HELYUM: TARIHÇESI, ÖZELLIKLERI, YAPISI, RISKLERI, KULLANIMLARI - KIMYA - 2025

Helyum sembolü He ile kimyasal bir elementtir. Periyodik tablodaki ilk soy gazdır ve genellikle en sağında bulunur. Normal koşullar altında inert bir gazdır, çünkü birkaç bileşiğinden hiçbiri kararlı değildir; Aynı zamanda çok hızlı genişler ve kaynama noktası en düşük olan maddedir.

Popüler düzeyde, iyi bilinen bir gazdır, çünkü sayısız etkinlikte veya çocuk partilerinde, gökyüzünde kaybolana kadar bir balon yükselişine şahit olmak yaygındır. Bununla birlikte, güneş sisteminin köşelerinde ve ötesinde gerçekten ve sonsuza dek kaybolan şey, balon patladığında veya söndüğünde salınan helyum atomlarıdır.

Helyumla şişirilmiş balonlar, günlük durumlarda bu elemente en yakın olanıdır. Kaynak: Pixabay.

Aslında, helyum balonlarının bu gaz için uygunsuz bir uygulama olduğunu düşünen ve haklı olarak düşünenler var. Neyse ki, onu diğer kimyasal elementlerden ayıran fiziksel ve kimyasal özellikleri sayesinde daha önemli ve ilginç kullanımlara sahiptir.

Örneğin sıvı helyum o kadar soğuktur ki metalik alaşım gibi her şeyi dondurarak onu süper iletken bir malzemeye dönüştürür. Aynı şekilde, aşırı akışkanlık gösteren, cam bir kabın duvarlarına tırmanabilen bir sıvıdır.

Adı, ilk kez Dünya'da değil Güneş'te tanımlanmış olmasından kaynaklanmaktadır. Tüm Evrende en çok bulunan ikinci elementtir ve yer kabuğunda konsantrasyonu ihmal edilebilir düzeyde olsa da, doğal gaz rezervlerinden ve uranyum ve toryumun radyoaktif minerallerinden elde edilebilir.

Burada helyum başka bir ilginç gerçeği ortaya koyuyor: Toprak altında, Dünya'dan ve yerçekimi alanından kaçtığı atmosferdekinden çok daha bol olan bir gazdır.

Tarih

Helyum Dünya'da değil Güneş'te keşfedilmiştir. Aslında adı Yunanca güneş anlamına gelen 'helios' kelimesinden gelmektedir. Elementin tek başına varlığı, Dmitri Mendeleev'in periyodik tablosuyla çelişiyordu, çünkü içinde yeni bir gaza yer yoktu; Başka bir deyişle, o zamana kadar soy gazlar hakkında kesinlikle hiçbir şeyden şüphe edilmiyordu.

İngilizce'de 'helyum' olarak yazılan 'helyum' adı, ona bir metal olarak atıfta bulunan -ium ekiyle sona ermiştir; tam da oksijen, hidrojen, flor, klor ve nitrojenden başka bir gazın varlığı kabul edilemezdi.

Bu isim, Fransız gökbilimci Jules Janssen tarafından 1868'de bir güneş tutulması sırasında Hindistan'da gözlemlenenleri İngiltere'den inceleyen İngiliz gökbilimci Norman Lockyer tarafından belirlendi.

Şimdiye kadar bilinmeyen bir elementten sarı bir spektral çizgiydi. Lockyer, bunun Güneş'te bulunan yeni bir kimyasal elementin varlığından kaynaklandığını iddia etti.

1895'te, neredeyse yirmi yıl sonra, İskoç kimyager Sir William Ramsay, radyoaktif bir mineral olan cleveite'i incelediğinde, kalıntı bir gazdan aynı spektrumu tanıdı. Yani burada Dünya'da da helyum vardı.

Fiziksel ve kimyasal özellikler

Görünüm

Elektrik çarpmasından sonra parlayan helyum örneğine sahip ampul. Kaynak: Kimyasal Elementlerin Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleri

Helyum renksiz, kokusuz, tadı olmayan ve aynı zamanda inert olan bir gazdır. Bununla birlikte, bir elektrik çarpması uygulandığında ve voltaj farkına bağlı olarak, grimsi-mor bir pus olarak parlamaya başlar (yukarıdaki resim), ardından turuncu bir parıltıyla parlamaya başlar. Bu nedenle helyum ışıkları turuncudur.

Atom numarası (Z)

iki

Molar kütle

4.002 g / mol

Erime noktası

-272,2 ºC

Kaynama noktası

-268,92ºC

Yoğunluk

-0.1786 g / L, normal koşullar altında, yani gaz fazında.

-0.145 g / mL, erime noktasında sıvı helyum.

-0.125 g / mL, tam helyum kaynamaya başladığında.

0 K ve 25 atm'de -0.187 g / mL, yani bu spesifik basınç ve sıcaklık koşullarında katı helyum.

Üçlü nokta

2.177 K ve 5.043 kPa (0.04935 atm)

Kritik nokta

5.1953 K ve 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Füzyon ısısı

0,0138 kJ / mol

Buharlaşma ısısı

0,0829 kJ / mol

Molar ısı kapasitesi

20.78 J / (mol K)

Buhar basıncı

4,21 K'da 0,9869 atm. Bu değer size helyumun ne kadar uçucu olabileceği ve oda sıcaklığında (298 K'ye yakın) ne kadar kolay kaçabileceği hakkında bir fikir verir.

İyonlaşma enerjileri

-İlk: 2372.3 kJ / mol (He ⁺ gazlı)

-İkinci: 5250.5 kJ / mol (He ²⁺ gazlı)

Helyum için iyonlaşma enerjileri özellikle yüksektir çünkü gaz halindeki atom, güçlü bir etkili nükleer yüke sahip olan bir elektron kaybetmelidir. Atomun küçük boyutu ve iki elektronun çekirdeğe ne kadar "yakın" olduğu (iki proton ve iki nötron ile) dikkate alınarak da anlaşılabilir.

Çözünürlük

Suda, 0 ºC'de her 100 mL su için 0,97 mL çözülür, bu da zayıf çözünür olduğu anlamına gelir.

Reaktivite

Helyum, doğadaki en az reaktif ikinci kimyasal elementtir. Normal şartlar altında inert bir gaz olduğunu söylemek doğrudur; Hiçbir zaman (öyle görünüyor ki) bir helyum bileşiği, üzerinde muazzam baskılar olmadan bir oda veya laboratuarda manipüle edilemez; veya belki de önemli ölçüde yüksek veya düşük sıcaklıklar.

Bir elmas örs hücresinde yeniden üretilen, yalnızca 300 GPa basınç altında stabil olan Na ₂ He bileşiğinde bir örnek görülmektedir .

Na ₂ He'deki kimyasal bağlar "garip" olsalar da elektronları kristallerde iyi konumlandırılmışlardır, bunlar basit Van der Walls etkileşimleri olmaktan uzaktır ve bu nedenle moleküler agregalar tarafından tutulan helyum atomlarından ibaret değildir. . Hangi helyum bileşiklerinin gerçek olduğu ve hangilerinin olmadığı ikilem burada ortaya çıkar.

Örneğin, yüksek basınçtaki nitrojen molekülleri, bir tür klatrat, He (N ₂ ) ₁₁ oluşturmak için bir helyum atomunu yakalayabilir .

Benzer şekilde, boşluklarında helyum atomlarını barındırabilecekleri fulleren katyonlarının endohedral kompleksleri, C ₆₀ ^{+ n} ve C ₇₀ ^{+ n vardır} ; ve çok uzak bulutsularda bulunan moleküler katyon HeH ⁺ (He-H ⁺ ).

Oksidasyon sayısı

Deneyin merak için bileşiklerinin herhangi helyum oksidasyon sayısını hesaplamak Bu Na 0'a eşit olduğu tespit edilecektir ₂ , örneğin, düşünebilir ki varsayımsal Na formül karşılık ₂ ⁺ I ^2- ; ama gerçekte bağları öyle olmaktan uzak olduğu zaman, saf iyonik bir karaktere sahip olduğunu varsaymak böyle olacaktır.

Dahası, helyum elektron kazanmaz çünkü elektronları 2s yörüngesine yerleştiremez, enerjik olarak kullanılamaz; Atomunun küçük boyutu ve çekirdeğinin büyük etkili nükleer yükü nedeniyle onları kaybetmesi de mümkün değildir. Bu nedenle helyum , türetilmiş bileşiklerinde her zaman bir He ⁰ atomu olarak (teoride) yer alır .

Yapı ve elektronik konfigürasyon

Helyum, makro ölçekte gözlemlenen tüm gazlar gibi, onu depolayan kapların hacmini kaplar ve dolayısıyla belirsiz bir şekle sahiptir. Ancak, sıcaklık düştüğünde ve -269 ºC'nin altına soğumaya başladığında, gaz renksiz bir sıvıya yoğunlaşır; helyum I, bu element için iki sıvı fazdan ilki.

Helyumun bu kadar düşük bir sıcaklıkta yoğunlaşmasının nedeni, atomlarını bir arada tutan düşük saçılma kuvvetleridir; dikkate alınan aşama ne olursa olsun. Bu, elektronik konfigürasyonundan açıklanabilir:

1s ²

İki elektronun 1s atomik yörüngesini işgal ettiği. Helyum atomu, homojen elektronik çevresi çekirdekteki iki protonun etkili nükleer yükü tarafından polarize edilme olasılığı düşük olan neredeyse mükemmel bir küre olarak görselleştirilebilir.

Bu nedenle, spontane ve indüklenen dipol momentleri nadirdir ve çok zayıftır; bu nedenle He atomlarının yeterince yavaş yaklaşması ve dağılma kuvvetlerinin bir sıvıyı tanımlamasını sağlaması için sıcaklık mutlak sıfıra yaklaşmalıdır; hatta daha iyisi bir helyum kristali.

dimerleri

Gaz fazında He atomlarını ayıran boşluk öyledir ki, her zaman birbirlerinden ayrı oldukları varsayılabilir. Öyle ki, küçük hacimli bir şişede helyum, atomlarını grimsi bir pus içinde iyonize eden ve çok parlak olmayan bir elektrik boşalmasına maruz kalana kadar renksiz görünür.

Bununla birlikte, sıvı fazda He atomları, zayıf etkileşimleriyle bile artık "göz ardı edilemez". Şimdi, dağılma kuvveti, onların anlık olarak dimerler oluşturmak için bir araya gelmelerine izin verir: He-He veya He ₂ . Bu nedenle, helyum I , buhar fazındaki atomları ile denge halindeki He _2'nin geniş kümeleri olarak düşünülebilir .

Bu nedenle helyumu buharlarından ayırt etmek çok zor. Bu sıvı, hava geçirmez kabından dökülürse, beyazımsı bir alev olarak dışarı çıkar.

Helyum II

Sıcaklık 2,178 K (-270,972 ºC) değere daha da düştüğünde, bir faz geçişi gerçekleşir: helyum I, helyum II'ye dönüştürülür.

Bu noktadan itibaren, zaten büyüleyici olan helyum sıvısı, süperakışkan veya kuantum sıvısı haline gelir; yani, makroskopik özellikleri, He ₂ dimerleri ayrı atomlardı (ve belki de öyleler ). Bir atomu kayması veya "tırmanması" sırasında durduramayacağı için tam viskozitesi yoktur.

Bu nedenle helyum II, yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelerek bir cam kabın duvarlarına tırmanabilir; ne kadar yüksek olursa olsun, yüzey aynı sıcaklıkta kaldığı ve dolayısıyla buharlaşmadığı sürece.

Bu nedenle sıvı helyum, en ufak bir çatlak veya boşlukta dışarı çıkacağı için cam kaplarda saklanamaz; bir gazla nasıl olacağına çok benzer. Bunun yerine, bu tür kapları (Dewar tankları) tasarlamak için paslanmaz çelik kullanılır.

kristaller

Sıcaklık 0 K'ye (mutlak sıfır) düşse bile, He atomları arasındaki saçılma kuvveti, onları kristal yapıya yerleştirmek için yeterince güçlü olmayacaktır. Katılaşmanın meydana gelmesi için, basıncın yaklaşık 25 atm'ye yükselmesi gerekir; ve sonra kompakt altıgen helyum kristalleri (hcp) ortaya çıkar.

Jeofizik çalışmalar, bu hcp yapısının, basınç ne kadar artarsa ​​da (gigapaskal sırasına, GPa'ya kadar) değişmediğini göstermektedir. Bununla birlikte, basınç-sıcaklık diyagramlarında bu hcp kristallerinin vücut merkezli bir kübik faza (bcc) geçiş yaptığı dar bir bölge vardır.

Nerede bulunur ve elde edilir

Kozmos ve kayalar

Helyum, Evrende en çok bulunan ikinci elementi ve kütlesinin% 24'ünü temsil eder. Kaynak: Pxhere.

Helyum, tüm Evrende yalnızca hidrojenden sonra en çok bulunan ikinci elementtir. Yıldızlar, nükleosentez işlemi sırasında iki hidrojen çekirdeğini birleştirerek sürekli olarak ölçülemez miktarda helyum atomu üretirler.

Benzer şekilde, a parçacıkları yayan herhangi bir radyoaktif süreç, ortamdaki elektronlarla etkileşime girerlerse helyum atomlarının üretiminin bir kaynağıdır; örneğin, uranyum ve toryum radyoaktif mineralleri birikintilerindeki kayalık bir cisminkilerle. Bu iki element uranyumdan başlayarak radyoaktif bozunmaya uğrar:

Alfa parçacıklarının oluşumunda uranyumun radyoaktif bozunması, daha sonra yeraltı birikintilerinde bir helyum atomuna dönüşür. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Bu nedenle bu radyoaktif minerallerin yoğunlaştığı kayalarda helyum atomları hapsolacak ve asidik ortamda sindirildikten sonra açığa çıkacaktır.

Bu minerallerin bazıları arasında, tümü uranyum oksitler (UO ₂ veya U ₃ O ₈ ) ve toryum, ağır metaller ve nadir topraklardan oluşan kleveit, karnotit ve uraninit bulunur . Yeraltı kanallarından sulanan helyum, doğal gaz rezervuarlarında, mineral kaynaklarında veya meteorik demirlerde birikebilir.

Uranyum ve toryumun radyoaktif bozunmasıyla litosferde yılda 3000 tona eşdeğer bir helyum kütlesinin üretildiği tahmin edilmektedir.

Hava ve denizler

Helyum suda çok fazla çözünmez, bu yüzden er ya da geç, derinlerden (kökeni neresi olursa olsun), atmosferin katmanlarını geçene ve sonunda uzaya ulaşana kadar yükselir. Atomları o kadar küçük ve hafiftir ki, Dünya'nın yerçekimi alanı onları atmosferde tutamaz.

Yukarıdakilere bağlı olarak hem havada (5.2 ppm) hem de denizlerde (4 ppt) helyum konsantrasyonu çok düşüktür.

Eğer biri onu bu iki ortamdan birinden çıkarmak isterse, "en iyi" seçenek, helyum gaz halinde kalırken tüm bileşen gazlarını yoğunlaştırmak için önce sıvılaştırmaya tabi tutulması gereken hava olacaktır.

Ancak havadan helyum elde etmek pratik değil, radyoaktif minerallerle zenginleştirilmiş kayalardan; ya da daha iyisi, helyumun toplam kütlesinin% 7'sini temsil edebildiği doğal gaz rezervlerinden.

Doğal gaz sıvılaştırma ve damıtma

Havayı sıvılaştırmak yerine helyum bileşimi şüphesiz çok daha büyük olan doğal gazı kullanmak daha kolay ve daha karlı. Bu nedenle, helyum elde etmek için mükemmel (ticari) hammadde, fraksiyonel damıtmaya da tabi tutulabilen doğal gazdır.

Damıtmanın son ürünü, içinden çok saf bir helyumun geçtiği aktif karbon ile saflaştırma işlemi tamamlanır. Ve son olarak, helyum sıvı helyumun kullanıldığı kriyojenik bir işlemle neondan ayrılır.

izotopları

Helyum doğada ağırlıklı olarak, çıplak çekirdeği ünlü α parçacığı olan ⁴ He izotopu olarak bulunur . Bu ⁴ He atomunun iki nötron ve iki protonu vardır. Daha az bollukta, yalnızca bir nötron içeren izotop ³ He vardır. Birincisi, ikinciden daha ağırdır (atom kütlesi daha yüksektir).

Böylece, ³ He ve ⁴ He izotop çifti , ölçülebilir özellikleri tanımlayan ve helyumun kimyasal element olarak ne anladığımızdır. Yana ³ O hafiftir atomları daha yüksek bir kinetik enerjiye ve bu sahip olduğu, yüzden, bir süperiletkende birleşme daha düşük bir sıcaklığa ihtiyaç varsayılmaktadır.

³ O Dünya'da çok nadir türler olarak kabul edilir; ancak, ay topraklarında daha bol miktarda bulunur (yaklaşık 2000 kat daha fazla). Bu nedenle Ay, geleceğin uzay aracı için nükleer yakıt olarak kullanılabilecek olası bir ³ He kaynağı olarak projelerin ve hikayelerin konusu olmuştur .

Diğer yarı ömürleriyle helyum izotoplarından bahsedilebilir: ⁵ He (t _1/2 = 7.6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0.8 s) ve ⁸ He (t _1/2 = 0.119 s).

Riskler

Helyum inert bir gazdır ve bu nedenle vücudumuzda meydana gelen reaksiyonların hiçbirine katılmaz.

Atomları, biyomoleküllerle etkileşimleri olmadan, dışsal bir etki yaratarak, pratik olarak içeri ve dışarı verilir; ses tellerinden yayılan ve giderek artan sesler hariç.

Bir balondan (ölçülü olarak) helyumu soluyan insanlar, bir sincap (veya ördek) gibi tiz bir sesle konuşurlar.

Sorun şu ki, böyle bir kişi uygun olmayan miktarda helyum solursa, atomları oksijen moleküllerinin yerini aldığı için boğulma riski taşır; ve bu nedenle, tüm o helyumu verene kadar nefes alamayacaksınız, bu da basıncı nedeniyle akciğer dokusunu yırtabilir veya barotravmaya neden olabilir.

Helyum solumaktan ölen kişilerin vakaları, az önce açıklananlar nedeniyle rapor edildi.

Öte yandan oksijene (veya başka bir maddeye) tepkisizliği nedeniyle yangın riski oluşturmasa da yüksek basınç altında depolanırsa ve kaçarsa sızması fiziksel olarak tehlikeli olabilir.

Uygulamalar

Helyumun fiziksel ve kimyasal özellikleri onu sadece özel bir gaz haline getirmekle kalmaz, aynı zamanda son derece düşük sıcaklıklar gerektiren uygulamalar için çok faydalı bir madde yapar. Bu bölümde bu uygulamalardan veya kullanımlardan bazıları ele alınacaktır.

Basınç ve tahliye sistemleri

Bazı sistemlerde basıncı artırmak (basınç vermek) gerekir ve bunun için bileşenlerinden hiçbiriyle etkileşime girmeyen bir gazın enjekte edilmesi veya tedarik edilmesi gerekir; örneğin, istenmeyen reaksiyonlara duyarlı reaktifler veya yüzeyler ile.

Böylece, kimyasal inertliği onu bu amaç için ideal kılan helyum hacimleri ile basınç arttırılabilir. Sağladığı inert atmosfer, bazı durumlarda nitrojeninkini aşar.

Ters işlem için, yani arındırma, helyum, varlığını gidermek istediğiniz tüm oksijeni, su buharını veya diğer gazı sürükleme kabiliyeti nedeniyle de kullanılır. Bu şekilde, helyum boşaltıldıktan sonra sistemin basıncı azaltılır.

Sızıntı tespitleri

Helyum en ufak bir çatlaktan sızabilir, bu nedenle borulardaki, yüksek vakumlu kaplardaki veya kriyojenik tanklardaki sızıntıları da tespit etmeye yarar.

Bazen tespit görsel olarak veya dokunarak yapılabilir; ancak, çoğunlukla, inceleme altındaki sistemden helyumun nerede ve ne kadar kaçtığını "işaret eden" bir detektördür.

Taşıyıcı gaz

Helyum atomları, arındırma sistemlerinde bahsedildiği gibi, basınçlarına bağlı olarak daha ağır moleküller taşıyabilirler. Örneğin, bu ilke, atomize edilmiş numuneyi durağan faz ile etkileşime girdiği kolon boyunca sürükleyebildiğinden gaz kromatografi analizinde günlük olarak kullanılır.

Balonlar ve hava gemileri

Helyum, hava gemilerini şişirmek için kullanılır ve yanıcı bir gaz olmadığı için hidrojenden çok daha güvenlidir. Kaynak: Pixabay.

Havaya göre düşük yoğunluğu ve yine oksijenle reaksiyona girmemesi nedeniyle, çocuk partilerinde balonları (kimse solumaktan boğulmayacak şekilde oksijenle karıştırılmış) ve hava gemilerini (üstteki resim) şişirmek için kullanılmıştır. yangın riski oluşturmadan.

Dalış

Helyum, çeşitlerin nefes aldığı oksijen tanklarının ana bileşenlerinden biridir. Kaynak: Pxhere.

Dalgıçlar daha derinlere indiklerinde, suyun uyguladığı büyük basınç nedeniyle nefes almakta zorlanırlar. Bu nedenle çeşitli soluyan ve veren gazların yoğunluğunu azaltmak için oksijen tanklarına helyum eklenir ve böylece daha az işle ekshale edilebilir.

Ark kaynakları

Kaynak işleminde elektrik arkı iki metalin bir araya gelmesi için yeterli ısıyı sağlar. Helyum atmosferi altında gerçekleştirilirse, akkor metal, havadaki oksijenle reaksiyona girerek kendi oksidi haline gelmeyecektir; bu nedenle helyum bunun olmasını engeller.

Süperiletkenler

Sıvı helyum, nükleer manyetik rezonans görüntüleme tarayıcılarında kullanılan mıknatısları soğutmak için kullanılır. Kaynak: Jan Ainali

Sıvı helyum o kadar soğuktur ki, metalleri süper iletkenler halinde dondurabilir. Bu sayede görüntü tarayıcılarda veya nükleer manyetik rezonans spektrometrelerinde kullanılan sıvı helyum ile soğutulmuş çok güçlü mıknatıslar üretmek mümkün olmuştur.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya . (Dördüncü baskı). Mc Graw Hill.
2. Andy Extance. (17 Nisan 2019). Uzayda ilk kez helyum hidrit iyonu tespit edildi: Evrenin ilk dakikalarından anlaşılması zor kimya için kanıt bulundu. Chemistryworld.com'dan kurtarıldı
3. Peter Wothers. (19 Ağustos 2009). Helyum. Elementinde Kimya. Chemistryworld.com'dan kurtarıldı
4. Vikipedi. (2019). Helyum. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM ve Bassett, WA (1988). 232 Kbar'a Kadar Helyumun Kristal Yapısı ve Yoğunluğu. Kurtarılan: makaleler.adsabs.harvard.edu
6. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi. (2019). Helyum. PubChem Veritabanı. CID = 23987. Kaynak: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 Şubat 2017). Yukarı, yukarı ve uzağa: Kimyagerler 'evet' diyor, helyum bileşikler oluşturabilir. Utah Eyalet Üniversitesi. Kurtarıldı: phys.org
8. Steve Gagnon. (Sf). Helyum Elementinin İzotopları. Jefferson Lab. Eğitim.jlab.org adresinden kurtarıldı
9. Advameg, Inc. (2019). Helyum. Chemistryexplained.com'dan kurtarıldı