헬륨 : 역사, 속성, 구조, 위험, 용도 - 화학 - 2024

헬륨 기호 그와 화학적 요소이다. 주기율표에서 최초의 희가스이며 일반적으로 가장 오른쪽에 위치합니다. 정상적인 조건에서는 몇 가지 화합물이 안정적이지 않기 때문에 불활성 기체입니다. 또한 매우 빠르게 팽창하며 가장 낮은 끓는점을 가진 물질입니다.

수많은 이벤트 나 어린이 파티에서 풍선이 하늘에서 사라질 때까지 어떻게 떠오르는 지 목격하는 것이 일반적이기 때문에 대중적인 수준에서 그것은 잘 알려진 가스입니다. 그러나 태양계의 모서리와 그 너머에서 실제로 영원히 잃어버린 것은 풍선이 폭발하거나 수축하면 방출되는 헬륨 원자입니다.

헬륨으로 부풀린 풍선, 일상적인 상황에서이 요소에 가장 가까운 곳입니다. 출처 : Pixabay.

사실, 헬륨 풍선이이 가스에 대한 부적절한 관행을 대표한다고 생각하는 사람들이 있습니다. 다행히도 다른 화학 원소와 분리되는 물리적 및 화학적 특성 덕분에 더 중요하고 흥미로운 용도가 있습니다.

예를 들어, 액체 헬륨은 너무 차가워서 금속 합금과 같은 것을 얼려 초전도 물질로 만들 수 있습니다. 마찬가지로 유리 용기의 벽을 올라갈 수있는 초 유동성을 나타내는 액체입니다.

그 이름은 지구가 아닌 태양에서 처음으로 확인 되었기 때문입니다. 그것은 전체 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이며, 지각에서 그 농도는 무시할 만하지 만 천연 가스 및 우라늄과 토륨의 방사성 광물 매장량에서 얻을 수 있습니다.

여기서 헬륨은 또 다른 흥미로운 사실을 보여줍니다. 이것은 대기보다 심토에 훨씬 더 풍부한 가스이며, 지구와 그 중력장에서 빠져 나가게됩니다.

역사

헬륨은 지구에서 발견 된 것이 아니라 태양에서 발견되었습니다. 사실 그 이름은 태양을 의미하는 그리스어 'helios'에서 유래되었습니다. 원소의 존재 자체는 새로운 가스를위한 장소가 없었기 때문에 Dmitri Mendeleev의 주기율표와 대조되었습니다. 즉, 그때까지는 희가스에 대해 전혀 의심되지 않았습니다.

영어로 'helium'으로 쓰여진 'helium'이라는 이름은 접미사 -ium으로 끝났으며 금속을 의미합니다. 산소, 수소, 불소, 염소 및 질소 이외의 가스의 존재는 인정할 수 없기 때문입니다.

이 이름은 1868 년 일식 동안 인도의 프랑스 천문학 자 Jules Janssen이 관찰 한 것을 영국에서 연구 한 영국 천문학 자 Norman Lockyer가 지정했습니다.

그것은 지금까지 알려지지 않은 원소의 노란색 스펙트럼 선이었습니다. Lockyer는 이것이 태양에서 발견 된 새로운 화학 원소의 존재 때문이라고 주장했습니다.

거의 20 년 후인 1895 년 스코틀랜드의 화학자 윌리엄 램지 경은 방사성 광물 인 클레 베이트를 연구 할 때 잔류 가스에서 동일한 스펙트럼을 인식했습니다. 그래서 여기 지구에도 헬륨이있었습니다.

물리 화학적 특성

외관

감전 후 빛나는 헬륨 샘플이 들어있는 앰플. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

헬륨은 무색, 무취의 가스로 맛이없고 불활성이기도합니다. 그러나 전기 충격이 가해지면 전압 차이에 따라 회 보라색 안개 (위 이미지)로 빛나기 시작하고 주황색 빛으로 빛납니다. 따라서 헬륨 표시등은 주황색입니다.

원자 번호 (Z)

두

몰 질량

4.002g / 몰

녹는 점

-272.2 ºC

비점

-268.92 ºC

밀도

-0.1786g / L, 정상 조건, 즉 기체 상태에서.

-0.145 g / mL, 융점에서 액체 헬륨.

-0.125g / mL, 헬륨이 끓기 시작할 때.

-0.187g / mL, 0K 및 25atm, 즉 특정 압력 및 온도 조건에서 고체 헬륨.

트리플 포인트

2.177K 및 5.043kPa (0.04935 atm)

임계점

5.1953K 및 0.22746MPa (2.2448atm)

융합 열

0.0138 kJ / 몰

기화열

0.0829 kJ / 몰

몰 열용량

20.78 J / (몰 K)

증기압

0.9869 atm at 4.21 K.이 값은 헬륨이 얼마나 덧 없는지 그리고 얼마나 쉽게 실온 (298K에 가까움)에서 빠져 나갈 수 있는지에 대한 아이디어를 제공합니다.

이온화 에너지

-첫 번째 : 2372.3 kJ / mol (He ⁺ 기체)

-초 : 5250.5 kJ / mol (He ²⁺ 기체)

헬륨의 이온화 에너지는 가스 원자가 전자를 잃어 버려 강력한 효과적인 핵 전하를 경험하기 때문에 특히 높습니다. 또한 원자의 작은 크기와 두 전자가 핵에 얼마나 "가까운 지"(두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 갖는)을 고려하여 이해할 수 있습니다.

용해도

물에는 0ºC에서 물 100mL 당 0.97mL가 용해되어 잘 녹지 않습니다.

반동

헬륨은 자연에서 두 번째로 반응성이 가장 낮은 화학 원소입니다. 정상적인 조건에서는 불활성 가스라고 말하는 것이 옳습니다. 막대한 압력이 가해지지 않는 한 방이나 실험실에서 헬륨 화합물을 조작 할 수는 없습니다. 또는 극적으로 높거나 낮은 온도.

다이아몬드 앤빌 셀에서 재현 된 300GPa의 압력에서만 안정한 화합물 Na ₂ He 에서 예를 볼 수 있습니다.

Na ₂ He 의 화학 결합은 전자가 결정에 잘 위치하기 때문에 "이상하다"지만 단순한 Van der Walls 상호 작용과는 거리가 멀기 때문에 분자 집합체에 갇힌 헬륨 원자로 만 구성되지 않습니다. . 여기에서 헬륨 화합물이 진짜인지 아닌지 사이에 딜레마가 발생합니다.

예를 들어, 고압에서 질소 분자는 헬륨 원자를 포획하여 일종의 포 접체 He (N ₂ ) ₁₁ 을 형성 할 수 있습니다 .

마찬가지로, 풀러렌 양이온 C ₆₀ ^{+ n} 및 C ₇₀ ^{+ n} 의 내면 체 복합체가 있으며, 그 구멍에는 헬륨 원자를 수용 할 수 있습니다. 그리고 분자 양이온 HeH ⁺ (He-H ⁺ )는 아주 먼 성운에서 발견됩니다.

산화 번호

시도 호기심 하기 의 화합물 중 어느 하나에 헬륨 산화수를 계산 이것이 나 0으로 동일한 것으로한다 ₍₂₎ , 예를 들면, 생각할 수있는 그 가상 나트륨의 화학식 대응 ₂ ⁺ I ^2- ; 그러나 실제로는 그 결합이 그렇지 않은 경우 순수한 이온 특성을 가지고 있다고 가정하는 것입니다.

게다가, 헬륨은 에너지 적으로 사용할 수없는 2s 궤도에 수용 할 수 없기 때문에 전자를 얻지 못합니다. 원자의 작은 크기와 핵의 효과적인 핵 전하 때문에 그것들을 잃는 것도 불가능합니다. 그렇기 때문에 헬륨은 항상 파생 된 화합물에서 He ⁰ 원자로 (이론상) 참여 합니다.

구조 및 전자 구성

거시적 규모에서 관찰되는 모든 가스와 마찬가지로 헬륨은이를 저장하는 용기의 부피를 차지하므로 모양이 무한합니다. 그러나 온도가 떨어지고 -269ºC 이하로 냉각되기 시작하면 가스는 무색 액체로 응축됩니다. 헬륨 I,이 원소의 두 액상 중 첫 번째.

헬륨이 그토록 낮은 온도에서 응축되는 이유는 원자를 서로 붙잡고있는 낮은 산란 력 때문입니다. 어떤 단계를 고려하든. 이것은 전자 구성에서 설명 할 수 있습니다.

1 초 ²

두 개의 전자가 1s 원자 궤도를 차지합니다. 헬륨 원자는 거의 완벽한 구체로 시각화 될 수 있으며, 그 균질 한 전자 주변부는 핵에있는 두 양성자의 효과적인 핵 전하에 의해 분극화 될 가능성이 낮습니다.

따라서 자발적이고 유도 된 쌍극자 모멘트는 드물고 매우 약합니다. 따라서 온도는 절대 영도에 가까워 야 He 원자가 충분히 천천히 접근하여 분산력이 액체를 정의 할 수 있습니다. 또는 더 좋은 것은 헬륨 결정입니다.

이량 체

기체상에서 He 원자를 분리하는 공간은 항상 서로 분리되어 있다고 가정 할 수있는 공간입니다. 작은 부피의 바이알에서 헬륨은 전기 방전을 겪을 때까지 무색으로 보이며, 이는 회색 빛이 도는 희미한 안개 속에서 원자를 이온화합니다.

그러나 액체 상태에서 He 원자는 약한 상호 작용이 있어도 더 이상 "무시"할 수 없습니다. 이제 분산력으로 인해 순간적으로 결합하여 이량 체를 형성 할 수 있습니다 : He-He 또는 He ₂ . 따라서, 헬륨 나는 그분의 광대 한 클러스터로 생각 될 수있다 ₂ 기상에서의 원자와 평형한다.

그래서 헬륨 I은 증기와 구별하기가 어렵습니다. 이 액체가 밀폐 용기에서 엎질러지면 희끄무레 한 플레어로 빠져 나갑니다.

헬륨 II

온도가 더욱 낮아져 2,178K (-270,972ºC)에 닿으면 상전이가 발생합니다. 헬륨 I은 헬륨 II로 변환됩니다.

이 시점에서 이미 매혹적인 헬륨 액체는 초 유체 또는 양자 유체가됩니다. 즉, 그들의 거시적 특성은 마치 He ₂ 이량 체가 개별 원자 인 것처럼 나타납니다 (아마도 그렇습니다 ). 원자가 미끄러지거나 "등반"하는 동안 원자를 멈출 수있는 표면이 없기 때문에 완전한 점도가 부족합니다.

이것이 헬륨 II가 중력을 극복하고 유리 용기의 벽을 오를 수있는 이유입니다. 아무리 높더라도 표면이 동일한 온도로 유지되어 휘발하지 않는 한.

이로 인해 액체 헬륨은 아주 작은 균열이나 틈새에서 빠져 나가기 때문에 유리 용기에 보관할 수 없습니다. 가스에서 일어나는 것과 매우 유사합니다. 대신 스테인리스 스틸이 이러한 선박 (Dewars 탱크)을 설계하는 데 사용됩니다.

크리스탈

온도가 0K (절대 영도)로 떨어지더라도 He 원자 사이의 산란 력은 결정 구조로 정렬 할만큼 강하지 않습니다. 응고가 일어나려면 압력이 약 25atm까지 상승해야합니다. 그런 다음 소형 육각형 헬륨 결정 (hcp)이 나타납니다.

지구 물리학 연구에 따르면이 hcp 구조는 압력이 아무리 증가해도 변하지 않습니다 (기가 파스칼, GPa 정도). 그러나 압력-온도 다이어그램에는 이러한 hcp 결정이 신체 중심 입방 상 (bcc)으로 전환되는 좁은 영역이 있습니다.

찾아서 얻을 수있는 곳

코스모스와 바위

헬륨은 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이며 질량의 24 %를 차지합니다. 출처 : Pxhere.

헬륨은 전체 우주에서 두 번째로 가장 풍부한 원소이며 수소 다음으로 두 번째입니다. 별은 핵 합성 과정에서 두 개의 수소 핵을 융합하여 끊임없이 헤륨 원자를 생산합니다.

마찬가지로, α 입자를 방출하는 방사성 과정은 환경에서 전자와 상호 작용할 경우 헬륨 원자 생성의 원천입니다. 예를 들어, 우라늄과 토륨의 방사성 광물이 매장되어있는 암석 체의 경우. 이 두 원소는 우라늄으로 시작하여 방사성 붕괴를 겪습니다.

알파 입자의 형성에서 우라늄의 방사성 붕괴는 나중에 지하 퇴적물에서 헬륨 원자로 변환됩니다. 출처 : Gabriel Bolívar.

따라서 이러한 방사성 미네랄이 농축 된 암석에서 헬륨 원자가 갇혀 산성 매체에서 소화되면 방출됩니다.

이러한 광물 중 일부는 클레 베이트, 카르노 타이트 및 우 라니 나이트이며, 모두 우라늄 산화물 (UO ₂ 또는 U ₃ O ₈ )과 토륨, 중금속 및 희토류의 불순물로 구성됩니다. 지하 채널을 통해 관개되는 헬륨은 천연 가스 저장소, 광천 또는 유성철에 축적 될 수 있습니다.

우라늄과 토륨의 방사성 붕괴로 암석권에서 매년 3000 톤에 해당하는 헬륨 질량이 생성되는 것으로 추정됩니다.

공기와 바다

헬륨은 물에 잘 녹지 않기 때문에 나중에는 (기원이 어디이든) 심층에서 상승하여 대기층을 통과하여 마침내 우주 공간에 도달합니다. 그 원자는 너무 작고 가벼워서 지구의 중력장이 그들을 대기에 가둘 수 없습니다.

위와 같은 이유로 공기 (5.2ppm)와 바다 (4ppt)의 헬륨 농도는 매우 낮습니다.

이 두 매체 중 하나에서 추출하려는 경우 "최상의"옵션은 공기가 될 것입니다. 먼저 모든 구성 가스를 응축하기 위해 액화를 거쳐야하는 반면 헬륨은 기체 상태로 유지됩니다.

그러나 공기에서 헬륨을 얻는 것은 실용적이지 않지만 방사성 광물이 풍부한 암석에서 얻을 수 있습니다. 헬륨이 총 질량의 최대 7 %를 차지할 수있는 천연 가스 매장량에서

천연 가스 액화 및 증류

공기를 액화시키는 대신 헬륨 조성이 의심 할 여지없이 훨씬 더 큰 천연 가스를 사용하는 것이 더 쉽고 수익성이 높습니다. 따라서 헬륨을 얻기위한 우수성 (상업적) 원료는 천연 가스이며 분별 증류도 가능합니다.

증류의 최종 생성물은 매우 순수한 헬륨이 통과하는 활성탄으로 정제됩니다. 그리고 마지막으로 액체 헬륨이 사용되는 극저온 공정에 의해 헬륨이 네온과 분리됩니다.

동위 원소

헬륨은 자연에서 주로 ⁴ He 동위 원소로 발생하며 , 그 중 가장 유명한 α 입자가 드러나 있습니다. 이 ^{4 개의} He 원자 는 두 개의 중성자와 두 개의 양성자를 가지고 있습니다. 중성자가 하나 뿐인 동위 원소 ³ He 는 덜 풍부합니다 . 첫 번째는 두 번째보다 무겁습니다 (원자 질량이 더 높음).

따라서 동위 원소 쌍 ³ He 및 ⁴ He는 측정 가능한 특성을 정의하고 헬륨을 화학 원소로 이해하는 것입니다. ³ He가 더 가볍기 때문에 원자가 더 높은 운동 에너지를 가지고 있으므로 초 유체에서 합쳐 지려면 더 낮은 온도가 필요하다고 가정합니다.

³ 그는 여기 지구에서 매우 드문 종으로 간주됩니다; 그러나 달의 토양에서는 더 풍부합니다 (대략 2000 배 더 많음). 이것이 달이 미래 우주선의 핵연료로 사용될 수있는 ³ He 의 가능한 원천으로 프로젝트와 이야기의 주제가 된 이유 입니다.

헬륨의 다른 동위 원소는 각각의 반감기로 언급 될 수 있습니다 : ⁵ He (t _1/2 = 7.6 · 10 ⁻²² s), ⁶ He (t _1/2 = 0.8 s) 및 ⁸ He (t _1/2 = 0.119 초).

위험

헬륨은 불활성 기체이므로 우리 몸에서 일어나는 어떤 반응에도 관여하지 않습니다.

그것의 원자는 생체 분자와 상호 작용없이 실질적으로 들어오고 나간다. 성대에서 나오는 소리를 제외하고는 점점 더 높아지고 있습니다.

풍선에서 헬륨을 흡입하는 사람들 (적당하게)은 다람쥐 (또는 오리)와 유사한 고음의 목소리로 말합니다.

문제는 그러한 사람이 부적절한 양의 헬륨을 흡입하면 원자가 산소 분자를 대체하기 때문에 질식의 위험이 있다는 것입니다. 따라서 모든 헬륨을 내쉬기 전까지는 숨을 쉴 수 없으며, 이는 압력으로 인해 폐 조직을 찢거나 압력 상해를 일으킬 수 있습니다.

방금 설명한 내용 때문에 헬륨을 흡입하여 사망 한 사람들의 사례가보고되었습니다.

반면에 산소 (또는 다른 물질)에 대한 반응성이 부족하여 화재 위험은 아니지만 고압 상태에서 저장하여 빠져 나가면 물리적으로 위험 할 수 있습니다.

응용

헬륨의 물리적 및 화학적 특성은 헬륨을 특수 가스로 만들뿐만 아니라 극도로 낮은 온도가 필요한 응용 분야에 매우 유용한 물질입니다. 이 섹션에서는 이러한 응용 프로그램 또는 용도 중 일부에 대해 설명합니다.

압력 및 블리드 시스템

일부 시스템에서는 압력을 증가 (가압)해야하며,이를 위해 구성 요소와 상호 작용하지 않는 가스를 주입하거나 공급해야합니다. 예를 들어, 바람직하지 않은 반응에 민감한 시약 또는 표면.

따라서 화학적 불활성으로 인해 이러한 목적에 이상적인 헬륨의 부피를 사용하여 압력을 증가시킬 수 있습니다. 그것이 제공하는 불활성 대기는 특정 경우에 질소를 초과합니다.

역 과정, 즉 퍼지의 경우, 제거하려는 존재의 모든 산소, 수증기 또는 기타 가스를 동반하는 능력으로 인해 헬륨도 사용됩니다. 이런 식으로 헬륨이 비워지면 시스템의 압력이 감소합니다.

누출 감지

헬륨은 아주 미세한 균열을 통해 누출 될 수 있으므로 파이프, 고진공 용기 또는 극저온 탱크의 누출을 감지하는 역할도합니다.

때로는 시각적으로 또는 터치로 감지 할 수 있습니다. 그러나 대부분은 검사중인 시스템에서 헬륨이 어디에서 얼마나 빠져 나가는 지 "신호"를 보내는 탐지기입니다.

운반 가스

퍼지 시스템에서 언급했듯이 헬륨 원자는 압력에 따라 더 무거운 분자를 운반 할 수 있습니다. 예를 들어,이 원리는 고정상과 상호 작용하는 컬럼을 따라 원자화 된 샘플을 끌 수 있기 때문에 가스 크로마토 그래피 분석에서 매일 사용됩니다.

풍선과 비행선

헬륨은 비행선을 부 풀리는 데 사용되며 가연성 가스가 아니기 때문에 수소보다 훨씬 안전합니다. 출처 : Pixabay.

공기에 비해 밀도가 낮고 산소와의 반응성이 부족하기 때문에 어린이 파티 (호흡으로 숨을 쉴 수 없도록 산소와 혼합) 및 비행선 (위 이미지)에서 풍선을 부 풀리는 데 사용되었습니다. , 화재 위험을 나타내지 않습니다.

다이빙

헬륨은 다이버가 호흡하는 산소 탱크의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 출처 : Pxhere.

다이버가 더 깊은 곳으로 내려 가면 물이 가하는 큰 압력으로 인해 호흡이 어려워집니다. 그렇기 때문에 다이버가 호흡하고 내쉬는 가스의 밀도를 낮추기 위해 헬륨이 산소 탱크에 추가되어 적은 작업으로도 숨을 내쉴 수 ​​있습니다.

아크 용접

용접 과정에서 전기 아크는 두 금속이 결합 할 수있는 충분한 열을 제공합니다. 헬륨 분위기에서 수행되는 경우 백열 금속은 공기 중의 산소와 반응하여 각각의 산화물이되지 않습니다. 따라서 헬륨은 이런 일이 발생하는 것을 방지합니다.

초전도체

액체 헬륨은 핵 자기 공명 영상 스캐너에 사용되는 자석을 냉각하는 데 사용됩니다. 출처 : Jan Ainali

액체 헬륨은 너무 차가워서 금속을 초전도체로 얼릴 수 있습니다. 덕분에 액체 헬륨으로 냉각 된 매우 강력한 자석을 제조 할 수있게되었으며, 이는 이미지 스캐너 또는 핵 자기 공명 분광계에 사용되었습니다.

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