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Hélio

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Hélio
2 Ele
-

Ele

Ne
hidrogênio ← → hélio e lítio
Aparência
gás incolor, que exibem um brilho vermelho-alaranjado quando colocado num campo eléctrico de alta tensão


Linhas espectrais de hélio
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número hélio, He, 2
Pronúncia / h Eu l Eu ə m / HEE -lee-əm
Categoria Metallic gases nobres
Grupo, período, bloco 18 (gases nobres) , 1, s
Peso atômico padrão 4.002602 (2)
Configuração eletrônica 1s 2
2
Conchas de elétrons de hélio (2)
História
Descoberta Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
Primeiro isolamento William Ramsay, Per Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Propriedades físicas
Fase gás
Densidade (0 ° C, 101,325 kPa)
0,1786 g / L
Líquido densidade no pf 0,145 g · cm -3
Líquido densidade no pb 0,125 g · cm -3
Ponto de fusão (A 2,5 MPa) 0,95 K , -272,20 ° C, -457,96 ° F
Ponto de ebulição 4,22 K, -268,93 ° C, -452,07 ° F
Ponto crítico 5,19 K, 0,227 MPa
Calor de fusão 0,0138 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização · 0,0829 kJ mol -1
Capacidade calorífica molar 5 R / 2 = 20,786 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor (definido pela STI-90)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
em T (K) 1.23 1.67 2.48 4.21
Propriedades atômicas
Estados de oxidação 0
Eletronegatividade não há dados (escala Pauling)
Energias de ionização 1º: 2372,3 kJ · mol -1
2: 5250,5 kJ · mol -1
O raio de covalência 28 pm
Van der Waals raio 140 pm
Miscelânea
A estrutura de cristal hexagonal repleto de perto
Hélio tem uma estrutura de cristal cheio de perto hexagonal
Ordenamento magnético diamagnetic
Condutividade térmica 0,1513 W · m -1 · K -1
Velocidade do som 972 m · s -1
Número de registo CAS 7440-59-7
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Os isótopos de hélio
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP
3 Ele 0.000137% * 3 Ele é estável com um nêutron
4 Ele 99.999863% * 4 Ele é estável com 2 nêutrons
* Valor atmosférica, abundância pode ser diferente em outros lugares.

O hélio (He) é um líquido incolor, inodoro, insípido, não tóxico, inerte monatomic elemento químico que dirige o gás nobre série na tabela periódica e cujo número atômico é 2. Seus ebulição e fusão pontos são os mais baixos entre os elementos e ele só existe como um gás , exceto em condições extremas. Condições extremas também são necessários para criar o pequeno punhado de hélio compostos , que são instáveis a temperatura padrão e pressão. Na sua forma mais comum, hélio-4, que tem dois neutrões no seu núcleo, enquanto que um segundo mais raro,, isótopo estável chamada hélio-3 contém apenas um nêutron. O comportamento das duas fases do fluido líquido de hélio-4, I hélio e hélio II, é importante para os investigadores que estudam a mecânica quântica (em particular o fenómeno da superfluidez) e para aqueles que procuram os efeitos que temperaturas próximas do zero absoluto tem na matéria (tal como a supercondutividade ).

Em 1868, o astrônomo francês Pierre Janssen detectado pela primeira vez hélio como um desconhecido amarela linha espectral assinatura em luz de um eclipse solar . Desde então grandes reservas de hélio foram encontrados no campos de gás natural do Estados Unidos , que é de longe o maior fornecedor de gás. É utilizado em criogenia, em sistemas de respiração do fundo do mar, para se refrescar ímãs supercondutores, em hélio namoro, para inflar balões, para a prestação de elevador em aeronaves e como gás de protecção para muitos usos industriais (tais como soldagem a arco e crescentes de silício wafers). Um uso muito menos grave é mudar temporariamente o timbre ea qualidade da voz pela inalação de um pequeno volume de do gás (ver secção precauções abaixo).

O hélio é o segundo mais elemento abundante e segundo mais leve no universo conhecido, e é um dos elementos que se acredita ter sido criado no Big Bang . No universo moderno quase todos os novos hélio é criado como resultado da fusão nuclear do hidrogênio em estrelas . Em terra raro é o hélio, e quase todos os do que existe foi criado pela decaimento radioativo de elementos mais pesados ( partículas alfa são núcleos de hélio). Após a sua criação, parte dela foi preso com gás natural em concentrações até 7% em volume, a partir do qual é extraído por comercialmente destilação fraccionada. Grandes reservas de hélio foram encontrados no campos de gás natural dos Estados Unidos (o maior fornecedor), mas hélio é conhecida em reservas de gás de alguns outros países.

Características notáveis

Fases de gás e plasma

O hélio é menos reactiva o elemento de os gases nobres elementos, e assim também o menos reactivo de todos os elementos; é e inerte monoatômico em praticamente todas as condições. Devido à relativamente baixa massa molar do hélio (molecular), em fase gasosa tem um Condutividade térmica, calor específico, e soar velocidade de condução que são todos maiores do que qualquer gás, exceto hidrogênio . Por razões semelhantes, e também devido ao pequeno tamanho das suas moléculas, de hélio taxa de difusão através de sólidos é de três vezes a do ar e em torno de 65% a de hidrogênio.

O hélio é menos água solúveis do que qualquer outro gás conhecido, e de hélio índice de refracção é mais próximo da unidade do que a de qualquer outro gás. O hélio tem um negativo Joule-Thomson coeficiente a temperaturas ambientes normais, o que significa que aquece quando autorizados a expandir-se livremente. Apenas abaixo do seu Joule-Thomson temperatura de inversão (de cerca de 40 K a 1 atmosfera) não esfriar sobre expansão livre. Depois de pré-arrefecido abaixo dessa temperatura, hélio pode ser liquefeito por meio de arrefecimento de expansão.

Tubo de descarga de hélio em forma de símbolo atômico do elemento

Em todo o universo, o hélio é encontrada principalmente em um plasma estado cujas propriedades são bastante diferentes das de hélio atômica. Em um plasma, electrões e protões do hélio não estão ligadas entre si, resultando em muito elevada condutividade eléctrica, mesmo quando o gás é apenas parcialmente ionizado. As partículas carregadas são altamente influenciado por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar, juntamente com hidrogênio ionizado, eles interagem com a da Terra magnetosphere dando origem a Birkeland correntes e o aurora.

Fases sólida e líquida

Hélio solidifica apenas sob grande pressão. O resultante incolor, quase invisível sólido é altamente compressível; aplicando pressão num laboratório pode diminuir o seu volume em mais de 30%. Com um módulo de volume na ordem de 5 x 10 7 Pa é 50 vezes mais compressível do que a água. Diferente de qualquer outro elemento, hélio deixará de solidificar e manter-se um líquido até o zero absoluto em pressões normais. Este é um efeito directo da mecânica quântica: especificamente, a energia do ponto zero do sistema é demasiado elevado para permitir o congelamento. Hélio sólido requer uma temperatura de 1-1,5 K (cerca de -272 ° C ou -457 ° F) e cerca de 25 bar (2,5 MPa) de pressão. Muitas vezes, é difícil distinguir sólida de hélio líquido desde o índice de refracção das duas fases são quase as mesmas. O sólido tem um forte ponto de fusão e tem um cristalino estrutura.

Hélio sólido tem uma densidade de 0,214 ± 0,006 g / ml (1,15 K, 66 atm) com uma compressão isotérmica significativo do sólido em 1,15 K entre o solidus e 66 atm de 0,0031 ± 0,0008 / atm. Além disso, não houve diferença na densidade foi observado projectos entre 1,8 e 1,5 K K. Estes dados que t = 0 hélio sólido sob 25 bar de pressão (o mínimo requerido para congelar hélio) tem uma densidade de 0,187 ± 0,009 g / ml.

Hélio estado I

Abaixo do seu ponto de ebulição de 4,22 Kelvin e acima do ponto de 2,1768 kelvin lambda, o isótopo existe hélio-4 em um incolor normal de líquido estado, chamado hélio eu. Como o outro líquidos criogénicos, hélio que ferve quando é aquecida. Ela também se contrai quando a sua temperatura é reduzida até que ele atinja a ponto lambda, quando ela pára de ebulição e de repente se expande. A taxa de expansão diminui abaixo do ponto de lambda até cerca de 1 K é atingido; em que ponto a expansão completamente paradas e hélio eu começa a se contrair novamente.

Hélio I tem um gás semelhante índice de refração de 1.026 que torna sua superfície tão difícil ver que flutua de isopor são muitas vezes utilizados para mostrar onde a superfície é. Este líquido incolor tem um muito baixo viscosidade e uma densidade de um oitavo de água, que é apenas um quarto do valor esperado a partir de física clássica. A mecânica quântica é necessária para explicar essa propriedade e, portanto, ambos os tipos de hélio líquido são chamados de fluidos quânticos, ou seja, eles exibem propriedades atômicas em escala macroscópica. Este é provavelmente devido ao seu ponto de ebulição estar tão perto de zero absoluto, o que impede o movimento molecular aleatório ( calor ) de mascarar as propriedades atômicas.

Hélio estado II

Hélio líquido abaixo do seu ponto lambda começa a exibir características muito incomuns, em um estado chamado hélio II. Ebulição do hélio II não é possível, devido à sua alta Condutividade térmica; entrada de calor em vez provoca a evaporação do líquido directamente para o gás. O isótopo de hélio-3 também tem uma fase superfluida, mas apenas a temperaturas muito mais baixas; como resultado, pouco se sabe sobre estas propriedades do isótopo hélio-3.

Hélio II vai rastejar ao longo de superfícies, a fim de encontrar o seu próprio nível; depois de um curto período de tempo, os níveis nos dois recipientes irá equalizar. O Rollin filme cobre também o interior do recipiente maior; se não fosse selado, o II hélio iria rastejar para fora e escapar.

Hélio II é um superfluido, um estado de mecânica quântica da matéria com propriedades estranhas. Por exemplo, quando ele flui através do mesmo capilares de 10 -7 a -8 10 m de largura, que não tem mensurável viscosidade. No entanto, quando as medidas foram realizadas entre dois discos móveis, uma viscosidade comparável à do hélio gasoso foi observada. A teoria atual explica isso usando o modelo de dois fluidos para o hélio II. Neste modelo, o hélio líquido abaixo do ponto de lambda é visto como contendo uma proporção de átomos de hélio numa estado fundamental, que são superfluido e fluir com exatamente zero viscosidade, e uma proporção de átomos de hélio em um estado animado, que se comportam mais como um fluido comum.

Hélio II também apresenta um efeito rastejando. Quando uma superfície se estende passado o nível de hélio II, os hélio II desloca-se ao longo da superfície, aparentemente, contra a força da gravidade . Hélio II irá escapar de um navio que não é selada por rastejando ao longo dos lados até que ele atinja uma zona mais quente, onde se evapora. Ela se move em um 30 filme nm de espessura, independentemente do material da superfície. Este filme é chamado um Rollin filme e é nomeado após o primeiro homem que caracterizou essa característica, Bernard V. Rollin. Como resultado desse comportamento rasteira e capacidade de hélio II a vazar rapidamente através de pequenas aberturas, é muito difícil para confinar hélio líquido. A menos que o recipiente é construído com cuidado, o hélio II rastejar ao longo das superfícies e através de válvulas até atingir um lugar mais quente, onde ele irá evaporar. Ondas que se propagam através de um filme Rollin são regidas pela mesma equação como ondas de gravidade em águas rasas, mas ao invés de gravidade, a força restauradora é o Van der Waals . Estas ondas são conhecidos como terceiro som.

No efeito fonte, uma câmara é construída, que é ligado a um reservatório de hélio II por um disco poroso através do qual vazamentos de hélio superfluido facilmente, mas através dos quais o hélio superfluido não-não pode passar. Se o interior do recipiente é aquecida, as mudanças de hélio superfluida a hélio não superfluida. A fim de manter o equilíbrio fracção de hélio superfluida, fugas de hélio através superfluida e aumenta a pressão, fazendo com que o líquido ao Fountain para fora do recipiente.

A condutividade térmica do hélio II é maior do que a de qualquer outra substância conhecida, um milhão de vezes que de hélio I e várias centenas de vezes maior que a de cobre . Isso ocorre porque a condução de calor ocorre por um mecanismo quântico-mecânico excepcional. A maioria dos materiais que conduzem bem o calor ter um valência banda de electrões livres que servem para transferir o calor. Hélio II não tem essa banda de valência, mas, no entanto, conduz bem o calor. O fluxo de calor é regulada por meio de equações que são semelhantes ao equação de onda utilizado para caracterizar a propagação do som no ar. Então, quando o calor é introduzido, ele vai passar a 20 metros por segundo em 1,8 K através de hélio II como ondas em um fenômeno chamado segundo som.

Aplicações

Devido à sua baixa densidade e incombustibilidade, o hélio é o gás de escolha para preencher aeronaves tais como o Goodyear dirigível, ao contrário de hidrogênio

O hélio é usado para muitas finalidades que necessitem de algumas de suas propriedades únicas, como seu baixo ponto de ebulição , baixa densidade , baixa solubilidade , de alta condutividade térmica, ou inércia. O hélio é comercialmente disponível em qualquer forma líquida ou gasosa. Tal como um líquido, ele pode ser fornecido em recipientes pequenos chamados vasos dewar que possuem até 1000 litros de hélio, ou em grandes contentores ISO que têm capacidades nominais tão grandes quanto 11.000 galões (41,637 litros). Na forma gasosa, pequenas quantidades de hélio são fornecidos em cilindros de alta pressão com capacidade para 300 pés cúbicos padrão, enquanto grandes quantidades de gás de alta pressão são fornecidos em reboques tubo que têm capacidades de até 180 mil pés cúbicos padrão.

  • Porque é mais leve que o ar, dirigíveis e balões são inflados com hélio para o elevador. Em dirigíveis, hélio é preferido em relação hidrogénio, porque não é inflamável e possui 92,64% do flutuabilidade (ou poder de elevação) da alternativa de hidrogénio (ver cálculo.)
  • Para a sua baixa solubilidade em água, a maior parte dos humanos de sangue , misturas de hélio com oxigénio e de azoto ( trimix), com apenas oxigênio ( heliox), com ar comum ( Heliair), e com hidrogênio e oxigênio ( hydreliox), são usados em sistemas de respiração de profundidade para reduzir o risco de alta pressão de narcose por nitrogênio.
  • A temperaturas extremamente baixas, hélio líquido é utilizado para arrefecer certos metais para produzir supercondutividade , tal como em ímãs supercondutores utilizados em ressonância magnética. Hélio a baixas temperaturas é também usado nas criogenia.
  • Por sua inércia e alta condutividade térmica, de neutrões transparência, e uma vez que não formam isótopos radioactivos, sob condições de reactores, o hélio é usado como um fluido de arrefecimento em alguns reactores nucleares, como reatores seixo-cama.
  • O hélio é usado como um o gás de protecção em arco processos de soldagem em materiais que são facilmente contaminados por via aérea. É especialmente útil em sobrecarga de soldadura, porque é mais leve do que o ar e, assim, flutuadores, enquanto que outros gases de protecção afundar.
  • Porque é inerte, hélio é utilizado como um gás protector no crescimento de silício e germânio cristais, em titânio e zircónio produção, em cromatografia em fase gasosa, e como uma atmosfera para proteger documentos históricos. Essa propriedade também faz com que seja útil no supersônico túneis de vento.
  • Em foguetes, hélio é usado como um médio ullage para deslocar combustível e oxidantes em tanques de armazenamento e para condensar hidrogênio e oxigênio para fazer combustível de foguete. Ele também é usado para limpar combustível e oxidante de equipamentos de apoio em terra antes do lançamento e pré-cool hidrogênio líquido em veículos espaciais. Por exemplo, o Saturn V de reforço utilizado no Programa Apollo necessários cerca de 13 milhões de pés cúbicos (370.000 m³) de hélio para o lançamento.
  • O ganhar meio do laser de hélio-néon é uma mistura de hélio e néon .
  • Porque difunde-se através dos sólidos a uma taxa três vezes superior à do ar, é usado hélio como gás marcador para detectar fugas em equipamento de alto vácuo e recipientes de alta pressão, bem como em outras aplicações com requisitos menos rigorosos, tais como permutadores de calor, válvulas, painéis de gasolina, etc.
  • Por causa de sua extremamente baixa índice de refracção, a utilização de hélio reduz os efeitos de distorção das variações de temperatura no espaço entre lentes em alguns telescópios .
  • A idade das rochas e minerais que contêm urânio e tório , elementos radioativos que emitem chamados núcleos de hélio partículas alfa, pode ser descoberto, medindo o nível de hélio com um processo conhecido como hélio namoro.
  • A elevada condutividade térmica e a velocidade do som de hélio é também desejável em refrigeração termoacústico. A inércia de hélio contribui para a vantagem ambiental dessa tecnologia em relação aos sistemas convencionais de refrigeração que podem contribuir para empobreçam a camada de ozono e dos efeitos do aquecimento global.
  • Porque hélio sozinho é menos denso do que o ar atmosférico, ele vai mudar a timbre não ( pitch) da voz de uma pessoa quando inalado. No entanto, a inalação de uma fonte comercial típico, como o utilizado para encher balões, pode ser perigosa, devido ao risco de asfixia por falta de oxigênio, eo número de contaminantes que possam estar presentes. Estes podem incluir quantidades vestigiais de outros gases, para além de aerossol óleo lubrificante.

História

As descobertas científicas

Evidência de hélio foi detectado pela primeira vez em 18 de agosto de 1868 como uma linha amarela brilhante com um comprimento de onda de 587,49 nanómetros na espectro do cromosfera do Sol , pelo astrônomo francês Pierre Janssen durante um total eclipse solar em Guntur, ?ndia . Esta linha foi inicialmente assumida como sendo de sódio . Em 20 de outubro do mesmo ano, o astrônomo Inglês Norman Lockyer observou uma linha amarela no espectro solar, que deu o nome a D 3 linha, pois era perto das conhecidas D 1 e D 2 linhas de sódio, e concluiu que ele foi causado por um elemento do desconhecido Sol na Terra. Ele e químico Inglês Edward Frankland nomeado o elemento com a palavra grega para o Sol, ἥλιος (Helios)

Em 26 de Março de 1895 químico britânico William Ramsay isolado hélio na Terra por tratamento do mineral cleveite com minerais ácidos . Ramsay foi à procura de argônio , mas, depois de se separar de nitrogênio e oxigênio a partir do gás liberado pelo ácido sulfúrico , notou uma linha amarelo brilhante que combinava com a linha D 3 observada no espectro do Sol Estas amostras foram identificadas como hélio por Lockyer e físico britânico William Crookes. Ele foi isolado independentemente de entre cleveite mesmo ano por químicos Per Teodor Cleve e Abraham Langlet em Uppsala, Suécia, que recolhido suficiente do gás para determinar com precisão a sua peso atômico. Hélio também foi isolado pelo geoquímico americano William Francis Hillebrand antes da descoberta de Ramsay quando notou linhas espectrais incomuns ao testar uma amostra do mineral uraninite. Hillebrand, no entanto, atribuíram as linhas de nitrogênio. Sua carta de felicitações ao Ramsay oferece um caso interessante de descoberta e de quase-descoberta científica.

Em 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds demonstrou que partículas alfa são hélio núcleos , permitindo-lhes penetrar a parede de vidro fina de um tubo de vácuo, em seguida, criando uma descarga no tubo para estudar os espectros do novo gás no interior. Em 1908, foi hélio liquefeito primeiro pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes por arrefecimento do gás até menos do que um Kelvin . Tentou solidificar, reduzindo ainda mais a temperatura, mas falhou, porque o hélio não têm um temperatura do ponto triplo em que as, líquidos e sólidos são fases gasosa em equilíbrio. Ele foi solidificada pela primeira vez em 1926 por seu aluno Willem Hendrik Keesom sujeitando hélio a 25 atmosferas de pressão.

Em 1938, o físico russo Pyotr Kapitsa Leonidovich descobriu que hélio-4 (um bóson) não tem quase nenhuma viscosidade em temperaturas próximas do zero absoluto , um fenômeno chamado agora superfluidez. Este fenômeno está relacionado à Condensação de Bose-Einstein. Em 1972, o mesmo fenômeno foi observado em hélio-3, mas a temperaturas muito mais perto de zero absoluto , por físicos americanos Douglas D. Osheroff, David M. Lee, e Robert C. Richardson. O fenómeno em hélio-3 é pensado para ser relacionada com o emparelhamento de hélio-3 férmions para fazer bósons, em analogia com Pares de Cooper de elétrons que produzem a supercondutividade .

Extracção e usos

Depois de uma operação de perfuração de petróleo em 1903, em Dexter, Kansas, Estados Unidos produziu um gêiser de gás que não queimasse, Kansas geólogo estado Erasmus Haworth coletadas amostras do gás que escapa e tomou-los de volta para a Universidade de Kansas em Lawrence, onde, com a ajuda de químicos Hamilton Cady e David McFarland, descobriu que o gás continha, em volume, 72% de azoto, 15% de metano-insuficiente para tornar o gás combustível, 1% de hidrogénio e 12% de um gás não identificável. Com uma análise mais aprofundada, Cady e McFarland descobriram que 1,84% da amostra de gás foi hélio. Longe de ser um elemento raro, o hélio estava presente em grandes quantidades no âmbito das Grandes Planícies americanas, disponível para a extração de gás natural.

Isso colocou o Estados Unidos em uma excelente posição para se tornar o principal fornecedor mundial de hélio. Seguindo uma sugestão de Sir Richard Threlfall, o Marinha dos Estados Unidos patrocinou três pequenas centrais de produção de hélio experimentais durante a Primeira Guerra Mundial . O objetivo era fornecer balões barragem com a elevação a gás não inflamável. Um total de 200 mil pés cúbicos (5,700 m³) de 92% de hélio foi produzido no programa, embora apenas alguns pés cúbicos (inferior a 100 litros) de o gás ter sido obtido anteriormente. Algum deste gás foi usado no primeiro cheio de hélio do mundo dirigível , C-7 da Marinha os EUA, que voou sua viagem inaugural de Hampton Roads, Virginia de Bolling Field, em Washington, DC em 01 dezembro 1921 .

Embora o processo de extração, utilizando de liquefação de gás de baixa temperatura, não foi desenvolvido a tempo de ser significativa durante a I Guerra Mundial, a produção continuou. Hélio foi utilizado principalmente como gás de elevação no ofício mais leve que o ar. Este uso crescente demanda durante a Segunda Guerra Mundial, bem como exigências de arco blindado soldagem . Hélio também foi vital na bomba atômica Projeto Manhattan.

O governo dos Estados Unidos criou o Nacional Hélio Reserve em 1925 no Amarillo, Texas, com o objetivo de fornecer militares aeronaves em tempo de guerra e aeronaves comerciais em tempo de paz. Devido a um embargo militar dos Estados Unidos contra a Alemanha, que restringiu o hélio suprimentos, os Hindenburg foi forçado a usar hidrogênio como gás de elevador. Uso Hélio seguinte II Guerra Mundial estava deprimido, mas a reserva foi expandida em 1950 para garantir um fornecimento de hélio líquido como um refrigerante para criar oxigênio / hidrogênio combustível de foguete (entre outros usos) durante a corrida espacial e da Guerra Fria . Hélio uso nos Estados Unidos em 1965 foi de mais de oito vezes o consumo de guerra pico.

Após o "hélio Actos Alterações de 1960" (Public Law 86-777), o US Bureau of Mines organizado para cinco plantas particulares recuperar hélio a partir do gás natural. Para este programa de conservação de hélio, o Bureau construído um gasoduto de 425 milhas (684 km) a partir de Bushton, Kansas para conectar essas plantas com campo de gás Cliffside parcialmente esvaziado do governo, perto de Amarillo, Texas. Esta mistura de hélio e azoto, foi injectada e armazenada no campo de gás Cliffside até ser necessário, quando, em seguida, foi ainda mais purificado.

Em 1995, um bilhão de metros cúbicos de gás foram coletados ea reserva foi de US $ 1,4 bilhão em dívida, o que levou o Congresso dos Estados Unidos em 1996 para eliminar progressivamente a reserva. A resultante "Act Hélio Privatização de 1996" (Lei Pública 104-273) dirigiu o Departamento do Interior dos Estados Unidos para começar a liquidar a reserva até 2005.

Hélio produzido antes de 1945 era cerca de 98% puro (2% de nitrogênio ), que foi adequado para dirigíveis. Em 1945, uma pequena quantidade de 99,9% de hélio foi produzido para utilização soldadura. Em 1949 quantidades comerciais de grau A hélio 99,995% estavam disponíveis.

Durante muitos anos, os Estados Unidos produziram mais de 90% de hélio comercialmente utilizáveis no mundo. Plantas de extração criados no Canadá , Polônia , Rússia e outras nações produziu o hélio remanescente. Em meados de 1990, uma nova fábrica em Arzew, Argélia 600mmcf produzindo entrou em operação, com uma produção suficiente para cobrir toda a demanda da Europa. Posteriormente, em 2004-2006 duas plantas adicionais, uma em Ras Laffen, Qatar e outro em Skikda, Argélia foram construídas, mas a partir de início de 2007, Ras Laffen está funcionando em 50%, e Skikda ainda não foi iniciado. Argélia rapidamente se tornou o segundo principal produtor de hélio. Através desta vez, tanto o consumo de hélio e os custos de produção de hélio e aumentou durante 2007, os principais fornecedores, a Air Liquide, Airgas e Praxair todos levantaram os preços de 10 a 30%.

Ocorrência e produção

Abundância natural

O hélio é o segundo elemento mais abundante no Universo conhecido depois de hidrogénio e constitui 23% do elemental massa do universo. Está concentrada em estrelas, onde se formou a partir de hidrogénio pela fusão nuclear do próton-próton reação em cadeia e Ciclo CNO. De acordo com o Big Bang modelo do desenvolvimento inicial do universo, a grande maioria de hélio foi formado durante Nucleossíntese primordial, de um a três minutos após o Big Bang. Como tal, as medições de contribuir para a sua abundância modelos cosmológicos.

Na atmosfera da Terra , a concentração em volume de hélio é apenas 5,2 partes por milhão. A concentração é baixo e relativamente constante, apesar da produção contínua de novo porque a maioria hélio hélio na atmosfera da Terra escapa para o espaço por vários processos. Em da Terra heterosfera , uma parte da camada superior da atmosfera, hélio e outros gases mais leves são os elementos mais abundantes.

Quase todos hélio na Terra é resultado de decaimento radioativo. O produto de decaimento é encontrada principalmente em minerais de urânio e tório , incluindo cleveites, uraninita, carnotite e monazita, porque eles emitem partículas alfa, que consistem em núcleos de hélio (He 2+) a qual os electrões facilmente combinar. Desta forma, um número estimado de 3,4 litros de hélio por ano são gerados por quilômetro cúbico de crosta da Terra. Na crosta da Terra, a concentração de hélio é de 8 partes por bilhão. Na água do mar, a concentração é de apenas 4 partes por trilhão. Há também pequenas quantidades de mineral molas, vulcânica de gás, e de ferro meteórico. As maiores concentrações do planeta são em gás natural , a partir dos quais a maioria de hélio comercial é derivado.

Fornecimento de hélio do mundo pode estar em perigo, de acordo com Universidade de Washington em St. Louis químico Lee Sobotka. A maior reserva é no Texas e se esgotariam em oito anos, se consumido no ritmo atual. Hélio é não renovável e insubstituível por métodos convencionais.

Extração moderna

Para o uso em larga escala, o hélio é extraído por destilação fraccionada a partir de gás natural , que contêm até 7% de hélio. Como o hélio tem um ponto de ebulição mais baixo do que qualquer outro elemento, a baixa temperatura e alta pressão são utilizados para liquefazer quase todos os outros gases (principalmente de azoto e metano ). O gás hélio em bruto resultante é purificado por sucessivas exposições a temperaturas abaixamento, em que quase todo o restante de azoto e outros gases são precipitados da mistura gasosa. O carvão activado é utilizado como um passo de purificação final, geralmente resultando em 99,995% puro, grau-A, hélio. A principal impureza na Grade-A hélio é neon . Num passo final de produção, a maior parte do hélio que é produzido é liquefeito por meio de um processo criogênico. Isto é necessário para aplicações que requerem hélio líquido e também permite que os fornecedores de hélio para reduzir o custo de transporte de longa distância, como os recipientes maiores hélio líquido têm mais do que cinco vezes a capacidade de transporte de tubo maiores hélio gasoso.

Em 2005, aproximadamente 160 milhões de metros cúbicos de hélio foram extraídos do gás natural ou retirado das reservas de hélio, com aproximadamente 83% dos Estados Unidos, 11% da Argélia, ea maior parte do restante da Rússia e da Polónia. Nos Estados Unidos, mais de hélio é extraído a partir do gás natural no Kansas e Texas.

Difusão de gás natural bruto através especial membranas semipermeáveis e outros obstáculos é outro método para recuperar e purificar o hélio. O hélio pode ser sintetizado por bombardeamento de lítio ou boro com alta velocidade de protões , mas este não é um método economicamente viável de produção.

Isótopos

Apesar de existirem oito conhecidos isótopos de hélio, única hélio-3 e hélio-4 são estáveis . Na atmosfera da Terra, há um átomo de He-3 para cada milhão de He-4 átomos. No entanto, o hélio é incomum em que a sua abundância isotópica varia muito, dependendo de sua origem. No meio interestelar, a proporção de He-3 é de cerca de uma centena de vezes maior. Rochas da crosta da Terra têm rácios de isótopos variando em até um fator de dez; esta é utilizada no geologia para estudar a origem de tais rochas.

O isótopo mais comum, hélio-4, é produzido na Terra por decaimento alfa de elementos radioativos pesados; o partículas alfa que surgem são totalmente ionizado hélio-4 núcleos. Hélio-4 é um núcleo invulgarmente estável porque sua núcleos são organizados em conchas completas. Ele também foi formada em enormes quantidades durante Nucleossíntese do Big Bang.

Arrefecimento por evaporação do líquido de hélio-4, numa assim chamada 1-K pot, esfria o líquido a cerca de 1 kelvin . Em um hélio-3 frigorífico, arrefecimento semelhante de hélio-3, que tem um ponto de ebulição inferior, a uma temperatura de cerca de 0,2 Kelvin. Igualdade de misturas de líquido hélio-3 e hélio-4 abaixo de 0,8 K vai separar em duas fases imiscíveis, devido à sua dissimilaridade (eles seguem diferente estatística quântica: hélio-4 átomos são bósons enquanto átomos de hélio 3 são férmions). Refrigerador de diluição aproveitar a imiscibilidade dos dois isótopos para atingir temperaturas de alguns millikelvins.

Existe apenas uma pequena quantidade de hélio-3 na Terra, principalmente presente desde a formação da Terra, apesar de algumas quedas à Terra preso em poeira cósmica. Pequenas quantidades são também produzidas pela decaimento beta de trítio. Em estrelas , no entanto, o hélio-3 é mais abundante, um produto de fusão nuclear. Material de extraplanetário, como lunar e asteróides regolito, ter vestígios de hélio-3 que está sendo bombardeado por ventos solares. A Lua superfície 's contém hélio-3 em concentrações na ordem de 0,01 ppm. Um número de pessoas, começando com Gerald Kulcinski em 1986, propuseram explorar a lua, regolito lunar minha e usar o hélio-3 para fusão.

Os diferentes processos de formação dos dois isótopos estáveis de hélio produz a abundância de isótopos diferentes. Estas abundâncias isótopos diferentes podem ser utilizados para investigar a origem de rochas e a composição da Terra manto.

É possível produzir isótopos de hélio exóticos, que rapidamente decair em outras substâncias. O isótopo pesado hélio mais curta duração é o hélio-5 com uma meia-vida de 7,6 x 10 -22 segundos. Hélio-6 decai emitindo um partícula beta e tem uma meia vida de 0,8 segundo. Hélio-7 também emite uma partícula beta, assim como um raios gama. Hyperfragments hélio-7 e hélio-8 são criadas em certos reações nucleares.

O exóticas hélio-6 e hélio-8 são conhecidos por apresentar um auréola nuclear. Helium-2 (dois prótons, nêutrons há) é uma radioisótopo de hélio que decai por emissão de protões em protium (hidrogénio) com uma semi-vida de 3x10 -27 segundo.

Efeitos biológicos

A voz de uma pessoa que tenha inalado hélio temporariamente sons agudos. Isto é porque o velocidade do som em hélio é cerca de três vezes a velocidade do som no ar. Porque a frequência fundamental de uma cavidade cheia de gás é proporcional à velocidade do som no gás, quando o hélio é inalado existe um aumento correspondente na frequências de ressonância da trato vocal. (O efeito oposto, baixando frequências, pode ser obtida pela inalação hexafluoreto de enxofre)

A inalação do hélio, por exemplo, para produzir o efeito vocal, pode ser perigosa se feito em excesso uma vez que o hélio é um simples asfixiante, assim, ele desloca o oxigênio necessário para o normal respiração. Morte por asfixia resultará em poucos minutos se hélio puro é respirado continuamente. Nos mamíferos (com as notáveis exceções de focas e muitos animais burrowing) o reflexo de respiração é desencadeada por excesso de dióxido de carbono ao invés de falta de oxigênio, assim asfixia por hélio progride sem que a vítima experimentando falta de ar. Inalando hélio diretamente de cilindros pressurizados é extremamente perigoso como a alta taxa de fluxo pode resultar em barotrauma, fatalmente ruptura tecido pulmonar.

Hélio neutro em condições normais não é tóxico, não desempenha nenhum papel biológico e é encontrado em quantidades residuais em sangue humano. A pressões elevadas (mais do que cerca de 20 atm ou dois MPa), uma mistura de hélio e oxigénio ( heliox) pode conduzir a síndrome nervoso alta pressão, uma espécie de efeito anestésico-reverse; adição de uma pequena quantidade de azoto para a mistura pode aliviar o problema.

Os recipientes de gás hélio a 5 a 10 K, estes devem ser manuseados como se conter hélio líquido devido ao rápido e significativo dilatação térmica que ocorre quando o gás hélio a menos de 10 K é aquecida até à temperatura ambiente.

Compostos

Hélio é quimicamente inerte em todas as condições normais devido à sua valência de zero. É um isolador eléctrico a menos ionizado . Tal como acontece com os outros gases nobres, hélio tem metaestável os níveis de energia que permitem que ele permaneça ionizado em uma descarga elétrica com um tensão abaixo do seu potencial de ionização. O hélio pode formar instáveis compostos com tungsténio , iodo , flúor , enxofre e fósforo , quando ele é submetido a uma descarga luminosa elétrica, por meio de bombardeamento de electrões ou é caso contrário um plasma . HeNe, HgHe 10 , Acolhedora 2 e os íons moleculares Ele 2 + , ele 2 2+ , heh + , e HED + foram criados dessa maneira. Esta técnica também tem permitido a produção da molécula neutra Ele 2 , que tem um grande número de sistemas de banda, e HgHe, que aparentemente é única mantidas juntas por forças de polarização. Teoricamente, outros compostos pode também ser possível, tal como hélio fluorohydride (HHeF) que seria análogo ao Ḩarf, descoberto em 2000.

Hélio foi colocado no interior das moléculas de gaiola de carbono ocos (os fulerenos) por aquecimento sob alta pressão do gás. As moléculas neutras formados são estáveis ​​a altas temperaturas. Quando estes derivados químicos de fulerenos são formadas, o hélio permanece dentro. Se é usado hélio-3, ele pode ser facilmente observada por espectroscopia de RMN de hélio. Muitos fulerenos contendo hélio-3 têm sido relatados. Embora os átomos de hélio não estão ligados por ligações covalentes ou iónicas, estas substâncias se ajustar à definição de compostos no Handbook of Chemistry and Physics . Eles são os primeiros compostos de hélio neutro estáveis ​​a ser formadas.

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