Tại sao nguồn cung cấp heli đang cạn kiệt? Hủy hoại niềm tin vào cố đô.

tác giả không rõ

Heli (Helium, He) là một nguyên tố hóa học ở vị trí thứ 2 trong bảng tuần hoàn hóa học.

Vào ngày 18 tháng 8 năm 1868, nhật thực toàn phần đã được dự kiến. Các nhà thiên văn học trên khắp thế giới đã tích cực chuẩn bị cho ngày này. Họ hy vọng giải được bí ẩn về các điểm lồi - những điểm lồi phát sáng có thể nhìn thấy vào thời điểm nhật thực toàn phần dọc theo các cạnh của đĩa mặt trời. Một số nhà thiên văn học tin rằng các điểm nổi bật là những ngọn núi cao trên mặt trăng, vào thời điểm nhật thực toàn phần, được chiếu sáng bởi các tia Mặt trời; những người khác nghĩ rằng các điểm nổi bật là những ngọn núi trên Mặt trời; vẫn còn những người khác nhìn thấy những đám mây bốc lửa của bầu khí quyển mặt trời trong các hình chiếu của mặt trời. Phần lớn tin rằng những điểm nổi bật không gì khác hơn là một ảo ảnh quang học.

Năm 1851, trong một lần nhật thực được quan sát ở châu Âu, nhà thiên văn học người Đức Schmidt không chỉ nhìn thấy các hình chiếu của mặt trời mà còn có thể nhận ra rằng các đường viền của chúng thay đổi theo thời gian. Dựa trên những quan sát của mình, Schmidt kết luận rằng các điểm nổi bật là những đám mây khí nóng sáng bị đẩy vào bầu khí quyển mặt trời bởi những vụ phun trào khổng lồ. Tuy nhiên, ngay cả sau những quan sát của Schmidt, nhiều nhà thiên văn học vẫn coi gờ lửa là một ảo ảnh quang học.

Chỉ sau nhật thực toàn phần ngày 18 tháng 7 năm 1860, được quan sát thấy lúc. Tây Ban Nha, khi nhiều nhà thiên văn học tận mắt nhìn thấy các hình chiếu của mặt trời, và các nhà thiên văn học người Ý Secchi và người Pháp Dellar không chỉ phác thảo mà còn chụp ảnh chúng, không ai nghi ngờ gì về sự tồn tại của các điểm nổi bật.

Đến năm 1860, máy quang phổ đã được phát minh - một thiết bị cho phép, bằng cách quan sát phần nhìn thấy được của quang phổ, để xác định thành phần định tính của vật thể mà từ đó thu được phổ quan sát được. Tuy nhiên, vào ngày xảy ra nhật thực, không một nhà thiên văn nào sử dụng kính quang phổ để xem quang phổ của các tai lửa. Máy quang phổ được ghi nhớ khi nhật thực đã kết thúc.

Đó là lý do tại sao, khi chuẩn bị cho nhật thực năm 1868, mọi nhà thiên văn học đều đưa máy quang phổ vào danh sách các dụng cụ quan sát. Jules Jansen, nhà khoa học nổi tiếng người Pháp, đã không quên thiết bị này khi đến Ấn Độ quan sát các thiên tai, nơi có điều kiện quan sát nhật thực, theo tính toán của các nhà thiên văn học, là tốt nhất.

Vào thời điểm khi đĩa Mặt trời lấp lánh bị Mặt trăng che phủ hoàn toàn, Jules Jansen, khi kiểm tra bằng quang phổ ngọn lửa màu đỏ cam thoát ra từ bề mặt Mặt trời, đã nhìn thấy trong quang phổ, ngoài ba vạch hydro quen thuộc. : đỏ, xanh lá cây và xanh lam, một màu mới, lạ - màu vàng sáng. Không có chất nào được các nhà hóa học thời đó biết đến có vạch như vậy trong phần quang phổ mà Jules Jansen đã phát hiện ra nó. Phát hiện tương tự, nhưng ở quê nhà Anh, được thực hiện bởi nhà thiên văn học Norman Lockyer.

Ngày 25 tháng 10 năm 1868, Viện Hàn lâm Khoa học Paris nhận được hai bức thư. Một, được viết một ngày sau nhật thực, đến từ Guntur, một thị trấn nhỏ trên bờ biển phía đông Ấn Độ, từ Jules Janssen; một lá thư khác đề ngày 20 tháng 10 năm 1868 là từ Anh từ Norman Lockyer.

Những bức thư nhận được đã được đọc tại một cuộc họp của các giáo sư của Viện Hàn lâm Khoa học Paris. Trong đó, Jules Jansen và Norman Lockyer, độc lập với nhau, đã báo cáo về việc phát hiện ra cùng một "chất năng lượng mặt trời". Chất mới này, được tìm thấy trên bề mặt Mặt trời bằng máy quang phổ, Lockyer đề xuất gọi helium từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "mặt trời" - "helios".

Một sự trùng hợp ngẫu nhiên như vậy đã gây ngạc nhiên cho cuộc họp khoa học của các giáo sư của Viện hàn lâm, đồng thời làm chứng cho bản chất khách quan của việc phát hiện ra một chất hóa học mới. Để vinh danh việc phát hiện ra chất của ngọn đuốc mặt trời (điểm nổi bật), một huy chương đã bị loại. Một mặt của tấm huy chương này có khắc chân dung của Jansen và Lockyer, mặt kia là hình ảnh thần mặt trời Hy Lạp cổ đại Apollo trên cỗ xe do bốn con ngựa kéo. Dưới cỗ xe có một dòng chữ bằng tiếng Pháp: "Phân tích các dự báo về mặt trời vào ngày 18 tháng 8 năm 1868."

Năm 1895, nhà hóa học London Henry Myers đã thu hút sự chú ý của William Ramsay, nhà vật lý và nhà hóa học nổi tiếng người Anh, về bài báo sau đó bị lãng quên của nhà địa chất Hildebrand. Trong bài báo này, Hildebrand lập luận rằng một số khoáng chất hiếm khi được nung nóng trong axit sunfuric sẽ phát ra một loại khí không cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy. Trong số những khoáng chất quý hiếm này có kleveite, được tìm thấy ở Na Uy bởi Nordenskiöld, nhà thám hiểm nổi tiếng người Thụy Điển về các vùng cực.

Ramsay quyết định điều tra bản chất của khí chứa trong kleveite. Trong tất cả các cửa hàng hóa chất ở London, các trợ lý của Ramsay chỉ mua được ... một gam chất vu khống, chỉ trả 3,5 shilling cho nó. Sau khi cô lập vài centimet khối khí từ lượng cleveite thu được và tinh chế nó khỏi tạp chất, Ramsay đã kiểm tra nó bằng quang phổ kế. Kết quả thật bất ngờ: khí thoát ra từ kleveite hóa ra là ... heli!

Không tin tưởng vào phát hiện của mình, Ramsay quay sang William Crookes, chuyên gia hàng đầu về phân tích quang phổ lúc bấy giờ ở London, với yêu cầu điều tra khí thoát ra từ đá cleveite.

Crookes điều tra khí. Kết quả nghiên cứu đã xác nhận khám phá của Ramsay. Vì vậy, vào ngày 23 tháng 3 năm 1895, một chất được phát hiện trên Trái đất đã được tìm thấy trên Mặt trời 27 năm trước. Cùng ngày, Ramsay công bố phát hiện của mình, gửi một thông điệp tới Hội Hoàng gia Luân Đôn và một thông điệp khác tới nhà hóa học nổi tiếng người Pháp, Viện sĩ Berthelot. Trong một bức thư gửi Berthelot, Ramsay yêu cầu thông báo cho cuộc họp khoa học của các giáo sư của Học viện Paris về khám phá của mình.

Mười lăm ngày sau Ramsay, không phụ thuộc vào ông, nhà hóa học người Thụy Điển Langley đã tách helium khỏi kleveite và, giống như Ramsay, đã báo cáo việc khám phá ra helium của mình cho nhà hóa học Berthelot.

Lần thứ ba, helium được phát hiện trong không khí, nơi mà theo Ramsay, lẽ ra nó phải đến từ các khoáng chất quý hiếm (kleveite, v.v.) trong quá trình hủy diệt và biến đổi hóa học trên trái đất.

Một lượng nhỏ heli cũng được tìm thấy trong nước của một số suối khoáng. Vì vậy, chẳng hạn, nó đã được Ramsay tìm thấy ở suối chữa bệnh Cotret ở dãy núi Pyrenees, nhà vật lý người Anh John William Rayleigh đã tìm thấy nó trong vùng nước suối ở khu nghỉ mát nổi tiếng Bath, nhà vật lý người Đức Kaiser đã phát hiện ra helium trong suối phun ra những ngọn núi của Rừng Đen. Tuy nhiên, hầu hết tất cả heli được tìm thấy trong một số khoáng chất. Nó được tìm thấy trong samarskite, fergusonite, columbite, monazite, uraninite. Khoáng chất thorianite từ đảo Ceylon chứa một lượng helium đặc biệt lớn. Một kg thorianite, khi nung nóng đỏ, giải phóng 10 lít helium.

Người ta đã sớm xác định rằng helium chỉ được tìm thấy trong những khoáng chất có chứa uranium và thorium phóng xạ. Các tia anpha do một số nguyên tố phóng xạ phát ra chẳng qua là hạt nhân của nguyên tử heli, nhờ gắn thêm electron, hạt này biến thành nguyên tử heli.

Helium là một chất khí trong suốt, không mùi và không vị, là nguyên tố có trọng lượng nguyên tử lớn tiếp theo sau hydro. Nó hoàn toàn trơ, nghĩa là nó không tham gia vào bất kỳ phản ứng nào. Trong tất cả các chất, heli có nhiệt độ sôi thấp nhất là -269°C. Helium lỏng là chất lỏng đói nhất. Helium "đóng băng" ở - 272 ° C. Nhiệt độ này chỉ cao hơn một độ so với nhiệt độ của độ không tuyệt đối.

Helium là loại khí tốt nhất cho các phương tiện hàng không. Để lấp đầy chúng, người ta thường sử dụng hỗn hợp helium (85%) với hydro (15%). Một lượng lớn heli (lên tới 200.000 mét khối), trước đây cần để lấp đầy khí cầu, được chiết xuất chủ yếu từ khí tự nhiên.

Để bắn phá các thành phố lớn, chủ yếu là thủ đô của Anh và Pháp, bộ chỉ huy Đức đã sử dụng khí cầu trong Thế chiến thứ nhất. Hydrogen đã được sử dụng để lấp đầy chúng. Do đó, cuộc chiến chống lại zeppelin tương đối đơn giản: một viên đạn gây cháy rơi vào vỏ zeppelin sẽ đốt cháy hydro, zeppelin ngay lập tức bùng lên và cháy hết. Trong số 123 chiếc Zeppelin được chế tạo ở Đức trong Thế chiến thứ nhất, 40 chiếc bị thiêu rụi do đạn gây cháy. Các cú đánh trực tiếp của đạn gây cháy vào khí cầu Đức không mang lại kết quả. Khí cầu không bùng cháy mà từ từ, dường như rò rỉ một loại khí nào đó không xác định, bay trở lại.

Các chuyên gia quân sự đã bối rối và mặc dù đã thảo luận khẩn cấp và chi tiết về vấn đề không bắt lửa của zeppelin từ các loại đạn gây cháy, nhưng họ không thể tìm ra lời giải thích cần thiết. Câu đố về khí cầu đã được giải bởi nhà hóa học người Anh Richard Threlfall. Trong một bức thư gửi Bộ Hải quân Anh, ông viết: "... Tôi tin rằng người Đức đã phát minh ra một cách nào đó để chiết xuất helium với số lượng lớn, và lần này họ lấp đầy vỏ khí cầu của mình không phải bằng hydro như thường lệ mà bằng helium ... ".

Tuy nhiên, tính thuyết phục trong các lập luận của Threlfall đã bị giảm đi bởi thực tế là không có nguồn helium đáng kể nào ở Đức. Đúng là helium có trong không khí, nhưng ở đó không đủ: một mét khối không khí chỉ chứa 5 cm khối helium. Ngoài ra, máy làm lạnh hệ thống Linde, biến vài trăm mét khối không khí thành chất lỏng trong một giờ, có thể tạo ra không quá 3 lít heli trong thời gian này.

3 lít khí heli mỗi giờ! Và để lấp đầy một khí cầu, bạn cần 5-6 nghìn mét khối. m.Để có được lượng heli như vậy, một cỗ máy Linde sẽ phải hoạt động không ngừng trong khoảng hai trăm năm, hai trăm cỗ máy như vậy sẽ cho lượng heli cần thiết trong một năm. Việc xây dựng 200 nhà máy chuyển đổi không khí thành chất lỏng để sản xuất heli là rất không có lợi về mặt kinh tế và thực tế là vô nghĩa.

Các nhà hóa học người Đức lấy helium từ đâu?

Vấn đề này, hóa ra sau này, đã được giải quyết tương đối đơn giản. Rất lâu trước chiến tranh, các công ty tàu hơi nước của Đức vận chuyển hàng hóa đến Ấn Độ và Brazil đã được hướng dẫn chất các tàu hơi nước trở về không phải bằng đá dằn thông thường mà bằng cát monazite, có chứa helium. Do đó, một nguồn dự trữ "nguyên liệu heli" đã được tạo ra - khoảng 5 nghìn tấn cát monazite, từ đó thu được heli cho khí cầu zeppelin. Ngoài ra, helium được chiết xuất từ nước của suối khoáng Nauheim, nơi có thể tích lên tới 70 mét khối. m heli hàng ngày.

Sự cố với khí cầu chống cháy là động lực cho một cuộc tìm kiếm helium mới. Các nhà hóa học, vật lý học, nhà địa chất bắt đầu ráo riết tìm kiếm helium. Nó đã đột nhiên trở nên có giá trị lớn. Năm 1916, 1 mét khối heli có giá 200.000 rúp vàng, tức là 200 rúp một lít. Nếu chúng ta tính đến việc một lít helium nặng 0,18 g, thì 1 g của nó có giá hơn 1000 rúp.

Helium đã trở thành đối tượng săn lùng của các thương gia, nhà đầu cơ, đại lý trao đổi chứng khoán. Helium được tìm thấy với số lượng đáng kể trong khí tự nhiên thoát ra từ lòng trái đất ở Mỹ, thuộc bang Kansas, nơi mà sau khi Mỹ tham chiến, một nhà máy helium đã được xây dựng gần thành phố Fort Worth. Nhưng chiến tranh kết thúc, dự trữ heli vẫn chưa được sử dụng, giá heli giảm mạnh và vào cuối năm 1918 lên tới khoảng bốn rúp trên một mét khối.

Khí heli được chiết xuất một cách khó khăn như vậy chỉ được người Mỹ sử dụng vào năm 1923 để lấp đầy khí cầu Shenandoah hiện đang yên bình. Đây là con tàu chở khách hàng không đầu tiên và duy nhất trên thế giới chứa đầy khí heli. Tuy nhiên, "cuộc sống" của anh ấy chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn. Hai năm sau khi ra đời, Shenandoah bị cơn bão 55 nghìn mét khối tàn phá. m, gần như toàn bộ nguồn cung cấp helium trên thế giới, đã được thu thập trong sáu năm, đã tan biến không một dấu vết trong bầu khí quyển trong một cơn bão chỉ kéo dài 30 phút.

Trong lặn, heli được sử dụng để sản xuất không khí nhân tạo. Không khí nhân tạo, trong đó nitơ được thay thế một phần bằng heli, được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thở của thợ lặn làm việc dưới áp suất đặc biệt cao.

Như bạn đã biết, độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng, những thứ khác không đổi, tỷ lệ thuận với áp suất. Thợ lặn làm việc dưới áp suất cao có nhiều nitơ hòa tan trong máu hơn so với điều kiện bình thường tồn tại trên mặt nước. Khi tăng từ độ sâu, khi áp suất trở nên bình thường, độ hòa tan của nitơ giảm và lượng dư thừa của nó bắt đầu được giải phóng. Nếu quá trình đi lên được thực hiện nhanh chóng, quá trình giải phóng các khí hòa tan dư thừa diễn ra dữ dội đến mức máu và các mô giàu nước của cơ thể, bão hòa khí, sẽ sủi bọt với một khối bọt khí nitơ giống như rượu sâm panh khi mở chai. Sự hình thành bong bóng nitơ trong mạch máu làm gián đoạn hoạt động của tim, sự xuất hiện của chúng trong não làm gián đoạn chức năng của nó, dẫn đến rối loạn nghiêm trọng các chức năng sống của cơ thể và tử vong. Để ngăn chặn sự phát triển của các hiện tượng được mô tả, được gọi là "bệnh caisson", sự gia tăng của các thợ lặn, tức là quá trình chuyển đổi từ áp suất cao sang bình thường, được thực hiện rất chậm. Trong trường hợp này, lượng khí hòa tan dư thừa được giải phóng dần dần và không xảy ra các rối loạn đau đớn.

Với việc sử dụng không khí nhân tạo, trong đó nitơ được thay thế bằng heli ít hòa tan hơn, khả năng xảy ra các rối loạn có hại gần như bị loại bỏ hoàn toàn. Điều này cho phép thợ lặn tăng độ sâu khi lặn (lên đến 100 mét hoặc hơn) và kéo dài thời gian ở dưới nước.

Không khí "heli" có mật độ nhỏ hơn ba lần so với mật độ của không khí thông thường. Do đó, việc hít thở không khí "heli" dễ dàng hơn bình thường (công việc của các cơ hô hấp giảm). Tình huống này có tầm quan trọng lớn trong trường hợp mắc các bệnh về cơ hô hấp và một số bệnh khác liên quan đến hoạt động thở. Vì vậy, khí “helium” còn được sử dụng trong y học trong việc điều trị bệnh hen suyễn, ngạt thở và các bệnh khác.

Helium cũng được sử dụng trong công nghệ nhiệt độ thấp.

Cách tốt nhất để học một ngôn ngữ là gì? Bạn có thể dành nhiều thời gian, công sức và tiền bạc để thuê giáo viên và gia sư, để tham dự các trường học và các khóa học ngoại ngữ. Nhưng tất cả điều này không đảm bảo kết quả. Học ngoại ngữ bằng cách giao tiếp với người bản ngữ là đúng nhất, đây được gọi là phương pháp ngôn ngữ học thực địa. Đâu là nơi tốt nhất để luyện tập với người bản xứ? Tất nhiên, ở quê hương của anh ấy - ở Anh. Nền giáo dục ở Anh được coi là tốt nhất thế giới. Vì vậy, học tiếng Anh tại Anh là chìa khóa thành công trong việc học ngoại ngữ. Hãy nhớ rằng, ngày nay, học một ngôn ngữ với người bản ngữ được coi là hiệu quả nhất.

Helium, thường được tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của uranium-238 và uranium-235, được tìm thấy trong bầu khí quyển của Mặt trời sớm hơn 13 năm so với trên Trái đất. Khí này có trị số tới hạn thấp nhất, nhiệt độ sôi thấp nhất, nhiệt hóa hơi và nhiệt nóng chảy thấp nhất. Đối với điểm nóng chảy của heli, ở áp suất bình thường, nó hoàn toàn không tồn tại. Không có chất nào giống như nó trong tự nhiên...

Helium là một nguyên tố bất thường và lịch sử của nó hơi bí ẩn và khó hiểu. Nó được tìm thấy trong bầu khí quyển của Mặt trời sớm hơn 13 năm so với trên Trái đất. Chính xác hơn, một vạch D màu vàng sáng đã được phát hiện trong quang phổ của vành nhật hoa và thứ ẩn sau nó chỉ được biết đến một cách đáng tin cậy sau khi helium được chiết xuất từ các khoáng chất trên mặt đất có chứa các nguyên tố phóng xạ.

Heli được hình thành như thế nào?

Hầu hết heli trên mặt đất được hình thành trong quá trình phân rã phóng xạ của uranium-238, uranium-235, thorium và các sản phẩm không ổn định của sự phân rã của chúng. Heli trong vỏ trái đất tích tụ dần dần. Một tấn đá granit, chứa 2 g uranium và 10 g thori, chỉ tạo ra 0,09 mg heli trong một triệu năm - nửa centimet khối. Trong rất ít khoáng chất giàu uranium và thorium, hàm lượng heli khá cao - vài centimet khối heli trên mỗi gam.

Hầu hết các khoáng chất đều trải qua quá trình phong hóa, kết tinh lại, v.v. theo thời gian và khí heli rời khỏi chúng. Các bong bóng helium thoát ra từ các cấu trúc tinh thể hòa tan một phần trong nước ngầm. Một phần khác của heli thoát vào khí quyển thông qua các lỗ và vết nứt của khoáng chất. Các phân tử khí còn lại rơi vào các bẫy dưới lòng đất, nơi chúng tích tụ trong hàng chục, hàng trăm triệu năm. Các lớp đá lỏng lẻo hoạt động như những cái bẫy ở đây, những khoảng trống chứa đầy khí. Nền cho các bể chứa khí như vậy thường là nước hoặc dầu, và từ trên cao chúng bị chặn bởi các tầng đá dày đặc kín khí.

Tổng hợp helium - khởi đầu của cuộc sống

Ruột và bầu khí quyển của hành tinh chúng ta nghèo helium. Nhưng điều này không có nghĩa là nó không đủ ở mọi nơi trong Vũ trụ. Theo ước tính hiện đại, 76% khối lượng vũ trụ là hydro và 23% heli; trên tất cả các yếu tố khác, chỉ còn lại một phần trăm. Do đó, vật chất thế giới có thể được gọi là hydro-helium. Hai nguyên tố này chiếm ưu thế trong các ngôi sao, tinh vân hành tinh và khí giữa các vì sao. Phản ứng tổng hợp heli là cơ sở hoạt động năng lượng của các ngôi sao, sự phát sáng của chúng. Do đó, sự tổng hợp helium có thể được coi là tiền thân của mọi phản ứng trong tự nhiên, là nguyên nhân gốc rễ của sự sống, ánh sáng, nhiệt và các hiện tượng khí tượng trên Trái đất.

Khí tự nhiên thực tế là nguồn nguyên liệu thô duy nhất để sản xuất helium trong công nghiệp. Helium hiện diện trong khí thiên nhiên như một tạp chất nhỏ. Nội dung của nó không vượt quá phần nghìn, phần trăm, hiếm khi - phần mười phần trăm. Hàm lượng heli lớn (1,5–10%) trong các mỏ khí mêtan-nitơ là một hiện tượng cực kỳ hiếm. Để tách khỏi các loại khí khác, người ta sử dụng tính dễ bay hơi đặc biệt của helium liên quan đến nhiệt độ hóa lỏng thấp của nó. Sau khi tất cả các thành phần khác của khí tự nhiên được ngưng tụ bằng cách làm lạnh sâu, khí heli được bơm ra ngoài. Sau đó, nó được tinh chế từ các tạp chất. Độ tinh khiết của heli nhà máy đạt 99,995%. Heli lỏng thu được bằng cách hóa lỏng khí heli.

tính chất heli

khí heli- khí trơ không màu, không mùi, không vị. heli lỏng- một chất lỏng không màu, không mùi có điểm sôi ở áp suất khí quyển bình thường là 101,3 kPa (760 mm Hg) 4,215 K (âm 268,9 ° C) và khối lượng riêng là 124,9 kg / m3.

Heli không độc, không cháy, không nổ nhưng ở nồng độ cao trong không khí sẽ gây ra tình trạng thiếu oxy và ngạt thở. Heli lỏng là chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp có thể gây tê cóng trên da và tổn thương màng nhầy của mắt.

nguyên tử heli(hay còn gọi là phân tử) - cấu trúc mạnh nhất của phân tử. Quỹ đạo của hai electron của nó hoàn toàn giống nhau và đi qua rất gần hạt nhân. Để làm lộ ra một hạt nhân helium, bạn cần tiêu tốn một năng lượng cao kỷ lục (78,61 eV). Từ đó dẫn đến tính thụ động hóa học phi thường của helium.

Các phân tử helium không phân cực. Lực tương tác giữa các phân tử giữa chúng cực kỳ nhỏ - ít hơn bất kỳ chất nào khác. Vì lý do này, helium có các giá trị tới hạn thấp nhất, điểm sôi thấp nhất và nhiệt độ bay hơi và nóng chảy thấp nhất. Đối với điểm nóng chảy của heli, ở áp suất bình thường, nó hoàn toàn không tồn tại. Heli lỏng ở nhiệt độ tùy ý gần với độ không tuyệt đối không đông đặc nếu ngoài nhiệt độ, nó không bị ảnh hưởng bởi áp suất từ 25 atm trở lên. Không có chất nào khác như vậy trong tự nhiên. Nó là chất dẫn điện tốt nhất trong số các chất khí và thứ hai, sau hydro, chất dẫn nhiệt. Công suất nhiệt của nó rất cao, và ngược lại, độ nhớt của nó nhỏ.

Helium, khí cầu, thợ lặn và năng lượng hạt nhân...

Helium lần đầu tiên được sử dụng ở Đức. Năm 1915, người Đức bắt đầu lấp đầy khinh khí cầu ném bom London bằng khí cầu. Chẳng mấy chốc, helium nhẹ nhưng không bắt lửa đã trở thành chất độn không thể thiếu cho các phương tiện hàng không. Sự suy giảm của ngành công nghiệp khí cầu, bắt đầu từ giữa những năm 1930, dẫn đến sản lượng heli giảm nhẹ, nhưng chỉ trong một thời gian ngắn. Loại khí này ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà hóa học, luyện kim và chế tạo máy.

Một lĩnh vực ứng dụng khác của heli là do nhiều quy trình công nghệ và hoạt động không thể thực hiện được trong môi trường không khí. Để tránh sự tương tác của chất thu được (hoặc nguyên liệu) với khí không khí, các môi trường bảo vệ đặc biệt được tạo ra và không có loại khí nào phù hợp hơn cho những mục đích này hơn là helium.

trong heli môi trường bảo vệ trải qua các giai đoạn riêng biệt để thu được nhiên liệu hạt nhân. Các thành phần nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân được lưu trữ và vận chuyển trong các thùng chứa đầy heli. Với sự trợ giúp của các thiết bị phát hiện rò rỉ đặc biệt, hoạt động dựa trên khả năng khuếch tán đặc biệt của helium, chúng phát hiện ra khả năng rò rỉ nhỏ nhất trong các lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống khác dưới áp suất hoặc chân không.

Trong nghiên cứu khoa học và công nghệáp dụng rộng rãi heli lỏng. Nhiệt độ cực thấp hỗ trợ kiến thức chuyên sâu về vật chất và cấu trúc của nó - ở nhiệt độ cao hơn, các chi tiết tinh tế của quang phổ năng lượng bị che khuất bởi chuyển động nhiệt của các nguyên tử.

Hiện đã có các solenoid siêu dẫn làm bằng hợp kim đặc biệt tạo ra từ trường mạnh (lên tới 300 nghìn oersted) ở nhiệt độ của helium lỏng với chi phí năng lượng không đáng kể. Ở nhiệt độ của heli lỏng, nhiều kim loại và hợp kim trở thành chất siêu dẫn. Rơle cryotron siêu dẫn ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong thiết kế máy tính điện tử. Chúng đơn giản, đáng tin cậy, rất nhỏ gọn. Chất siêu dẫn, và cùng với chúng là helium lỏng, trở nên cần thiết cho thiết bị điện tử. Chúng được đưa vào thiết kế máy dò bức xạ hồng ngoại, bộ khuếch đại phân tử (maser), máy tạo lượng tử quang học (laser) và thiết bị đo tần số vi sóng.

Hỗn hợp heli-oxyđã trở thành một phương tiện đáng tin cậy để ngăn ngừa bệnh giảm áp và mang lại lợi ích lớn về thời gian khi nâng thợ lặn. Như đã biết, độ tan của chất khí trong chất lỏng, những thứ khác không đổi, tỷ lệ thuận với áp suất. Thợ lặn làm việc dưới áp suất cao có nhiều nitơ hòa tan trong máu hơn so với điều kiện bình thường tồn tại trên mặt nước. Khi tăng từ độ sâu, khi áp suất đạt đến mức bình thường, độ hòa tan của nitơ giảm và lượng dư thừa của nó bắt đầu được giải phóng. Nếu quá trình đi lên được thực hiện nhanh chóng, quá trình giải phóng các khí hòa tan dư thừa xảy ra dữ dội đến mức các mô giàu máu và nước của cơ thể, bão hòa khí, sủi bọt với một khối bong bóng nitơ - giống như rượu sâm panh khi mở chai.

Sự hình thành các bong bóng nitơ trong mạch máu làm gián đoạn hoạt động của tim, sự xuất hiện của chúng trong não làm gián đoạn các chức năng của nó, và tất cả những điều này cùng nhau dẫn đến rối loạn nghiêm trọng các chức năng sống của cơ thể và hậu quả là dẫn đến tử vong. Để ngăn chặn sự phát triển của các hiện tượng được mô tả, được gọi là "bệnh caisson", sự gia tăng của thợ lặn, tức là quá trình chuyển đổi từ áp suất cao sang bình thường, được thực hiện rất chậm.

Trong trường hợp này, lượng khí hòa tan dư thừa được giải phóng dần dần và không xảy ra các rối loạn đau đớn. Với việc sử dụng không khí nhân tạo, trong đó nitơ được thay thế bằng heli ít hòa tan hơn, khả năng xảy ra các rối loạn có hại gần như bị loại bỏ hoàn toàn. Điều này cho phép thợ lặn tăng độ sâu khi lặn (lên đến 100 mét hoặc hơn) và kéo dài thời gian ở dưới nước.

Không khí "heli" có mật độ nhỏ hơn ba lần so với mật độ của không khí thông thường. Do đó, việc hít thở không khí như vậy sẽ dễ dàng hơn bình thường (công việc của các cơ hô hấp giảm đi). Tình huống này rất quan trọng trong trường hợp mắc các bệnh về đường hô hấp. đó là lý do tại sao khí heli cũng áp dụng trong dược phẩm trong điều trị hen suyễn, nghẹt thở và các bệnh khác.

Chưa vĩnh cửu, nhưng đã vô hại

Tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos mang tên E. Fermi (New Mexico) đã phát triển động cơ mới, có thể thay đổi nghiêm trọng nhận thức về ô tô là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính. Với hiệu suất tương đương với động cơ đốt trong (30–40%), nó không có nhược điểm chính: các bộ phận chuyển động cần bôi trơn để giảm ma sát và mài mòn, đồng thời thải ra các sản phẩm đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn có hại cho môi trường.

Trên thực tế, chúng ta đang nói về sự cải tiến của động cơ đốt ngoài nổi tiếng do linh mục người Scotland R. Stirling đề xuất vào năm 1816. Động cơ này không được sử dụng rộng rãi trên xe do thiết kế phức tạp hơn so với động cơ đốt trong , tiêu thụ vật liệu lớn hơn và chi phí. Nhưng bộ chuyển đổi năng lượng nhiệt âm do các nhà khoa học Mỹ đề xuất, trong đó heli nén đóng vai trò là môi trường làm việc, so sánh thuận lợi với thiết bị tiền nhiệm của nó do không có bộ trao đổi nhiệt cồng kềnh ngăn cản việc sử dụng nó trong ô tô chở khách và trong tương lai gần có thể trở thành một thiết bị thân thiện với môi trường. thay thế không chỉ cho động cơ đốt trong mà còn cả bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời, tủ lạnh, điều hòa không khí. Quy mô ứng dụng của nó vẫn còn khó tưởng tượng.

Helium là một loại khí thực sự cao quý. Vẫn chưa thể buộc anh ta tham gia vào bất kỳ phản ứng nào. Phân tử helium là đơn nguyên tử.

Xét về độ nhẹ, khí này chỉ đứng sau hydro, không khí nặng hơn heli 7,25 lần.

Heli hầu như không tan trong nước và các chất lỏng khác. Và theo cách tương tự, không một chất nào hòa tan đáng kể trong helium lỏng.

Heli rắn không thể thu được ở bất kỳ nhiệt độ nào trừ khi tăng áp suất.

Trong lịch sử phát hiện, nghiên cứu và ứng dụng nguyên tố này, có tên tuổi của nhiều nhà vật lý và hóa học lỗi lạc của các quốc gia khác nhau. Họ quan tâm đến heli, làm việc với helium: Jansen (Pháp), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Anh), Palmieri (Ý), Keesom, Camerling-Onnes (Hà Lan), Feynman, Onsager (Mỹ), Kapitsa, Kikoin , Landau (Liên Xô) và nhiều nhà khoa học lỗi lạc khác.

Sự độc đáo về ngoại hình của nguyên tử helium được xác định bởi sự kết hợp của hai cấu trúc tự nhiên tuyệt vời trong đó - những nhà vô địch tuyệt đối về độ nhỏ gọn và sức mạnh. Trong hạt nhân helium, helium-4, cả hai lớp vỏ bên trong hạt nhân đều bão hòa - cả proton và neutron. Cặp điện tử bao quanh hạt nhân này cũng đã bão hòa. Trong những thiết kế này - chìa khóa để hiểu các tính chất của helium. Do đó, tính trơ hóa học phi thường của nó và kích thước nguyên tử nhỏ kỷ lục của nó.

Vai trò của hạt nhân nguyên tử heli - hạt anpha trong lịch sử hình thành và phát triển của vật lý hạt nhân là hết sức to lớn. Nếu bạn còn nhớ, chính nghiên cứu về sự tán xạ của các hạt alpha đã đưa Rutherford đến việc khám phá ra hạt nhân nguyên tử. Khi nitơ bị bắn phá bởi các hạt alpha, lần đầu tiên quá trình hoán đổi các nguyên tố được thực hiện - điều mà nhiều thế hệ nhà giả kim đã mơ ước trong nhiều thế kỷ. Đúng là trong phản ứng này, không phải thủy ngân biến thành vàng mà là nitơ thành oxy, nhưng điều này gần như khó thực hiện. Các hạt alpha tương tự đã tham gia vào việc phát hiện ra neutron và sản xuất đồng vị nhân tạo đầu tiên. Sau đó, curium, berkelium, californium và mendelevium được tổng hợp bằng các hạt alpha.

Chúng tôi đã liệt kê những sự thật này chỉ vì một mục đích - để cho thấy rằng yếu tố #2 là một yếu tố rất bất thường.

Trên một quả bóng bay lớn... Helium được sử dụng để điều chế các hỗn hợp thở, bao gồm cả những hỗn hợp cho bầu khí quyển của tàu vũ trụ có người ở, lặn biển sâu, cũng như điều trị bệnh hen suyễn, để làm đầy khí cầu và bóng bay. Nó không độc hại, vì vậy việc hít thở một lượng nhỏ heli cùng với không khí là hoàn toàn vô hại.

Colossus of Rhodes, bức tượng khổng lồ của thần mặt trời cổ đại Helios. Nguyên tố helium được phát hiện bằng phương pháp quang phổ trên Mặt trời và chỉ sau đó mới được phát hiện trên Trái đất.

heli trên mặt đất

Helium là một nguyên tố khác thường và lịch sử của nó cũng không bình thường. Nó được phát hiện trong bầu khí quyển của Mặt trời sớm hơn 13 năm so với trên Trái đất. Chính xác hơn, một vạch D màu vàng sáng đã được phát hiện trong quang phổ của vành nhật hoa và thứ ẩn sau nó chỉ được biết đến một cách đáng tin cậy sau khi helium được chiết xuất từ các khoáng chất trên mặt đất có chứa các nguyên tố phóng xạ.

Helium trên Mặt trời được phát hiện bởi người Pháp J. Jansen, người đã thực hiện các quan sát của mình ở Ấn Độ vào ngày 19 tháng 8 năm 1868, và người Anh J.H. Lockyer - 20 tháng 10 cùng năm. Các bức thư của cả hai nhà khoa học đã đến Paris cùng ngày và được đọc tại một cuộc họp của Viện Hàn lâm Khoa học Paris vào ngày 26 tháng 10 với khoảng thời gian vài phút. Các học giả, bị ấn tượng bởi một sự trùng hợp kỳ lạ như vậy, đã quyết định giành huy chương vàng để vinh danh sự kiện này.

Năm 1881, nhà khoa học người Ý Palmieri đã phát hiện ra heli trong khí núi lửa. Tuy nhiên, thông điệp của ông, sau đó được xác nhận, đã được một số nhà khoa học coi trọng. Heli thứ cấp trên mặt đất được Ramsay phát hiện vào năm 1895.

Có 29 đồng vị trong vỏ trái đất, trong quá trình phân rã phóng xạ, các hạt alpha được hình thành - hạt nhân hoạt động mạnh của nguyên tử heli có năng lượng cao.

Về cơ bản, heli trên mặt đất được hình thành trong quá trình phân rã phóng xạ của uranium-238, uranium-235, thorium và các sản phẩm không ổn định của quá trình phân rã của chúng. Lượng helium nhỏ hơn rất nhiều được tạo ra từ sự phân rã chậm của samarium-147 và bismuth. Tất cả các nguyên tố này chỉ tạo ra đồng vị nặng của helium - 4He, nguyên tử của nó có thể được coi là phần còn lại của các hạt alpha được chôn trong lớp vỏ gồm hai electron ghép đôi - trong một cặp đôi electron. Trong các thời kỳ địa chất ban đầu, có lẽ cũng tồn tại một loạt các nguyên tố phóng xạ tự nhiên khác đã biến mất khỏi bề mặt Trái đất, làm bão hòa hành tinh bằng helium. Một trong số đó là loạt hải vương hiện được tái tạo nhân tạo.

Dựa vào lượng helium bị giữ lại trong đá hoặc khoáng chất, người ta có thể đánh giá tuổi tuyệt đối của chúng. Các phép đo này dựa trên quy luật phân rã phóng xạ: ví dụ, một nửa uranium-238 biến thành heli và chì trong 4,52 tỷ năm.

Heli trong vỏ trái đất tích tụ dần dần. Một tấn đá granit chứa 2 g uranium và 10 g thori chỉ tạo ra 0,09 mg heli trong một triệu năm - nửa centimet khối. Trong rất ít khoáng chất giàu uranium và thorium, hàm lượng heli khá cao - vài centimet khối heli trên mỗi gam. Tuy nhiên, tỷ lệ của các khoáng chất này trong sản xuất helium tự nhiên gần bằng không, vì chúng rất hiếm.

Các hợp chất tự nhiên có chứa các đồng vị hoạt động alpha chỉ là nguồn chính chứ không phải là nguyên liệu thô để sản xuất helium trong công nghiệp. Đúng vậy, một số khoáng chất có cấu trúc dày đặc - kim loại tự nhiên, từ tính, ngọc hồng lựu, apatit, zircon và các loại khác - giữ chắc chắn helium có trong chúng. Tuy nhiên, hầu hết các khoáng chất cuối cùng đều trải qua các quá trình phong hóa, kết tinh lại, v.v., và khí heli rời khỏi chúng.

Các bong bóng khí heli thoát ra từ các cấu trúc tinh thể bắt đầu cuộc hành trình xuyên qua lớp vỏ trái đất. Một phần rất nhỏ của chúng hòa tan trong nước ngầm. Sự hình thành các dung dịch heli đậm đặc hơn hoặc ít hơn đòi hỏi các điều kiện đặc biệt, chủ yếu là áp suất cao. Một phần khác của helium du mục đi vào bầu khí quyển thông qua các lỗ và vết nứt của khoáng chất. Các phân tử khí còn lại rơi vào các bẫy dưới lòng đất, nơi chúng tích tụ trong hàng chục, hàng trăm triệu năm. Bẫy là các lớp đá lỏng lẻo, các lỗ rỗng chứa đầy khí. Nền cho các bể chứa khí như vậy thường là nước và dầu, và từ trên cao chúng bị chặn bởi các tầng đá dày đặc kín khí.

Vì các loại khí khác cũng lang thang trong vỏ trái đất (chủ yếu là khí mê-tan, nitơ, carbon dioxide), và hơn nữa, với số lượng lớn hơn nhiều, nên không có sự tích tụ heli hoàn toàn. Helium hiện diện trong khí thiên nhiên như một tạp chất nhỏ. Nội dung của nó không vượt quá phần nghìn, phần trăm, hiếm khi - phần mười phần trăm. Hàm lượng heli lớn (1,5...10%) trong các mỏ khí mêtan-nitơ là một hiện tượng cực kỳ hiếm.

Một biểu tượng nguyên tố làm bằng các ống xả khí chứa đầy heli. Helium phát sáng màu hồng đào nhạt khi có dòng điện chạy qua nó.

Khí tự nhiên hóa ra thực tế là nguồn nguyên liệu thô duy nhất để sản xuất helium trong công nghiệp. Để tách khỏi các loại khí khác, người ta sử dụng tính dễ bay hơi đặc biệt của helium liên quan đến nhiệt độ hóa lỏng thấp của nó. Sau khi tất cả các thành phần khác của khí tự nhiên được ngưng tụ bằng cách làm lạnh sâu, khí heli được bơm ra ngoài. Sau đó, nó được tinh chế từ các tạp chất. Độ tinh khiết của heli nhà máy đạt 99,995%.

Trữ lượng heli trên Trái đất ước tính khoảng 5 1014 m3; đánh giá theo các tính toán, nó được hình thành trong vỏ trái đất hơn 2 tỷ năm gấp mười lần. Sự khác biệt giữa lý thuyết và thực tế là điều dễ hiểu. Helium là một loại khí nhẹ và giống như hydro (mặc dù chậm hơn), không thoát ra khỏi bầu khí quyển vào không gian vũ trụ. Có lẽ, trong quá trình tồn tại của Trái đất, helium trên hành tinh của chúng ta đã được cập nhật nhiều lần - cái cũ thoát ra ngoài không gian, và thay vào đó, nó mới - được Trái đất “thở ra” đi vào bầu khí quyển.

Heli trong thạch quyển nhiều hơn ít nhất 200.000 lần so với trong khí quyển; thậm chí nhiều heli tiềm năng hơn được lưu trữ trong "tử cung" của Trái đất - trong các nguyên tố hoạt động alpha. Nhưng tổng hàm lượng của nguyên tố này trong Trái đất và bầu khí quyển là nhỏ. Helium là một loại khí hiếm và khuếch tán. Đối với 1 kg vật chất trên mặt đất, chỉ có 0,003 mg heli và hàm lượng của nó trong không khí là 0,00052 phần trăm thể tích. Nồng độ thấp như vậy chưa cho phép khai thác heli từ không khí một cách kinh tế.

Helium được hình thành từ hydro là kết quả của phản ứng nhiệt hạch. Chính các phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng cho Mặt trời của chúng ta và hàng tỷ ngôi sao khác.

Heli trong vũ trụ

Cơm. 1. Đường cong về sự phong phú của các nguyên tố trên Trái đất (trên cùng) và trong không gian.

Đường cong "vũ trụ" phản ánh vai trò đặc biệt của hydro và heli trong vũ trụ và ý nghĩa đặc biệt của nhóm heli trong cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Những nguyên tố và đồng vị của chúng có số khối chia hết cho 4 có độ phong phú tương đối cao nhất: 16О, 20Ne, 24Mg, v.v.

Có lẽ, tất cả các hành tinh của hệ mặt trời đều chứa helium phóng xạ (được hình thành trong quá trình phân rã alpha) và các hành tinh lớn cũng chứa helium bị loại bỏ từ không gian. Helium được thể hiện rất nhiều trong bầu khí quyển của Sao Mộc: theo một số dữ liệu, nó chiếm 33% ở đó, theo những dữ liệu khác - 17%. Khám phá này đã hình thành nền tảng cho cốt truyện của một trong những câu chuyện của nhà khoa học và nhà văn khoa học viễn tưởng nổi tiếng A. Azimov. Ở trung tâm của câu chuyện là một kế hoạch (có thể khả thi trong tương lai) để cung cấp helium từ Sao Mộc, hoặc thậm chí đến vệ tinh gần nhất của hành tinh này - Sao Mộc V - một đội máy điều khiển học trên cryotron (về chúng - bên dưới). Đắm chìm trong khí heli lỏng của bầu khí quyển Sao Mộc (nhiệt độ cực thấp và tính siêu dẫn là điều kiện cần thiết cho hoạt động của các cryotron), những cỗ máy này sẽ biến Sao Mộc V thành trung tâm đầu não của Hệ Mặt trời ...

Nguồn gốc của heli sao được giải thích vào năm 1938 bởi các nhà vật lý người Đức Bethe và Weizsacker. Sau đó, lý thuyết của họ đã được xác nhận và hoàn thiện bằng thực nghiệm với sự trợ giúp của máy gia tốc hạt. Bản chất của nó là như sau.

Hạt nhân helium được tổng hợp ở nhiệt độ sao từ các proton trong một quá trình nhiệt hạch giải phóng 175 triệu kilowatt giờ năng lượng cho mỗi kg helium.

Các chu kỳ phản ứng khác nhau có thể dẫn đến sự hợp nhất của helium.

Trong điều kiện của những ngôi sao không quá nóng, chẳng hạn như Mặt trời của chúng ta, chu kỳ proton-proton dường như chiếm ưu thế. Nó bao gồm ba biến đổi liên tiếp. Đầu tiên, hai proton kết hợp với tốc độ lớn để tạo thành deuteron - một cấu trúc gồm một proton và một neutron; trong trường hợp này, một positron và một neutrino được tách ra. Hơn nữa, deuteron được kết hợp với một proton để tạo thành helium nhẹ với sự phát ra một lượng tử gamma. Cuối cùng, hai hạt nhân 3He phản ứng, biến đổi thành một hạt alpha và hai proton. Một hạt alpha, sau khi nhận được hai electron, sẽ trở thành một nguyên tử helium.

Kết quả cuối cùng tương tự cho chu trình carbon-nitơ nhanh hơn, tầm quan trọng của chu trình này không lớn lắm trong điều kiện Mặt trời, nhưng trên các ngôi sao nóng hơn Mặt trời, vai trò của chu trình này được tăng cường. Nó bao gồm sáu bước - phản ứng. Carbon ở đây đóng vai trò là chất xúc tác cho quá trình tổng hợp proton. Năng lượng giải phóng trong các quá trình biến đổi này giống như trong chu trình proton-proton - 26,7 MeV trên mỗi nguyên tử helium.

Phản ứng tổng hợp heli là cơ sở hoạt động năng lượng của các ngôi sao, sự phát sáng của chúng. Do đó, sự tổng hợp helium có thể được coi là tiền thân của mọi phản ứng trong tự nhiên, là nguyên nhân gốc rễ của sự sống, ánh sáng, nhiệt và các hiện tượng khí tượng trên Trái đất.

Helium không phải lúc nào cũng là sản phẩm cuối cùng của phản ứng tổng hợp sao. Theo lý thuyết của giáo sư D.A. Frank-Kamenetsky, phản ứng tổng hợp liên tiếp của các hạt nhân helium tạo ra 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg và việc các hạt nhân này bắt proton dẫn đến sự hình thành các hạt nhân khác. Để tổng hợp hạt nhân của các nguyên tố nặng cho đến siêu uranium, cần có nhiệt độ siêu cao đặc biệt, nhiệt độ này phát triển trên các ngôi sao "mới" và "siêu tân tinh" không ổn định.

Nhà hóa học Liên Xô nổi tiếng A.F. Kapustinsky gọi là nguyên tố hydro và helium - nguyên tố của vật chất chính. Không phải tính ưu việt này giải thích vị trí đặc biệt của hydro và heli trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, đặc biệt là thực tế là chu kỳ đầu tiên về cơ bản không có đặc điểm tuần hoàn của các chu kỳ khác?

Cấu trúc nguyên tử của heli

Tốt nhất...

Nguyên tử helium (hay còn gọi là phân tử) là cấu trúc phân tử mạnh nhất. Quỹ đạo của hai electron của nó hoàn toàn giống nhau và đi qua rất gần hạt nhân. Để làm lộ hạt nhân helium, bạn cần tiêu tốn một năng lượng cao kỷ lục - 78,61 MeV. Do đó, hiện tượng thụ động hóa học của helium.

Trong 15 năm qua, các nhà hóa học đã thu được hơn 150 hợp chất hóa học của khí hiếm nặng (các hợp chất của khí hiếm nặng sẽ được thảo luận trong các bài viết "Krypton" và "Xenon"). Tuy nhiên, tính trơ của helium vẫn như trước đây, không còn nghi ngờ gì nữa.

Các tính toán cho thấy rằng nếu một cách được tìm ra để thu được florua hoặc heli oxit, thì trong quá trình hình thành, chúng sẽ hấp thụ nhiều năng lượng đến mức các phân tử tạo thành sẽ bị “nổ tung” bởi năng lượng này từ bên trong.

Các phân tử helium không phân cực. Lực tương tác giữa các phân tử giữa chúng cực kỳ nhỏ - ít hơn bất kỳ chất nào khác. Do đó - các giá trị thấp nhất của đại lượng tới hạn, điểm sôi thấp nhất, nhiệt độ bay hơi và nóng chảy thấp nhất. Đối với điểm nóng chảy của heli, ở áp suất bình thường, nó hoàn toàn không tồn tại. Heli lỏng ở nhiệt độ tùy ý gần với độ không tuyệt đối không đông đặc nếu ngoài nhiệt độ, nó còn chịu áp suất từ 25 atm trở lên. Không có chất nào khác như vậy trong tự nhiên.

Cũng không có khí nào khác hòa tan không đáng kể trong chất lỏng, đặc biệt là chất lỏng phân cực, và rất ít bị hấp phụ, như helium. Nó là chất dẫn điện tốt nhất trong số các chất khí và thứ hai, sau hydro, chất dẫn nhiệt. Công suất nhiệt của nó rất cao và độ nhớt của nó thấp.

Helium thâm nhập nhanh một cách đáng kinh ngạc qua các vách ngăn mỏng làm bằng một số polyme hữu cơ, sứ, thạch anh và thủy tinh borosilicate. Thật kỳ lạ, helium khuếch tán qua thủy tinh mềm chậm hơn 100 lần so với thủy tinh borosilicate. Heli cũng có thể xuyên qua nhiều kim loại. Chỉ có sắt và kim loại của nhóm bạch kim, ngay cả những kim loại nóng, là hoàn toàn không thể xuyên thủng nó.

Một phương pháp mới để chiết xuất helium tinh khiết từ khí tự nhiên dựa trên nguyên tắc thấm chọn lọc.

Các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến helium lỏng. Thứ nhất, nó là chất lỏng lạnh nhất, hơn nữa, không một chất nào hòa tan đáng kể. Thứ hai, nó là chất lỏng nhẹ nhất có sức căng bề mặt nhỏ nhất.

Ở nhiệt độ 2,172°K, có sự thay đổi đột ngột về tính chất của heli lỏng. Các loài thu được thường được đặt tên là helium II. Helium II sôi hoàn toàn khác với các chất lỏng khác, nó không sôi khi sôi, bề mặt của nó hoàn toàn tĩnh lặng. Heli II dẫn nhiệt tốt hơn 300 triệu lần so với heli lỏng thông thường (heli I). Độ nhớt của helium II thực tế bằng không, nó nhỏ hơn một nghìn lần so với độ nhớt của hydro lỏng. Do đó, helium II có tính siêu lỏng - khả năng chảy không ma sát qua các mao quản có đường kính nhỏ tùy ý.

Một đồng vị ổn định khác của helium, 3He, chuyển sang trạng thái siêu lỏng ở nhiệt độ chỉ cách viên đạn tuyệt đối một phần trăm độ. Helium-4 và helium-3 siêu lỏng được gọi là chất lỏng lượng tử: các hiệu ứng cơ học lượng tử xuất hiện trong chúng ngay cả trước khi chúng hóa rắn. Điều này giải thích nghiên cứu rất chi tiết về helium lỏng. Và bây giờ họ sản xuất rất nhiều - hàng trăm nghìn lít mỗi năm. Nhưng helium rắn hầu như không được nghiên cứu: những khó khăn thực nghiệm trong việc nghiên cứu thiên thể rất lạnh này là rất lớn. Không còn nghi ngờ gì nữa, khoảng trống này sẽ được lấp đầy, vì các nhà vật lý mong đợi rất nhiều điều mới từ kiến thức về các tính chất của helium rắn: xét cho cùng, nó cũng là một cơ thể lượng tử.

bình khí heli

Trơ nhưng rất cần thiết

Vào cuối thế kỷ trước, tạp chí Punch của Anh đã xuất bản một bộ phim hoạt hình trong đó helium được miêu tả là một người đàn ông nháy mắt gian xảo - cư dân của Mặt trời. Dòng chữ bên dưới bức ảnh có nội dung: “Cuối cùng, họ đã bắt được tôi trên Trái đất! Đã đủ lâu rồi! Tôi tự hỏi sẽ mất bao lâu trước khi họ biết phải làm gì với tôi?”

Thật vậy, 34 năm đã trôi qua kể từ khi phát hiện ra helium trên mặt đất (báo cáo đầu tiên về điều này được công bố vào năm 1881) trước khi nó được ứng dụng thực tế. Một vai trò nhất định ở đây được thực hiện bởi các tính chất vật lý, kỹ thuật, điện và ở mức độ thấp hơn ban đầu của helium, đòi hỏi một nghiên cứu lâu dài. Những trở ngại chính là sự đãng trí và chi phí cao của yếu tố số 2.

Người Đức là những người đầu tiên sử dụng khí heli. Năm 1915, họ bắt đầu lấp đầy khí cầu ném bom London bằng khí cầu. Chẳng mấy chốc, helium nhẹ nhưng không bắt lửa đã trở thành chất độn không thể thiếu cho các phương tiện hàng không. Sự suy giảm của ngành công nghiệp khí cầu, bắt đầu từ giữa những năm 1930, dẫn đến sản lượng heli giảm nhẹ, nhưng chỉ trong một thời gian ngắn. Loại khí này ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà hóa học, luyện kim và chế tạo máy.

Nhiều quy trình công nghệ và hoạt động không thể được thực hiện trong không khí. Để tránh sự tương tác của chất thu được (hoặc nguyên liệu) với khí không khí, môi trường bảo vệ đặc biệt được tạo ra; và không có loại khí nào thích hợp hơn cho những mục đích này hơn là khí heli.

bình khí heli

Trơ, nhẹ, di động, dẫn nhiệt tốt, heli là công cụ lý tưởng để chuyển các chất lỏng và bột dễ cháy từ thùng này sang thùng khác; chính xác là những chức năng này mà nó thực hiện trong tên lửa và tên lửa dẫn đường. Trong môi trường bảo vệ heli, diễn ra các giai đoạn riêng biệt để thu được nhiên liệu hạt nhân. Các thành phần nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân được lưu trữ và vận chuyển trong các thùng chứa đầy heli.

Với sự trợ giúp của các thiết bị phát hiện rò rỉ đặc biệt, hoạt động dựa trên khả năng khuếch tán đặc biệt của helium, chúng phát hiện ra khả năng rò rỉ nhỏ nhất trong các lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống khác dưới áp suất hoặc chân không.

Những năm gần đây được đánh dấu bằng sự gia tăng mới trong việc chế tạo khí cầu, hiện nay trên cơ sở khoa học và kỹ thuật cao hơn. Ở một số nước đã và đang chế tạo khí cầu bơm khí heli có sức chở từ 100 đến 3000 tấn, kinh tế, đáng tin cậy, thuận tiện cho việc vận chuyển hàng hóa cồng kềnh như đường ống dẫn khí, nhà máy lọc dầu, tháp truyền tải điện. , vân vân. Đổ đầy 85% heli và 15% hydro có khả năng chống cháy và chỉ giảm lực nâng 7% so với đổ đầy hydro.

Các lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao thuộc loại mới bắt đầu hoạt động, trong đó helium đóng vai trò là chất làm mát.

Heli lỏng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và kỹ thuật. Nhiệt độ cực thấp hỗ trợ kiến thức chuyên sâu về vật chất và cấu trúc của nó - ở nhiệt độ cao hơn, các chi tiết nhỏ của quang phổ năng lượng bị che khuất bởi chuyển động nhiệt của các nguyên tử.

Hiện đã có các solenoid siêu dẫn làm bằng hợp kim đặc biệt tạo ra từ trường mạnh (lên đến 300.000 oersted) ở nhiệt độ của helium lỏng với mức tiêu hao năng lượng không đáng kể.

Ở nhiệt độ của heli lỏng, nhiều kim loại và hợp kim trở thành chất siêu dẫn. Rơle siêu dẫn - cryotron ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế máy tính điện tử. Chúng đơn giản, đáng tin cậy, rất nhỏ gọn. Chất siêu dẫn, và cùng với chúng là helium lỏng, trở nên cần thiết cho thiết bị điện tử. Chúng được đưa vào thiết kế máy dò bức xạ hồng ngoại, bộ khuếch đại phân tử (maser), máy tạo lượng tử quang học (laser) và thiết bị đo tần số vi sóng.

Tất nhiên, những ví dụ này không nói hết vai trò của helium trong công nghệ hiện đại. Nhưng nếu không phải vì nguồn tài nguyên thiên nhiên hạn chế, không phải vì sự phân tán cực độ của heli, thì ông đã tìm ra nhiều ứng dụng hơn nữa. Được biết, ví dụ, khi được bảo quản trong môi trường khí heli, các sản phẩm thực phẩm vẫn giữ được hương vị và mùi thơm ban đầu. Nhưng thực phẩm đóng hộp “heli” vẫn là một “thứ tự thân”, bởi vì heli không đủ và nó chỉ được sử dụng trong những ngành công nghiệp quan trọng nhất và ở những nơi không thể thiếu. Do đó, đặc biệt xúc phạm khi nhận ra rằng với khí tự nhiên dễ cháy, lượng helium đi qua các thiết bị tổng hợp hóa học, lò nung và lò nung và đi vào khí quyển lớn hơn nhiều so với lượng được chiết xuất từ các nguồn chứa heli.

Bây giờ, việc tách helium chỉ được coi là thuận lợi trong trường hợp hàm lượng của nó trong khí tự nhiên không dưới 0,05%. Trữ lượng khí như vậy đang giảm dần và có thể chúng sẽ cạn kiệt trước khi kết thúc thế kỷ của chúng ta. Tuy nhiên, vấn đề “thiếu helium” có thể sẽ được giải quyết vào thời điểm này - một phần là do việc tạo ra các phương pháp mới, tiên tiến hơn để tách khí, chiết xuất các phần có giá trị nhất, mặc dù không đáng kể từ chúng, và một phần là do phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát . Helium sẽ là một sản phẩm quan trọng, mặc dù là sản phẩm phụ, của "mặt trời nhân tạo".

ống heli

Đồng vị của heli

Trong tự nhiên, có hai đồng vị ổn định của heli: heli-3 và heli-4. Đồng vị nhẹ ít phổ biến hơn một triệu lần trên Trái đất so với đồng vị nặng. Nó là đồng vị hiếm nhất trong số các đồng vị ổn định tồn tại trên hành tinh của chúng ta. Ba đồng vị helium khác đã được nhân tạo thu được. Tất cả chúng đều có tính phóng xạ. Chu kỳ bán rã của heli-5 là 2,4 10-21 giây, heli-6 là 0,83 giây, heli-8 là 0,18 giây. Đồng vị nặng nhất, thú vị ở chỗ có ba neutron trên mỗi proton trong hạt nhân của nó, lần đầu tiên được phát hiện ở Dubna vào những năm 60. Các nỗ lực thu được helium-10 cho đến nay đều không thành công.

Khí rắn cuối cùng

Helium là loại khí cuối cùng được chuyển đổi thành trạng thái lỏng và rắn. Những khó khăn đặc biệt của việc hóa lỏng và hóa rắn helium được giải thích bằng cấu trúc nguyên tử và một số đặc điểm về tính chất vật lý của nó. Đặc biệt, helium, giống như hydro, ở nhiệt độ trên -250°C, nở ra, không nguội đi mà nóng lên. Mặt khác, nhiệt độ tới hạn của helium là cực kỳ thấp. Đó là lý do tại sao helium lỏng lần đầu tiên chỉ thu được vào năm 1908 và rắn - vào năm 1926.

khí heli

Không khí trong đó tất cả hoặc hầu hết nitơ của nó đã được thay thế bằng helium không còn là điều mới lạ ngày nay. Nó được sử dụng rộng rãi trên đất liền, dưới lòng đất và dưới nước.

Không khí helium nhẹ hơn ba lần và linh động hơn nhiều so với không khí thông thường. Nó hoạt động tích cực hơn trong phổi - nó nhanh chóng mang oxy vào và nhanh chóng loại bỏ carbon dioxide. Đó là lý do tại sao khí heli được cung cấp cho bệnh nhân bị rối loạn hô hấp và một số ca phẫu thuật. Nó làm giảm nghẹt thở, điều trị hen phế quản và các bệnh về thanh quản.

Hít thở không khí helium thực tế giúp loại bỏ thuyên tắc nitơ (bệnh caisson), mà các thợ lặn và chuyên gia của các ngành nghề khác, những người làm công việc diễn ra trong điều kiện áp suất cao, dễ mắc phải trong quá trình chuyển đổi từ áp suất cao sang bình thường. Nguyên nhân của căn bệnh này khá đáng kể, đặc biệt là ở người cao huyết áp, khả năng hòa tan nitơ trong máu cao. Khi áp suất giảm, nó được giải phóng dưới dạng bong bóng khí có thể làm tắc nghẽn mạch máu, tổn thương các hạch thần kinh ... Không giống như nitơ, helium thực tế không hòa tan trong chất lỏng cơ thể nên không thể gây ra bệnh giảm áp suất. Ngoài ra, khí helium giúp loại bỏ sự xuất hiện của "gây mê nitơ", bề ngoài tương tự như say rượu.

Sớm hay muộn, loài người sẽ phải học cách sống và làm việc lâu dài dưới đáy biển để tận dụng một cách nghiêm túc nguồn tài nguyên khoáng sản và thực phẩm của thềm lục địa. Và ở độ sâu lớn, như các thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Liên Xô, Pháp và Mỹ đã chỉ ra, không khí heli vẫn không thể thiếu. Các nhà sinh học đã chứng minh rằng việc hít thở kéo dài bằng khí heli không gây ra những thay đổi tiêu cực trong cơ thể con người và không đe dọa những thay đổi trong bộ máy di truyền: khí heli không ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào và tần suất đột biến. Có những tác phẩm mà các tác giả coi khí heli là môi trường không khí tối ưu cho tàu vũ trụ thực hiện các chuyến bay dài ngày vào Vũ trụ. Nhưng cho đến nay, khí heli nhân tạo vẫn chưa bay lên ngoài bầu khí quyển trái đất.

Tiểu hành tinh (895) Helio, được phát hiện vào năm 1918, được đặt tên theo helium.

heli(He) là một khí trơ, là nguyên tố thứ hai trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, đồng thời là nguyên tố thứ hai xét về độ nhẹ và phổ biến trong Vũ trụ. Nó thuộc về các chất đơn giản và ở điều kiện tiêu chuẩn (Nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn) là một chất khí đơn chất.

heli không có mùi vị, màu sắc, mùi và không chứa độc tố.

Trong số tất cả các chất đơn giản, heli có nhiệt độ sôi thấp nhất (T = 4,216 K). Ở áp suất khí quyển, không thể thu được heli rắn, ngay cả ở nhiệt độ gần bằng độ không tuyệt đối - để chuyển sang dạng rắn, heli cần áp suất trên 25 atm. Có rất ít hợp chất hóa học của helium và tất cả chúng đều không ổn định trong điều kiện tiêu chuẩn.
Heli tự nhiên bao gồm hai đồng vị ổn định, He và 4He. Đồng vị “He” rất hiếm (độ phong phú đồng vị 0,00014%) với 99,99986% đối với đồng vị 4He. Ngoài tự nhiên, 6 đồng vị phóng xạ nhân tạo của helium cũng được biết đến.
Sự xuất hiện của hầu hết mọi thứ trong Vũ trụ, helium, là quá trình tổng hợp hạt nhân chính diễn ra trong những phút đầu tiên sau Vụ nổ lớn.
Hiện nay, gần như tất cả khí heli Nó được hình thành từ hydro là kết quả của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra bên trong các ngôi sao. Trên hành tinh của chúng ta, heli được hình thành trong quá trình phân rã alpha của các nguyên tố nặng. Phần helium có thể thấm qua lớp vỏ Trái đất này trở thành một phần của khí tự nhiên và có thể chiếm tới 7% thành phần của nó. Những gì để làm nổi bật khí heli từ khí tự nhiên, chưng cất phân đoạn được sử dụng - quá trình tách các nguyên tố ở nhiệt độ thấp.

Lịch sử phát hiện ra heli

Vào ngày 18 tháng 8 năm 1868, nhật thực toàn phần đã được dự kiến. Các nhà thiên văn học trên khắp thế giới đã tích cực chuẩn bị cho ngày này. Họ hy vọng giải được bí ẩn về các điểm lồi - các hình chiếu sáng có thể nhìn thấy vào thời điểm nhật thực toàn phần dọc theo các cạnh của đĩa mặt trời. Một số nhà thiên văn học tin rằng các điểm nổi bật là những ngọn núi cao trên mặt trăng, vào thời điểm nhật thực toàn phần, được chiếu sáng bởi các tia Mặt trời; những người khác nghĩ rằng các điểm nổi bật là những ngọn núi trên Mặt trời; vẫn còn những người khác nhìn thấy những đám mây bốc lửa của bầu khí quyển mặt trời trong các hình chiếu của mặt trời. Phần lớn tin rằng các điểm nổi bật không gì khác hơn là một ảo ảnh quang học.

Chỉ sau nhật thực toàn phần ngày 18 tháng 7 năm 1860, được quan sát thấy ở Tây Ban Nha, khi nhiều nhà thiên văn học tận mắt nhìn thấy các hình chiếu của mặt trời, Secchi người Ý và Dellar người Pháp không chỉ phác thảo mà còn chụp ảnh chúng, không ai đã có bất kỳ nghi ngờ về sự tồn tại của điểm nổi bật.

Năm 1895, nhà hóa học Luân Đôn Henry Myers đã thu hút sự chú ý của William Ramsay, nhà hóa học vật lý nổi tiếng người Anh, về bài báo đã bị lãng quên của nhà địa chất học Hildebrand. Trong bài báo này, Hildebrand lập luận rằng một số khoáng chất hiếm khi được nung nóng trong axit sunfuric sẽ phát ra một loại khí không cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy. Trong số những khoáng chất quý hiếm này có kleveite, được tìm thấy ở Na Uy bởi Nordenskiöld, nhà thám hiểm nổi tiếng người Thụy Điển về các vùng cực.

Crookes điều tra khí. Kết quả nghiên cứu đã xác nhận khám phá của Ramsay. Do đó, vào ngày 23 tháng 3 năm 1895, một chất đã được tìm thấy trên Mặt trời 27 năm trước đó đã được phát hiện trên Trái đất. Cùng ngày, Ramsay công bố phát hiện của mình, gửi một thông điệp tới Hội Hoàng gia Luân Đôn và một thông điệp khác tới nhà hóa học nổi tiếng người Pháp, Viện sĩ Berthelot. Trong một bức thư gửi Berthelot, Ramsay yêu cầu thông báo cho cuộc họp khoa học của các giáo sư của Học viện Paris về khám phá của mình.

Lần thứ ba, helium được phát hiện trong không khí, nơi mà theo Ramsay, lẽ ra nó phải đến từ các khoáng chất quý hiếm (kleveite, v.v.) trong quá trình hủy diệt và biến đổi hóa học trên Trái đất.

Một lượng nhỏ heli cũng được tìm thấy trong nước của một số suối khoáng. Vì vậy, chẳng hạn, nó đã được Ramsay tìm thấy ở suối chữa bệnh Cotret ở dãy núi Pyrenees, nhà vật lý người Anh John William Rayleigh đã tìm thấy nó trong vùng nước suối ở khu nghỉ mát nổi tiếng Bath, nhà vật lý người Đức Kaiser đã phát hiện ra helium trong suối phun ra những ngọn núi của Rừng Đen. Tuy nhiên, hầu hết tất cả heli được tìm thấy trong một số khoáng chất. Nó được tìm thấy trong samarskite, fergusonite, columbite, monazite và uranit. Khoáng chất thorianite từ đảo Ceylon chứa một lượng helium đặc biệt lớn. Một kg thorianite, khi nung nóng đỏ, giải phóng 10 lít helium.

Người ta đã sớm xác định rằng helium chỉ được tìm thấy trong những khoáng chất có chứa uranium và thorium phóng xạ. Các tia alpha do một số nguyên tố phóng xạ phát ra không gì khác hơn là hạt nhân của nguyên tử helium.

Từ lịch sử...

Các đặc tính khác thường của nó giúp helium có thể được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau. Đầu tiên, hoàn toàn hợp lý, dựa trên sự nhẹ nhàng của nó, là việc sử dụng bóng bay và khí cầu. Hơn nữa, không giống như hydro, nó không gây nổ. Tính chất này của helium đã được người Đức sử dụng trong Chiến tranh thế giới thứ nhất trên khí cầu chiến đấu. Nhược điểm của việc sử dụng nó là khí cầu chứa đầy khí heli sẽ không bay cao như khí cầu hydro.

Để bắn phá các thành phố lớn, chủ yếu là thủ đô của Anh và Pháp, bộ chỉ huy Đức trong Thế chiến thứ nhất đã sử dụng khí cầu (zeppelins). Hydrogen đã được sử dụng để lấp đầy chúng. Do đó, cuộc chiến chống lại chúng tương đối đơn giản: một quả đạn gây cháy rơi vào vỏ khinh khí cầu đã đốt cháy hydro, chất này ngay lập tức bùng lên và thiết bị bị đốt cháy. Trong số 123 khí cầu được chế tạo ở Đức trong Thế chiến thứ nhất, 40 chiếc bị cháy do đạn gây cháy. Nhưng một ngày nọ, bộ tổng tham mưu quân đội Anh ngạc nhiên trước một thông điệp có tầm quan trọng đặc biệt. Các cú đánh trực tiếp của đạn gây cháy vào khí cầu Đức không mang lại kết quả. Phi thuyền không bùng cháy, mà từ từ chảy ra một loại khí không rõ nào đó, bay trở lại.

Các chuyên gia quân sự đã bối rối và mặc dù đã thảo luận khẩn cấp và chi tiết về vấn đề không bắt lửa của zeppelin từ các loại đạn gây cháy, nhưng họ không thể tìm ra lời giải thích cần thiết. Câu đố đã được giải bởi nhà hóa học người Anh Richard Threlfall. Trong một bức thư gửi Bộ Hải quân Anh, ông viết: "... Tôi tin rằng người Đức đã phát minh ra một cách nào đó để chiết xuất helium với số lượng lớn, và lần này họ lấp đầy vỏ khí cầu của mình không phải bằng hydro như thường lệ mà bằng helium ..."

Tuy nhiên, tính thuyết phục trong các lập luận của Threlfall đã giảm đi do thực tế là không có nguồn helium đáng kể nào ở Đức. Đúng là helium có trong không khí, nhưng ở đó không đủ: một mét khối không khí chỉ chứa 5 cm khối helium. Máy làm lạnh của hệ thống Linde, chuyển đổi vài trăm mét khối không khí thành chất lỏng trong một giờ, có thể tạo ra không quá 3 lít heli trong thời gian này.

3 lít khí heli mỗi giờ! Và để lấp đầy khí cầu, bạn cần 5÷6 nghìn mét khối. m.Để có được lượng heli như vậy, một cỗ máy Linde phải hoạt động không ngừng trong khoảng hai trăm năm, hai trăm cỗ máy như vậy sẽ cho lượng heli cần thiết trong một năm. Việc xây dựng 200 nhà máy chuyển đổi không khí thành chất lỏng để sản xuất heli là rất không có lợi về mặt kinh tế và thực tế là vô nghĩa.

Các nhà hóa học người Đức lấy helium từ đâu?

Sự cố với khí cầu chống cháy là động lực cho một cuộc tìm kiếm helium mới. Các nhà hóa học, vật lý học, nhà địa chất bắt đầu ráo riết tìm kiếm helium. Nó đã đột nhiên trở nên có giá trị lớn. Năm 1916, 1 mét khối heli có giá 200.000 rúp vàng, tức là 200 rúp mỗi lít. Nếu chúng ta tính đến việc một lít helium nặng 0,18 g, thì 1 g của nó có giá hơn 1000 rúp.

Khí heli được chiết xuất một cách khó khăn như vậy chỉ được người Mỹ sử dụng vào năm 1923 để lấp đầy khí cầu Shenandoah hiện đang yên bình. Đây là con tàu chở khách hàng không đầu tiên và duy nhất trên thế giới chứa đầy khí heli. Tuy nhiên, "cuộc sống" của anh ấy chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn. Hai năm sau khi sinh, Shenandoah bị một cơn bão tàn phá. 55 nghìn mét khối m, gần như toàn bộ nguồn cung cấp helium trên thế giới, đã được thu thập trong sáu năm, đã tan biến không một dấu vết trong bầu khí quyển trong một cơn bão chỉ kéo dài 30 phút.

ứng dụng heli

Heli trong tự nhiên

Chủ yếu là trên cạn khí heliđược hình thành trong quá trình phân rã phóng xạ của uranium-238, uranium-235, thorium và các sản phẩm không ổn định của sự phân rã của chúng. Lượng helium nhỏ hơn rất nhiều được tạo ra từ sự phân rã chậm của samarium-147 và bismuth. Tất cả các nguyên tố này chỉ tạo ra đồng vị nặng của helium - He 4 , nguyên tử của nó có thể được coi là phần còn lại của các hạt alpha, được chôn trong lớp vỏ gồm hai electron ghép đôi - trong một cặp electron. Trong các thời kỳ địa chất ban đầu, có lẽ cũng tồn tại một loạt các nguyên tố phóng xạ tự nhiên khác đã biến mất khỏi bề mặt Trái đất, làm bão hòa hành tinh bằng helium. Một trong số đó là loạt hải vương hiện được tái tạo nhân tạo.

Dựa vào lượng helium bị giữ lại trong đá hoặc khoáng chất, người ta có thể đánh giá tuổi tuyệt đối của chúng. Các phép đo này dựa trên quy luật phân rã phóng xạ: ví dụ, một nửa uranium-238 trong 4,52 tỷ năm biến thành khí heli Và chì.

heli tích lũy dần dần trong vỏ trái đất. Một tấn đá granit, chứa 2 g uranium và 10 g thori, chỉ tạo ra 0,09 mg heli trong một triệu năm - nửa centimet khối. Rất ít khoáng chất giàu uranium và thorium chứa một lượng heli khá lớn - vài centimet khối heli trên mỗi gam. Tuy nhiên, tỷ lệ của các khoáng chất này trong sản xuất helium tự nhiên gần bằng không, vì chúng rất hiếm.

Có rất ít heli trên Trái đất: 1 m 3 không khí chỉ chứa 5,24 cm 3 heli và mỗi kg vật chất trên mặt đất chứa 0,003 mg heli. Nhưng xét về mức độ phổ biến trong Vũ trụ, helium đứng thứ hai sau hydro: heli chiếm khoảng 23% khối lượng vũ trụ. Khoảng một nửa tổng số helium tập trung ở lớp vỏ trái đất, chủ yếu ở lớp vỏ đá granit, nơi tích lũy nguồn dự trữ chính của các nguyên tố phóng xạ. Hàm lượng heli trong vỏ trái đất nhỏ - 3 x 10 -7% tính theo trọng lượng. Heli tích tụ trong khí tự do tích tụ trong ruột và trong dầu; các khoản tiền gửi như vậy đạt đến quy mô công nghiệp. Nồng độ tối đa của heli (10-13%) được tìm thấy trong các tích tụ khí tự do và khí của các mỏ uranium và (20-25%) trong các khí tự phát từ nước ngầm. Đá trầm tích chứa khí có tuổi càng cao và hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong chúng càng cao thì càng có nhiều heli trong thành phần của khí tự nhiên.

khai thác heli

Sản xuất heli ở quy mô công nghiệp được thực hiện từ khí tự nhiên và khí dầu mỏ có cả thành phần hydrocacbon và nitơ. Theo chất lượng của nguyên liệu thô, tiền gửi heli được chia thành: giàu (hàm lượng He> 0,5% theo thể tích); bình thường (0,10-0,50) và kém< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Trữ lượng heli trên thế giới lên tới 45,6 tỷ mét khối. Các mỏ lớn nằm ở Mỹ (45% tài nguyên thế giới), tiếp theo là Nga (32%), Algeria (7%), Canada (7%) và Trung Quốc (4%).
Hoa Kỳ cũng dẫn đầu về sản xuất helium (140 triệu mét khối mỗi năm), tiếp theo là Algeria (16 triệu).

Nga đứng thứ ba trên thế giới - 6 triệu mét khối mỗi năm. Nhà máy helium ở Orenburg hiện là nguồn sản xuất heli trong nước duy nhất và sản lượng khí đốt đang giảm dần. Về vấn đề này, các mỏ khí đốt ở Đông Siberia và Viễn Đông với nồng độ helium cao (lên tới 0,6%) có tầm quan trọng đặc biệt. Một trong những hứa hẹn nhất là Kovykta ha lĩnh vực zocondensate nằm ở phía bắc của vùng Irkutsk. Theo các chuyên gia, nó chứa khoảng 25% của thế giới dự trữ heli x.

Tên chỉ số	Heli (loại A) (theo TU 51-940-80)	Heli (loại B) (theo TU 51-940-80)	Heli độ tinh khiết cao, cấp 5.5 (theo TU 0271-001-45905715-02)	Heli độ tinh khiết cao, nhãn hiệu 6.0 (theo TU 0271-001-45905715-02)
Heli, không ít hơn
Nitơ, không còn nữa
Oxy + argon
Neon, không còn nữa
Hơi nước, không còn nữa
Hydrocacbon, không còn nữa
CO2 + CO, không còn nữa
Hydro, không còn nữa

Sự an toàn

– Heli không độc hại, không cháy, không nổ
- Heli được phép sử dụng ở bất kỳ nơi đông người nào: tại các buổi hòa nhạc, khuyến mãi, sân vận động, cửa hàng.
– Khí heli trơ về mặt sinh lý và không gây nguy hiểm cho con người.
– Heli cũng không gây nguy hiểm cho môi trường nên không cần trung hòa, tận dụng và loại bỏ cặn của nó trong bình.
– Helium nhẹ hơn nhiều so với không khí và tan biến ở các tầng trên của bầu khí quyển Trái đất.

Heli (loại A và B theo TU 51-940-80)
Tên kỹ thuật	khí heli
Công thức hóa học
số liên hiệp quốc
Lớp nguy hiểm vận chuyển
Tính chất vật lý
Tình trạng thể chất	Ở điều kiện thường - khí
Tỷ trọng, kg/m³	Trong điều kiện bình thường (101,3 kPa, 20 C), 1627
Điểm sôi, C ở 101,3 kPa
Nhiệt độ của điểm thứ 3 và áp suất cân bằng của nó C, (MPa)
độ hòa tan trong nước	diễn viên phụ
Nguy cơ cháy nổ	chống cháy nổ
Tính ổn định và khả năng phản ứng
Sự ổn định	ổn định
khả năng phản ứng	khí trơ
Nguy hiểm của con người
tác dụng độc hại	không độc hại
hiểm họa môi trường	Không có tác động có hại đến môi trường
quỹ	Bất kỳ phương tiện được áp dụng.

Lưu trữ và vận chuyển heli

Khí heli có thể được vận chuyển bằng tất cả các phương thức vận tải theo các quy tắc vận chuyển hàng hóa trên một phương thức vận tải cụ thể. Vận chuyển được thực hiện trong các xi lanh thép nâu đặc biệt và thùng chứa khí heli. Heli lỏng được vận chuyển trong các tàu vận chuyển như STG-40, STG-10 và STG-25 với thể tích 40, 10 và 25 lít.

Quy tắc vận chuyển bình chứa khí kỹ thuật

Vận chuyển hàng nguy hiểm ở Liên bang Nga được quy định bởi các tài liệu sau:

1. "Quy tắc vận chuyển hàng nguy hiểm bằng đường bộ" (được sửa đổi theo Lệnh của Bộ Giao thông Vận tải Liên bang Nga ngày 11 tháng 6 năm 1999 Số 37 ngày 14 tháng 10 năm 1999 Số 77; đã đăng ký với Bộ của Tư pháp Liên bang Nga ngày 18 tháng 12 năm 1995, đăng ký số 997).

2. “Hiệp định châu Âu về vận chuyển quốc tế hàng hóa nguy hiểm bằng đường bộ” (ADR) mà Nga chính thức tham gia ngày 28/4/1994 (Nghị định của Chính phủ Liên bang Nga ngày 02/03/1994 số 76).

3. "Quy tắc đường bộ" (SDA 2006), cụ thể là điều 23.5, quy định rằng "Việc vận chuyển ... hàng nguy hiểm ... được thực hiện theo các quy tắc đặc biệt."

4. "Bộ luật của Liên bang Nga về vi phạm hành chính", điều 12.21 phần 2 quy định trách nhiệm đối với hành vi vi phạm các quy tắc vận chuyển hàng nguy hiểm dưới hình thức "phạt hành chính đối với người lái xe với số tiền từ một đến gấp ba lần mức lương tối thiểu hoặc tước quyền điều khiển phương tiện giao thông trong thời hạn từ một đến ba tháng, đối với cán bộ làm công tác vận tải - từ mười đến hai mươi lần mức lương tối thiểu.

Theo đoạn 3 của đoạn 1.2 "Quy tắc không áp dụng cho ... vận chuyển một số lượng hạn chế các chất nguy hiểm trên một phương tiện, việc vận chuyển có thể được coi là vận chuyển hàng hóa không nguy hiểm." Nó cũng làm rõ rằng "Số lượng hạn chế của hàng nguy hiểm được xác định trong các yêu cầu về vận chuyển an toàn một loại hàng nguy hiểm cụ thể. Khi xác định nó, có thể sử dụng các yêu cầu của Hiệp định Châu Âu về Vận chuyển Hàng hóa Nguy hiểm Quốc tế (ADR)". Do đó, vấn đề về lượng chất tối đa có thể được vận chuyển dưới dạng hàng hóa không nguy hiểm được giảm xuống khi nghiên cứu phần 1.1.3 của ADR, quy định miễn trừ các quy tắc của Châu Âu đối với việc vận chuyển hàng hóa nguy hiểm liên quan đến các trường hợp khác nhau.

Vì vậy, ví dụ, theo đoạn 1.1.3.1 "Các quy định của ADR không áp dụng ... đối với việc vận chuyển hàng hóa nguy hiểm của cá nhân khi những hàng hóa này được đóng gói để bán lẻ và nhằm mục đích tiêu dùng cá nhân, sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, giải trí hoặc thể thao, với điều kiện là các biện pháp được thực hiện để ngăn chặn bất kỳ sự rò rỉ nào của nội dung trong điều kiện vận chuyển bình thường."

Tuy nhiên, nhóm các trường hợp miễn trừ được chính thức công nhận bởi các quy tắc vận chuyển hàng nguy hiểm là các trường hợp miễn trừ liên quan đến số lượng được vận chuyển trong một đơn vị vận chuyển (mục 1.1.3.6).

Tất cả các khí được gán cho loại chất thứ hai theo phân loại ADR. Khí không cháy, không độc (nhóm A - trung tính và O - oxy hóa) thuộc loại vận chuyển thứ ba, với giới hạn số lượng tối đa là 1000 đơn vị. Dễ cháy (nhóm F) - đến thứ hai, với giới hạn tối đa là 333 đơn vị. “Đơn vị” ở đây có nghĩa là 1 lít dung tích của bình chứa khí nén, hoặc 1 kg khí hóa lỏng hoặc khí hòa tan. Do đó, lượng khí tối đa có thể được vận chuyển trong một đơn vị vận chuyển dưới dạng hàng hóa không nguy hiểm như sau:

Ruột và bầu khí quyển của hành tinh chúng ta nghèo helium. Nhưng điều này không có nghĩa là nó không đủ ở mọi nơi trong Vũ trụ. Theo ước tính hiện đại, 76% khối lượng vũ trụ rơi vào và 23% rơi vào; chỉ còn lại 1% trên tất cả các yếu tố khác! Do đó, vật chất thế giới có thể được gọi là hydro-helium. Hai nguyên tố này chiếm ưu thế trong các ngôi sao, tinh vân hành tinh và khí giữa các vì sao.

Có lẽ, tất cả các hành tinh của hệ mặt trời đều chứa chất phóng xạ (được hình thành trong quá trình phân rã alpha) và những hành tinh lớn cũng chứa di tích từ không gian. Helium được thể hiện rất nhiều trong bầu khí quyển của Sao Mộc: theo một số dữ liệu, nó chiếm 33% ở đó, theo những dữ liệu khác - 17%. Khám phá này đã hình thành nền tảng cho cốt truyện của một trong những câu chuyện của nhà khoa học và nhà văn khoa học viễn tưởng nổi tiếng A. Azimov. Ở trung tâm của câu chuyện là một kế hoạch (có thể khả thi trong tương lai) để cung cấp helium từ Sao Mộc, cũng như chuyển đến vệ tinh gần nhất của hành tinh này - Sao Mộc V - một đội máy điều khiển học trên cryotropes (thêm về chúng phía dưới). Đã lao vào bầu khí quyển của Sao Mộc (nhiệt độ cực thấp và tính siêu dẫn là điều kiện cần thiết cho hoạt động của cryotron), những cỗ máy này sẽ biến Sao Mộc V thành trung tâm đầu não của hệ mặt trời ...

Hạt nhân helium được tổng hợp ở nhiệt độ sao từ các proton là kết quả của các quá trình nhiệt hạch giải phóng 175 triệu kilowatt giờ năng lượng cho mỗi kg helium.

Các chu kỳ phản ứng khác nhau có thể dẫn đến sự hợp nhất của helium.

Trong điều kiện của những ngôi sao không quá nóng, chẳng hạn như Mặt trời của chúng ta, chu kỳ proton-proton dường như chiếm ưu thế. Nó bao gồm ba biến đổi liên tiếp. Đầu tiên, hai proton kết hợp với tốc độ lớn để tạo thành deuteron - một cấu trúc gồm một proton và một neutron; trong trường hợp này, một positron và một neutrino được tách ra. Hơn nữa, deuteron được kết hợp với một proton để tạo thành helium nhẹ với sự phát xạ lượng tử gamma. Cuối cùng, hai hạt nhân 3He phản ứng, biến đổi thành một hạt alpha và hai proton. Một hạt alpha, sau khi nhận được hai electron, sẽ trở thành một nguyên tử helium.

Helium không phải lúc nào cũng là sản phẩm cuối cùng của phản ứng tổng hợp sao. Theo lý thuyết của Giáo sư D. A. Frank-Kamenetsky, với sự hợp nhất liên tiếp của các hạt nhân helium, 8Be, 12C, 160, 20Ne, 24Mg được hình thành và việc các hạt nhân này bắt proton dẫn đến sự xuất hiện của các hạt nhân khác. Để tổng hợp hạt nhân của các nguyên tố nặng cho đến siêu uranium, cần có nhiệt độ siêu cao đặc biệt, nhiệt độ này phát triển trên các ngôi sao "mới" và "siêu tân tinh" không ổn định. Nhà hóa học Liên Xô nổi tiếng A.F. Kapustinsky còn gọi nguyên tố helium là nguyên tố của vật chất sơ cấp. Không phải tính ưu việt này giải thích vị trí đặc biệt của hydro và heli trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, đặc biệt là thực tế là chu kỳ đầu tiên về cơ bản không có đặc điểm tuần hoàn của các chu kỳ khác?

Bạn đang đọc bài viết Heli trong vũ trụ