हीलियम: गुण, विशेषताएँ, अनुप्रयोग

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-02 17:47

हीलियम आवर्त सारणी के 18वें समूह की एक अक्रिय गैस है। यह हाइड्रोजन के बाद दूसरा सबसे हल्का तत्व है। हीलियम एक रंगहीन, गंधहीन और स्वादहीन गैस है जो -268.9 डिग्री सेल्सियस पर तरल हो जाती है। इसके क्वथनांक और हिमांक किसी अन्य ज्ञात पदार्थ के क्वथनांक से कम होते हैं। यह एकमात्र ऐसा तत्व है जो सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर ठंडा होने पर जमता नहीं है। हीलियम को जमने में 1 K पर 25 वायुमंडल लगते हैं।

खोज इतिहास

हीलियम की खोज फ्रांसीसी खगोलशास्त्री पियरे जेनसेन द्वारा सूर्य के आसपास के गैसीय वातावरण में की गई थी, जिन्होंने 1868 में एक ग्रहण के दौरान सौर क्रोमोस्फीयर के स्पेक्ट्रम में एक चमकदार पीली रेखा की खोज की थी। यह रेखा मूल रूप से सोडियम तत्व का प्रतिनिधित्व करने के लिए सोचा गया था। उसी वर्ष, अंग्रेजी खगोलशास्त्री जोसेफ नॉर्मन लॉकयर ने सौर स्पेक्ट्रम में एक पीली रेखा देखी जो ज्ञात सोडियम लाइनों D₁ और D₂ के अनुरूप नहीं थी।, और इसलिए उसने उसकी रेखा का नाम D_{3 रखा। लॉकर ने निष्कर्ष निकाला कि यह पृथ्वी पर अज्ञात सूर्य में एक पदार्थ के कारण हुआ था। वह और रसायनज्ञ एडवर्ड फ्रैंकलैंड ने तत्व के नाम पर प्रयोग कियासूर्य का ग्रीक नाम हेलियोस है।}

1895 में, ब्रिटिश रसायनज्ञ सर विलियम रामसे ने पृथ्वी पर हीलियम के अस्तित्व को साबित किया। उन्होंने यूरेनियम युक्त खनिज क्लीवेट का एक नमूना प्राप्त किया, और गर्म होने पर बनने वाली गैसों की जांच करने के बाद, उन्होंने पाया कि स्पेक्ट्रम में चमकदार पीली रेखा D_{3 रेखा के साथ मेल खाती है। सूर्य का स्पेक्ट्रम। इस प्रकार, नया तत्व अंततः स्थापित किया गया था। 1903 में, रामसे और फ्रेडरिक सोड्डू ने निर्धारित किया कि हीलियम रेडियोधर्मी पदार्थों का एक स्वतःस्फूर्त क्षय उत्पाद है।}

प्रकृति में फैला

हीलियम का द्रव्यमान ब्रह्मांड के पूरे द्रव्यमान का लगभग 23% है, और तत्व अंतरिक्ष में दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में है। यह तारों में केंद्रित है, जहां यह थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन के परिणामस्वरूप हाइड्रोजन से बनता है। यद्यपि हीलियम पृथ्वी के वायुमंडल में 1 भाग प्रति 200 हजार (5 पीपीएम) की सांद्रता में पाया जाता है और रेडियोधर्मी खनिजों, उल्कापिंड लोहा और खनिज स्प्रिंग्स में कम मात्रा में पाया जाता है, बड़ी मात्रा में तत्व संयुक्त राज्य में पाए जाते हैं (विशेष रूप से टेक्सास, न्यूयॉर्क में) मेक्सिको, कान्सास, ओक्लाहोमा, एरिज़ोना और यूटा) प्राकृतिक गैस के एक घटक (7.6%) के रूप में। ऑस्ट्रेलिया, अल्जीरिया, पोलैंड, कतर और रूस में छोटे भंडार पाए गए हैं। पृथ्वी की पपड़ी में, हीलियम की सांद्रता लगभग 8 पीपीबी है।

आइसोटोप

प्रत्येक हीलियम परमाणु के नाभिक में दो प्रोटॉन होते हैं, लेकिन अन्य तत्वों की तरह इसमें भी समस्थानिक होते हैं। उनमें एक से छह न्यूट्रॉन होते हैं, इसलिए उनकी द्रव्यमान संख्या तीन से आठ तक होती है।स्थिर तत्व वे तत्व हैं जिनका हीलियम द्रव्यमान परमाणु संख्या 3 (³He) और 4 (⁴He) द्वारा निर्धारित किया जाता है। बाकी सभी रेडियोधर्मी हैं और अन्य पदार्थों में बहुत जल्दी क्षय हो जाते हैं। स्थलीय हीलियम ग्रह का मूल घटक नहीं है, इसका निर्माण रेडियोधर्मी क्षय के परिणामस्वरूप हुआ था। भारी रेडियोधर्मी पदार्थों के नाभिक द्वारा उत्सर्जित अल्फा कण समस्थानिक के नाभिक होते हैं ⁴He. हीलियम वायुमंडल में बड़ी मात्रा में जमा नहीं होता है क्योंकि पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण इतना मजबूत नहीं है कि इसे धीरे-धीरे अंतरिक्ष में जाने से रोक सके। पृथ्वी पर ³उसके निशान दुर्लभ तत्व हाइड्रोजन -3 (ट्रिटियम) के नकारात्मक बीटा क्षय द्वारा समझाया गया है। ⁴वह स्थिर समस्थानिकों में सबसे प्रचुर मात्रा में है: ⁴वह परमाणुओं का अनुपात ^{3He वायुमंडल में लगभग 700 हजार से 1 और कुछ हीलियम युक्त खनिजों में लगभग 7 मिलियन से 1 है।}

हीलियम के भौतिक गुण

इस तत्व के क्वथनांक और गलनांक सबसे कम होते हैं। इस कारण से, चरम स्थितियों को छोड़कर, हीलियम गैस के रूप में मौजूद है। गैसीय वह किसी भी अन्य गैस की तुलना में पानी में कम घुलता है, और ठोस के माध्यम से प्रसार की दर हवा की तीन गुना है। इसका अपवर्तनांक 1 के सबसे निकट आता है।

हीलियम की तापीय चालकता हाइड्रोजन के बाद दूसरे स्थान पर है, और इसकी विशिष्ट ऊष्मा क्षमता असामान्य रूप से अधिक है। सामान्य तापमान पर, यह विस्तार के दौरान गर्म होता है, और 40 K से नीचे ठंडा हो जाता है। इसलिए, T<40 K पर हीलियम को में बदला जा सकता हैविस्तार द्वारा तरल।

एक तत्व एक ढांकता हुआ है यदि वह आयनित अवस्था में नहीं है। अन्य महान गैसों की तरह, हीलियम में मेटास्टेबल ऊर्जा स्तर होते हैं जो इसे विद्युत निर्वहन में आयनित रहने की अनुमति देते हैं जब वोल्टेज आयनीकरण क्षमता से नीचे रहता है।

हीलियम-4 इस मायने में अद्वितीय है कि इसके दो तरल रूप हैं। साधारण को हीलियम I कहा जाता है और यह 4.21 K (-268.9 °C) के क्वथनांक से लेकर लगभग 2.18 K (-271 °C) तक के तापमान पर मौजूद होता है। 2.18 K से नीचे, 4 की तापीय चालकता वह तांबे के 1000 गुना हो जाती है। इस रूप को सामान्य रूप से अलग करने के लिए हीलियम II कहा जाता है। यह सुपरफ्लुइड है: चिपचिपापन इतना कम है कि इसे मापा नहीं जा सकता। हीलियम II जो कुछ भी छूता है उसकी सतह पर एक पतली फिल्म में फैल जाता है, और यह फिल्म गुरुत्वाकर्षण के खिलाफ भी घर्षण के बिना बहती है।

कम प्रचुर मात्रा में हीलियम -3 तीन अलग-अलग तरल चरण बनाता है, जिनमें से दो सुपरफ्लुइड हैं। ⁴ में सुपरफ्लुइडिटी की खोज सोवियत भौतिक विज्ञानी प्योत्र लियोनिदोविच कपित्सा ने 1930 के दशक के मध्य में की थी, और इसी घटना को ^{3 में पहली बार उन्होंने देखा था 1972 में डगलस डी ओशेरोव, डेविड एम. ली और यूएसए के रॉबर्ट एस. रिचर्डसन।}

0.8 K (-272.4 °C) से कम तापमान पर हीलियम -3 और -4 के दो समस्थानिकों का एक तरल मिश्रण दो परतों में विभाजित होता है - लगभग शुद्ध ³He और4^{वह 6% हीलियम-3 का मिश्रण है।} 3^{He का विघटन} 4^{वह एक शीतलन प्रभाव के साथ होता है, जिसका उपयोग क्रायोस्टैट्स के डिजाइन में किया जाता है, जिसमें हीलियम का तापमान गिरता है0.01 K (-273.14 °C) से नीचे और कई दिनों तक वहाँ बना रहा।}

कनेक्शन

सामान्य परिस्थितियों में हीलियम रासायनिक रूप से निष्क्रिय होता है। चरम स्थितियों में, आप ऐसे तत्व कनेक्शन बना सकते हैं जो सामान्य तापमान और दबाव पर स्थिर नहीं होते हैं। उदाहरण के लिए, हीलियम आयोडीन, टंगस्टन, फ्लोरीन, फास्फोरस और सल्फर के साथ यौगिक बना सकता है जब इलेक्ट्रॉनों के साथ या प्लाज्मा अवस्था में बमबारी होने पर विद्युत चमक निर्वहन के अधीन होता है। इस प्रकार, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ और He₂ आणविक आयन बनाए गए+^{, Not}2++^{, HeH}+ ^{और HeD +}। इस तकनीक ने तटस्थ अणु He² और HgHe प्राप्त करना भी संभव बना दिया।

प्लाज्मा

ब्रह्मांड में, आयनित हीलियम मुख्य रूप से वितरित किया जाता है, जिसके गुण आणविक से काफी भिन्न होते हैं। इसके इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन बंधे नहीं हैं, और आंशिक रूप से आयनित अवस्था में भी इसकी विद्युत चालकता बहुत अधिक है। आवेशित कण चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों से अत्यधिक प्रभावित होते हैं। उदाहरण के लिए, सौर हवा में, हीलियम आयन, आयनित हाइड्रोजन के साथ, पृथ्वी के मैग्नेटोस्फीयर के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे अरोरा पैदा होता है।

अमेरिकी खोज

1903 में एक कुआं खोदने के बाद, डेक्सटर, कंसास में गैर-ज्वलनशील गैस प्राप्त की गई थी। प्रारंभ में, यह ज्ञात नहीं था कि इसमें हीलियम है। कौन सी गैस पाई गई थी, इसका निर्धारण राज्य के भूविज्ञानी इरास्मस हॉवर्थ ने किया थाइसके नमूने एकत्र किए और कैनसस विश्वविद्यालय में केमिस्ट्स कैडी हैमिल्टन और डेविड मैकफारलैंड की मदद से पाया कि इसमें 72% नाइट्रोजन, 15% मीथेन, 1% हाइड्रोजन और 12% की पहचान नहीं की गई थी। आगे के विश्लेषण के बाद, वैज्ञानिकों ने पाया कि नमूने का 1.84% हीलियम था। तो उन्हें पता चला कि यह रासायनिक तत्व ग्रेट प्लेन्स की आंतों में भारी मात्रा में मौजूद है, जहां से इसे प्राकृतिक गैस से निकाला जा सकता है।

औद्योगिक उत्पादन

इसने संयुक्त राज्य अमेरिका को हीलियम उत्पादन में विश्व में अग्रणी बना दिया है। सर रिचर्ड थ्रेलफॉल के सुझाव पर, अमेरिकी नौसेना ने प्रथम विश्व युद्ध के दौरान इस पदार्थ का उत्पादन करने के लिए तीन छोटे प्रायोगिक संयंत्रों को एक प्रकाश, गैर-ज्वलनशील उठाने वाली गैस के साथ बैराज गुब्बारे प्रदान करने के लिए वित्त पोषित किया। कार्यक्रम ने कुल 5,700 मी3 92% हे का उत्पादन किया, हालांकि पहले 100 लीटर से कम गैस का उत्पादन किया गया था। इस वॉल्यूम में से कुछ का उपयोग दुनिया के पहले हीलियम एयरशिप, यूएस नेवी सी-7 में किया गया था, जिसने 7 दिसंबर, 1921 को हैम्पटन रोड्स, वर्जीनिया से बोलिंग फील्ड, वाशिंगटन, डीसी तक अपनी पहली यात्रा की थी।

हालांकि प्रथम विश्व युद्ध के दौरान महत्वपूर्ण होने के लिए कम तापमान वाली गैस द्रवीकरण प्रक्रिया पर्याप्त उन्नत नहीं थी, उत्पादन जारी रहा। हीलियम का उपयोग मुख्य रूप से विमान में लिफ्ट गैस के रूप में किया जाता था। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान इसकी मांग बढ़ी, जब इसका इस्तेमाल शील्ड आर्क वेल्डिंग में किया गया। परमाणु बम परियोजना में भी तत्व महत्वपूर्ण था।मैनहट्टन।

यूएस नेशनल स्टॉक

1925 में, संयुक्त राज्य सरकार ने युद्ध के समय में सैन्य हवाई पोत और शांति के समय में वाणिज्यिक हवाई पोत प्रदान करने के उद्देश्य से, अमरिलो, टेक्सास में राष्ट्रीय हीलियम रिजर्व की स्थापना की। द्वितीय विश्व युद्ध के बाद गैस के उपयोग में गिरावट आई, लेकिन अन्य बातों के अलावा, अंतरिक्ष की दौड़ और शीत युद्ध के दौरान ऑक्सीहाइड्रोजन रॉकेट ईंधन के उत्पादन में इस्तेमाल होने वाले शीतलक के रूप में इसकी आपूर्ति प्रदान करने के लिए आपूर्ति में वृद्धि की गई थी। 1965 में यू.एस. हीलियम का उपयोग युद्ध के समय की अपनी चरम खपत का आठ गुना था।

1960 के हीलियम अधिनियम के बाद, खान ब्यूरो ने प्राकृतिक गैस से तत्व निकालने के लिए 5 निजी कंपनियों को अनुबंधित किया। इस कार्यक्रम के लिए, इन संयंत्रों को अमरिलो, टेक्सास के पास आंशिक रूप से समाप्त सरकारी गैस क्षेत्र से जोड़ने के लिए 425 किलोमीटर की गैस पाइपलाइन का निर्माण किया गया था। हीलियम-नाइट्रोजन मिश्रण को एक भूमिगत भंडारण सुविधा में पंप किया गया और जरूरत पड़ने तक वहीं रहा।

1995 तक, एक बिलियन क्यूबिक मीटर स्टॉक एकत्र किया गया था और नेशनल रिजर्व 1.4 बिलियन डॉलर का कर्ज था, जिससे अमेरिकी कांग्रेस को 1996 में इसे समाप्त करने के लिए प्रेरित किया गया था। 1996 में हीलियम निजीकरण कानून पारित होने के बाद, प्राकृतिक संसाधन मंत्रालय ने 2005 में भंडारण सुविधा को समाप्त करना शुरू किया।

शुद्धता और उत्पादन मात्रा

1945 से पहले उत्पादित हीलियम की शुद्धता लगभग 98% थी, बाकी 2%नाइट्रोजन के लिए जिम्मेदार है, जो हवाई जहाजों के लिए पर्याप्त था। 1945 में, चाप वेल्डिंग में उपयोग के लिए 99.9 प्रतिशत गैस की एक छोटी मात्रा का उत्पादन किया गया था। 1949 तक, परिणामी तत्व की शुद्धता 99.995% तक पहुंच गई थी।

कई वर्षों तक, संयुक्त राज्य अमेरिका ने दुनिया के 90% से अधिक वाणिज्यिक हीलियम का उत्पादन किया। 2004 से, इसने सालाना 140 मिलियन m3 उत्पादन किया है, जिसमें से 85% संयुक्त राज्य अमेरिका से, 10% अल्जीरिया से और शेष रूस और पोलैंड से आता है। दुनिया में हीलियम के मुख्य स्रोत टेक्सास, ओक्लाहोमा और कंसास के गैस क्षेत्र हैं।

प्राप्त प्रक्रिया

हीलियम (98.2% शुद्धता) कम तापमान और उच्च दबाव पर अन्य घटकों को तरल करके प्राकृतिक गैस से निकाला जाता है। ठंडा सक्रिय कार्बन द्वारा अन्य गैसों का सोखना 99.995% की शुद्धता प्राप्त करता है। बड़े पैमाने पर हवा को द्रवीभूत करके हीलियम की एक छोटी मात्रा का उत्पादन किया जाता है। 900 टन वायु से लगभग 3.17 घन मीटर प्राप्त किया जा सकता है। गैस का मी.

आवेदन क्षेत्र

विभिन्न क्षेत्रों में नोबल गैस का उपयोग किया गया है।

हीलियम, जिसके गुण अति-निम्न तापमान प्राप्त करना संभव बनाते हैं, का उपयोग लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में शीतलन एजेंट के रूप में किया जाता है, एमआरआई मशीनों में सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट और परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोमीटर, उपग्रह उपकरण, और ऑक्सीजन को द्रवीभूत करने के लिए भी। और अपोलो रॉकेट में हाइड्रोजन।
ऑप्टिकल फाइबर और अर्धचालक के उत्पादन में एल्यूमीनियम और अन्य धातुओं की वेल्डिंग के लिए एक अक्रिय गैस के रूप में।
बनाने के लिएरॉकेट इंजनों के ईंधन टैंकों में दबाव, विशेष रूप से वे जो तरल हाइड्रोजन पर चलते हैं, क्योंकि हाइड्रोजन के तरल रहने पर केवल गैसीय हीलियम अपनी एकत्रीकरण की स्थिति को बरकरार रखता है);
हे-ने गैस लेजर का उपयोग सुपरमार्केट चेकआउट में बारकोड को स्कैन करने के लिए किया जाता है।
हीलियम आयन माइक्रोस्कोप इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की तुलना में बेहतर चित्र बनाता है।
इसकी उच्च पारगम्यता के कारण, उत्कृष्ट गैस का उपयोग कार के एयर कंडीशनिंग सिस्टम में लीक की जांच करने और दुर्घटना में एयरबैग को जल्दी से फुलाने के लिए किया जाता है।
कम घनत्व आपको सजावटी गुब्बारों को हीलियम से भरने की अनुमति देता है। अक्रिय गैस ने हवाई जहाजों और गुब्बारों में विस्फोटक हाइड्रोजन की जगह ले ली है। उदाहरण के लिए, मौसम विज्ञान में हीलियम गुब्बारों का उपयोग मापने वाले उपकरणों को उठाने के लिए किया जाता है।
क्रायोजेनिक तकनीक में, यह शीतलक के रूप में कार्य करता है, क्योंकि तरल अवस्था में इस रासायनिक तत्व का तापमान सबसे कम संभव है।
हीलियम, जिसके गुण इसे ऑक्सीजन के साथ मिश्रित पानी (और रक्त) में कम प्रतिक्रियाशीलता और घुलनशीलता प्रदान करते हैं, ने स्कूबा डाइविंग और कैसॉन काम के लिए सांस लेने की रचनाओं में आवेदन पाया है।
इस तत्व की उम्र निर्धारित करने के लिए उल्कापिंडों और चट्टानों का विश्लेषण किया जाता है।