헬륨의 발견. 헬륨이 처음 발견된 곳은 어디입니까? 화학 원소 헬륨을 읽는 방법

새로운 것이 어떻게 발견되었는지에 대한 지식은 항상 흥미롭고 유익합니다. 우리는 매일 물건을 사용하거나 다양한 현상을 접할 수 있지만, 그것이 누구에 의해, 어떤 상황에서 발견되었는지는 알 수 없습니다. 이와 관련하여 나는 특정 현상이나 발명이 어떻게 발견되었는지에 대한 정보를 Erudite Corner 섹션에 주기적으로 추가하기로 결정했습니다. 물리학부터 시작해 보겠습니다. 오늘은 진공과 헬륨이 누가, 어떻게 발견되었는지 살펴보겠습니다.

헬륨의 발견. 헬륨이 발견된 방법.

프랑스와 영국의 천문학자 Jules Jansen과 Joseph Norman Lockyer는 태양의 홍염을 관찰하면서 1868년에 스펙트럼에서 당시 알려진 어떤 원소에서도 결정할 수 없는 선을 발견했습니다. 1871년에 로키어(Lockyer)는 이 스펙트럼 선의 기원을 태양에 알려지지 않은 원소의 존재로 보고 이를 "헬륨"(그리스어 "태양")이라고 명명했습니다. 영국의 물리학자이자 화학자인 윌리엄 램지가 지구에서 처음으로 헬륨을 발견한 것은 1895년이었습니다. 그는 방사성 광물인 클레베이트를 가열했을 때 방출된 가스의 스펙트럼에서 동일한 스펙트럼 선을 보았습니다.

진공청소기 열기. 진공이 발견된 방법.

진공을 발견한 영예는 갈릴레오 갈릴레이의 제자인 이탈리아의 수학자이자 물리학자인 에반젤리스타 토리첼리(1608~1647)에게 있습니다. 1643년 이탈리아 물리학자 비비아니는 토리첼리를 대신하여 유명한 실험을 수행했습니다. 그는 한쪽 끝이 막혀 있는 긴 유리관에 수은을 채우고, 그 끝 부분을 수은 컵에 담았습니다. 튜브가 충분히 길면 튜브 안의 수은 수준이 감소하고 수은 표면 위에 공극이 형성된다는 것이 발견되었습니다. Torricelli는 컵 안의 수은 표면에 작용하는 대기압이 수은 기둥의 무게와 균형을 이룬다는 사실로 이 현상을 설명했습니다. 이 기둥의 해수면 높이는 약 760mm입니다. 튜브의 길이가 이 값보다 길면 수은 표면 위에 공극이 형성됩니다. 수은 위의 공간이 비어 있음을 증명하기 위해 Torricelli는 물을 그 안으로 넣었고, 물은 "끔찍한 압력으로" 이 공간으로 돌진하여 완전히 채워졌습니다. 따라서 토리첼리는 "자연은 공허함을 두려워한다"는 이유로 수은이 관을 채우고 물이 펌핑 장치의 흡입관을 채우는 등 당시까지 널리 퍼져 있던 설명을 거부하고 대기압의 존재를 증명했습니다. 상단이 닫힌 용기 내 액체의 자유 표면 위의 공기가 없는 공간을 토리첼리 공극(Torricelli void)이라고 합니다.

동영상. 진공이란 무엇입니까?

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가장 왼쪽 열부터 시작할 수 있습니다.

헬륨은 정말 고귀한 기체입니다. 그에게 어떤 반응을 강요하는 것은 아직 불가능했습니다. 헬륨 분자는 단원자이다.

가벼움의 측면에서 이 가스는 수소에 이어 두 번째이며 공기는 헬륨보다 7.25배 더 무겁습니다.

헬륨은 물과 기타 액체에 거의 녹지 않습니다. 그리고 같은 방식으로 단일 물질도 액체 헬륨에 눈에 띄게 용해되지 않습니다.

압력을 높이지 않으면 어떤 온도에서도 고체 헬륨을 얻을 수 없습니다.

이 원소의 발견, 연구 및 응용의 역사에서 여러 나라의 저명한 물리학자와 화학자의 이름을 찾을 수 있습니다. 그들은 헬륨에 관심이 있었고 헬륨으로 작업했습니다: Jansen(프랑스), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford(영국), Palmieri(이탈리아), Keesom, Kamerlingh-Onnes(네덜란드), Feynman, Onsager(미국), Kapitza, Kikoin , Landau (소련) 및 기타 많은 저명한 과학자들.

헬륨 원자의 독특한 모양은 두 가지 놀라운 자연 구조, 즉 컴팩트함과 강도의 절대적인 챔피언의 조합에 의해 결정됩니다. 헬륨의 핵심인 헬륨-4에서는 양성자와 중성자 모두 핵내 껍질이 모두 포화되어 있습니다. 이 코어를 구성하는 전자 이중선도 포화 상태입니다. 이러한 디자인은 헬륨의 특성을 이해하는 열쇠를 쥐고 있습니다. 이것이 경이로운 화학적 불활성과 기록적인 작은 원자 크기의 원인입니다.

헬륨 원자 핵(알파 입자)의 역할은 핵물리학의 형성과 발전의 역사에서 엄청납니다. 기억하신다면, 러더퍼드가 원자핵을 발견하게 된 것은 알파입자 산란에 대한 연구였습니다. 알파 입자로 질소를 폭격함으로써 원소의 상호 전환이 처음으로 달성되었습니다. 이는 여러 세대의 연금술사들이 수세기 동안 꿈꿔 왔던 것입니다. 사실, 이 반응에서 금으로 변한 것은 수은이 아니라 질소가 산소로 변한 것이지만 이것은 거의 어려운 일입니다. 동일한 알파 입자가 중성자의 발견과 최초의 인공 동위원소 생산에 관여했습니다. 나중에 알파 입자를 사용하여 큐륨, 베르켈륨, 칼리포르늄, 멘델레븀이 합성되었습니다.

우리는 단 하나의 목적으로 이러한 사실을 나열했습니다. 즉, 2번 요소가 매우 특이한 요소임을 보여주기 위한 것입니다.

지상파 헬륨

헬륨은 특이한 원소이고, 그 역사도 특이합니다. 지구보다 13년 일찍 태양 대기에서 발견됐다. 보다 정확하게는 태양 코로나의 스펙트럼에서 밝은 노란색 D 선이 발견되었으며 그 뒤에 숨겨진 내용은 방사성 원소를 포함하는 지상 광물에서 헬륨을 추출한 후에야 확실하게 알려졌습니다.

태양의 헬륨은 1868년 8월 19일 인도에서 관찰을 수행한 프랑스인 J. Jansen과 영국인 J.H. Lockyer – 같은 해 10월 20일. 두 과학자의 편지는 같은 날 파리에 도착했으며 10월 26일 파리 과학 아카데미 회의에서 몇 분 간격으로 낭독되었습니다. 이러한 이상한 우연에 놀란 학자들은 이 행사를 기념하여 금메달을 따기로 결정했습니다.

1881년 이탈리아 과학자 팔미에리는 화산 가스에서 헬륨을 발견했다고 보고했습니다. 그러나 나중에 확인된 그의 메시지는 소수의 과학자들에 의해 심각하게 받아들여졌습니다. 1895년 램지가 지상의 헬륨을 다시 발견했습니다.

지각에는 29개의 동위원소가 있으며, 방사성 붕괴로 인해 헬륨 원자의 활성도가 높고 에너지가 높은 핵인 알파 입자가 생성됩니다.

기본적으로 지상 헬륨은 우라늄-238, 우라늄-235, 토륨 및 그 붕괴로 인한 불안정한 생성물의 방사성 붕괴 중에 형성됩니다. 사마륨-147과 비스무트의 느린 붕괴로 인해 비교할 수 없을 정도로 적은 양의 헬륨이 생성됩니다. 이 모든 원소들은 헬륨의 무거운 동위원소인 4 He만을 생성하는데, 그 원자는 전자 이중선에서 두 쌍의 전자 껍질에 묻힌 알파 입자의 잔해로 간주될 수 있습니다. 초기 지질 시대에는 이미 지구 표면에서 사라져 행성을 헬륨으로 포화시킨 다른 자연 방사성 원소 시리즈가 있었을 것입니다. 그 중 하나가 현재 인공적으로 재현된 넵투늄 시리즈였습니다.

암석이나 광물에 갇혀 있는 헬륨의 양으로 절대 연대를 판단할 수 있습니다. 이러한 측정은 방사성 붕괴의 법칙에 기초합니다. 예를 들어 우라늄-238의 절반은 45억 2천만년 후에 헬륨과 납으로 변합니다.

헬륨은 지각에 천천히 축적됩니다. 2g의 우라늄과 10g의 토륨을 함유한 화강암 1톤은 백만 년 동안 0.09mg(0.5cm3)의 헬륨만을 생산합니다. 극소수의 우라늄과 토륨이 풍부한 광물은 헬륨 함량이 상당히 높습니다(그램당 수 입방센티미터의 헬륨). 그러나 천연 헬륨 생산에서 이러한 미네랄의 비율은 매우 드물기 때문에 0에 가깝습니다.

알파 활성 동위원소를 함유한 천연 화합물은 일차 공급원일 뿐 헬륨 산업 생산을 위한 원료는 아닙니다. 사실, 천연 금속, 자철석, 석류석, 인회석, 지르콘 등 조밀한 구조를 가진 일부 광물은 그 안에 포함된 헬륨을 단단히 유지합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 대부분의 광물은 풍화, 재결정 등의 과정을 거치며 헬륨이 빠져나갑니다.

결정 구조에서 방출된 헬륨 기포는 지각을 가로지르는 여행을 시작했습니다. 그 중 아주 작은 부분이 지하수에 용해됩니다. 다소 농축된 헬륨 용액을 형성하려면 특별한 조건, 특히 고압이 필요합니다. 방황하는 헬륨의 또 다른 부분은 광물의 기공과 균열을 통해 대기 중으로 빠져나갑니다. 나머지 가스 분자는 지하 트랩에 떨어지며 수천만 년 또는 수억 년 동안 축적됩니다. 트랩은 느슨한 암석층으로, 그 빈 공간은 가스로 채워져 있습니다. 이러한 가스 저장소의 바닥은 일반적으로 물과 기름이며, 그 위에 가스 불투과성 빽빽한 암석 지층으로 덮여 있습니다.

다른 가스(주로 메탄, 질소, 이산화탄소)도 지각을 통해 훨씬 더 많은 양으로 이동하기 때문에 순수한 헬륨 축적은 존재하지 않습니다. 헬륨은 천연가스에 소량의 불순물로 존재합니다. 그 내용은 1000분의 1, 100분의 1, 거의 10분의 1퍼센트를 초과하지 않습니다. 메탄-질소 퇴적물의 헬륨 함량이 높은(1.5...10%) 것은 극히 드문 현상입니다.

천연가스는 실질적으로 헬륨 산업 생산을 위한 유일한 원료 공급원임이 밝혀졌습니다. 다른 가스와 분리하기 위해 낮은 액화 온도와 관련된 헬륨의 탁월한 휘발성이 사용됩니다. 깊은 냉각 중에 천연 가스의 다른 모든 구성 요소가 응축된 후 헬륨 가스가 펌핑됩니다. 그런 다음 불순물을 제거합니다. 공장 헬륨의 순도는 99.995%에 이릅니다.

지구상의 헬륨 매장량은 5·10 14 m 3 로 추정됩니다. 계산에 따르면 20억 년에 걸쳐 지각에서 수십 배 더 많은 것이 형성되었습니다. 이론과 실제 사이의 이러한 불일치는 상당히 이해할 수 있습니다. 헬륨은 가벼운 가스이며 수소와 마찬가지로(느리긴 하지만) 대기에서 우주로 빠져나가지 않습니다. 아마도 지구가 존재하는 동안 우리 행성의 헬륨은 반복적으로 갱신되었습니다. 오래된 헬륨은 우주로 증발했고 그 대신 신선한 헬륨이 대기로 들어갔습니다.

암석권에는 대기보다 적어도 20만 배 더 많은 헬륨이 있습니다. 훨씬 더 많은 잠재적인 헬륨이 지구의 "자궁"(알파 활성 요소)에 저장되어 있습니다. 그러나 지구와 대기에 있는 이 원소의 총 함량은 적습니다. 헬륨은 희귀하고 확산된 가스입니다. 지구 물질 1kg당 헬륨 함량은 0.003mg에 불과하며, 공기 중 헬륨 함량은 부피 기준으로 0.00052%입니다. 이러한 낮은 농도로는 아직 공기에서 헬륨을 경제적으로 추출할 수 없습니다.

우주의 헬륨

우리 행성의 내부와 대기에는 헬륨이 부족합니다. 그러나 이것이 우주 어디에서나 그것이 거의 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 현대 추정에 따르면 우주 질량의 76%는 수소이고 23%는 헬륨입니다. 다른 모든 요소에는 1%만 남습니다! 따라서 세상의 물질은 수소-헬륨이라고 부를 수 있습니다. 이 두 원소는 별, 행성상 성운, 성간 가스를 지배합니다.

쌀. 1.지구(위)와 우주의 원소 풍부도 곡선.
"우주" 곡선은 우주에서 수소와 헬륨의 특별한 역할과 원자핵 구조에서 헬륨 그룹의 특별한 중요성을 반영합니다. 상대적으로 가장 많이 존재하는 원소는 질량수가 16 O, 20 Ne, 24 Mg 등 4개로 나누어진 원소와 동위원소입니다.

아마도 태양계의 모든 행성에는 방사능성(알파 붕괴 중에 형성됨) 헬륨이 포함되어 있고, 큰 행성에는 우주에서 온 잔류 헬륨도 포함되어 있을 것입니다. 헬륨은 목성 대기에 풍부하게 존재합니다. 일부 데이터에 따르면 헬륨은 33%, 다른 데이터에 따르면 17%입니다. 이 발견은 유명한 과학자이자 SF 작가인 A. Azimov의 이야기 중 하나의 줄거리의 기초를 형성했습니다. 이야기의 중심에는 목성에서 헬륨을 전달하고 심지어 이 행성의 가장 가까운 위성인 목성 V에 크라이오트론의 사이버네틱 기계 함대를 전달하기 위한 계획(아마도 미래에 실현 가능)이 있습니다. 아래에). 목성 대기의 액체 헬륨(극저온과 초전도성은 크라이오트론 작동에 필요한 조건)에 잠긴 이 기계는 목성 V를 태양계의 뇌 중심으로 바꿀 것입니다.

항성 헬륨의 기원은 1938년 독일 물리학자 베테(Bethe)와 바이츠제커(Weizsäcker)에 의해 설명되었습니다. 나중에 그들의 이론은 입자 가속기의 도움으로 실험적으로 확인되고 개선되었습니다. 그 본질은 다음과 같습니다.

헬륨 핵은 헬륨 1kg당 1억 7,500만 킬로와트시의 에너지를 방출하는 핵융합 과정에서 양성자의 항성 온도에서 융합됩니다.

반응 주기가 다르면 헬륨 합성이 발생할 수 있습니다.

우리 태양과 같이 그다지 뜨겁지 않은 별의 조건에서는 양성자-양성자 순환이 분명히 우세합니다. 이는 연속적으로 변화하는 세 가지 변환으로 구성됩니다. 첫째, 두 개의 양성자가 엄청난 속도로 결합하여 중수소(양성자와 중성자로 이루어진 구조)를 형성합니다. 이 경우 양전자와 중성미자가 분리됩니다. 다음으로, 중수소와 양성자가 결합하여 감마 양자의 방출과 함께 가벼운 헬륨을 형성합니다. 마지막으로 두 개의 3 He 핵이 반응하여 알파 입자와 두 개의 양성자로 변환됩니다. 두 개의 전자를 얻은 알파 입자는 헬륨 원자가 됩니다.

동일한 최종 결과는 더 빠른 탄소-질소 순환에 의해 제공되며, 태양 조건에서는 그 중요성이 그다지 크지 않지만 태양보다 뜨거운 별에서는 이 순환의 역할이 증가합니다. 반응은 6단계로 구성됩니다. 여기서 탄소는 양성자 융합 과정에서 촉매 역할을 합니다. 이러한 변환 중에 방출되는 에너지는 양성자-양성자 주기와 동일합니다(헬륨 원자당 26.7MeV).

헬륨 합성 반응은 별의 에너지 활동과 빛의 기초입니다. 결과적으로 헬륨 합성은 자연의 모든 반응의 조상이자 지구상의 생명, 빛, 열 및 기상 현상의 근본 원인으로 간주될 수 있습니다.

헬륨이 항상 별 융합의 최종 산물은 아닙니다. D.A. 교수의 이론에 따르면. Frank-Kamenetsky는 헬륨 핵, 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg의 순차적 융합으로 형성되고 이러한 핵에 의한 양성자를 포획하면 다른 핵이 형성됩니다. 중원소부터 초우라늄 원소까지의 핵을 합성하려면 불안정한 "신성" 및 "초신성" 별에서 발생하는 예외적인 초고온이 필요합니다.

유명한 소련 화학자 A.F. Kapustinsky는 수소 및 헬륨 원형 원소(1차 물질의 원소)라고 불렀습니다. 원소주기율표에서 수소와 헬륨의 특별한 위치에 대한 설명, 특히 첫 번째 주기에는 본질적으로 다른 주기의 주기성이 없다는 사실을 숨기는 것이 바로 이러한 우위성 때문이 아닌가?

최고...

헬륨 원자(분자라고도 함)는 분자 구조 중 가장 강력합니다. 두 전자의 궤도는 정확히 동일하며 핵에 매우 가깝게 통과합니다. 헬륨 핵을 노출시키려면 기록적인 양의 에너지(78.61MeV)를 소비해야 합니다. 따라서 헬륨의 경이로운 화학적 수동성.

지난 15년 동안 화학자들은 150개 이상의 중비활성가스 화합물을 획득했습니다. 중비활성가스 화합물에 대해서는 "크립톤" 및 "제논" 기사에서 논의할 예정입니다. 그러나 헬륨의 불활성은 여전히 ​​의심할 여지가 없습니다.

계산에 따르면 불화헬륨이나 산화물을 생성하는 방법이 발견되더라도 형성 중에 너무 많은 에너지를 흡수하여 생성된 분자가 내부에서 이 에너지에 의해 "폭발"될 것입니다.

헬륨 분자는 비극성입니다. 그들 사이의 분자간 상호 작용의 힘은 다른 물질보다 매우 작습니다. 따라서 - 임계값의 가장 낮은 값, 가장 낮은 끓는점, 가장 낮은 증발 및 용융열. 헬륨의 녹는 온도는 상압에서는 전혀 존재하지 않습니다. 절대 영도에 아무리 가까운 온도의 액체 헬륨은 온도 외에 25기압 이상의 압력을 받지 않는 한 응고되지 않습니다. 자연에는 이런 물질이 또 없습니다.

액체, 특히 극성 기체에 무시할 정도로 용해되고 헬륨만큼 흡착되기 쉬운 다른 기체도 없습니다. 가스 중에서 가장 좋은 전기 전도체이며, 수소 다음으로 두 번째로 좋은 열 전도체입니다. 열용량은 매우 크고 점도는 낮습니다.

헬륨은 일부 유기 폴리머, 도자기, 석영 및 붕규산 유리로 만들어진 얇은 칸막이를 통해 놀랍도록 빠르게 침투합니다. 헬륨이 부드러운 유리를 통해 확산되는 속도는 붕규산염 유리를 통과하는 속도보다 100배 더 느리다는 사실이 궁금합니다. 헬륨은 또한 많은 금속을 관통할 수 있습니다. 철과 백금족 금속만이 가열되더라도 완전히 침투할 수 없습니다.

천연가스에서 순수한 헬륨을 추출하는 새로운 방법은 선택적 투과성의 원리를 기반으로 합니다.

과학자들은 액체헬륨에 대해 남다른 관심을 보이고 있다. 첫째, 단일 물질도 눈에 띄게 용해되지 않는 가장 차가운 액체입니다. 둘째, 표면 장력이 최소인 액체 중 가장 가볍습니다.

2.172°K의 온도에서 액체 헬륨의 성질이 급격히 변합니다. 생성된 종은 일반적으로 헬륨 II라고 불립니다. 헬륨 II는 다른 액체와 완전히 다르게 끓으며 끓을 때 끓지 않고 표면이 완전히 차분하게 유지됩니다. 헬륨 II는 일반 액체 헬륨(헬륨 I)보다 열을 3억 배 더 잘 전도합니다. 헬륨 II의 점도는 사실상 0이며 액체 수소의 점도보다 천 배나 낮습니다. 따라서 헬륨 II는 초유동성(임의로 작은 직경의 모세관을 통해 마찰 없이 흐를 수 있는 능력)을 갖습니다.

헬륨의 또 다른 안정 동위원소인 3He는 절대 총알에서 불과 100분의 1도 떨어진 온도에서 초유체 상태가 됩니다. 초유체 헬륨-4와 헬륨-3은 양자 액체라고 불리며, 고체화되기 전부터 양자 역학적 효과를 나타냅니다. 이것은 액체 헬륨에 대한 매우 상세한 연구를 설명합니다. 그리고 이제 그들은 연간 수십만 리터를 생산합니다. 그러나 고체 헬륨은 거의 연구되지 않았습니다. 이 가장 차가운 물체를 연구하는 데는 실험적 어려움이 컸습니다. 물리학자들은 고체 헬륨의 특성을 이해함으로써 많은 새로운 것을 기대하기 때문에 의심할 여지 없이 이 격차가 채워질 것입니다. 결국 그것은 또한 양자체이기도 합니다.

불활성이지만 매우 필요함

지난 세기 말, 영국 잡지 Punch는 헬륨이 교활하게 윙크하는 작은 남자, 즉 태양의 주민으로 묘사되는 만화를 출판했습니다. 사진 아래에는 “드디어 나는 지구에서 잡혔다!”라는 문구가 적혀 있었다. 이것은 충분히 오래 지속되었습니다! 그들이 나를 어떻게 해야 할지 알아낼 때까지 얼마나 걸릴지 궁금합니다.”

실제로, 지상의 헬륨이 발견된 후(이에 대한 첫 번째 보고서는 1881년에 출판됨) 실용화되기까지 34년이 지났습니다. 여기서 특정 역할은 헬륨의 원래의 물리적, 기술적, 전기적 특성과 그보다는 덜한 화학적 특성에 의해 수행되었으며 이는 오랜 연구가 필요했습니다. 주요 장애물은 요소 번호 2의 무심함과 높은 비용이었습니다.

헬륨을 최초로 사용한 사람은 독일인이었습니다. 1915년에 그들은 런던을 폭격한 비행선에 이 물질을 채우기 시작했습니다. 곧 가볍지만 불연성인 헬륨은 항공 차량에 없어서는 안 될 충전재가 되었습니다. 30년대 중반에 시작된 비행선 건설의 쇠퇴는 헬륨 생산량의 일부 감소로 이어졌지만 이는 짧은 시간 동안에 불과했습니다. 이 가스는 점점 더 화학자, 야금학자 및 기계 엔지니어의 관심을 끌었습니다.

많은 기술 프로세스와 작업은 공중에서 수행될 수 없습니다. 생성된 물질(또는 공급원료)과 공기 가스의 상호 작용을 방지하기 위해 특별한 보호 환경이 생성됩니다. 헬륨보다 이러한 목적에 더 적합한 가스는 없습니다.

불활성이고 가볍고 이동성이 뛰어나며 열 전도율이 좋은 헬륨은 인화성이 높은 액체와 분말을 한 용기에서 다른 용기로 압축하는 데 이상적인 수단입니다. 미사일과 유도 미사일에서 수행하는 기능이 바로 이러한 기능입니다. 핵연료 생산의 개별 단계는 헬륨 보호 환경에서 이루어집니다. 원자로의 연료 요소는 헬륨으로 채워진 용기에 저장 및 운송됩니다.

헬륨의 탁월한 확산 능력을 바탕으로 작동하는 특수 누출 감지기의 도움으로 압력 또는 진공 상태에서 원자로 및 기타 시스템에서 누출 가능성을 최소한으로 식별합니다.

최근 몇 년 동안 비행선 건설이 다시 증가했으며 이제는 더 높은 과학적, 기술적 기반을 갖추고 있습니다. 여러 국가에서 100~3000톤의 운반 능력을 갖춘 헬륨을 채운 비행선이 건조, 건조되고 있으며, 가스 파이프라인, 정유소, 전력 등 대형 화물 운송에 경제적이고 신뢰성이 높으며 편리합니다. 라인 지지대 등 85% 헬륨과 15% 수소 충전재는 내화성이 있으며 수소 충전재에 비해 리프트를 7%만 줄입니다.

헬륨을 냉각재로 사용하는 신형 고온 원자로가 가동에 들어갔다.

액체 헬륨은 과학 연구 및 기술에 널리 사용됩니다. 초저온에서는 물질과 그 구조에 대한 심층적인 지식이 유리합니다. 더 높은 온도에서는 에너지 스펙트럼의 미묘한 세부 사항이 원자의 열 이동에 의해 가려집니다.

액체 헬륨 온도(최대 30만 에르스텟)에서 무시할 만한 에너지 소비로 강력한 자기장을 생성하는 특수 합금으로 만들어진 초전도 솔레노이드가 이미 존재합니다.

액체 헬륨의 온도에서 많은 금속과 합금은 초전도체가 됩니다. 초전도 계전기(크라이오트론)는 전자 컴퓨터 설계에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 간단하고 안정적이며 매우 컴팩트합니다. 초전도체와 액체헬륨은 전자제품에 꼭 필요해지고 있습니다. 이는 적외선 검출기, 분자 증폭기(메이저), 광학 양자 발생기(레이저) 및 초고주파 측정 장비의 설계에 포함됩니다.

물론, 이러한 예가 현대 기술에서 헬륨의 역할을 모두 설명하지는 않습니다. 그러나 천연자원의 제한된 특성과 헬륨의 극단적인 소산이 아니었다면 더 많은 용도를 찾을 수 있었을 것입니다. 예를 들어, 헬륨으로 통조림을 만들면 식품은 원래의 맛과 향을 유지하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 "헬륨" 통조림 식품은 헬륨이 충분하지 않고 가장 중요한 산업에서만 사용되며 헬륨 없이는 할 수 없는 곳에서 사용되기 때문에 여전히 "그 자체로 사물"로 남아 있습니다. 따라서 가연성 천연 가스의 경우 헬륨 함유 공급원에서 추출된 것보다 훨씬 더 많은 양의 헬륨이 화학 합성 장치, 용광로 및 용광로를 통과하여 대기로 빠져나간다는 사실을 인식하는 것은 특히 공격적입니다.

이제 천연가스 함량이 0.05% 이상인 경우에만 헬륨을 방출하는 것이 수익성이 있는 것으로 간주됩니다. 그러한 가스의 매장량은 지속적으로 감소하고 있으며 금세기가 끝나기 전에 고갈될 가능성이 있습니다. 그러나 "헬륨 결핍" 문제는 아마도 이번에 해결될 것입니다. 부분적으로는 가스 분리를 ​​위한 새롭고 더 진보된 방법의 생성을 통해, 비록 중요하지 않지만 가장 가치 있는 부분을 추출하고, 부분적으로는 제어된 열핵 융합 덕분에 해결될 것입니다. 헬륨은 비록 부산물이기는 하지만 “인공 태양” 활동의 중요한 요소가 될 것입니다.

헬륨 동위원소

자연에는 헬륨의 두 가지 안정 동위원소, 즉 헬륨-3과 헬륨-4가 있습니다. 가벼운 동위원소는 무거운 동위원소보다 지구상에 백만 배나 적게 분포되어 있습니다. 이것은 지구상에 존재하는 가장 희귀한 안정 동위원소입니다. 인공적으로 헬륨 동위원소 3개를 더 얻었습니다. 그들은 모두 방사성입니다. 헬륨-5의 반감기는 2.4·10 –21초, 헬륨-6은 0.83초, 헬륨-8은 0.18초입니다. 핵에 양성자당 3개의 중성자가 있다는 점에서 흥미로운 가장 무거운 동위원소는 60년대 Dubna에서 처음 연구되었습니다. 헬륨-10을 얻으려는 시도는 지금까지 성공하지 못했습니다.

마지막 고체가스

헬륨은 액체와 고체 상태로 변환된 모든 가스 중 마지막이었습니다. 헬륨을 액화하고 응고시키는 특별한 어려움은 헬륨의 원자 구조와 물리적 특성의 일부 특징으로 설명됩니다. 특히 헬륨은 수소와 마찬가지로 – 250°C 이상의 온도에서 팽창할 때 냉각되지 않고 가열됩니다. 반면에 헬륨의 임계온도는 매우 낮습니다. 이것이 바로 액체 헬륨이 1908년에 처음으로 얻어졌고, 고체 헬륨이 1926년에 얻어진 이유입니다.

헬륨 공기

질소의 전부 또는 대부분이 헬륨으로 대체되는 공기는 오늘날 더 이상 뉴스가 아닙니다. 그것은 육지, 지하 및 수중에서 널리 사용됩니다.

헬륨 공기는 일반 공기보다 3배 더 가볍고 이동성이 훨씬 뛰어납니다. 폐에서 더 적극적으로 행동합니다. 산소를 빠르게 공급하고 이산화탄소를 빠르게 배출합니다. 그렇기 때문에 호흡 장애 및 일부 수술 환자에게 헬륨 공기가 제공됩니다. 질식을 완화하고 기관지 천식과 후두 질환을 치료합니다.

헬륨 공기를 흡입하면 고압 조건에서 일하는 다이버와 다른 직업의 전문가가 고압에서 정상으로 전환하는 동안 감염되기 쉬운 질소 색전증(케이슨병)이 실질적으로 제거됩니다. 이 질병의 원인은 특히 고혈압, 혈액 내 질소 용해도에서 매우 중요합니다. 압력이 감소함에 따라 기포 형태로 방출되어 혈관을 막고 신경절을 손상시킬 수 있습니다. 질소와 달리 헬륨은 체액에 거의 녹지 않으므로 감압병을 일으킬 수 없습니다. 또한 헬륨 공기는 외부적으로 알코올 중독과 유사한 "질소 마취"의 발생을 제거합니다.

조만간 인류는 대륙붕의 광물과 식량 자원을 진지하게 활용하기 위해 오랫동안 해저에서 살고 일하는 법을 배워야 할 것입니다. 그리고 소련, 프랑스, ​​미국 연구자들의 실험에서 알 수 있듯이 심층적으로 헬륨 공기는 여전히 필수 불가결합니다. 생물 학자들은 헬륨 공기의 장기간 호흡이 인체에 부정적인 변화를 일으키지 않으며 유전 장치의 변화를 위협하지 않는다는 것을 입증했습니다. 헬륨 대기는 세포 발달과 돌연변이 빈도에 영향을 미치지 않습니다. 저자가 헬륨 공기를 우주로 장거리 비행하는 우주선을 위한 최적의 공기 매체로 간주하는 작품이 있습니다. 그러나 지금까지 인공 헬륨 공기는 아직 지구 대기권 이상으로 상승하지 않았습니다.

일반적으로 우라늄-238과 우라늄-235의 방사성 붕괴로 생성되는 헬륨은 지구보다 13년 일찍 태양 대기에서 발견되었습니다. 이 가스는 임계값이 가장 낮고 끓는점이 가장 낮으며 증발 및 용융열이 가장 낮습니다. 헬륨의 녹는 온도는 상압에서는 전혀 존재하지 않습니다. 이런 물질은 자연에서 찾을 수 없습니다...

헬륨은 특이한 원소이며 그 역사는 다소 신비스럽고 이해하기 어렵습니다. 지구보다 13년 일찍 태양 대기에서 발견됐다. 보다 정확하게는 태양 코로나의 스펙트럼에서 밝은 노란색 D 선이 발견되었으며 그 뒤에 숨겨진 내용은 방사성 원소를 포함하는 지상 광물에서 헬륨을 추출한 후에야 확실하게 알려졌습니다.

헬륨은 어떻게 형성되나요?

지상 헬륨은 주로 형성됩니다 우라늄-238, 우라늄-235, 토륨 및 불안정한 붕괴 생성물의 방사성 붕괴 중. 헬륨은 지각에 천천히 축적됩니다. 2g의 우라늄과 10g의 토륨을 함유한 화강암 1톤은 백만 년 동안 0.09mg(0.5cm3)의 헬륨만을 생산합니다. 극소수의 우라늄과 토륨이 풍부한 광물은 헬륨 함량이 매우 높습니다(그램당 수 입방센티미터의 헬륨).

시간이 지남에 따라 대부분의 광물은 풍화, 재결정 등의 과정을 거치며 헬륨은 그 광물을 떠납니다. 결정 구조에서 방출된 헬륨 기포는 지하수에 부분적으로 용해됩니다. 헬륨의 또 다른 부분은 광물의 기공과 균열을 통해 대기 중으로 빠져나갑니다. 나머지 가스 분자는 지하 트랩에 떨어지며 수천만 년 또는 수억 년 동안 축적됩니다. 여기의 함정은 느슨한 암석층으로, 그 공극은 가스로 채워져 있습니다. 이러한 가스 저장고의 바닥은 일반적으로 물이나 기름이며, 그 위에는 가스 불투과성 조밀한 암석 지층으로 덮여 있습니다.

헬륨 합성 - 생명의 시작

우리 행성의 내부와 대기에는 헬륨이 부족합니다. 그러나 이것이 우주 어디에서나 그것이 거의 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 현대 추정에 따르면 우주 질량의 76%는 수소이고 23%는 헬륨입니다. 다른 모든 요소에는 1%만 남습니다. 따라서 세상의 물질은 수소-헬륨이라고 부를 수 있습니다. 이 두 원소는 별, 행성상 성운, 성간 가스를 지배합니다. 헬륨 합성 반응은 별의 에너지 활동과 빛의 기초입니다. 결과적으로 헬륨 합성은 자연의 모든 반응의 조상이자 지구상의 생명, 빛, 열 및 기상 현상의 근본 원인으로 간주될 수 있습니다.

천연가스는 실질적으로 헬륨 산업 생산을 위한 유일한 원료 공급원입니다. 헬륨은 천연가스에 소량의 불순물로 존재합니다. 그 내용은 1000분의 1, 100분의 1, 거의 10분의 1퍼센트를 초과하지 않습니다. 메탄-질소 퇴적물의 헬륨 함량이 1.5~10%로 높은 것은 극히 드문 현상입니다. 다른 가스와의 분리를 위해 낮은 액화 온도와 관련된 헬륨의 탁월한 휘발성이 사용됩니다. 깊은 냉각 중에 천연 가스의 다른 모든 구성 요소가 응축된 후 헬륨 가스가 펌핑됩니다. 그런 다음 불순물을 제거합니다. 공장 헬륨의 순도는 99.995%에 이릅니다. 액체 헬륨은 헬륨 가스를 액화시켜 생산됩니다.

헬륨의 성질

헬륨가스– 색, 냄새, 맛이 없는 불활성 기체입니다. 액체헬륨– 정상 대기압 101.3kPa(760mmHg) 4.215K(마이너스 268.9°C)에서 끓는점이 124.9kg/m 3인 무색, 무취의 액체입니다.

헬륨은 독성이 없고 가연성도 없고 폭발성도 아니지만 공기 중에 농도가 높으면 산소 결핍과 질식을 유발합니다. 액체 헬륨은 피부에 동상을 일으키고 눈의 점막을 손상시킬 수 있는 끓는점이 낮은 액체입니다.

헬륨 원자(일명 분자)는 분자 구조 중 가장 강한 구조입니다. 두 전자의 궤도는 정확히 동일하며 핵에 매우 가깝게 통과합니다. 헬륨 핵을 노출시키려면 기록적인 양의 에너지(78.61eV)를 소비해야 합니다. 이는 헬륨의 놀라운 화학적 수동성을 의미합니다.

헬륨 분자는 비극성입니다. 그들 사이의 분자간 상호 작용의 힘은 다른 물질보다 매우 작습니다. 이러한 이유로 헬륨은 임계값이 가장 낮고 끓는점이 가장 낮으며 증발 및 용융열이 가장 낮습니다. 헬륨의 녹는 온도는 상압에서는 전혀 존재하지 않습니다. 절대 영도에 아무리 가까운 온도의 액체 헬륨은 온도 외에 25기압 이상의 압력을 받지 않는 한 응고되지 않습니다. 자연에는 이런 물질이 또 없습니다. 가스 중에서 가장 좋은 전기 전도체이며, 수소 다음으로 두 번째로 좋은 열 전도체입니다. 열용량은 매우 높으며, 반대로 점도는 작습니다.

헬륨, 비행선, 다이버, 원자력...

헬륨은 독일에서 처음 사용되었습니다. 1915년에 독일군은 런던을 폭격하는 비행선에 이를 채우기 시작했습니다. 곧 가볍지만 불연성인 헬륨은 항공 차량에 없어서는 안 될 충전재가 되었습니다. 30년대 중반에 시작된 비행선 건설의 쇠퇴는 헬륨 생산량의 일부 감소로 이어졌지만 이는 짧은 시간 동안에 불과했습니다. 이 가스는 점점 더 화학자, 야금학자 및 기계 엔지니어의 관심을 끌었습니다.

헬륨의 또 다른 적용 분야는 많은 기술 프로세스와 작업이 공기 중에서 수행될 수 없다는 사실 때문입니다. 생성된 물질(또는 공급원료)과 공기 가스의 상호 작용을 피하기 위해 특별한 보호 환경이 생성되며 이러한 목적에 헬륨보다 더 적합한 가스는 없습니다.

헬륨에서 보호 환경핵연료를 얻기 위해서는 별도의 단계를 거쳐야 한다. 원자로의 연료 요소는 헬륨으로 채워진 용기에 저장 및 운송됩니다. 헬륨의 탁월한 확산 능력을 바탕으로 작동하는 특수 누출 감지기의 도움으로 압력 또는 진공 상태에서 원자로 및 기타 시스템에서 누출 가능성을 최소한으로 식별합니다.

과학 연구 및 공학 분야광대하게 사용 된 액체 헬륨. 초저온에서는 물질과 그 구조에 대한 심층적인 지식이 유리합니다. 더 높은 온도에서는 에너지 스펙트럼의 미묘한 세부 사항이 원자의 열 이동에 의해 가려집니다.

무시할 수 있는 에너지 소비로 액체 헬륨 온도에서 강한 자기장(최대 30만 에르스텟)을 생성하는 특수 합금으로 만들어진 초전도 솔레노이드가 이미 존재합니다. 액체 헬륨의 온도에서는 많은 금속과 합금이 초전도체. 초전도 극저온 계전기는 전자 컴퓨터 설계에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 간단하고 안정적이며 매우 컴팩트합니다. 초전도체와 액체헬륨은 전자제품에 꼭 필요해지고 있습니다. 이는 적외선 검출기, 분자 증폭기(메이저), 광학 양자 발생기(레이저) 및 초고주파 측정 장비의 설계에 포함됩니다.

헬륨-산소 혼합물감압병을 예방하는 믿을 수 있는 수단이 되었고 다이버를 들어올릴 때 시간적으로 큰 이득을 얻었습니다. 알려진 바와 같이, 액체에서 기체의 용해도는 압력에 정비례합니다. 고압에서 작업하는 다이버는 수면에 존재하는 일반적인 조건에 비해 혈액에 훨씬 더 많은 질소가 용해되어 있습니다. 깊이에서 상승하면 압력이 정상에 가까워지면 질소의 용해도가 감소하고 과잉이 방출되기 시작합니다. 상승이 빠르면 과도한 용해 가스의 방출이 너무 격렬하게 발생하여 가스로 포화 된 신체의 혈액과 물이 풍부한 조직이 병을 열 때 샴페인처럼 대량의 질소 거품으로 거품이 발생합니다.

혈관에 질소 기포가 형성되면 심장 기능이 손상되고, 뇌에 질소 기포가 나타나면 기능이 손상되며, 이 모든 것이 함께 심각한 신체 기능 장애를 초래하고 궁극적으로는 사망에 이르게 됩니다. "감압병"으로 알려진 현상의 발생을 방지하기 위해 다이버의 상승, 즉 고압에서 정상으로의 전환이 매우 천천히 수행됩니다.

이 경우 과도한 용해 가스가 점차적으로 방출되고 고통스러운 장애가 발생하지 않습니다. 질소가 용해도가 낮은 헬륨으로 대체되는 인공 공기를 사용하면 유해한 장애의 가능성이 거의 완전히 제거됩니다. 이를 통해 다이버의 하강 깊이를 늘리고(최대 100미터 이상) 물 속에서 보내는 시간을 연장할 수 있습니다.

"헬륨" 공기는 일반 공기보다 밀도가 3배나 낮습니다. 따라서 이러한 공기는 일반 공기보다 호흡하기가 더 쉽습니다(호흡 근육의 활동이 감소함). 이 상황은 호흡기 질환에 중요합니다. 그렇기 때문에 "헬륨" 공기에도 사용 약천식, 질식 및 기타 질병 치료에 사용됩니다.

아직 영원하지는 않지만 이미 무해합니다.

E. Fermi(뉴멕시코)의 이름을 딴 Los Alamos 국립 연구소에서 개발됨 새로운 엔진, 이는 자동차가 주요 오염원 중 하나로 인식되는 것을 심각하게 바꿀 수 있습니다. 내연기관(30~40%)에 필적하는 효율성으로 마찰과 마모를 줄이기 위해 윤활이 필요한 움직이는 부품, 연료의 불완전 연소로 인한 환경적으로 유해한 배출 등 주요 단점이 없습니다.

사실, 우리는 1816년 스코틀랜드 신부 R. 스털링이 제안한 잘 알려진 외연 기관의 개선에 대해 이야기하고 있습니다. 이 엔진은 내연 기관에 비해 더 복잡한 설계로 인해 차량에 널리 사용되지 않았습니다. 재료 소비 및 비용. 그러나 압축 헬륨을 작동 유체로 사용하는 미국 과학자들이 제안한 열음향 에너지 변환기는 승용차에 사용하는 데 방해가 되는 부피가 큰 열 교환기가 없다는 점에서 이전 제품과 유리하게 다르며 가까운 미래에 내연기관뿐만 아니라 태양에너지 변환기, 냉장고, 에어컨에 대한 환경적으로 허용 가능한 대안입니다. 적용 규모는 아직 상상하기 어렵습니다.

헬륨(He)는 주기율표의 두 번째 원소이자 우주의 가벼움과 풍부함의 두 번째 원소인 불활성 기체입니다. 단순 물질에 속하며 표준 조건(표준 온도 및 압력)에서는 단원자 기체입니다.

헬륨무미, 무색, 무취이며 독소가 없습니다.

모든 단순 물질 중에서 헬륨의 끓는점이 가장 낮습니다(T = 4.216K). 대기압에서는 절대 영도에 가까운 온도에서도 고체 헬륨을 얻는 것이 불가능합니다. 고체 형태로 변환하려면 헬륨이 25기압 이상의 압력이 필요합니다. 헬륨의 화합물은 거의 없으며 모두 표준 조건에서 불안정합니다.
자연적으로 발생하는 헬륨은 두 개의 안정 동위원소인 He와 4He로 구성됩니다. "He" 동위원소는 4He 동위원소의 경우 99.99986%로 매우 희귀합니다(동위원소 존재비 0.00014%). 천연 것 외에도 6개의 인공 헬륨 방사성 동위원소도 알려져 있습니다.
우주의 거의 모든 것, 즉 헬륨의 출현은 빅뱅 이후 첫 몇 분 동안 발생한 주요 핵합성이었습니다.
현재는 거의 모든 헬륨별 내부에서 일어나는 열핵융합의 결과로 수소로 형성된다. 우리 행성에서는 무거운 원소가 알파붕괴되는 동안 헬륨이 형성됩니다. 지각을 통해 누출되는 헬륨의 일부는 천연 가스의 일부로 나오며 전체 구성의 최대 7%를 차지할 수 있습니다. 강조하려면 헬륨천연 가스에서 분별 증류가 사용됩니다. 이는 요소의 저온 분리 과정입니다.

헬륨 발견의 역사

1868년 8월 18일에는 개기 일식이 예상되었습니다. 전 세계의 천문학자들은 이날을 위해 적극적으로 준비하고 있었습니다. 그들은 태양 원반의 가장자리를 따라 개기 일식이 일어나는 순간 눈에 보이는 빛나는 돌출부, 즉 홍염의 신비를 풀기를 희망했습니다. 일부 천문학자들은 그 돌출부가 개기 일식 순간에 태양 광선에 의해 비춰지는 높은 달의 산이라고 믿었습니다. 다른 사람들은 홍염이 태양 자체의 산이라고 생각했습니다. 또 다른 사람들은 태양 돌출부에서 태양 대기의 불 같은 구름을 보았습니다. 대다수는 눈에 띄는 것이 착시일 뿐이라고 믿었습니다.

1851년 유럽에서 일식이 관찰되는 동안 독일의 천문학자 슈미트는 태양의 돌출부를 관찰했을 뿐만 아니라 그 윤곽선이 시간이 지남에 따라 변하는 것을 볼 수 있었습니다. 그의 관찰에 기초하여 슈미트는 홍염은 거대한 폭발에 의해 태양 대기로 방출되는 뜨거운 가스 구름이라고 결론지었습니다. 그러나 슈미트의 관찰 이후에도 많은 천문학자들은 여전히 ​​불 같은 투영을 착시 현상으로 간주했습니다.

스페인에서 관찰 된 1860 년 7 월 18 일 개기 일식 이후에만 많은 천문학 자들이 태양 돌출부를 자신의 눈으로 보았고 이탈리아 인 Secchi와 프랑스 인 Dellar는 스케치뿐만 아니라 사진도 찍었습니다. 명성의 존재에 대해 의심이 생겼습니다.

1860년에는 광학 스펙트럼의 가시 부분을 관찰하여 관찰된 스펙트럼을 얻는 신체의 질적 구성을 결정할 수 있는 장치인 분광기가 이미 발명되었습니다. 그러나 일식이 있던 날, 천문학자 중 누구도 홍염의 스펙트럼을 조사하기 위해 분광기를 사용하지 않았습니다. 그들은 일식이 이미 끝났을 때 분광기를 기억했습니다.

그렇기 때문에 1868년 일식을 준비하면서 모든 천문학자들은 관측 장비 목록에 분광기를 포함시켰습니다. 유명한 프랑스 과학자 Jules Jansen은 천문학자들의 계산에 따르면 일식을 관찰할 수 있는 조건이 가장 좋은 홍염을 관찰하기 위해 인도로 갔을 때 이 장치를 잊지 않았습니다.

반짝이는 태양 원반이 달에 의해 완전히 가려지는 순간, Jules Jansen은 분광기를 사용하여 태양 표면에서 빠져나가는 주황색-빨간색 불꽃을 조사하면서 스펙트럼에 익숙한 세 개의 선이 추가되는 것을 보았습니다. 수소: 빨간색, 녹색-파란색, 파란색, 새로운 것, 생소한 것 – 밝은 노란색. 당시 화학자들에게 알려진 물질 중 Jules Jansen이 발견한 스펙트럼 부분에 그런 선이 있는 것은 없었습니다. 동일한 발견이 영국의 고향에서 천문학자 Norman Lockyer에 의해 이루어졌습니다.

1868년 10월 25일, 파리 과학 아카데미는 두 통의 편지를 받았습니다. 하나는 일식 다음 날 작성된 것으로, 인도 동해안의 작은 마을인 군투르(Guntur)에서 줄스 얀센(Jules Jansen)이 쓴 것입니다. 1868년 10월 20일자 또 다른 편지는 영국에서 Norman Lockyer가 보낸 것이었습니다.

받은 편지는 파리 과학 아카데미 교수 회의에서 낭독되었습니다. 그 중에서 Jules Jansen과 Norman Lockyer는 서로 독립적으로 동일한 "태양 물질"의 발견을 보고했습니다. Lockyer는 분광기를 사용하여 태양 표면에서 발견된 이 새로운 물질을 헬리오스(helios)라고 부르기로 제안했습니다.

이 우연의 일치는 아카데미 교수들의 과학 회의를 놀라게 하는 동시에 새로운 화학 물질 발견의 객관적인 성격을 입증했습니다. 태양광 횃불(홍염)의 물질 발견을 기념하여 메달이 수여되었습니다. 이 메달의 한 면에는 얀센과 로키어의 초상화가 있고, 다른 면에는 네 마리의 말이 끄는 전차를 탄 고대 그리스 태양신 아폴로의 이미지가 있습니다. 전차 밑에는 프랑스어로 "1868년 8월 18일 태양 돌출 분석"이라는 문구가 새겨져 있었습니다.

1895년 런던의 화학자 헨리 마이어스(Henry Myers)는 당시 잊혀졌던 지질학자 힐데브란트(Hildebrand)의 논문에 영국의 유명한 물리화학자 윌리엄 램지(William Ramsay)의 관심을 끌었습니다. 이 기사에서 Hildebrand는 일부 희귀 광물이 황산에서 가열되면 연소되지 않고 연소를 지원하지 않는 가스를 방출한다고 주장했습니다. 이러한 희귀 광물 중에는 스웨덴의 유명한 극지방 탐험가인 Nordenskiöld가 노르웨이에서 발견한 클레베이트(kleveite)가 있습니다.

Ramsay는 클레베이트에 포함된 가스의 특성을 조사하기로 결정했습니다. 런던의 모든 화학 상점에서 Ramsay의 조수들은 겨우 1그램의 kleveite를 구입했고 그에 대한 비용은 3.5실링에 불과했습니다. 생성된 클레베이트 양에서 수 입방 센티미터의 가스를 분리하고 불순물로부터 정제한 후 Ramsay는 분광기를 사용하여 이를 조사했습니다. 결과는 예상치 못한 것이었습니다. 클레베이트에서 방출된 가스는... 헬륨으로 밝혀졌습니다!

자신의 발견을 믿지 못한 Ramsay는 당시 런던에서 가장 큰 스펙트럼 분석 전문가였던 William Crookes에게 Kleveite에서 분리된 가스를 연구해 달라는 요청을 요청했습니다.

Crookes는 가스를 조사했습니다. 연구 결과는 Ramsay의 발견을 확인시켜주었습니다. 그래서 1895년 3월 23일, 27년 전에 태양에서 발견되었던 물질이 지구에서 발견되었습니다. 같은 날 Ramsay는 자신의 발견을 발표하여 한 메시지는 런던 왕립 학회에 보내고 다른 메시지는 유명한 프랑스 화학자 Berthelot에게 보냈습니다. Berthelot에게 보낸 편지에서 Ramsay는 자신의 발견을 파리 아카데미 교수들의 과학 회의에 보고해 줄 것을 요청했습니다.

Ramsay가 있은 지 15일 후, 스웨덴의 화학자 Langlais는 Kleveite에서 헬륨을 분리했고 Ramsay와 마찬가지로 자신의 헬륨 발견을 화학자 Berthelot에게 보고했습니다.

세 번째로 헬륨이 공중에서 발견되었는데, Ramsay에 따르면 헬륨은 지구상의 파괴와 화학적 변형 중에 희귀 광물(클레베이트 등)에서 나온 것이어야 합니다.

헬륨은 일부 광천수에서도 소량으로 발견되었습니다. 예를 들어 Ramsay는 피레네 산맥의 Cauterets 치유 샘에서 발견했고, 영국 물리학자 John William Rayleigh는 유명한 바스 리조트의 샘물에서 발견했으며, 독일 물리학자 Kaiser는 흐르는 샘에서 헬륨을 발견했습니다. 검은 숲 산. 그러나 헬륨은 일부 광물에서 가장 풍부하게 발견되었습니다. 사마르스카이트, 퍼거소나이트, 콜럼바이트, 모나자이트, 우라나이트에서 발견됩니다. 실론 섬의 광물인 토리아나이트에는 특히 많은 양의 헬륨이 함유되어 있습니다. 토리아나이트 1kg을 뜨겁게 가열하면 10리터의 헬륨이 방출됩니다.

헬륨은 방사성 우라늄과 토륨을 함유한 광물에서만 발견된다는 사실이 곧 밝혀졌습니다. 일부 방사성 원소에서 방출되는 알파선은 헬륨 원자의 핵에 지나지 않습니다.

역사부터...

헬륨의 특이한 특성으로 인해 헬륨을 다양한 목적으로 널리 사용할 수 있습니다. 가벼움에 기초한 절대적으로 논리적인 첫 번째 방법은 풍선과 비행선에 사용하는 것입니다. 게다가 수소와 달리 폭발성이 없습니다. 이 헬륨 속성은 제1차 세계 대전 당시 독일군이 전투 비행선에 사용했습니다. 이를 사용할 때의 단점은 헬륨으로 채워진 비행선이 수소만큼 높이 날지 못한다는 것입니다.

제1차 세계대전 당시 독일군 사령부는 비행선(제플린)을 이용해 대도시, 주로 영국과 프랑스의 수도를 폭격했습니다. 이를 채우기 위해 수소가 사용되었습니다. 따라서 그들과의 싸움은 상대적으로 간단했습니다. 비행선의 껍질에 부딪힌 방화 발사체가 수소를 점화시켜 즉시 타 오르고 장치가 소실되었습니다. 제1차 세계대전 당시 독일에서 건조된 비행선 123척 중 40척이 소이탄에 의해 소실되었습니다. 그러나 어느 날 영국군 참모부는 매우 중요한 메시지를 듣고 놀랐습니다. 독일 제플린의 소이탄의 직접적인 타격은 실패했습니다. 비행선은 화염에 휩싸이지 않았지만, 알 수 없는 가스를 천천히 흘리며 다시 날아갔습니다.

군사 전문가들은 당황했고, 소이탄으로 인한 제플린의 불연성 문제에 대한 긴급하고 상세한 논의에도 불구하고 필요한 설명을 찾지 못했습니다. 수수께끼는 영국의 화학자 Richard Threlfall이 풀었습니다. 영국 해군성에 보낸 편지에서 그는 다음과 같이 썼습니다. "... 나는 독일인들이 헬륨을 대량으로 생산하는 방법을 발명했다고 믿습니다. 이번에는 비행선의 껍질을 평소처럼 수소가 아닌 수소로 채웠습니다. 헬륨..."

그러나 Threlfall의 주장의 신뢰성은 독일에 헬륨의 중요한 공급원이 없다는 사실로 인해 감소했습니다. 사실, 헬륨은 공기에 포함되어 있지만 헬륨은 거의 없습니다. 1입방미터의 공기에는 5입방센티미터의 헬륨만 포함되어 있습니다. 한 시간 안에 수백 입방미터의 공기를 액체로 바꾸는 Linde 시스템 냉동기는 이 시간 동안 3리터 이하의 헬륨을 생산할 수 있습니다.

시간당 헬륨 3리터! 그리고 비행선을 채우려면 5-6,000 입방미터가 필요합니다. m. 그러한 양의 헬륨을 얻기 위해 Linde 기계 한 대는 약 200년 동안 멈추지 않고 작동해야 했으며, 그러한 기계 200대는 1년에 필요한 양의 헬륨을 제공할 것입니다. 헬륨을 생산하기 위해 공기를 액체로 변환하는 공장 200개를 건설하는 것은 경제적으로 매우 수익성이 없고 사실상 무의미합니다.

독일 화학자들은 헬륨을 어디서 얻었습니까?

나중에 밝혀진 이 문제는 비교적 간단하게 해결되었습니다. 전쟁이 일어나기 오래 전에 인도와 브라질로 물품을 운반하는 독일 해운 회사는 귀국하는 선박에 일반 밸러스트가 아닌 헬륨이 포함된 모나자이트 모래를 싣도록 지시받았습니다. 따라서 "헬륨 원료"의 매장량이 생성되었습니다. 약 5,000톤의 모나자이트 모래가 생성되었으며, 이로부터 비행선용 헬륨이 얻어졌습니다. 또한 Nauheim 광천수에서 헬륨이 추출되어 최대 70m3에 달했습니다. 매일 m의 헬륨.

내화 비행선 사건은 헬륨에 대한 새로운 탐색의 원동력이 되었습니다. 화학자, 물리학자, 지질학자들은 헬륨을 집중적으로 찾기 시작했습니다. 갑자기 엄청난 가치를 얻었습니다. 1916년에 헬륨 1입방미터의 가격은 금으로 200,000루블, 즉 리터당 200루블이었습니다. 헬륨 1리터의 무게가 0.18g이라고 생각하면 1g의 가격은 1000루블이 넘습니다.

헬륨은 상인, 투기꾼, 주식 중개인의 사냥 대상이 되었습니다. 헬륨은 미국이 전쟁에 참전 한 후 포트 워스시 근처에 헬륨 공장이 건설 된 캔자스 주 미국의 지구 창자에서 나오는 천연 가스에서 상당한 양으로 발견되었습니다. 그러나 전쟁은 끝났고 헬륨 매장량은 사용되지 않았으며 헬륨 가격은 급격히 떨어졌으며 1918년 말에는 입방미터당 약 4루블에 달했습니다.

그렇게 어렵게 얻은 헬륨은 1923년에야 미국인들이 현재 평화로운 비행선 셰넌도어를 채우기 위해 사용했습니다. 이 선박은 세계 최초이자 유일한 헬륨을 채운 항공 화물 여객선이었습니다. 그러나 그의 "인생"은 단명했습니다. 셰넌도어호는 탄생 2년 후 폭풍으로 인해 파괴되었습니다. 55,000입방미터 m, 6년에 걸쳐 수집된 거의 전 세계 헬륨 공급량은 단 30분 동안 지속된 폭풍 동안 대기 중에 흔적도 없이 소멸되었습니다.

헬륨의 응용

자연 속의 헬륨

대부분 지상파 헬륨우라늄-238, 우라늄-235, 토륨 및 그 붕괴의 불안정한 생성물의 방사성 붕괴 중에 형성됩니다. 사마륨-147과 비스무트의 느린 붕괴로 인해 비교할 수 없을 정도로 적은 양의 헬륨이 생성됩니다. 이 모든 원소들은 헬륨의 무거운 동위원소인 He 4만을 생성하는데, 그 원자는 전자 이중선에서 두 쌍의 전자 껍질에 묻힌 알파 입자의 잔해로 간주될 수 있습니다. 초기 지질 시대에는 이미 지구 표면에서 사라져 행성을 헬륨으로 포화시킨 다른 자연 방사성 원소 시리즈가 있었을 것입니다. 그 중 하나가 현재 인공적으로 재현된 넵투늄 시리즈였습니다.

암석이나 광물에 갇혀 있는 헬륨의 양으로 절대 연대를 판단할 수 있습니다. 이러한 측정은 방사성 붕괴의 법칙을 기반으로 합니다. 예를 들어 우라늄-238의 절반은 다음과 같이 변합니다. 헬륨그리고 리드.

헬륨지각에 천천히 축적됩니다. 2g의 우라늄과 10g의 토륨을 함유한 화강암 1톤은 백만 년 동안 0.09mg(0.5cm3)의 헬륨만을 생산합니다. 우라늄과 토륨이 풍부한 극소수의 광물은 헬륨 함량이 상당히 높습니다(그램당 수 입방센티미터의 헬륨). 그러나 천연 헬륨 생산에서 이러한 미네랄의 비율은 매우 드물기 때문에 0에 가깝습니다.

지구에는 헬륨이 거의 없습니다. 공기 1m 3에는 5.24cm 3의 헬륨만 포함되어 있으며, 지구 물질 1kg에는 0.003mg의 헬륨이 포함되어 있습니다. 그러나 우주에서의 보급률 측면에서 헬륨은 수소 다음으로 두 번째입니다. 헬륨은 우주 질량의 약 23%를 차지합니다. 모든 헬륨의 약 절반은 지각, 주로 화강암 껍질에 집중되어 있으며 방사성 원소의 주요 매장량이 축적되어 있습니다. 지각의 헬륨 함량은 3 x 10 -7 질량%로 낮습니다. 헬륨은 하층토와 기름의 자유 가스 축적물에 축적됩니다. 이러한 예금은 산업 규모에 도달합니다. 헬륨의 최대 농도(10-13%)는 유리 가스 축적물과 우라늄 광산의 가스에서 발견되었으며 지하수에서 자연적으로 방출되는 가스에서는 (20-25%)가 발견되었습니다. 가스를 함유한 퇴적암의 나이가 오래되고 방사성 원소의 함량이 높을수록 천연 가스 구성에 헬륨이 더 많아집니다.

헬륨 추출

헬륨은 탄화수소와 질소 구성의 천연 가스와 석유 가스로부터 산업 규모로 생산됩니다. 원자재의 품질에 따라 헬륨 광상은 다음과 같이 구분됩니다. 풍부함(He 함량 > 0.5%); 보통 (0.10-0.50) 및 나쁨< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

세계 헬륨 매장량은 456억 입방미터에 달합니다. 대규모 매장지는 미국(세계 자원의 45%)에 있으며, 러시아(32%), 알제리(7%), 캐나다(7%), 중국(4%)이 그 뒤를 따릅니다.
또한 미국은 헬륨 생산량(연간 1억 4천만 입방미터)에서 선두를 달리고 있으며 알제리(1,600만 입방미터)가 그 뒤를 따르고 있습니다.

러시아는 연간 600만 입방미터로 세계 3위를 차지하고 있습니다. 오렌부르크 헬륨 공장은 현재 국내 유일의 헬륨 생산원이며, 가스 생산량은 감소하고 있습니다. 이와 관련하여 헬륨 농도(최대 0.6%)가 높은 동부 시베리아와 극동 지역의 가스전이 특히 중요합니다. 가장 유망한 것 중 하나는 Kovykta입니다. 하 이르쿠츠크 지역 북쪽에 위치한 응축수 유전입니다. 전문가에 따르면, 이 안에는 전 세계의 약 25%가 포함되어 있습니다. x 헬륨 매장량.

지표 이름	헬륨(A등급)(TU 51-940-80에 따름)	헬륨(B 등급)(TU 51-940-80에 따름)	고순도 헬륨, 등급 5.5(TU 0271-001-45905715-02에 따름)	고순도 헬륨, 등급 6.0(TU 0271-001-45905715-02에 따름)
헬륨, 그 이하도 아니죠
질소, 더 이상은 안돼
산소 + 아르곤
네온, 그 이상은 아니다
수증기, 더 이상
탄화수소, 더 이상
CO2 + CO, 더 이상은 필요하지 않습니다
수소, 더 이상은 아니다

안전

– 헬륨은 독성, 가연성, 폭발성이 없습니다.
– 헬륨은 콘서트, 광고 행사, 경기장, 상점 등 혼잡한 장소에서 사용할 수 있습니다.
– 헬륨 가스는 생리학적으로 불활성이며 인체에 위험을 초래하지 않습니다.
– 헬륨은 환경에 위험하지 않으므로 실린더 내 잔류물의 중화, 재활용 및 폐기가 필요하지 않습니다.
– 헬륨은 공기보다 훨씬 가볍고 지구 대기의 상층부에서 소멸됩니다.

헬륨(TU 51-940-80에 따른 등급 A 및 B)
기술명	헬륨가스
화학식
OON 번호
운송 위험 등급
물리적 특성
건강 상태	정상적인 조건에서 - 가스
밀도, kg/m²	정상 조건(101.3kPa, 20C)에서, 1627
끓는점, C(101.3kPa)
세 번째 지점의 온도와 평형 압력 C, (mPa)
물에 대한 용해도	의미 없는
화재 및 폭발 위험	화재 및 폭발 방지
안정성과 반응성
안정	안정적인
반동	불활성 가스
인간에게 위험
독성 효과	무독성
환경적 위험	환경에 유해한 영향을 미치지 않습니다.
시설	모든 수단이 적용됩니다

헬륨 저장 및 운송

헬륨 가스는 특정 운송 수단으로 물품을 운송하는 규칙에 따라 모든 운송 수단으로 운송될 수 있습니다. 운송은 헬륨 운송을 위한 특수 갈색 강철 실린더 및 컨테이너에서 수행됩니다. 액체 헬륨은 STG-40, STG-10 및 STG-25와 같은 운송 용기를 통해 40, 10, 25리터 용량으로 운송됩니다.

기술 가스가 포함된 실린더 운송 규칙

러시아 연방 내 위험물 운송은 다음 문서에 의해 규제됩니다.

1. "위험물 도로 운송에 관한 규칙"(1999년 6월 11일자 러시아 연방 교통부 명령 No. 37, 1999년 10월 14일자 No. 77에 의해 개정됨, 교육부에 등록됨) 1995년 12월 18일 러시아 연방 판사, 등록 번호 997).

2. 러시아가 1994년 4월 28일에 공식적으로 가입한 "도로를 통한 위험물의 국제 운송에 관한 유럽 협정"(ADR)(1994년 2월 3일자 RF 정부 법령 No. 76).

3. "도로 규칙"(교통 규정 2006), 즉 23.5조는 "위험물의 운송...은...특별 규칙에 따라 수행됩니다."라고 규정합니다.

4. "행정 위반에 관한 러시아 연방 법", 12.21조 2항은 위험물 운송 규칙 위반에 대한 책임을 "운전자에 대한 행정 벌금의 1~3배" 형태로 규정하고 있습니다. 최저 임금 또는 1~3개월 동안 차량 운전 권리 박탈, 교통 담당 공무원의 경우 최저 임금의 10~20배."

3절, 1.2절, "규칙은... 한 대의 차량에 제한된 양의 위험 물질을 운송하는 경우에는 적용되지 않습니다. 해당 운송은 위험하지 않은 화물의 운송으로 간주될 수 있습니다." 또한 "특정 유형의 위험물의 안전한 운송을 위한 요구사항에는 제한된 양의 위험물이 결정됩니다. 이를 결정할 때 위험물의 국제 운송에 관한 유럽 협정의 요구사항을 사용할 수 있습니다."라고 설명되어 있습니다. (ADR).” 따라서 비위험 물품으로 운송될 수 있는 물질의 최대 수량에 대한 문제는 다양한 상황과 관련된 위험 물품 운송에 대한 유럽 규정의 예외를 설정하는 ADR 섹션 1.1.3의 연구로 귀결됩니다.

예를 들어, 1.1.3.1 조항에 따라 "ADR 조항은... 개인이 위험물을 운송할 때 이러한 물품이 소매 판매용으로 포장되고 개인 소비, 가정 내 사용을 목적으로 하는 경우 적용되지 않습니다. 단, 정상적인 운송 조건에서 내용물의 누출을 방지하기 위한 조치가 취해진 경우에 한합니다."

그러나 위험물 운송 규칙에 의해 공식적으로 인정된 면제 그룹은 하나의 운송 단위로 운송된 수량과 관련된 면제입니다(1.1.3.6항).

모든 가스는 ADR 분류에 따라 두 번째 종류의 물질로 분류됩니다. 불연성, 무독성 가스(그룹 A - 중성 및 O - 산화성)는 세 번째 운송 범주에 속하며 최대 수량은 1000개로 제한됩니다. 고인화성(그룹 F) - 두 번째까지, 최대 수량은 333개로 제한됩니다. 여기서 "단위"란 압축 가스를 담는 용기 용량 1리터 또는 액화 또는 용해 가스 1kg을 의미합니다. 따라서 하나의 운송 단위로 비위험 화물로 운송할 수 있는 최대 가스량은 다음과 같습니다.