ฮีเลียม: คุณสมบัติ ลักษณะการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อยของกลุ่มที่ 18 ของตารางธาตุ เป็นธาตุที่เบาที่สุดเป็นอันดับสองรองจากไฮโดรเจน ฮีเลียมเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และรสจืด ซึ่งจะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ -268.9 °C จุดเดือดและจุดเยือกแข็งนั้นต่ำกว่าของสารอื่นๆ เป็นองค์ประกอบเดียวที่ไม่แข็งตัวเมื่อเย็นลงที่ความดันบรรยากาศปกติ ฮีเลียมใช้ 25 บรรยากาศที่ 1 K เพื่อให้ฮีเลียมแข็งตัว

ประวัติการค้นพบ

ฮีเลียมถูกค้นพบในบรรยากาศก๊าซรอบดวงอาทิตย์โดยนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ปิแอร์ แจนเซ่น ซึ่งในปี พ.ศ. 2411 ระหว่างคราสได้ค้นพบเส้นสีเหลืองสดใสในสเปกตรัมของโครโมสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ เดิมทีบรรทัดนี้คิดว่าเป็นตัวแทนของธาตุโซเดียม ในปีเดียวกันนั้น นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ โจเซฟ นอร์แมน ล็อกเยอร์ สังเกตเห็นเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ที่ไม่ตรงกับเส้นโซเดียมที่รู้จัก D₁ และ D₂แล้วเขาก็ตั้งชื่อไลน์ของเธอว่า D_{3 Lockyer สรุปว่าเกิดจากสารในดวงอาทิตย์ที่ไม่รู้จักบนโลก เขาและนักเคมี Edward Frankland ใช้ในนามของธาตุชื่อกรีกสำหรับดวงอาทิตย์คือ Helios}

ในปี 1895 นักเคมีชาวอังกฤษ Sir William Ramsay ได้พิสูจน์การมีอยู่ของฮีเลียมบนโลก เขาได้รับตัวอย่างแร่คลีฟไทต์ที่มีแร่ยูเรเนียม และหลังจากตรวจสอบก๊าซที่ก่อตัวขึ้นเมื่อได้รับความร้อน เขาพบว่าเส้นสีเหลืองสดใสในสเปกตรัมใกล้เคียงกับเส้น D_{3 ที่สังเกตได้ใน สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ดังนั้นองค์ประกอบใหม่จึงถูกติดตั้งในที่สุด ในปี 1903 Ramsay และ Frederick Soddu ระบุว่าฮีเลียมเป็นผลผลิตจากการสลายตัวที่เกิดขึ้นเองของสารกัมมันตภาพรังสี}

กระจายในธรรมชาติ

มวลฮีเลียมมีประมาณ 23% ของมวลทั้งหมดของจักรวาล และธาตุนี้มีมากเป็นอันดับสองในอวกาศ มันกระจุกตัวอยู่ในดาวฤกษ์ ซึ่งก่อตัวขึ้นจากไฮโดรเจนอันเป็นผลมาจากการหลอมละลายด้วยความร้อนจากความร้อน แม้ว่าฮีเลียมจะพบในชั้นบรรยากาศของโลกที่ความเข้มข้น 1 ส่วนต่อ 200,000 (5 ppm) และพบในปริมาณเล็กน้อยในแร่ธาตุกัมมันตภาพรังสี เหล็กอุกกาบาต และแร่สปริง แต่ธาตุจำนวนมากพบในสหรัฐอเมริกา (โดยเฉพาะในเท็กซัส นิวยอร์ก) เม็กซิโก แคนซัส โอคลาโฮมา แอริโซนา และยูทาห์) เป็นส่วนประกอบ (มากถึง 7.6%) ของก๊าซธรรมชาติ มีการพบทุนสำรองจำนวนเล็กน้อยในออสเตรเลีย แอลจีเรีย โปแลนด์ กาตาร์ และรัสเซีย ในเปลือกโลกความเข้มข้นของฮีเลียมอยู่ที่ประมาณ 8 ppb เท่านั้น

ไอโซโทป

นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียมแต่ละอะตอมมีโปรตอนอยู่ 2 ตัว แต่ก็มีไอโซโทปเช่นเดียวกับธาตุอื่นๆ ประกอบด้วยนิวตรอน 1 ถึง 6 นิวตรอน ดังนั้นจำนวนมวลของพวกมันจึงอยู่ในช่วงสามถึงแปดเสถียรคือธาตุที่มวลฮีเลียมถูกกำหนดโดยเลขอะตอม 3 (³He) และ 4 (⁴He) ส่วนที่เหลือทั้งหมดเป็นกัมมันตภาพรังสีและสลายตัวอย่างรวดเร็วในสารอื่นๆ ฮีเลียมบนบกไม่ใช่องค์ประกอบดั้งเดิมของโลก แต่เกิดขึ้นจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี อนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของสารกัมมันตภาพรังสีหนักคือนิวเคลียสของไอโซโทป ⁴เขา ฮีเลียมไม่ได้สะสมในปริมาณมากในชั้นบรรยากาศเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกไม่แรงพอที่จะป้องกันไม่ให้มันค่อยๆ หนีออกสู่อวกาศ ร่องรอยของ ³ เขาบนโลกอธิบายโดยการสลายตัวของเบต้าเชิงลบของธาตุหายากไฮโดรเจน-3 (ไอโซโทป) ⁴เขาเป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุด: อัตราส่วนของ ⁴เขาอะตอมต่อ ^{3เขา มีประมาณ 700,000 ต่อ 1 ในบรรยากาศและประมาณ 7 ล้านต่อ 1 ในแร่ธาตุที่มีฮีเลียม}

คุณสมบัติทางกายภาพของฮีเลียม

จุดเดือดและจุดหลอมเหลวขององค์ประกอบนี้ต่ำที่สุด ด้วยเหตุผลนี้ ฮีเลียมจึงมีอยู่ในรูปของก๊าซ ยกเว้นในสภาวะที่รุนแรง ก๊าซ เขาละลายในน้ำน้อยกว่าก๊าซอื่น ๆ และอัตราการแพร่ผ่านของแข็งเป็นสามเท่าของอากาศ ดัชนีการหักเหของแสงเข้าใกล้ 1.มากที่สุด

ค่าการนำความร้อนของฮีเลียมเป็นอันดับสองรองจากไฮโดรเจนเท่านั้น และความจุความร้อนจำเพาะของมันสูงผิดปกติ ที่อุณหภูมิปกติ จะร้อนขึ้นระหว่างการขยายตัว และเย็นตัวลงต่ำกว่า 40 K ดังนั้นที่ T<40 K สามารถแปลงฮีเลียมเป็นของเหลวโดยการขยายตัว

องค์ประกอบเป็นไดอิเล็กตริกหากไม่ได้อยู่ในสถานะแตกตัวเป็นไอออน เช่นเดียวกับก๊าซมีตระกูลอื่น ๆ ฮีเลียมมีระดับพลังงานที่ลุกลามได้ซึ่งปล่อยให้ยังคงแตกตัวเป็นไอออนในการปล่อยไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้ายังคงต่ำกว่าศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออน

ฮีเลียม-4 มีลักษณะพิเศษตรงที่มีของเหลวสองแบบ สารสามัญนี้เรียกว่าฮีเลียม I และมีอยู่ที่อุณหภูมิตั้งแต่จุดเดือด 4.21 K (-268.9 °C) ถึงประมาณ 2.18 K (-271 °C) ต่ำกว่า 2.18 K ค่าการนำความร้อนของ 4เขากลายเป็น 1,000 เท่าของทองแดง แบบฟอร์มนี้เรียกว่าฮีเลียม II เพื่อแยกความแตกต่างจากรูปแบบปกติ เป็นซุปเปอร์ฟลูอิด: ความหนืดต่ำมากจนไม่สามารถวัดได้ ฮีเลียม II กระจายตัวเป็นฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวของสิ่งที่สัมผัส และฟิล์มนี้ไหลโดยไม่เสียดสีแม้ต้านแรงโน้มถ่วง

ฮีเลียม-3 ที่มีปริมาณน้อยจะก่อตัวเป็นของเหลวสามเฟสที่แตกต่างกัน โดยสองเฟสเป็นซุปเปอร์ฟลูอิด ความลื่นไหลเกินใน ⁴เขาถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์โซเวียต Pyotr Leonidovich Kapitsa ในช่วงกลางทศวรรษ 1930 และปรากฏการณ์เดียวกันนี้ใน ^{3เขาสังเกตเห็นครั้งแรกโดย Douglas D Osherov, David M. Lee และ Robert S. Richardson แห่งสหรัฐอเมริกาในปี 1972}

ส่วนผสมของเหลวของไอโซโทปฮีเลียม-3 และ -4 สองไอโซโทปที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.8 K (-272.4 °C) แบ่งออกเป็นสองชั้น - เกือบจะบริสุทธิ์ ³เขาและ ส่วนผสมของ⁴เขากับ 6% ฮีเลียม-3. การละลายของ ³เขากลายเป็น ^{4 เขามาพร้อมกับเอฟเฟกต์ความเย็น ซึ่งใช้ในการออกแบบตู้แช่แข็งซึ่งอุณหภูมิฮีเลียมลดลงต่ำกว่า 0.01 K (-273.14 °C) และคงไว้ที่นั่นเป็นเวลาหลายวัน}

การเชื่อมต่อ

ภายใต้สภาวะปกติ ฮีเลียมจะเฉื่อยทางเคมี ในสภาวะที่รุนแรง คุณสามารถสร้างการเชื่อมต่อองค์ประกอบที่ไม่เสถียรที่อุณหภูมิและความดันปกติ ตัวอย่างเช่น ฮีเลียมสามารถสร้างสารประกอบที่มีไอโอดีน ทังสเตน ฟลูออรีน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน เมื่อถูกปล่อยด้วยไฟฟ้าเรืองแสงเมื่อถูกทิ้งระเบิดด้วยอิเล็กตรอนหรือในสถานะพลาสมา ดังนั้น HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ และ He₂ โมเลกุลไอออนถูกสร้างขึ้น+ ^ไม่2++ ^HeH+ ^{และ HeD+}. เทคนิคนี้ยังทำให้สามารถรับโมเลกุลที่เป็นกลาง He² และ HgHe

พลาสม่า

ในจักรวาล ฮีเลียมแตกตัวเป็นไอออนมีการกระจายอย่างเด่นชัด โดยมีคุณสมบัติแตกต่างจากโมเลกุลอย่างมาก อิเล็กตรอนและโปรตอนของมันไม่จับกัน และมีการนำไฟฟ้าที่สูงมากแม้ในสถานะไอออไนซ์บางส่วน อนุภาคที่มีประจุจะได้รับผลกระทบอย่างมากจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในลมสุริยะ ฮีเลียมไอออน ร่วมกับไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออน จะโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กของโลก ทำให้เกิดแสงออโรร่า

การค้นพบในสหรัฐอเมริกา

หลังจากขุดบ่อน้ำในปี 1903 ได้ก๊าซที่ไม่ติดไฟในเมืองเด็กซ์เตอร์ รัฐแคนซัส ในขั้นต้น ไม่ทราบว่ามีฮีเลียมอยู่ด้วย ก๊าซชนิดใดที่ถูกค้นพบถูกกำหนดโดยนักธรณีวิทยาแห่งรัฐ Erasmus Haworth ใครเก็บตัวอย่างและที่มหาวิทยาลัยแคนซัสด้วยความช่วยเหลือของนักเคมี Cady Hamilton และ David McFarland พบว่าประกอบด้วยไนโตรเจน 72% มีเทน 15% ไฮโดรเจน 1% และ 12% ไม่ได้ระบุ หลังจากการวิเคราะห์เพิ่มเติม นักวิทยาศาสตร์พบว่า 1.84% ของกลุ่มตัวอย่างเป็นฮีเลียม ดังนั้นพวกเขาจึงได้เรียนรู้ว่าองค์ประกอบทางเคมีนี้มีปริมาณมหาศาลในลำไส้ของ Great Plains ซึ่งมันสามารถสกัดได้จากก๊าซธรรมชาติ

การผลิตเชิงอุตสาหกรรม

ทำให้สหรัฐอเมริกาเป็นผู้นำระดับโลกด้านการผลิตฮีเลียม ตามคำแนะนำของเซอร์ ริชาร์ด เทรลฟอลล์ กองทัพเรือสหรัฐฯ ได้ให้ทุนสนับสนุนแก่โรงงานทดลองขนาดเล็กสามแห่งเพื่อผลิตสารนี้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 เพื่อจัดหาก๊าซยกที่มีน้ำหนักเบาและไม่ติดไฟให้กับลูกโป่งกั้นน้ำ โครงการผลิตทั้งหมด 5,700 m3 92% He แม้ว่าจะผลิตก๊าซน้อยกว่า 100 ลิตรก่อนหน้านี้ ปริมาณนี้บางส่วนถูกใช้ในเรือเหาะฮีเลียมลำแรกของโลกคือ C-7 ของกองทัพเรือสหรัฐฯ ซึ่งได้เดินทางครั้งแรกจากแฮมป์ตันโร้ดส์ เวอร์จิเนียไปยังโบลลิงฟิลด์ วอชิงตัน ดี.ซี. เมื่อวันที่ 7 ธันวาคม พ.ศ. 2464

แม้ว่ากระบวนการทำให้เหลวของก๊าซที่อุณหภูมิต่ำยังไม่ก้าวหน้าพอที่จะมีความสำคัญในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง แต่การผลิตยังคงดำเนินต่อไป ส่วนใหญ่ใช้ฮีเลียมเป็นแก๊สยกในเครื่องบิน ความต้องการมันเพิ่มขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เมื่อมันถูกใช้ในการเชื่อมอาร์กหุ้มเกราะ องค์ประกอบนี้มีความสำคัญในโครงการระเบิดปรมาณูด้วยแมนฮัตตัน

หุ้นสหรัฐฯ

ในปี ค.ศ. 1925 รัฐบาลสหรัฐได้จัดตั้งเขตสงวนฮีเลียมแห่งชาติขึ้นที่อามาริลโล รัฐเท็กซัส เพื่อวัตถุประสงค์ในการจัดหาเรือบินทางทหารในยามสงครามและเรือบินเชิงพาณิชย์ในยามสงบ การใช้ก๊าซลดลงหลังสงครามโลกครั้งที่สอง แต่อุปทานเพิ่มขึ้นในทศวรรษ 1950 เพื่อจัดหาน้ำมันหล่อเย็นที่ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงจรวดออกซีไฮโดรเจนในระหว่างการแข่งขันในอวกาศและสงครามเย็น การใช้ฮีเลียมของสหรัฐในปี 2508 มีการบริโภคสูงสุดในช่วงสงครามถึงแปดเท่า

ตามพระราชบัญญัติฮีเลียม พ.ศ. 2503 สำนักงานเหมืองแร่ได้ว่าจ้างบริษัทเอกชน 5 แห่งเพื่อสกัดองค์ประกอบจากก๊าซธรรมชาติ สำหรับโครงการนี้ ได้มีการสร้างท่อส่งก๊าซความยาว 425 กิโลเมตร โดยเชื่อมโรงงานเหล่านี้กับแหล่งก๊าซธรรมชาติที่หมดไปบางส่วนใกล้เมืองอามาริลโล รัฐเท็กซัส ส่วนผสมของฮีเลียมกับไนโตรเจนถูกสูบเข้าไปในห้องเก็บของใต้ดินและคงอยู่ที่นั่นจนกว่าจะจำเป็น

ภายในปี 1995 มีการเก็บสต็อก 1 พันล้านลูกบาศก์เมตร และ National Reserve มีหนี้อยู่ 1.4 พันล้านดอลลาร์ กระตุ้นให้รัฐสภาคองเกรสแห่งสหรัฐอเมริกาเลิกใช้ในปี 1996 หลังจากผ่านกฎหมายแปรรูปฮีเลียมในปี 2539 กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติได้เริ่มชำระบัญชีสถานที่จัดเก็บในปี 2548

ความบริสุทธิ์และปริมาณการผลิต

ฮีเลียมที่ผลิตก่อนปี 2488 มีความบริสุทธิ์ประมาณ 98% ส่วนที่เหลือ 2%คิดเป็นไนโตรเจนซึ่งเพียงพอสำหรับเรือบิน ในปี พ.ศ. 2488 มีการผลิตก๊าซจำนวนเล็กน้อยถึง 99.9 เปอร์เซ็นต์เพื่อใช้ในการเชื่อมอาร์ก ภายในปี 1949 ความบริสุทธิ์ขององค์ประกอบที่ได้นั้นสูงถึง 99.995%

หลายปีที่ผ่านมา สหรัฐอเมริกาผลิตฮีเลียมเชิงพาณิชย์มากกว่า 90% ของโลก ตั้งแต่ปี 2547 มีการผลิต 140 ล้านm3 ต่อปี โดย 85% มาจากสหรัฐอเมริกา 10% จากแอลจีเรีย และส่วนที่เหลือจากรัสเซียและโปแลนด์ แหล่งที่มาหลักของฮีเลียมในโลกคือแหล่งก๊าซของเท็กซัส โอคลาโฮมา และแคนซัส

ขั้นตอนการรับ

ฮีเลียม (ความบริสุทธิ์ 98.2%) สกัดจากก๊าซธรรมชาติโดยการทำให้ส่วนประกอบอื่น ๆ เป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูง การดูดซับก๊าซอื่นๆ ด้วยถ่านกัมมันต์ที่ระบายความร้อนด้วยความเย็นจะมีความบริสุทธิ์ถึง 99.995% ฮีเลียมจำนวนเล็กน้อยผลิตโดยการทำให้อากาศเป็นของเหลวในปริมาณมาก สามารถรับอากาศได้ประมาณ 3.17 ลูกบาศก์เมตร จากอากาศ 900 ตัน เมตรของแก๊ส

พื้นที่สมัคร

ก๊าซมีตระกูลถูกนำมาใช้ในด้านต่างๆ

ฮีเลียมซึ่งมีคุณสมบัติทำให้ได้รับอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ ถูกใช้เป็นสารทำความเย็นใน Large Hadron Collider แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในเครื่อง MRI และสเปกโตรมิเตอร์เรโซแนนซ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ อุปกรณ์ดาวเทียม และสำหรับออกซิเจนเหลว และไฮโดรเจนในจรวด Apollo
เป็นก๊าซเฉื่อยสำหรับเชื่อมอลูมิเนียมและโลหะอื่นๆ ในการผลิตเส้นใยนำแสงและเซมิคอนดักเตอร์
สร้างแรงดันในถังเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้ไฮโดรเจนเหลว เนื่องจากมีเพียงฮีเลียมที่เป็นก๊าซเท่านั้นที่คงสถานะการรวมตัวเมื่อไฮโดรเจนยังคงเป็นของเหลว)
เลเซอร์แก๊ส He-Ne ใช้สำหรับสแกนบาร์โค้ดที่จุดชำระเงินในซูเปอร์มาร์เก็ต
กล้องจุลทรรศน์ฮีเลียมไอออนให้ภาพที่ดีกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
เนื่องจากการซึมผ่านสูง จึงใช้ก๊าซมีตระกูลเพื่อตรวจสอบการรั่วไหล เช่น ระบบปรับอากาศในรถยนต์ และเพื่อขยายถุงลมนิรภัยอย่างรวดเร็วในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ
ความหนาแน่นต่ำให้คุณเติมฮีเลียมในลูกโป่งตกแต่ง ก๊าซเฉื่อยได้แทนที่ไฮโดรเจนที่ระเบิดได้ในเรือบินและบอลลูน ตัวอย่างเช่น ในอุตุนิยมวิทยา บอลลูนฮีเลียมใช้สำหรับยกเครื่องมือวัด
ในเทคโนโลยีไครโอเจนิกส์ มันทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็น เนื่องจากอุณหภูมิขององค์ประกอบทางเคมีนี้ในสถานะของเหลวนั้นต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
ฮีเลียมซึ่งมีคุณสมบัติให้ปฏิกิริยาและความสามารถในการละลายในน้ำ (และเลือด) ต่ำ (และเลือด) ผสมกับออกซิเจน พบการประยุกต์ใช้ในองค์ประกอบการหายใจสำหรับการดำน้ำลึกและการทำงานของกระสุน
อุกกาบาตและหินได้รับการวิเคราะห์สำหรับองค์ประกอบนี้เพื่อกำหนดอายุของพวกมัน