Главная · Прорезание зубов · Молекула гелия. Теплопроводность, плотность гелия и его свойства. Теплоемкость жидкого гелия в зависимости от температуры

Молекула гелия. Теплопроводность, плотность гелия и его свойства. Теплоемкость жидкого гелия в зависимости от температуры

Молекулы - устойчивые соединения атомов - образуются из-за того, что атомы способны «делиться» друг с другом электронами. Устойчивость молекул можно охарактеризовать энергией диссоциации (или энергией связи), то есть энергией, которую необходимо передать молекуле, чтобы разделить ее на две части (для двухатомных молекул - для того, чтобы разделить на два отдельных атома). Величина этой энергии зависит от устройства электронных оболочек атомов: грубо говоря, чем охотнее атомы делятся электронами, тем сильнее связь, а значит, тем больше энергия диссоциации. В подавляющем большинстве молекул связь достаточно сильная; ее энергия составляет единицы или десятые доли электронвольта. В пересчете на макроскопические количества это порядка сотни килоджоулей на моль вещества, а в температурных единицах это отвечает тысячам и десяткам тысяч градусов (впрочем, реальная диссоциация молекул начинается при гораздо более низких температурах). Еще одним следствием довольно сильной химической связи является компактный размер молекул: атомы в молекуле сидят друг рядом с другом на расстоянии порядка размера самого атома.

Легкий воздушный гелий позволяет летать воздушным шарам. Сначала обнаруженный в короне, окружающей солнце, а затем обнаруженный в газах, протекающих с горы Везувий, гелий является вторым по численности элементом во Вселенной. Второй элемент Периодической таблицы элементов - инертный, бесцветный и без запаха - но далеко не скучный. Гелий проявляется в полупроводниках, днях рождения и Большом адронном коллайдере. Из-за его чрезвычайно низкой плотности гелий плавает в воздухе. Низкая плотность также несет ответственность за странный «эффект» при вдыхании гелия.

Совершенно уникальным исключением из этой закономерности является димер гелия , молекула He 2 . Это неожиданно большая молекула - среднее расстояние между атомами гелия намного больше их размеров. Из-за этого димер гелия обладает исключительно маленькой энергией связи, около десятой доли микроэлектронвольта! Такая молекула разрушается не только при комнатной температуре, но и при температурах вплоть до милликельвинов. Можно с полным правом сказать, что это самая хрупкая молекула, известная на сегодняшний день.

Распространенность гелия в природе

Чем менее плотный газ, окружающий голосовые связки, тем быстрее они вибрируют, посылая звук голоса в небо. Читайте дальше, чтобы узнать больше об этом более легком, чем воздух, о его потрясающей истории открытия и о всех ее бесчисленных применениях сегодня.

Янссен не идентифицировал источник этой длины волны. Спустя два месяца английский астроном сэр Норман Локьер создал свой собственный спектроскоп в Лондоне и увидел ту же желтую линию. Работая с химиком Эдвардом Франкландом, Локьер пришел к выводу, что линия была отпечатком пальца неизвестного элемента. Ученые назвали этот тайный элемент «гелием» после Гелиоса, греческого бога солнца.

Из-за своей хрупкости молекула He 2 с трудом поддается экспериментальному изучению. Любой стандартный способ изучения молекул (посветить светом, облучить электронами, даже просто положить на поверхность) тут же ее разрушит. Всё, что вы можете делать, это получать сверххолодную струю гелия, в которой некоторая часть атомов гелия будет объединена в димеры, и регистрировать датчиком поток молекул He 2 (на самом деле, и это не так просто: димер гелия впервые зарегистрировали в 1993 году). Возникает нетривиальный вопрос: как в такой ситуации определить размер этой молекулы, то есть как измерить длину химической связи He–He, если молекула разваливается при малейшем возмущении?

Открытие гелия на Земле заняло больше времени. Таким образом, экономически не извлекать газ из воздуха. На праздновании новой газовой скважины в Декстере, штат Канзас, мэр попытался разжечь исчезающие газы, только чтобы обнаружить, что огонь погас. Большинство горожан были разочарованы, но любопытнее был государственный геолог штата Канзас Эразм Хауорт. У него был газ из хорошо собранного и обнаружили, что 12 процентов были сделаны из «инертного остатка». Дальнейшие эксперименты в течение следующих двух лет в Университете Канзаса показали газообразный гелий среди этого остатка.

Задача

Придумайте постановку эксперимента, который позволил бы определить размер молекулы димера гелия.


Подсказка

К настоящему времени придумано несколько способов измерить этот размер. Один из них - чисто геометрический, а второй использует простейшие квантовые свойства вещества. На всякий случай, поясним, что молекулу He 2 надо представлять себе не в виде привычной «гантельки», в которой два более-менее локализованных атома разделены большим расстоянием (рис. 2, слева), а в виде большого сферического облака, в котором размазаны два атома гелия (рис. 2, справа).

Поначалу никто не думал, что открытие гелия в природном газе имеет большое применение. Но во время Первой мировой войны военачальники и ученые стали настаивать на использовании гелия в мигрях. Сегодня гелий часто встречается в лабораториях, для которых требуются сверхчистые температуры для экспериментов, поскольку этот инертный газ можно охлаждать до температур около абсолютного нуля. По данным Американского физического общества, большая часть гелия в Соединенных Штатах используется в промышленности и в охлаждении магнитов в магнитно-резонансных томографах.


Решение

Простейший эксперимент по определению размеров молекулы He 2 заключается в том, чтобы пропускать холодную струю гелия через мелкое сито с известными размерами ячеек (рис. 3). Молекула димера гелия сможет беспрепятственно пролететь сквозь ячейку сита, только если ее центр масс попадет внутрь штрихового квадрата. В противном случае молекула «стукнется» о сито и от удара развалится на отдельные атомы. Измерив, насколько эффективный размер ячейки для He 2 отличается от реального геометрического размера (а это можно сделать, сравнив вероятности пролета для атомарного гелия и для его димера), можно определить размер молекулы.

Только около 3 процентов гелия, используемого в Соединенных Штатах каждый год, потребляется научными лабораториями. Жидкий гелий также охлаждает магниты в Большом адронном коллайдере, крупнейшем в мире ускорителе частиц, до -34 градуса по Фаренгейту. Соединенные Штаты производят около 75 процентов мирового гелия, а второй - Катара. Бюро земельного управления продает федеральные резервы гелия по дешевке, препятствуя разработке новых источников гелия. Законопроект не позволил федеральному правительству подрывая частных производителей, тем самым поощряя больше источников производства гелия в режиме онлайн.

Второй способ, который использует квантовые свойства вещества, заключается в изучении дифракции этих молекул на наноразмерной дифракционной решетке. Молекулы вещества, так же как и свет, обладают волновыми свойствами и поэтому способны испытывать дифракцию. Дифракция на решетке приводит к тому, что движение света (или частиц) отклоняется от прямолинейного на некоторые определенные углы - получаются дифракционные пики (см. рис. 4). Закон, по которому интенсивность этих пиков спадает с ростом угла, определяется эффективной шириной щели, которая для молекул димера гелия меньше реальной ширины. Эту зависимость тоже можно промерить и извлечь отсюда размер молекулы.

Федеральный резерв гелия, управляемый Бюро землеустройства США, находится недалеко от Амарилло, штат Техас. Когда эти альфа-частицы притягивают пару электронов, в результате получается атом гелия. По словам лаборатории Джефферсона, никто никогда не делал гелий в сочетании с другим элементом для создания соединения. Гелий помогает ученым преодолеть пределы своих знаний о физике и химии, благодаря своей удобной способности стать сверхтекучей жидкостью с относительной легкостью.

Инертный, но очень нужный

Сверхтекучие жидкости представляют собой жидкости, которые ведут себя так, как будто они не имеют вязкости или сопротивления течению. «Когда атомы объединяются в сверхтекучем состоянии, они внезапно ведут себя как один объект», - сказал Оливер Гесснер, старший научный сотрудник Научной лаборатории ультрабыстрого рентгеновского излучения Национальной лаборатории Лоренса Беркли, и один из ведущих исследователей на проект, который погрузился в сверхтекучий гелий и наблюдал какое-то очень странное поведение.


Послесловие

Размер молекулы димера гелия был в 1995 году. Эксперименты были выполнены по первой методике, причем в них использовался целый набор наноситечек с отверстиями от 98 до 410 нм. Измерения показали, что среднее расстояние между атомами гелия в димере составляет 62 ± 10 ангстрема. Это совершенно гигантская величина для атомной физики; напомним, что диаметр одного атома гелия - меньше 1 ангстрема!

Краткое описание химических свойств и плотность гелия

Гесснер и его коллеги стремились преодолевать пределы фундаментальной физики, проверяя поведение сверхтекучих потоков в условиях, никогда не изучавшихся ранее. Они обратились к гелию, потому что атомы этого элемента объединяются в сверхтекучее состояние при температурах, которые относительно легко генерировать, сказал Гесснер «Живая наука» - около 2 кельвинов или минус 456 градусов по Фаренгейту. Другие элементы будут замерзать при этих температурах, Гесснер сказал.

Примеры решения задач

Исследователи вылили жидкость в вакуумную камеру через сопло шириной всего 5 микрон, примерно такого же диаметра, что и эритроцит. Крошечные капли существуют всего за миллисекунды, когда они пролетают через камеру со скоростью около 655 футов в секунду, сказал Гесснер.

Вторая методика была экспериментально реализована в 2000 году и дала чуть меньшее и более точное значение 52 ± 4 ангстрема. Отметим, что этот способ является в каком-то смысле неразрушающим: даже столь хрупкие молекулы отклоняются от первоначального направления движения, не разваливаясь, за счет своих волновых свойств.

Невероятно, используя рентгеновский лазер с свободными электронами, ученые могут наблюдать за этими движущимися мишенями, сияя импульсами света на них в воздухе. Они обнаружили, что капли действительно ведут себя как сверхтекучие жидкости. На расстоянии капельки поведение выглядит почти банально, они слегка вращаются и слегка сжимаются, переходя от сферического к немного сплюснутым, так же, как может делать капелька обычной вращающейся жидкости. Но одновременно, Гесснер сказал, эти капли ведут себя согласно правила квантовой физики, которые касаются поведения наноразмерных объектов.

Здесь полезно еще раз взглянуть на рис. 2. Тот факт, что среднее расстояние между атомами гелия в димере составляет примерно 52 ангстрема, вовсе не означает, что атомы крутятся друг относительно друга именно на таком расстоянии. На самом деле, два атома размазаны в очень широком диапазоне расстояний: от нескольких до нескольких сотен (!) ангстрем. На рис. 5 показана теоретически рассчитанная волновая функция димера в зависимости от межатомного расстояния. Интересно отметить, что такое аномально широкое и несимметричное распределение приводит к тому, что среднее (то есть средне-взвешенное) межатомное расстояние совсем не совпадает с наиболее вероятным расстоянием (при котором волновая функция имеет максимум).

Сумма вращения этих бесконечно малых торнадо - это то, что приводит к вращению всех капель, сказал Гесснер. «В то же время, когда он ведет себя, как классическая жидкость, в микроскопическом масштабе, он демонстрирует явное квантовое поведение», - сказал он.

Гелий в природе

Гесснер сказал, что эти скорости вздутия важны для толкования понимания физики. Эквивалентом может быть строительство песочного замка на метр, или около трех футов в высоту, а затем тестирование, чтобы выяснить, можете ли вы использовать те же принципы проектирования, что и строительство сандалового замка на 100 километров или 62 мили, сказал Гесснер.


Настолько размазанная молекула - явление совершенно необычное для атомной физики, и потому экспериментаторы долго искали способ не только измерить среднее межатомное расстояние, но и прощупать сам профиль волновой функции. Это удалось сделать совсем недавно, в прошлом году , с помощью так называемого кулоновского взрыва молекулы. Когда молекула поглощает фотон, из нее быстро вылетает один или несколько электронов. В данном случае удавалось с помощью одного фотона выбить по одному электрону из каждого атома гелия. В результате от химической связи не оставалось и следа: два иона гелия начинали сильно отталкиваться друг от друга и разлетались в разные стороны. По углам и скоростям вылета электронов и ядер можно восстановить то, в каком состоянии находились ядра в момент ионизации.

Гелий во Вселенной

Гелийные сверхтекучие капли все еще содержат тайны, в том числе происхождение странной сетки вихрей. Теперь исследователи знают, что крошечный метод сопел работает для создания этих вращающихся капель, но не почему. «Один аспект, который мы вообще не затронули в последнем исследовании, - вот откуда эта завихренность, и как мы можем в конечном итоге ее контролировать?» - сказал Гесснер.

Последний твердый газ

В химии вес формулы представляет собой величину, рассчитанную путем умножения атомного веса каждого элемента в химической формуле на число атомов этого элемента, присутствующих в формуле, а затем добавление всех этих продуктов вместе. Вес формулы особенно полезен при определении относительных масс реагентов и продуктов в химической реакции. Эти относительные веса, вычисленные из химического уравнения, иногда называются весами уравнений.

Последняя любопытная вещь, которую тут стоит упомянуть, относится к изотопам гелия. Все описанные эксперименты проводились с гелием-4. Более легкий изотоп гелия, гелий-3, вообще не образует димеров. Химическая связь He–He в нём такая же, но квантовое дрожание атомов гелия-3 сильнее, и поэтому они не способны удержаться вместе. Для того чтобы удержать атомы гелия-3 в компактном кластере, требуется не два, не три, не четыре, а примерно 30 атомов. Только тогда их взаимное притяжение оказывается достаточно сильным, чтобы удерживать атомы вместе. Выражаясь поэтично, можно сказать, что гелий-3 - это вещество, которое начинается не с молекул, а с капелек.

Поиск молярной массы начинается с единиц граммов на моль. При расчете молекулярной массы химического соединения он сообщает нам, сколько граммов находится в одном моле этого вещества. Вес формулы - это просто вес атомных единиц массы всех атомов в данной формуле.

Атомная и молекулярная масса гелия

Обычным запросом на этом сайте является преобразование граммов в родинок. Чтобы завершить этот расчет, вы должны знать, какую субстанцию ​​вы пытаетесь преобразовать. Причина в том, что молярная масса вещества влияет на конверсию. Этот сайт объясняет, как найти молярную массу.

По физическим свойствам гелий наиболее близок к молекулярному водороду. Вследствие ничтожной поляризуемости атомов гелия у него самые низкие температуры кипения (-269 o С) и плавления (-271 o С при 2,5×10 6 Па).

Гелий по сравнению с другими элементами обладает наибольшей энергией ионизации атома (24,59 эВ). Особая устойчивость электронной структуры атома отличает гелий от остальных элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

Если формула, используемая при расчете молярной массы, является молекулярной формулой, рассчитанная масса формулы представляет собой молекулярную массу. Процентное содержание любого атома или группы атомов в соединении может быть вычислено путем деления общей массы атома в формуле на вес формулы и умножения на.

Мы используем наиболее распространенные изотопы. Вот как рассчитать молярную массу, основанную на изотропно взвешенных средних. Это не то же самое, что молекулярная масса, представляющая собой массу одной молекулы четко определенных изотопов. Для объемных стехиометрических расчетов мы обычно определяем молярную массу, которую можно также назвать стандартным атомным весом или средней атомной массой.

Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды, например, растворяется при 0 o С менее 10 мл гелия, т.е. в два с лишним раза меньше, чем молекул водорода (H 2), и в 51000 раз меньше, чем молекул хлороводорода (HCl).

После водорода гелий - самый легкий из всех газов. Он более чем в 7 раз легче воздуха.

Плотность гелия равна 0,178кг/м 3 . Важнейшие константы гелия представлены в таблице ниже:

Используя химическую формулу соединения и периодическую таблицу элементов, мы можем добавить атомные веса и вычислить молекулярную массу вещества. Закон идеального газа можно использовать для поиска любой недостающей переменной, когда присутствуют все остальные. Уравнение дает полезное общее описание физического поведения идеальных газов.

Целью всего эксперимента было найти молекулярную массу воздуха, используя закон идеального газа. Цель первой части заключалась в том, чтобы найти кажущуюся массу образца гелия с использованием баллона Майлара. Процедура лаборатории молекулярного веса воздуха была получена на веб-сайте курса студента.

Таблица 1. Физические свойства гелия.

Распространенность гелия в природе

Гелий относится к группе благородный газов. Он впервые был обнаружен на Солнце, а затем и на Земле. Спектральный анализ показывает присутствие гелия в атмосфере звезд и в метеоритах.

Краткое описание химических свойств и плотность гелия

Для инертных газов характерно полное или почти полное отсутствие химической активности. Так, в обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовывать молекулярные ионы He 2 + . В обычных условиях эти ионы неустойчивы; захватывая недостающий электрон, они распадаются на два нейтральных атома.

Таблица 1: Массы воздушных и заполненных гелием воздушных шаров. Таблица 3: Рассчитанное количество молей Хе. Чтобы определить молекулярную массу воздуха, эксперимент был проведен на две части: первый, чтобы определить кажущуюся массу как пустого Майларского баллона, так и заполненного гелием баллон Майлара, чтобы вычислить изменение массы. Массы записывались в таблицу. Не было ничего необычного в изменении массы.

Предполагалось, что группа увидит изменение массы между воздухом и гелием, от предварительного знания о том, что заполненный гелием воздушный шар «легче», чем воздушный баллон, который заставляет его подниматься. Полученная величина молекулярного веса воздуха была немного меньше, 0 г, чем принятое значение. Цель определения молекулярной массы воздуха в лаборатории была выполнена. Закон идеального газа предполагает, что задействованные молекулы газа - это те, которые не взаимодействуют и являются идеальными сферическими формами, которые просто отскакивают друг от друга.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Относительная плотность газа по водороду - 27. Массовая доля элемента водорода в нем - 18,5%, а элемента бора - 81,5%. Определите формулу газа.
Решение Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов водорода в молекуле через «х», число атомов бора через «у».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов водорода и бора (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(B) = 11; Ar(H) = 1.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y = ω(H)/Ar(H) : ω (B)/Ar(B);

x:y = 18,5/1: 81,5/11;

x:y = 18,5: 7,41 = 2,5: 1 = 5: 2.

Значит простейшая формула соединения водорода и бора имеет вид H 5 B 2 .

Значение молярной массы газа можно определить при помощи его плотности по водороду:

M gas = M(H 2) × D H2 (gas) ;

M gas = 2 × 27 = 54 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу соединения водорода и бора найдем отношение полученных молярных масс:

M gas / M(H 5 B 2) = 54 / 27 = 2.

M(H 5 B 2) = 5 ×Ar(H) + 2 × Ar(B) = 5 ×1 + 2 × 11 = 5 + 22 = 27 г/моль.

Это означает, что все индексы в формуле H 5 B 2 следует умножить на 2. Таким образом формула вещества будет иметь вид H 10 B 4 .
Ответ Формула газа - H 10 B 4 .

ПРИМЕР 2

Задание Вычислите относительную плотность по воздуху углекислого газа CO 2 .
Решение Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.

Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов.

D air (CO 2) = M r (CO 2) / M r (air);

D air (CO 2) = 44 / 29 = 1,52.

M r (CO 2) = A r (C) + 2 ×A r (O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44.
Ответ Относительная плотность по воздуху углекислого газа равна 1,52.