Hēlijs — ķīmiskais elements: īpašības, izotopi un pielietojums
Uzzini par hēliju: tā īpašībām, izotopiem, rašanos un drošu pielietojumu balonos, spuldzēs un medicīnā — fakti, riski un praktiski padomi.
Hēlijs ir ķīmisks elements. Tā ķīmiskais simbols ir He, atomu skaits - 2, bet atommasa - aptuveni 4,002602. Ir 9 hēlija izotopi, no kuriem tikai divi ir stabili. Tie ir 3He un 4He. 4He ir visizplatītākais izotops; tas veido lielāko daļu dabiskā hēlija masas uz Zemes un Visumā.
Hēliju sauc par cēlgāzi, jo tas regulāri nesajaucas ar citām ķīmiskām vielām un neveido jaunus savienojumus parastā spiedienā un temperatūrā. Tam ir zemākais viršanas punkts no visiem elementiem — šķidrais hēlijs vārās apmēram 4,22 K (−268,93 °C) pie viena standarta atmosfēras spiediena — un tas pie normāla spiediena nekad nekļūst par cietu vielu; cietu hēliju var iegūt tikai pie ļoti lielā spiediena. Tas ir otrs visumā izplatītākais elements aiz ūdeņraža, un tam nav ne krāsas, ne smaržas. Tomēr, nonākot elektriskā laukā vai izstarojot ar elektriskajiem lādiņiem, hēlijs spīd sarkanīgi oranžā krāsā. Hēlijs parasti nereaģē ar citām vielām; tomēr ekstremālos apstākļos ir novērotas vai prognozētas dažas retas vai īslaicīgas formas (piemēram, HeH+ interstelāra molekula un spiediena inducēti savienojumi), bet tās nav tipiskas ķīmiskas saites kā citiem elementiem.
Par hēlija izotopiem jāpiebilst, ka, lai gan dabā dominē 4He, 3He ir svarīgs zemo temperatūru fizikā un dažās tehnoloģijās (piemēram, kvantu dzesēšanā un neitronu detektēšanā). Daudzi citi īslaicīgie izotopi tiek radīti laboratorijās vai radioloģiskos procesos, taču tiem ir īss dzīves ilgums.
Hēlijs rodas kodolsintēzes procesā Saules un līdzīgās zvaigznēs. Šajā procesā četri ūdeņraža atomi saplūst kopā, veidojot vienu hēlija atomu. Uz Zemes tas rodas dabiski radioaktīvi sadaloties smagajiem radioaktīvajiem elementiem, piemēram, torijam un urānam, un alfa daļiņas — kas izdalās šo sabrukšanas procesu laikā — faktiski ir hēlija-4 kodoli. Atmosfērā hēlija koncentrācija ir ļoti zema (aptuveni 5,2 daļas uz miljons pēc tilpuma), tāpēc rūpnieciskai izmantošanai to parasti ieguvē no dabasgāzes atradnēm, kur hēlijs uzkrājies gāzes maisījumos.
Hēliju izmanto balonu un dirižabļu pildīšanai, jo tā blīvums ir vieglāks par gaisa blīvumu un tas nedeg, tāpēc ir drošs šādam lietojumam. To plaši izmanto arī zinātnē un rūpniecībā: kā dzesēšanas šķidrumu supervadošiem elektromagnētiem (piemēram, magnētiskās rezonanses ierīcēs — MRI), kriogenikā, kā nesēju gāzi chromatogrāfijā, noplūžu atrašanā (sakarā ar hēlija mazo atomu izmēru un inertumu), kā arī speciālās elpošanas maisījumos dziļūdens niršanā (heliox). Hēlijs ir svarīgs arī materiālzinātnē un kvantu fizikas pētījumos, jo šķidrais hēlijs ļauj sasniegt ļoti zemas temperatūras un demonstrē unikālas parādības, piemēram, superplūstamību šķidrajā 4He zem lambda punkta (aptuveni 2,17 K).
Cilvēki var ieelpot hēliju: tas padara viņu balsi augstāku nekā parasti, jo skaņas ātrums un rezonanses elpošanas traktā mainās, tomēr tas ir tikai īslaicīgs efekts. Tas ir joks, bet ir bīstami, jo, ja viņi ieelpo pārāk daudz, hipoksija var viņus ievainot vai nogalināt, jo viņi neelpo normālu gaisu. Pārlieku liela hēlija daudzuma ieelpošana var izraisīt arī ilgstošu ietekmi uz balss saitēm. Turklāt jāņem vērā drošības riski saistībā ar saspiestiem gāzes baloniem (sprādziena un spiediena traumas) un šķidrā hēlija radītām aukstuma apdegumu briesmām, ja notiek tieša kontakta ar ādu vai acīm.
Hēlija atklāšana ir arī interesanta vēsturiski: astronomi to pirmo reizi konstatēja 1868. gadā, kad tā spektrs tika identificēts Saules gaismā (no grieķu vārda Helios — Saule). Tikai vēlāk, 1895. gadā, hēlijs tika atrasts uz Zemes minerālos un izolēts laboratorijā. Mūsdienās lielākā daļa komerciālā hēlija iegūta no dabasgāzes, jo tieši tur tas uzkrājas ekonomiski izmantojamā koncentrācijā.
Īss kopsavilkums par galvenajām īpašībām un lietojumiem:
- Atoms: Z=2, ķīmiskais simbols He, atommasa ~4,002602 u.
- Fiziskās īpašības: bezkrāsains, bez smaržas, ļoti zems viršanas punkts (~4,22 K), neizveido parastu ķīmisku saišu klātbūtnē.
- Izotopi: 9 identificēti, stabilie ir 3He un 4He.
- Iegūšana: no dabasgāzes, retāk atmosfēras separācijā; sekmīga ieguve un pārstrāde ir svarīga, jo hēlija rezerves ir ierobežotas.
- Pielietojumi: baloni, dzesēšana (MRI, zinātniskie pētījumi), niršana, noplūžu meklēšana, rūpnieciskā drošība un citas tehnoloģijas.
- Drošība: neuzliesmojošs, bet kā neelpojoša gāze var izraisīt nosmakšanu; šķidrais hēlijs var radīt aukstuma apdegumus; jāievēro drošības prasības darbā ar spiedienu un kriogēnām vielām.
Tā kā hēlijs ir ļoti viegls, to izmanto kā gāzi, ar ko pildīt dirižabļus, piemēram, Goodyear blimpu.
Piegāde
Hēlijs uz Zemes ir kļuvis retums. Ja tas nonāk brīvā gaisā, tas pamet planētu. Atšķirībā no ūdeņraža, kas reaģē ar skābekli, veidojot ūdeni, hēlijs nav reaktīvs. Tas paliek kā gāze. Daudzus gadus pēc 1925. gadā pieņemtā Hēlija likuma ASV vāc hēliju Nacionālajā hēlija rezervātā. Amerikāņu hēlijs tiek iegūts no urbumiem Lielo līdzenumu apgabalā. Pašlaik vairāk hēlija piegādā Katara nekā ASV.
Vairākas pētniecības organizācijas ir publicējušas paziņojumus par hēlija trūkumu un saglabāšanu. Šīs organizācijas jau 1995. gadā un vēl 2016. gadā publicēja politikas ieteikumus, kuros aicināja ASV valdību glabāt un saglabāt hēliju, ņemot vērā hēlija krājumu dabiskās robežas un šī elementa unikālo dabu. Pētniekiem hēlijs ir neaizstājams, jo tas ir būtisks ļoti zemu temperatūru radīšanai. Hēliju zemās temperatūrās izmanto kriogēnikā un dažos kriogēnikas lietojumos. Šķidro hēliju izmanto, lai dažus metālus atdzesētu līdz ārkārtīgi zemām temperatūrām, kas nepieciešamas supravadītspējai, piemēram, supravadošajos magnētos magnētiskās rezonanses attēlveidošanai.
Jautājumi un atbildes
J: Kāds ir hēlija ķīmiskais simbols?
A: Hēlija ķīmiskais simbols ir He.
J: Cik ir hēlija izotopu?
A: Ir 9 hēlija izotopi, no kuriem tikai divi ir stabili.
J: Kas padara hēliju par cēlgāzi?
A: Hēliju sauc par cēlgāzi, jo tas regulāri nesajaucas ar citām ķīmiskām vielām un neveido jaunus savienojumus.
J: Kādas krāsas un smaržas ir hēlijam?
A: Hēlijam nav ne krāsas, ne smaržas. Tomēr, nonākot elektriskajā laukā, tam ir sarkanīgi oranžs mirdzums.
J: Kad astronomi pirmo reizi atklāja hēlija klātbūtni?
A: Astronomi pirmo reizi konstatēja hēlija klātbūtni 1868. gadā, kad tā spektrs tika identificēts Saules gaismā. Tas notika pirms tā atklāšanas uz Zemes.
J: Kādi ir daži hēlija izmantošanas veidi uz Zemes?
A: Uz Zemes hēliju izmanto balonu un dirižabļu pildīšanai, jo tā blīvums ir mazāks nekā gaisa, kā arī dažos spuldzīšu veidos. To var arī ieelpot, bet tas var būt bīstami, ja ieelpo pārāk daudz, jo tas var izraisīt hipoksiju, kas var ievainot vai nogalināt cilvēku, kurš neelpo normālu gaisu, un ilgstoši ietekmēt balss saites.
J: Kā uz Zemes dabiski rodas hēlijs?
A: Uz Zemes hēliju iegūst, dabiski radioaktīvi sadaloties smagajiem radioaktīvajiem elementiem, piemēram, torijam un urānam, lai gan ir arī citi piemēri. Šādas sabrukšanas rezultātā izdalītās alfa daļiņas sastāv no hēlija-4 kodoliem.
Meklēt