Yuniar Hadiyanti: Tugas 3 Biogeokimia Unsur helium

NAMA : YUNIAR HADIYANTI

NIM : H1E109005

TUGAS KIMIA LINGKUNGAN

BUATLAH ANALISIS ILMIAH SIKLUS BIOGEOKIMIA HELIUM

A. PENGERTIAN BIOGEOKIMIA

Siklus biogeokimia atau siklus organikanorganik adalah siklus unsur atau senyawa kimia yang mengalir dari komponen abiotik ke biotik dan kembali lagi ke komponen abiotik. Siklus unsur-unsur tersebut tidak hanya melalui organisme, tetapi jugs melibatkan reaksi reaksi kimia dalam lingkungan abiotik sehingga disebut siklus biogeokimia.

B.SENYAWA HELIUM

hidrogen ← helium → -

-
↑
He
↓
Ne

Tabel periodik

Keterangan Umum Unsur

Nama, Lambang, Nomor atom

helium, He, 2

Deret kimia

gas mulia

Golongan, Periode, Blok

18, 1, s

Penampilan

tak berwarna

Massa atom

4,002602(2) g/mol

Konfigurasi elektron

1s²

Jumlah elektron tiap kulit

Ciri-ciri fisik

Fase

gas

Massa jenis

(0 °C; 101,325 kPa)
0,1786 g/L

Titik lebur

(pada 2,5 MPa) 0,95 K
(-272,2 °C, -458,0 °F)

Titik didih

4,22 K
(-268,93 °C, -452,07 °F)

Kalor peleburan

0,0138 kJ/mol

Kalor penguapan

0,0829 kJ/mol

Kapasitas kalor

(25 °C) 20,786 J/(mol·K)

Tekanan uap
P/Pa	1	10	100	1 k	10 k	100 k
pada T/K					3	4

Ciri-ciri atom

Struktur kristal

heksagonal atau bcc

Energi ionisasi

pertama: 2372,3 kJ/mol

ke-2: 5250,5 kJ/mol

Jari-jari atom (terhitung)

31 pm

Jari-jari kovalen

32 pm

Jari-jari Van der Waals

140 pm

Helium (He) adalah unsur kimia yang tak berwarna, tak berbau, tak berasa, tak beracun, hampir inert, monatomik, dan merupakan unsur pertama pada seri gas mulia dalam tabel periodik dan memiliki nomor atom 2. Titik didih dan titik leburnya merupakan yang terendah dari unsur-unsur lain dan ia hanya ada dalam bentuk gas kecuali dalam kondisi "ekstrem". Kondisi ekstrem juga diperlukan untuk menciptakan sedikit senyawa helium, yang semuanya tidak stabil pada suhu dan tekanan standar. Helium memiliki isotop stabil kedua yang langka yang disebut helium-3. Sifat dari cairan varitas helium-4; helium I dan helium II; penting bagi para periset yang mempelajari mekanika kuantum (khususnya dalam fenomena superfluiditas) dan bagi mereka yang mencari efek mendekati suhu nol absolut yang dimiliki benda (seperti superkonduktivitas).

Helium adalah unsur kedua terbanyak dan teringan di jagad raya dan salah satu unsur yang diciptakan pada saat nukleosintesis Big Bang. Dalam Jagad Raya modern hampir seluruh helium baru diciptakan dalam proses fusi nuklir hidrogen di dalam bintang. Di Bumi, unsur ini diciptakan oleh peluruhan radioaktif dari unsur yang lebih berat (partikel alfa adalah nukleus helium). Setelah penciptaannya, sebagian darinya terkandung di udara (gas alami) dalam konsentrasi sampai 7% volume. Helium dimurnikan dari udara oleh proses pemisahan suhu rendah yang disebut distilasi fraksional.

Pada 1868, astronom Prancis Pierre Jules César Janssen mendeteksi pertama kali helium sebagai signatur garis spektral kuning yang tak diketahui dari cahaya dari gerhana matahari. Sejak itu kandungan helium besar banyak ditemukan di ladang gas alam di Amerika Serikat, yang merupakan penyedia gas terbesar. Helium digunakan dalam kriogenik, sistem pernafasan laut dalam, untuk mendinginkan magnet superkonduktor, dalam "penanggalan helium", untuk pengembangan balon, untuk mengangkat kapal udara dan sebagai gas pelindung untuk penggunaan industri (seperti "pengelasan busar") dan penumbuhan wafer silikon). Menghirup sejumlah kecil gas ini akan menyebabkan perubahan sementara kualitas suara seseorang.

C. SIFAT-SIFAT HELIUM

Helium memiliki titik lebur paling rendah di antara unsur-unsur dan banyak digunakan dalam riset suhu rendah (cyrogenic) karena titik leburnya dekat dengan 0 derajat Kelvin. Juga, unsur ini sangat vital untuk penelitian superkonduktor.
Dengan menggunakan helium cair, Kurti dkk. beserta yang lainnya telah berhasil mencapai suhu beberapa mikrokelvin dengan proses adiabatic demagnitization nukleus tembaga.
Helium memiliki sifat-sifat unik lainnya, yaitu sebagai satu-satunya benda cair yang tidak bisa diubah bentuknya menjadi benda padat hanya dengan menurunkan suhu. Unsur ini tetap dalam bentuknya yang cair sampai 0 derajat Kelvin pada tekanan normal, tetapi akan segera berbentuk padat jika tekanan udara dinaikkan. 3He dan 4He dalam bentuk padat sangat menarik karena keduanya dapat berubah volume sampai 30% dengan cara memberikan tekanan udara.
Specifikasi panas helium sangat tinggi. Berat jenis gas helium pada titik didih normal juga sangat tinggi. Molekul-molekul gasnya mengembang dengan cepat ketika dipanaskan ke suhu ruangan. Sebuah bejana yang diisi dengan gas helium pada 5 dan 10 Kelvin harus diperlakukan seakan-akan berisikan helium cair karena perubahan tekanan yang tinggi yang berasal dari pemanasan gas ke suhu ruangan.
Secara normal, helium memiliki 0 valensi, tapi ia juga memiliki tendensi untuk menggabungkan diri dengan unsur-unsur lainnya. Cara membuat helium difluorida telah dipelajari dan senyawa HeNe dan ion-ion He+ dan He+ + juga telah diteliti.

D. KEGUNAAN HELIUM

* Sebagai gas mulia tameng untuk mengelas
* Sebagai gas pelindung dalam menumbuhkan kristal-kristal silikon dan germanium dan dalam memproduksi titanium dan zirkonium
* Sebagai agen pendingin untuk reaktor nuklir
* Sebagai gas yang digunakan di lorong angin (wind tunnels)

Campuran helium dan oksigen digunakan sebagai udara buatan untuk para penyelam dan para pekerja lainnya yang bekerja di bawah tekanan udara tinggi. Perbandingan antara He dan O₂ yang berbeda-beda digunakan untuk kedalaman penyelam yang berbeda-beda.

Helium sangat banyak digunakan untuk mengisi balon ketimbang hidrogen yang lebih berbahaya. Salah satu kegunaan helium yang lain adalah untuk menekan bahan bakar cair roket. Roket Saturn, seperti yang digunakan pada misi-misi Apollo, memerlukan sekitar 13 juta kaki kubik He.

Helium cair yang digunakan di Magnetic Resonance Imaging (MRI) tetap bertambah jumlahnya, sejalan dengan ditemukannya banyak kegunaan mesin ini di bidang kesehatan.

Helium juga digunakan untuk balon-balon raksasa yang memasang berbagai iklan perusahaan-perusahaan besar, termasuk Goodyear. Aplikasi lainnya sedang dikembangkan oleh militer AS adalah untuk mendeteksi peluru-peluru misil yang terbang rendah. Badan Antariksa AS NASA juga menggunakan balon-balon berisi gas helium untuk mengambil sampel atmosfer di Antartika untuk menyelidiki penyebab menipisnya lapisan ozon.

E.Bagaimana helium dibuat?

Latar belakang

Helium adalah salah satu unsur kimia dasar.Dalam keadaan alami, helium adalah gas yang dikenal dengan tingkat kepadatan rendah dan rendahnya reaktivitas kimia. Hal ini mungkin paling dikenal sebagai non-mudah terbakar pengganti untuk hidrogen untuk menyediakan lift di balon udara dan balon. Karena itu secara kimiawi inert, juga digunakan sebagai perisai gas dalam busur robot pengelasan dan sebagai non-reaktif atmosfer untuk tumbuh silikon dan germanium kristal yang digunakan untuk membuat perangkat semikonduktor elektronik. Helium cair sering digunakan untuk memberikan temperatur yang sangat rendah dan aplikasi medis dan ilmiah..

Meskipun helium adalah salah satu elemen yang paling melimpah di alam semesta, sebagian besar berada di luar atmosfir bumi.Helium tidak ditemukan sampai 1868, ketika astronom Prancis Pierre Janssen dan astronom Inggris Sir Joseph Lockyer secara independen mempelajari gerhana matahari.Menggunakan spektrometer, yang memisahkan cahaya menjadi warna pita yang berbeda tergantung pada unsur-unsur ini, mereka berdua mengamati sekelompok cahaya kuning yang tidak dapat diidentifikasi dengan elemen apapun yang diketahui. Berita tentang temuan mereka mencapai dunia ilmiah pada hari yang sama, dan keduanya umumnya dikreditkan dengan penemuan..Lockyer mengusulkan nama helium untuk unsur baru, berasal dari kata Yunani Helios untuk matahari.

Pada tahun 1895, kimiawan Inggris Sir William Ramsay menemukan bahwa cleveite, sebuah uranium mineral, berisi helium. PT kimiawan Swedia Cleve dan Nils Langlet membuat penemuan yang sama pada waktu yang hampir bersamaan. Ini adalah pertama kalinya helium telah diidentifikasi di Bumi. Pada tahun 1905, gas alam yang diambil dari sumur di dekat Dexter, Kansas, ditemukan yang berisi sebanyak 2% helium. Tes dari sumber-sumber gas alam lain di seluruh dunia yang dihasilkan sangat beragam konsentrasi helium, dengan konsentrasi tertinggi yang ditemukan di Amerika Serikat.

Pada awal 1900-an, perkembangan balon udara dan dirigibles mengandalkan hampir sepenuhnya pada hidrogen untuk memberikan tumpangan, meskipun itu sangat mudah terbakar. Selama Perang Dunia I, pemerintah Amerika Serikat menyadari bahwa helium tidak mudah terbakar dan lebih unggul daripada hidrogen dan menyatakan perang itu bahan yang kritis. Dikontrol ketat produksi, dan ekspor dibatasi. Pada tahun 1925, Amerika Serikat melewati Konservasi Helium pertama Undang-Undang yang melarang penjualan helium untuk nonpemerintah pengguna. Tidak sampai 1937, ketika balon berisi hidrogen Hindenburg meledak ketika mendarat di Lakehurst, New Jersey, bahwa pembatasan dicabut dan diganti hidrogen helium untuk komersial.

Bahan Baku

Helium bawah tanah dihasilkan oleh peluruhan radioaktif dari unsur-unsur berat seperti uranium dan thorium. Bagian dari radiasi dari unsur-unsur ini terdiri dari partikel alfa, yang membentuk inti atom helium. Beberapa helium ini menemukan jalan ke permukaan dan memasuki atmosfer, di mana ia dengan cepat naik dan lolos ke ruang angkasa. Sisanya terperangkap di bawah lapisan batu dan bercampur dengan gas alam yang terbentuk di sana..Jumlah helium ditemukan di berbagai deposit gas alam bervariasi dari hampir nol sampai setinggi 4% berdasarkan volume.Hanya sekitar sepersepuluh dari kerja ladang gas alam telah ekonomis konsentrasi helium lebih besar dari 0,4%.

Helium juga dapat dihasilkan oleh udara mencairkan gas dan memisahkan komponen gas. Biaya produksi untuk metode ini adalah tinggi, dan jumlah yang terkandung dalam udara helium sangat rendah. Meskipun metode ini sering digunakan untuk menghasilkan gas-gas lain, seperti nitrogen dan oksigen, jarang digunakan untuk menghasilkan helium.

Proses

Helium biasanya diproduksi sebagai produk sampingan dari pengolahan gas alam.Berisi gas alam metana dan hidrokarbon, yang merupakan sumber utama energi panas ketika gas alam dibakar.Sebagian besar cadangan gas alam juga mengandung jumlah yang lebih kecil nitrogen, uap air, karbon dioksida, helium, dan non-bahan yang mudah terbakar, yang lebih rendah potensi energi panas dari gas. Untuk menghasilkan gas alam dengan tingkat yang dapat diterima energi panas, pengotor tersebut harus dihilangkan.Proses ini disebut upgrade.

Ada beberapa metode yang digunakan untuk meningkatkan gas alam.Ketika gas berisi lebih dari sekitar 0,4% helium berdasarkan volume, yang kriogenik metode penyulingan sering digunakan dalam rangka untuk memulihkan konten helium. Setelah helium telah dipisahkan dari gas alam, akan mengalami proses lebih lanjut untuk menyempurnakan untuk membawanya menjadi 99,99 +% kemurnian untuk tujuan diperjualbelikan.

Berikut ini adalah khas urutan operasi untuk ekstraksi dan pengolahan helium.

Pretreating

Karena metode ini menggunakan yang sangat dingin bagian kriogenik sebagai bagian dari proses, semua pengotor yang mungkin memperkuat-seperti uap air, karbon dioksida, dan hidrokarbon berat tertentu-pertama-tama harus dihilangkan dari gas alam dalam proses pretreatment untuk mencegah mereka dari menyumbat pipa kriogenik.

Gas alam bertekanan sekitar 800 psi (5.5 MPa atau 54 atm). Ini kemudian mengalir menjadi sebuah scrubber di mana ia mengalami suatu semprot dari monoethanolamine, yang menyerap karbon dioksida dan membawanya pergi.
Aliran gas melewati sebuah saringan molekuler, yang lebih besar molekul uap air dari sungai sambil membiarkan molekul gas yang lebih kecil berlalu. Air kembali-memerah keluar dari saringan dan dibuang.
Setiap berat hidrokarbon dalam aliran gas dikumpulkan pada permukaan tempat tidur dari karbon aktif sebagai gas. Periodik karbon aktif yang diisi. Sekarang aliran gas metana dan sebagian besar mengandung nitrogen, dengan sejumlah kecil helium, hidrogen, dan neon.

Pemisahan

Gas alam dipisahkan ke dalam komponen-komponen utama melalui proses yang dikenal sebagai penyulingan distilasi fraksional. Kadang-kadang nama ini disingkat menjadi fraksinasi, dan struktur vertikal digunakan untuk melakukan pemisahan ini disebut fractionating kolom. Dalam proses penyulingan fraksional, nitrogen dan metana dipisahkan dalam dua tahap, meninggalkan campuran gas yang mengandung persentase yang tinggi helium. Pada setiap tahap tingkat konsentrasi, atau fraksi, dari setiap komponen ditingkatkan sampai pemisahan selesaiDalam industri gas alam, proses ini kadang-kadang disebut nitrogen penolakan, karena fungsi utamanya adalah untuk menghilangkan kelebihan jumlah nitrogen dari gas alam.

Aliran gas melewati satu sisi piring sirip penukar panas sementara dingin metana dan nitrogen dari bagian kriogenik melewati sisi lain. Aliran gas yang masuk didinginkan, sedangkan metana dan nitrogen yang menghangatkan.
Aliran gas kemudian melewati katup ekspansi, yang memungkinkan gas berkembang cepat sementara tekanan turun menjadi sekitar 145-360 psi (1,0-2,5 MPa atau 10-25 atm). Ini ekspansi cepat mendinginkan aliran gas ke titik di mana metana mulai mencairkan.
Aliran gas-sekarang bagian cair dan bagian gas memasuki dasar fractionating tekanan tinggi kolom. Saat gas bekerja menjalar ke atas melalui speaker internal dalam kolom, kehilangan panas tambahan. Metana yang terus mencairkan, membentuk campuran yang kaya metana di bagian bawah kolom sementara sebagian besar nitrogen dan gas lainnya mengalir ke atas.
Campuran metana cair, yang disebut metana minyak mentah, ditarik keluar dari bawah tekanan tinggi kolom dan didinginkan lebih lanjut dalam subcooler mentah. Ini kemudian melewati katup ekspansi kedua, yang menjatuhkan tekanan untuk sekitar 22 psi (150 kPa atau 1,5 atm) sebelum memasuki fractionating tekanan rendah kolom.Sebagai metana cair bekerja dengan cara menuruni kolom, sebagian besar sisa nitrogen terpisah, meninggalkan suatu cairan yang tidak lebih dari sekitar 4% nitrogen dan metana keseimbangan. Cairan ini dipompa keluar, dihangatkan, dan menguap menjadi gas alam upgrade. Gas nitrogen disalurkan dari bagian atas kolom tekanan rendah dan baik vented atau ditangkap untuk diproses lebih lanjut.
Sementara itu, gas dari puncak tekanan tinggi kolom didinginkan dalam kondensor. Sebagian besar nitrogen mengembun menjadi uap dan dimasukkan ke dalam bagian atas kolom tekanan rendah.. Sisanya disebut minyak gas helium. Ini mengandung sekitar 50-70% helium, 1-3% unliquefied metana, hidrogen dalam jumlah kecil dan neon, dan keseimbangan nitrogen.

Pemurnian

Helium mentah harus dimurnikan lebih lanjut untuk menghilangkan sebagian besar bahan-bahan lainnya.. Ini biasanya sebuah multi-tahap proses yang melibatkan beberapa metode pemisahan yang berbeda tergantung pada kemurnian minyak mentah yang dimaksudkan helium dan penerapan produk akhir.

Helium mentah didinginkan pertama sekitar -315 ° F (-193 ° C). Pada suhu ini, sebagian besar nitrogen dan metana mengembun menjadi cairan dan mengeringkan. Campuran gas yang tersisa sekarang sekitar 90% murni helium.
Udara ditambahkan ke campuran gas untuk menyediakan oksigen. Gas dipanaskan dalam Preheater dan kemudian melewati sebuah katalis, yang menyebabkan sebagian besar hidrogen dalam campuran untuk bereaksi dengan oksigen di udara dan membentuk uap air. Gas kemudian didinginkan, dan uap air mengembun dan dikeringkan
Campuran gas sebuah ayunan tekanan adsorpsi (PSA) unit yang terdiri dari beberapa kapal adsorpsi beroperasi secara paralel. Dalam setiap kapal ribuan partikel penuh dengan pori-pori. Sebagai campuran gas melewati partikel-partikel ini di bawah tekanan, gas-gas tertentu yang terperangkap di dalam pori-pori partikel. Tekanan ini kemudian menurun dan aliran gas dibalik untuk membersihkan gas yang terperangkap. Siklus ini diulang setelah beberapa detik atau beberapa menit, tergantung pada ukuran kapal dan konsentrasi gas. Metode ini menghilangkan sebagian besar dari sisa uap air, nitrogen, dan gas metana dari campuran.. Helium sekarang sekitar 99,99% murni.

Pendistribusian

Helium didistribusikan baik sebagai gas normal pada suhu normal atau sebagai cairan pada suhu sangat rendah. Gas helium didistribusikan di ditempa baja atau aluminium paduan silinder pada tekanan dalam kisaran 900-6,000 psi (6-41 MPa atau 60-410 atm). Bulk jumlah helium cair didistribusikan dalam kontainer terisolasi dengan kapasitas sampai sekitar 14.800 galon (56.000 liter).

Jika helium adalah menjadi cair, atau jika kemurnian yang lebih tinggi diperlukan, lampu neon dan setiap jejak kotoran dibuang dengan melewatkan gas di atas tempat tidur dari karbon aktif dalam adsorber kriogenik beroperasi di sekitar -423 ° F (-253 ° C) . Tingkat kemurnian 99,999% atau lebih baik dapat dicapai dengan langkah terakhir ini.
Helium kemudian disalurkan ke liquefier, di mana ia melewati serangkaian penukar panas dan expanders. Karena semakin didinginkan dan diperluas, suhunya turun menjadi sekitar -452 ° F (-269 ° C) dan mencair.
Jumlah besar helium cair biasanya dikirim dalam unvented, kontainer bertekanan. Jika pengiriman berada dalam benua Amerika Serikat, waktu pengiriman biasanya kurang dari seminggu. Dalam kasus, helium cair ditempatkan dalam besar, terisolasi tangki truk trailer yang ditarik oleh traktor. Tubuh tangki dibuat dari dua kerang dengan ruang vakum antara bagian dalam dan luar shell untuk menghambat hilangnya panas. Dalam ruang vakum, beberapa lapisan reflektif foil berhenti lebih lanjut aliran panas dari luar. Untuk pengiriman diperluas di luar negeri, helium ditempatkan dalam kontainer pengiriman khusus. Selain ruang vakum untuk memberikan isolasi, wadah ini juga memiliki kulit kedua diisi dengan nitrogen cair untuk menyerap panas dari luar. Sebagai panas yang diserap, nitrogen cairan bisul dan vented off.