Helis He cheminis elementas Z=2 savybės izotopai panaudojimas

Helijus yra cheminis elementas. Jo cheminis simbolis He, atominis skaičius 2, atominė masė apie 4,002602. Elektronų išdėstymas 1s². Tai antras pagal paplitimą elementas visatoje po vandenilio, bekvapis ir bespalvis dujinis inertinis (taurusis) elementas normas sąlygomis.

Fizinės ir cheminės savybės

Tauriosios dujos reiškia, kad helis beveik nereaguoja su kitais cheminiais elementais ir praktiškai nesudaro stabilų junginių. Jo virimo temperatūra esant 1 atm yra labai žema — apie 4,22 K (−268,93 °C), todėl helis yra pirmasis, kurį reikia sukondensuoti į skystį naudojant labai žemą temperatūrą. Esant atmosferos slėgiui helis nekietėja; norint gauti kietą helį reikia didelio slėgio (virš ~25 atm). Helio tankis yra mažesnis už oro, todėl jis pakyla ir ilgai išlieka ore.

Skystas ⁴He žymi vieną iš įdomiausių fizikinių reiškinių — superlaidumą (superfluidumą). ⁴He virsta superskysčiu žemiau lambda taško (apie 2,17 K) ir turi netikėtų savybių: beveik visišką gebėjimą tekėti be trinties, įsiskverbti pro labai siauras angas ir kt. ³He taip pat gali tapti superskysčiu, bet prie daug žemesnių temperatūrų ir per kitokius fizinius mechanizmus.

Izotopai

Yra žinoma keletas helio izotopų — tradiciškai minima 9 rūšys nuo ²He iki ¹⁰He; iš jų tik du yra stabilūs: ³He ir ⁴He. ⁴He yra dauguma helio gamtos mišinyje ir susidaro žvaigždėse branduolių sintezės procesų metu. ³He yra reta žemėje, bet vertinga dėl savo savybių žemoje temperatūroje ir taikymuose, kur reikia neįprastų kvantinių efektų.

Likę izotopai (²He, ⁵He ir kiti) yra nestabilūs ir trumpai gyvuoja; kai kurie jų svarbūs branduolinės fizikos tyrimuose ir branduolinių reakcijų studijose.

Atranka, kilmė ir pasiskirstymas Žemėje bei Visatoje

Astronomai helio buvimą aptiko 1868 m., kai jo spektras buvo nustatytas Saulės šviesoje — todėl elementas pavadintas pagal graikų dievą saulę. Helis susidaro Saulėje ir panašiose žvaigždėse vykstant branduolių sintezės procesui, kai keli vandenilio atomai jungiasi į vieną helio atomą. Žemėje helis nėra gausus atmosferoje (jo koncentracija ore yra tik kelios dalys milijone), nes lengvos helio molekulės lengvai išsisklaido į kosmosą.

Žemėje helis daugiausia gaminasi natūraliai radioaktyviai skylant sunkiems elementams, tokiems kaip toris ir uranas; šių skilimų metu išsiskiriančios alfa dalelės iš esmės yra ⁴He branduoliai. Ilgainiui helis kaupiasi gamtinėse dujų telkinuose, iš kurių jis išgaunamas frakcinės distiliacijos būdu.

Panaudojimas

Balionams ir dirižabliams pripildyti — helis yra lengvesnis už orą ir, skirtingai nuo vandenilio, nedega, todėl yra saugesnis pasirinkimas.
Šaltų temperatūrų tyrimai ir pramonė: skystas helis naudojamas kriogenikoje, superlaidžių magnetų aušinimui (pvz., MRT aparatams), dalelių greitintuvams ir eksperimentinei fizikai.
Medicinos ir mokslo prietaisai: naudojamas kvėpavimo mišiniuose giluminiam nardymui (heliox), aukštos rezoliucijos NMR ir kitose tyrimo metodikose (ypač ³He taikymas žemose temperatūrose).
Pramoninės technologijos: apsauginės dujos suvirinime (ypač aliuminiui), signalo ir lazerių sistemos (pvz., He–Ne lazeriai), prietaisų užpildymas ir elektronikos gamyboje.
Laboratorijos ir saugumo taikymai: nuotėkių aptikimas (heliumas kaip stebimoji duja dėl mažo atominio svorio ir inertiškumo), puslaidininkių gamyboje ir kitur.

Saugumas ir tiekimas

Helis yra cheminė prasme nekenksmingas ir neuždegus, tačiau jo netinkamas naudojimas kelia pavojų: didelės koncentracijos uždarose erdvėse gali sukelti hipoksiją (dusulį) — kvėpuojant tik heliu trūksta deguonies. Trumpalaikis įkvėpimas pakeičia balso rezonanso savybes, todėl balsas skamba aukščiau — tai juokas, bet pavojingas, nes per didelis įkvėptas helio kiekis gali pakenkti ar sukelti mirtį. Be to, skystas helis gali sukelti šaltines traumas (frostbite) ir sukelti aukštą slėgio pavojų užpildant cilindrus.

Tiekimo požiūriu helis yra ribotas gamtinis išteklius: daugiausia jis išgaunamas iš gamtinių dujų telkinių, todėl kartais pasitaiko tiekimo sutrikimų ir kainų svyravimų. Dėl to pramonėje ir moksle skatinama helio perdirbimo ir atgaivinimo (recovery) praktika.

Įdomybės

Helis sudaro pirmuosius molekulinius junginius kosmologijoje: pavyzdžiui, HeH+ (helio hidrido jonas) laikomas vienu iš pirmųjų susidariusių „molekulių“ po Didžiojo sprogimo; šis jonas neseniai buvo aptiktas ir astronominiuose stebėjimuose. Taip pat istoriškai helis buvo aptiktas spektroskopiškai Saulėje prieš tai, kai jis buvo identifikuotas Žemėje.

Apibendrinant: helis yra unikalus dėl savo itin žemos kondensacijos temperatūros, inertiškumo ir kvantinių savybių žemose temperatūrose, todėl turi svarbų vaidmenį tiek moksle, tiek pramonėje — nuo balionų iki sudėtingų kriogeninių sistemų.

Kadangi helis yra labai lengvas, juo dažniausiai užpildomi dirižabliai, pvz., "Goodyear" dirižablis.

Tiekimas

Žemėje helis tapo retas. Jei jis laisvai patenka į orą, jis palieka planetą. Skirtingai nei vandenilis, kuris reaguoja su deguonimi ir sudaro vandenį, helis nereaguoja. Jis lieka kaip dujos. Po 1925 m. priimto Helio įstatymo JAV daugelį metų kaupė helį Nacionaliniame helio rezerve. Amerikoje helis gaunamas iš gręžinių Didžiosiose lygumose. Šiuo metu Kataras tiekia daugiau helio nei JAV.

Kelios mokslinių tyrimų organizacijos paskelbė pareiškimus dėl helio trūkumo ir išsaugojimo. Šios organizacijos dar 1995 m. ir 2016 m. paskelbė politines rekomendacijas, kuriose ragino Jungtinių Valstijų vyriausybę saugoti ir tausoti helį dėl natūralių helio pasiūlos ribų ir unikalios šio elemento prigimties. Mokslininkams helis yra nepakeičiamas, nes jis būtinas labai žemoms temperatūroms gauti. Žemos temperatūros helis naudojamas kriogenikoje ir tam tikrose kriogenikos srityse. Skystas helis naudojamas tam tikriems metalams atšaldyti iki itin žemų temperatūrų, reikalingų superlaidumui, pavyzdžiui, superlaidžiuose magnetuose, skirtuose magnetinio rezonanso vaizdavimui.

Klausimai ir atsakymai

K: Koks yra helio cheminis simbolis?

A: Cheminis helio simbolis yra He.

K: Kiek yra helio izotopų?

Atsakymas: Yra 9 helio izotopai, iš kurių tik du yra stabilūs.

K: Dėl ko helis yra tauriosios dujos?

Atsakymas: Helijus vadinamas tauriosiomis dujomis, nes jis reguliariai nesimaišo su kitomis cheminėmis medžiagomis ir nesudaro naujų junginių.

K: Kokios spalvos ir kvapo yra helis?

A: Heliui nebūdinga nei spalva, nei kvapas. Tačiau, patekęs į elektrinį lauką, jis švyti raudonai oranžine spalva.

K: Kada astronomai pirmą kartą aptiko helio buvimą?

A.: Astronomai pirmą kartą helio buvimą aptiko 1868 m., kai jo spektras buvo nustatytas Saulės šviesoje. Tai įvyko anksčiau nei jis buvo atrastas Žemėje.

K: Kaip Žemėje naudojamas helis?

A: Žemėje helis naudojamas balionams ir dirižabliams pripildyti, nes jo tankis mažesnis nei oro, taip pat kai kurių rūšių elektros lemputėse. Juo taip pat galima kvėpuoti, tačiau tai gali būti pavojinga, jei jo įkvepiama per daug, nes jis gali sukelti hipoksiją, kuri gali sužeisti arba nužudyti žmogų, kuris nekvėpuoja įprastu oru, ir ilgalaikį poveikį balso stygoms.

K: Kaip Žemėje natūraliai susidaro helis?

A: Žemėje helis gaminamas natūraliai radioaktyviai skylant sunkiesiems radioaktyviesiems elementams, tokiems kaip toris ir uranas, nors yra ir kitų pavyzdžių. Tokių skilimų metu išsiskiriančias alfa daleles sudaro helio-4 branduoliai.