Хелиум

Хелиум (од грчки: ἥλιος, Хелиос - Сонце) — хемиски елемент со симбол He и атомски број 2. Тој е безбоен, без вкус, нетоксичен, инертен, едноатомски гас, прв во групата на благородни гасови во периодниот систем. Неговата точка на вриење е најниска кај сите елементи. По водородот, хелиумот е вториот најлесен и најзастапен елемент во вселената, кој е присутен на околу 24% од вкупната елементарна маса, што е повеќе од 12 пати поголема од масата на сите потешки елементи во комбинација. Нејзиното изобилство е слично на фигурата на Сонцето и Јупитер. Ова се должи на многу високата јадрена врзувачка енергија (на нуклон) на хелиум-4 во однос на следните три елементи по хелиум. Оваа хелиум-4 обврзувачка енергија, исто така, објаснува зошто е производ на јадреното соединување и радиоактивното распаѓање. Повеќето од хелиумот во универзумот е хелиум-4, поголемиот дел од нив е образуван за време на Големата експлозија. Големи количини на нов хелиум се создава со јадрено соединување на водород во ѕвезди.

Хелиум  (₂He)

Спектрални линии на хелиумот
Општи својства
Име и симбол	хелиум (He)
Изглед	безбоен гас, со црвеникаво-портокалов сјај кога е подложен на високонапонско магнетно поле
Хелиумот во периодниот систем
– ↑ He ↓ Ne водород ← хелиум → литиум
Атомски број	2
Стандардна атомска тежина (±) (Ar)	4,002602(2)
Категорија	благороден гас
Група и блок	група 18 (благородни гасови), s-блок
Периода	I периода
Електронска конфигурација	1s2
по обвивка	2
Физички својства
Фаза	гасна
Точка на топење	0,95 K ​(−272,20 °C) (при 2,5 MPa)
Точка на вриење	4,222 K ​(−268,928 °C)
Густина при стп (0 °C и 101,325 kPa)	0,1786 г/Л
кога е течен, при т.т.	0,145 г/см3
кога е течен, при т.в.	0,125 г/см3
Тројна точка	2,177 K, ​5,043 kPa
Критична точка	5,1953 K, 0,22746 MPa
Топлина на топење	0,0138 kJ/mol
Топлина на испарување	0,0829 kJ/mol
Моларен топлински капацитет	20,78 J/(mol·K)
парен притисок (определен со ITS-90) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k при T (K)     1,23 1,67 2,48 4,21
Атомски својства
Оксидациони степени	0
Електронегативност	Полингова скала: нема податоци
Енергии на јонизација	I: 2372,3 kJ/mol II: 5250,5 kJ/mol
Ковалентен полупречник	28 пм
Ван дер Валсов полупречник	140 пм
Спектрални линии на хелиум
Разни податоци
Кристална структура	​шестаголна збиена (шаз)
Брзина на звукот	972 м/с
Топлинска спроводливост	0,1513 W/(m·K)
Магнетно подредување	дијамагнетно
CAS-број	7440-59-7
Историја
Наречен по	Хелиос, старогрчки бог на сонцето
Откриен	Пјер Жансен, Норман Локјер (1868)
Првпат издвоен	Вилијам Ремзи, Пер Теодор Клеве, Абрахам Ланглет (1895)
Најстабилни изотопи
изо ПЗ полураспад РР РЕ (MeV) РП 3He 0,000137 %* 3He е стабилен со 1 неутрон 4He 99,999863 %* 4He е стабилен со 2 неутрони
* Атмосферска вредност; застапеноста може да се разликува во други услови

Хелиумски ласер.

Хелиумот е именуван за грчкиот Титан на сонцето Хелиос.Бил откриен како непознат жолт спектрален линиски потпис на сончева светлина за време на затемнувањето на Сонцето во 1868 година од страна на Жорж Рајет, Капетан К.Т. Хаиг, Норман Р. Посон, и потполковник Џон Хершел и подоцна бил потврден од францускиот астроном Жил Јансен. Јансен честопати е заслужен за откривање на елементот заедно со Норман Локиер. Јансен ја снимил хелиумната спектрална линија за време на затемнувањето на Сонцето од 1868 година, додека Локер го забележал од Британија. Локер бил првиот што предложил дека линијата се должи на нов елемент, кој го именувал. Формалното откривање на елементот било направено во 1895 година од страна на двајца шведски хемичари, Пер Теодор Клив и Нилс Аврам Ленгле, кои пронашле хелиум од ураниумска руда. Во 1903 година, големите резерви на хелиум биле пронајдени во полињата на природен гас во делови од Соединетите Држави, кој денес е најголемиот снабдувач на гасот.

Течниот хелиум се користи во криогениката (неговата најголема единечна употреба, апсорбирајќи околу една четвртина од производството), особено во ладењето на суперкомпјутерски магнети, при што главната комерцијална примена е во скенери за магнетна резонанција. Други индустриски цели на Хелиумот - како гас под притисок и чист воздух, како заштитна атмосфера за лачно заварување и во процеси како што се растечки кристали за да се направат силициумски вафли - износот на половина од произведениот гас. Добро позната, но мала употреба има како подигнување на гас и воздушни бродови. Како и кај секој гас чија густина се разликува од онаа на воздухот, вдишувањето на мал волумен на хелиум привремено го менува тембрејот и квалитетот на човечкиот глас. Во научните истражувања, однесувањето на двете течни фази на хелиум-4 (хелиум I и хелиум   II) е важно за истражувачите кои ја проучуваат квантната механика (особено својството на суперфлудичност) и оние кои гледаат во феноменот, како што е суперспроводливоста, произведена во материјата во близина на апсолутна нула.

На Земјата е релативно ретка - 5.2 милиони делови по волумен во атмосферата. Најголемиот дел од терестријален хелиум денес е создаден со природно радиоактивно распаѓање на тешки радиоактивни елементи (ториум и ураниум, иако има и други примери), бидејќи алфа-честичките кои се емитираат од таквите распади се состојат од јадра на хелиум-4. Овој радиоген хелиум е заглавен со природен гас во концентрации поголем од 7% по волумен, од којшто се екстрахира комерцијално со нискотемпературен процес на сепарација наречен фракционална дестилација. Претходно, терестријалниот хелиум - необновлив ресурс, затоа што еднаш пуштен во атмосфера, лесно исчезнал во вселената - мислел дека е сѐ пократок. Сепак, неодамнешните студии укажуваат на тоа дека хелиумот произведен длабоко во земјата со радиоактивното распаѓање може да се собере во резервите на природен гас во поголеми количини од очекуваните во некои случаи кои биле ослободени од вулканска активност.

Историја

Научни откритија

Првиот доказ за хелиум бил забележан на 18 август 1868 година како светло-жолта линија со бранова должина од 587,49 нанометри во спектарот на хромосферата на Сонцето. Линијата е откриена од страна на францускиот астроном Жулс Јансен за време на вкупно затемнување на Сонцето во Гунтур, Индија. Оваа линија првично линија претпоставувана како натриум. На 20 октомври истата година, англискиот астроном Норман Локиер забележал жолта линија во сончевиот спектар, кој го нарекол D_3, бидејќи тоа е во близина на познати D и D _{1 2} Фраунхоферови линии на натриум. Тој заклучил дека бил предизвикан од елемент на Сонцето непознат на Земјата. Локер и англискиот хемичар Едвард Франклен го именувале елементот со грчкиот збор за Сонце, ἥλιος (хелиос).

Спектрални линии на хелиум

Во 1881 година, италијанскиот физичар Лујџи Палмиери открил хелиум на Земјата за првпат преку своите D ₃ спектрални линии, кога се анализираат материјали кој се сублимирани за време на неодамнешната ерупција на Везув.

Сер Вилијам Ремзи, откривач на копнениот хелиум

Примерот на клевеитот од којшто Ремзи прво го прочисти хелиумот.

На 26 март 1895 година, шкотскиот хемичар сер Вилијам Ремзи го изолирал хелиумот на Земјата со третирање на минералниот клевејт (разновиден уранинит со најмалку 10% ретки земјени елементи) со минерални киселини. Ремзи барал аргон, но, по одвојување на азот и кислород од гасот ослободен од сулфурна киселина, забележал жолта линија што одговарала на линијата D ₃ забележана во спектарот на Сонцето. Овие примероци биле идентификувани како хелиум од Локер и британскиот физичар Вилијам Крукс. Таа била независно изолирана од клевејт истата година од страна на хемичарите Пер Теодор Клев и Абрахам Ланглет во Упсала, Шведска, кои собрале доволно гас за прецизно одредување на нејзината атомска тежина. Хелиумот, исто така, бил изолиран од геохемичарот од Соединетите Држави, Вилијам Френсис Хилебранд пред откривањето на Рамзеј кога забележа невообичаени спектрални линии додека тестира примерок од минералниот уранинит. Сепак, Хилебранд ги припишувал линиите на азот. Неговото честитка до Ремзи дала интересен случај на откривање и откривање во науката.

Во 1907 година, Ернест Ратерфорд и Томас Ројдс демонстрирале дека алфа-честичките се јадра на хелиумот, дозволувајќи им на честичките да навлезат во тенкиот стаклен ѕид на евакуирана цевка, а потоа создаваат испуст во цевката за да го проучат спектарот на новиот гас внатре. Во 1908 година, хелиумот првпат течел од холандскиот физичар Хајке Камерлинг Оннес со ладење на гасот на помалку од еден келвин. Тој се обидел да го зацврсти со понатамошно намалување на температурата, но не успеал бидејќи хелиумот не се зацврстил при атмосферскиот притисок. Студентот на Онес ' Вилем Хендрик Кисом на крајот успеал да зацврсти 1   cm ³ од хелиум во 1926 година со примена на дополнителен надворешен притисок.

Во 1913 година, Нилс Бор ја објавил својата "трилогија" за атомска структура која вклучувала преиспитување на Пикеринг-Фаулеровата серија како централен доказ за поддршка на неговиот модел на атомот. Оваа низа е именувана за Едвард Чарлс Пикеринг, кој во 1896 година објави забелешки за претходно непознати линии во спектарот на ѕвездата ζ Puppis (овие сега се познати кај Волф-Рајет и други топли ѕвезди). Пикеринг го припишал набљудувањето (линии на 4551, 5411 и 10123   Å) на ново облик на водород со полуцелно ниво на преод. Во 1912 година, Алфред Фаулер успеа да создаде слични линии од мешавина на водород-хелиум и го поддржал заклучокот на Пикеринг за нивното потекло. Боровиот модел не дозволувал полуцеловидни транзиции (ниту квантната механика) и Бор заклучиле дека Пикеринг и Фаулер се погрешни, и наместо тоа, овие спектрални линии ги распределуваат на јонизираниот хелиум He ⁺. Фаулер првично бил скептичен но на крајот бил убеден дека Бор е точен, и до 1915 година "спектроскопистите ја пренесле [серијата Пикеринг-Фаулер] дефинитивно [од водород] до хелиум". Теоретската работа на Бор на Пикеринговата низа ја покажала потребата за "преиспитување на проблемите што се чинеше веќе решени во рамките на класичните теории" и дадоа важни потврди за неговата атомска теорија.

Во 1938 година, рускиот физичар Петр Леонидович Капица открил дека хелиум-4 нема речиси никаква вискозност при температури близу апсолутна нула, феномен што сега се нарекува суперфлудизам. Овој феномен е поврзан со кондензацијата на Бозе-Ајнштајн. Во 1972 година, истиот феномен бил забележан во хелиум-3, но на температури многу поблизу до апсолутната нула, од страна на американските физичари Даглас Д. Ошероф, Дејвид М. Ли и Роберт Ричардсон. Феноменот во хелиум-3 се смета дека е поврзан со спарувањето на хелиум-3 фермиони за да се направи бозони, аналогно на Купер-парови на електрони кои произведуваат суперспроводливост.

Екстракција и употреба

Историски бележник, означувајќи голем хелиум, се наоѓа во близина на Декстер, Канзас.

По операцијата за копање на нафта во 1903 година во Декстер, Канзас, произвел гасификатор кој не го запалил, државниот геолог Енсмус Хаворт од Канзас собрал примероци од гасовите што излегувале и ги враќале на Универзитетот во Канзас во Лоренс, каде што, со помош на хемичари Хамилтон Кади и Дејвид Мекфарланд откриле дека гасот се состои од 72% азот, 15% метан (запалив процент само со доволен кислород), 1% водород и 12% неидентификуван гас. Со понатамошни анализи, Кејди и МекФарланд откриле дека 1,84% од примерокот на гас е хелиум. Ова покажало дека и покрај севкупната реткост на Земјата, хелиумот е концентриран во големи количини под американската Голема рамнина, достапен за екстракција како нуспроизвод од природен гас.

Ова овозможило Соединетите Држави да станат водечки снабдувач на хелиум во светот. По предлог од сер Ричард Трелфлф, морнарицата на Соединетите Држави ги спонзорирала трите мали опитни погони за хелиум за време на Првата светска војна. Целта била да бидат снабдени балони со барун со незапалив, полесен гас од воздух. Вкупно 5700 м³ од 92% хелиум е произведена во програмата, иако претходно е добиено помалку од еден кубен метар на гасот. Нешто од овој гас се користел на првиот авион наполнет со хелиум, C-7 на морнарицата на САД, кој на 1 декември 1921 година полетал со своето прво патување од Хемптон Роудс, Вирџинија, до Болинг поле во Вашингтон, скоро две години пред првото круто воздушно полнење со хелиум, Фабриката за поморски авиони- изградена од Шенандоа, полета во септември 1923 година.

Иако постапката на екстракција, користејќи направа за топење на гас со ниска температура, не била развиен во време да биде значаен за време на Првата светска војна, продолжило производството. Хелиум првенствено бил користен како гас за подигнување во полесни летала. За време на Втората светска војна, побарувачката се зголеми за хелиум за дигање на гас и за заштитено лачно заварување. Хелиумискиот масен спектрометар бил од витално значење и во проектот за атомска бомба Менхетен.

Владата на Соединетите Држави го створила Националниот хелиумски резерват во 1925 година во Амариљо, Тексас, со цел да обезбеди воени авиони во време на војна и комерцијални авиони во мир. Поради хелиумскиот акт од 1925 година, со кој се забрани извозот на ретки хелиум на кој тогаш Соединетите Држави имале производствен монопол, заедно со високата цена на гасот, Хинденбург, како и сите германски Цепелини, бил принуден да го користи водородот како лифт гас. Пазарот на хелиум по Втората светска војна бил опаднат, но резерватот бил проширен во 1950-тите за да обезбеди снабдување на течен хелиум како средство за ладење за да создаде кислород / водороден ракетно гориво (меѓу другото) за време на вселенската трка и Студената војна. Употребата на хелиум во САД во 1965 година била повеќе од осум пати поголема од потрошувачката на војна.

По "Хелиумските промени од 1960 година" (Јавно право 86-777), американското Биро за рударство организираше пет приватни фабрики за враќање на хелиум од природен гас. За оваа програма за конзервација на хелиум, Бирото изгради 684 км од Буштон, Канзас, за да ги поврзат тие постројки со делумно осиромашената гасна поле на Клифсајд близу Амарило, Тексас. Оваа мешавина на хелиум-азот била вбригзувана и складирана во полето за гас Клифсајд додека не е потребно, а потоа било дополнително прочистено.

До 1995 година, биле собрани една милијарда кубни метри гас и резервите биле 1,4 долари   милијарди долари, поради што Конгресот на Соединетите Држави во 1996 година го отстрани резервниот фонд. Како резултат на тоа, Законот за приватизација на хелиумот од 1996 година (Јавен закон 104-273) го насочи Министерството за внатрешни работи на САД да ја испразни резервата, со продажба почнувајќи од 2005 година.

Хелиум произведен помеѓу 1930 и 1945 година бил околу 98,3% чист (2% азот), што било соодветно за авионски авиони. Во 1945 година, мала количина од 99,9% хелиум била произведена за заварување. До 1949 година, биле достапни комерцијални количини од А класа од 99,95% хелиум.

За многу години, САД произведе повеќе од 90% од комерцијално употребливи хелиум во светот, додека екстракционите постројки во Канада, Полска, Русија и други нации го произведоа остатокот. Во средината на 1990-тите, нова фабрика во Аржев, Алжир, која произведува 17 милиони кубни метри (600 милиони кубни метри) започна со работа, со доволно производство за да го покрие целокупното барање на Европа. Во меѓувреме, до 2000 година, потрошувачката на хелиум во САД се зголеми на повеќе од 15 милиони килограми годишно. Во 2004-2006 година биле изградени дополнителни постројки во Рас Лафан, Катар и Скикда, Алжир. Алжир брзо стана втор водечки производител на хелиум. Преку овој период, потрошувачката на хелиум и трошоците за производство на хелиум се зголемија. Од 2002 до 2007 година цените на хелиумот се зголемија двојно.

Согласно 2012 година, Националната хелиумска резерва на САД изнесува 30 проценти од хелиум во светот. Резервата се очекуваше да истече од хелиум во 2018 година. И покрај тоа, предложениот предлог-закон во Сенатот на САД ќе дозволи резерва да продолжи да го продава гасот. Други големи резерви биле во Хуготон во Канзас, и во блиските гасни полиња на Канзас и панданите на Тексас и Оклахома. Новите хелиумски растенија требале да бидат отворени во 2012 година во Катар, Русија и во Вајоминг, но не било очекувано да го олеснат недостатокот.

Во 2013 година, Катар ја започна најголемата хелиумска единица во светот, иако дипломатската криза во Катар во 2017 година сериозно го погодила производството на хелиум. 2014 година било широко признаено дека е година на преснабдување во бизнисот со хелиум, по неколкугодишни реномирани недостатоци. Насдак објавил (2015) дека за Air Products, меѓународна корпорација која продава гасови за индустриска употреба, волуменот на хелиум останува под економски притисок поради ограничувањата во снабдувањето со суровини.

Особености

Атомот на хелиум

Атомот на хелиум. Прикажани се се јадрото (розова) и распределбата на облак на електрони (црно). Јадрото (горниот десен) во хелиум-4 е во реалноста сферично симетрично и многу наликува на електронскиот облак, иако за покомплицирани јадра ова не е секогаш случај.

Хелиум во квантната механика

Во перспектива на квантната механика, хелиумот е втор наједноставен атом за модел, следејќи го водородниот атом. Хелиумот е составен од два електрони во атомски орбитали околу јадрото кое содржи два протони и (обично) два неутрони. Како и во Њутновата механика, ниту еден систем кој се состои од повеќе од две честички може да се реши со точен аналитички математички пристап (видете го проблемот со 3 тела) и хелиумот не е исклучок. Така, се потребни бројчени математички методи, дури и да се реши системот на едно јадро и два електрони. Таквите пресметковни хемиски методи се користат за да се создаде квантна механичка слика на врзувањето на хелиум врз електрони, што е точно во рамките на <2% од точната вредност, во неколку пресметковни чекори. Таквите модели покажуваат дека секој електрон во хелиум делумно го отсликува јадрото од другото, така што делотворното јадрено полнење Z, кое секој електрон го гледа, е околу 1,69 единици, а не 2 обвиненија за класичното "голи" хелиумски јадро.

Соодветната стабилност на јадрото хелиум-4 и електрони школка

Јадрото на атомот хелиум-4 е идентично со алфа-честичка. Експериментите со високоенергетски електронски расфрлања го покажуваат својот полнеж да се намалат експоненцијално од максимум во централна точка, токму како и густината на полнежот на електронскиот облак на хелиумот. Оваа симетрија ја одразува сличната основна физика: пар на неутрони и пар протони во јадрото на хелиумот ги почитуваат истите квант-механички правила како пар на електрони на хелиум (иако јадрените честички се предмет на друг јадрен обврзувачки потенцијал), така што сите овие фермионите целосно окупираат 1S орбитали во парови, ниту еден од нив не поседува орбитален аголен импулс, и секој го откажува вродениот спин на другиот. Додавањето на друга од која било од овие честички би барало аголен импулс и би ослободиле значително помалку енергија (всушност, нема јадро со пет нуклони е стабилно). Овој аранжман е енергетски екстремно стабилен за сите овие честички, а оваа стабилност е причина за многу клучни факти во врска со хелиумот во природата.

На пример, стабилноста и ниската енергија на состојбата на електронски облаци во хелијата ја земаат хемиската инертност на елементот, а исто така и недостатокот на интеракција на атомите на гели едни со други, што ги произведува најниските точки на топење и вриење на сите елементи.

На сличен начин, посебната енергетска стабилност на јадрото хелиум-4, произведена од слични ефекти, ја објаснува леснотијата на производство на хелиум-4 во атомски реакции кои вклучуваат емисија на тешки честички или соединување. Некои стабилни хелиум-3 (2 протони и 1 неутрон) се произведуваат во реакции на соединување од водород, но тоа е многу мала фракција во споредба со многу поволниот хелиум-4.

Врзувањето на енергијата на нуклеонот на обичните изотопи. Врзивната енергија по честичка од хелиум-4 е значително поголема од сите нуклиди во близина.

Необичната стабилност на јадрото хелиум-4 исто така е важна космолошки : го објаснува фактот дека во првите неколку минути по Биг Бенг, како "супа" на слободни протони и неутрони, кои првично биле создадени со околу 6: 1 сооднос охладено до точка дека јадреното врзување е можно, скоро сите први соединени атомски јадра за да се образуваат биле хелиум-4 јадра. Толку тесно бил хелиум-4 обврзувачки дека производството на хелиум-4 потрошило речиси сите слободни неутрони за неколку минути, пред да може да бета-распаѓање, а исто така оставајќи неколку да образуваат потешки атоми како што се литиум, берилиум или бор. Хелиум-4 јадреното врзување врз нуклеонот е посилно отколку кај било кој од овие елементи (види нуклеогенеза и врзивната енергија) и со тоа, откако хелиумот бил создаден, не бил достапен енергетски погон за да се направат елементи 3, 4 и 5. Едвај бил енергично поволен за хелиум да се спои во следниот елемент со помала енергија по нуклеон, јаглерод. Меѓутоа, поради недостиг на меѓупроизводни елементи, оваа постапка барала три јадра на хелиум што се напаѓаат речиси скоро истовремено (види троен алфа-процес). Така, немало време да биде создаден значителен јаглен за неколку минути по Големата експлозија, пред раниот проширен универзум да се олади до температурата и притисочната точка каде што соединувањето на хелиум на јаглерод повеќе не било можно. Ова го оставило раниот универзум со многу сличен однос на водород/хелиум како што е забележано денес (3 делови водород до 1 дел хелиум-4 по маса), со речиси сите неутрони во универзумот заглавени во хелиум-4.

Сите потешки елементи (вклучувајќи ги и оние неопходни за карпести планети како Земјата, и за јаглерод или друг живот) се создадени од Големиот Бен во ѕвездите кои биле доволно топли за да го спојат хелиумот. Сите елементи, освен водородот и хелиумот денес, сочинуваат само 2% од масата на атомска материја во универзумот. Хелиум-4, пак, сочинува околу 23% од обичната материја на универзумот - скоро сите обични материи што не се водород.

Гасни и плазма фази

Хелиумска цевка за празнење обликувана како атомски симбол на елементот

Хелиум е втор најмалку реактивен благороден гас по неон, а со тоа и втор најмалку реактивен од сите елементи. Тој е хемиски инертен и едностран во сите стандардни услови. Поради релативно ниската моларна (атомска) маса на хелиум, неговата топлинска спроводливост, специфичната топлина и брзината на звукот во гасната фаза се поголеми од било кој друг гас освен водородот. Од овие причини и малата големина на хелиумски едноатомски молекули, хелиумот дифундира преку цврсти материи со брзина трипати поголема од воздухот и околу 65% од водородот.

Хелиум е најмалку вода- растворлив едноатомен гас, и една од најмалку растворливи во вода, на која било гас (CF _4, SF _6, и C ₄ F ₈ имаат пониски мол дел растворливост: 0,3802, 0,4394 и 0,2372 x ₂ / 10 ^-5, соодветно, наспроти хелиум е 0,70797 x _2/10 ^-5), и хелиум е показател на прекршување е поблиску до единство од онаа на било која друга гас. Хелиум има негативен коефициент на Џуле-Томсон при нормални температури на околината, што значи дека се загрева кога е дозволено слободно да се прошири. Само под неговата инверзија на Џуле-Томсон (од околу 32 до 50   K во 1 атмосфера) не се олади со слободна експанзија. Откако ќе се загрее под оваа температура, хелиумот може да се тецифицира преку експанзионо ладење.

Повеќето вонземски хелиум се наоѓа во состојба на плазма, со својства сосема различни од оние на атомскиот хелиум. Во плазмата, електроните на хелиумот не се врзани за неговото јадро, што резултира со многу висока електрична спроводливост, дури и кога гасот е само делумно јонизиран. Наелектризираните честички се под големо влијание на магнетните и електричните полиња. На пример, во сончевиот ветер заедно со јонизираниот водород, честичките се поврзуваат со магнетосферата на Земјата, што доведува до струи на Биркленд и на аурората.

Течен хелиум

Течен хелиум. Овој хелиум не е само течен, но е оладен до точка на суперфлуидност. Капката течност на дното на стаклото претставува хелиум спонтано избега од контејнерот над страната, за да се испразни од контејнерот. Енергијата за да се вози овој процес е обезбедена од потенцијалната енергија на падот на хелиумот.

За разлика од кој било друг елемент, хелиумот ќе остане течен до апсолутна нула при нормални притисоци. Ова е директен ефект на квантната механика: конкретно, нултата точка на енергијата на системот е премногу висока за да се овозможи замрзнување. Цврстиот хелиум бара температура од 1-1,5   К (околу -272   °C или -457   °F) на околу 25 бари (2.5   MPa) на притисок. Често е тешко да се направи разлика помеѓу цврстиот течен хелиум бидејќи показателот на прекршување на двете фази е речиси ист. Цврстиот има остар точка на топење и има кристална структура, но е многу компресибилен ; Примена на притисок во лабораторија може да го намали својот волумен за повеќе од 30%. Со голем модул од околу 27 MPa е 100 пати повеќе компримиран од вода. Солидниот хелиум има густина од 0,214 ± 0,006 во 1.15   К и 66   atm; проектираната густина на 0   К и 25 бари (2,5 MPa) е 0,187 ± 0,009. На повисоки температури, хелиумот ќе се зацврсти со доволен притисок. На собна температура, ова бара околу 114.000 атм.

Хелиум I

Под точката на вриење од 4,22 келвини и над ламбда точка од 2,1768 келвини, изотопот хелиум-4 постои во нормална безбојна течна состојба, наречена хелиум  I. . Како и другите кримогени течности, хелиум   Јас врие кога се загрева и склучува договори кога неговата температура е спуштена. Меѓутоа, под ламбдалната точка, хелиумот не врие, и се шири додека температурата се намалува понатаму.

Хелиум   Имам гас- показател на прекршување од 1.026 што го прави нејзината површина толку тешко да се види дека подвизите на стиропор често се користат за да се покаже каде е површината. Оваа безбојна течност има многу ниска вискозност и густина од 0,145-0,125 g / ml (помеѓу околу 0 и 4 K), што е само една четвртина се очекува од вредноста класичната физика . Квантната механика е потребна за да се објасни оваа особина и затоа двата состојби на течен хелиум (хелиум I и хелиум II) се наречени квантни флуиди, што значи дека тие прикажуваат атомски својства на макроскопска скала. Ова може да биде ефект на нејзината точка на вриење толку блиску до апсолутна нула, што спречува случајно движење на молекулите (топлинска енергија) од маскирање на атомските својства.

Хелиум II

Течен хелиум под неговата ламбда точка (наречен хелиум   II) покажува многу невообичаени одлики. Поради високата топлинска спроводливост, кога врие, не се меур туку испарува директно од неговата површина. Хелиум-3, исто така, има суперфлуидна фаза, но само при многу пониски температури; Како резултат на тоа, помалку е познато за својствата на изотопот.

За разлика од обичните течности, хелиум   II ќе лази заедно површини со цел да се постигне еднакво ниво; по кратко време, нивоата во двата контејнери ќе се изедначат. Филмот „Ролин“, исто така, ја покрива внатрешноста на поголемиот контејнер; ако не била запечатена, хелиумот   II ќе лази и ќе избегам.

Хелиум   II е супертечна, квантна механичка состојба (види: макроскопските квантни појави) на материјата со чудни својства. На пример, кога тече низ капилари како тенки како 10 ⁻⁷ до 10 ⁻⁸   m нема мерлива вискозност. Меѓутоа, кога биле извршени мерења помеѓу два подвижни дискови, забележана е вискозност споредлива со онаа на гасовитиот хелиум. Тековната теорија го објаснува ова со користење на дво-течен модел за хелиум II. Во овој модел течен хелиум под ламбда-точката се смета дека содржи дел од атоми на хелиум во основната состојба, кои се суперфлуидни и проток со точно нула вискозност и дел од атомите на хелиум во возбудена состојба, кои се однесуваат повеќе како обична течност.

Во ефектот на фонтана се гради комора која е поврзана со резервоар од хелиум   II со синтеруван диск низ кој лесно се провлекува суперфлуидниот хелиум, но преку кој не-суперфлуидниот хелиум не може да помине. Ако внатрешноста на контејнерот се загрева, суперфлуидниот хелиум се менува во не-суперфлуиден хелиум. Со цел да се одржи рамнотежата на суперфлуидниот хелиум, суперфлуидниот хелиум протекува и го зголемува притисокот, предизвикувајќи течност да излегува од контејнерот.

Топлинска спроводливост на хелиум   II е поголема од онаа на која било друга позната супстанција, милион пати поголема од онаа на хелиумот   Јас и неколку стотици пати повеќе од бакар. Тоа е затоа што топлината се спроведува со исклучителен квантен механизам. Повеќето материјали кои вршат топлина добро имаат валентни ленти на слободни електрони кои служат за пренос на топлина. Хелиум   II нема таков валентни бенд, но сепак добро ја спроведува топлината. Протокот на топлина се регулира со равенки кои се слични на бранова равенка која се користи за да се одликува звучното ширење во воздухот. Кога се воведува топлина, се движи со 20 метри во секунда на 1,8   К преку хелиум   II како бранови во феномен познат како „втор звук“.

Хелиум   II, исто така, покажува притаен ефект. Кога површината се протега минатото на нивото на хелиум   II, хелиумот   II се движи по површината, против силата на гравитацијата. Хелиум   II ќе избегам од сад што не е запечатен со прилепување долж страните додека не стигне до потоплото подрачје каде што испарува. Се движи во 30   nm- точен филм без оглед на површинскиот материјал. Овој филм се вика филм Роллин и е именуван по човекот кој прв ја карактеризира оваа особина, Бернард В. Ролин. Како резултат на ова ползувачко однесување и хелиум   Можноста II да брзо истекува низ мали отвори, многу е тешко да се ограничи течниот хелиум. Освен ако садот е внимателно конструиран, хелиумот   II ќе лази по површините и низ вентилите додека не стигне донекаде потопло, каде што ќе исчезне. Браните што се шират низ филмот на Ролин се регулираат со истата равенка како гравитациски бранови во плитката вода, но наместо гравитацијата, силата на враќање е ван дер Валсовата сила. Овие бранови се познати како „трет звук“.

Изотопи

Постојат девет познати изотопи на хелиум, но само хелиум-3 и хелиум-4 се стабилни. Во атмосферата на Земјата, еден атом е 3
He за секој милион што е 4
He. За разлика од повеќето елементи, изотопското изобилство на хелиумот варира во голема мера по потекло, поради различните постапки на образување. Најчестиот изотоп, хелиум-4, се произведува на Земјата со алфа распаѓање на потешки радиоактивни елементи; алфа-честичките кои се појавуваат се целосно јонизирани хелиум-4 јадра. Хелиум-4 е невообичаено стабилно јадро, бидејќи неговите нуклони се распоредени во комплетни школки. Исто така, била образувана во огромни количини за време на нуклеосинтезата на Биг Бенг.

Хелиум-3 е присутен на Земјата само во износот на траги. Повеќето од нив се присутни од образувањето на Земјата, иако некои паѓаат на Земјата заробени во вселенска прашина. Количините во траги се исто така произведени од бета распаѓањето на трициум. Камењата од Земјината кора имаат изотопски количини кои се разликуваат од колку што е десетка, и овие стапки може да се искористат за испитување на потеклото на карпите и составот на Земјиниот плашт. 3
He е многу побогат во ѕвездите како производ на јадрено соединување. Така, во меѓуѕвездената средина, процентот на 3
He до 4
He е околу 100 пати повисок отколку на Земјата. Дополнителниот планетарен материјал, како што се Месечината и астероидот реголит, има траги од хелиум-3 од се бомбардирани од страна на сончеви ветрови. Површината на Месечината содржи хелиум-3 во концентрации од 10 ppb, многу повисоки од приближно 5 ppt во атмосферата на Земјата. Голем број луѓе, почнувајќи со Гералд Кулчински во 1986 година, предложија да го истражат месечината, минатиот месечев реголит и да го користат хелиумот-3 за соединување.

Течниот хелиум-4 може да се излади на околу 1 келвин, користејќи испарливо ладење во тенџере со 1 К. Сличното ладење на хелиум-3, кое има пониска точка на вриење, може да постигне околу 0,2 во фрижидер со хелиум-3. Еднакви мешавини на течност 3
He и 4
He под 0,8 одделуваат во две немисени фази поради нивната различност (тие следат различни квантни статистики : хелиум-4 атоми се бозони додека хелиум-3 атоми се фермиони). Фрижидерите за разредување ја користат оваа мешавина за да се постигнат температури од неколку миликлини.

Можно е да се произведат егзотични изотопи на хелиум, кои брзо се распаѓаат во други супстанции. 7,6 тежок хелиум изотоп е најтешкиот хелиум-5 со полуживот од 7,6. Хелиум-6 се распаѓа со испуштање на бета-честичка и има полуживот од 0,8 секунди. Хелиум-7, исто така, испушта бета-честички, како и гама-зраци. Хелиум-7 и хелиум-8 се создадени во одредени јадрени реакции. Хелиум-6 и хелиум-8 се познати како изложени на јадрен ореол.

Соединенија

Структура на хелиум хидрид јон, HHe ⁺

Структура на осомничениот флуорохелиатен анјон, OHeF ^-

Хелиум има валентност од нула и е хемиски нереактен во сите нормални услови. Тоа е електричен изолатор, освен ако не е јонизиран. Како и кај другите благородни гасови, хелиумот има метастабилни нивоа на енергија што му овозможуваат да остане јонизиран во електричното празнење со напон под нејзиниот потенцијал на јонизација. Хелиум може да образува нестабилни соединенија, познати како ексцимери, со волфрам, јод, флуор, сулфур и фосфор кога е подложен на сјаен исцедок, на електронското бомбардирање или се намалува во плазма со други средства. Молекуларните соединенија HeNe, HgHe ₁₀ и WHe ₂, како и молекуларните јони He+
2 </br> He+
2, He2+
2 </br> He2+
2, HeH⁺ </br>, и HeD⁺ </br> се создадени на овој начин. HeH ⁺ е исто така стабилен во својата основна состојба, но е исклучително реактивен - тоа е најсилната Бренстедова киселина позната и затоа може да постои само во изолација, бидејќи ќе протонира било која молекула или контраација што ја контактира. Оваа техника, исто така, произведува неутрална молекула He ₂, која има голем број на ленти системи, и HgHe, кој очигледно се одржува заедно со сили за поларизација.

Ван дер Валсовите соединенија на хелиум, исто така, може да се образуваат со криогенски хелиумски гас и атоми од некоја друга супстанција, како што се LiHe и He2.

Теоретски, може да бидат можни и други вистински соединенија, како хелиум флуорохидрид (HHeF), кој ќе биде аналогно на HArF, откриен во 2000 година. Пресметките покажуваат дека две нови соединенија кои содржат врска со хелиум-кислород може да бидат стабилни. Два нови молекуларни видови, предвидени со употреба на теорија, CsFHeO и N (CH ₃) ₄ FHeO, се деривати на метастабилен FHeO ^- анјон кој прв бил теоризиран во 2005 година од група од Тајван. Ако е потврдено со опитот, единствениот преостанат елемент без познати стабилни соединенија би бил неон.

Хелиумските атоми се вметнати во молекулите на шупливи јаглеродни кафези (фулирените) со загревање под висок притисок. Облиците на ендодерната фулерена се стабилни на високи температури. Кога се образувани хемиски деривати на овие фулерини, хелиумот останува внатре. Ако се користи хелиум-3, може лесно да се набљудува со хелиум јадрена магнетна резонантна спектроскопија. Пријавени се многу фурирени кои содржат хелиум-3. Иако атомите на хелиумот не се прикачени со ковалентни или јонски врски, овие супстанции имаат различни својства и дефинитивен состав, како и сите стехиометриски хемиски соединенија.

Под високи притисоци хелиумот може да образува соединенија со разни други елементи. Хелиум-азот клатрат (He (N ₂) ₁₁) кристали се одгледуваат на собна температура при притисок приближно. 10 GPa во дијамантска наковална ќелија. Изолациониот електрод Na <sub id="mwAg4">2</sub> Тој се покажа дека е термодинамички стабилен при притисоци над 113 GPa. Таа има структура на флуорит.

Појавување и производство

Природно изобилство

Иако е ретко на Земјата, хелиумот е втор најзастапен елемент во познатиот Универзум (по водородот), што претставува 23% од нејзината барионска маса. Најголемиот дел од хелиумот бил создаден од нуклеосинтезата на Големата експлозија една до три минути по Големата експлозија. Како такви, мерењата на нејзиното изобилство придонесуваат за космолошки модели. Во ѕвездите, тој е создаден од јадреното соединување на водород во реакциите на протонски протон и CNO циклусот, дел од ѕвездената нуклеосинтеза.

Во атмосферата на Земјата, концентрацијата на хелиум по волумен е само 5.2 делови на милион. Концентрацијата е ниска и прилично постојана и покрај континуираното производство на нов хелиум, бидејќи повеќето хелиум во атмосферата на Земјата избега во вселената со неколку процеси. Во хетеросферата на Земјата, дел од горната атмосфера, хелиум и други полесни гасови се најобемните елементи.

Повеќето хелиум на Земјата е резултат на радиоактивното распаѓање. Хелиум се наоѓа во големи количини во минерали на ураниум и ториум, вклучувајќи кливеит, пичбленд, карнотит и монацит, бидејќи тие емитираат алфа-честички (хелиум, тој ²⁺⁾ на која електрони веднаш се комбинираат штом честичката е запрен од страна на карпата. На овој начин, околу 3000 метрички тони хелиум се генерираат годишно низ литосферата. Во Земјината кора, концентрацијата на хелиумот е 8 делови на милијарда. Во морска вода, концентрацијата е само 4 делови на трилиони. Исто така, постојат мали количини во минерални извори, вулкански гас и метеорско железо. Бидејќи хелиумот е заглавен во подземјето под услови кои исто така заглавуваат природен гас, најголемите природни концентрации на хелиум на планетата се наоѓаат во природниот гас, од кој се исфрла повеќето комерцијални хелиум. Концентрацијата варира во широк опсег од неколку ppm до повеќе од 7% во малото поле за гас во округот Сан Хуан, Ново Мексико.

Од 2011 светските хелиумски резерви се проценети на 40 милијарди кубни метри, а една четвртина од нив се наоѓаат во Јужниот Парс / Северна Купола, гас-кондензат, во сопственост на Катар и Иран. Во 2015 и 2016 година најавени се веродостојни резерви под роклиските планини во Северна Америка и во источна Африка.

Модерна екстракција и дистрибуција

За широка употреба, хелиумот се екстрахира со фракционална дестилација од природен гас, кој може да содржи дури 7% хелиум. Бидејќи хелиумот има пониска точка на вриење од било кој друг елемент, ниски температури и висок притисок се користат за да се втечнат речиси сите други гасови (претежно азот и метан). Како резултат на суровата хелиум гас се прочистува со последователни изложености на пониски температури, во кои речиси сите останати азотни и други гасови се преципитираат од гасовита мешавина. Активираниот јаглен се користи како завршен чекор за прочистување, што обично резултира со 99,995% чист одделение-хелиум. Главната нечистотија во хелиум од класа-А е неон. Во финалниот чекор на производство, најголемиот дел од произведениот хелиум е течен преку употреба на криоген процес. Ова е неопходно за примени за кои е потребен течен хелиум, а исто така им овозможува на снабдувачите на хелиум да ги намалат трошоците за превоз на долги растојанија, бидејќи најголемите контејнери за течен хелиум имаат повеќе од пет пати поголем капацитет од најголемите гасни приклучоци за хелиумски цевки.

Во 2008 година, околу 169 милиони стандардни кубни метри (SCM) на хелиум биле извлечени од природен гас или се повлекоа од резервите на хелиум со приближно 78% од САД, 10% од Алжир, а поголемиот дел од остатокот од Русија, Полска и Катар. До 2013 година, зголемувањето на производството на хелиум во Катар (под раководство на претпријатието RasGas, управувано од Air Liquide) го зголемиле катарскиот дел од производството на светскиот хелиум на 25% и го направи втор по големина извозник по Соединетите Држави. Во Танзабија во 2016 година е пронајдено лежиште на 1,5×109 м³ хелиум.

Во САД, повеќето хелиум е извлечен од природен гас на Хуготон и блиските гасни полиња во Канзас, Оклахома и полето Панхандле во Тексас. Голем дел од овој гас некогаш бил испраќан преку гасоводот до Националниот хелиумски резерват, но од 2005 година оваа резерва била намалувана и била продавана, а се очекува дека во голема мера ќе биде исцрпена до 2021 година, рамките на Одделот за одговорен хелиум и администрација (HR 527).

Дифузија на суров природен гас преку специјални полупропустливи мембрани и други бариери е уште еден метод за обновување и прочистување на хелиумот. Во 1996 година, САД докажале резерви на хелиум, во такви гасни комплекси, од околу 147 милијарди стандардни кубни метри (4,2 милијарди SCM). Во стапките на употреба во тоа време (72 милиони SCM годишно во САД, видете ја табелата подолу) ова би било доволно хелиум за околу 58 години употреба во САД, а помалку од тоа (можеби 80% од времето) во светот стапки на употреба, иако факторите за заштеда и обработка влијаат врз делотворните броеви на резерва.

Хелиум мора да биде извлечен од природен гас, бидејќи тој е присутен во воздухот само на мал дел од оној на неон, но побарувачката за него е многу повисока. Се проценува дека ако целата неоновска продукција е пренаменета за да се спаси хелиумот, ќе биде задоволен 0.1% од светските барања за хелиум. Слично на тоа, само 1% од светските барања за хелиум би можеле да бидат задоволени со прераспределба на сите постројки за дестилација на воздухот. Хелиум може да се синтетизира со бомбардирање на литиум или бор со протони со голема брзина или со бомбардирање на литиум со деутони, но овие процеси се целосно неекономичен метод на производство.

Хелиум е комерцијално достапен во течна или гасна форма. Како течност, може да се набави во мали изолирани контејнери наречени дувари кои задржуваат до 1.000 литри хелиум или во големи ISO контејнери кои имаат номинални капацитети колку што е 42   m ³ (околу 11.000 американски литри). Во гасовити облици, малите количини на хелиум се снабдуваат во цилиндри под висок притисок и држат до 8   m ³ (приближно 282 стандардни кубни метри), додека големите количини на гас под висок притисок се испорачуваат во цевки приколки кои имаат капацитет од колку што е 4.860   m ³ (приближно 172.000 стандардни кубни метри).

Заштитници се залагаат

Според хелиумските конзерватори како физичарот од Нобеловата награда Роберт Колман Ричардсон, пишувајќи во 2010 година, слободната пазарна цена на хелиумот придонесе за "непотребно" користење (на пр. За хелиумските балони). Цените во 2000-тите биле намалени со одлуката на Конгрес на Соединетите Држави за продажба на големите резерви на хелиум во земјата до 2015 година. Според Ричардсон, цената треба да се множи со 20 за да се елиминира прекумерното губење на хелиумот. Во својата книга, Иднината на хелиумот како природен ресурс (Routledge, 2012), Nuttall, Clarke & Glowacki (2012), исто така, предложи да се создаде Меѓународната агенција за хелиум (IHA) за изградба на одржлив пазар за оваа скапоцена стока.

Примени

Најголемата еднократна употреба на течен хелиум е да се оладат суперкомпјутерските магнети во современите скенери за МРИ.

Додека балоните се можеби најпозната употреба на хелиум, тие се помал дел од целата употреба на хелиум. Хелиум се користи за многу намени кои бараат некои од неговите уникатни својства, како што е неговата точка со ниски температури, мала густина, ниска растворливост, висока топлинска спроводливост или инертност. Од вкупниот производство на хелиум во светот во 2014 година од околу 32 милиони килограми (180 милиони стандардни кубни метри) хелиум годишно, најголемата употреба (околу 32% од вкупната во 2014 година) е во употреба при ниски температури, од кои повеќето вклучуваат ладење на суперпроводните магнети медицински MRI скенери и NMR спектрометри. Други главни цели се системи за притисок и прочистување, заварување, одржување контролирани атмосфери и откривање на истекување. Други употреби по категории биле релативно мали фракции.

Контролирани атмосфери

Хелиум се користи како заштитен гас во растечките кристали од силициум и германиум, во производството на титаниум и циркониум, и во гасна хроматографија, затоа што е инертен. Поради својата инертност, топлинска и калорична совршена природа, висока брзина на звук и висока вредност на топлината, тој е корисен и во надзвучните тунели за тунели и импулсни тела.

Гасно волфрамско заварување

Хелиум се користи како заштитен гас во процесите на лачно заварување на материјали кои при заварувачките температури се загадени и ослабени со воздух или азот. Голем број инертни заштитени гасови се користат во заварување со волфрам за ладење, но хелиум се користи наместо поевтин аргон, особено за материјали за заварување кои имаат поголема топлинска спроводливост, како алуминиум или бакар.

Мали употреби

Индустриско откривање на истекување

Двојна комора за откривање на истекување на хелиум

Една индустриска примена за хелиум е откривање на истекување. Бидејќи хелиумот дифузира преку цврсти материи трипати побрзо од воздухот, се користи како трасиран гас за откривање на протекување во високовакуумска опрема (како што се криогенски резервоари) и контејнери под висок притисок. Испитаниот предмет се поставува во комора, која потоа се евакуира и се наполни со хелиум. Хелиумот што излегува низ протекувањето го детектира чувствителен уред (хелиум масен спектрометар), дури и при стапки на истекување на мала брзина од 10 ⁻⁹ mbar · L / s (10 ⁻¹⁰ Pa · m ³ / s). Постапката за мерење е нормално автоматска и се нарекува интегрален тест на хелиум. Поедноставна постапка е да го наполните тестираниот предмет со хелиум и рачно да пребарувате за протекување со рачен уред.

Хелиумските протекување низ пукнатините не треба да се мешаат со пропустливост на гасот преку голем материјал. Додека хелиумот има документирано константи на пропустливост (со тоа што може да се пресмета пропустливост) преку чаши, керамика и синтетички материјали, инертните гасови како што е хелиумот нема да продрат најмногу метални метали.

Лет

Поради својата ниска густина и неприродноста, хелиумот е гас со избор за да ги пополни воздушните бродови како што е Goodyear Blimp.

Бидејќи е полесен од воздухот, воздушните бродови и балоните се надуени со хелиум за кревање. Додека водородниот гас е многу пловни, и избега проток низ мембрана со пониска стапка, хелиумот ја има предноста да биде незапалив, и навистина огнеустојчив. Уште една помала употреба е во ракетната, каде хелиум се користи како ullage медиум да се менува на гориво и оксиданси во резервоари и да се кондензира на водород и кислород да се направи ракетно гориво. Исто така се користи за чистење на гориво и оксидатор од опремата за поддршка на земјата пред да се започне и за претходна ладење на течен водород во вселенските возила. На пример, ракетата Сатурн V, користена во програмата Аполо, требаше околу 370.000   m ³ (13 милиони кубни метри) на хелиум за лансирање.

Мали комерцијални и рекреативни цели

Хелиум како гас за дишење нема наркотични својства, така што хелиумните мешавини како што се тримикс, хелиокс и хелијар се користат за длабоко нуркање за да се намалат ефектите од наркоза, што се влошува со зголемена длабочина. Додека притисокот се зголемува со длабочина, густината на гасот за дишење исто така се зголемува, а ниската молекуларна тежина на хелиумот е значително намален напор за дишење со намалување на густината на смесата. Ова го намалува бројот на протокот на Рејнолдс, што доведува до намалување на турбулентниот проток и зголемување на ламинарниот проток, што бара помалку работа за дишење. На длабочина под 150 м нуркачи хелиум-кислородни мешавини почнуваат да доживуваат потреси и намалување на психомоторната функција, симптоми на нервниот синдром под висок притисок. Овој ефект може да се спротивстави до одреден степен со додавање на количина на наркотичен гас, како водород или азот, на хелиум-кислородна смеса.

Хелиум-неонските ласери, еден вид ласерски ласер со ниско напојување, создавајќи црвен зрак, имаа различни практични примени во кои биле вклучени читачи на баркодови и ласерски покажувачи, пред да биле речиси универзално заменети со поевтини диодни ласери.

За неговата инертност и висока топлинска спроводливост, неутронска транспарентност и поради тоа што не образуваат радиоактивни изотопи во услови на реактор, хелиум се користи како медиум за пренос на топлина во некои гасни ладилни јадрени реактори.

Хелиум, измешан со потешкиот гас, како што е ксенон, е корисен за термоакустична ладење поради добиениот сооднос на висок топлински капацитет и нискиот Прандтлов број. Инертноста на хелиум има еколошки предности над конвенционалните системи за ладење кои придонесуваат за осиромашување или глобално затоплување.

Хелиум исто така се користи во некои тврди дискови.

Научни употреби

Употребата на хелиум ги намалува дисторзивните ефекти на температурните варијации во просторот помеѓу леќите кај некои телескопи, поради неговиот крајно мал показател на прекршување. Овој метод е особено користен кај сончевите телескопи каде вакуумната тесна телескопска цевка ќе биде премногу тешка.

Хелиум е најчесто користен гас за гасна хроматографија.

Возраста на карпи и минерали кои содржат ураниум и ториум може да се процени со мерење на нивото на хелиум со процес познат како хелиум датира.

Хелиум на ниски температури се користи во криогениката, а во некои криогенски примени. Како примери на примени, течен хелиум е користен за ладење на одредени метали на крајно ниските температури потребни за суперспроводливост, како што се во суперсметачките магнети за магнетна резонанца. Големиот хадронски колајдер во ЦЕРН користи 96 метрички тони течен хелиум за да ја одржи температурата на 1,9 келвини.

Како загадувач

Додека хемиски инертен, контаминацијата на хелиум ќе го наруши работењето на микроелектромеханички системи, така што iPhone-от може да пропаднат.

Вдишување и безбедност

Ефекти

Менување на човечкиот глас со сулфур хексафлуорид и хелиум.

Неутралниот хелиум во стандардни услови е нетоксичен, нема биолошка улога и се наоѓа во износот на траги во човечката крв. Брзината на звукот во хелиум е речиси трипати поголема од брзината на звукот во воздухот. Бидејќи фундаменталната честота на празен празнина е пропорционална на брзината на звукот во гасот, кога хелиумот се вдишува, соодветно се зголемува резонантната честота на гласниот тракт. Основната честота (понекогаш наречена теренот) не се менува, бидејќи ова е произведено со директни вибрации на гласовните набори, што е непроменето. Сепак, повисоките резонантни честоти предизвикуваат промена во тембраната боја, што резултира со квалитетен вокален квалитет, како што е патувањето. Обратниот ефект, намалувањето на резонантните честоти, може да се постигне со вдишување на густ гас, како што се сулфур хексафлуорид или ксенон.

Опасности

Вдишувањето на хелиумот може да биде опасно ако се направи на вишок, бидејќи хелиумот е едноставен асфиксиан и така го дислоцира кислородот потребен за нормално дишење. Забележани се смртни случаи, вклучувајќи и млади кои се задушиле во Ванкувер во 2003 година и двајца возрасни кои се задушиле во Јужна Флорида во 2006 година. Во 1998 година, една австралиска девојка (нејзината возраст не е позната) од Викторија паднала во несвест и привремено станала сина откако ја вдишила целата содржина на забавниот балон. Вдишувањето на хелиумот директно од цилиндрите под притисок или дури и балоните за полнење е исклучително опасно, бидејќи високиот проток и притисок може да резултираат со баротраума, фатално пукање на ткивото на белите дробови.

Смртта предизвикана од хелиум е ретка. Првиот случај што бил забележан во медиумите бил случајот на 15-годишна девојка од Тексас, која починала во 1998 година од хелиумско вдишување на забава на пријател; точниот вид на смрт на хелиум е неидентификуван.

Во Соединетите Држави се пријавени само две жртви помеѓу 2000 и 2004 година, вклучувајќи и еден човек кој починал во Северна Каролина од баротраума во 2002 година. Млад маж заспал во Ванкувер во текот на 2003 година, а 27-годишен маж во Австралија имал емболија по дишењето од цилиндар во 2000 година. Оттогаш двајца возрасни загинат во Јужна Флорида во 2006 година а имало случаи во 2009 и 2010 година, еден младич од Калифорнија, кој бил пронајден со торба над главата, закачен за резервоар за хелиум и друг тинејџер во Северна Ирска почина од задушување. Во Игл Поинт, Орегон, тинејџерка починала во 2012 година од баротраума на забава. Една девојка од Мичиген умрела од хипоксија подоцна во текот на годината.

На 4 февруари 2015 година било откриено дека за време на снимањето на нивната главна ТВ-емисија на 28 јануари 12-годишен член (задржано име) на јапонската девојка-пејачка група 3Б Јуниор страдаше од емболија, губејќи свест и паѓање во кома, како резултат на воздушни меури кои го блокираат протокот на крв во мозокот, откако вдишуваат големи количества хелиум како дел од играта. Инцидентот не бил објавен до една недела подоцна. Персоналот на ТВ Асахи одржа прес-конференција за да комуницира дека членот бил однесен во болница и покажува знаци на рехабилитација, како што се движење на очите и екстремитетите, но нејзината свест сè уште не е доволно обновена. Полицијата започна истрага поради занемарување на мерките за безбедност.

На 13 јули 2017 година, КБС Њус објавиле дека политички оперативец кој наводно се обидел да ги поврати електронските пораки што се водат за исчезнати од опслужувачот на Клинтон, Питер В. Смит „очигледно“ извршил самоубиство во мај во хотелска соба во Рочестер, Минесота, и дека неговата смрт била забележана како „асфиксија поради поместувањето на кислородот во затворен простор со хелиум“. Повеќе подробности следече во Chicago Tribune.

Безбедносните проблеми за кримогениот хелиум се слични на оние на течниот азот ; нејзините екстремно ниски температури може да резултираат со ладни изгореници, а односот помеѓу течноста и гасот може да предизвика експлозии ако не се инсталираат уреди за ослободување на притисок. Контејнерите на хелиум со гас од 5 до 10 К треба да се ракуваат како да содржат течен хелиум поради брзото и значајно топлинско проширување што се јавува кога хелиумниот гас на помалку од 10 К се загрева до собна температура.

При високи притисоци (повеќе од 20 години   atm или две   МПА), мешавина на хелиум и кислород (хелиокс) може да доведе до нервен синдром под висок притисок, еден вид на обратна анестезија; додавајќи мала количина азот во мешавината може да го олесни проблемот.

Хелиумот како мотив во популарната култура

• „Хелиум“ — музички албум на британската рок-група Прем (Pram) од 1995 година.

Поврзано

• Абиогенетско петролејско потекло
• Погон на хелиум-3
• Лајденфростов ефект
• Квантно цврсто тело
• Суперфлуид
• Хамилтон Кеди

Надворешни врски

Генерално

• Бирото за управување со земјиштето на Владата на САД: извори, префинетост и недостиг. Со некоја историја на хелиум.
• Американски геолошки истражувања за хелиум почетокот 1996: хелиум
• Каде е целиот хелиум? Ага мрежно место
• Тоа е елементарен   - Хелиум
• Хемија во својот елемент поткаст (MP3) од Кралското друштво за хемија е хемија светот : Хелиум
• Меѓународни карти за хемиска безбедност - Хелиум ; вклучува информации за здравјето и безбедноста во случај на случајно изложување на хелиум

Повеќе детали

• Хелиум во Периодниот систем на видеа (Универзитет во Нотингем)
• Хелиум на Техничкиот универзитет во Хелсинки ; вклучува фаза дијаграми на притисок за хелиум-3 и хелиум-4
• Универзитет Ланкастер, физика на ултра ниска температура   - вклучува резиме на некои техники на ниска температура

Разно

• Физика во говорот со аудио примероци кои покажуваат непроменет глас
• Член за хелиум и други благородни гасови

Недостаток на хелиум

• Набавка на Хелиум во Америка: Опции за производство на повеќе хелиум од Сојузна земјиште: Надзорна расправа пред поткомитетот за енергетика и минерални суровини на Комитетот за природни ресурси, Претставничкиот дом на САД, Сто тринаесеттиот конгрес, прва седница, четврток, 11 јули 2013
• Хелиум Програма: Итно прашања кои се соочуваат BLM за чување и продажба на хелиум Резерви: Сведоштво пред Комитетот за природни ресурси, Претставничкиот дом на Government Accountability Office
• Kramer, David (May 22, 2012). „Senate bill would preserve US helium reserve: Measure would give scientists first dibs on helium should a shortage develop. Physics Today web site“. Архивирано од изворникот на October 27, 2012.
• Richardson, Robert C.; Chan, Moses (2009). „Helium, when will it run out?“ (PDF). Архивирано од изворникот (PDF) на 2015-06-14.