ، أي إلى زيادة طاقته عند الاصطدام بذرات الهيليوم. يؤدي هذا إلى نقل الذرات إلى حالة مثارة بطاقة أعلى ، ونتيجة لذلك تنتقل الخطوط الطيفية من الأشعة تحت الحمراء إلى الحافة فوق البنفسجية.

الهيليوم أقل قابلية للذوبان في الماء من أي غاز آخر معروف. حوالي 8.8 مل يذوب في 1 لتر من الماء عند 20 درجة مئوية (9.78 عند 0 درجة مئوية ، 10.10 عند 80 درجة مئوية) ، في الإيثانول - 2.8 (15 درجة مئوية) ، 3.2 (25 درجة مئوية). معدل انتشاره من خلال المواد الصلبة هو ثلاثة أضعاف الهواء ، وحوالي 65٪ أسرع من الهيدروجين.

معامل انكسار الهليوم أقرب إلى الوحدة من أي غاز آخر. يحتوي هذا الغاز على معامل جول-طومسون سالب في درجة الحرارة المحيطة العادية ، مما يعني أنه يسخن عندما يُسمح له بالتمدد بحرية. فقط تحت درجة حرارة انعكاس Joule-Thomson (حوالي 40 كلفن عند الضغط العادي) يبرد أثناء التمدد الحر. بعد التبريد تحت درجة الحرارة هذه ، يمكن تسييل الهيليوم عن طريق تبريد التمدد. يتم إجراء هذا التبريد باستخدام موسع.

خصائص المراحل المكثفة

في عام 1908 ، تمكن H. Kamerling-Onnes من الحصول على الهيليوم السائل لأول مرة. تم الحصول على الهيليوم الصلب فقط تحت ضغط 25 جوًا عند درجة حرارة حوالي 1 كلفن (V.Keesom ، 1926). اكتشف كيسوم أيضًا وجود انتقال طور للهيليوم 4 (4He) عند درجة حرارة 2.17 كلفن ؛ تسمى مراحل الهليوم الأول والهيليوم الثاني (أقل من 2.17 كلفن). في عام 1938 ، اكتشف P. L. Kapitsa أن الهليوم -2 ليس له لزوجة (ظاهرة السيولة الفائقة). في الهيليوم -3 ، تحدث السيولة الفائقة فقط عند درجات حرارة أقل من 0.0026 كلفن ، ينتمي الهليوم الفائق المائع إلى فئة ما يسمى بالسوائل الكمومية ، والتي لا يمكن وصف سلوكها العياني إلا باستخدام ميكانيكا الكم. في عام 2004 ، ظهر تقرير عن اكتشاف السيولة الفائقة للهيليوم الصلب ، لكن تفسير هذه الظاهرة غير مفهوم تمامًا.

الخصائص الكيميائية للهيليوم

الهليوم هو العنصر الأقل نشاطًا كيميائيًا في المجموعة الثامنة (الغازات الخاملة) في الجدول الدوري. توجد العديد من مركبات الهيليوم فقط في الطور الغازي في شكل ما يسمى بجزيئات الإكسيمر ، حيث تكون الحالات الإلكترونية المثارة مستقرة والحالة الأرضية غير مستقرة. يشكل الهيليوم جزيئات ثنائية الذرة هي 2 ، فلوريد HeF ، كلوريد حمض الهيدروكلوريك (تتشكل جزيئات الإكسيمر بفعل التفريغ الكهربائي أو الأشعة فوق البنفسجية على خليط من غاز الهليوم والفلور (الكلور)).

المركب الكيميائي للهيليوم LiHe معروف. (ربما يعني اتصال LiHe 7)

نظائر الهليوم

يتكون الهيليوم الطبيعي من نظيرين مستقرين: 4 He (وفرة النظائر - 99.99986٪) وأندر بكثير 3 He (0.00014٪ ؛ يمكن أن يختلف محتوى الهليوم -3 في المصادر الطبيعية المختلفة على نطاق واسع). من المعروف أن ستة نظائر مشعة اصطناعية أخرى للهيليوم.

الحصول على الهيليوم

الصناعة - عنصر كيميائي الهيليوميتم إنتاجها من الغازات الطبيعية المحتوية على الهيليوم (في الوقت الحاضر ، يتم استغلال الرواسب التي تحتوي على> 0.1٪ هيليوم بشكل أساسي). يتم فصل الهيليوم عن الغازات الأخرى عن طريق التبريد العميق ، باستخدام حقيقة أنه من الصعب تسييله أكثر من جميع الغازات الأخرى. يتم التبريد عن طريق الاختناق على عدة مراحل ، وتنظيفه باستخدام ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات. والنتيجة هي مزيج من الهيليوم والنيون والهيدروجين. يتم تنقية الهيليوم الخام (70-90٪ هيليوم من حيث الحجم) من الهيدروجين (4-5٪) باستخدام CuO عند 650-800 كلفن. الكربون في الممتزات ، يتم تبريده أيضًا بسائل N 2. إنها تنتج الهيليوم بنقاء تقني (99.80٪ من حجم الهليوم) ونقاوة عالية (99.985٪).

في روسيا ، يتم الحصول على الهيليوم الغازي من الغازات الطبيعية والبترولية. حاليًا ، يتم استخراج الهيليوم في مصنع الهليوم في أورينبورغ غازبروم دوبيتشا أورينبورغ من غاز يحتوي على نسبة منخفضة من الهيليوم (تصل إلى 0.055٪ من حيث الحجم) ، لذلك فإن تكلفة الهيليوم الروسي عالية. هناك مشكلة ملحة تتمثل في التطوير والمعالجة المعقدة للغازات الطبيعية من الرواسب الكبيرة في شرق سيبيريا مع نسبة عالية من الهيليوم (من 0.15 إلى 1 ٪) ، مما يقلل بشكل كبير من تكلفتها.

لنقل الهيليوم السائل ، يتم استخدام سفن نقل خاصة مثل STG-10 و STG-25 و STG-40 ذات اللون الرمادي الفاتح بحجم 10 و 25 و 40 لترًا على التوالي. عند استيفاء قواعد نقل معينة ، يمكن استخدام السكك الحديدية والطرق وأنماط النقل الأخرى. الأوعية التي تحتوي على الهيليوم السائل بالضرورةيجب أن يتم تخزينها في وضع رأسي.

تطبيق الهيليوم

تستخدم الخصائص الفريدة للهليوم على نطاق واسع في الصناعة والاقتصاد الوطني:
- في علم المعادن كغاز خامل وقائي لصهر المعادن النقية
- مسجلة في الصناعات الغذائية كمضافات غذائية E939، كوقود دافع وغاز للتعبئة والتغليف
- تستخدم كمبرد للحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية (على وجه الخصوص ، لنقل المعادن إلى حالة فائقة التوصيل)
- لتعبئة البالونات (المناطيد)
- في مخاليط التنفس للغطس العميق (اسطوانة للغوص)
- لتعبئة البالونات وقذائف مجسات الأرصاد الجوية
- لتعبئة أنابيب تصريف الغاز
- كمبرد في بعض أنواع المفاعلات النووية
- كناقل في كروماتوغرافيا الغاز
- للبحث عن التسريبات في خطوط الأنابيب والغلايات (انظر كاشف تسرب الهيليوم)
- كعنصر من مكونات السائل العامل في ليزر الهليوم-نيون
- نوكليد 3 هتستخدم بنشاط في تقنيات نثر النيوترونات كمستقطب وحشو لكاشفات النيوترونات الحساسة للموضع
- نوكليد 3 هوقود واعد للطاقة النووية الحرارية
- لتغيير جرس الحبال الصوتية (تأثير زيادة نغمة الصوت) بسبب الاختلاف في كثافة خليط الهواء المعتاد والهيليوم (على غرار سداسي فلوريد الكبريت)

الدور البيولوجي للهيليوم

لا يلعب الهيليوم دورًا بيولوجيًا.

العمل الفسيولوجي

للغازات الخاملة تأثير فسيولوجي يتجلى في تأثيرها المخدر على الجسم. لم يتم تسجيل التأثير المخدر للهيليوم (والنيون) عند الضغط الطبيعي في التجارب ، بينما مع زيادة الضغط ، تظهر أعراض "متلازمة الضغط العصبي المرتفع" (NSVD) في وقت سابق

في عام 2000 ، كانت أسعار الشركات الخاصة للهيليوم الغازي في حدود 1.5 - 1.8 دولار / متر مكعب
في عام 2009 ، كانت أسعار الهيليوم الغازي في حدود 1800-2500 روبل لكل 6 متر مكعب (زجاجة 40 لترًا) (سانت بطرسبرغ).

معلومات إضافية عن الهيليوم

الهليوم -3 هو نظير خفيف غير مشع للهيليوم.
تأثير بوميرانشوك هو الطبيعة الشاذة لذوبان (أو تصلب) نظير الهيليوم الخفيف 3 He

هيليوم ، هيليوم ، للرجال (2)
في عام 1868 ، لاحظ عالم الفلك الفرنسي يانسن كسوفًا كليًا للشمس في الهند ودرس الغلاف اللوني للشمس بالطيف الطيفي. وجد خطًا أصفر لامعًا في طيف الشمس ، والذي حدده D3 ، والذي لا يتطابق مع الخط الأصفر D للصوديوم. في نفس الوقت ، نفس الخط في طيف الشمس شوهد من قبل عالم الفلك الإنجليزي لوكير ، الذي أدرك أنه ينتمي إلى عنصر غير معروف. قرر لوكير ، جنبًا إلى جنب مع فرانكلاند ، الذي عمل معه بعد ذلك ، تسمية عنصر الهليوم الجديد (من اليونانية - هيليوس ، الشمس). ثم اكتشف باحثون آخرون خطًا أصفر جديدًا في أطياف المنتجات "الأرضية" ؛ لذلك ، في عام 1881 ، اكتشفه الإيطالي بالمييري أثناء فحص عينة غاز مأخوذة من فوهة بركان فيزوف.

أثناء التحقيق في معادن اليورانيوم ، وجد الكيميائي هيلبراند أنها تنبعث منها غازات تحت تأثير حمض الكبريتيك القوي. هيلبراند نفسه يعتقد أنه كان نيتروجين. رامزي ، الذي لفت الانتباه إلى رسالة هيلبراند ، تعرض لتحليل طيفي للغازات المنبعثة أثناء معالجة معدن الكليفايت بالحمض. وجد أن الغازات تحتوي على النيتروجين والأرجون وغاز غير معروف يعطي خطًا أصفر لامع. نظرًا لعدم وجود مطياف جيد بما يكفي تحت تصرفه ، أرسل رامزي عينات من الغاز الجديد إلى كروكس ولوكير ، اللذين سرعان ما حددا الغاز على أنه الهيليوم. في نفس العام ، 1895 ، عزل رامزي الهيليوم من خليط من الغازات. اتضح أنه خامل كيميائيًا ، مثل الأرجون. بعد ذلك بوقت قصير ، أدلى كل من Lockyer و Runge و Paschen بتصريح مفاده أن الهيليوم يتكون من مزيج من غازين ، orthohelium و parahelium. أحدهما يعطي الخط الأصفر للطيف ، والآخر أخضر. هذا الغاز الثاني اقترحوا تسميته Asterium (Asterium) من اليونانية - النجوم. جنبا إلى جنب مع Travers ، تحقق رامزي من هذا البيان وأثبت أنه خاطئ ، لأن لون خط الهليوم يعتمد على ضغط الغاز.

الهيليوم(هو) هو غاز خامل ، وهو العنصر الثاني في النظام الدوري للعناصر ، وكذلك العنصر الثاني من حيث الخفة والانتشار في الكون. إنه ينتمي إلى مواد بسيطة وفي ظل الظروف القياسية (درجة الحرارة والضغط القياسيان) هو غاز أحادي الذرة.

الهيليومليس له طعم ولا لون ولا رائحة ولا يحتوي على سموم.

من بين جميع المواد البسيطة ، يحتوي الهيليوم على أقل نقطة غليان (T = 4.216 K). عند الضغط الجوي ، من المستحيل الحصول على الهيليوم الصلب ، حتى في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق - للوصول إلى شكل صلب ، يحتاج الهيليوم إلى ضغط أعلى من 25 ضغطًا جويًا. يوجد عدد قليل من المركبات الكيميائية للهيليوم وجميعها غير مستقرة في ظل الظروف القياسية.
يتكون الهليوم الطبيعي من نظيرين مستقرين ، هو و 4 ه. نظير "هي" نادر جدًا (وفرة النظائر 0.00014٪) بنسبة 99.99986٪ لنظير 4He. بالإضافة إلى 6 نظائر إشعاعية طبيعية للهيليوم معروفة أيضًا.
كان ظهور كل شيء تقريبًا في الكون ، أي الهيليوم ، هو عملية التخليق النووي الأولية التي حدثت في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم.
في الوقت الحاضر ، تقريبا كل شيء الهيليوميتكون من الهيدروجين نتيجة الاندماج الحراري النووي الذي يحدث في باطن النجوم. على كوكبنا ، يتشكل الهيليوم في عملية اضمحلال ألفا للعناصر الثقيلة. هذا الجزء من الهيليوم الذي يتمكن من التسرب عبر قشرة الأرض يخرج كجزء من الغاز الطبيعي ويمكن أن يصل إلى 7٪ من تركيبته. ما يجب تسليط الضوء عليه الهيليوممن الغاز الطبيعي ، يتم استخدام التقطير التجزيئي - عملية فصل العناصر بدرجة حرارة منخفضة.

تاريخ اكتشاف الهليوم

في 18 أغسطس 1868 ، كان من المتوقع حدوث كسوف كلي للشمس. يستعد علماء الفلك حول العالم بنشاط لهذا اليوم. كانوا يأملون في حل لغز البروز - الإسقاطات المضيئة التي كانت مرئية في وقت حدوث كسوف كلي للشمس على طول حواف القرص الشمسي. يعتقد بعض علماء الفلك أن البروز عبارة عن جبال قمرية عالية ، والتي ، في وقت حدوث كسوف كلي للشمس ، كانت مضاءة بأشعة الشمس ؛ يعتقد البعض الآخر أن البروز جبال على الشمس نفسها ؛ لا يزال آخرون يرون السحب النارية للغلاف الجوي الشمسي في الإسقاطات الشمسية. اعتقد الغالبية أن البروز ليس أكثر من خداع بصري.

في عام 1851 ، أثناء كسوف للشمس لوحظ في أوروبا ، لم يكتف الفلكي الألماني شميت برؤية إسقاطات شمسية فحسب ، بل تمكن أيضًا من إدراك أن خطوطها العريضة تتغير بمرور الوقت. بناءً على ملاحظاته ، خلص شميدت إلى أن البروزات عبارة عن سحب غازية متوهجة تقذف إلى الغلاف الجوي الشمسي عن طريق الانفجارات البركانية العملاقة. ومع ذلك ، حتى بعد ملاحظات شميدت ، ما زال العديد من علماء الفلك يعتبرون الحواف النارية خداعًا بصريًا.

فقط بعد الكسوف الكلي في 18 يوليو 1860 ، والذي لوحظ في إسبانيا ، عندما رأى العديد من علماء الفلك الإسقاطات الشمسية بأعينهم ، ولم يتمكن الإيطالي Secchi والفرنسي Dellar من رسمها فحسب ، بل أيضًا تصويرها ، كان لديه أي شكوك حول وجود بروز.

بحلول عام 1860 ، كان قد تم بالفعل اختراع مطياف - جهاز يجعل من الممكن ، من خلال مراقبة الجزء المرئي من الطيف البصري ، تحديد التركيب النوعي للجسم الذي يتم الحصول على الطيف المرصود منه. ومع ذلك ، في يوم كسوف الشمس ، لم يستخدم أي من علماء الفلك مطيافًا لعرض طيف البروزات. تم تذكر المطياف عندما انتهى الكسوف بالفعل.

لهذا السبب ، أثناء التحضير لكسوف الشمس في عام 1868 ، قام كل عالم فلك بتضمين مطياف في قائمة أدوات المراقبة. لم ينس العالم الفرنسي الشهير Jules Jansen هذا الجهاز عندما ذهب إلى الهند لمراقبة البروزات ، حيث كانت الظروف لرصد كسوف الشمس ، وفقًا لحسابات علماء الفلك ، هي الأفضل.

في الوقت الذي كان فيه قرص الشمس المتلألئ مغطى بالكامل بالقمر ، قام Jules Jansen بفحص مطياف اللهب البرتقالي والأحمر المتسرب من سطح الشمس ، ورأى في الطيف ، بالإضافة إلى ثلاثة خطوط مألوفة من الهيدروجين : الأحمر والأخضر والأزرق والأزرق ، جديد ، غير مألوف - أصفر لامع. لم يكن لدى أي من المواد المعروفة للكيميائيين في ذلك الوقت مثل هذا الخط في الجزء من الطيف حيث اكتشفه Jules Jansen. نفس الاكتشاف ، ولكن في المنزل في إنجلترا ، قام به عالم الفلك نورمان لوكير.

في 25 أكتوبر 1868 ، تلقت أكاديمية باريس للعلوم رسالتين. إحداها ، كتبت في اليوم التالي لكسوف الشمس ، جاءت من جونتور ، وهي بلدة صغيرة على الساحل الشرقي للهند ، من جول يانسن. رسالة أخرى بتاريخ ٢٠ أكتوبر ١٨٦٨ كانت من إنجلترا من نورمان لوكير.

تمت قراءة الرسائل المستلمة في اجتماع لأساتذة أكاديمية باريس للعلوم. في كل منهما ، أبلغ جول يانسن ونورمان لوكير ، بشكل مستقل عن بعضهما البعض ، عن اكتشاف نفس "المادة الشمسية". هذه المادة الجديدة ، الموجودة على سطح الشمس باستخدام مطياف ، اقترح لوكير استدعاء الهيليوم من الكلمة اليونانية التي تعني "الشمس" - "هيليوس".

فاجأت مثل هذه المصادفة الاجتماع العلمي لأساتذة الأكاديميات وشهدت في نفس الوقت على الطبيعة الموضوعية لاكتشاف مادة كيميائية جديدة. تكريما لاكتشاف مادة المشاعل الشمسية (البروز) ، تم إخراج ميدالية. على أحد جانبي هذه الميدالية ، نُقشت صور يانسن ولوكير ، وعلى الجانب الآخر ، صورة لإله الشمس اليوناني القديم أبولو في عربة رسمها أربعة خيول. تحت العربة كان هناك نقش بالفرنسية: "تحليل إسقاطات الطاقة الشمسية في 18 أغسطس 1868."

في عام 1895 ، لفت الكيميائي اللندني هنري مايرز انتباه ويليام رامزي ، الكيميائي الفيزيائي الإنجليزي الشهير ، إلى المقال المنسي للجيولوجي هيلدبراند. في هذه المقالة ، جادل هيلدبراند بأن بعض المعادن النادرة ، عند تسخينها في حمض الكبريتيك ، تنبعث منها غاز لا يحترق ولا يدعم الاحتراق. من بين هذه المعادن النادرة كان kleveite ، الذي وجده في النرويج Nordenskiöld ، المستكشف السويدي الشهير للمناطق القطبية.

قرر رامزي التحقيق في طبيعة الغاز الموجود في الكلفيت. في جميع متاجر المواد الكيميائية في لندن ، تمكن مساعدو رامزي من شراء ... جرام واحد فقط من الافتراء ، ودفعوا 3.5 شلن فقط مقابل ذلك. بعد عزل عدة سنتيمترات مكعبة من الغاز من كمية الكلفيت التي تم الحصول عليها وتنقيتها من الشوائب ، فحصها رامزي باستخدام مطياف. كانت النتيجة غير متوقعة: الغاز المنطلق من kleveite اتضح أنه ... الهيليوم!

غير واثق من اكتشافه ، لجأ رامزي إلى ويليام كروكس ، المتخصص الرائد آنذاك في التحليل الطيفي في لندن ، بطلب للتحقيق في الغاز المنطلق من الكليفايت.

قام كروكس بالتحقيق في الغاز. أكدت نتيجة الدراسة اكتشاف رامزي. وهكذا ، في 23 مارس 1895 ، تم اكتشاف مادة على الأرض تم العثور عليها على الشمس قبل 27 عامًا. في نفس اليوم ، نشر رامزي اكتشافه ، حيث أرسل رسالة واحدة إلى الجمعية الملكية في لندن وأخرى إلى الكيميائي الفرنسي الشهير الأكاديمي بيرثيلوت. في رسالة إلى بيرثيلوت ، طلب رامزي إبلاغ الاجتماع العلمي لأساتذة أكاديمية باريس باكتشافه.

بعد خمسة عشر يومًا من رامزي ، عزل الكيميائي السويدي لانغلي الهيليوم من kleveite ، بشكل مستقل عنه ، وأبلغ ، مثل رامزي ، عن اكتشافه للهيليوم إلى الكيميائي بيرثيلوت.

للمرة الثالثة ، تم اكتشاف الهيليوم في الهواء ، وبحسب رامزي ، كان يجب أن يأتي من معادن نادرة (كليفايت ، إلخ) أثناء التدمير والتحولات الكيميائية على الأرض.

كما تم العثور على كميات صغيرة من الهيليوم في مياه بعض الينابيع المعدنية. لذلك ، على سبيل المثال ، وجده رامزي في نبع الشفاء كوتري في جبال البرانس ، وجده الفيزيائي الإنجليزي جون ويليام رايلي في مياه الينابيع في منتجع باث الشهير ، اكتشف الفيزيائي الألماني كايزر الهيليوم في الينابيع المتدفقة في جبال الغابة السوداء. ومع ذلك ، تم العثور على الهيليوم في معظم المعادن. تم العثور عليها في سامارسكايت ، فيرغسونيت ، كولومبيت ، مونازيت ، ويورانيت. يحتوي معدن الثوريانيت من جزيرة سيلان على كمية كبيرة من الهيليوم بشكل خاص. كيلوغرام من الثوريانايت ، عند تسخينه باللون الأحمر ، يطلق 10 لترات من الهيليوم.

سرعان ما ثبت أن الهيليوم يوجد فقط في تلك المعادن التي تحتوي على اليورانيوم المشع والثوريوم. إن أشعة ألفا المنبعثة من بعض العناصر المشعة ليست أكثر من نوى ذرات الهيليوم.

من التاريخ ...

تجعل خصائصه غير العادية من الممكن استخدام الهيليوم على نطاق واسع لمجموعة متنوعة من الأغراض. الأول ، المنطقي تمامًا ، استنادًا إلى خفته ، هو استخدامه في المناطيد والمناطيد. علاوة على ذلك ، على عكس الهيدروجين ، فهو ليس متفجرًا. تم استخدام خاصية الهيليوم هذه من قبل الألمان في الحرب العالمية الأولى على المناطيد القتالية. عيب استخدامه هو أن المنطاد المملوء بالهيليوم لن يطير عالياً مثل الهيدروجين.

من أجل قصف المدن الكبيرة ، وخاصة عواصم إنجلترا وفرنسا ، استخدمت القيادة الألمانية في الحرب العالمية الأولى المناطيد (منطاد). تم استخدام الهيدروجين لملئها. لذلك ، كانت المعركة ضدهم بسيطة نسبيًا: قذيفة حارقة سقطت في قذيفة المنطاد أشعلت الهيدروجين ، الذي اندلع على الفور واحترق الجهاز. من بين 123 مناطيد بنيت في ألمانيا خلال الحرب العالمية الأولى ، 40 محترقة من القذائف الحارقة. لكن ذات يوم فوجئت هيئة الأركان العامة للجيش البريطاني برسالة ذات أهمية خاصة. لم تسفر الضربات المباشرة للقذائف الحارقة على المنطاد الألماني عن نتائج. لم تنفجر النيران في المنطاد ، ولكن تدفقت ببطء من بعض الغاز غير المعروف ، وحلقت عائدة.

كان الخبراء العسكريون في حيرة من أمرهم ، وعلى الرغم من المناقشة العاجلة والمفصلة لمسألة عدم قابلية المنطاد للاشتعال من المقذوفات الحارقة ، لم يتمكنوا من العثور على التفسير اللازم. تم حل اللغز بواسطة الكيميائي الإنجليزي ريتشارد ثريلفال. في رسالة إلى الأميرالية البريطانية ، كتب: "... أعتقد أن الألمان اخترعوا طريقة ما لاستخراج الهيليوم بكميات كبيرة ، وهذه المرة ملأوا قشرة منطادهم ليس بالهيدروجين كالعادة بل بالهيليوم. ... "

ومع ذلك ، تم تقليل إقناع حجج Threlfall بسبب عدم وجود مصادر مهمة للهيليوم في ألمانيا. صحيح أن الهليوم موجود في الهواء ، لكنه لا يكفي هناك: يحتوي متر مكعب واحد من الهواء على 5 سنتيمترات مكعبة فقط من الهيليوم. آلة التبريد في نظام Linde ، التي تحول عدة مئات من الأمتار المكعبة من الهواء إلى سائل في ساعة واحدة ، لا يمكن أن تنتج أكثر من 3 لترات من الهيليوم خلال هذا الوقت.

3 لترات من الهيليوم في الساعة! ولكي تملأ منطادك تحتاج 5 6 آلاف متر مكعب. م للحصول على مثل هذه الكمية من الهليوم ، كان على آلة واحدة من Linde أن تعمل دون توقف لمدة مائتي عام تقريبًا ، وستوفر مائتان من هذه الآلات الكمية المطلوبة من الهيليوم في عام واحد. يعتبر إنشاء 200 مصنع لتحويل الهواء إلى سائل لإنتاج الهيليوم أمرًا غير مربح من الناحية الاقتصادية ولا معنى له عمليًا.

من أين حصل الكيميائيون الألمان على الهيليوم؟

هذه المشكلة ، كما اتضح فيما بعد ، تم حلها ببساطة نسبيًا. قبل الحرب بوقت طويل ، صدرت تعليمات لشركات البواخر الألمانية التي تشحن البضائع إلى الهند والبرازيل بتحميل البواخر العائدة ليس بالصابورة العادية ، ولكن برمل المونازيت ، الذي يحتوي على الهيليوم. وهكذا ، تم إنشاء احتياطي من "المواد الخام الهليوم" - حوالي 5 آلاف طن من رمل المونازيت ، والتي تم الحصول منها على الهيليوم لمنطاد زيبلين. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخراج الهيليوم من مياه نبع نوهايم المعدني ، والتي أعطت ما يصل إلى 70 مترًا مكعبًا. م من الهيليوم يوميا.

كانت حادثة منطاد زيبلين المقاوم للحريق دافعًا لبحث جديد عن الهيليوم. بدأ الكيميائيون والفيزيائيون والجيولوجيون في البحث عن الهيليوم بشكل مكثف. أصبحت فجأة ذات قيمة كبيرة. في عام 1916 ، كلف المتر المكعب من الهيليوم 200000 روبل ذهبي ، أي 200 روبل للتر. إذا أخذنا في الاعتبار أن لترًا من الهيليوم يزن 0.18 جم ، فإن 1 جرام منه يكلف أكثر من 1000 روبل.

أصبح الهيليوم موضوعًا للبحث عن التجار والمضاربين وتجار البورصة. تم العثور على الهيليوم بكميات كبيرة في الغازات الطبيعية الخارجة من أحشاء الأرض في أمريكا ، في ولاية كانساس ، حيث بعد دخول أمريكا الحرب ، تم بناء مصنع للهيليوم بالقرب من مدينة فورت وورث. لكن الحرب انتهت ، وظلت احتياطيات الهيليوم غير مستخدمة ، وانخفضت تكلفة الهيليوم بشكل حاد ، وفي نهاية عام 1918 بلغت حوالي أربعة روبلات لكل متر مكعب.

تم استخدام الهيليوم المستخرج بهذه الصعوبة من قبل الأمريكيين فقط في عام 1923 لملء منطاد شيناندواه المسالم الآن. كانت أول سفينة ركاب جوية ووحيدة في العالم مليئة بالهيليوم. ومع ذلك ، فإن "حياته" لم تدم طويلاً. بعد عامين من ولادتها ، دمرت عاصفة شيناندواه. 55 ألف متر مكعب م ، تقريبا كل الإمداد العالمي من الهيليوم ، الذي تم جمعه لمدة ست سنوات ، تبدد دون أن يترك أثرا في الغلاف الجوي خلال عاصفة استمرت 30 دقيقة فقط.

تطبيق الهيليوم

الهيليوم في الطبيعة

معظمها أرضية الهيليومتتشكل أثناء التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم والمنتجات غير المستقرة من اضمحلالها. يتم إنتاج كميات أصغر بشكل لا يضاهى من الهيليوم عن طريق التحلل البطيء للسماريوم 147 والبزموت. كل هذه العناصر تنتج فقط النظير الثقيل للهيليوم - He 4 ، الذي يمكن اعتبار ذراته بقايا جسيمات ألفا ، مدفونة في غلاف من إلكترونين مقترنين - في ثنائي إلكترون. في الفترات الجيولوجية المبكرة ، ربما كانت هناك أيضًا سلسلة أخرى من العناصر المشعة بشكل طبيعي والتي اختفت بالفعل من على وجه الأرض ، مما أدى إلى تشبع الكوكب بالهيليوم. كان أحدها هو سلسلة النبتون المعاد إنشاؤها صناعياً الآن.

من خلال كمية الهيليوم المحاصرة في صخرة أو معدن ، يمكن للمرء أن يحكم على عمره المطلق. تستند هذه القياسات إلى قوانين الاضمحلال الإشعاعي: على سبيل المثال ، يتحول نصف اليورانيوم 238 في 4.52 مليار سنة إلى الهيليوموقيادة.

الهيليوميتراكم ببطء في قشرة الأرض. طن واحد من الجرانيت ، يحتوي على 2 جرام من اليورانيوم و 10 جرام من الثوريوم ، ينتج فقط 0.09 مجم من الهيليوم في مليون سنة - نصف سنتيمتر مكعب. تحتوي المعادن القليلة جدًا الغنية باليورانيوم والثوريوم على كمية كبيرة جدًا من الهيليوم - بضعة سنتيمترات مكعبة من الهيليوم لكل جرام. ومع ذلك ، فإن حصة هذه المعادن في إنتاج الهيليوم الطبيعي قريبة من الصفر ، لأنها نادرة جدًا.

يوجد القليل من الهيليوم على الأرض: يحتوي 1 م 3 من الهواء على 5.24 سم 3 فقط من الهيليوم ، وكل كيلوغرام من المواد الأرضية يحتوي على 0.003 ملغ من الهيليوم. ولكن من حيث الانتشار في الكون ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية بعد الهيدروجين: يمثل الهيليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكونية. يتركز ما يقرب من نصف كل الهيليوم في القشرة الأرضية ، خاصة في غلافها الجرانيتي ، الذي تراكم الاحتياطيات الرئيسية من العناصر المشعة. محتوى الهيليوم في قشرة الأرض صغير - 3 × 10 -7٪ من الوزن. يتراكم الهيليوم في تراكمات الغازات الحرة في الأمعاء والزيوت ؛ هذه الودائع تصل إلى نطاق صناعي. تم العثور على التركيزات القصوى للهيليوم (10-13٪) في تراكمات الغاز الحر وغازات مناجم اليورانيوم و (20-25٪) في الغازات المنبعثة تلقائيًا من المياه الجوفية. كلما تقدم عمر الصخور الرسوبية الحاملة للغاز وكلما زاد محتوى العناصر المشعة فيها ، زاد الهيليوم في تكوين الغازات الطبيعية.

تعدين الهليوم

يتم إنتاج الهيليوم على نطاق صناعي من الغازات الطبيعية والبترولية لكل من تركيبة الهيدروكربون والنيتروجين. وفقًا لجودة المواد الخام ، تنقسم رواسب الهيليوم إلى: غنية (محتوى> 0.5٪ من حيث الحجم) ؛ عادي (0.10-0.50) وفقير< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

تبلغ احتياطيات العالم من الهليوم 45.6 مليار متر مكعب. توجد الودائع الكبيرة في الولايات المتحدة (45٪ من موارد العالم) ، تليها روسيا (32٪) ، والجزائر (7٪) ، وكندا (7٪) والصين (4٪).
كما تقود الولايات المتحدة أيضًا إنتاج الهيليوم (140 مليون متر مكعب سنويًا) ، تليها الجزائر (16 مليونًا).

تحتل روسيا المرتبة الثالثة في العالم - 6 ملايين متر مكعب في السنة. يعتبر مصنع أورينبورغ للهيليوم حاليًا المصدر المحلي الوحيد لإنتاج الهيليوم ، كما أن إنتاج الغاز آخذ في الانخفاض. في هذا الصدد ، فإن حقول الغاز في شرق سيبيريا والشرق الأقصى ذات التركيزات العالية من الهليوم (تصل إلى 0.6 ٪) لها أهمية خاصة. واحدة من أكثر الواعدة هي Kovykta ha حقل zocondensate يقع في شمال منطقة إيركوتسك. وبحسب الخبراء فإنه يحتوي على حوالي 25٪ من العالم x احتياطيات الهليوم.

اسم المؤشر	الهليوم (الدرجة أ) (وفقًا لـ TU 51-940-80)	الهليوم (الدرجة B) (وفقًا لـ TU 51-940-80)	هيليوم عالي النقاء ، درجة 5.5 (وفقًا لـ TU 0271-001-45905715-02)	هيليوم عالي النقاء ماركة 6.0 (حسب TU 0271-001-45905715-02)
الهيليوم ليس أقل
النيتروجين لا أكثر
الأكسجين + الأرجون
نيون ، لا أكثر
بخار الماء لا أكثر
الهيدروكربونات ، لا أكثر
CO2 + CO ، لا أكثر
الهيدروجين لا أكثر

حماية

- الهليوم غير سام وغير قابل للاشتعال وغير قابل للانفجار
- يُسمح باستخدام الهيليوم في أي مكان مزدحم: في الحفلات الموسيقية والعروض الترويجية والملاعب والمحلات التجارية.
- غاز الهليوم خامل من الناحية الفسيولوجية ولا يشكل خطرا على الإنسان.
- الهليوم ليس خطرا على البيئة ، لذلك لا داعي لمعادلة واستخدام وإزالة مخلفاته في الاسطوانات.
- الهليوم أخف بكثير من الهواء ويتبدد في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض.

الهيليوم (الدرجات A و B وفقًا لـ TU 51-940-80)
الاسم الفني	الهليوم الغازي
صيغة كيميائية
رقم الأمم المتحدة
فئة خطر النقل
الخصائص الفيزيائية
الحالة الجسدية	في ظل الظروف العادية - الغاز
الكثافة ، كجم / م³	في ظل الظروف العادية (101.3 كيلو باسكال ، 20 درجة مئوية) ، 1627
نقطة الغليان ، C عند 101.3 كيلو باسكال
درجة حرارة النقطة الثالثة وضغط توازنها C (MPa)
الذوبان في الماء	صغير
خطر الحريق والانفجار	دليل على الحريق والانفجار
الثبات والتفاعلية
استقرار	مستقر
التفاعلية	غاز خامل
الخطر البشري
تأثير سام	غير سام
الخطر البيئي	ليس له تأثير ضار على البيئة
خدمات	أي وسيلة قابلة للتطبيق.

تخزين الهيليوم ونقله

يمكن نقل الهيليوم الغازي بجميع وسائط النقل وفقًا لقواعد نقل البضائع في وسيلة نقل محددة. يتم النقل في اسطوانات خاصة من الصلب البني وحاويات هيليوم. يتم نقل الهيليوم السائل في سفن النقل مثل STG-40 و STG-10 و STG-25 بحجم 40 و 10 و 25 لترًا.

قواعد نقل الاسطوانات بالغازات التقنية

يتم تنظيم نقل البضائع الخطرة في الاتحاد الروسي من خلال الوثائق التالية:

1 - "قواعد نقل البضائع الخطرة عن طريق البر" (بصيغتها المعدلة بموجب أوامر وزارة النقل في الاتحاد الروسي بتاريخ 11.06.1999 رقم 37 ، الصادر في 10.14.1999 رقم 77 ؛ مسجلة لدى وزارة العدل للاتحاد الروسي في 18 ديسمبر 1995 ، رقم التسجيل 997).

2. "الاتفاقية الأوروبية بشأن النقل الدولي للبضائع الخطرة عن طريق البر" (ADR) ، التي انضمت إليها روسيا رسميًا في 28 أبريل 1994 (مرسوم حكومة الاتحاد الروسي بتاريخ 03.02.1994 رقم 76).

3. "قواعد الطريق" (SDA 2006) ، وهي المادة 23-5 ، التي تنص على أن "نقل ... للبضائع الخطرة ... يتم وفقًا لقواعد خاصة".

4 - "قانون الاتحاد الروسي بشأن الجرائم الإدارية" ، تنص المادة 12-21 ، الجزء 2 منه ، على المسؤولية عن انتهاك قواعد نقل البضائع الخطرة في شكل "غرامة إدارية على السائقين بمبلغ من واحد إلى ثلاثة أضعاف الحد الأدنى للأجور أو الحرمان من الحق في قيادة المركبات لمدة شهر إلى ثلاثة أشهر ؛ للمسؤولين عن النقل - من عشرة إلى عشرين ضعف الحد الأدنى للأجور.

وفقًا للفقرة 3 من الفقرة 1.2 ، "لا تنطبق القواعد على ... نقل كمية محدودة من المواد الخطرة على مركبة واحدة ، ويمكن اعتبار نقلها بمثابة نقل للبضائع غير الخطرة." كما توضح أن "الكمية المحدودة من البضائع الخطرة محددة في متطلبات النقل الآمن لنوع معين من البضائع الخطرة. وعند تحديدها ، يمكن استخدام متطلبات الاتفاق الأوروبي بشأن النقل الدولي للبضائع الخطرة. (ADR) ". وبالتالي ، فإن مسألة الحد الأقصى من المواد التي يمكن نقلها كبضائع غير خطرة قد اختُزلت في دراسة القسم 1.1.3 من ADR ، الذي يحدد استثناءات من القواعد الأوروبية لنقل البضائع الخطرة المرتبطة بظروف مختلفة.

لذلك ، على سبيل المثال ، وفقًا للفقرة 1.1.3.1 "لا تنطبق أحكام ADR ... على نقل البضائع الخطرة بواسطة أشخاص عاديين ، عندما تكون هذه البضائع معبأة للبيع بالتجزئة ومخصصة للاستهلاك الشخصي والاستخدام في الحياة اليومية أو أوقات الفراغ أو الرياضة ، بشرط اتخاذ تدابير لمنع أي تسرب للمحتويات في ظل ظروف النقل العادية ".

ومع ذلك ، فإن مجموعة الإعفاءات المعترف بها رسميًا بموجب قواعد نقل البضائع الخطرة هي استثناءات مرتبطة بالكميات المنقولة في وحدة نقل واحدة (البند 1.1.3.6).

يتم تعيين جميع الغازات إلى الفئة الثانية من المواد وفقًا لتصنيف ADR. تنتمي الغازات غير القابلة للاشتعال وغير السامة (المجموعة أ - المحايدة والأكسجين المؤكسدة) إلى فئة النقل الثالثة ، بحد أقصى للكمية يبلغ 1000 وحدة. قابلة للاشتعال (المجموعة F) - إلى الثانية ، بحد أقصى 333 وحدة. تعني كلمة "الوحدة" هنا سعة 1 لتر من سعة وعاء يحتوي على غاز مضغوط ، أو 1 كجم من الغاز المسال أو المذاب. وعليه يكون الحد الأقصى لكمية الغازات التي يمكن نقلها في وحدة نقل واحدة كبضائع غير خطرة كما يلي:

الهيليوم هو العنصر الترتيبي الثاني في النظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev ، برقم ذري 2. وهو يقع في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الثامنة ، الفترة الأولى من النظام الدوري. يرأس مجموعة الغازات الخاملة في الجدول الدوري. يتم تحديده بالرمز هو (اللات. الهليوم). مادة الهيليوم البسيطة (رقم CAS: 7440-59-7) هي غاز أحادي خامل بدون لون أو طعم أو رائحة. الهيليوم هو أحد أكثر العناصر وفرة في الكون ، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين. الهليوم هو أيضًا ثاني أخف عنصر كيميائي (بعد الهيدروجين). يُستخرج الهيليوم من الغاز الطبيعي عن طريق عملية فصل بدرجة حرارة منخفضة - ما يسمى بالتقطير التجزيئي

في 18 أغسطس 1868 ، قام العالم الفرنسي بيير يانسن ، خلال كسوف كلي للشمس في مدينة جونتور الهندية ، بدراسة كروموسفير الشمس لأول مرة. نجح يانسن في ضبط المطياف بطريقة يمكن من خلالها ملاحظة طيف الإكليل الشمسي ليس فقط أثناء الكسوف ، ولكن أيضًا في الأيام العادية. في اليوم التالي ، كشف التحليل الطيفي للبروز الشمسي ، جنبًا إلى جنب مع خطوط الهيدروجين - الأزرق والأخضر والأزرق والأحمر - عن خط أصفر ساطع للغاية ، التقطه في البداية يانسن وعلماء الفلك الآخرون الذين لاحظوه لخط الصوديوم D. كتب يانسن على الفور عن هذا إلى أكاديمية العلوم الفرنسية. بعد ذلك ، وجد أن الخط الأصفر اللامع في الطيف الشمسي لا يتطابق مع خط الصوديوم ولا ينتمي إلى أي من العناصر الكيميائية المعروفة سابقًا.

بعد شهرين ، في 20 أكتوبر ، أجرى عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير ، الذي لم يكن يعلم بتطورات زميله الفرنسي ، أيضًا بحثًا عن الطيف الشمسي. بعد أن اكتشف خطًا أصفر غير معروف بطول موجي يبلغ 588 نانومتر (بدقة أكبر 587.56 نانومتر) ، حدده D3 ، نظرًا لأنه قريب جدًا من خطوط فراونهوفر D 1 (589.59 نانومتر) و D 2 (588.99 نانومتر) الصوديوم. بعد ذلك بعامين ، اقترح لوكير ، بالاشتراك مع الكيميائي الإنجليزي إدوارد فرانكلاند ، بالتعاون مع من كان يعمل معه ، إعطاء العنصر الجديد اسم "الهليوم" (من اليونانية الأخرى ἥλιος - "الشمس").

ومن المثير للاهتمام ، أن رسائل يانسن ولوكير وصلت إلى الأكاديمية الفرنسية للعلوم في نفس اليوم - 24 أكتوبر 1868 ، لكن رسالة لوكير ، المكتوبة قبل أربعة أيام ، وصلت قبل عدة ساعات. في اليوم التالي تمت قراءة الرسالتين في اجتماع للأكاديمية. تكريما للطريقة الجديدة لدراسة البروز ، قررت الأكاديمية الفرنسية سك ميدالية. على جانب واحد من الميدالية ، نُحتت صور يانسن ولوكير على أغصان الغار المتقاطعة ، وعلى الجانب الآخر ، صورة لإله الشمس الأسطوري أبولو ، وهو يحكم في عربة بها أربعة خيول تجري بأقصى سرعة.

بعد 27 عامًا فقط من اكتشافه الأولي ، تم اكتشاف الهيليوم على الأرض - في عام 1895 ، قام الكيميائي الاسكتلندي ويليام رامزي بفحص عينة من الغاز تم الحصول عليها من تحلل معدن الكليفايت ، ووجد في طيفه نفس الخط الأصفر اللامع الموجود سابقًا في الطيف الشمسي. تم إرسال العينة لإجراء دراسة إضافية لعالم التحليل الطيفي الإنجليزي الشهير ويليام كروكس ، الذي أكد أن الخط الأصفر الذي لوحظ في طيف العينة يتزامن مع خط الهليوم D3. في 23 مارس 1895 ، أرسل رامزي رسالة حول اكتشافه للهيليوم على الأرض إلى الجمعية الملكية في لندن ، وكذلك إلى الأكاديمية الفرنسية ، من خلال الكيميائي الشهير مارسيلين بيرثيلوت.

في عام 1896 ، أثبت كل من Heinrich Kaiser و Siegbert Friedländer وبعد ذلك بعامين إدوارد بيلي أخيرًا وجود الهيليوم في الغلاف الجوي.

حتى قبل رامزي ، عزل الكيميائي الأمريكي فرانسيس هيلبراند الهيليوم ، لكنه اعتقد خطأً أنه تلقى النيتروجين وفي رسالة إلى رامزي اعترف به كأولوية اكتشاف.
من خلال التحقيق في المواد والمعادن المختلفة ، اكتشف رامزي أن الهيليوم الموجود فيها يرافق اليورانيوم والثوريوم. ولكن بعد ذلك بوقت طويل ، في عام 1906 ، أثبت رذرفورد ورويدز أن جسيمات ألفا للعناصر المشعة هي نوى الهيليوم. شكلت هذه الدراسات بداية النظرية الحديثة لبنية الذرة.

فقط في عام 1908 ، تمكن الفيزيائي الهولندي Heike Kamerling-Onnes من الحصول على الهيليوم السائل عن طريق الاختناق (انظر تأثير Joule-Thomson) ، بعد أن تم تبريد الغاز مسبقًا في غليان الهيدروجين السائل تحت فراغ. ظلت محاولات الحصول على الهيليوم الصلب غير ناجحة لفترة طويلة حتى عند درجة حرارة 0.71 كلفن ، وهو ما حققه طالب كامرلينج أونز ، الفيزيائي الألماني ويليم هندريك كيسوم. فقط في عام 1926 ، من خلال الضغط فوق 35 ضغط جوي وتبريد الهيليوم المضغوط في الهيليوم السائل المغلي تحت الخلخلة ، نجح في عزل البلورات.

في عام 1932 ، حقق كيسوم في طبيعة التغير في السعة الحرارية للهيليوم السائل مع درجة الحرارة. وجد أن حوالي 2.19 كلفن ، يتم استبدال الارتفاع البطيء والسلس في السعة الحرارية بانخفاض حاد ، ويأخذ منحنى السعة الحرارية شكل الحرف اليوناني λ (لامدا). ومن ثم ، فإن درجة الحرارة التي تحدث عندها القفزة في السعة الحرارية تُعطى الاسم الشرطي "λ-point". قيمة درجة الحرارة الأكثر دقة عند هذه النقطة ، والتي تم تحديدها لاحقًا ، هي 2.172 كلفن عند النقطة ، تحدث تغييرات عميقة ومفاجئة في الخصائص الأساسية للهيليوم السائل - يتم استبدال مرحلة واحدة من الهيليوم السائل في هذه المرحلة بأخرى ، وبدون إطلاق الحرارة الكامنة يحدث انتقال مرحلي من الدرجة الثانية. فوق درجة حرارة النقطة يوجد ما يسمى بالهيليوم I ، وتحته - الهليوم الثاني.

في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي السوفيتي بيوتر ليونيدوفيتش كابيتسا ظاهرة السيولة الفائقة للهيليوم السائل الثاني ، والتي تتكون من انخفاض حاد في معامل اللزوجة ، ونتيجة لذلك يتدفق الهيليوم تقريبًا بدون احتكاك. إليكم ما كتبه في أحد تقاريره عن اكتشاف هذه الظاهرة.

أصل الاسم

من اليونانية. ἥλιος - "الشمس" (انظر هيليوس). من الغريب أن النهاية "-iy" ، التي تميز المعادن ، قد تم استخدامها في اسم العنصر (باللاتينية "-um" - "هيليوم") ، حيث افترض لوكير أن العنصر الذي اكتشفه كان معدنًا. بالقياس مع الغازات النبيلة الأخرى ، سيكون من المنطقي تسميتها "Helion" ("Helion"). في العلم الحديث ، تم تخصيص اسم "helion" لنواة نظير الضوء للهيليوم - helium-3.

انتشار

في الكون
الهيليوم هو ثاني أكثر وفرة في الكون بعد الهيدروجين - حوالي 23٪ من حيث الكتلة. ومع ذلك ، فإن الهيليوم نادر على الأرض. تم تشكيل كل الهيليوم في الكون تقريبًا في الدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار العظيم ، أثناء التركيب النووي الأولي. في الكون الحديث ، يتكون كل الهيليوم الجديد تقريبًا نتيجة اندماج نووي حراري من الهيدروجين في الأجزاء الداخلية للنجوم (انظر دورة البروتون-البروتون ، دورة الكربون-النيتروجين). على الأرض ، يتشكل نتيجة تحلل ألفا للعناصر الثقيلة (جسيمات ألفا المنبعثة أثناء تحلل ألفا هي نوى الهليوم -4). يتم التقاط جزء من الهيليوم الذي نشأ أثناء تسوس ألفا ويتسرب عبر صخور قشرة الأرض بواسطة الغاز الطبيعي ، حيث يمكن أن يصل تركيز الهيليوم إلى 7٪ من الحجم وما فوق.

قشرة الأرض
في إطار المجموعة الثامنة ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية من حيث المحتوى في قشرة الأرض (بعد الأرجون). محتوى الهليوم في الغلاف الجوي (الذي يتكون نتيجة اضمحلال Ac، Th، U) هو 5.27 × 10−4٪ بالحجم ، 7.24 × 10−5٪ بالكتلة. تقدر احتياطيات الهليوم في الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي بـ 5 × 1014 متر مكعب. تحتوي الغازات الطبيعية الحاملة للهيليوم عادةً على ما يصل إلى 2٪ من حجم الهيليوم. من النادر جدًا تراكمات الغازات التي يصل محتوى الهيليوم منها إلى 8 - 16٪. يبلغ متوسط محتوى الهيليوم في المواد الأرضية 3 جم / طن. لوحظ أعلى تركيز للهيليوم في المعادن التي تحتوي على اليورانيوم والثوريوم والساماريوم: الكلفيت ، فيرغسونيت ، سامارسكايت ، جادولينيت ، مونازيت (رمال المونازيت في الهند والبرازيل) ، الثوريانيت. محتوى الهيليوم في هذه المعادن هو 0.8 - 3.5 لتر / كغ ، وفي الثوريانايت يصل إلى 10.5 لتر / كغ

تعريف

من الناحية النوعية ، يتم تحديد الهيليوم من خلال تحليل أطياف الانبعاث (الخطوط المميزة 587.56 نانومتر و 388.86 نانومتر) ، من الناحية الكمية - بواسطة طرق التحليل الطيفي الكتلي والكروماتوغرافي ، وكذلك الطرق القائمة على قياس الخصائص الفيزيائية (الكثافة ، التوصيل الحراري ، إلخ).

الخواص الكيميائية

الهليوم هو العنصر الأقل نشاطًا كيميائيًا في المجموعة الثامنة من الجدول الدوري (الغازات الخاملة). توجد العديد من مركبات الهيليوم فقط في الطور الغازي في شكل ما يسمى بجزيئات الإكسيمر ، حيث تكون الحالات الإلكترونية المثارة مستقرة والحالة الأرضية غير مستقرة. يشكل الهيليوم جزيئات ثنائية الذرة هي 2 + ، فلوريد HeF ، كلوريد حمض الهيدروكلوريك (تتشكل جزيئات الإكسيمر بفعل التفريغ الكهربائي أو الأشعة فوق البنفسجية على خليط من الهيليوم مع الفلور أو الكلور). يُعرف المركب الكيميائي للهيليوم LiHe (ربما ، المركب LiHe 7

إيصال

في الصناعة ، يتم الحصول على الهيليوم من الغازات الطبيعية المحتوية على الهيليوم (في الوقت الحاضر ، يتم استغلال الرواسب التي تحتوي على> 0.1٪ هيليوم بشكل أساسي). يتم فصل الهيليوم عن الغازات الأخرى عن طريق التبريد العميق ، باستخدام حقيقة أنه من الصعب تسييله أكثر من جميع الغازات الأخرى. يتم التبريد عن طريق الاختناق على عدة مراحل ، وتنظيفه من ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات. والنتيجة هي مزيج من الهيليوم والنيون والهيدروجين. هذا الخليط يسمى. يتم تنقية الهيليوم الخام (He - 70-90٪ vol.) من الهيدروجين (4-5٪) مع CuO عند 650-800 K. يتم تحقيق التنقية النهائية عن طريق تبريد الخليط المتبقي بغلي N2 تحت التفريغ وامتصاص الشوائب على الكربون النشط في الممتزات ، يتم تبريده أيضًا بواسطة سائل N2. إنها تنتج الهيليوم بنقاء تقني (99.80٪ من حجم الهليوم) ونقاوة عالية (99.985٪). في روسيا ، يتم الحصول على الهيليوم الغازي من الغازات الطبيعية والبترولية. حاليًا ، يتم استخراج الهيليوم في مصنع الهليوم في أورينبورغ غازبروم دوبيتشا أورينبورغ من غاز يحتوي على نسبة منخفضة من الهيليوم (تصل إلى 0.055٪ من حيث الحجم) ، لذلك فإن تكلفة الهيليوم الروسي عالية. هناك مشكلة ملحة تتمثل في التطوير والمعالجة المعقدة للغازات الطبيعية من الرواسب الكبيرة في شرق سيبيريا مع نسبة عالية من الهيليوم (0.15-1٪ حجم) ، مما يقلل بشكل كبير من تكلفتها. تقود الولايات المتحدة إنتاج الهيليوم (140 مليون متر مكعب في السنة) ، تليها الجزائر (16 مليون متر مكعب). تحتل روسيا المرتبة الثالثة في العالم - 6 ملايين متر مكعب في السنة. تبلغ الاحتياطيات العالمية من الهليوم 45.6 مليار متر مكعب.