Гелий нь үелэх системийн 18-р бүлгийн инертийн хий юм. Энэ нь устөрөгчийн дараа орох хамгийн хөнгөн элемент юм. Гели нь өнгөгүй, үнэргүй, амтгүй хий бөгөөд -268.9 хэмд шингэн болдог. Түүний буцалгах, хөлдөх температур нь бусад мэдэгдэж буй бодисуудаас бага байдаг. Энэ нь хэвийн атмосферийн даралтаар хөргөхөд хатуурдаггүй цорын ганц элемент юм. Гели хатуурахын тулд 1К-д 25 атмосфер шаардлагатай.
Нээлтийн түүх
Гелиумыг Францын одон орон судлаач Пьер Янсен 1868 онд хиртэлтийн үеэр нарны хромосферийн спектрт тод шар өнгийн шугамыг олж илрүүлсэн бөгөөд Нарыг тойрсон хийн агаар мандлаас нээсэн юм. Энэ шугам нь натрийн элементийг төлөөлдөг гэж анх бодож байсан. Мөн онд Английн одон орон судлаач Жозеф Норман Локьер нарны спектрт натрийн D1 ба D2-тай тохирохгүй шар шугамыг ажиглав., тэгээд тэр түүний мөрийг D3 гэж нэрлэсэн. Энэ нь дэлхий дээр үл мэдэгдэх нарны бодисоос үүдэлтэй гэж Локиер дүгнэжээ. Тэр болон химич Эдвард Франкланд энэ элементийн нэрийг ашигласанНарны Грек нэр нь Хелиос.
1895 онд Британийн химич Сэр Уильям Рамсей дэлхий дээр гелий байдгийг нотолсон. Тэрээр уран агуулсан эрдсийн клевитын дээж авч, түүнийг халаахад үүссэн хийнүүдийг шинжилсний дараа спектрийн тод шар шугам нь 2008 онд ажиглагдсан D3 шугамтай давхцаж байгааг олж мэдэв. нарны спектр. Тиймээс шинэ элементийг эцэст нь суулгасан. 1903 онд Рамсей, Фредерик Содду нар гели нь цацраг идэвхт бодисын аяндаа задралын бүтээгдэхүүн болохыг тогтоожээ.
Байгальд тархсан
Гелийгийн масс нь орчлон ертөнцийн нийт массын 23% орчим бөгөөд энэ элемент нь сансар огторгуйд хамгийн элбэг байдаг хоёрдугаарт ордог. Энэ нь термоядролын нэгдлийн үр дүнд устөрөгчөөс үүссэн оддод төвлөрдөг. Гели нь дэлхийн агаар мандалд 200 мянган (5 ppm) тутамд 1-ийн агууламжтай, цацраг идэвхт ашигт малтмал, солирын төмөр, рашаан зэрэгт бага хэмжээгээр агуулагддаг боловч АНУ-д их хэмжээний элемент байдаг (ялангуяа Техас, Нью-Йорк). Мексик, Канзас, Оклахома, Аризона, Юта) байгалийн хийн бүрэлдэхүүн хэсэг (7.6% хүртэл). Австрали, Алжир, Польш, Катар, Орост бага хэмжээний нөөц илэрсэн. Дэлхийн царцдас дахь гелийн агууламж ердөө 8 ppb байна.
Изотопууд
Гелий атом бүрийн цөм нь хоёр протон агуулдаг боловч бусад элементүүдийн нэгэн адил изотоптой байдаг. Тэд нэгээс зургаан нейтрон агуулдаг тул массын тоо гурваас найм хүртэл хэлбэлздэг. Тогтвортой элементүүд нь гелийн массыг 3 (3He) ба 4 (4He) атомын тоогоор тодорхойлдог элементүүд юм. Бусад нь цацраг идэвхт бодис бөгөөд маш хурдан бусад бодисуудад задардаг. Газрын гели нь гаригийн анхны бүрэлдэхүүн хэсэг биш бөгөөд цацраг идэвхт задралын үр дүнд үүссэн. Хүнд цацраг идэвхт бодисын цөмөөс ялгардаг альфа тоосонцор нь 4He изотопын цөм юм. Гели нь агаар мандалд их хэмжээгээр хуримтлагддаггүй, учир нь дэлхийн таталцлын хүч нь түүнийг аажмаар сансарт гарахаас сэргийлж чаддаггүй. Дэлхий дээрх 3Тэрийн ул мөрийг устөрөгч-3 (тритиум) ховор элементийн сөрөг бета задралаар тайлбарладаг. 4Тогтвортой изотопуудаас хамгийн элбэг нь: 4Тэр атомын 3Тэр агаар мандалд 700 мянгаас 1 орчим, гелий агуулсан зарим эрдэст 7 саяас 1 орчим байна.
Гелиумын физик шинж чанар
Энэ элементийн буцлах болон хайлах цэгүүд хамгийн бага байна. Энэ шалтгааны улмаас гели нь онцгой нөхцөл байдлаас бусад тохиолдолд хий хэлбэрээр байдаг. Хийн Тэрээр бусад хийтэй харьцуулахад усанд бага уусдаг бөгөөд хатуу бодисоор дамжин тархах хурд нь агаараас гурав дахин их байдаг. Түүний хугарлын илтгэгч 1-тэй хамгийн ойр ирдэг.
Гелий дулаан дамжилтын илтгэлцүүрээр устөрөгчийн дараа хоёрдугаарт ордог бөгөөд дулааны хувийн багтаамж нь ер бусын өндөр юм. Энгийн температурт тэлэлтийн үед халж, 40 К-ээс доош хөргөнө. Тиймээс T<40 K дээр гелийг хувиргаж болнотэлэлтийн шингэн.
Элемент нь ионжсон төлөвт ороогүй бол диэлектрик юм. Бусад сайхан хийн нэгэн адил гели нь иончлолын потенциалаас доогуур хүчдэлтэй байх үед цахилгаан цэнэгийн үед ионжсон хэвээр байх боломжийг олгодог метастав энергийн түвшинтэй байдаг.
Гелиум-4 нь хоёр шингэн хэлбэртэй байдгаараа онцлог юм. Энгийнийг гелий I гэж нэрлэдэг бөгөөд буцлах цэг нь 4.21 К (-268.9 ° C) -аас 2.18 К (-271 ° C) хүртэлх температурт байдаг. 2.18 К-аас доош дулаан дамжилтын илтгэлцүүр 4 Тэр зэсээс 1000 дахин их болдог. Энэ хэлбэрийг ердийн хэлбэрээс ялгахын тулд гелий II гэж нэрлэдэг. Энэ нь хэт шингэн юм: зуурамтгай чанар нь маш бага тул хэмжих боломжгүй юм. Гелиум II нь хүрсэн бүх зүйлийнхээ гадаргуу дээр нимгэн хальс болж тархдаг бөгөөд энэ хальс нь таталцлын эсрэг ч үрэлтгүйгээр урсдаг.
Бага хэмжээний гелий-3 нь гурван өөр шингэн фаз үүсгэдэг бөгөөд тэдгээрийн хоёр нь хэт шингэн байдаг. Хэт шингэнийг 4Түүнийг 1930-аад оны дундуур Зөвлөлтийн физикч Петр Леонидович Капица нээсэн ба мөн ижил үзэгдлийг 3Түүнийг анх анзаарсан. 1972 онд АНУ-ын Дуглас Д. Ошеров, Дэвид М. Ли, Роберт С. Ричардсон нар.
0.8 К (-272.4 °C)-аас доош температурт гелий-3 ба -4-ийн хоёр изотопын шингэн хольцыг хоёр давхаргад хуваадаг - бараг цэвэр 3Тэр ба4He-ийн холимог 6% гели-3. 3Тэрийг 4 болгон уусгах нь хөргөлтийн нөлөөг дагалддаг бөгөөд энэ нь гелийн температур буурдаг криостатуудын дизайнд хэрэглэгддэг.0.01 К (-273.14 °C)-аас доош температурт, хэдэн өдрийн турш хадгална.
Холболтууд
Хэвийн нөхцөлд гели нь химийн хувьд идэвхгүй байдаг. Хэт их нөхцөлд та ердийн температур, даралтанд тогтворгүй элементийн холболтыг үүсгэж болно. Жишээлбэл, гели нь электроноор бөмбөгдөх эсвэл плазмын төлөвт цахилгаан туяа үүсэх үед иод, вольфрам, фтор, фосфор, хүхэртэй нэгдлүүд үүсгэж болно. Ийнхүү HeNe, HgHe10, WHe2 болон He2 молекулын ионууд үүссэн+, 2++, HeH+ болон HeD+. Энэ техник нь төвийг сахисан молекулуудыг He2 болон HgHe авах боломжтой болгосон.
Пласма
Орчлон ертөнцөд ионжсон гелий голчлон тархдаг бөгөөд шинж чанар нь молекулаас эрс ялгаатай. Түүний электрон болон протонууд хоорондоо холбогддоггүй бөгөөд хэсэгчилсэн ионжсон төлөвт ч маш өндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай байдаг. Цэнэглэсэн тоосонцор нь соронзон болон цахилгаан талбайн хүчтэй нөлөөнд автдаг. Жишээлбэл, нарны салхинд гелийн ионууд ионжсон устөрөгчийн хамт дэлхийн соронзон мандалтай харилцан үйлчилж, аврора үүсгэдэг.
АНУ-ын нээлт
1903 онд худаг өрөмдсний дараа Канзас мужийн Декстер хотод шатдаггүй хий гаргаж авсан. Эхэндээ энэ нь гелий агуулсан гэдгийг мэддэггүй байв. Ямар хий олсныг мужийн геологич Эразмус Ховорт тогтоосон байнатүүнээс дээж цуглуулсан бөгөөд Канзасын их сургуульд химич Кэди Хамилтон, Дэвид МакФарланд нарын тусламжтайгаар түүний 72% азот, 15% метан, 1% устөрөгч, 12% нь тогтоогдоогүй байна. Нэмэлт шинжилгээ хийсний дараа эрдэмтэд дээжийн 1.84% нь гелий болохыг тогтоожээ. Тиймээс тэд энэхүү химийн элемент нь Их тал нутгийн гүнд асар их хэмжээгээр агуулагдаж, байгалийн хийнээс гаргаж авах боломжтой гэдгийг мэдсэн.
Аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэл
Энэ нь АНУ-ыг гелийн үйлдвэрлэлээр дэлхийд тэргүүлэгч болгосон. Сэр Ричард Трелфоллийн санал болгосноор АНУ-ын Тэнгисийн цэргийн хүчин Дэлхийн нэгдүгээр дайны үед энэ бодисыг үйлдвэрлэх гурван жижиг туршилтын үйлдвэрийг санхүүжүүлж, хөнгөн, шатдаггүй өргөх хийтэй бөмбөгийг хамгаалах зорилгоор бүтээжээ. Хөтөлбөр нь нийт 5,700 м3 92% He үйлдвэрлэсэн боловч өмнө нь 100 литрээс бага хий үйлдвэрлэж байсан. Энэ эзлэхүүний зарим хэсгийг 1921 оны 12-р сарын 7-нд Виржиниа мужийн Хэмптон Роудсаас Вашингтон ДС-гийн Боллинг Филд хүртэл анхны аялалаа хийсэн АНУ-ын Тэнгисийн цэргийн хүчний С-7 хэмээх дэлхийн хамгийн анхны гелий агаарын хөлөг онгоцонд ашигласан.
Хэдийгээр дэлхийн 1-р дайны үед бага температурт хий шингэрүүлэх процесс хангалттай ахиц дэвшилд хүрээгүй байсан ч үйлдвэрлэл үргэлжилсээр байв. Гелиумыг ихэвчлэн онгоцонд өргөх хий болгон ашигладаг байсан. Дэлхийн 2-р дайны үед хамгаалалттай нуман гагнуурын ажилд ашиглагдаж байх үед түүний эрэлт нэмэгдсэн. Энэ элемент нь атомын бөмбөгийн төсөлд бас чухал байсан. Манхэттэн.
АНУ-ын үндэсний хувьцаа
1925 онд АНУ-ын засгийн газар дайны үед цэргийн нисэх онгоц, энх тайвны үед арилжааны агаарын хөлгөөр хангах зорилгоор Техас мужийн Амарилло хотод Гелийн үндэсний нөөц газрыг байгуулжээ. Дэлхийн 2-р дайны дараа хийн хэрэглээ багассан боловч 1950-иад онд нийлүүлэлтийг нэмэгдүүлж, сансрын уралдаан болон Хүйтэн дайны үед хүчилтөрөгчийн пуужингийн түлш үйлдвэрлэхэд ашигладаг хөргөлтийн бодис болгон нийлүүлэх боломжтой болсон. 1965 онд АНУ-ын гелийн хэрэглээ дайны үеийн хамгийн их хэрэглээнээс найм дахин их байжээ.
1960 оны Гелийн тухай хуулийн дагуу Уурхайн товчоо байгалийн хийнээс элемент гаргаж авахаар 5 хувийн компанитай гэрээ байгуулжээ. Энэхүү хөтөлбөрийн хүрээнд Техас мужийн Амарилло хотын ойролцоох засгийн газрын хэсэгчлэн шавхагдсан хийн ордтой эдгээр үйлдвэрүүдийг холбосон 425 км урт хийн хоолойг барьсан. Гели-азотын хольцыг газар доорх агуулах руу шахаж шаардлагатай болтол тэндээ байлгасан.
1995 он гэхэд тэрбум шоо метр нөөцийг цуглуулж, Үндэсний нөөц 1.4 тэрбум долларын өртэй байсан тул 1996 онд АНУ-ын Конгресс үүнийг үе шаттайгаар зогсооход хүргэсэн. 1996 онд гелий хувьчлах тухай хууль батлагдсаны дараа 2005 онд Байгалийн нөөцийн яамнаас уг агуулахыг татан буулгаж эхэлсэн.
Цэвэр байдал ба үйлдвэрлэлийн хэмжээ
1945 оноос өмнө үйлдвэрлэсэн гелий 98%, үлдсэн нь 2% орчим цэвэршилттэй байжээ. Агаарын хөлөгт хангалттай байсан азотыг эзэлдэг. 1945 онд нуман гагнуурт ашиглахын тулд бага хэмжээний 99.9 хувийн хий гаргаж авсан. 1949 он гэхэд үүссэн элементийн цэвэр байдал 99.995%-д хүрсэн.
Олон жилийн турш АНУ дэлхийн арилжааны гелийн 90 гаруй хувийг үйлдвэрлэж ирсэн. 2004 оноос хойш жил бүр 140 сая м3 үйлдвэрлэсэн бөгөөд үүний 85%-ийг АНУ, 10%-ийг Алжир, үлдсэнийг нь Орос, Польш улсаас бүрдүүлдэг. Дэлхий дээрх гелийн гол эх үүсвэр нь Техас, Оклахома, Канзас мужуудын хийн ордууд юм.
Хүлээн авах үйл явц
Гелиумыг (98.2% цэвэршилттэй) байгалийн хийнээс бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг бага температур, өндөр даралтанд шингэрүүлэн гаргаж авдаг. Хөргөсөн идэвхжүүлсэн нүүрсээр бусад хийн шингээлт нь 99.995% -ийн цэвэр байдалд хүрдэг. Агаарыг их хэмжээгээр шингэрүүлснээр бага хэмжээний гели үүсдэг. 900 тонн агаараас ойролцоогоор 3.17 шоо метр агаар гаргаж авах боломжтой. м бензин.
Хэрэглэх талбар
Урт хийг янз бүрийн салбарт ашигласан.
- Гелиум нь хэт бага температурыг олж авах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь том адрон коллайдерт хөргөх бодис, MRI машин, цөмийн соронзон резонансын спектрометр, хиймэл дагуулын төхөөрөмж зэрэгт хэт дамжуулагч соронзон, мөн хүчилтөрөгчийг шингэрүүлэхэд ашиглагддаг. болон Аполло пуужин дахь устөрөгч.
- Хөнгөн цагаан болон бусад металлыг гагнах инертийн хий болгон, оптик утас болон хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлд.
- Бүтээхпуужингийн хөдөлгүүрийн түлшний сав дахь даралт, ялангуяа шингэн устөрөгч дээр ажилладаг, учир нь устөрөгч шингэн хэвээр байх үед зөвхөн хийн гели нь нэгтгэх төлөвөө хадгалдаг);
- He-Ne хийн лазерыг супермаркет кассын бар кодыг скан хийхэд ашигладаг.
- Гелий ион микроскоп нь электрон микроскопоос илүү сайн зураг гаргадаг.
- Нэвтрэх чадвар сайтай учир автомашины агааржуулалтын систем гэх мэт гоожсон эсэхийг шалгах, ослын үед аюулгүйн дэрийг хурдан шахах зэрэгт сайн хий ашигладаг.
- Бага нягтрал нь гоёл чимэглэлийн бөмбөлгийг гелиээр дүүргэх боломжийг олгодог. Агаарын хөлөг, бөмбөлөг дэх тэсрэх бодисыг инертийн хий орлуулсан. Жишээлбэл, цаг уурын салбарт гелий баллоныг хэмжих хэрэгслийг өргөхөд ашигладаг.
- Криоген технологид энэ химийн элементийн шингэн төлөвт байгаа температур хамгийн бага байдаг тул хөргөлтийн үүрэг гүйцэтгэдэг.
- Хүчилтөрөгчтэй холилдсон усанд (мөн цусанд) бага урвалд орох, уусах чадвар бүхий гелий нь усанд шумбах болон кессон ажилд зориулсан амьсгалын найрлагад хэрэглэхийг олсон.
- Солир болон чулуулгийн насыг тодорхойлохын тулд энэ элементэд шинжилгээ хийдэг.
Гелий: элементийн шинж чанар
Тэр-ийн үндсэн физик шинж чанарууд нь дараах байдалтай байна:
- Атомын дугаар: 2.
- Гелий атомын харьцангуй масс: 4.0026.
- Хайлах цэг: байхгүй.
- Буцлах цэг: -268.9 °C.
- Нягт (1 атм, 0 °C): 0.1785 г/х.
- Исэлдүүлэх төлөв: 0.
