Helium: sifat, karakteristik, aplikasi

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 17:49

Helium adalah gas inert dari kelompok ke-18 tabel periodik. Ini adalah unsur teringan kedua setelah hidrogen. Helium adalah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa yang menjadi cair pada -268,9 °C. Titik didih dan titik bekunya lebih rendah daripada zat lain yang diketahui. Ini adalah satu-satunya elemen yang tidak memadat ketika didinginkan pada tekanan atmosfer normal. Helium membutuhkan 25 atmosfer pada 1 K untuk memadat.

Riwayat penemuan

Helium ditemukan di atmosfer gas yang mengelilingi Matahari oleh astronom Prancis Pierre Jansen, yang pada tahun 1868 selama gerhana menemukan garis kuning cerah dalam spektrum kromosfer matahari. Garis ini awalnya dianggap mewakili unsur natrium. Pada tahun yang sama, astronom Inggris Joseph Norman Lockyer mengamati garis kuning dalam spektrum matahari yang tidak sesuai dengan garis natrium yang diketahui D₁ dan D₂, jadi dia menamai barisnya D_{3. Lockyer menyimpulkan bahwa itu disebabkan oleh zat di Matahari yang tidak diketahui di Bumi. Dia dan ahli kimia Edward Frankland menggunakan nama elemennama Yunani untuk Matahari adalah Helios.}

Pada tahun 1895, ahli kimia Inggris Sir William Ramsay membuktikan keberadaan helium di Bumi. Dia memperoleh sampel cleveite mineral pembawa uranium, dan setelah memeriksa gas yang terbentuk ketika dipanaskan, dia menemukan bahwa garis kuning cerah dalam spektrum bertepatan dengan garis D_{3 yang diamati pada spektrum Matahari. Dengan demikian, elemen baru akhirnya dipasang. Pada tahun 1903, Ramsay dan Frederick Soddu menetapkan bahwa helium adalah produk peluruhan spontan zat radioaktif.}

Tersebar di alam

Massa helium adalah sekitar 23% dari seluruh massa alam semesta, dan unsur ini adalah yang paling melimpah kedua di ruang angkasa. Itu terkonsentrasi di bintang-bintang, di mana ia terbentuk dari hidrogen sebagai hasil dari fusi termonuklir. Meskipun helium ditemukan di atmosfer bumi pada konsentrasi 1 bagian per 200 ribu (5 ppm) dan ditemukan dalam jumlah kecil di mineral radioaktif, besi meteorit, dan mata air mineral, sejumlah besar elemen ditemukan di Amerika Serikat (khususnya di Texas, New York), Meksiko, Kansas, Oklahoma, Arizona dan Utah) sebagai komponen (hingga 7,6%) gas alam. Cadangan kecil telah ditemukan di Australia, Aljazair, Polandia, Qatar dan Rusia. Di kerak bumi, konsentrasi helium hanya sekitar 8 ppb.

Isotop

Inti setiap atom helium mengandung dua proton, tetapi seperti unsur lainnya, ia memiliki isotop. Mereka mengandung satu hingga enam neutron, sehingga nomor massanya berkisar dari tiga hingga delapan. Yang stabil adalah unsur-unsur yang massa heliumnya ditentukan oleh nomor atom 3 (³He) dan 4 (⁴He). Sisanya bersifat radioaktif dan meluruh dengan sangat cepat menjadi zat lain. Helium terestrial bukanlah komponen asli planet ini, ia terbentuk sebagai hasil peluruhan radioaktif. Partikel alfa yang dipancarkan oleh inti zat radioaktif berat adalah inti dari isotop ⁴He. Helium tidak terakumulasi dalam jumlah besar di atmosfer karena gravitasi bumi tidak cukup kuat untuk mencegahnya keluar secara bertahap ke luar angkasa. Jejak ³Dia di Bumi dijelaskan oleh peluruhan beta negatif dari unsur langka hidrogen-3 (tritium). ⁴Dia adalah isotop stabil yang paling melimpah: perbandingan atom ⁴He terhadap ^{3He adalah sekitar 700 ribu banding 1 di atmosfer dan sekitar 7 juta banding 1 di beberapa mineral yang mengandung helium.}

Sifat fisika helium

Titik didih dan leleh elemen ini adalah yang terendah. Untuk alasan ini, helium ada sebagai gas, kecuali dalam kondisi ekstrim. Gas Dia larut lebih sedikit dalam air daripada gas lainnya, dan laju difusi melalui padatan adalah tiga kali lipat dari udara. Indeks biasnya paling mendekati 1.

Konduktivitas termal helium adalah yang kedua setelah hidrogen, dan kapasitas panas spesifiknya luar biasa tinggi. Pada suhu biasa, ia memanas selama ekspansi, dan mendingin di bawah 40 K. Oleh karena itu, pada T<40 K, helium dapat diubah menjadicair dengan pemuaian.

Suatu unsur adalah dielektrik jika tidak dalam keadaan terionisasi. Seperti gas mulia lainnya, helium memiliki tingkat energi metastabil yang memungkinkannya tetap terionisasi dalam pelepasan listrik ketika tegangan tetap di bawah potensial ionisasi.

Helium-4 unik karena memiliki dua bentuk cair. Yang biasa disebut helium I dan ada pada suhu mulai dari titik didih 4,21 K (-268,9 °C) hingga sekitar 2,18 K (-271 °C). Di bawah 2,18 K, konduktivitas termal 4Dia menjadi 1000 kali lipat tembaga. Bentuk ini disebut helium II untuk membedakannya dari bentuk normal. Ini superfluida: viskositasnya sangat rendah sehingga tidak dapat diukur. Helium II menyebar menjadi film tipis di permukaan apa pun yang disentuhnya, dan film ini mengalir tanpa gesekan bahkan melawan gravitasi.

Helium-3 yang kurang melimpah membentuk tiga fase cair yang berbeda, dua di antaranya superfluida. Superfluiditas di ⁴Dia ditemukan oleh fisikawan Soviet Pyotr Leonidovich Kapitsa pada pertengahan 1930-an, dan fenomena yang sama di ^{3Dia pertama kali diperhatikan oleh Douglas D Osherov, David M. Lee, dan Robert S. Richardson dari Amerika Serikat pada tahun 1972.}

Campuran cair dua isotop helium-3 dan -4 pada suhu di bawah 0,8 K (-272,4 °C) dibagi menjadi dua lapisan - hampir murni ³He dan campuran4^{He dengan 6% helium-3. Pelarutan} 3^{He menjadi} 4^{He disertai dengan efek pendinginan, yang digunakan dalam desain cryostat, di mana suhu helium turundi bawah 0,01 K (-273,14 °C) dan dipertahankan di sana selama beberapa hari.}

Koneksi

Dalam kondisi normal, helium secara kimiawi inert. Dalam kondisi ekstrem, Anda dapat membuat sambungan elemen yang tidak stabil pada suhu dan tekanan normal. Misalnya, helium dapat membentuk senyawa dengan yodium, tungsten, fluor, fosfor, dan belerang ketika dikenai pelepasan cahaya listrik ketika dibombardir dengan elektron atau dalam keadaan plasma. Jadi, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ dan He₂ ion molekuler telah dibuat +^{, Bukan}2++^{, HeH}+ ^{dan HeD +}. Teknik ini juga memungkinkan untuk mendapatkan molekul netral He² dan HgHe.

Plasma

Di Semesta, helium terionisasi terdistribusi secara dominan, sifat-sifatnya berbeda secara signifikan dari sifat molekuler. Elektron dan protonnya tidak terikat, dan memiliki konduktivitas listrik yang sangat tinggi bahkan dalam keadaan terionisasi sebagian. Partikel bermuatan sangat dipengaruhi oleh medan magnet dan listrik. Misalnya, dalam angin matahari, ion helium, bersama dengan hidrogen terionisasi, berinteraksi dengan magnetosfer bumi, menyebabkan aurora.

Penemuan AS

Setelah mengebor sumur pada tahun 1903, gas yang tidak mudah terbakar diperoleh di Dexter, Kansas. Awalnya, tidak diketahui bahwa itu mengandung helium. Gas mana yang ditemukan ditentukan oleh ahli geologi negara bagian Erasmus Haworth, yangmengumpulkan sampel itu dan di University of Kansas dengan bantuan ahli kimia Cady Hamilton dan David McFarland menemukan bahwa itu mengandung 72% nitrogen, 15% metana, 1% hidrogen dan 12% tidak diidentifikasi. Setelah analisis lebih lanjut, para ilmuwan menemukan bahwa 1,84% dari sampel adalah helium. Jadi mereka mengetahui bahwa unsur kimia ini hadir dalam jumlah besar di perut Great Plains, dari mana ia dapat diekstraksi dari gas alam.

Produksi industri

Ini telah menjadikan Amerika Serikat sebagai pemimpin dunia dalam produksi helium. Atas saran Sir Richard Threlfall, Angkatan Laut AS mendanai tiga pabrik percobaan kecil untuk memproduksi zat ini selama Perang Dunia I untuk menyediakan balon rentetan dengan gas pengangkat yang ringan dan tidak mudah terbakar. Program ini menghasilkan total 5.700 m3 92% He, meskipun sebelumnya telah diproduksi kurang dari 100 liter gas. Sebagian dari volume ini digunakan di kapal udara helium pertama di dunia, US Navy C-7, yang melakukan pelayaran perdananya dari Hampton Roads, Virginia ke Bolling Field, Washington, DC pada 7 Desember 1921.

Meskipun proses pencairan gas suhu rendah tidak cukup maju pada saat itu untuk menjadi signifikan selama Perang Dunia I, produksi terus berlanjut. Helium terutama digunakan sebagai gas pengangkat di pesawat terbang. Permintaan untuk itu tumbuh selama Perang Dunia II, ketika digunakan dalam pengelasan busur terlindung. Unsur itu juga penting dalam proyek bom atom. Manhattan.

Stok Nasional AS

Pada tahun 1925, pemerintah Amerika Serikat mendirikan Cadangan Helium Nasional di Amarillo, Texas, dengan tujuan menyediakan kapal udara militer pada masa perang dan kapal udara komersial pada masa damai. Penggunaan gas menurun setelah Perang Dunia II, tetapi pasokan meningkat pada 1950-an untuk menyediakan, antara lain, pasokannya sebagai pendingin yang digunakan dalam produksi bahan bakar roket oxyhydrogen selama perlombaan ruang angkasa dan Perang Dingin. Penggunaan helium AS pada tahun 1965 adalah delapan kali konsumsi puncaknya pada masa perang.

Menyusul Undang-Undang Helium tahun 1960, Biro Pertambangan mengontrak 5 perusahaan swasta untuk mengekstraksi unsur tersebut dari gas alam. Untuk program ini, pipa gas sepanjang 425 kilometer dibangun yang menghubungkan pembangkit ini ke ladang gas pemerintah yang sebagian habis di dekat Amarillo, Texas. Campuran helium-nitrogen dipompa ke fasilitas penyimpanan bawah tanah dan tetap di sana sampai dibutuhkan.

Pada tahun 1995, satu miliar meter kubik stok telah dikumpulkan dan Cadangan Nasional memiliki utang $ 1,4 miliar, mendorong Kongres AS untuk menghapusnya secara bertahap pada tahun 1996. Setelah undang-undang privatisasi helium disahkan pada tahun 1996, Kementerian Sumber Daya Alam mulai melikuidasi fasilitas penyimpanan pada tahun 2005.

Kemurnian dan volume produksi

Helium yang diproduksi sebelum tahun 1945 memiliki kemurnian sekitar 98%, sisanya 2%menyumbang nitrogen, yang cukup untuk kapal udara. Pada tahun 1945, sejumlah kecil 99,9 persen gas diproduksi untuk digunakan dalam pengelasan busur. Pada tahun 1949, kemurnian elemen yang dihasilkan telah mencapai 99,995%.

Selama bertahun-tahun, Amerika Serikat memproduksi lebih dari 90% helium komersial dunia. Sejak tahun 2004, telah menghasilkan 140 juta m3 per tahun, 85% di antaranya berasal dari Amerika Serikat, 10% dari Aljazair, dan sisanya dari Rusia dan Polandia. Sumber utama helium di dunia adalah ladang gas Texas, Oklahoma dan Kansas.

Proses penerimaan

Helium (kemurnian 98,2%) diekstraksi dari gas alam dengan mencairkan komponen lain pada suhu rendah dan tekanan tinggi. Adsorpsi gas lain dengan karbon aktif yang didinginkan mencapai kemurnian 99,995%. Sejumlah kecil helium diproduksi dengan mencairkan udara dalam skala besar. Sekitar 3,17 meter kubik dapat diperoleh dari 900 ton udara. m gas.

Area aplikasi

Gas mulia telah digunakan di berbagai bidang.

Helium, yang sifatnya memungkinkan untuk memperoleh suhu sangat rendah, digunakan sebagai zat pendingin di Large Hadron Collider, magnet superkonduktor di mesin MRI dan spektrometer resonansi magnetik nuklir, peralatan satelit, dan juga untuk mencairkan oksigen dan hidrogen dalam roket Apollo.
Sebagai gas inert untuk pengelasan aluminium dan logam lainnya, dalam produksi serat optik dan semikonduktor.
Untuk membuattekanan dalam tangki bahan bakar mesin roket, terutama yang menggunakan hidrogen cair, karena hanya helium gas yang mempertahankan keadaan agregasinya ketika hidrogen tetap cair);
Laser gas He-Ne digunakan untuk memindai kode batang di kasir supermarket.
Mikroskop Helium Ion menghasilkan gambar yang lebih baik daripada mikroskop elektron.
Karena permeabilitasnya yang tinggi, gas mulia digunakan untuk memeriksa kebocoran, misalnya, sistem pendingin udara mobil, dan untuk mengembang kantung udara dengan cepat saat terjadi tabrakan.
Kepadatan rendah memungkinkan Anda mengisi balon dekoratif dengan helium. Gas inert telah menggantikan hidrogen eksplosif di kapal udara dan balon. Misalnya, dalam meteorologi, balon helium digunakan untuk mengangkat alat ukur.
Dalam teknologi kriogenik, ia berfungsi sebagai pendingin, karena suhu elemen kimia ini dalam bentuk cair adalah serendah mungkin.
Helium, yang sifatnya memberikan reaktivitas rendah dan kelarutan dalam air (dan darah), dicampur dengan oksigen, telah digunakan dalam komposisi pernapasan untuk scuba diving dan pekerjaan caisson.
Meteorit dan batuan dianalisis untuk elemen ini untuk menentukan usianya.