Domanda:
Perché usiamo l'elio nei palloncini?
Ayush Madan
2014-09-08 13:45:37 UTC
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Mentre guardavo la tavola periodica oggi, mi sono reso conto che c'erano gas molto più leggeri dell'elio come l'idrogeno. Se l'idrogeno è più leggero dell'elio, perché insistiamo per utilizzare l'elio nei palloncini?

Per alcune applicazioni, $ \ mathrm {H} _2 $ è più appropriato. Ad esempio, [i palloni meteorologici] (http://en.wikipedia.org/wiki/Weather_balloon) spesso usano l'idrogeno a causa dei costi, con i vantaggi collaterali di una densità inferiore e velocità di diffusione inferiori attraverso la membrana; l'infiammabilità non è una delle principali preoccupazioni.
Poiché l'elio scarseggia, sempre meno posti lo usano per i palloncini.
L'uso di H2 è necessario anche per i palloncini, perché l'idrogeno in condizioni normali esiste solo come atomi accoppiati in una molecola di idrogeno. Questo è importante ad esempio per la velocità di diffusione - dove l'elio ha una velocità molto più alta di H2 - esattamente perché la molecola di idrogeno (H2) è molto più grande di un atomo di He - quindi l'elio ha una velocità di diffusione più alta di H2.
Sei risposte:
#1
+60
Ilmari Karonen
2014-09-08 16:59:37 UTC
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Come hanno notato altre risposte, l'unico gas più leggero dell'elio è l'idrogeno, che ha alcuni problemi di infiammabilità che lo rendono più difficile da maneggiare in sicurezza dell'elio.

Inoltre, in pratica, l'idrogeno non è significativamente "più leggero" dell'elio. Mentre la massa molecolare (e quindi, secondo la legge dei gas ideali, la densità) dell'idrogeno gassoso è circa la metà di quella dell'elio, ciò che determina la galleggiabilità di un pallone è la differenza tra la densità del gas all'interno del pallone e l'aria esterna.

La densità dell'aria in STP è di circa $ \ rho _ {\ ce {air}} = \ pu {1.2754 kg m-3} $ , mentre le densità di idrogeno ed elio i gas sono $ \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {0,08988 kg m-3} $ e $ \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {0,1786 kg m-3} $ rispettivamente. Le forze di galleggiamento di un pallone a idrogeno e di un pallone ad elio in aria (trascurando il peso della pelle e la differenza di pressione tra l'interno e l'esterno, che entrambi diminuiscono leggermente la galleggiabilità) sono proporzionali alle differenze di densità $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {1.1855 kg m-3} $ e $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {1,0968 kg m-3} $ . Pertanto, l'elio è solo di $ 7,5 \% $ meno galleggiante nell'aria dell'idrogeno.

Ovviamente, se l'aria circostante fosse sostituita con un gas più leggero, la differenza di densità tra idrogeno ed elio diventerebbe più significativa. Ad esempio, se volessi andare in mongolfiera su Giove, che ha un'atmosfera composta principalmente da idrogeno e un po 'di elio, un pallone di elio semplicemente affonderebbe e persino un idrogeno puro il palloncino (a temperatura ambiente) non solleverebbe molto peso. Ovviamente, potresti sempre riempire il pallone con aria gioviana e riscaldarlo per produrre un pallone a idrogeno caldo (da non confondere con un pallone di Rozière, che vengono utilizzati sulla Terra e hanno camere separate per l'aria calda e l'idrogeno / elio).


Ps. Un modo rapido per ottenere approssimativamente questo risultato è da notare che una molecola di idrogeno è composta da due protoni (e alcuni elettroni, che hanno massa trascurabile), e quindi ha una massa molecolare di circa $ \ pu {2 Da} $ span>, mentre un atomo di elio ha due protoni e due neutroni, per una massa totale di circa $ \ pu {4 Da} $ .

L'aria, invece, è principalmente ossigeno e azoto: l'ossigeno ha una massa molecolare di circa $ \ pu {32 Da} $ (8 protoni + 8 neutroni per atomo , due atomi per molecola), mentre l'azoto è vicino a $ \ pu {28 Da} $ (un protone e un neutrone per atomo in meno dell'ossigeno). Pertanto, la massa molecolare media dell'aria dovrebbe essere compresa tra $ 28 $ e $ \ pu {32 Da} $ ; infatti, poiché l'aria è circa tre quarti di azoto, si tratta di circa $ \ pu {29 Da} $ , e quindi la galleggiabilità dell'idrogeno e dell'elio nell'aria è proporzionale a $ 29 - 2 = 27 $ e $ 29 - 4 = 25 $ rispettivamente. Pertanto, l'idrogeno dovrebbe essere circa $ \ frac {(27 - 25)} {25} = \ frac {2} {25} = \ frac {8} {100} = 8 \ % $ più galleggiante dell'elio o, in altre parole, l'elio dovrebbe essere circa $ \ frac {2} {27} \ approx 7.5 \% $ meno vivace dell'idrogeno.


Pps. Per riassumere alcuni dei commenti di seguito, ci sono anche altri possibili gas di sollevamento, ma nessuno di loro sembrano essere concorrenti particolarmente validi per l'elio, almeno non ai prezzi odierni dell'elio.

Ad esempio, metano (massa molecolare $ \ approx \ pu {16 Da} $ ) ha circa la metà della galleggiabilità dell'idrogeno o dell'elio nell'atmosfera terrestre ed è economico e facilmente reperibile dal gas naturale. Tuttavia, come l'idrogeno, è anche infiammabile e, sebbene sia un po 'meno pericoloso per alcune misure (velocità di combustione e intervallo di infiammabilità), è più pericoloso per altri (contenuto energetico totale per volume). In ogni caso, la ridotta galleggiabilità, insieme all'infiammabilità, è probabilmente sufficiente per affondare (gioco di parole non voluto) il metano come valida alternativa all'elio.

Una scelta molto meno infiammabile sarebbe il vapore acqueo che, con una massa molecolare di $ \ approx \ pu {18 Da} $ , è solo leggermente meno galleggiante del metano alla stessa temperatura e pressione. L'ovvio problema con l'acqua è che è un liquido a temperatura ambiente, il che significa che deve essere riscaldato per far sollevare qualsiasi cosa. Non sarebbe poi così male (dopotutto, si ottiene un sollevamento extra dall'espansione a causa del calore), tranne per il fatto che rende qualsiasi guasto nel sistema di riscaldamento un potenziale disastro, mentre una mongolfiera scivolerà dolcemente verso il basso se il bruciatore si guasta, un pallone a vapore caldo può subire una catastrofica perdita di galleggiamento se il vapore si condensa.

Nonostante questi inconvenienti, palloni a vapore caldo sono certamente suggerito, studiato e provato in passato, purtroppo non sempre particolarmente efficace (sebbene, a quanto pare, ci sono sono stati tentativi molto più riusciti). Esistono vari modi in cui il problema della condensa potrebbe essere potenzialmente ridotto, come l'aggiunta di ulteriori strati isolanti all'involucro del palloncino, o persino circondare il pallone a vapore con un involucro di aria calda più convenzionale. Finora, tuttavia, sembra che i palloncini a vapore rimangano saldamente nel regno di idee ingegnose ma poco pratiche.

Altri potenziali gas di sollevamento, con massa molecolare simile al metano e all'acqua, includono ammoniaca e neon. Il neon, essendo un gas nobile come l'elio, funzionerebbe sicuramente e sarebbe sicuro, ma purtroppo è sia meno galleggiante che più costoso dell'elio.

L'ammoniaca, d'altra parte, sebbene molto meno infiammabile del metano, è piuttosto tossica e corrosiva (per non parlare davvero puzzolente, che, date le sue altre proprietà, è probabilmente una cosa buona ). Non credo che mi piacerebbe volare in un pallone di ammoniaca, ma apparentemente, alcune persone lo fanno! Sembra che il suo principale vantaggio (oltre ad essere molto più economico dell'elio) è la sua pressione di vapore relativamente bassa, che lo rende più facile da immagazzinare e maneggiare in forma compressa.

Quindi, almeno per alcune applicazioni di nicchia (principalmente hobbisti e alcuni palloni meteorologici, AFAICT), l'ammoniaca potrebbe effettivamente essere l'alternativa più praticabile all'elio (e all'aria calda) oggi, con il metano / gas naturale forse al secondo posto. Se l'elio diventasse più scarso e costoso, questi gas di sollevamento a basso costo (e forse altre alternative, come il recupero dell'elio o persino i palloni a vapore) potrebbero diventare più pratici. Inoltre, lo stesso vale per l'idrogeno: i suoi problemi di sicurezza, sebbene ben noti, non sono insormontabili, soprattutto non per cose come i palloni meteorologici senza equipaggio in cui i rischi sono molto minori. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀

Ottima risposta. L'unica cosa che devo aggiungere è che il metano (MW 16) ha circa la metà della galleggiabilità dell'elio (29-16 = 13), quindi se VERAMENTE non ti interessa la sicurezza puoi riempire i tuoi palloncini con quello. (Il gas naturale è molto più facilmente disponibile dell'idrogeno.) L'idrogeno è più pericoloso del metano secondo alcune misure (velocità di combustione, limite di infiammabilità) ma il metano è più pericoloso per altri (contenuto energetico volumetrico totale).
Non avevo mai sentito parlare dei baloon di Roziere, ma suonano interessanti. Una cosa su cui mi chiedevo a lungo sarebbe la praticità di un pallone che aveva un vaso interno di H2O racchiuso in un vaso d'aria riscaldato a oltre 100 ° C. Sarebbe necessaria molta energia a terra per far evaporare tutto l'H2O nel vaso interno, ma una volta ottenuto ciò, l'H2O genererebbe più del doppio della portanza (supponendo che la temperatura del vaso 375K e ambiente esterno ~ 290K). Mai sentito parlare di una cosa del genere?
@supercat: Googling per "steam balloon" fa apparire una serie di link che suggeriscono che * può * essere fatto, e apparentemente è stato fatto almeno su piccola scala, ma sembra appartenere alla categoria delle idee ingegnose ma poco pratiche. Sospetto che il grosso problema sia la curva di sollevamento / calore del sigmoide estremamente ripida vicino al punto di condensazione, che sembra rendere molto difficile il controllo sicuro di un pallone del genere. Inoltre, anche se potessi risolvere quei problemi di sicurezza e controllo, non riesco a pensare a una buona ragione per preferire un pallone a vapore del genere a una Rozière di elio di base.
@IlmariKaronen: Il vapore acqueo può essere prodotto utilizzando un'ampia gamma di risorse, mentre è quasi impossibile procurarsi elio senza una fonte di elio (il decadimento alfa produce elio, ma non in quantità utili). Non sono sicuro di come il costo dell'energia utilizzando H2O sarebbe paragonabile al costo dell'elio. Gli aerostati hanno pompe in grado di ricomprimere l'elio per lo stoccaggio quando hanno finito?
@supercat: AFAIK, no, ma probabilmente è solo perché, dati i prezzi attuali dell'elio, non vale la pena. Se l'elio diventasse più scarso e costoso, sia i palloncini a vapore che il riciclaggio dell'elio potrebbero diventare più pratici in confronto. D'altra parte, lo stesso vale per l'idrogeno - mentre i palloncini all'idrogeno (e soprattutto Rozières) hanno evidenti problemi di sicurezza, non sono insormontabili; e, in ogni caso, la maggior parte dei palloni in questi giorni sono palloni meteorologici senza equipaggio ecc., per i quali i rischi sono molto minori.
@supercat: l'elio che usiamo proviene dal decadimento alfa. Dobbiamo solo approfittare (per il momento) dell'accumulo su scale temporali geologiche.
@A.K .: Sono un po 'perplesso dalla [tua modifica] (/ posts / 16059 / revisions) a questa risposta. Sembra che tu abbia spostato un sacco di URL in linea nelle note a piè di pagina (e introdotto diversi errori di modifica nel corso del processo, che io e orthocresol abbiamo speriamo ora risolto) e convertito alcune formule HTML in MathJax, ma non vedo alcun cambiamento sostanziale effettivo . Bene, oltre a convertire "AMU" in "Da". Ad ogni modo, sono tentato di ripristinare tutto, perché sarebbe più facile che riesaminare tutte le modifiche per assicurarmi che non ci siano più errori, ma ho pensato di chiederti se prima avevi una ragione specifica.
È una risposta eccellente e completa, volevo aggiornarla per rendere la matematica più pulita e per abbinare le migliori pratiche attuali. Se ci sono errori, fammelo sapere per scopi di QA / QI. Sono stato molto diligente con i collegamenti.
Vorrei aggiungere un argomento secondo cui se prendiamo davvero l'esempio di Giove, sostituire il ballon con qualsiasi altro materiale sarà sicuramente d'aiuto!
#2
+49
Martin - マーチン
2014-09-08 13:52:29 UTC
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In realtà, l'idrogeno è l'unico gas più leggero dell'elio. Tuttavia, ha uno svantaggio molto grande: è altamente infiammabile. D'altra parte, l'elio è quasi completamente inerte: questo è il motivo per cui è molto più sicuro utilizzare quest'ultimo.

Ciò che potrebbe accadere quando si utilizza l'idrogeno al posto dell'elio è stato dimostrato in modo impressionante dalla storia quando lo Zeppelin "Hindenburg" esplose il 6 maggio 1937. Ci sono filmati video, che possono essere visti su youtube.

In alcuni commenti è stato menzionato che l'idrogeno da solo potrebbe non essere la causa del disastro di Hindenburg, c'erano altri fattori che contribuiscono. Tuttavia, l'uso dell'idrogeno rimane pericoloso, come mostra questo esperimento con i palloni meteorologici. In una configurazione più scientifica, la combustione di un palloncino di idrogeno viene confrontata con l'ossigeno e una miscela di ossigeno e idrogeno. Sfortunatamente non è disponibile un video di un palloncino riempito di elio, ma fondamentalmente si rompe e scoppia solo a causa delle diverse pressioni all'interno e all'esterno.

Non riesco a trovare una buona fonte ora, ma ho pensato che oltre a tutto ciò che è stato menzionato, l'idrogeno si diffonde anche più velocemente dell'elio, il che significa che il pallone si sgonfierà più velocemente (anche se questo è un problema minore per i palloncini meteorologici rispetto ai palloncini da festa da 30 centesimi )
Sebbene l'idrogeno sia effettivamente più infiammabile dell'elio e sia probabilmente un fattore che contribuisce al disastro di Hindenburg, non è del tutto certo che l'idrogeno fosse la causa principale. (Vedi l'articolo a cui ti sei collegato.)
@200_success Nitpick: L'idrogeno non è "più infiammabile dell'elio". L'idrogeno è infiammabile. L'elio no. L'elio è completamente inerte in tutte le situazioni al di fuori del nucleo di un'esplosione nucleare o di stelle di medie dimensioni. L'elio (o qualsiasi altro elemento del gruppo 18) non si ossiderà (brucerà) con nessun processo che troverai su questo pianeta.
@david - Direi che ciò qualifica effettivamente l'idrogeno come più infiammabile. Non è difficile essere più infiammabili di qualcosa che * non * può * bruciare. Se brucia, è più infiammabile. ---- Detto questo, non è ancora un ottimo modo per esprimerlo.
Ci sono probabilmente molteplici fattori che contribuiscono al disastro di Hindenburg (ad esempio, la vernice utilizzata aveva una composizione _molto simile_ alla termite, un composto pirotecnico). L'idrogeno da solo non può essere incolpato, anche se probabilmente non ha ridotto il danno. Tuttavia, è improbabile che otteniamo più una risposta conclusiva sull'incidente (salvo l'esistenza del viaggio nel tempo!)
@david: Solo per scegliere un pelo o due: mentre scendi nel gruppo 18, gli elementi raccolgono un po 'di reattività. Soprattutto di fronte al fluoro, le cose possono diventare un po 'strane, dando origine specificamente al difluoruro di neon, al difluoruro di xeno / esafluoruro e al difluoruro di radon.
Se vuoi vedere un confronto tra H2 in fiamme e palloncini He, i video periodici lo hanno fatto. È all'1: 50 circa; H2 è prima di quello. Hanno fatto anche un intero video separato su H2. https://www.youtube.com/watch?v=a8FJEiI5e6Q#t=111
#3
+9
ashu
2014-09-08 13:51:51 UTC
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Sì, l'idrogeno è più leggero dell'elio ma l'elio, d'altra parte, è un gas inerte (molto meno reattivo). Inoltre, l'idrogeno è altamente infiammabile, quindi non è sicuro giocare con i palloncini.

#4
+8
keshlam
2014-09-10 04:33:01 UTC
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Un controargomentazione: l'elio è essenzialmente un "gas fossile", e c'è una fornitura limitata di elio facile da ottenere (almeno fino a quando non mettiamo in funzione pratici reattori a fusione). L'idrogeno, d'altra parte, è universalmente disponibile in $ \ ce {H2O} $ e ha bisogno solo di un po 'di elettricità per romperlo. Poiché l'elio ha importanti usi industriali diversi dai palloncini, mi aspetto che alla fine scopriremo che diventa troppo costoso buttarlo via sui giocattoli.

_lascia / si diffonde dal palloncino più rapidamente dell'elio_ - ** è vero esattamente il contrario. ** L'elio fuoriesce più rapidamente, perché gli atomi di idrogeno esistono solo in molecole accoppiate, quindi "H2" è una molecola molto più grande di una " Egli "atomo e quindi l '" Lui "ha una dispersione molto più alta ...
Hmm ... http://en.wikipedia.org/wiki/Helium dice che l'elio si diffonde 3 volte dopo l'aria ma solo il 65% del gas idrogeno. Altrove, è implicito che l'effusione (perdita) sia principalmente determinata dalla massa e non dalle dimensioni; usare 4 per la massa di elio e 2 per l'idrogeno funziona al 65% (1 / sqrt (2)) Qualcuno ha una fonte per controargomentazione @jm666's?
@Foon applicando la semplice legge di Graham, gli atomi di idrogeno dovrebbero diffondersi più velocemente, ma la molecola H2 è più grande di un atomo di elio (non per peso molecolare). (AFAIK) - andando a cercare qualche doccu pertinente - forse mi sbaglio ...
@Foon appena trovato: il raggio atomico dell'He è _28_ (31) _pm_ (da fonti diverse). Ora devi trovare il raggio molecolare della molecola di idrogeno.
Per quello che vale, secondo Wikipedia, il raggio di van der waals di He = ~ 2,11 A e H2 è 1,91 A
#5
+2
santosh roy
2016-09-29 19:37:26 UTC
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Con l'idrogeno, sei a un solo tocco dal disastro. Un palloncino di idrogeno va ovunque vicino alle candele di compleanno e tu finisci. L'elio d'altra parte è così inerte che puoi inalarlo e tutto ciò che farebbe è farti sembrare uno scoiattolo per un minuto o giù di lì.

Non completamente vero. Riempire i palloncini con idrogeno (o metano se è per questo) e poi farli esplodere con una fiamma era un divertente esperimento comune eseguito nelle ultime lezioni prima di Natale o di carnevale. Il succo è che mentre * brucerà, * non * esploderà * a meno che non si tratti di una miscela di $ 2: 1 $ idrogeno: ossigeno.
#6
-1
Raj Jaiswal
2015-06-26 13:28:54 UTC
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Dal mio pensiero l'elio è un gas stabile ed è un gas nobile, mentre l'idrogeno è il gas più leggero ma è infiammabile, ecco perché l'elio è riempito di palloncini meteorologici.

Benvenuto in Chemistry.SE! Fai il [tour] per familiarizzare con questo sito. Le espressioni e le equazioni matematiche possono essere [formattate] (http://meta.chemistry.stackexchange.com/q/86/4945) utilizzando la sintassi $ \ LaTeX $. Questa risposta è davvero breve e non offre nuovi spunti alle domande. Si prega di considerare di ampliarlo.
@Martin's a destra. Questa è pura opinione, quindi è considerata migliore come commento che come risposta. Si prega di essere più elaborati, citare risorse per le tue affermazioni ecc. In caso contrario, questo potrebbe essere eliminato.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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