HELIUM: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, RISIKO, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The helium adalah unsur kimia dengan simbol Dia. Ini adalah gas mulia pertama dalam jadual berkala, dan biasanya terletak di sebelah kanannya. Dalam keadaan normal ia adalah gas lengai, kerana tidak ada sebatiannya yang stabil; Ia juga mengembang dengan cepat dan merupakan bahan dengan takat didih terendah.

Pada tahap yang popular, ia adalah gas yang terkenal, kerana dalam banyak acara atau pesta kanak-kanak, adalah biasa untuk menyaksikan bagaimana balon naik hingga hilang di langit. Namun, apa yang sebenarnya dan selamanya hilang di sudut sistem suria, dan seterusnya, adalah atom helium yang dilepaskan setelah belon meletup atau mengempis.

Belon yang dilambung dengan helium, yang paling hampir dengan elemen ini dalam situasi seharian. Sumber: Pixabay.

Sebenarnya, ada pihak yang, dan dengan alasan yang baik, menganggap bahawa belon helium merupakan amalan yang tidak sesuai untuk gas ini. Nasib baik, ia mempunyai kegunaan yang lebih penting dan menarik, berkat sifat fizikal dan kimianya yang memisahkannya dari unsur kimia lain.

Sebagai contoh, helium cair sangat sejuk sehingga dapat membekukan apa-apa, seperti aloi logam, mengubahnya menjadi bahan superkonduktor. Begitu juga, ia adalah cecair yang menunjukkan kelembapan, mampu memanjat dinding bekas kaca.

Namanya disebabkan oleh fakta bahawa ia dikenal pasti untuk pertama kalinya di Matahari dan bukan di Bumi. Ini adalah unsur kedua paling banyak di seluruh Alam Semesta dan, walaupun kepekatannya tidak dapat diabaikan di kerak bumi, ia dapat diperoleh dari simpanan gas asli dan mineral radioaktif uranium dan torium.

Di sini helium menunjukkan fakta lain yang ingin tahu: ia adalah gas yang jauh lebih banyak terdapat di bawah tanah daripada di atmosfer, di mana ia akhirnya melarikan diri dari Bumi dan medan graviti.

Sejarah

Helium tidak dijumpai di Bumi tetapi di Matahari. Sebenarnya, namanya berasal dari perkataan Yunani 'helios' yang bermaksud matahari. Kewujudan elemen itu sendiri berbeza dengan jadual berkala Dmitri Mendeleev, kerana tidak ada tempat di dalamnya untuk mendapatkan gas baru; Dengan kata lain, pada masa itu sama sekali tidak ada yang disyaki mengenai gas mulia.

Nama 'helium', ditulis sebagai 'helium' dalam bahasa Inggeris, berakhir dengan akhiran -ium merujuknya sebagai logam; tepatnya kerana keberadaan gas selain oksigen, hidrogen, fluor, klorin dan nitrogen tidak dapat diterima.

Nama ini ditentukan oleh ahli astronomi Inggeris Norman Lockyer, yang belajar dari England apa yang diperhatikan oleh ahli astronomi Perancis Jules Janssen di India, semasa gerhana matahari pada tahun 1868.

Ia adalah garis spektrum kuning dari elemen yang belum diketahui. Lockyer mendakwa bahawa ini disebabkan oleh adanya unsur kimia baru yang terdapat di Matahari.

Pada tahun 1895, hampir dua puluh tahun kemudian, ahli kimia Scotland Sir William Ramsay mengenali spektrum yang sama dari sisa gas ketika dia mempelajari mineral radioaktif: cleveite. Jadi ada helium di Bumi juga.

Sifat fizikal dan kimia

Penampilan

Ampul dengan sampel helium bercahaya selepas kejutan elektrik. Sumber: Imej Hi-Res Elemen Kimia

Helium adalah gas tidak berwarna dan tidak berbau yang tidak mempunyai rasa dan juga lengai. Walau bagaimanapun, apabila kejutan elektrik diterapkan, dan bergantung pada perbezaan voltan, ia mula bersinar seperti jerebu-ungu kelabu (gambar di atas), kemudian bersinar dengan cahaya oren. Oleh itu, lampu helium berwarna jingga.

Nombor atom (Z)

dua

Jisim molar

4.002 g / mol

Takat lebur

-272.2 ºC

Takat didih

-268.92 ºC

Ketumpatan

-0.1786 g / L, dalam keadaan normal, iaitu dalam fasa gas.

-0.145 g / mL, pada titik lebur, helium cair.

-0.125 g / mL, sama seperti helium mula mendidih.

-0.187 g / mL, pada 0 K dan 25 atm, iaitu, helium padat pada keadaan tekanan dan suhu tertentu.

Titik tiga

2.177 K dan 5.043 kPa (0.04935 atm)

Titik kritikal

5.1953 K dan 0.22746 MPa (2.2448 atm)

Panas pelakuran

0.0138 kJ / mol

Haba pengewapan

0.0829 kJ / mol

Kapasiti haba molar

20.78 J / (mol K)

Tekanan wap

0.9869 atm pada 4.21 K. Nilai ini memberi anda idea tentang bagaimana helium seketika dan seberapa mudah ia dapat melarikan diri pada suhu bilik (hampir 298 K).

Tenaga pengionan

-Pertama: 2372.3 kJ / mol (Dia ⁺ gas)

-Kedua: 5250.5 kJ / mol (Dia ²⁺ gas)

Tenaga pengionan untuk helium sangat tinggi kerana atom gas mesti kehilangan elektron, yang mengalami muatan nuklear yang kuat. Ia juga dapat difahami dengan mempertimbangkan ukuran atom yang kecil dan seberapa "dekat" kedua elektron ke inti (dengan dua proton dan dua neutron).

Keterlarutan

Di dalam air, 0.97 mL dilarutkan untuk setiap 100 mL air pada suhu 0 ºC, yang bermaksud bahawa ia larut dengan baik.

Kereaktifan

Helium adalah unsur kimia kedua paling tidak reaktif di alam semula jadi. Dalam keadaan normal adalah betul untuk mengatakan bahawa ia adalah gas lengai; Tidak pernah (sepertinya) sebatian helium boleh dimanipulasi di dalam bilik atau makmal tanpa tekanan yang besar berlaku di atasnya; atau mungkin, suhu tinggi atau rendah secara mendadak.

Contohnya dapat dilihat dalam sebatian Na ₂ He, yang stabil hanya di bawah tekanan 300 GPa, dihasilkan semula dalam sel landasan berlian.

Walaupun ikatan kimia dalam Na ₂ Dia "pelik" kerana elektronnya terletak dengan baik di dalam kristal, ia jauh dari interaksi Van der Walls yang sederhana dan, oleh itu, tidak hanya terdiri daripada atom helium yang terperangkap oleh agregat molekul. . Di sinilah dilema timbul antara sebatian helium mana yang nyata dan mana yang tidak.

Sebagai contoh, molekul nitrogen pada tekanan tinggi dapat memerangkap atom helium untuk membentuk sejenis klatrat, Dia (N ₂ ) ₁₁ .

Begitu juga, terdapat kompleks endohedral kation fullerene, C ₆₀ ^{+ n} dan C ₇₀ ^{+ n} , di mana rongga mereka dapat menempatkan atom helium; dan kation molekul HeH ⁺ (He-H ⁺ ), terdapat pada nebula yang sangat jauh.

Nombor pengoksidaan

Rasa ingin tahu yang cuba untuk mengira nombor pengoksidaan bagi helium dalam mana-mana sebatiannya akan mendapati bahawa ini adalah sama dengan 0. Dalam Na ₂ telah, sebagai contoh, mungkin berfikir bahawa sepadan formula untuk dibayangkan Na ₂ ⁺ Saya ^2- ; tetapi demikianlah anggapan bahawa ia mempunyai sifat ionik yang murni, padahal pada hakikatnya ikatannya jauh dari wujud.

Tambahan pula, helium tidak memperoleh elektron kerana ia tidak dapat menampungnya di orbit 2s, tidak tersedia secara bertenaga; Juga tidak mungkin kehilangannya, kerana saiz atomnya yang kecil dan muatan nuklearnya yang berkesan. Itulah sebabnya helium selalu berpartisipasi (secara teori) sebagai atom He ⁰ dalam sebatiannya.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Helium, seperti semua gas yang diamati pada skala makro, memenuhi isi bekas yang menyimpannya, sehingga mempunyai bentuk yang tidak tentu. Walau bagaimanapun, apabila suhu turun dan mula menyejuk di bawah -269 ºC, gas mengembun menjadi cecair tidak berwarna; helium I, yang pertama dari dua fasa cecair untuk elemen ini.

Sebab mengapa helium mengembun pada suhu yang rendah adalah kerana daya hamburan rendah yang menyatukan atomnya; apa sahaja fasa yang dipertimbangkan. Ini dapat dijelaskan dari konfigurasi elektroniknya:

1s ²

Di mana dua elektron menempati orbit atom 1s. Atom helium dapat dilihat sebagai sfera yang hampir sempurna, yang pinggiran elektroniknya homogen tidak mungkin terpolarisasi oleh muatan nuklear kedua proton dalam nukleus.

Oleh itu, momen dipol spontan dan disebabkan jarang berlaku dan sangat lemah; jadi suhu mesti mendekati sifar mutlak sehingga atom He menghampiri cukup perlahan dan mencapai daya penyebaran mereka menentukan cecair; atau lebih baik lagi, kristal helium.

Dimer

Dalam fasa gas, ruang yang memisahkan atom-atom He sedemikian rupa sehingga dapat diandaikan bahawa mereka selalu terpisah satu sama lain. Sehingga dalam botol kecil, helium kelihatan tidak berwarna sehingga mengalami pelepasan elektrik, yang mengionkan atomnya dalam kabus yang kelabu dan samar-samar.

Namun, dalam fasa cair atom-atom He, walaupun dengan interaksi mereka yang lemah, tidak lagi dapat "diabaikan". Sekarang kuasa penyebaran seketika dibenarkan untuk menyertai mereka untuk membentuk dimers: Dia-I atau saya ₂ . Oleh itu, helium I boleh dianggap sebagai kumpulan He _{2 yang besar} dalam keseimbangan dengan atomnya dalam fasa wap.

Itulah sebabnya helium I sangat sukar untuk dibezakan dengan wapnya. Sekiranya cecair ini tertumpah keluar dari bekas kedap udara, ia akan keluar sebagai suar keputihan.

Helium II

Apabila suhu turun lebih tinggi, menyentuh 2,178 K (-270,972 ºC), peralihan fasa berlaku: helium I diubah menjadi helium II.

Dari sudut ini, cecair helium yang sudah menarik menjadi cecair superfluid atau kuantum; iaitu, sifat makroskopiknya terwujud seolah-olah Dia ₂ dimer adalah atom individu (dan mungkin itu). Ia tidak mempunyai kelikatan lengkap, kerana tidak ada permukaan yang dapat menghentikan atom semasa meluncur atau "mendaki".

Itulah sebabnya helium II dapat memanjat dinding bekas kaca mengatasi daya graviti; tidak kira seberapa tinggi mereka, selagi permukaannya tetap pada suhu yang sama dan oleh itu tidak menguap.

Oleh kerana itu, helium cair tidak dapat disimpan di dalam bekas kaca, kerana ia akan melarikan diri pada celah atau celah sedikitpun; sangat serupa dengan bagaimana ia berlaku dengan gas. Sebaliknya, keluli tahan karat digunakan untuk merancang kapal seperti itu (tangki Dewars).

Kristal

Walaupun suhu jatuh ke 0 K (sifar mutlak), daya hamburan antara atom He tidak akan cukup kuat untuk memerintahkannya ke dalam struktur kristal. Untuk pemejalan berlaku, tekanan mesti meningkat hingga kira-kira 25 atm; dan kemudian kristal helium heksagon padat (hcp) muncul.

Kajian geofizik menunjukkan bahawa struktur hcp ini tidak berubah tidak kira berapa banyak tekanan meningkat (hingga urutan gigapascals, GPa). Walau bagaimanapun, terdapat rantau sempit dalam rajah suhu-tekanan mereka di mana kristal hcp ini menjalani peralihan ke fasa kubik berpusat badan (bcc).

Di mana mencari dan mendapatkan

Kosmos dan batu

Helium mewakili unsur kedua paling banyak di Alam Semesta dan 24% jisimnya. Sumber: Pxhere.

Helium adalah unsur kedua paling banyak di seluruh Alam Semesta, kedua hanya setelah hidrogen. Bintang sentiasa menghasilkan jumlah atom helium yang tidak terukur dengan menyatukan dua inti hidrogen semasa proses nukleosintesis.

Begitu juga, sebarang proses radioaktif yang memancarkan zarah α adalah sumber penghasilan atom helium jika ia berinteraksi dengan elektron di persekitaran; sebagai contoh, dengan badan batu terdapat deposit mineral radioaktif uranium dan torium. Kedua-dua elemen ini mengalami kerosakan radioaktif, bermula dengan uranium:

Pereputan radioaktif uranium dalam pembentukan zarah alfa, yang kemudiannya diubah menjadi atom helium dalam simpanan bawah tanah. Sumber: Gabriel Bolívar.

Oleh itu, di dalam batu di mana mineral radioaktif ini terkonsentrasi, atom helium akan terperangkap, yang akan dilepaskan setelah dicerna dalam media berasid.

Antara beberapa mineral ini adalah cleveite, carnotite, dan uraninite, semuanya terdiri daripada uranium oksida (UO ₂ atau U ₃ O ₈ ) dan kekotoran thorium, logam berat dan nadir bumi. Helium, yang diairi melalui saluran bawah tanah, akhirnya dapat terkumpul di takungan gas asli, mata air mineral atau di besi meteor.

Dianggarkan bahawa jisim helium bersamaan dengan 3000 tan dihasilkan setiap tahun di litosfer, dari kerosakan radioaktif uranium dan torium.

Udara dan laut

Helium tidak larut dalam air, jadi cepat dan lambat ia naik dari kedalaman (di mana pun asalnya), hingga melintasi lapisan atmosfer dan akhirnya sampai ke angkasa lepas. Atomnya sangat kecil dan ringan sehingga medan graviti Bumi tidak dapat menahannya di atmosfera.

Oleh kerana perkara di atas, kepekatan helium di udara (5.2 ppm) dan di laut (4 ppt) sangat rendah.

Sekiranya seseorang ingin mengekstraknya dari salah satu daripada kedua-dua media ini, pilihan "terbaik" adalah udara, yang pertama harus mengalami pencairan untuk mengembunkan semua gas komponennya, sementara helium tetap dalam keadaan gas.

Walau bagaimanapun, tidak praktikal untuk mendapatkan helium dari udara, tetapi dari batu yang diperkaya dengan mineral radioaktif; atau lebih baik lagi, dari rizab gas asli, di mana helium dapat mewakili hingga 7% dari jumlah jisimnya.

Pencairan dan penyulingan gas asli

Daripada mencairkan udara, lebih mudah dan menguntungkan menggunakan gas asli, yang komposisi heliumnya pasti lebih besar. Oleh itu, bahan mentah yang terbaik (komersial) untuk mendapatkan helium adalah gas asli, yang juga boleh mengalami penyulingan pecahan.

Produk akhir penyulingan selesai disucikan dengan karbon aktif, melalui helium yang sangat tulen. Dan akhirnya, helium dipisahkan dari neon oleh proses kriogenik di mana helium cair digunakan.

Isotop

Helium berlaku terutamanya di alam sebagai isotop ⁴ He, inti telanjang yang merupakan zarah α yang terkenal. Atom ⁴ He ini mempunyai dua neutron dan dua proton. Yang kurang banyak adalah isotop ³ He, yang hanya mempunyai satu neutron. Yang pertama lebih berat (mempunyai jisim atom yang lebih tinggi) daripada yang kedua.

Oleh itu, pasangan isotop ³ Dia dan ⁴ Dia adalah mereka yang menentukan sifat-sifat yang dapat diukur dan apa yang kita fahami helium sebagai unsur kimia. Memandangkan ³ Dia lebih ringan, diasumsikan bahawa atomnya mempunyai tenaga kinetik yang lebih tinggi dan, oleh itu, mereka memerlukan suhu yang lebih rendah untuk bergabung menjadi superfluid.

The ³ Beliau dianggap sebagai spesies yang sangat jarang berlaku di sini di Bumi; namun, di tanah lunar lebih banyak (kira-kira 2000 kali lebih banyak). Itulah sebabnya Bulan menjadi subjek proyek dan cerita sebagai sumber kemungkinan ³ Dia, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklear untuk kapal angkasa masa depan.

Antara isotop helium yang lain boleh disebutkan, dengan separuh hayat masing-masing: ⁵ He (t _1/2 = 7.6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0.8 s) dan ⁸ He (t _1/2 = 0.119 s).

Risiko

Helium adalah gas lengai dan oleh itu tidak mengambil bahagian dalam tindak balas yang berlaku di dalam badan kita.

Atomnya secara praktikal masuk dan dikeluarkan tanpa interaksi mereka dengan biomolekul yang menghasilkan kesan tersembunyi; kecuali pada suara yang dipancarkan dari pita suara, yang menjadi lebih tinggi dan lebih kerap.

Orang yang menghirup helium dari belon (secara sederhana) bercakap dengan suara bernada tinggi, mirip dengan tupai (atau itik).

Masalahnya ialah jika orang tersebut menghirup jumlah helium yang tidak sesuai, dia menghadapi risiko tercekik, kerana atomnya menggantikan molekul oksigen; dan oleh itu, anda tidak akan dapat bernafas sehingga anda mengeluarkan helium itu, yang seterusnya kerana tekanannya dapat merobek tisu paru-paru atau menyebabkan barotrauma.

Kes-kes orang yang mati akibat menghirup helium telah dilaporkan kerana apa yang baru saja dijelaskan.

Sebaliknya, walaupun tidak menunjukkan risiko kebakaran kerana kurangnya kereaktifan terhadap oksigen (atau bahan lain), jika disimpan di bawah tekanan tinggi dan ia melarikan diri, kebocorannya boleh membahayakan secara fizikal.

Permohonan

Ciri-ciri fizikal dan kimia helium tidak hanya menjadikannya gas khas, tetapi juga bahan yang sangat berguna untuk aplikasi yang memerlukan suhu yang sangat rendah. Di bahagian ini beberapa aplikasi atau penggunaan ini akan ditangani.

Sistem tekanan dan pendarahan

Dalam beberapa sistem, perlu untuk meningkatkan tekanan (tekanan), dan untuk ini gas mesti disuntik atau dibekalkan yang tidak berinteraksi dengan komponennya; sebagai contoh, dengan reagen atau permukaan sensitif terhadap reaksi yang tidak diingini.

Oleh itu, tekanan dapat ditingkatkan dengan jumlah helium, yang inersinya kimianya menjadikannya ideal untuk tujuan ini. Suasana lengai yang disediakannya melebihi nitrogen dalam keadaan tertentu.

Untuk proses terbalik, iaitu membersihkan, helium juga digunakan kerana kemampuannya untuk memasukkan semua oksigen, wap air atau gas lain, yang kehadirannya ingin anda keluarkan. Dengan cara ini tekanan sistem dikurangkan setelah helium dikosongkan.

Pengesanan kebocoran

Helium dapat bocor melalui celah sedikit pun, sehingga berfungsi untuk mengesan kebocoran pada paip, bekas vakum tinggi atau tangki kriogenik.

Kadang kala pengesanan boleh dilakukan secara visual atau sentuhan; namun, kebanyakan pengesan inilah yang "memberi isyarat" di mana dan berapa banyak helium yang keluar dari sistem yang diperiksa.

Gas pembawa

Atom helium, seperti yang disebutkan untuk sistem pembersihan, dapat membawanya, bergantung pada tekanannya, molekul yang lebih berat. Sebagai contoh, prinsip ini digunakan setiap hari dalam analisis kromatografi gas, kerana dapat menyeret sampel atom di sepanjang lajur, di mana ia berinteraksi dengan fasa pegun.

Belon dan kapal terbang

Helium digunakan untuk mengembungkan kapal udara dan jauh lebih selamat daripada hidrogen kerana ia bukan gas yang mudah terbakar. Sumber: Pixabay.

Kerana ketumpatannya yang rendah dibandingkan dengan udara dan, sekali lagi, kekurangan kereaktifan dengan oksigen, ia telah digunakan untuk mengembang balon di pesta kanak-kanak (dicampur dengan oksigen sehingga tidak ada yang tercekik bernafas), dan kapal udara (gambar atas) , tanpa menunjukkan risiko kebakaran.

Menyelam

Helium adalah salah satu komponen utama tangki oksigen yang disedut oleh penyelam. Sumber: Pxhere.

Ketika penyelam turun ke kedalaman yang lebih besar, mereka sukar bernafas kerana tekanan yang tinggi yang dikeluarkan oleh air. Itulah sebabnya helium ditambahkan ke dalam tangki oksigen mereka untuk mengurangkan ketumpatan gas yang menyelam dan menghembuskan nafas, dan oleh itu, ia dapat menghembuskan nafas dengan lebih sedikit kerja.

Kimpalan arka

Dalam proses kimpalan, arka elektrik memberikan haba yang cukup untuk kedua-dua logam tersebut bersatu. Sekiranya dijalankan di bawah atmosfer helium, logam pijar tidak akan bertindak balas dengan oksigen di udara untuk menjadi oksida masing-masing; oleh itu, helium menghalang perkara ini daripada berlaku.

Superconduktor

Helium cair digunakan untuk menyejukkan magnet yang digunakan dalam pengimbas pengimejan resonans magnetik nuklear. Sumber: Jan Ainali

Helium cair sangat sejuk sehingga dapat membekukan logam menjadi superkonduktor. Berkat ini, pembuatan magnet yang sangat kuat, yang disejukkan dengan helium cair, telah digunakan dalam pengimbas gambar atau spektrometer resonans magnetik nuklear.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Andy Extance. (17 April 2019). Ion hidrida helium dikesan di angkasa untuk pertama kalinya: bukti dijumpai untuk kimia sukar difahami dari minit pertama alam semesta. Dipulihkan dari: chemistryworld.com
3. Peter Wothers. (19 Ogos 2009). Helium. Kimia dalam Elemennya. Dipulihkan dari: chemistryworld.com
4. Wikipedia. (2019). Helium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
5. Mao, HK, Wu, Y., Jephcoat, AP, Hemley, RJ, Bell, PM, & Bassett, WA (1988). Struktur Kristal dan Ketumpatan Helium hingga 232 Kbar. Dipulihkan dari: artikel.adsabs.harvard.edu
6. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2019). Helium. Pangkalan Data PubChem. CID = 23987. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Mary-Ann Muffoletto. (6 Februari 2017). Naik, naik dan jauh: Ahli kimia mengatakan 'ya', helium dapat membentuk sebatian. Universiti Negeri Utah. Dipulihkan dari: phys.org
8. Steve Gagnon. (sf). Isotop Helium Unsur. Makmal Jefferson Dipulihkan dari: education.jlab.org
9. Advameg, Inc. (2019). Helium. Dipulihkan dari: chemistryexplained.com