Heliul - aplicatii

Heliul - Aplicatii

Heliul este folosit cu multe scopuri care presupun cateva dintre calitatile lui unice, cum ar fi punctul lui scazut de fierbere, denistate si solubilitatea redusa, conductibilitatea termica inalta sau imobilitatea.

Heliul este gasit in comert fie in forma lichida, fie in forma gazoasa. Ca lichid, el poate fi pastrat in mici recipiente numite "dewars" care pot pastra pana la 1000 de litri de heliu, sau in marile recipiente ISO care au capacitate nominala la fel de mare cat 11000 de galoni (41637 de litri). In forma gazoasa, cantitati mici de heliu sunt pastrate in cilindri la mare presiune retinand pana la 300 de "standard cubic feet", in timp ce mari cantitati de gaz la presiune mare sunt pastrate in treilere tubulare care au o capacitate de pana la 180.000 "standard cubic feet"

. Pentru ca este mai usor decat aerul, dirijabilele si baloanele sunt umflate cu heliu pentru a se ridica. In dirijabile, heliul este preferat hidrogenului pentru ca nu arde si are 92,64% din puterea de ridicare a hidrogenului.

. Datorita solubilitatii scazute in apa, marea parte a sangelui uman, amestecuri de heliu cu oxigen si nitrogen (Trimix), doar cu oxigen (Heliox), cu aer obisnuit (heliair), si cu hidrogen si oxigen (hydreliox), sunt folosite in sistemul de respiratie sub apa pentru a reduce riscul ridicat al narcozei de nitrogen, al extinderii bolilor si al toxicitatii de oxigen.

. La temperaturi foarte mici, heliul lichid este folosit pentru a raci anumite metale pentru a produce superconuctibilitatea, cum ar fi in cazul magnetilor superconductivi folositi in imaginera rezonantei magnetice. Heliul la temperaturi joase este de asemenea folosit in criogenica.

. Datorita imobilitatii lui si al conductibilitatii termale ridicate, transparentei neutronului, si pentru ca nu formeaza izotopi radioactivi sub in conditiile reactorului, heliul este folosit pentru racire in cateva reactoare nucleare.

. Heliul este folosit ca gaz de aparare in procesul de sudare a arcului pe materialele care sunt contaminate usor prin aer. Este in special util in sudarea de sus, pentru ca este mai usor ca aerul si prin urmare pluteste, in timp ce alte gaze de aparare se scufunda.

. Pentru ca este inert, heliul este folosit ca gaz productiv in formarea siliconului si a cristalelor de germaniu, in productia de titan si zinc, in cromatografia gazului, si ca atmosfera pentru protectia documentelor istorice. Aceasta proprietate il face de asemenea folositor in tunelele de vant supersonice.

. Mediul pentru laserul cu neon si heliu este un amestec de heliu si neon.

. Pentru ca difuzeaza prin solide la o rata de trei ori mai mare decat prin aer, heliul este folosit pentru a detecta scurgerile in echipamentul vidat si in containerele de presiune inalta si de asemenea in alte aplicatii mai putin riguroase cum ar fi schimbarile de caldura, valve, chiar si pentru impachetarea mancarurilor la fel cum poate fi folosit ca aditiv pentru mancaruri - E939.

. Datorita indicelui de refractie extrem de mic, folosirea heliului reduce efectele deformatoare ale viariatiilor de temperatura in spatiul dintre lentilele din cateva telescoape.

. Varsta rocilor si a mineralelor care contin uraniu si toriu, elemente radioactive care emit nuclei de heliu numiti alfa particule, poate fi calculata prin masurarea nivelului de heliu printr-un proces cunoscut ca datarea heliului (helium dating).

Referat: Diviziunea celulei si ereditatea Referat: Ecosistemul

. Conductibilitatea termala ridicata si viteza sunetului a heliului este de asemenea dezirabila in refrigerearea termoacustica. Imobilitatea heliului se adauga la avatajul pe care-l are aceasta tehnologie asupra mediului inconjurator fata de sistemul de refrigerare conventional care poate contribui la subtierea stratului de ozon si la efectele incalzirii globale.

. Pentru ca heliul este de asemenea mai putin dens decat aerul atmosferic, va schimba timbrul (nu intensitatea) vocii unei persoane care-l inhaleaza. Totusi, inhalarea lui de la o sursa tipica comerciala, ca cea folosita pentru umplerea baloanele, poate fi periculoasa din cauza riscului de asfixiere de la lipsa de oxigen, si numarului contaminarilor care pot fi prezente. Aceasta poate include urme de alte gaze, fata de uleiul de ungere aerosolidificat.

Istorie

Descoperiri stiintifice

Existenta heliului a fost pentru prima data descoperita in 18 august 1868 ca o linie galbena luminoasa cu o lungime de unda de 587,49 nanometri in spectrul cromosferei soarelui, de catre astronomul francez Pierre Janson in timpul unei eclipse totale de soare in Guntur, India. Aceasta linie s-a presupus a fi initial sodiul. Pe 20 octombrie al aceluiasi an astronautul englez Norman Lockyer a observat in spectrul solar o linie galbena pe care a numit-o linia D3 pentru ca era aproape de liniile de sodiu D1 si D2, ajungand la concluzia ca era cauzata de un element din soare necunoscut pe pamant. El si chimistul englez Edward Frankland a numit elementul cu grecescul helios (ήλιοs) care inseamna soare.

Pe 26 martie 1895 chimistul britanic William Ramsay a izolat heliul pe pamant. Ramsay cauta argonul, dar, dupa ce a separat nitrogenul si oxigenul de gazul eliberat de acidul sulfuric, a observat o linie galbena luminoasa care s-a potrivit cu linia D3 observata in spectrul soarelui. Aceste probe au fost identificate ca fiind heliu de Lockyer si de fizicianul britanic William Crookes. A fost izolat printr-o alta metoda in acelasi an de chimistul Per Teodor Cleve si Abraham Langlet in Uppsala, Suedia, care au colectat destul gaz pentru a determina cu acuratete masa lui atomica. Heliul a fost de asemenea izolat de geochimistul William Francis Hillebrand, fiind prioritar fata de descoperirea lui Ramsay cand a observat linii spectrale neobisnuite in timp ce testa o proba de uraninita minerala. Hillebrand, oricum, a atribuit liniile nitrogenului. Scrisoarea de felicitare pentru Ramsay a oferit un caz interesant de descoperire in stiinta.

In 1907 Ernest Rutherford si Thomas Royds a demonstrat ca o alfa particula este un nucleu de heliu. In 1908, heliul a fost pentru prima data lichefiat de fizicianul german Heike Kamerlingh Onnes prin racirea cazului la mai putin de un Kelvin. A incercat sa solidifice prin reducerea in continuare a temperaturii, dar a esuat pentru ca heliul nu are un punct triplu de temperatura, unde fazele solida, lichida si gazoasa sunt la echilibru. A fost solidificat pentru prima data in 1926 de studentul lui Willem Hendrik Keesom prin trecerea heliului la 25 de atmosfere presiune.

In 1938, fizicianul rus Pyotr Leonidovich Kapitsa a descoperit ca heliu-4 nu are aproape deloc vascozitate la o temperatura apropiata de zero absolut, un fenomen numit acum superfluiditate. In 1972, acelasi fenomen a fost observat si pentru heliu-3 de fizicianul american Douglas D. Osheroff, Davis M. Lee si Robert C. Richardson.

Istoria extractiei si a folosirii

In 1903 in Dexter, Kansas, dupa o operatie complicata, SUA au produs un geyser cu gaz care nu arde, iar geologul Erasmus Haworth a colectat probe de gaz degajat si le-a luat la Universitatea din Kansas la Lawrence unde, cu ajutorul chimistului Hamilton Cady si David McFarland, a descoperit ca gazul continea, in volume, 72% nitrogen, 15% metan - insuficient pentru a transforma gazul in combustibil, 1% hidrogen si 12% gaz neidentificat. Cu analizele ulterioare, Cady si McFarland au descoperit ca 1,84% din probele de gaz era heliu. Pe departe de a fi un element rar, heliul a fost prezent in cantitati vaste in marile campii ale Americii, valabil pentru extractii din gazul natural.

Efecte biologice

Vocea unei persoane care a inhalat heliu temporar (acest lucru ar trebui facut cu grija) suna pitigaiata. Aceasta este pentru ca viteza sunetului prin heliu este aproape de trei ori mai mare decat viteza sunetului in aer. Deoarece frecventa fundamentala a unei cavitati in care se afla gaz este proportionala cu viteza sunetului in gaz, cand heliul este inhalat se va produce o crestere proportionala a frecventelor rezonante a corzilor vocale (efectul opus, scaderea frecventei, poate fi obtinut prin inhalarea hexaflorurii de sulf).

Inhaland heliu, de exemplu pentru a produce efectul vocal, poate fi periculor daca se realizeaza in exces atata timp cat heliul este un simplu asfixiant, pentru ca inlocuieste oxogenul necesar respirarii. Moartea prin asfixiere va surveni in cateva minute daca heliul pur este inhalat in mod continuu. La mamifere (cu exceptia notabila a focilor si a multor animale de vizuina) reflexul de respiratie este oprit mai ales de excesul de dioxid de carbon decat de lipsa de oxigen, asadar asfixierea prin heliu progreseaza fara ca victima sa simta nevoia de aer. Inhalarea heliului direct din cilindrele cu presiune este extrem de periculoasa pentru ca "rata" mare de curgere poate rezulta in barotrauma (dauna fizica asupra tesuturilor corpului cauzata de diferenta de presiune dintre un spatiu cu aer inauntrul sau inafara corpului si inconjurat de un gaz sau lichid), distrugand in mod fatal tesutul plamanilor.

Heliul neutru la conditii standard nu este toxic, nu joaca nici un rol biologic si se gaseste in in sangele uman. La presiune inalta, un amestec de heliu si oxigen poate duce la sindromul nervos de mare presiune ("high pressure nervous syndrome"); totusi, marirea proportiilor de nitrogen poate reduce aceasta problema.

Recipientele de heliu in stare gazoasa la 5 pana la 10 K ar trebui pastrate ca si cum ar contine heliu lichid datorita rapidei expansiunii termice care se produce cand heliul gazos la mai putin de 10 K este incalzit la temperatura camerei.

Compusi

.Heliul este chimic nereactiv in conditii normale datorita valentei lui care este zero. Este un izolator electric daca nu este ionizat. La fel ca celelate gaze nobile, heliul are nivele de energie metastabile care permit sa ramana ionizat intr-o descarcare electrica cu un voltaj sub potentialul de ionizare. Heliul poate forma componente instabile cu iodul, fluorul, sulful si fosforul cand este supus unui descarcari luminoase electrice, prin bombardamentul de electroni. HeNe, HgHe₁₀, WHe_2, si ionii moleculari He₂⁺, He₂⁺⁺, HeH⁺, si HeD⁺ au fost creati in acest mod. Aceasta tehnica a permis de asemenea producerea moleculelor neutre He₂ si HgHe, care este in aparenta tinut impreuna doar de fortele polarizante. Teoretic, alte componente ar putea fi posibile, cum ar fi HheF care ar fi analog cu HarF descoperit in 2000.

Heliul a fost pus inauntrul moleculelor de carbon prin incalzirea sub presiune mare a gazului. Moleculele neutre formate sunt stabile pana la temperaturi inalte. Cand derivatii chimici ai acestora se formeaza, heliul ramane inauntru. Daca este folosit heliu-3, se observa cu usurinta prin spectroscopia NMR. Aceste substante se potrivesc definitiei de "compus" in cartea chimiei si a fizicii. Acestia sunt primii compusi de heliu neutri stabili care se vor forma.