헬륨의 구조 헬륨 추출 과정 및 산업적 활용

헬륨 주기율표

 

 단순함과 독특한 특성으로 유명한 원소인 헬륨은 산업 공정의 영역에서 탁월한 특성과 다양한 응용으로 사랑받는 소중한 원소입니다. 오늘은 헬륨의 구조와 추출 공정 및 산업적 활용에 대해 알아보겠습니다.

 

헬륨의 전자 구성, 양자역학과 에너지 상태

헬륨은 원자핵 안에 존재하는 두 개의 양성자로 구성된 원소의 경이로움을 가지고 있으며, 핵 주위를 도는 두 개의 전자로 구성되어 있습니다. 양자역학에서 이 전자들은 양자 수로 기술되며 궤도 내에서 에너지 상태와 공간 분포를 나타냅니다. 파울리 배타 원리 이론 기준으로, 원자 내의 어떤 두 전자도 동일한 양자 수 집합을 공유할 수 없으므로 헬륨의 두 전자는 반드시 반대의 스핀을 가져야 하며, 이 원리를 동일한 에너지 준위 내에서 고수해야 합니다. 따라서, 헬륨은 가능한 가장 낮은 에너지 준위를 차지하고 있습니다. 또한 주기율표 기준으로 두 번째 원소인 헬륨은 원자 구조의 단순함을 상징합니다. 양성자와 전자의 배열은 안정성을 상징하고 비활성 기체로 만드는 완전한 외부 껍질을 포함합니다. 이 안정적인 배열은 헬륨에 비활성을 부여하고 화학 반응을 피하고 다른 원소와 결합하여 비활성 기체로서의 지위를 확립합니다. 헬륨의 에너지 상태를 확인해 보면, 헬륨의 전자 분포는 양자역학의 원리와 일치하며, 에너지 상태와 안정성을 정의합니다. 양자역학의 초석인 슈뢰딩거 방정식은 전자의 행동을 파동함수로 설명하여 핵 주변의 특정 영역에서 전자를 발견할 확률을 설명합니다. 헬륨의 경우 두 전자가 서로 반대의 스핀으로 가장 낮은 에너지 준위인 1s 오비탈을 차지하여 원자의 안정성을 보장합니다.

 

헬륨의 추출 과정

헬륨은 우선 탐사와 시추를 통해 확보합니다. 지하 매장량 활용 헬륨은 보통 탄화수소 저장소와 관련된 천연 가스전에서 종종 발견됩니다. 추출 과정은 지질학자와 엔지니어가 헬륨이 풍부한 잠재적 매장량을 식별하는 탐사와 시추 작업으로 시작됩니다. 적절한 장소가 마련되면 시추 장비가 지하 매장량에 도달하기 위해 배치됩니다. 헬륨 농도는 위치에 따라 다르므로 천연 가스전 내에서 경제적으로 실행 가능한 헬륨이 풍부한 주머니를 찾기 위한 정밀한 탐사 기술이 필요합니다. 다음으로는 추출 및 정제 과정을 거치게 됩니다. 헬륨을 포함한 천연가스가 추출되면 분리 과정이 시작됩니다. 초기 분리에는 압축 및 냉각 과정을 통해 탄화수소, 수분 및 기타 가스를 포함한 불순물을 제거하는 것이 포함됩니다. 다음으로 추출된 가스는 극저온 분리 과정을 거치며 매우 낮은 온도로 냉각되어 가스가 응축되고 끓는점이 낮기 때문에 헬륨이 분리됩니다. 순도 및 접근성 보장 분리 과정 후, 얻어진 헬륨은 원하는 순도 수준을 달성하기 위해 추가 정제 과정을 거칩니다. 추가 정제 단계는 흡착을 포함하고, 여기서 전문적인 재료를 통해 미량의 불순물이 제거됩니다. 일단 정제되면, 헬륨은 저장 및 운송을 위해 실린더 또는 극저온 탱크로 압축됩니다. 대규모 헬륨 추출 시설은 전 세계의 다양한 산업, 과학 및 의료 응용 분야에 보다 효율적인 운송 및 분배를 위해 가스를 고압 실린더에 저장하거나 액화합니다.

 

헬륨의 산업적 활용

우선 헬륨은 극저온이 필요한 곳에 활용될 수 있습니다. 냉각제로 우수한 성능을 보여주는 헬륨은 매우 낮은 끓는점(-269°C)의 특성으로 극저온 분야에서 없어서는 안 될 필수품입니다. 화학 공학자들은 자기 공명 영상(MRI) 기계, 입자 가속기, 핵자기 공명(NMR) 분광기 등을 위한 초전도 자석에서 헬륨의 냉각 특성을 이용합니다. 이러한 장치는 초저온 상태를 유지하는 능력을 통해 효과적으로 작동할 수 있으며, 이는 과학과 의학의 발전에서 헬륨의 중요한 역할을 보여줍니다. 또한 용접 및 차폐에서도 탁월한 활용성을 보입니다. 정밀도 및 강도 향상 용접 공정에서 엔지니어는 특히 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 또는 TIG 용접에서 헬륨을 차폐 가스로 사용합니다. 헬륨의 불활성 특성은 안정적인 환경을 조성하여 용접 부위를 대기 오염 물질로부터 차폐하고 용접 공극률을 감소시키며 용접의 강도 및 품질을 향상시킵니다. 이 응용은 다양한 제조 분야에서 정밀도 및 구조적 무결성을 보장하는 데 있어 헬륨의 중요성을 강조합니다. 그리고 가압 및 누출 감지에 있어도 활용성이 있습니다. 안전 및 효율 확보 헬륨은 산업 전반에 걸친 가압 및 누출 감지 시스템에서 유용성을 찾습니다. 화학 공학자들은 헬륨의 낮은 점도와 불활성, 그리고 작은 구멍에 스며드는 능력 때문에 누출 감지를 위한 추적 가스로 사용합니다. 가압에서 헬륨은 파이프라인, 탱크 및 중요 구성 요소의 무결성을 테스트하는 데 사용되어 다양한 산업 공정에서 안전 및 효율성을 보장합니다.

 

결론

헬륨의 구조적 단순성과 독특한 원자 배열은 화학의 기본 측면을 흥미롭게 엿볼 수 있는 기회를 제공합니다. 안정적이고 비반응적인 특성은 과학, 산업 및 일상적인 맥락에서 다양한 실제 응용을 뒷받침합니다. 화학자들이 헬륨 구조의 미스터리를 계속해서 풀어나가면서 과학 연구와 기술 발전에서 헬륨의 중요성은 계속 유지될 것이며 화학과 산업 분야에서 헬륨의 지속적인 관련성을 강조할 것입니다.