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章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生

admin 2019-05-11 354人围观 ,发现0个评论

氦是周期表中仅有一个首要在地球之外被观测到的元素,人们在观测太阳光谱时发觉到了这种元素的踪影。但是,尽管众多的世界中蕴含着丰厚的氦资源,地球上的氦却少得不幸……


撰文 | 章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生李研

修改 | 金庄维

1903年,坐落堪萨斯州的德克斯特(Dexter)小镇探查到了储量丰厚的地下气体资源。当地人为此沉浸在欢喜中,咱们普遍以为这应是能够用作动力的天然气,而动力意味着财富和就业机会。人们兴奋地团聚在一起,围观气井的焚烧试气。一般,天然气中首要成分为甲烷,十分易燃。但是让世人大失人望的是,这儿采出的地下气体居然无法被点着。

气体样品随后被送去堪萨斯大学检测,科学家发现这儿的“天然气”含有一种不知道的慵懒成分。正所章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生谓“因祸得福,焉知非福”,其时的人们难以意料,此处蕴藏的 “回绝焚烧”的不知道气体,日后被证实是一种比天然气愈加宝贵的战略资源。

这种不知道气体便是稀有元素氦(Helium),它的原子序数为2 ,咱们能够很简单在元素周期表的右上角找到它。


(图片由“最美丽的化学元素周期表”网站策划者吴尔平供给)

太阳上的元素

看过“漂泊地球”的读者,或许还记得“氦闪”。它讲的便是当太阳中心的氢快消耗完时,所剩的氦中心将发作失控的核聚变反响,敏捷转化为碳的进程。


“漂泊地球”中所描绘的“氦闪”(图源:cdstm.cn)

氦是周期表中仅有一个首要在地球之外被观测到的元素。人们在观测太阳光谱时发觉到了这种元素的踪影。

1868 年,法国天文学家皮埃尔让森(Jules Janssen)在印度观测日食时,首要注意到一条波长为587.49 nm的不知道谱线。由于氦587.49 nm的谱线与钠黄光的589nm十分挨近,人们还误以为氦是与钠性质附近的一种金属。


氦在可见光区域的发射光谱(图源:wikipedia.org)

英国科学家诺曼洛克耶(Norman Lockyer),同年也在太阳光谱中发现了这条黄线。凭仗敏锐的洞察力,他估测这条谱线应来自太阳上的一种新的元素,并取名为“helium” (源自希腊语太阳“helios”),简称“He”。

众多的世界中蕴含着丰厚的氦资源,氦能够占到世界中总元素质量的四分之一。但是,地球上的氦却少得不幸,氦气(He)的体积分数只占地球大气的约0.0005%。直到1869年门捷列夫创建开端的元素周期表时,氦元素的方位仍是空缺的。

在地球上成功别离出氦元素,还要比及1895年。其时,苏格兰化学家威廉拉姆齐(William Ramsay)在用硫酸处理沥青铀矿时,发现了生成气体中有一条谱线和太阳光谱中的黄色谱线相吻合。所以,他把这份气体样品交给同在英国的洛克耶剖析。洛克耶终究承认这便是他从前在太阳光谱中发现的元素He。

从“副产品”到“战略资源”

接下来的故事,就回到文章最初说到的1905年在美国小镇的意外发现了。美国一些本来以为是天然气的气田中,发现了储量可观的氦气资源。这些氦气资源首要由含有放射性元素的矿石(例如钍和铀)的天然衰变发作,在地下密闭的空间里氦气无处逃逸,所以能够被富集到高达7%的浓度,具有挖掘价值。

合理科学家考虑这种天然气气田的副产品有什么特别用处时,第一次世界大战的迸发很快为氦气找到了的用武之地——运用其密度比空气小的特性为气艇供给浮力,用以侦办和轰炸敌方领地。更重要的是,比较另一种能够供给浮力的气体氢气,氦气因不易焚烧,保证了飞艇的安全性。至此,美国政府开端将其视为一种共同的战略资源加以储藏,乃至在1927公布了氦气操控法则,制止氦气出口。

美国的出口禁令,迫使德国人在气艇中运用简单获取却易燃易爆的氢气,这一挑选也终究酿成了1937年兴登堡号飞艇爆破的惨剧,并随之完毕了氢气作为飞艇填充气体的前史。


德国兴登堡号飞艇爆破(图源:wikipedia.org)

用处广泛,无可代替

现在,氦气的运用现已远不止一种供给浮力的气体。液氦因其沸点挨近绝对零度(-268.9℃),成为核磁共振仪器中保持磁体超导状况的必备,它在低温操控范畴现已成为占比最大的运用(~30%)。

其他一些运用还包含:深潜员带着的气瓶中混有恰当份额的氦气以避免“减压病”和“氧中毒”的发作(因其在血液中溶解度很低);氦气常作为示踪气体用于高精度的容器检漏(因其分散速度快和简单检出的特色);氦气也能够供给慵懒气氛,这其间包含填充在毛主席水晶棺中的维护气体(因其化学性质十分安稳)。


2017年美国A级氦气(纯度99.995%)的用处剖析:核磁共振成像(MRI)—30%,供给浮力—17%,实验室剖析—14%,焊接—9%,工程及科学运用—6%,气体检漏—5%,半导体制作—5%,其他—14%。

上述说到的运用,还仅是关于地球上常见的氦同位素:氦-4(4He)。氦元素宗族还有一种安稳的同位素,被称为氦-3(3He), 由两个质子和一个中子组成。理论上,3He发作核聚变反响时,只发作没有放射性的质子,不会构成核辐射损害环境,可谓完美的绿色动力。只可惜地球上3He的储量十分少,搜集和运用的难度极高。


氦-4和 氦-3的原子结构(图源:wi丰太阳穴邱立东在线咨询kipedia.org)

会从地球上“消失”的元素

伴跟着氦元素用处被越来越多地开发,氦气资源也越发呈现求过于供的局势。在“那些濒危元素”的开篇,标题中呈现了一个不恰当用词——“元素消失”。不少读者的谈论指出,元素不会“消失”,仅仅矿产资源干涸。但是氦元素却是个破例。氦原子由于其化学慵懒,一般只以单原子氦气的方法存在【注1】;又由于相对分子质量很小,十分简单从地表逃脱引力捆绑而丢失到太空,所以氦元素成为一种正从地球上逐步“消失”的不行再生资源。

由于氦气在空气中含量极微,所以人类不得不在地下寻觅它。现在运用的氦气首要来自油气钻探进程中发作的副产品。提取氦气首要运用了氦气难液化的特性,靠紧缩使其他气体都凝成液体,剩余的便是比较纯洁的氦气了。这一进程需求消耗许多能量,本钱昂扬,所以氦气含量假如太少就因小失大了。

别的,构成美国堪萨斯州那样富含氦气的气田需求严苛的地质条件。首要,气田周围要伴生铀或钍的矿石,这些元素的衰变是氦气的来历。更重要的是,气田顶部有必要有坚实不透气的岩石,才或许让氦气留存不丢失。契合这些地质条件的气田在地球上并不多见。

尽管美国长时刻将氦气视为战略资源,前期乃至一度制止氦气的出口,但时至今日,美国仍是世界上氦气的首要生产国和出口国。我国是贫氦国家,现在绝大部分氦气依靠进口。

跟着飞机技能的老练和快速开展,飞艇现已失章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生去了作为交通工具的价值。80年代后,美国国家氦气储藏公司决议在市场上逐步出售那些为缔造飞艇预备的氦气,以归还最初建厂时花费的本钱。这导致氦气的价格一度没有充分反映其稀缺程度。

人们从前以一种十分不严厉的方法许多糟蹋氦气资源——在派对和典礼中开释许多氦气填充的升空气球。这些气球一旦升空章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生,就意味着里边的氦元素永久离开了地球。


一些正在升空的心形氦气填充气球(图源:pixabay.com)

已故诺贝尔物理学奖得主罗伯特理查森(Robert Richardson)在2010年就曾对此提出正告,他以为一个派对上用的升空气球就值100美元,并且氦气一旦竭尽,现在几乎没有代替品。

地球有47亿年的前史,它用了这么长的时刻来累积咱们的氦储藏。而咱们能在大约100年内将其耗尽。一代人没有权利决议今后数代人的可获取量。罗伯特理查森


过低的氦气价格也冲击了生产商的积极性,许多石油公司不肯意在挖掘天然气的一起添加搜集氦气的设备。别的,伴跟着氦气消耗量的日益添加,美国氦储藏逐步消耗殆尽,咱们就不难理解近来氦气价格的逐年猛涨。


美国氦气储存量(虚线)和氦气价格(实线)的比照图(图源:参考资料[3])

放眼星空,展望未来

面临氦资源的紧缺,人们正在节省和开源两方面做出尽力。

尽管现在氦气填充气球仍然有售卖,但在典礼上大规模开释氦气球的场景现在现已稀有。

在核磁共振设备中心,从前的一些消耗液氦量大的仪器正逐步被筛选,现在的核磁共振仪许多具有杰出的密闭性,以避免液氦蒸腾,然后大大减少了液氦的需求量。科学家也在研讨临界温度更高的超导体,以期未来液氦不再是超导范畴仅有可挑选的冷却方法。

与此一起,人们也在寻觅更多的氦气来历。除了美国章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生,近年来富含氦气的气田在阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯等国也有少数发现。

在地球上,氦是一种不行再生稀缺资源,但假如咱们放眼地球之外,便会发现每分钟都有天文数字的氦在生成。其间,太阳便是一个巨大的氦工厂,废寝忘食地把氦喷射到太空中。

在太阳风常常“光临”的月球外表,也有许多富含3He的土质。我国探月工程的一项重要方案,便是对月球3He含量和散布进行由空间到实地的具体勘测,而2009年放映的科幻电影《Moon》现已展示了未来克隆人在月球上挖掘氦资源的场景。


电影《Moon》海报(图源:atomicboysoftware.com)

伴跟着宇航技能的日益老练,信任终有一天,世界中其他星球会成为人类可运用资源的一部分。比及那时,氦元素缺少的问题将会成为前史。不过在此之前,咱们仍是有必要善待氦气,爱惜氦资源。


【注1】:2017年2月6日,我国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在高压条件下组成氦钠化合物——Na2He(Nature Chemistry 2017,9, 440),完毕了氦元素无化合物的前史。

征稿启事

2019年是元素周期表(Periodic Table of Elements)创建150周年,也是世界朴实化学和运用化学联合会(IUPAC)建立100周年,联合国宣告将本年定为“化学元素周期表世界年”(www.iypt2019.org)。

《天然》、《科学》和《欧洲化学》等多本学术期刊都不谋而合的推出了与之相关的专辑,介绍周期表和元素的故事。“赛先生”也方案推出一系列有关濒危元素的文章。假如你了解这些濒危元素的故事,或许你正好在和某些濒危元素打交道,欢迎投稿与咱们共享,优秀作品将在“赛先生”微信号注销〜

投稿请联络:

saixiansheng@zhishifenzi.com

参考资料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Helium

[2]https://zh.wikipedia.org/wiki/氦-3

[3] Eugene Grynia and Peter J. Griffin, H章鱼钱包app下载安装-来自太阳的稀有元素 | 赛先生elium in Natural Gas - Occurrence and Production, J. Natural Gas Eng., 2016,1,163.

[4] Helium should be recycled, Nature, 2017, 6, 547.

[5] A Look At Rising Helium Prices:http://www.weldingandgasestoday.org/index.php/2012/04/a-look-at-rising-helium-prices/

[6] 全球氦气储藏25年内耗尽 价格太低糟蹋严峻:http://news.sohu.com/20100825/n274465148.shtml


文章头图及封面图片来历:Pslawinski/commons.wikimedia.org

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