הליום: מאפיינים, מאפיינים, יישומים

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 17:47

הליום הוא גז אינרטי מהקבוצה ה-18 של הטבלה המחזורית. זהו היסוד השני הקל ביותר אחרי מימן. הליום הוא גז חסר צבע, חסר ריח וטעם שהופך לנוזל ב-268.9 מעלות צלזיוס. נקודות הרתיחה וההקפאה שלו נמוכות מאלו של כל חומר מוכר אחר. זהו היסוד היחיד שאינו מתמצק בקירור בלחץ אטמוספרי רגיל. נדרשות 25 אטמוספרות ב-1 K כדי שההליום יתמצק.

היסטוריית גילוי

הליום התגלה באטמוספירה הגזי המקיפה את השמש על ידי האסטרונום הצרפתי פייר יאנסן, אשר בשנת 1868 במהלך ליקוי חמה גילה קו צהוב בוהק בספקטרום הכרומוספרה הסולארית. קו זה נחשב במקור כמייצג את היסוד נתרן. באותה שנה, האסטרונום האנגלי ג'וזף נורמן לוקייר צפה בקו צהוב בספקטרום השמש שאינו תואם את קווי הנתרן הידועים D₁ ו-D₂, ולכן הוא קרא לה לקו D_{3. לוקר הגיע למסקנה שזה נגרם על ידי חומר בשמש שלא ידוע על כדור הארץ. הוא והכימאי אדוארד פרנקלנד השתמשו בשם היסודהשם היווני לשמש הוא הליוס.}

בשנת 1895, הכימאי הבריטי סר וויליאם רמזי הוכיח את קיומו של הליום על פני כדור הארץ. הוא השיג דגימה של המינרל cleveite הנושא אורניום, ולאחר בחינת הגזים שנוצרו בעת חימום, הוא גילה שהקו הצהוב הבוהק בספקטרום חופף לקו D_{3 שנצפה ב- הספקטרום של השמש. לפיכך, האלמנט החדש הותקן לבסוף. בשנת 1903, רמזי ופרדריק סודו קבעו שהליום הוא תוצר ריקבון ספונטני של חומרים רדיואקטיביים.}

פזר בטבע

מסה של הליום היא כ-23% מכל מסת היקום, והיסוד הוא השני בשכיחותו בחלל. הוא מרוכז בכוכבים, שם הוא נוצר ממימן כתוצאה מהיתוך תרמו-גרעיני. למרות שהליום נמצא באטמוספירה של כדור הארץ בריכוז של 1 חלק ל-200 אלף (5 ppm) ונמצא בכמויות קטנות במינרלים רדיואקטיביים, ברזל מטאוריט ומעיינות מינרלים, כמויות גדולות של היסוד נמצאות בארצות הברית (במיוחד בטקסס, ניו יורק). מקסיקו, קנזס, אוקלהומה, אריזונה ויוטה) כמרכיב (עד 7.6%) של גז טבעי. שמורות קטנות נמצאו באוסטרליה, אלג'יריה, פולין, קטאר ורוסיה. בקרום כדור הארץ, ריכוז ההליום הוא רק כ-8 ppb.

איזוטופים

הגרעין של כל אטום הליום מכיל שני פרוטונים, אבל כמו יסודות אחרים, יש לו איזוטופים. הם מכילים אחד עד שישה נויטרונים, כך שמספרי המסה שלהם נעים בין שלושה לשמונה.היציבים הם היסודות שמסת ההליום שלהם נקבעת לפי המספרים האטומיים 3 (³He) ו-4 (⁴He). כל השאר רדיואקטיביים ומתפרקים מהר מאוד לחומרים אחרים. הליום יבשתי אינו המרכיב המקורי של כדור הארץ, הוא נוצר כתוצאה מהתפרקות רדיואקטיבית. חלקיקי אלפא הנפלטים על ידי גרעינים של חומרים רדיואקטיביים כבדים הם גרעינים של האיזוטופ ⁴He. הליום אינו מצטבר בכמויות גדולות באטמוספירה מכיוון שכוח המשיכה של כדור הארץ אינו חזק מספיק כדי למנוע ממנו לברוח בהדרגה לחלל. עקבות של ³הוא על כדור הארץ מוסברים על ידי ריקבון בטא השלילי של היסוד הנדיר מימן-3 (טריטיום). ⁴הוא האיזוטופים היציבים ביותר: היחס בין ⁴He אטומים ל-^{3He הוא בערך 700 אלף ל-1 באטמוספירה וכ-7 מיליון ל-1 בכמה מינרלים המכילים הליום.}

מאפיינים פיזיים של הליום

נקודות הרתיחה וההתכה של יסוד זה הן הנמוכות ביותר. מסיבה זו, הליום קיים כגז, למעט בתנאים קיצוניים. גז הוא מתמוסס במים פחות מכל גז אחר, וקצב הדיפוזיה דרך מוצקים הוא פי שלושה מאוויר. מקדם השבירה שלו מגיע הכי קרוב ל-1.

המוליכות התרמית של הליום שנייה רק לזו של מימן, וקיבולת החום הסגולית שלו גבוהה בצורה יוצאת דופן. בטמפרטורות רגילות, הוא מתחמם במהלך ההתפשטות, ומתקרר מתחת ל-40 K. לכן, ב-T<40 K, ניתן להמיר הליוםנוזל על ידי הרחבה.

יסוד הוא דיאלקטרי אם הוא לא במצב מיונן. כמו גזים אצילים אחרים, להליום יש רמות אנרגיה גרה-יציבות המאפשרות לו להישאר מיונן בפריקה חשמלית כאשר המתח נשאר מתחת לפוטנציאל היינון.

הליום-4 ייחודי בכך שיש לו שתי צורות נוזליות. הרגיל נקרא הליום I והוא קיים בטמפרטורות הנעות מנקודת רתיחה של 4.21 K (-268.9 מעלות צלזיוס) ועד כ-2.18 K (-271 מעלות צלזיוס). מתחת ל-2.18 K, המוליכות התרמית של 4הוא הופכת פי 1000 מזו של נחושת. צורה זו נקראת הליום II כדי להבדיל בינו לבין הצורה הרגילה. הוא סופר נוזלי: הצמיגות כל כך נמוכה עד שלא ניתן למדוד אותה. הליום II מתפשט לסרט דק על פני כל מה שהוא נוגע בו, והסרט הזה זורם ללא חיכוך אפילו כנגד כוח המשיכה.

הליום-3 הפחות שופע יוצר שלושה שלבים נוזליים ברורים, שניים מהם סופר-נוזליים. נזילות-על ב-⁴הוא התגלה על ידי הפיזיקאי הסובייטי פיוטר ליאונידוביץ' קפיטסה באמצע שנות ה-30, ואותה תופעה ב-^{3הוא הבחין לראשונה על ידי דאגלס ד' אושרוב, דיוויד מ. לי ורוברט ס. ריצ'רדסון מארה ב בשנת 1972.}

תערובת נוזלית של שני איזוטופים של הליום-3 ו-4 בטמפרטורות מתחת ל-0.8 K (-272.4 מעלות צלזיוס) מחולקת לשתי שכבות - כמעט טהורה ³He ו תערובת של⁴הוא עם 6% הליום-3. הפירוק של ³He לתוך ^{4הוא מלווה באפקט קירור, המשמש בתכנון של קריוסטטים, שבהם טמפרטורת ההליום יורדתמתחת ל-0.01 K (-273.14 מעלות צלזיוס) ונשמר שם במשך מספר ימים.}

חיבורים

בתנאים רגילים, הליום אינרטי מבחינה כימית. בתנאים קיצוניים ניתן ליצור חיבורי אלמנטים שאינם יציבים בטמפרטורות ולחצים רגילים. לדוגמה, הליום יכול ליצור תרכובות עם יוד, טונגסטן, פלואור, זרחן וגופרית כאשר הוא נתון לפריקת זוהר חשמלית כאשר מופגז באלקטרונים או במצב פלזמה. כך נוצרו HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ ו-He₂ יונים מולקולריים+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^ו-HeD+. טכניקה זו גם אפשרה להשיג מולקולות ניטרליות He² ו-HgHe.

Plasma

ביקום, הליום מיונן מופץ בעיקר, שתכונותיו שונות באופן משמעותי ממולקולרי. האלקטרונים והפרוטונים שלו אינם קשורים, ויש לו מוליכות חשמלית גבוהה מאוד גם במצב מיונן חלקית. חלקיקים טעונים מושפעים מאוד משדות מגנטיים וחשמליים. לדוגמה, ברוח השמש, יוני הליום, יחד עם מימן מיונן, מקיימים אינטראקציה עם המגנטוספרה של כדור הארץ, וגורמים לאזור הזוהר.

גילוי ארה"ב

לאחר קידוח באר בשנת 1903, הושג גז לא דליק בדקסטר, קנזס. בתחילה לא היה ידוע שהוא מכיל הליום. איזה גז נמצא נקבע על ידי הגיאולוג הממלכתי ארסמוס האוורת', אשראספו דגימות שלו ובאוניברסיטת קנזס בעזרת הכימאים קיידי המילטון ודיוויד מקפרלנד מצאו שהוא מכיל 72% חנקן, 15% מתאן, 1% מימן ו-12% לא זוהו. לאחר ניתוח נוסף, המדענים מצאו כי 1.84% מהמדגם היה הליום. אז הם למדו שהיסוד הכימי הזה קיים בכמויות עצומות במעיים של המישורים הגדולים, משם ניתן להפיק אותו מגז טבעי.

ייצור תעשייתי

זה הפך את ארצות הברית למובילה בעולם בייצור הליום. לפי הצעתו של סר ריצ'רד ת'רפול, הצי האמריקני מימן שלושה מפעלי ניסוי קטנים לייצור חומר זה במהלך מלחמת העולם הראשונה כדי לספק לבלוני מטח גז הרמה קל ולא דליק. התוכנית הפיקה סך של 5,700 מ'3 92% He, למרות שפחות מ-100 ליטר גז הופקו קודם לכן. חלק מהנפח הזה שימש בספינת האוויר הראשונה בעולם בהליום, הצי האמריקני C-7, שעשתה את מסע הבכורה שלה מהמפטון רודס, וירג'יניה לבולינג פילד, וושינגטון הבירה ב-7 בדצמבר 1921.

למרות שתהליך הנזלת הגז בטמפרטורה נמוכה לא היה מתקדם מספיק באותה עת כדי להיות משמעותי במהלך מלחמת העולם הראשונה, הייצור נמשך. הליום שימש בעיקר כגז הרמה במטוסים. הביקוש אליו גדל במהלך מלחמת העולם השנייה, כאשר הוא שימש לריתוך קשת ממוגן. היסוד היה חשוב גם בפרויקט פצצת האטום.מנהטן.

המניה הלאומית בארה"ב

בשנת 1925, ממשלת ארצות הברית הקימה את שמורת ההליום הלאומית באמרילו, טקסס, במטרה לספק ספינות אוויר צבאיות בעתות מלחמה וספינות אוויר מסחריות בעתות שלום. השימוש בגז ירד לאחר מלחמת העולם השנייה, אך האספקה הוגדלה בשנות ה-50 כדי לספק, בין היתר, את אספקתו כנוזל קירור המשמש לייצור דלק רקטות חמצן במרוץ החלל והמלחמה הקרה. השימוש בהליום בארה ב בשנת 1965 היה פי שמונה מצריכת השיא בזמן המלחמה.

בעקבות חוק ההליום משנת 1960, לשכת המכרות התקשרה עם 5 חברות פרטיות להפקת היסוד מגז טבעי. עבור תוכנית זו, נבנה צינור גז באורך 425 ק מ המחבר את המפעלים הללו לשדה גז ממשלתי מדולדל חלקית ליד אמרילו, טקסס. תערובת ההליום-חנקן נשאבה למתקן אחסון תת-קרקעי ונשארה שם עד לצורך.

בשנת 1995 נאספו מיליארד מטרים מעוקבים של מלאי והרזרב הלאומי עמד על חוב של 1.4 מיליארד דולר, מה שגרם לקונגרס האמריקני לבטל אותו בהדרגה ב-1996. לאחר חקיקת חוק הפרטת ההליום ב-1996, החל משרד משאבי הטבע בחיסול מתקן האחסון ב-2005.

טוהר והיקפי ייצור

להליום שיוצר לפני 1945 היה טוהר של כ-98%, השאר 2%היוו חנקן, שהספיק לספינות אוויר. בשנת 1945 הופקה כמות קטנה של 99.9 אחוז גז לשימוש בריתוך קשת. עד 1949, טוהר היסוד שנוצר הגיע ל-99.995%.

במשך שנים רבות, ארצות הברית ייצרה למעלה מ-90% מההליום המסחרי בעולם. מאז 2004, היא הפיקה 140 מיליון מ3 בשנה, 85% מהם מגיעים מארצות הברית, 10% מאלג'יריה, והשאר מרוסיה ופולין. המקורות העיקריים להליום בעולם הם שדות הגז של טקסס, אוקלהומה וקנזס.

תהליך קבלת

הליום (98.2% טוהר) מופק מגז טבעי על ידי הנזלת רכיבים אחרים בטמפרטורות נמוכות ובלחצים גבוהים. ספיחת גזים אחרים על ידי פחם פעיל מקורר משיגה טוהר של 99.995%. כמות קטנה של הליום מופקת על ידי הנזלת אוויר בקנה מידה גדול. ניתן להשיג כ-3.17 מ ק מ-900 טון אוויר. מטר של גז.

אזורי יישום

בגז אצילי נעשה שימוש בתחומים שונים.

הליום, שתכונותיו מאפשרות להשיג טמפרטורות נמוכות במיוחד, משמש כחומר קירור במאיץ ההדרון הגדול, מגנטים מוליכים במכונות MRI וספקטרומטרים של תהודה מגנטית גרעינית, ציוד לווייני, וגם להנזלת חמצן. ומימן ברקטות אפולו.
כגז אינרטי לריתוך אלומיניום ומתכות אחרות, בייצור סיבים אופטיים ומוליכים למחצה.
כדי ליצורלחץ במיכלי הדלק של מנועי רקטות, במיוחד אלו הפועלים על מימן נוזלי, שכן רק הליום גזי שומר על מצב הצבירה שלו כאשר המימן נשאר נוזלי);
לייזרי גז He-Ne משמשים לסריקת ברקודים בקופות הסופרמרקט.
מיקרוסקופ הליום יון מייצר תמונות טובות יותר ממיקרוסקופ האלקטרונים.
בגלל החדירות הגבוהה שלו, גז אצילי משמש לבדיקת דליפות במערכות מיזוג אוויר לרכב, למשל, ולניפוח מהיר של כריות אוויר בתאונה.
צפיפות נמוכה מאפשרת לך למלא בלונים דקורטיביים בהליום. גז אינרטי החליף מימן נפיץ בספינות אוויר ובלונים. לדוגמה, במטאורולוגיה, משתמשים בבלוני הליום להרמת מכשירי מדידה.
בטכנולוגיה קריוגנית, הוא משמש כנוזל קירור, מכיוון שהטמפרטורה של יסוד כימי זה במצב נוזלי היא הנמוכה ביותר האפשרית.
הליום, שתכונותיו מספקות לו תגובתיות נמוכה ומסיסות במים (ודם), מעורבב עם חמצן, מצא יישום בתכשירי נשימה לצלילה ולעבודת קיסון.
מטאוריטים וסלעים מנותחים עבור יסוד זה כדי לקבוע את גילם.