nauki ścisłe
Autor: Mirosław Dworniczak | dodano: 2020-09-25
Pożyteczny gaz

fot. Shutterstock

Najczęściej słyszymy, że hel to gaz do napełniania balonów efektownie unoszących się potem w powietrzu. Niektórzy dodają coś na temat śmiesznego głosu, który słychać, gdy ktoś chwilę nim pooddycha. I to w zasadzie tyle. Tymczasem hel to pierwiastek niezwykły i bardzo potrzebny.

Historia helu zaczęła się wiele miliardów lat temu, gdy formował się wszechświat. Był drugim po wodorze pierwiastkiem, który tworzył się w procesie pierwotnej nukleosyntezy. Większość atomów powstała w ciągu pierwszych 3 min po Wielkim Wybuchu. Hel stanowi ok. 24% masy wszechświata, ale jeśli weźmie się pod uwagę liczbę atomów, jest go tylko ok. 8%, podczas gdy wodór stanowi 92%. Jądra helu – znane też pod nazwą cząstek alfa – powstają w ramach cyklu protonowego, gdy z czterech protonów (jąder wodoru) powstaje niezwykle stabilne jądro 4He, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Do zainicjowania tej reakcji potrzebna jest niezwykle wysoka temperatura, rzędu milionów stopni Celsjusza. Gdybyśmy porównali masę czterech protonów z masą jądra helu, okazałoby się, że 0,7% masy „zniknęło”. Tak naprawdę zostaje ona przekształcona w energię zgodnie ze wzorem Einsteina E=mc2. Możemy więc powiedzieć, że właśnie dzięki temu procesowi możliwe jest istnienie życia na Ziemi.

Hel odkryto najpierw na Słońcu, a dopiero potem zaobserwowano go na Ziemi. W połowie XIX w. francuski astronom Jules Janssen znalazł w widmie słonecznym nieznaną wcześniej żółtą linię emisyjną, którą pierwotnie przypisano do sodu. Po dokładniejszych badaniach okazało się jednak, że pochodzi ona od niestwierdzonego do tej pory na Ziemi pierwiastka, co było wówczas wielkim zaskoczeniem. Nazwano go helem, od greckiej nazwy Słońca. Dopiero kilkadziesiąt lat później szkocki chemik William Ramsay wyizolował hel z kleweitu, rudy uranowej. Dziś wiemy, że hel jest wszechobecny. Jego śladowe ilości możemy znaleźć nawet we krwi, ale ze względu na jego obojętność chemiczną nie odgrywa on żadnej roli w metabolizmie.

Hel na Ziemi

Można uznać za swoisty paradoks, że chociaż w kosmosie istnieją gigantyczne ilości helu, na Ziemi należy on do dość rzadkich pierwiastków. W naszej atmosferze stanowi zaledwie 5,2 ppm (części na milion – objętościowo) i w dodatku ten wyjątkowo lekki gaz cały czas ulatuje z niej w przestrzeń kosmiczną. Na szczęście jego zawartość jest stale uzupełniana. Nowe jądra helu docierają do atmosfery razem z promieniowaniem kosmicznym, ale główne jego źródło stanowi naturalny rozpad promieniotwórczy ciężkich jąder atomowych takich jak uran i tor. Procesy te przebiegają w skorupie ziemskiej, a powstający hel, dyfundując powoli przez skały, trafia najczęściej w miejsca, gdzie gromadzi się gaz ziemny. Zwykle znajduje się go tam niewiele, poniżej 1%, ale zdarza się, że jego zawartość wynosi nawet 8%. I to właśnie gaz ziemny jest głównym źródłem przemysłowego helu i można powiedzieć, że hel stanowi najcenniejsze zanieczyszczenie tego surowca. Uważa się, że wydzielanie pierwiastka staje się opłacalne dopiero w sytuacji, gdy jego zawartość w gazie przekracza 0,3%.

W artykule piszemy też o tym, na czym polega metoda kriogeniczna otrzymywania helu. Dlaczego mamy dziwny głos, gdy pooddychamy helem. Kiedy hel sam wypełza z naczynia. Ten niezwykły pierwiastek przydaje się do ratowania wcześniaków, chorym na oskrzela, a także w Wielkim Zderzaczu Hadronów w ośrodku CERN, czyli największej maszynie świata, gdzie fizycy chcą potwierdzić lub obalić istnienie bozonu Higgsa. Dzięki helowi unoszą się sterowce. Jego zalety doceniają nurkowie. Czy pozwoli nam spełnić marzenia o czystej energii? Czy stworzymy na Księżycu kopalnie tego surowca, by sprowadzać go na Ziemię.

 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 09/2020 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
10/2020
09/2020
Kalendarium
Październik
24

W 1929 r. tzw. Czarny Czwartek - krach na giełdzie nowojorskiej - zapoczątkował wielki kryzys.
Warto przeczytać
Sztuczna inteligencja to kolejna publikacja wydana wz oksfordzkiej serii „Krótkie Wprowadzenie”, która w zwięzły i przystępny sposób prezentuje wybrane zagadnienia.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Mirosław Dworniczak | dodano: 2020-09-25
Pożyteczny gaz

fot. Shutterstock

Najczęściej słyszymy, że hel to gaz do napełniania balonów efektownie unoszących się potem w powietrzu. Niektórzy dodają coś na temat śmiesznego głosu, który słychać, gdy ktoś chwilę nim pooddycha. I to w zasadzie tyle. Tymczasem hel to pierwiastek niezwykły i bardzo potrzebny.

Historia helu zaczęła się wiele miliardów lat temu, gdy formował się wszechświat. Był drugim po wodorze pierwiastkiem, który tworzył się w procesie pierwotnej nukleosyntezy. Większość atomów powstała w ciągu pierwszych 3 min po Wielkim Wybuchu. Hel stanowi ok. 24% masy wszechświata, ale jeśli weźmie się pod uwagę liczbę atomów, jest go tylko ok. 8%, podczas gdy wodór stanowi 92%. Jądra helu – znane też pod nazwą cząstek alfa – powstają w ramach cyklu protonowego, gdy z czterech protonów (jąder wodoru) powstaje niezwykle stabilne jądro 4He, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Do zainicjowania tej reakcji potrzebna jest niezwykle wysoka temperatura, rzędu milionów stopni Celsjusza. Gdybyśmy porównali masę czterech protonów z masą jądra helu, okazałoby się, że 0,7% masy „zniknęło”. Tak naprawdę zostaje ona przekształcona w energię zgodnie ze wzorem Einsteina E=mc2. Możemy więc powiedzieć, że właśnie dzięki temu procesowi możliwe jest istnienie życia na Ziemi.

Hel odkryto najpierw na Słońcu, a dopiero potem zaobserwowano go na Ziemi. W połowie XIX w. francuski astronom Jules Janssen znalazł w widmie słonecznym nieznaną wcześniej żółtą linię emisyjną, którą pierwotnie przypisano do sodu. Po dokładniejszych badaniach okazało się jednak, że pochodzi ona od niestwierdzonego do tej pory na Ziemi pierwiastka, co było wówczas wielkim zaskoczeniem. Nazwano go helem, od greckiej nazwy Słońca. Dopiero kilkadziesiąt lat później szkocki chemik William Ramsay wyizolował hel z kleweitu, rudy uranowej. Dziś wiemy, że hel jest wszechobecny. Jego śladowe ilości możemy znaleźć nawet we krwi, ale ze względu na jego obojętność chemiczną nie odgrywa on żadnej roli w metabolizmie.

Hel na Ziemi

Można uznać za swoisty paradoks, że chociaż w kosmosie istnieją gigantyczne ilości helu, na Ziemi należy on do dość rzadkich pierwiastków. W naszej atmosferze stanowi zaledwie 5,2 ppm (części na milion – objętościowo) i w dodatku ten wyjątkowo lekki gaz cały czas ulatuje z niej w przestrzeń kosmiczną. Na szczęście jego zawartość jest stale uzupełniana. Nowe jądra helu docierają do atmosfery razem z promieniowaniem kosmicznym, ale główne jego źródło stanowi naturalny rozpad promieniotwórczy ciężkich jąder atomowych takich jak uran i tor. Procesy te przebiegają w skorupie ziemskiej, a powstający hel, dyfundując powoli przez skały, trafia najczęściej w miejsca, gdzie gromadzi się gaz ziemny. Zwykle znajduje się go tam niewiele, poniżej 1%, ale zdarza się, że jego zawartość wynosi nawet 8%. I to właśnie gaz ziemny jest głównym źródłem przemysłowego helu i można powiedzieć, że hel stanowi najcenniejsze zanieczyszczenie tego surowca. Uważa się, że wydzielanie pierwiastka staje się opłacalne dopiero w sytuacji, gdy jego zawartość w gazie przekracza 0,3%.

W artykule piszemy też o tym, na czym polega metoda kriogeniczna otrzymywania helu. Dlaczego mamy dziwny głos, gdy pooddychamy helem. Kiedy hel sam wypełza z naczynia. Ten niezwykły pierwiastek przydaje się do ratowania wcześniaków, chorym na oskrzela, a także w Wielkim Zderzaczu Hadronów w ośrodku CERN, czyli największej maszynie świata, gdzie fizycy chcą potwierdzić lub obalić istnienie bozonu Higgsa. Dzięki helowi unoszą się sterowce. Jego zalety doceniają nurkowie. Czy pozwoli nam spełnić marzenia o czystej energii? Czy stworzymy na Księżycu kopalnie tego surowca, by sprowadzać go na Ziemię.