helium

ominaisuudet
1 s 2 2 Hän Jaksollinen järjestelmä
Yleisesti
Nimi , symboli , atominumero	Helium, Hän, 2
Elementtiluokka	jalokaasut
Ryhmä , piste , lohko	18 , 1 , s
Ulkomuoto	Väritön kaasu
CAS -numero	7440-59-7
EY -numero	231-168-5
ECHA InfoCard	100.028.334
ATC -koodi	V03 AN03
Massiivinen osa maan verhosta	0,004  ppm
Atomi
Atomimassa	4.002602 (2) ja
Kovalenttinen säde	Klo 28
Van der Waalsin säde	140 pm
Elektronikonfiguraatio	1 s 2
1. Ionisointienergia	24.587 388 80 (15) eV ≈ 2 372.32 kJ / mol
2. Ionisointienergia	54.417 765 0 (3) eV ≈ 5 250.51 kJ / mol
Fyysisesti
Fyysinen tila	kaasumainen
tiheys	0,1785 kg m −3
magnetismi	diamagneettinen ( = −1,1 10 −9 )${\ displaystyle \ chi _ {m}}$
Sulamispiste	0,95 K (−272,2 ° C, 2,5 MPa)
kiehumispiste	4,15 K (-269 ° C)
Molaarinen tilavuus	(kiinteä) 21,00 · 10 −6 m 3 · mol −1
Haihtumislämpö	0,0840 kJ / mol
Fuusion lämpö	0,02 kJ mol −1
Äänen nopeus	970 m s −1 273,15 K.
Ominaislämpökapasiteetti	5193 J kg −1 K −1
Lämmönjohtokyky	0,1513 W m −1 K −1
Kemiallisesti
Hapettumistilat	0
Elektronegatiivisuus	5,50 (Allred & Rochow); 4,86 (Mulliken); 5,2 (keskiarvo); ei tietoa ( Paulingin asteikko )
Isotoopit
isotooppi NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 3 Hän 0,000137% Vakaa 4 Hän 99,999863  % Vakaa 5 Hän {syn.} 7.618 · 10 −22  s n 0,60 4 Hän 6 Hän {syn.} 806,7 ms β - 3.508 6 li
Katso muut isotoopit isotooppiluettelosta
NMR -ominaisuudet
Spin kvantti numero I γ sisään rad · T -1 · s -1 E r  ( 1 H) f L on B = 4,7 T in MHz 3 Hän 1/2 −20.38016 10 7 0,442 152,45
turvallisuusohjeet
GHS -vaaramerkinnät Huomio H- ja P -lausekkeet H: 280 P: 403
SI -yksiköitä käytetään mahdollisuuksien mukaan ja tavanomaisesti . Ellei toisin mainita, annetut tiedot koskevat vakio -olosuhteita .

Helium ( muinaiskreikkalainen ἥλιος hélios , saksa ' aurinko ' ) on kemiallinen alkuaine ja sillä on atomiluku 2. Sen alkion symboli on Hän. Vuonna jaksollisen se on 18.  IUPAC ryhmä , entinen VIII pääryhmän , ja on siksi yksi jalokaasut . Se on väritön, hajuton, mauton ja myrkytön kaasu .

Helium pysyy kaasumaisena hyvin alhaisiin lämpötiloihin asti; se muuttuu nestemäiseksi vasta, kun se on lähellä absoluuttista nollaa. Se on ainoa aine, joka ei jähmene edes absoluuttisessa nollassa (0  K tai -273,15  ° C ) normaalipaineessa . Neonin lisäksi helium on ainoa alkuaine, jonka äärimmäisissä olosuhteissa ei voitu havaita yhdisteitä, jotka eivät hajonneet heti muodostumisen jälkeen. Helium esiintyy vain atomimuodossa . Yleisin vakaa isotooppi on ⁴ He; Toinen vakaa isotooppi on ³ Hän, joka on erittäin harvinaista maan päällä .

Käyttäytymistä kahden nestefaasin heliumin I ja heliumin II (eli helium-I ja helium-II ) (erityisesti ilmiö suprajuoksevuus ) ja ⁴ Hän on tämänhetkisen tutkimuksen kohteena alalla kvanttimekaniikan . Nestemäinen helium on välttämätön työkalu erittäin alhaisten lämpötilojen saavuttamiseen. Näitä tarvitaan muun muassa infrapuna -ilmaisimien jäähdyttämiseen avaruusteleskoopeissa ja sellaisten ominaisuuksien kuten aineen suprajohtavuuden tutkimiseen, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa.

Vedyn jälkeen helium on maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine ja muodostaa noin neljänneksen maailmankaikkeuden aineen kokonaismassasta. Tunnustetun teorian jälkeen noin kymmenen sekuntia yhdistyi alkuräjähdyksen jälkeen, protonit ja neutronit fuusioituvat ensimmäisten atomien ytimiin . Noin 25% niiden kokonaismassasta on ⁴ He, 0,001% deuteriumia ja jäämiä ³ He: stä. Siten suurin osa heliumista syntyi alkuräjähdyksen aikana . Helium, joka myöhemmin muodostui tähtien sisälle vetyfuusion avulla, jatkoi suurimmaksi osaksi sulautumistaan ​​raskaampien elementtien muodostamiseksi.

Maan päällä, ⁴ Hän on muodostettu muodossa, alfa-hiukkasten aikana alfa hajoaminen eri radioaktiiviset alkuaineet, kuten uraanin tai radium . Helium syntyy, kun alfahiukkanen kaappaa kaksi elektronia muista atomeista. Suurin osa maapallon heliumista on siis ei-tähtistä alkuperää. Tuloksena oleva helium löytyy maakaasusta jopa 16 tilavuusprosentin pitoisuuksina. Siksi heliumia voidaan saada maakaasusta jakotislaamalla .

Ranskan tähtitieteilijä Jules Janssen löysi ensimmäiset todisteet heliumista vuonna 1868 tutkiessaan auringon kromosfäärin valonspektriä , josta hän löysi aiemmin tuntemattoman keltaisen heliumin spektrin .

Heliumia käytetään alhaisen lämpötilan teknologian , erityisesti jäähdytysaineena suprajohtava magneetti , syvänmeren hengityslaite , sillä määrittämiseksi ikä kiviä, täytteenä kaasun ilmapalloja, kuten nosto- kaasua varten ilmalaivojen ja koska suojakaasun varten eri teollisiin sovelluksiin ( esim. kaasusuojatussa metallin hitsauksessa , kapillaarin kantajakaasuna ja piikiekkojen valmistuksessa ). Heliumin hengittämisen jälkeen ääni muuttuu hetkeksi (" Mikki Hiiren ääni ") korkeamman äänen nopeuden vuoksi verrattuna ilmaan .

tarina

Koko spektri aurinko

Heliumin spektriviivat. Keltainen spektriviiva on erityisen havaittavissa.

Jules Janssen , heliumin ensimmäinen keksijä

Heliumkaasupurkauksen spektri

Viittaukset helium -alkuaineeseen saatiin ensin kirkkaan keltaisesta spektriviivasta aallonpituudella 587,49 nanometriä auringon kromosfäärin spektrissä . Ranskan tähtitieteilijä Jules Janssen havaitsi tämän vuonna Intiassa aikana yhteensä auringonpimennys 18. elokuuta 1868 . Kun hän teki havaintonsa tunnetuksi, kukaan ei aluksi uskonut häneen, koska uutta elementtiä ei ollut koskaan löydetty avaruudesta ennen kuin se voitaisiin todistaa maan päällä. Saman vuoden 20. lokakuuta englantilainen Norman Lockyer vahvisti , että keltainen viiva oli todellakin läsnä aurinkospektrissä, ja päätteli, että sen aiheutti aiemmin tuntematon elementti. Koska tämä spektriviiva oli hyvin lähellä (1,8 nm keskustasta) metallinatriumin Fraunhoferin kaksois-D-viivaan (D2 = 589,00 nm, D1 = 589,60 nm), hän nimesi linjan D3 sen erottamiseksi näistä linjoista D1 ja D2 natriumia. Hän ja hänen englantilainen kollegansa Edward Frankland ehdottivat uuden elementin nimeämistä heliumiksi (kreikkalaisesta heliosta , aurinko).

14 vuotta myöhemmin, vuonna 1882, Luigi Palmieri onnistui ensimmäistä kertaa havaitsemaan helium -elementin maan päällä käyttämällä Vesuvius -laavan spektrianalyysiä .

Sir William Ramsay

Maaliskuun 23. päivänä 1895 brittiläinen kemisti William Ramsay voitti heliumin lisäämällä mineraalihappoja uraani -mineraaliin Cleveit , erilaisia uraniniitteja , ja eristämällä pakokaasun. Hän etsi argonia, mutta pystyi havaitsemaan keltaisen D3 -viivan sen jälkeen, kun se oli erottanut typen ja hapen eristetystä kaasusta. Sama havainto tehtiin lähes samanaikaisesti British fyysikko William Crookes ja Ruotsin kemistit Per Teodor Cleve ja Nicolas Langlet vuonna Uppsala , Ruotsi . Nämä keräsivät riittävät määrät kaasua voidakseen määrittää sen atomimassan .

Öljykaivosta Dexterissä , Kansasissa , löydettiin maakaasukaivo, jonka maakaasu sisälsi 12 tilavuusprosenttia tuntematonta kaasua. Amerikkalainen kemistit Hamilton Cady ja David McFarland sekä Kansasin yliopistossa selville vuonna 1905, että se oli heliumia. He julkaisivat raportin, jonka mukaan heliumia voidaan saada maakaasusta. Samana vuonna Ernest Rutherford ja Thomas Royds havaitsivat, että alfahiukkaset ovat heliumytimiä.

Ensimmäisen heliumin nesteyttämisen suoritti hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1908 jäähdyttämällä kaasun alle 1 K: n lämpötilaan. Hän ei voinut saada kiinteää heliumia edes jäähdytyksen jälkeen; tämä saavutettiin vasta vuonna 1926 Willem Hendrik Keesomin , Kamerlingh Onnesin oppilaan, puristamalla helium 25 baariin vastaavassa lämpötilassa. Kamerlingh Onnes kuvaili ensin superfluidien nesteiden ilmiötä, joka tunnetaan nykyään Onnes -ilmiönä .

1900 -luvun alussa Yhdysvaltojen Great Plainsin maakaasukentiltä löydettiin suuria määriä heliumia , mikä teki Yhdysvalloista maailman johtavan heliumin toimittajan. Esityksestä Sir Richard Threlfall , The US Navy sponsoroi kolme pientä kokeellista helium tuotantoyhtiöille aikana ensimmäisen maailmansodan saadakseen heliumia täyttö kaasua este ilmapallot . Näistä toimenpiteistä uutettiin yhteensä 5700 kuutiometriä kaasua, jonka heliumpitoisuus oli 92%. Tätä heliumia käytettiin vuonna 1921 ensimmäisessä heliumilla täytetyssä ilmalaivassa, Yhdysvaltain laivaston C-7: ssä .

Yhdysvaltain hallitus rakensi kansallisen heliumreservin Amarilloon , Texasiin , vuonna 1925 varmistaakseen toimitukset sotilasilmalaivoille sodan aikana ja ilmalaivat rauhan aikana. Leiri sijaitsee luonnollisessa kalliomuodostumassa 20 km Amarillosta luoteeseen. Vaikka kysyntä laski toisen maailmansodan jälkeen , Amarillon tuotantolaitosta laajennettiin, jotta nestemäistä heliumia voitaisiin käyttää jäähdytysaineena happi-vety- rakettien polttoaineelle ja muille kohteille. Yhdysvaltojen heliumin kulutus kasvoi kahdeksan kertaa sota -ajan huippunsa vuonna 1965.

Sen jälkeen kun Yhdysvalloissa vuonna 1960 tehdyt muutokset Helium Acts (Public Law 86-777) oli hyväksytty , rakennettiin vielä viisi yksityistä heliumin tuotantolaitosta. US Department of Mines oli 685 kilometrin putki rakennetaan Bushton vuonna Kansas Amarillo Teksasissa; Vuonna 1995 tämä myymälä sisälsi noin miljardi kuutiometriä heliumia ja vuonna 2004 se sisälsi noin kymmenen kertaa maailmanlaajuisen heliumin kysynnän. Varaston on oltava tyhjä ja suljettu vuoteen 2015 mennessä ( heliumin yksityistämislaki ).

Saadun heliumin puhtaus kasvoi nopeasti toisen maailmansodan jälkeen. Vuonna 1945 ilmalaivoissa käytettiin edelleen 98% heliumin ja 2% typen seosta, vuonna 1949 heliumia, jonka puhtaus oli 99,995%, oli jo kaupallisesti saatavilla. Tämän puhtausasteen saavuttamiseksi aktiivihiili on tarpeen jäljellä olevien - lähinnä neonista koostuvien  - epäpuhtauksien poistamiseksi paineenvaihtelun adsorptiolla .

Esiintyminen

tilaa

Helium muodostaa noin 19% Neptunuksen ulkoisista kaasukerroksista. Neptunuksen pääkomponentti on vety; sinivihreä väri johtuu metaanista .

Mukaan Big Bang Theory , useimmat heliumin läsnä avaruudessa tänään luotiin ensimmäiset kolme minuuttia alkuräjähdyksen jälkeen. Vedyn jälkeen helium on toiseksi yleisin alkuaine. 23% näkyvän aineen massasta koostuu heliumista, vaikka vetyatomeja on kahdeksan kertaa enemmän. Lisäksi, heliumia tuotetaan ydinfuusion on tähteä . Tämä niin sanottu vetypoltto tuottaa energiaa, joka saa pääjärjestyksen tähdet eli suurimman osan kaikista tähdistä loistamaan. Tämä prosessi antaa tähdille energiaa suurimman osan elämästään. Kun suurin osa ytimessä olevasta vedystä kuluu tähden eliniän lopussa, ydin supistuu ja nostaa sen lämpötilaa. Tämän seurauksena helium voidaan nyt polttaa hiileksi ( helium -salama , heliumin polttaminen ). Vedyn polttaminen tapahtuu edelleen kuorissa tämän ytimen ympärillä. Hiiltä voidaan myös polttaa edelleen muiden alkuaineiden muodostamiseksi. Tämä prosessi jatkuu yleensä rautaan asti ilman supernovaräjähdystä . Supernovaräjähdys syntetisoi myös rautaa raskaampia elementtejä, jotka sitten hajautetaan avaruuteen. Ajan mittaan tähtienvälinen aine rikastuu heliumilla ja raskaammilla elementeillä, joten myöhemmillä tähtipopulaatioilla on myös suurempi osuus heliumia ja raskaampia alkuaineita.

Tähtipinnoilla ja sumuissa helium on ensisijaisesti neutraali tai yksinkertaisesti ionisoitu. Toisin kuin fysiikassa ja kemiassa, merkintää yläindeksillä " +" (He ⁺ ) ei käytetä tähtitieteessä , koska muut elementit voivat olla niin voimakkaasti ionisoituja, että tämä merkintä muuttuu epäkäytännölliseksi (esim. Kuusitoista kertaa ionisoitu rauta aurinkokoronassa ). Tähtitieteessä ionisaatiotasot on merkitty roomalaisilla numeroilla.

Heliumia on myös eri suhteissa planeetan ilmakehässä. Seuraavassa on esimerkki aineen osuudesta maan lähellä tai kaasuplaneettojen tapauksessa ulkoinen osuus aineen määrästä:

Meteoriitit, asteroidit ja kuu

Heliumia voi syntyä myös meteoriiteissa ja pinnallisissa kuukivissä vuorovaikutuksen ( koskemisen ) ja kosmisten säteiden kanssa . ³ Erityisesti häntä voidaan käyttää määrittämään niin kutsuttu säteilytysikä , joka yleensä vastaa ajanjaksoa siitä, kun meteoriitti osui äidin kehoon ja saapui maan päälle. Lisäksi, ⁴ Hän on muodostettu meteoriittejä kautta rappeutuminen raskaiden radioaktiiviset alkuaineet. Meteoriiteissa on myös muita heliumkomponentteja, jotka ovat peräisin aurinkokunnan muodostumisesta.

Pääosa heliumista, joka myös sitoutuu kuun regoliittiin, tulee auringon tuulesta, kun se osuu pintaan ilman tai magneettikentän esteenä. Noin 4% aurinkotuulesta on heliumioneja, joista noin 0,48 ‰ on helium-3. Auringon tuulen heliumi -ionien energia on noin 3 keV, ne tunkeutuvat kiinteisiin aineisiin ja pysyvät siellä (→ ionin istutus ). Pienen ionien tunkeutumissyvyyden (alimikrometrin alue) vuoksi heliumia löytyy erityisesti pinnalla olevasta regoliitin hienosta osasta ja sekoittumisesta muutaman metrin syvyyteen. Sitä säilytetään erityisesti johtavissa mineraaleissa ( ilmeniitti ) , jotka sisältävät runsaasti titaanioksidia . Sitä esiintyy täällä pitoisuuksina jopa 70 massa ppm. Noin 100 ppm kuun kallioon sitoutuneesta heliumista on helium-3- isotooppi , joka on maan päällä erittäin harvinainen ja sen käytöstä fuusioreaktoreissa keskustellaan.

Maa

Maa tuottaa heliumia maan sisällä olevien radioaktiivisten prosessien avulla.

⁴ Hän syntyy maan kehossa raskaiden alkuaineiden, kuten uraanin tai toriumin , radioaktiivisen hajoamisen ( alfa -hajoamisen ) aikana , jolloin heliumytimiä päästetään alfa -hiukkasina ja sitten vangitaan elektroneja. Sitä löytyy erilaisista uraania ja toriumia sisältävistä mineraaleista, kuten pikakivistä .

Osa ³ Hän maapallon vaipan, joka on paljon yli ilmakehän arvo, ns vaipan helium, tulee, kun maa oli muodostettu ; ⁴ Hän / ³ Hän suhde ylemmän vaipan, joka on suurelta osin kaasut ja jonka heliumia varastossa on siis pääasiallisesti täydennettävä ⁴ heliumin alfahajoaminen, on noin 86000. Jos alemman vaipan konvektiojärjestelmä on suurelta osin erotettu ylemmän vaipan rakenteesta ja näiden kahden välinen massavaihto on vastaavasti alhainen, suhde alemmassa, tuskin kaasuttamassa vaipassa on välillä 2500 ja 26000, eli ³ He: n osuus korkeampi. Tämä on erityisen geodynamiikan kannalta kiinnostavaa kuuman pisteen tulivuoren syiden kannalta : kun taas ⁴ He / ³ He = 86 000 on tyypillistä basalteille valtameren puolivälistä, joka muodostuu sulatusprosesseista ylemmän vaipan materiaalista, basaltit joistakin kuumista alueista , esimerkiksi valtameren vulkaaniset saaret, kuten Havaiji ja Islanti, noin kolme tai neljä kertaa ³ Hän rikkaampi. Tämä selittyy yleisesti sillä, että tämä tulivuori johtuu vaipan höyhenistä , joiden alkuperä on ytimen ja vaipan rajalla ja jotka siksi koostuvat ainakin osittain alemman vaipan materiaalista.

Heliumia esiintyy - samalla kertymismekanismilla - maakaasussa (jopa 16 tilavuusprosenttia) ja pieninä määrinä raakaöljyssä (0,4%). Euroopan maakaasuvarannot sisältävät vain 0,12 (Pohjanmeri) - 0,4 tilavuusprosenttia (Puola), kun taas Siperian, Pohjois -Amerikan (Kanada, Texas, Kansas ja Oklahoma) ja Algerian maakaasuvarat ovat mahdollisia jopa 16 tilavuusprosenttia .

Maapallon alemmissa kerroksissa , etenkin sään sekoittamassa troposfäärissä , heliumpitoisuus on noin 5,2 ppm. Hyvin suurilla korkeuksilla kaasuilla on taipumus erottua eri tiheyksien mukaan, myös suunnattamattoman molekyylilämpöliikkeen sekoitusvaikutusta vastaan. Yli 100 km: n korkeudessa ( homosfääri ) ilmakehä erottuu yhä enemmän, joten> 400 km: n korkeudessa heliumista (hiukkasten lukumäärässä) tulee vallitseva kaasu. Prosessissa heliumatomit pakenevat avaruuteen näillä korkeuksilla - paikallaan olevassa tapauksessa niin paljon kuin maan pinnalta täyttyy diffuusion, louhinnan ja tulivuoren avulla.

Uuttaminen

Maakaasu , jonka heliumpitoisuus on vähintään 0,2%, on suurin ja taloudellisesti tärkein heliumin toimittaja. Koska heliumin kiehumislämpötila on erittäin alhainen, on mahdollista jäähdyttää maakaasu erottaa helium muista maakaasun sisältämistä aineista, kuten hiilivedyistä ja typpiyhdisteistä .

Useiden vuosien ajan Yhdysvallat otti talteen yli 90% maailman kaupallisesti käytettävästä heliumista. Vuonna 1995 Yhdysvalloissa tuotettiin yhteensä miljardi kuutiometriä heliumia. Loput toimitettiin Kanadan , Puolan , Venäjän (suuret määrät Siperian vaikeapääsyisillä alueilla ) ja muiden maiden tuotantolaitoksilla. Vuosituhannen vaihteen jälkeen Algeria ja Qatar lisättiin. Algeriasta tuli nopeasti toiseksi tärkein heliumin toimittaja. Vuonna 2002 Algeria tuotti 16% maailman jaetusta heliumista. Siellä heliumia saadaan maakaasun nesteyttämisen aikana.

Vuonna 2004, Amarillo vuonna Texas oli noin kymmenen kertaa vuosittaisen maailmanlaajuisen kysynnän heliumia. Tämä Yhdysvaltain hallituksen entinen strateginen varaus on kuitenkin myytävä yksityiselle sektorille Clintonin hallinnon vuosina 1996–2015 annetun heliumin yksityistämislain vuoksi .

Tämä aiheutti aluksi heliumin runsauden erittäin alhaisilla hinnoilla, mikä johti tuhlaavaan käyttöön eikä johtanut pitkään aikaan mihinkään toimenpiteisiin talouden edistämiseksi. Kuitenkin, koska kulutus kasvaa jatkuvasti, helium uhkaa vähentyä, ja suuret kuluttajat ovat yhä useammin ottaneet käyttöön heliumin talteenottolaitteita. Asiantuntijat varoittavat jopa heliumin puutteesta, koska heliumia voidaan saada vain joistakin maakaasuista. Vuonna 2016 Tansaniasta löydettiin kuitenkin valtava heliumkertymä, joten heliumkriisin katsotaan toistaiseksi olevan vältetty. Koska heliumin muodostumisen geologiset olosuhteet voitaisiin myös määrittää, toivotaan lisää löytöjä tulevaisuudessa. Syyskuussa 2019 esitettiin jälleen lähestyvä maailmanlaajuinen heliumkriisi.

Isotooppi ³ Hän on sisällytetty vain noin 1,4  ppm: luonnon heliumin maan päällä ja on sen vuoksi monta kertaa kalliimpia kuin luonnollinen isotooppi seos.

sukupolvi

Periaatteessa heliumia voidaan saada myös ydinreaktioissa . Helium ⁴ He tuotetaan neutronipommituksella litium ⁶ Li: tä ydinreaktorissa ; Tritium ³ H (raskainta vetyä) on muodostettu sivutuotteena :

${\ displaystyle \ mathrm {{} ^ {6} Li + n \ \ oikea nuoli \ {} ^ {3} H + {} ^ {4} He}}$

Tritium hajoaa ³ He: ksi beetahajoamisen kautta ja sen puoliintumisaika on 12,33 vuotta.

Hyvin pieniä määriä heliumia ³ He inkuboidaan myös vedellä moderoiduissa reaktorissa, kun vedyn atomit vedessä sieppaavat neutroneja. Raskas vety ( deuterium ) muodostuu normaalista vedystä ja siitä muodostuu tritiumia edelleen neutronien sieppauksen kautta , josta puolestaan ​​tulee helium ³ He beetahajoamisen kautta . Normaalivetyllä sieppausnopeus on korkeampi kuin neutronien talteenoton seuraavassa vaiheessa raskaalla vedyllä (siksi ydinvoimalaitoksia, jotka käyttävät raskasta vettä valvojana, voidaan käyttää myös luonnollisella uraanilla):

${\ displaystyle \ mathrm {{} _ {1} ^ {1} H \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {1} ^ {2} H \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma )}} \ _ {1} ^ {3} H \ {\ xrightarrow [{12 {,} 33 \ a}] {\ beta ^ {-}}} _ _ {2} ^ {3} Hän}}$

Annetut ajat ovat puoliintumisaikoja .

ominaisuudet

Fyysiset ominaisuudet

Vaihekaavio ⁴ He:
hcp: pallojen kuusikulmainen tiivistyspakkaus
bcc: kehon keskitetty kuutiokristalli

Vedyn jälkeen helium on kemiallinen alkuaine, jolla on toiseksi pienin tiheys ja jolla on alhaisin sulamis- ja kiehumispiste kaikista elementeistä. Siksi se on olemassa vain nesteenä tai kiinteänä aineena vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Alle 2,17 K: n lämpötiloissa ⁴ He on superfluidifaasissa . Normaalipaineessa helium ei jähmene edes lähellä 0 K: n lämpötilaa. Vain yli 2,5 MPa: n paineessa (noin 25 kertaa ilmakehän paine) helium muuttuu kiinteäksi faasiksi riittävän alhaisissa lämpötiloissa.

Kaasumaisessa tilassa

Helium on väritön, hajuton, mauton ja myrkytön kaasu. Alle standardiolosuhteissa , helium käyttäytyy melkein kuin ideaalikaasu . Helium on atomi lähes kaikissa olosuhteissa. Yhden kuutiometrin heliumin massa on vakio -olosuhteissa 179 g, kun taas ilma on noin seitsemän kertaa raskaampaa. Vedyn jälkeen heliumilla on suurin lämmönjohtavuus kaikista kaasuista ja sen ominaislämpökapasiteetti on poikkeuksellisen suuri. Helium on hyvä sähköeriste . Liukoisuus heliumin veteen on 1,5 mg / l (9,3 ml / l) 20 ° C: ssa ja 101325 kPa pienempi kuin minkä tahansa muun kaasun. Sen diffuusionopeus kiintoaineiden läpi on kolme kertaa ilmaa ja noin 65 prosenttia vetyä. Normaaleissa olosuhteissa heliumilla on negatiivinen Joule-Thomson-kerroin , mikä tarkoittaa, että tämä kaasu kuumenee paisuttaessaan. Se jäähtyy vasta , kun se laajenee Joule-Thomsonin inversiolämpötilan alapuolelle (noin 40 K ilmanpaineessa). Siksi helium on esijäähdytettävä tämän lämpötilan alapuolelle, ennen kuin se voidaan nesteyttää paisuntaväähdytyksellä. Sen tärkeitä tietoja ovat 2,27 baarin paine, -267,95 ° C (5,2 K) lämpötila ja tiheys 0,0696 g / cm ³ .

Eri mallit helium kaasupurkausputkia

Nestemäisessä tilassa

Helium I.

Normaalipaineessa helium muodostaa värittömän nesteen 2,1768 K: n lambda -pisteen ja 4,15 K: n kiehumispisteen välille.

Helium II

Neste ⁴ Hän kehittää erittäin epätavallisia ominaisuuksia lambda -pisteen alapuolelle. Helium, jolla on nämä ominaisuudet, on nimeltään Helium II .

Helium II on superfluidinen aine. Esimerkiksi se virtaa pienimpien aukkojen läpi suuruusluokkaa ^10-7  - ^10-8  metriä eikä sillä ole mitattavaa viskositeettia . Kuitenkin kahden liikkuvan levyn väliset mittaukset osoittivat viskositeetin, joka oli samanlainen kuin kaasumaisen heliumin. Tämä ilmiö selitetään László Tiszan mukaan kahden nesteen mallilla (tai kahden nesteen mallilla) . Tämän teorian mukaan, Helium II on kuin seos ⁴ Hän hiukkasten normaalin nesteen sekä että supraneste tilassa, vastaavasti Helium II käyttäytyy ikään kuin olisi olemassa osuus helium atomien kanssa ja yksi ilman mitattavissa viskositeetti. Tämän teorian perusteella monet matalan lämpötilan fysiikan ilmiöt, kuten "termomekaaninen vaikutus", voidaan selittää suhteellisen yksinkertaisesti ja selkeästi. On kuitenkin selvästi korostettava, että nämä kaksi nestettä eivät ole teoreettisesti eivätkä käytännössä erotettavissa. In Helium II rotons oletetun mukaan Lew Landau voitiin havaita kollektiivinen herätteitä.

Helium II: n Onnes -vaikutus

Helium II näyttää Onnes -vaikutuksen : Jos pinta ulkonee heliumista, myös tällä pinnalla oleva heliumi liikkuu painovoimaa vastaan. Tällä tavalla Helium II pakenee säiliöstä, jota ei ole suljettu. Kun se saavuttaa lämpimän alueen, se haihtuu. Tämän hiipimiskäyttäytymisen ja Helium II: n kyvyn vuoksi vuotaa pienimmistäkin aukoista, nestemäisen heliumin pitäminen suljetussa tilassa on erittäin vaikeaa. Helium II: n varastointiin tarvitaan erittäin huolellisesti rakennettu säiliö ilman, että se karkaa tai haihtuu.

Helium II: n lämmönjohtavuutta ei voi verrata klassiseen lämmönjohtavuuteen, vaan se näyttää pikemminkin rinnakkaisuuksia lämmönsiirtoon konvektion avulla. Tämä mahdollistaa nopeamman ja tehokkaamman lämmönsiirron pitkiä matkoja, mikä ei ole mahdollista perinteisellä lämmönjohtamisella edes erittäin hyvillä lämmönjohtimilla. Tämän tyyppistä johtumista kutsutaan myös toiseksi ääneksi , koska sitä voidaan kuvata samalla tavalla kuin ääntä pitkittäisaallon yhtälöllä : Helium II 1,8 K: ssa johtaa lämpöä impulssina nopeudella 20 m / s.

Vuonna 1971 David M. Lee , Douglas D.Osheroff ja Robert C.Richardson onnistuivat muuttamaan helium- isotoopin ³ He superfluidiseen tilaan jäähdyttämällä isotoopin 2,6 milli-Kelvinin alle. Oletetaan, että kaksi ³ Hän atomia muodostavat parin, on samanlainen kuin Cooperin parin . Tällä parilla on magneettinen momentti ja kulmamomentti . Nämä kolme tiedemiestä saivat löydöstä vuoden 1996 fysiikan Nobelin .

Kiinteässä kunnossa

Helium on ainoa aine, jota ei voida kiinteyttää normaalipaineessa. Tämä toimii vain korotetussa paineessa (noin 2,5 MPa / 0 K helium-4: lle, 2,93 MPa / 0,315 K helium-3: lle) ja erittäin alhaisissa lämpötiloissa (alle 1,5 K). Lähes täysin läpinäkyvä kiinteä aine, joka muodostuu vaihesiirron aikana, on erittäin puristuva. Laboratoriossa sen tilavuutta voidaan pienentää jopa 30%; Helium on yli 50 kertaa puristuvampi kuin vesi. Kiinteässä tilassa se muodostaa kiteisiä rakenteita. Kiinteää ja nestemäistä heliumia ei voida tuskin erottaa toisistaan ​​optisesti, koska niiden taitekerroin on lähes sama.

Toisessa tapauksessa, jos lämpötila laskee alle noin 200 mK ja sentrifugointi suoritetaan samanaikaisesti, voidaan saavuttaa tila, jota kutsutaan suprasolidiksi tai suprafestiksi. Tässä osa kiintoaineesta pysäyttää oman pyörimisen ja tunkeutuu aineen muihin osiin. Tästä osittain kiistanalaisesta vaikutuksesta ei vieläkään ole tiedossa teesejä tai teorioita.

Atomiominaisuudet

Heliumatomin kaksi elektronia muodostavat 1s -atomikierroksen suljetun, pallomaisesti symmetrisen elektronikuoren . Tämä elektronikonfiguraatio on energeettisesti erittäin vakaa; ei ole muita alkuaineita, joilla on suurempi ionisaatioenergia ja pienempi elektroni -affiniteetti . Huolimatta suuremmasta elektronien lukumäärästään, helium on pienempi kuin vety ja siksi kaikkien pienin atomi.

Riippuen heliumatomin kahden elektronin spin -suuntautumisesta, puhutaan paraheliumista kahden vastakkaisen spinin tapauksessa (S = 0) ja ortoheliumista kahden rinnakkaisen spinin tapauksessa (S = 1). Ortoheeliumin tapauksessa yksi elektroneista ei ole 1s: n kiertoradalla, koska tämä rikkoisi Paulin kieltoa .

Näiden tilojen nimeäminen juontaa juurensa aikaisempaan virheeseen: Koska sähkömagneettinen siirtyminen ortoheliumin perustilan ja paraheeliumin perustilan (eli heliumin perustilan) välillä on kielletty , kaksi heliumin "varianttia" näyttävät spektroskooppisesti kaksi eri atomia. Tämä sai Carl Rungen ja Louis Paschenin väittämään, että helium koostuu kahdesta erillisestä kaasusta, ortoheliumista ("oikea helium") ja paraheliumista (jolle he ehdottivat nimeä asterium).

Ortoheeliumin elektronikonfiguraation lisäksi elektronit voivat ottaa muita herätettyjä tiloja, esimerkiksi kun niitä pommitetaan elektroneilla. Näitä pitkäikäisiä jännittyneitä tiloja kutsutaan metastabiileiksi energiatasoiksi .

Kemiallisia ominaisuuksia

Helium on jalokaasu . Ainoa elektronikuori on täysin kahden elektronin käytössä. Koska molemmat ovat lähellä atomin ydintä, molemmat elektronit ovat sitoutuneet siihen erittäin voimakkaasti. Ei vähiten tämän vuoksi helium itsessään on erittäin inertti verrattuna muihin jalokaasuihin. Tämä näkyy myös heliumatomin suurissa ionisaatioenergioissa.

Helium -dimeeri

Kuten voidaan nähdä molekyyliradan kaaviosta, heliumatomit eivät muodosta kemiallista sidosta keskenään . Heliumin tapauksessa 1s -kiertoradalla on elektronipari. Kun kaksi näistä täysin käytössä olevista atomi -orbitaaleista (a) ja (b) yhdistetään, sekä sitoutuva että vasta -aineen muodostava molekyylibataali ovat kumpikin elektroniparin käytössä. (Hypoteettisesti) kehittyvien sitovien orbitaalien tapauksessa energeettisesti suotuisampi, ns. Sitoutumistila kompensoidaan vasta-sitoutumisella, joka on myös käytössä, mutta energeettisesti vähemmän suotuisa. Kokonaisjärjestelmä ei ole energeettisesti matalampi, eikä siteitä ole .

Hypoteettisen He 2 -molekyylin orbitaalien miehitys .

Kaikille atomeille ja molekyyleille tehokkaan Van der Waals -vuorovaikutuksen vuoksi heliumille on olemassa myös dimeeri , vaikkakin erittäin pieni sitoutumisenergia, noin 1,1 mK (= 9,5 · ^10-26  J) ja vastaavasti suuri Sidosetäisyys noin 52 Å.

Ionisidokset

Äärimmäisissä olosuhteissa on mahdollista muodostaa kvazikemiallinen heliumin yhdiste protonilla (HeH ⁺ ). Tämä yhdiste on erittäin epästabiili mukaisesti tavanomaisissa olosuhteissa eikä sitä voida eristää muodossa on suolan , kuten Heh ⁺ X ^- .

${\ displaystyle \ mathrm {He+H ^ {+} \ longrightarrow HeH ^ {+}}}$

Heliumhydridi -ioni muodostuu heliumin ja vedyn seokseen sähköpurkauksen aikana

Vastaava reaktio voi tapahtua kahden heliumatomin välillä, jos ionisointiin tarvittava energia syötetään.

${\ displaystyle \ mathrm {He + He \ longrightarrow HeHe ^ { +} + e ^ {-}}}$

Näitä yhdisteitä ei kuitenkaan voida kuvata todellisiksi kemiallisiksi yhdisteiksi, vaan ennemminkin poikkeuksellisissa olosuhteissa syntyviksi ionisiksi taakkuiksi, jotka ovat olemassa vain hyvin lyhyen ajan ja hajoavat jälleen hyvin nopeasti.

Isotoopit

Kahdeksasta tunnetusta heliumin isotoopista vain ³ He ja ⁴ He ovat stabiileja. Maapallon ilmakehässä on vain yksi ³ He -atomi miljoonaa ⁴ He -atomia kohden . Kahden isotoopin osuus vaihtelee kuitenkin tutkitun heliumnäytteen alkuperäpaikan mukaan. ³ Hän -atomit ovat sata kertaa yleisempiä tähtienvälisessä aineessa . Maankuoren ja vaipan kivissä osuus on myös selvästi ilmakehän arvon yläpuolella ja vaihtelee alkuperästä riippuen kertoimella 10. Näitä muunnelmia käytetään geologiassa kiven alkuperän selvittämiseksi (katso myös osa Maa ).

Koska heillä on erilaiset symmetriaominaisuudet ( ³ He -atomit ovat fermioneja , ⁴ He -atomit ovat bosoneja ) ³ He ja ⁴ Hänellä on erilaisia ​​fysikaalisia ominaisuuksia, jotka ovat erityisen ilmeisiä matalissa lämpötiloissa. Nesteen ³ He ja ⁴ He yhtä suuret osuudet alle 0,8 Kelvinin erottuvat kahdeksi sekoittumattomiksi nesteiksi, jotka ovat samanlaisia ​​kuin öljy ja vesi, johtuen niiden erilaisista kvanttiominaisuuksista. Puhtaan ³ He: n vaihe kelluu vaiheessa, joka koostuu pääasiassa ⁴ He: stä. Lisäksi nämä kaksi isotooppia eroavat selvästi superfluidifaasiensa suhteen (ks. Kohta Helium II ).

Ydinfuusio

In ilmoitukset uusista avaruushankkeita USA, Venäjä ja Kiina, sekä Euroopassa, Intiassa ja Japanissa on kuu , suhteellisesti suurempi talletukset ³ Hän siellä mainittiin useita kertoja niin kannattava lähteestä niin Ydinfuusioreaktoreiden pohjalta tästä maan isotoopista. Toisin kuin deuterium - tritium fuusio Reaktion deuterium- ³ Hän reaktio ei tuota vapaan neutroneja , mutta protoneja , joilla on yhtä korkea energian vahvistuksen . Tämä vähentäisi dramaattisesti fuusiovoiman tuottamisen radioaktiivisuusongelmia . Toisaalta tämän reaktion aikaansaaminen on edelleen ratkaisematon tekninen haaste, koska vaadittu plasman lämpötila on paljon korkeampi.

Hypoteettinen diprotoni

Erityinen, kuvitteellinen heliumin isotooppi on ² He, jonka ydin, diprotoni , koostuisi vain kahdesta protonista, jos se olisi olemassa. Kahdesta protonista koostuvalle järjestelmälle ei kuitenkaan ole sidottua tilaa, koska Pauli -periaatteen vuoksi  - toisin kuin Deuteronin protoni ja neutroni  - ne voivat olla vain singlet -tilassa, jossa on vastakkaiset spinit. Nukleoni-nukleoni-vuorovaikutuksen vahvan spin-riippuvuuden vuoksi se lisääntyy energisesti eikä siksi sido.

Käyttö ja kaupan muodot

Kaaviokuva helium-neonlaserista

Tukkukaupassa tarjottu helium on peräisin suurista laitoksista viidessä maassa ( USA , Venäjä , Puola , Qatar ja Algeria ); heliumia uutetaan maakaasusta.

Kun tekniset kaasut jako , helium syötetään muodossa puristetun kaasun paine pulloissa paineella 200 bar ja puhtausasteeltaan heliumista 4,6 (99,996% heliumia) korkean puhtauden heliumia 7,0 (99,99999% heliumia). Terässylinterit, joiden tyypillinen tilavuus on 10–50 litraa, sisältävät vain 1,8–9,1 vakio kuutiometriä heliumia 200 baarissa, koska se käyttäytyy selvästi ei ihanteellisesti 200 baarin paineessa . Suuremmat määrät toimitetaan kuormalavoissa, joissa on kaksitoista pulloa tai pullonippuja, joissa on kaksitoista 50 litran pulloa. Vielä suurempia määriä tulee kryogeenisessä nesteessä kryogeenisissä puoliperävaunuissa tai putkiperävaunuissa, joissa on tyypillisesti kymmenen 12 m pitkää putkea, jotka on täytetty noin 200 baarilla heliumia, yhteensä 5000 vakio kuutiometriä.

Heliumia kuljetetaan myös kryogeenisessä nesteytetyssä muodossa, esimerkiksi Afrikan tuotantolaitoksesta länteen satamaan Marseillen lähellä . Loppukäyttäjille tarkoitettua heliumia tarjotaan vähäisellä puhtaudella, noin 98%-yli 99%, pääasiassa yksisuuntaisten kaasupullojen muodossa niin kutsutulla "ilmakaasulla", jotta pienemmät määrät ilmapalloja voidaan täyttää ja nousi helposti ja turvallisesti tapahtumissa ja juhlissa. Ilmapallo kaasu voi periaatteessa käyttää myös nosto- kaasun suuremmille ilmapallot kuten sääpallojen , mutta on kalliimpi tässä hakemuksessa verrattuna vety .

Heliumia käytetään monin tavoin:

• Helium- happiseosta (80:20) käytetään hengityskaasuna tehohoidossa. Seos virtaa ahtauksien läpi vähemmän vastustettuna ja on siksi helpompi hengittää.
• On ammatillinen sukellus , erilaisia seoksia helium, kuten trimixin (joka koostuu hapesta, typestä ja helium), hydreliox (vety, helium ja happi) ja heliox (heliumin ja hapen) käytetään hengityskaasun . Heliumin suurella lämpökapasiteetilla on tässä epäedullinen vaikutus, joka (kylmässä ympäristössä) johtaa keuhkojen ja siten sukeltajan jäähtymiseen.
• Että elintarviketeollisuus sitä käytetään ponneaineena tai pakkaus kaasua ja on hyväksytty kuin elintarvikkeiden lisäaineena E 939 .
• Helium on edullinen kantokaasu varten ilmapalloja ja ilmalaivojen , koska se on hyvin pieni tiheys verrattuna ilmaan, ei pala, ja voidaan sen vuoksi turvallisesti sekoitetaan ilman kanssa. Helium on siksi suurelta osin syrjäyttänyt palavaa vetyä , joka muodostaa räjähdysherkästi syttyviä seoksia ilman kanssa, vaikka heliumin tiheys on suurempi ja siten sen kantokyky on jonkin verran pienempi kuin vedyn. Kuitenkin suuren diffuusionopeuden vuoksi verhokäyrän läpäisemättömyysvaatimukset ovat korkeammat kuin kaikille muille kaasuille.
• In hitsaustekniikan , heliumia käytetään sen puhtaassa muodossa tai seoksena kuin inerttiä kaasua , jotta suojaamiseksi hitsauksen pisteen happi . Lisäksi heliumia voidaan käyttää palamissyvyyden ja hitsausnopeuden lisäämiseen ja roiskeiden muodostumisen vähentämiseen erityisesti robottihitsauksessa sekä alumiini- ja ruostumattomien terästen käsittelyssä.
• Teknisesti nesteytettyä heliumia (isotoopit ⁴ He ja ³ He) käytetään jäähdytysaineena erittäin alhaisten lämpötilojen saavuttamiseksi ( ks. Kryostaatti ). Kanssa ⁴ Hän, lämpötila on jopa noin 1 K voidaan saavuttaa haihdutusjäähdytyksen, jossa isotoopin ³ Hän on korkeintaan noin 240 mK. Jossa menetelmässä ³ HE- ⁴ Hän seos jäähdytys saavutetaan mK noin 5, jolloin mainittu menetelmä paljon halvempi kuin puhdas ³ Hän on jäähdyttäen. Kun käytetään suprajohtavia magneetteja , heliumia käytetään jäähdytysaineena pitää suprajohtavan alapuolella sen kriittisen lämpötilan . Käytännön sovelluksia ovat erityisesti magneettikuvaus (MRT) lääketieteellisiin sovelluksiin sekä magneettiresonanssispektroskopia (NMR) ja hiukkaskiihdyttimien toiminta tutkimuksessa. Avaruusmatkoilla nestemäinen helium jäähdyttää infrapunateleskooppeja ja avaruusteleskooppien erittäin herkkiä infrapunakameroita, jotka voivat toimia vain lähellä absoluuttista nollaa ilman liiallista sisäistä lämpöä. Esimerkkejä ovat: IRAS , ISO , Spitzer ja Herschel -avaruusteleskooppi . Toinen käyttöalue on optisten lasikuitujen tuotanto heliumjäähdytteisissä pudotustorneissa.
• Puristettua heliumkaasua voidaan käyttää jäähdytysnesteenä erityisesti silloin, kun tarvitaan jäähdytysainetta, joka on kemiallisesti ja fyysisesti erityisen inertti. Ydinfysiikan kannalta vain pääkomponentti ⁴ He on inertti , kun taas ³ He muuttuu helposti radioaktiiviseksi tritiumiksi lämpöneutronien avulla . Esimerkki on toriumin korkean lämpötilan reaktori (lyhyt: THTR), jossa heliumia käytettiin erittäin korkeissa lämpötiloissa. On huomattava, että heliumilla on korkea spesifinen mutta matala molaarinen lämpökapasiteetti . Tämä on erityisen ongelmallista suljetun laitteen tapauksessa, koska lämpötilan noustessa (esimerkiksi sähkökatkon sattuessa) paine kasvaa nopeasti. Jäähdytysaineena käytettäessä heliumin viskositeetti, joka kasvaa lämpötilan noustessa (kuten kaikkien kaasujen), on osoittautunut epäedulliseksi, koska se voi pahentaa kuumien alueiden jäähtymistä.
• Haku vuotoja painekaasulla varusteet on helpompaa täyttämällä heliumilla. Vuotoilmaisusuihke levitetään painelaitteen ulkopuolelle . Helium tunkeutuu vuotoihin erityisen helposti ja muodostaa selkeämpiä vaahtokuplia kuin käyttökaasu.
• Tyhjiöjärjestelmissä heliumia käytetään hajoavimpana vuotojen havaitsemiskaasuna tyhjentämällä tyhjiölaite pumpulla ja ripustamalla massaspektrometri pumpun taakse. Jos laitteeseen puhalletaan heliumia - ulkona, vain paikallisesti vuotojen löytämiseksi - massaspektrometriä voidaan käyttää havaitsemaan laitteeseen tuleva helium ja vuodonopeus voidaan mitata. Tätä nopeaa ja herkkää vuodonilmaisumenetelmää käytetään myös kemiantehtaissa ja ilmastointilaitteiden lämmönvaihtimien tai autojen bensiinisäiliöiden valmistuksessa.
• Heliumia käytetään kaasumuodossa rakettitekniikassa korvaamaan pumpattavissa nestepolttoaineraketeissa käytetty polttoaine siten, että rakettien ohutseinäiset polttoainesäiliöt eivät roisku, kun polttoaine imetään säiliöistä moottorien polttoainepumppujen avulla. Jos kyseessä on nestemäistä polttoainetta käyttävä raketti, jota tukee paineistettu kaasu, helium työntää polttoaineen moottoreihin. Heliumia käytetään täällä sen pienen painon ja alhaisen kiehumislämpötilan vuoksi. Koska se ei voi reagoida polttoaineen kanssa jalokaasuna, myös aggressiiviset hypergoliset polttoaineet eivät ole ongelma.
• Heliumia käytetään apukaasuna erityyppisissä lasereissa, esimerkiksi helium-neonlaserissa , helium-kadmiumlaserissa ja eräissä hiilidioksidilasereissa . Se toimii törmäyskumppanina aktivoidakseen tai poistamaankseen aktiivisen laservälineen lasertasot.
• Puhdasta heliumia käytetään kantajakaasuna kaasukromatografiassa (analyysi).
• In kaasupurkausputkia , helium hehkuu kellertävä / valkoinen.
• Termodynaamisten ominaisuuksiensa vuoksi helium on erittäin hyvä väliaine Stirling -moottoreille .
• Hyperpolarisoitu ³ Hän käytetään kokeellisesti vuonna diagnostiikassa kuin varjoaine magneettikuvaukseen keuhkoihin.
• Paineilman sijasta iskunvaimentimien käyttämiseksi, kun vaihdat renkaita Formula 1 -autokilpailussa. Tämä mahdollisti niiden käytön 30% nopeammin tietyllä paineella. Kustannusten välttämiseksi, kielletty säännöksillä vuodesta 2012.
• Kiintolevyasemien tapauksessa heliumin täyttäminen ilman sijasta vähentää virtausvaikutuksia ja tärinää käytön aikana ja mahdollistaa siten pienemmät etäisyydet yksittäisten magneettisten levyjen välillä . Saman koon ansiosta mahtuu enemmän magneettisia levyjä ja kiintolevyn tallennuskapasiteettia voidaan lisätä.

ajoi

Helium on inertti kaasu ja myrkytön. Kun käsitellään suurempia määriä kaasumaista heliumia, on toteutettava turvatoimenpiteitä, jos kaasun määrä ja tilatilanne tarkoittavat, että hengitysilman siirtyminen on vaarassa. Tukehtumisen aiheuttamien onnettomuuksien määrä heliumilla on pienempi kuin muilla kaasuilla (esim. Typellä ), joita käytetään usein inerttinä kaasuna , koska kaasumainen heliumi nousee välittömästi sen alhaisen tiheyden vuoksi ja siksi tapahtuu vain harvoin huonolaatuisissa tiloissa hapen siirtyminen ympäröivästä ilmasta ja siten tukehtumisvaara . Mahdollisia vaara -alueita voivat olla heliumkaasun kerääntyminen ylhäältä läpäisemättömiin rakennusrakenteisiin, esimerkiksi kattorakenteisiin, joiden alle voi muodostua ”heliumkupla”.

Käsiteltäessä nestemäistä heliumia ( YK -numero UN 1963) - se on 73 K kylmempää kuin nestemäistä typpeä, jota kutsutaan myös "kryogeeniseksi" - on käytettävä suojavaatetusta estääkseen paleltumisen kosketuksesta. Vaara johtuu pääasiassa jäädytetyistä astioista, laitteista ja varusteista tai esijäähdytyksestä LN _{2: lla} , koska nestemäisellä heliumilla on vain erittäin alhainen jäähdytysteho (220 ml LHe: n jäähdytysteho on 1 ml LN ₂ ). Suojalaseja suojaamaan silmiä tai näön koko kasvot, paksut käsineet ja tietty paksuus ranneke käsiin. Avoimet taskut tai tavara -akselit ovat sisäänkäyntiportteja roiskeille, joten niitä tulee välttää. Muita vaaroja aiheutuu jäätymisestä ja siihen liittyvästä putkien ja astioiden tukkeutumisesta ja räjähtämisestä.

Heliumpainekaasusäiliöt - enimmäkseen saumattomat terässylinterit 200 baarin korkeapaineisiin tai hitsatut (usein: kertakäyttöiset) pullot - ovat korkean paineen alaisia. On ehdottomasti vältettävä sen kuumentamista yli vakioarvon 60 ° C tai tuleen. Toisaalta sisäinen paine kasvaa lämpötilan mukana ja toisaalta terässeinämän lujuus heikkenee, jolloin on olemassa vaara, että astia halkeaa erittäin energisesti. Jopa venttiilin irrottaminen, esimerkiksi jos pullo putoaa ilman suojakorkia tai rikkoutuu murtolevy, laukaisee kaasusuihkun, jolla on vaarallisia seurauksia.

sekalaisia

Heliumin hengittämisen jälkeen niin kauan kuin hengitysteissä on merkittävästi heliumia, ihmisen ääni kuulostaa huomattavasti korkeammalta. (Tätä vaikutusta kutsutaan kansanomaisesti " Mikki Hiiren ääneksi", mutta se saavutettiin toistamalla nauhaa nopeammin, ts. Lisäämällä kaikkia taajuuksia (ja tempoa) tietyllä tekijällä.) Äänen sointi toisaalta riippuu asema formanttien suussa, jotka vaikuttavat tekijät, kuten kannan kielen ja huulet. (Formantit ovat niitä taajuusalueita, jotka resonanssin vaikutus vahvistaa voimakkaimmin.) Nämä muodot riippuvat myös äänen nopeudesta c vastaavassa väliaineessa (c _ilma = 350 m / s, c _helium = 1030 m / s). Jos esimerkiksi kolmen ensimmäisen muodon sijainti ilmassa on 220, 2270 ja 3270 Hz, (puhtaassa) heliumissa tämä muuttuu 320, 3900 ja 5500 Hz: ksi. Tämä johtaa erilaiseen äänikuvioon ja ääni näyttää yleisesti korkeammalta, vaikka korkeus viritys sävy pysyisi muuttumattomana jalokaasua.

Samanlainen vaikutus on, kun puhallinsoitin (aluksi vain ilmatäytteinen) puhalletaan heliumilla.

Katso myös

• Pomeranchuk -vaikutus

kirjallisuus

• P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. Julkaisussa: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi: 10.1002 / 14356007.a17_485 ).
• AF Holleman , E.Wiberg , N.Wiberg : Epäorgaanisen kemian oppikirja . 102 painos. Walter de Gruyter, Berliini 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , s.417-429.
• FA Cotton, G.Wilkinson, CA Murillo, M.Bochmann: Advanced Inorganic Chemistry . Cape. 18. D. Wiley, New York ⁶ 1999, ISBN 0-471-19957-5 , s. 974.
• Christoph Haberstroh: Nestemäistä heliumia . TUDpress, Dresden 2010, ISBN 978-3-941298-77-4 .
• CE Housecroft, AG Sharpe: Epäorgaaninen kemia . Luku 22.8a. Pewson, Prentice Hall 2005, ISBN 0-13-039913-2 . 666.
• Ekkehard Fluck, Klaus G.Heumann: Elementtien jaksollinen taulukko, liitutaulu . Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30716-8 .
• RB King (toim.): Encyclopedia of Inorganic Chemistry . Vuosikerta 8. D. Wiley, New York 1994, ISBN 0-471-93620-0 . P. 4094.

nettilinkit

Wikisanakirja: Helium  - selitykset merkityksistä, sanojen alkuperästä, synonyymeista, käännöksistä

• Maanhoitotoimiston vuosikertomus (englanti, PDF, 76 KiB)
• Matalan lämpötilan laboratorio Helsinki (englanti)
• scinexx.de: "Mahdoton" heliummineraali maan sisässä ? 9. tammikuuta 2019

Yksilöllisiä todisteita

	Tämä artikkeli on saatavilla äänitiedostona:
	Helium on kemiallinen alkuaine ja sen atominumero on 2. Sen elementtisymboli on He. Tallenna | Tiedot  | 63:13 (28.139 Mt)
	Lisätietoja puhutusta Wikipediasta