Question

Как разделить смесь состоящую из гелия-3(³He), гелия-4, дейтерия(D), аргона(Ar), неона(Ne),азота(N2) и водорода(H2)? (при этом на выходе должна собираться смесь гелия-3 и дейтерия, остальные продукты нужно удалить из смеси)

Answer 1

Такое разделение позволят осуществить фракционная дистилляция при помощи низкотемпературного дефлегматора.

Важно понимать, что перечисленные в задании газы имеют различную температуру сжижения/кипения $T_S$ и кристаллизации/плавления $T_F .$ Эти температуры составляют, соответственно:

$H_2 : : : T_S \approx 20.28 K ; T_F \approx 14.01 K ;$ водород
$He^3 : : : T_S \approx 3.19 K ; ~$ гелий-3 – сверхтекучее вещество.
$He : : : T_S \approx 4.215 K ; ~$ гелий – сверхтекучее вещество.
$D_2 : : : T_S \approx 23.65 K ; T_F \approx 18.65 K ;$ дейтерий в форме тяжёлого молекулярного водорода.
$Ne : : : T_S \approx 27.1 K ; T_F \approx 24.55 K ;$ неон.
$N_2 : : : T_S \approx 77 K ; T_F \approx 63 K ;$ азот.
$Ar : : : T_S \approx 87 K ; T_F \approx 83 K ;$ аргон.

1. После снижения температуры камеры дефлегматора до $24 K$ – неон $Ne ,$ азот $N_2$ и аргон $Ar$ кристаллизуются и из камеры можно будет выпустить в отдельный отсек смесь газов, состоящую из водорода $H_2 ,$ гелия-3 $He^3 ,$ обычного гелия $He$ и молекулярного дейтерия $D_2 .$

2. Новую смесь, полученную в первой перегонке необходимо охладить в камере дефлегматора до температуры около $16 K .$ Дейтерий $D_2$ при этом превратиться в кристаллы, а обычный водород $H_2$ – станет жидким. Остаётся слить жидкий водород из камеры и переходить к третьей перегонке.

3. Почти готовую смесь дейтерия $D_2 ,$ гелия-3  $He^3$ и обычного гелия $He$ в третьей стадии низкотемпературной дефлегмации необходимо охладить до $4 K ,$ после чего обычный, более тяжёлый, гелий окажется сжиженным, и его можно будет слить, так что в камере останутся только кристаллы дейтерия $D_2 ,$ и газообразный гелий-3  $He^3 ,$ что и требуется по условию задачи.

Далее смесь можно перевести к необходимым температурам.

Необходимо понимать, что достижение столь низких температур – высоко-энерго-затратно.

Answer 2

Для разделения смеси, состоящей из гелия-3 (³He), гелия-4, дейтерия (D), аргона (Ar), неона (Ne), азота (N2) и водорода (H2), можно использовать различные методы сепарации, такие как фракционированная дистилляция, хроматография или использование мембран.

Одним из возможных методов является использование фракционированной дистилляции. Для этого смесь подвергается охлаждению до очень низкой температуры, близкой к абсолютному нулю. Поскольку каждый из компонентов имеет различные температуры кипения, они начинают испаряться по мере нагревания. Затем пары собираются и конденсируются в отдельные фракции.

Таким образом, для раздел