הליום שייך לקבוצת הגזים האצילים. הליום נוזלי הוא הנוזל הקר ביותר בעולם. במצב מצטבר זה, יש לו מספר תכונות ייחודיות, כגון נזילות-על ומוליכות-על. נלמד יותר על מאפייניו מאוחר יותר.
גז הליום
הליום הוא חומר פשוט המופץ באופן נרחב ביקום במצב גזי. בטבלה המחזורית של מנדלייב, הוא השני ומיד אחרי מימן. זה מתייחס לגזים אינרטיים או אצילים.
האלמנט מוגדר כ"הוא". מיוונית עתיקה, פירוש שמו הוא "שמש". בהתחלה ההנחה הייתה שמדובר ממתכת. אולם התברר כי מדובר בגז מונוטומי. הליום הוא הכימיקל השני הקל ביותר והוא חסר טעם, חסר צבע וריח. בעל נקודת הרתיחה הנמוכה ביותר.
בתנאים רגילים, זהו גז אידיאלי. בנוסף לגזי, הוא מסוגל להיות במצב מוצק ונוזל. האדישות שלו מתבטאת באינטראקציה לא פעילה עם חומרים אחרים. זה כמעט בלתי מסיס במים. למטרות תעשייתיות, הוא מופק מגז טבעי, ומפריד אותו מזיהומים עםמשתמש בקירור חזק.
גז יכול להיות מסוכן לבני אדם. עלייה בריכוזו באוויר מביאה למחסור בחמצן בדם, מה שנקרא ברפואה רעב חמצן. כאשר הוא נבלע בכמויות גדולות, הוא גורם להקאות, אובדן הכרה ולעיתים למוות.
הנזלת הליום
כל גז יכול להיכנס למצב צבירה נוזלי בתנאים מסוימים. נזילות נפוץ בתעשייה כמו גם במחקר מדעי. עבור חומרים מסוימים, זה מספיק פשוט להגביר את הלחץ. אחרים, כגון הליום, הופכים לנוזלים רק כאשר מתקררים.
אם טמפרטורת הגז היא מעל הנקודה הקריטית, הוא לא יתעבה, לא משנה מה הלחץ. עבור הליום, הנקודה הקריטית היא 5.19 קלווין, עבור האיזוטופ 3He שלו היא 3.35 K.
הליום נוזלי הוא נוזל כמעט מושלם. הוא מאופיין בהיעדר מתח פני השטח, צמיגות. לאחר שינוי הלחץ והטמפרטורה, נפחו נשאר זהה. להליום נוזלי יש מתח נמוך במיוחד. החומר חסר צבע ונוזל מאוד.
מאפיינים של הליום נוזלי
במצב נוזלי, הליום לא ניתן להבחין בו, מכיוון שהוא שובר חלש קרני אור. בתנאים מסוימים, יש לו תכונות של נוזל קוונטי. בשל כך, בלחץ רגיל, הוא אינו מתגבש אפילו בטמפרטורה של -273.15 צלזיוס (אפס מוחלט). כל שאר החומרים הידועים מתמצקים בתנאים אלה.
הטמפרטורה שבה הליום נוזלי מתחיל לרתוח היא -268.9 מעלות צלזיוס. המאפיינים הפיזיקליים של האיזוטופים שלו משתנים במידה ניכרת. לדוגמה, הליום-4 רותח ב-4.215 K.
זהו נוזל Bose, המאופיין במעברי פאזה בטמפרטורות של 2, 172 קלווין ומטה. שלב He II מאופיין בנזילות-על ובמוליכות על-תרמית. בטמפרטורות מתחת לפאזה, He I ו-He II מתרחשים בו-זמנית, עקב כך מופיעות שתי מהירויות של קול בנוזל.
הליום-3 הוא נוזל פרמי. זה רותח ב-3.19 קלווין. איזוטופ יכול להשיג נזילות-על רק בטמפרטורות נמוכות מאוד (כמה מיליקלווין) כאשר יש מספיק משיכה בין חלקיקיו.
Helium superfluidity
המדע חייב את חקר המושג של נזילות-על לאקדמאים S. P. Kapitsa ו-L. D. Landau.
האקדמאי הגיע למסקנה שאחרי שהטמפרטורה של הליום יורדת מתחת ל-2, 172 K, החומר עובר משלב המצב הנורמלי למצב חדש לגמרי, הנקרא הליום-II. בשלב זה החומר עובר דרך הנימים והחורים הצרים ללא מעט חיכוך. מצב זה נקרא "על-נוזליות".
בשנת 1941 המשיך לנדאו ל.ד לחקור את תכונותיו של הליום נוזלי ופיתח את תורת ה- superfluidity. להסבירהוא לקח את זה בשיטות קוונטיות, תוך שימוש במושג ספקטרום האנרגיה של עירורים.
אפליקציות הליום
היסוד הליום התגלה בספקטרום השמש בשנת 1868. על פני כדור הארץ, הוא התגלה על ידי ויליאם רמזי בשנת 1895, ולאחר מכן הוא נחקר במשך זמן רב ולא היה בשימוש בתחום הכלכלי. בפעילות תעשייתית, הוא החל לשמש כדלק לספינות אוויר במהלך מלחמת העולם הראשונה.
גז משמש באופן פעיל לאריזה בתעשיית המזון, בהתכה של מתכות. גיאולוגים משתמשים בו כדי לזהות תקלות בקרום כדור הארץ. הליום נוזלי משמש בעיקר כחומר קירור המסוגל לשמור על טמפרטורות נמוכות במיוחד. נכס זה הכרחי למחקר מדעי.
נוזל הקירור משמש במכונות חשמליות קריוגניות, בסריקת מיקרוסקופים למנהור, במכשירים של טומוגרפיות NMR רפואיות, במאיצי חלקיקים טעונים.
מסקנה
הליום הוא גז אינרטי או אצילי שמפגין פעילות נמוכה באינטראקציה עם חומרים אחרים. בטבלה המחזורית של יסודות כימיים, הוא נמצא במקום השני, מאחורי מימן. בטבע, החומר נמצא במצב גזי. בתנאים מסוימים, הוא יכול להיכנס למצבי צבירה אחרים.
התכונה העיקרית של הליום נוזלי היא נזילות-העל וחוסר היכולת שלו להתגבש בלחץ רגיל, גם אם הטמפרטורה מגיעה לאפס המוחלט. תכונות האיזוטופים של חומר אינן זהות. הביקורתיות שלהםהטמפרטורות, תנאי הרתיחה שלהם והספינים של החלקיקים שלהם.
