Historien om oppdagelsen av det kjemiske elementet helium er kort. Heliumgass. Egenskaper, produksjon, bruk og pris på helium. Heliums fysiske egenskaper

Kan kobles med hverandre peptid St. (det dannes et polymermolekyl).

Peptidbinding - mellom α-karboksylgruppen til en aminosyre. Ogα-aminogr.andre amino..

Når du navngir, legg til suffikset "-il", den siste er amino. ikke redigert dets navn.

(alanyl-seryl-tryptofan)

Egenskaper til en peptidbinding

1. Transponering av aminosyreradikaler ift C-N tilkobling

2. Koplanaritet - alle atomer inkludert i peptidgruppen er i samme plan, med "H" og "O" plassert på motsatte sider av peptidbindingen.

3. Tilstedeværelse av ketoform (o-c=n) og enol (o=s-t-n) form

4. Evne til å danne to hydrogenbindinger med andre peptider

5. Peptidbindingen har delvis karakter av en dobbeltbinding, lengden er mindre enn en enkeltbinding, den er en stiv struktur, og rotasjon rundt den er vanskelig.

For påvisning av proteiner og peptider - biuretreaksjon (fra blått til fiolett)

4) FUNKSJONER TIL PROTEINER:

Strukturelle proteiner (kollagen, keratin),

Enzymatisk (pepsin, amylase),

Transport (transferrin, albumin, hemoglobin),

Mat (eggehviter, frokostblandinger),

Kontraktilt og motorisk (aktin, myosin, tubulin),

Beskyttende (immunoglobuliner, trombin, fibrinogen),

Regulerende (somatotropt hormon, adrenokortikotropt hormon, insulin).

NIVÅER AV PROTEIN STRUKTUR ORGANISASJON

Protein er en sekvens av aminosyrer knyttet til hverandre peptidbindinger.

Peptidet er amino. ikke mer enn 10

Polypeptid - fra 10 til

Protein - mer enn 40 aminosyrer.

PRIMÆR STRUKTUR -lineært proteinmolekyl, bilde. når du kombinerer aminosyrer. inn i kjeden.

protein polymorfisme- kan gå i arv og forbli i befolkningen

Sekvensen og forholdet mellom aminosyrer i primærstrukturen bestemmer dannelsen av sekundære, tertiære og kvaternære strukturer.

SEKUNDÆR STRUKTUR- interaksjon pept. grupper med arr. hydrogen forbindelser. Det er 2 typer strukturer - legging i form av et tau og en gryte.

To alternativer for sekundære strukturer: α-helix (α-struktur eller parallell) og β-foldet lag (β-struktur eller antiparallell).

Som regel er begge strukturer til stede i ett protein, men i forskjellige proporsjoner.

I globulære proteiner dominerer α-helixen, i fibrillære proteiner dominerer β-strukturen.

Den sekundære strukturen dannes bare med deltakelse av hydrogenbindinger mellom peptidgrupper: oksygenatomet til en gruppe reagerer med hydrogenatomet til den andre, samtidig binder oksygenet til den andre peptidgruppen seg med hydrogenet til den tredje, etc.

Aminosyrer i en polypeptidkjede er knyttet sammen med en amidbinding, som dannes mellom α-karboksylgruppen til en aminosyre og α-aminogruppen til den neste aminosyren (fig. 1). Dannes mellom aminosyrer kovalent binding fikk navnet peptidbinding. Oksygen- og hydrogenatomene i peptidgruppen inntar en transposisjon.

Ris. 1. Skjema for dannelse av peptidbindinger.I hvert protein eller peptid kan man skille mellom: N-terminal protein eller peptid som har en fri a-aminogruppe (-NH2);

C-endesom har en fri karboksylgruppe (-COOH);

Peptid ryggradproteiner som består av repeterende fragmenter: -NH-CH-CO-; Aminosyreradikaler(sidekjeder) (R 1 Og R 2)- variable grupper.

Den forkortede notasjonen av en polypeptidkjede, så vel som proteinsyntese i celler, begynner nødvendigvis med N-terminalen og slutter med C-terminalen:

Navnene på aminosyrene som er inkludert i peptidet og som danner peptidbindingen har endelsene -il. For eksempel kalles tripeptidet ovenfor treonyl-histidyl-prolin.

Den eneste variable delen som skiller ett protein fra alle andre er kombinasjonen av radikaler (sidekjeder) av aminosyrer inkludert i det. Således bestemmes de individuelle egenskapene og funksjonene til et protein av strukturen og rekkefølgen for veksling av aminosyrer i polypeptidkjeden.

Polypeptidkjeder av forskjellige proteiner i kroppen kan omfatte fra flere aminosyrer til hundrevis og tusenvis av aminosyrerester. Deres molekylmasse(molvekt) varierer også mye. Dermed består hormonet vasopressin av 9 aminosyrer, sier de. masse 1070 kDa; insulin - fra 51 aminosyrer (i 2 kjeder), mol. masse 5733 kDa; lysozym - av 129 aminosyrer (1 kjede), mol. masse 13.930 kDa; hemoglobin - av 574 aminosyrer (4 kjeder), mol. masse 64.500 kDa; kollagen (tropocollagen) - ca. 1000 aminosyrer (3 kjeder), mol. masse ~130 000 kD.

Egenskapene og funksjonen til et protein avhenger av strukturen og rekkefølgen for veksling av aminosyrer i kjeden, kan endre aminosyresammensetningen i stor grad. Dermed er 2 hormoner i hypofysens bakre lapp - oksytocin og vasopressin - nanopeptider og skiller seg i 2 aminosyrer av 9 (i posisjon 3 og 8):

Den viktigste biologiske effekten av oksytocin er å stimulere sammentrekning av glatt muskulatur i livmoren under fødsel, og vasopressin forårsaker reabsorpsjon av vann i nyretubuli (antidiuretisk hormon) og har vasokonstriktoregenskaper. Til tross for den store strukturelle likheten er således den fysiologiske aktiviteten til disse peptidene og målvevet de virker på, forskjellig, dvs. substitusjon av bare 2 av 9 aminosyrer forårsaker en betydelig endring i funksjonen til peptidet.

Noen ganger forårsaker en veldig liten endring i strukturen til et stort protein undertrykkelse av dets aktivitet. Enzymet alkoholdehydrogenase, som bryter ned etanol i den menneskelige leveren, består således av 500 aminosyrer (i 4 kjeder). Aktiviteten blant innbyggere i den asiatiske regionen (Japan, Kina, etc.) er mye lavere enn blant innbyggere i Europa. Dette skyldes det faktum at i polypeptidkjeden til enzymet erstattes glutaminsyre med lysin i posisjon 487.

Samspillet mellom aminosyreradikaler spiller veldig viktig for å stabilisere den romlige strukturen til proteiner, kan 4 typer skilles kjemiske bindinger: hydrofob, hydrogen, ionisk, disulfid.

Hydrofobe bindinger oppstår mellom ikke-polare hydrofobe radikaler (fig. 2). De spiller en ledende rolle i dannelsen av den tertiære strukturen til proteinmolekylet.

Ris. 2. Hydrofobe interaksjoner mellom radikaler

Hydrogenbindinger- dannes mellom polare (hydrofile) uladede radikalgrupper med et mobilt hydrogenatom og grupper med et elektronegativt atom (-O eller -N-) (fig. 3).

Ionebindinger dannes mellom polare (hydrofile) ionogene radikaler som har motsatt ladede grupper (fig. 4).

Ris. 3. Hydrogenbindinger mellom aminosyreradikaler

Ris. 4. Ionebinding mellom lysin og asparaginsyreradikaler (A) og eksempler på ioniske interaksjoner (B)

Disulfidbinding- kovalent, dannet av to sulfhydryl (tiol) grupper av cysteinradikaler lokalisert på forskjellige steder i polypeptidkjeden (fig. 5). Finnes i proteiner som insulin, insulinreseptor, immunglobuliner, etc.

Disulfidbindinger stabiliserer den romlige strukturen til én polypeptidkjede eller binder to kjeder sammen (for eksempel kjeder A og B av hormonet insulin) (fig. 6).

Ris. 5. Dannelse av disulfidbinding.

Ris. 6. Disulfidbindinger i insulinmolekylet. Disulfidbindinger: mellom cysteinrester av samme kjede EN(a), mellom kjeder EN Og I(b). Tallene indikerer plasseringen av aminosyrer i polypeptidkjeder.

Proteiner, deres innhold i levende stoffer og molekylvekt

Proteiner, deres struktur og egenskaper

Av de organiske stoffene i levende stoffer, proteiner eller proteiner (fra gresk. protoss– hoved, primær). Organismer som for tiden lever på jorden inneholder rundt 1 billion tonn proteiner. Av massen til for eksempel en dyrecelle utgjør proteiner 10–18 %, d.v.s. halvparten av tørrvekten til cellen.

Hver celle inneholder minst flere tusen proteinmolekyler.

Proteiner er polymerer med høy molekylvekt (makromolekyler) med en molekylvekt fra 6 tusen til 1 million og over. Sammenlignet med alkoholmolekyler eller organiske syrer ekornene ser rett og slett kjempestore ut. Dermed er molekylvekten til insulin 5700, eggalbumin er 36 000, myosin er 500 000.

Proteiner inneholder atomene C, H, O, N, S, P, og noen ganger Fe, Cu og Zn. Å finne ut kjemisk struktur proteinkunnskap om deres elementære sammensetning er ikke nok. For eksempel sier den empiriske formelen for hemoglobin - C 3032 H 4816 O 872 S 8 Fe 4 - ikke noe om arten av arrangementet av atomer i molekylet. Det er nødvendig å bli kjent med de strukturelle egenskapene til proteinmolekyler mer detaljert.

2. Proteiner er ikke-periodiske polymerer. Struktur og egenskaper til aminosyrer

På sin måte kjemisk natur proteiner er ikke-periodiske polymerer. Monomerene til proteinmolekyler er aminosyrer. Generelt kan en aminosyre kalles enhver forbindelse som inneholder både en aminogruppe (–NH 2) og en gruppe organiske syrer – en karboksylgruppe (–COOH). Antallet mulige aminosyrer er svært stort, men proteiner danner bare 20 såkalte gylne, eller standard, aminosyrer (8 av dem er essensielle, fordi de ikke syntetiseres i dyr og mennesker). Det er kombinasjonen av disse 20 aminosyrene som gir all mangfoldet av proteiner. Etter at et proteinmolekyl er satt sammen, kan noen aminosyrerester i sammensetningen gjennomgå kjemiske endringer, slik at det i "modne" proteiner kan finnes opptil 30 forskjellige aminosyrerester (men alle proteiner er i utgangspunktet bygget opp fra bare 20 uansett!).

Cellen inneholder frie aminosyrer som utgjør aminosyrepoolen, på grunn av hvilke syntesen av nye proteiner skjer. Dette fondet fylles på med aminosyrer som stadig kommer inn i cellen på grunn av nedbrytning av matproteiner av fordøyelsesenzymer eller nedbrytning av egne reserveproteiner. Avhengig av aminosyresammensetningen kan proteiner være komplette, inneholde hele settet med aminosyrer, og ufullstendige, som mangler noen aminosyrer.

Den generelle formelen for aminosyrer er vist i figuren. På venstre side av formelen er aminogruppen –NH 2 og på toppen er karboksylgruppen –COOH. –NH 2-gruppen har grunnleggende egenskaper, –COOH-gruppen – syreegenskaper. Således er aminosyrer amfotere forbindelser som kombinerer egenskapene til en syre og en base.

Aminosyrer kjennetegnes ved deres radikaler (R), som kan være en rekke forbindelser. Dette resulterer i en lang rekke aminosyrer.

De amfotere egenskapene til aminosyrer bestemmer deres evne til å samhandle med hverandre. To aminosyrer kombineres gjennom en kondensasjonsreaksjon til ett molekyl ved å etablere en binding mellom karbonet av det sure og nitrogenet i de basiske gruppene, og frigjøre et vannmolekyl.

Forbindelsen vist til venstre kalles peptid(fra gresk Pepsis– fordøyelsen). Dette begrepet minner oss om at denne bindingen hydrolyseres av fordøyelsesenzymet til magesaft pepsin. Av naturen peptidbinding er kovalent.

En kombinasjon av to aminosyrer kalles et dipeptid, tre - et tripeptid, etc. Et eksempel på et tripeptid er et protein glutation, bestående av glycin, cystein og glutaminsyrerester. Det finnes i alle levende celler (spesielt mye av det i kimen til hvetekorn og gjær) og er aktivt involvert i metabolismen.

Glutation

I utgangspunktet inkluderer proteiner som utgjør levende organismer hundrevis og tusenvis av aminosyrer (oftest fra 100 til 300), og det er derfor de kalles polypeptider. Aminosyrer i en proteinpolypeptidkjede kalles aminosyrerester.

Peptider varierer i antall ( n), arten, rekkefølgen eller sekvensen til dets aminosyrerester. De kan sammenlignes med ord av forskjellig lengde, som er skrevet ved hjelp av et alfabet bestående av 20 bokstaver. Fra 20 aminosyrer kan man teoretisk få 1020 mulige kjedevarianter, hver med en lengde på minst 10 aminosyrerester. Proteiner, isolert fra levende organismer, dannes av hundrevis og noen ganger tusenvis av aminosyrerester. Dette er kilden til den uendelige variasjonen av proteinmolekyler, som er en viktig forutsetning for den evolusjonære prosessen.

Helium er en virkelig edelgass. Det har foreløpig ikke vært mulig å tvinge ham til noen reaksjon. Heliummolekylet er monoatomisk.

Når det gjelder letthet, er denne gassen bare nest etter hydrogen;

Helium er nesten uløselig i vann og andre væsker. Og på samme måte løses ikke et eneste stoff merkbart i flytende helium.

Fast helium kan ikke oppnås ved noen temperatur med mindre trykket økes.

I historien til oppdagelsen, forskningen og anvendelsen av dette elementet, kan navnene på mange fremtredende fysikere og kjemikere bli funnet. forskjellige land. De var interessert i helium og jobbet med helium: Jansen (Frankrike), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (England), Palmieri (Italia), Keesom, Kamerlingh-Onnes (Holland), Feynman, Onsager (USA), Kapitsa, Kikoin , Landau ( Sovjetunionen) og mange andre fremtredende forskere.

Det unike utseendet til heliumatomet bestemmes av kombinasjonen av to fantastiske naturlige strukturer - absolutte mestere i kompakthet og styrke. I kjernen av helium, helium-4, er begge de intranukleære skallene mettet - både proton og nøytron. Den elektroniske dubletten som rammer inn denne kjernen er også mettet. Disse designene har nøkkelen til å forstå egenskapene til helium. Dette er kilden til dens fenomenale kjemiske treghet og rekordliten størrelse på atomet.

Rollen til heliumatomets kjerne - alfapartikkelen - er enorm i dannelses- og utviklingshistorien kjernefysikk. Hvis du husker, var det studiet av alfapartikkelspredning som førte Rutherford til oppdagelsen av atomkjernen. Ved å bombardere nitrogen med alfapartikler, ble gjensidig omdannelse av grunnstoffer oppnådd for første gang – noe mange generasjoner alkymister hadde drømt om i århundrer. Riktignok var det i denne reaksjonen ikke kvikksølv som ble til gull, men nitrogen til oksygen, men dette er nesten like vanskelig å gjøre. De samme alfa-partiklene var involvert i oppdagelsen av nøytronet og produksjonen av den første kunstige isotopen. Senere ble curium, berkelium, californium og mendelevium syntetisert ved bruk av alfapartikler.

Vi har listet opp disse fakta kun for ett formål – for å vise at element nr. 2 er et svært uvanlig element.

Terrestrisk helium

Helium er et uvanlig grunnstoff, og historien er uvanlig. Den ble oppdaget i solatmosfæren 13 år tidligere enn på jorden. Mer presist ble en knallgul D-linje oppdaget i solkoronaens spekter, og hva som var skjult bak den ble pålitelig kjent først etter at helium ble utvunnet fra jordiske mineraler som inneholder radioaktive elementer.

Helium i solen ble oppdaget av franskmannen J. Jansen, som utførte sine observasjoner i India 19. august 1868, og engelskmannen J.H. Lockyer - 20. oktober samme år. Brev fra begge forskerne ankom Paris samme dag og ble lest på et møte i Paris Academy of Sciences 26. oktober, med et intervall på flere minutter. Akademikere, så overrasket merkelig tilfeldighet, vedtok en resolusjon om å slå ut en gullmedalje til ære for denne begivenheten.

I 1881 rapporterte den italienske forskeren Palmieri om oppdagelsen av helium i vulkanske gasser. Imidlertid ble budskapet hans, senere bekreftet, tatt på alvor av få forskere. Terrestrisk helium ble oppdaget igjen av Ramsay i 1895.

I jordskorpen Det er 29 isotoper, hvis radioaktive forfall produserer alfapartikler - høyaktive høyenergikjerner av heliumatomer.

I utgangspunktet dannes terrestrisk helium under radioaktivt forfall av uran-238, uran-235, thorium og ustabile produkter av deres forfall. Usammenlignelig mindre mengder helium produseres ved sakte nedbrytning av samarium-147 og vismut. Alle disse elementene genererer bare den tunge isotopen av helium - 4 He, hvis atomer kan betraktes som restene av alfapartikler begravd i et skall av to sammenkoblede elektroner - i en elektrondublett. I tidlige geologiske perioder var det sannsynligvis andre naturlig radioaktive serier av elementer som allerede hadde forsvunnet fra jordens overflate, og mettet planeten med helium. En av dem var den nå kunstig gjenskapte neptunium-serien.

I henhold til mengden helium som er innelåst stein eller mineral, kan man bedømme deres absolutte alder. Disse målingene er basert på lovene radioaktivt forfall: Så halvparten av uran-238 blir til helium og bly om 4,52 milliarder år.

Helium akkumuleres sakte i jordskorpen. Ett tonn granitt som inneholder 2 g uran og 10 g thorium produserer bare 0,09 mg helium over en million år – en halv kubikkcentimeter. De svært få uran- og thoriumrike mineralene har ganske høyt heliuminnhold – flere kubikkcentimeter helium per gram. Imidlertid er andelen av disse mineralene i naturlig heliumproduksjon nær null, siden de er svært sjeldne.

Naturlige forbindelser som inneholder alfa-aktive isotoper er kun en primær kilde, men ikke et råmateriale for industriell produksjon av helium. Riktignok beholder noen mineraler med en tett struktur - innfødte metaller, magnetitt, granat, apatitt, zirkon og andre - heliumet som finnes i dem. Men over tid gjennomgår de fleste mineraler prosesser med forvitring, rekrystallisering, etc., og helium forlater dem.

Heliumbobler frigjort fra krystallinske strukturer legger ut på en reise over jordskorpen. En svært liten del av dem løses opp i grunnvann. For å danne mer eller mindre konsentrerte heliumløsninger trengs spesielle forhold, først og fremst høye trykk. En annen del av det vandrende heliumet slipper ut i atmosfæren gjennom porene og sprekker av mineraler. De gjenværende gassmolekylene faller i underjordiske feller, hvor de akkumuleres i flere titalls eller hundrevis av millioner år. Fellene er lag med løse steiner, hvis hulrom er fylt med gass. Sengen for slike gassreservoarer er vanligvis vann og olje, og på toppen er de dekket av gass-ugjennomtrengelige lag av tette bergarter.

Siden andre gasser (hovedsakelig metan, nitrogen, karbondioksid) også beveger seg i jordskorpen, og i mye større mengder, eksisterer ikke rene heliumansamlinger. Helium er tilstede i naturgasser som en mindre urenhet. Innholdet overstiger ikke tusendeler, hundredeler og sjelden tideler av en prosent. Stort (1,5...10%) heliuminnhold i metan-nitrogenforekomster er et ekstremt sjeldent fenomen.

Naturgasser viste seg å være praktisk talt den eneste kilden til råvarer for industriell produksjon av helium. For å skille det fra andre gasser, brukes den eksepsjonelle flyktigheten til helium, assosiert med dens lave flytende temperatur. Etter at alle andre komponenter i naturgassen har kondensert under dypkjøling, pumpes heliumgassen ut. Den blir deretter renset for urenheter. Renheten til fabrikkhelium når 99,995%.

Heliumreserver på jorden er estimert til 5·10 14 m 3 ; etter beregninger å dømme, ble titalls ganger mer av det dannet i jordskorpen over 2 milliarder år. Denne diskrepansen mellom teori og praksis er ganske forståelig. Helium er en lett gass og slipper, i likhet med hydrogen (om enn tregere), ikke ut fra atmosfæren til verdensrommet. Sannsynligvis, under jordens eksistens, ble heliumet til planeten vår gjentatte ganger fornyet - den gamle fordampet ut i verdensrommet, og i stedet for den kom friskt helium inn i atmosfæren - "utåndet" av jorden.

Det er minst 200 tusen ganger mer helium i litosfæren enn i atmosfæren; enda mer potensielt helium er lagret i jordens "livmor" - i alfa aktive elementer. Men det totale innholdet av dette elementet i jorden og atmosfæren er lite. Helium er en sjelden og diffus gass. Det er bare 0,003 mg helium per 1 kg jordisk materiale, og innholdet i luften er 0,00052 volumprosent. En så lav konsentrasjon tillater ennå ikke økonomisk utvinning av helium fra luften.

Helium i universet

Det indre og atmosfæren på planeten vår er fattig på helium. Men dette betyr ikke at det er lite av det overalt i universet. I følge moderne estimater er 76 % av den kosmiske massen hydrogen og 23 % helium; bare 1 % gjenstår for alle andre elementer! Dermed kan verdens materie kalles hydrogen-helium. Disse to elementene dominerer stjerner, planetariske tåker og interstellar gass.

Ris. 1. Elementoverflodskurver på jorden (øverst) og i verdensrommet.
Den "kosmiske" kurven gjenspeiler den eksepsjonelle rollen til hydrogen og helium i universet og den spesielle betydningen av heliumgruppen i strukturen til atomkjernen. Den største relative overfloden er de elementene og de isotopene hvis massetall er delt inn i fire: 16 O, 20 Ne, 24 Mg, etc.

Sannsynligvis alle planetene solsystemet inneholder radiogent (dannet under alfa-forfall) helium, og store inneholder også relikt helium fra verdensrommet. Helium er rikelig tilstede i Jupiters atmosfære: ifølge noen data er det 33%, ifølge andre - 17%. Denne oppdagelsen dannet grunnlaget for handlingen til en av historiene til den berømte vitenskapsmannen og science fiction-forfatteren A. Azimov. I sentrum av historien er en plan (muligens mulig i fremtiden) for levering av helium fra Jupiter, og til og med levering av en armada av kybernetiske maskiner på kryotroner til den nærmeste satellitten på denne planeten - Jupiter V (mer om dem under). Nedsenket i det flytende heliumet i Jupiters atmosfære (ultralave temperaturer og superledning er nødvendige betingelser for driften av kryotroner), vil disse maskinene gjøre Jupiter V om til hjernesenteret i solsystemet ...

Opprinnelsen til stjernehelium ble forklart i 1938 av de tyske fysikerne Bethe og Weizsäcker. Senere fikk teorien deres eksperimentell bekreftelse og forfining ved hjelp av akseleratorer elementære partikler. Dens essens er som følger.

Heliumkjerner smeltes sammen ved stjernetemperaturer fra protoner i fusjonsprosesser som frigjør 175 millioner kilowattimer med energi for hvert kilo helium.

Ulike reaksjonssykluser kan føre til heliumsyntese.

Under forhold med ikke veldig varme stjerner, som vår sol, dominerer proton-proton-syklusen tilsynelatende. Den består av tre suksessivt skiftende transformasjoner. Først kombineres to protoner med enorme hastigheter for å danne et deuteron – en struktur laget av et proton og et nøytron; i dette tilfellet er positron og nøytrino separert. Deretter kombineres deuteronet og protonet for å danne lett helium med utslipp av et gammakvante. Til slutt reagerer to 3 He-kjerner og forvandles til en alfapartikkel og to protoner. En alfapartikkel, som har tilegnet seg to elektroner, vil da bli et heliumatom.

Det samme sluttresultatet er gitt av en raskere karbon-nitrogen-syklus, hvis betydning under solforhold ikke er særlig stor, men på stjerner som er varmere enn Solen, øker rollen til denne syklusen. Den består av seks trinn - reaksjoner. Karbon spiller her rollen som en katalysator for prosessen med protonfusjon. Energien som frigjøres under disse transformasjonene er den samme som under proton-proton-syklusen - 26,7 MeV per heliumatom.

Heliumsyntesereaksjonen er grunnlaget for den energiske aktiviteten til stjerner og deres glød. Følgelig kan heliumsyntese betraktes som forfaderen til alle reaksjoner i naturen, grunnårsaken til liv, lys, varme og meteorologiske fenomener på jorden.

Helium skjer ikke alltid sluttproduktet stjernesynteser. I følge teorien til professor D.A. Frank-Kamenetsky, med sekvensiell fusjon av heliumkjerner, dannes 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, og fangsten av protoner av disse kjernene fører til dannelsen av andre kjerner. Syntesen av kjerner av tunge elementer opp til transuraniske elementer krever eksepsjonelle ultrahøye temperaturer, som utvikler seg på ustabile "novaer" og "supernovaer"-stjerner.

Den berømte sovjetiske kjemikeren A.F. Kapustinsky kalte hydrogen og helium protoelementer - elementer av primær materie. Er det ikke i denne forrangen at forklaringen på den spesielle posisjonen til hydrogen og helium i periodiske tabell elementer, spesielt det faktum at den første perioden i hovedsak er blottet for periodisiteten som er karakteristisk for andre perioder?

Den beste...

Heliumatomet (alias molekylet) er den sterkeste av molekylstrukturen. Banene til de to elektronene er nøyaktig de samme og passerer ekstremt nær kjernen. For å avsløre heliumkjernen, må du bruke en rekord mer energi– 78,61 MeV. Derav den fenomenale kjemiske passiviteten til helium.

I løpet av de siste 15 årene har kjemikere klart å få tak i mer enn 150 kjemiske forbindelser tunge edelgasser (forbindelser av tunge edelgasser vil bli diskutert i artiklene "Krypton" og "Xenon"). Imidlertid forblir tregheten til helium, som før, utenfor mistanke.

Beregninger viser at selv om det ble funnet en måte å produsere for eksempel heliumfluorid eller oksid på, ville de under dannelsen absorbere så mye energi at de resulterende molekylene ville bli "eksplodert" av denne energien fra innsiden.

Heliummolekyler er ikke-polare. Kreftene til intermolekylær interaksjon mellom dem er ekstremt små - mindre enn i noe annet stoff. Derfor - de laveste verdiene av kritiske verdier, det laveste kokepunktet, den laveste fordampnings- og smeltevarmen. Når det gjelder smeltetemperaturen til helium, eksisterer den ikke ved normalt trykk i det hele tatt. Flytende helium ved en temperatur uansett hvor nær det absolutte nullpunktet stivner ikke med mindre det i tillegg til temperaturen er utsatt for et trykk på 25 atmosfærer eller mer. Det er ikke noe annet stoff som dette i naturen.

Det er heller ingen annen gass som er så ubetydelig løselig i væsker, spesielt polare, og så lite utsatt for adsorpsjon som helium. Det er den beste lederen av elektrisitet blant gasser og den nest beste lederen av varme, etter hydrogen. Varmekapasiteten er svært høy og viskositeten er lav.

Helium trenger utrolig raskt gjennom tynne skillevegger laget av noen organiske polymerer, porselen, kvarts og borosilikatglass. Det er merkelig at helium diffunderer gjennom mykt glass 100 ganger langsommere enn gjennom borosilikatglass. Helium kan også trenge gjennom mange metaller. Bare metaller fra jern- og platinagruppen, selv når de varmes opp, er helt ugjennomtrengelige for den.

Basert på prinsippet om selektiv permeabilitet ny metode utvinning av rent helium fra naturgass.

Forskere viser eksepsjonell interesse for flytende helium. For det første er det den kaldeste væsken som dessuten ikke et eneste stoff oppløses merkbart. For det andre er det den letteste av væsker med minimal overflatespenning.

Ved en temperatur på 2,172°K oppstår en brå endring i egenskapene til flytende helium. Den resulterende arten kalles konvensjonelt helium II. Helium II koker helt annerledes enn andre væsker det koker ikke når det koker, overflaten forblir helt rolig. Helium II leder varme 300 millioner ganger bedre enn vanlig flytende helium (helium I). Viskositeten til helium II er praktisk talt null, den er tusen ganger mindre enn viskositeten til flytende hydrogen. Derfor har helium II superfluiditet - evnen til å strømme uten friksjon gjennom kapillærer med vilkårlig liten diameter.

En annen stabil isotop av helium, 3 He, går inn i en superfluid tilstand ved en temperatur som er bare hundredeler av en grad unna den absolutte kulen. Superfluid helium-4 og helium-3 kalles kvantevæsker: de viser kvantemekaniske effekter selv før de størkner. Dette forklarer den svært detaljerte studien av flytende helium. Og nå produserer de mye av det – hundretusenvis av liter i året. Men fast helium har knapt blitt studert: de eksperimentelle vanskelighetene med å studere denne kaldeste kroppen er store. Utvilsomt vil dette gapet bli fylt, siden fysikere forventer mye nytt fra å forstå egenskapene til fast helium: det er tross alt også en kvantekropp.

Inert, men veldig nødvendig

På slutten av forrige århundre publiserte det engelske magasinet Punch en tegneserie der helium ble avbildet som en lurt blunkende liten mann - en innbygger i solen. Teksten under bildet lød: «Endelig ble jeg fanget på jorden! Dette varte lenge nok! Jeg lurer på hvor lang tid det vil ta før de finner ut hva de skal gjøre med meg?»

Det gikk faktisk 34 år fra oppdagelsen av terrestrisk helium (den første rapporten om dette ble publisert i 1881) før han fant praktisk bruk. En viss rolle her spilte originale fysiske og tekniske, elektriske og, i mindre grad, Kjemiske egenskaper helium, som krevde langvarige studier. De viktigste hindringene var fraværet og høye kostnader for element nr. 2.

Tyskerne var de første som brukte helium. I 1915 begynte de å fylle luftskipene sine som bombet London med det. Snart ble lett, men ikke-brennbart helium et uunnværlig fyllstoff for luftfartsfartøyer. Nedgangen i luftskipskonstruksjonen som begynte på midten av 30-tallet førte til en viss nedgang i heliumproduksjonen, men bare for kort tid. Denne gassen tiltrakk seg i økende grad oppmerksomheten til kjemikere, metallurger og maskiningeniører.

Mange teknologiske prosesser og operasjoner kan ikke utføres i luft. For å unngå interaksjon av det resulterende stoffet (eller råstoffet) med luftgasser, opprettes spesielle beskyttende miljøer; og det er ingen mer egnet gass for disse formålene enn helium.

Inert, lett, mobil og en god varmeleder, helium er et ideelt middel for å presse svært brannfarlige væsker og pulver fra en beholder til en annen; Det er disse funksjonene den utfører i missiler og guidede missiler. Individuelle stadier av produksjon av kjernebrensel finner sted i et heliumbeskyttende miljø. Brenselelementer fra atomreaktorer lagres og transporteres i beholdere fylt med helium.

Ved hjelp av spesielle lekkasjedetektorer, hvis virkning er basert på den eksepsjonelle diffusjonsevnen til helium, identifiserer de den minste mulighet for lekkasje i atomreaktorer og andre systemer under trykk eller vakuum.

De siste årene har vært preget av en fornyet økning i luftskipskonstruksjon, nå på et høyere vitenskapelig og teknisk grunnlag. I en rekke land er det bygget og bygges luftskip med heliumfylling med en bærekapasitet på 100 til 3000 tonn. De er økonomiske, pålitelige og praktiske for transport av stor last, som gassrørledninger, oljeraffinerier, kraft. linjestøtter osv. Fyllingen på 85 % helium og 15 % hydrogen er brannsikker og reduserer kun løft med 7 % sammenlignet med en hydrogenfylling.

Høye temperaturer begynte å fungere atomreaktorer en ny type der helium fungerer som kjølevæske.

I Vitenskapelig forskning og flytende helium er mye brukt i teknologi. Ultralave temperaturer favoriserer inngående kunnskap om materie og dens struktur – med mer høye temperaturer de fine detaljene i energispektrene er maskert av atomenes termiske bevegelse.

Det finnes allerede superledende solenoider laget av spesielle legeringer som skaper sterke magnetiske felt(opptil 300 tusen oersted) med ubetydelig energiforbruk.

Ved temperaturen til flytende helium blir mange metaller og legeringer superledere. Superledende reléer - kryotroner - brukes i økende grad i design av elektroniske datamaskiner. De er enkle, pålitelige og veldig kompakte. Superledere, og med dem flytende helium, begynner å bli nødvendig for elektronikk. De er inkludert i detektordesign infrarød stråling, molekylære forsterkere (masere), optiske kvantegeneratorer (lasere), instrumenter for måling av ultrahøye frekvenser.

Disse eksemplene uttømmer selvfølgelig ikke rollen som helium i moderne teknologi. Men hvis ikke for begrensningene naturlige ressurser, uten den ekstreme spredningen av helium, ville den ha mange flere bruksområder. Det er for eksempel kjent at når matvarer hermetiseres i helium, beholder matvarer sin opprinnelige smak og aroma. Men "helium" hermetikk er fortsatt en "ting i seg selv", fordi det ikke er nok helium, og det brukes bare i de viktigste næringene og hvor det ikke kan gjøres uten det. Derfor er det spesielt støtende å innse at med brennbar naturgass gjennom enheter kjemisk syntese, ovner og ovner passerer gjennom og slipper ut i atmosfæren mye større mengder helium enn de som produseres fra heliumholdige kilder.

Nå anses det som lønnsomt å frigjøre helium bare i tilfeller der innholdet i naturgass ikke er mindre enn 0,05%. Reservene av slik gass minker stadig, og det er mulig at de vil være oppbrukt før slutten av dette århundret. Imidlertid vil problemet med "heliummangel" trolig være løst innen dette tidspunktet - dels gjennom å lage nye, mer avanserte metoder for å separere gasser, trekke ut de mest verdifulle, om enn ubetydelige fraksjonene, og dels takket være kontrollert termonukleær fusjon. Helium vil bli et viktig, om enn biprodukt, av aktiviteten til "kunstige soler".

Helium isotoper

Det er to stabile isotoper av helium i naturen: helium-3 og helium-4. Den lette isotopen er fordelt på jorden en million ganger mindre enn den tunge. Dette er den sjeldneste stabile isotopen som finnes på planeten vår. Tre ytterligere isotoper av helium er oppnådd kunstig. De er alle radioaktive. Halveringstiden til helium-5 er 2,4·10 –21 sekunder, helium-6 er 0,83 sekunder, helium-8 er 0,18 sekunder. Den tyngste isotopen, interessant fordi det i kjernene er tre nøytroner per proton, ble først studert i Dubna på 60-tallet. Forsøk på å skaffe helium-10 har så langt vært mislykket.

Siste faste gass

Helium var den siste av alle gasser som ble omdannet til flytende og fast tilstand. De spesielle vanskelighetene med å flytende og størkne helium forklares av strukturen til atomet og noen trekk ved dets fysiske egenskaper. Spesielt helium, som hydrogen, ved temperaturer over – 250 °C, når det utvides, avkjøles ikke, men varmes opp. På den annen side er den kritiske temperaturen til helium ekstremt lav. Det er grunnen til at flytende helium først ble oppnådd først i 1908, og fast helium i 1926.

Helium luft

Luft der alt eller det meste av nitrogenet er erstattet med helium er ikke lenger en nyhet i dag. Den er mye brukt på land, under bakken og under vann.

Heliumluft er tre ganger lettere og mye mer mobil enn vanlig luft. Den oppfører seg mer aktivt i lungene - den tilfører raskt oksygen og evakuerer raskt karbondioksid. Derfor gis heliumluft til pasienter med pusteforstyrrelser og enkelte operasjoner. Det lindrer kvelning, behandler bronkial astma og sykdommer i strupehodet.

Å puste inn heliumluft eliminerer praktisk talt nitrogenemboli (caisson sykdom), som dykkere og spesialister fra andre yrker som jobber under forhold med høyt trykk er utsatt for under overgangen fra høyt trykk til normalt. Årsaken til denne sykdommen er ganske betydelig, spesielt med høyt blodtrykk, løseligheten av nitrogen i blodet. Når trykket avtar, frigjøres det i form av gassbobler, som kan tette blodårer, skade nerveknuter... Helium er i motsetning til nitrogen praktisk talt uløselig i kroppsvæsker, så det kan ikke forårsake trykkfallssyke. I tillegg eliminerer heliumluft forekomsten av "nitrogennarkose", som eksternt ligner alkoholforgiftning.

Før eller siden vil menneskeheten måtte lære seg å leve og arbeide på havbunnen i lang tid for på alvor å utnytte mineral- og matressursene på sokkelen. Og på store dyp, som eksperimentene til sovjetiske, franske og amerikanske forskere har vist, er heliumluft fortsatt uunnværlig. Biologer har bevist at langvarig pust av heliumluft ikke forårsaker negative endringer i menneskekroppen og truer ikke endringer i det genetiske apparatet: Heliumatmosfæren påvirker ikke utviklingen av celler og hyppigheten av mutasjoner. Det er verk hvis forfattere anser heliumluft for å være optimal luftmiljø Til romskip, foretar lange flyreiser inn i universet. Men så langt har kunstig heliumluft ennå ikke steget utover jordens atmosfære.