Гелий что это такое кратко

Обновлено: 02.07.2024

Не поддается законам классической механики. Ученые пытаются разгадать тайну гелия-4. Это легкий, не радиоактивный изотоп элемента. На него, собственно, приходятся 99,9% гелия на Земле.

Так вот, если 4-ый изотоп охладить до -271-го градуса Цельсия, получится жидкость. Только вот свойства ее для жидкости не типичны. Наблюдается, к примеру, сверхтекучесть.

Если поместить гелий в сосуд и поставить его вертикально, жидкость нарушит законы гравитации. Через несколько минут содержимое емкости вытечет из нее. Из сего же вытекает, что гелий – элемент любопытный, а любопытство надо удовлетворять. Начнем знакомство со свойств вещества.

Свойства гелия

Не. Это не частица отрицания, а обозначение 2-го элемента периодической системы Менделеева , то есть, гелия. Газ в обычном состоянии, он сгущается лишь при минусовых температурах. Причем, минус этот должен быть в пару сотен градусов Цельсия.

При этом, в свойства газа гелия вписана нерастворимость в воде. То есть, если сам элемент не жидкий , то его молекулы находятся в одной фазе, не переходя в другие. Между тем, именно смена фаз вещества является определением образования раствора.

На ней находятся 2 электрона. Разбить крепкую пару, то есть, удалить одну из частиц с оболочки атома, сложно. Поэтому, открыли гелий не в ходе химических опытов, а при спектроскопическом исследовании протуберанцев Солнца .

Произошло это во второй половине 19-го века. Прочие инертные газы, а их 6, открыли еще позже. Примерно в это же время, то есть, в начале 20-го века, удалось перевести гелий в жидкую форму.

Хранят газ гелий в баллонах. Они должны быть абсолютно герметичными. Иначе, адсорбция сыграет с поставщиками злую шутку. Вещество просочится через малейшие щели. А будь баллоны из пористого материала, гелий уйдет сквозь него.

Плотность газа гелия в 7 раз уступает кислороду. Показатель последнего – 1,3 килограмма на кубический метр. У гелия же плотность равна всего 0,2 кило. Соответственно герой статьи легок. Молярная масса гелия равна 4-ем граммам на моль.

Для сравнения у воздуха в целом показатель равен 29-ти граммам. Становится ясно, почему популярен гелий для шаров. Разница в массах 2-го элемента и воздуха тратится на подъем грузов. Вспомним, что моль равен 22-ум литрам. Получается, что 22 литра гелия способны поднять 25-граммовый груз. Кубометр газа потянет уже более килограмма.

Напоследок заметим, что у гелия отличная электропроводность. По крайней мере, это касается газов. Среди них 2-ой элемент уже не на втором, а на первом месте. А вот по содержанию на Земле гелий – не передовик. В атмосфере планеты героя статьи миллионные доли процента. Так откуда же тогда добывают газ. Выуживать его из атмосферы нецелесообразно.

Добыча гелия

Формула гелия является составной не только атмосферы, но и природного газа . В разных месторождениях разнится и содержание 2-го элемента. В России , к примеру, наиболее богаты гелием залежи Дальнего Востока и востока Сибири.

Общемировое производство гелия в год равно 175 000 000 кубических метров. При этом, запасы газа – 41 миллиард кубов. Большая часть из них скрыта в недрах Алжира, Катара и США. Россия тоже входит в список.

Из природного газа гелий получают путем низкотемпературной конденсации. Получается концентрат 2-го элемента с его содержанием не менее 80%. Еще 20% приходятся на аргон, неон, метан, водород и азот. Какой газ гелию мешает? Никакой. Но, людям примеси мешают. Поэтому, концентрат очищают, превращая 80% 2-го элемента в 100%.

Проблема состоит в том, что у экспертов есть так же, 100-процентная уверенность, что планету ждет дефицит гелия. Уже к 2030-му году мировое потребление газа должно достигнуть 300 000 000 кубометров.

Производство гелия через 10 лет не сможет перешагнуть планку в 240 000 000 из-за дефицита сырья. Оно является невосполнимым ресурсом. Второй элемент выделяется по крупицам при распаде радиоактивных пород.

Скорости природного производства не угнаться за нуждами людей. Поэтому, специалисты прочат резкий скачок цен на гелий. Пока, низкую стоимость обесценивает распродажа резервного фонда США, который стране стало невыгодно содержать.

Национальный запас создали в начале прошлого века, дабы наполнять военные дирижабли и коммерческие воздушные суда. Хранилище расположено в штате Техас.

Применение гелия

Найти гелий можно в топливных баках ракет. Там 2-ой элемент соседствует с жидким водородом. Лишь гелий, при этом, способен оставаться газообразным, а значит, создавать в баках двигателей нужное давление.

Наполнение аэростатов, — еще одно дело, в котором пригождается газ гелий. Углекислый, к примеру, не подойдет, поскольку тяжел. Легче гелия лишь один газ, это водород. Только вот, он взрывоопасен.

Популярен гелий и как охлаждающий агент. Применение связано со способностью газа порождать сверхнизкие температуры. Гелий закупают для адронных коллайдеров и спектрометров ядерного магнитного резонанса. Пользуются 2-ым элементом так же, в аппаратах МРТ. Там гелий закачивают в сверхпроводящие магниты .

МРТ проходили многие. Близки массовому потребителя и сканеры на кассах, считывающие штрих-коды. Так вот, в магазинские лазеры закачены гелий и неон. Отдельно гелий помещают в ионные микроскопы. Они дают лучшую картинку, чем электронные, можно сказать, тоже считывают данные.

Речь о системах кондиционирования автомобилей. Кстати, подушки безопасности тоже заполняются гелием. Он просачивается в спасительные емкости быстрее иных газов.

Цена гелия

Пока, на газ гелий цена равна примерно 1 300 рублям за полтора куба. В них вмещаются 10 литров 2-го элемента. Есть баллоны и по 40 литров. Это почти 6 кубов гелия. Ценник на 40-литровые упаковки равен примерно 4 500 рублей .

Кстати, для пущей герметичности, на баллоны с газом надевают защитные чехлы. Они тоже стоят денег , обычно, около 300-от рублей для 40-литровой тары и 150-ти рублей для баллонов на 10 литров.

История открытия

В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D₃, наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.

Распространение в природе

Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.

Изотопы

Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 ( 3 He) и 4 ( 4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.

Физические свойства гелия

Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в виде газа, за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.

Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K – охлаждается. Поэтому при Т 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.

Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком Петром Леонидовичем Капицей в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.

Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя – практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.

Соединения

В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ и молекулярные ионы Не₂ + , Не₂ ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не₂ и HgHe.

Плазма

Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.

Открытие месторождений в США

После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.

Промышленное производство

Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле ВМФ США С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс (штат Вирджиния) в Боллинг-Филд (Вашингтон, округ Колумбия) 7 декабря 1921 года.

Национальный запас США

В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.

После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.

К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.

Чистота и объемы производства

Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.

На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное – в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.

Процесс получения

Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.

Гелий химический элемент, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха. Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052%. Гелий значительно легче воздуха, плотность 0,1785 кг/м 3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -268,9°С. Потенциал ионизации 25,4 В. Бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ, хорошо диффундирует через твердые тела. Химическая формула - He.

Содержание

История открытия гелия

Впервые гелий был обнаружен во время солнечного затмения 1868 г. астрономы впервые применили спектроскопию для исследования атмосферы Солнца.

Вопрос о том, какому веществу отвечает линия D3, долго еще оставался открытым. Было лишь установлено, что в спектрах элементов, известных на нашей планете, пока не обнаружено спектральной линии, подобной ярко-желтой линии D3. Локьер ошибочно считал, что раскаленный газ, излучение которого дает таинственную линию D3, является модификацией водорода, не встречающейся на Земле.

В августе 1871 г. Кельвин заявил, что линия D3 до сих пор не идентифицирована с каким-либо земным элементом. Возможно, что она принадлежит новому веществу, которому Локьер и Жансен предложили дать название гелий (от греческого слова гелиос - солнце).

В 1895 г. Сэр Уильям Рамзай (Sir William Ramsay) изучал газ, выделенный им из минерала клевеита, и в гейслеровой трубке неожиданно обнаружил яркую желтую линию. Выдающийся спектроскопист того времени Уильям Крукс (William Crookes) определил длину волны новой линии (5874,9 А) и установил, что это линия D3, на этом основании Рамзай сообщил (23 марта 1895 г.) об открытии им гелия на Земле.

Такова история открытия важнейшего представителя группы инертных газов, который сначала был обнаружен в солнечной атмосфере, а затем (через 27 лет) - на Земле.

Вскоре гелий был обнаружен в других минералах и горных породах, содержащих уран. Наличие гелия в земной коре позволило сделать вывод о его содержании в атмосфере, хотя многие ученые утверждали, что этот легкий газ, выделяющийся из земной коры, полностью уносится из атмосферы в космическое пространство. Вскоре Генрих Кайзер, а затем Зигберт Фридлендер (1896 г.), а также Эдвард Бэли в результате анализа первой выпаренной фракции жидкого воздуха доказали его присутствие в атмосфере.

Способы получения гелия

Гелий получают из гелийсодержащих природных газов, минералов и воздуха. Об этом мы писали в статье о производстве гелия, поэтому здесь не будем повторять написанное.

Применение гелия

В промышленности гелий применяют в меньших масштабах, чем газ аргон. Чаще всего его используют:

хладагент – охлаждение сверхпроводящих магнитов в медицинских сканерах МРТ;
металлургия – выплавка чистых металлов;
подводно-спасательное дело – в составе дыхательных смесей;
сварочное производство – защитный газ;
в индустрии развлечений – заполнение шариков.

Применение гелия в сварке

В связи с тем, что He примерно в 10 раз легче Ar, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении, поэтому расход гелия при сварке увеличивается в 1,5-3 раза.

Применяют его в основном при сварке неплавящимся электродом химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Гелий становится предпочтительнее аргона при необходимости дополнительной защиты швов при сварке в потолочном положении. Особенно при сварке титановых сплавов и других химически активных металлов, поглощающих азот и кислород не только в расплавленном состоянии, но и в твердом при нагреве выше определенной температуры.

Однако не только защитные свойства Ar и He различны. Различными являются и характеристики дуги в этих газах. Так, при одинаковой силе тока напряжение дуги в гелии значительно выше, чем дуги в аргоне. Такая дуга имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована (создает иную форму проплавления, более равномерную, в то время как дуга в аргоне при сварке, например, титановых сплавов вольфрамовым электродом дает большое проплавление в центре и значительно меньшее по краям ванны). Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги заметнее сказывается на напряжении и общей ее теплоэффективности. Для более развернутой информации обязательно прочитайте статью о сварочной дуге в инертных газах.

Форма шва и проплавление для различных защитных газов

В зависимости от применения того или иного газа меняется и поверхностное натяжение на границе металл-газовая фаза. Так, для хромоникелевых сталей аустенитного класса поверхностное натяжение жидкого металла при сварке в He заметно меньше, чем в Ar. Это сказывается и на формировании поверхности швов. Более плавные переходы от шва к основному металлу, при сварке в гелии, имеют место и для других металлов, в частности титановых сплавов и в ряде случаев оказывают влияние на некоторые характеристики работоспособности сварных соединений.

Чаще всего He используют для образования инертных газовых смесей c Ar. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха и увеличивают производительность сварки в целом. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов:

аргон - обеспечивает стабильность горения дуги;
гелий - обеспечивает высокую степень проплавления.

Опасность и вред гелия

Гелий не относится к ядовитым и токсичным газам, поэтому в малых количествах он не является опасным. Он может оказать действие как удушающий газ (асфиксант) только в том случае, если в результате утечки уровень кислорода окажется ниже допустимой концентрации. Но утечку гелия очень легко выявить т.к. за счет сжимания голосовых связок у человека меняется голос. Мы все знаем данный комический и мультяшный эффект, когда при вдыхании гелия из шарика голос становится более высоким.

Гелий является опасным, только в случае снижения уровня кислорода в окружающей среде ниже допустимой концентрации.

Хранение и траспортировка гелия

Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении 15 МПа или в сжиженном состоянии при давлении менее 0,2 МПа.

Методы определения доли примесей и условий поставки регламентируются ГОСТ 20461.

Ге́лий/Helium (He), 2

4,5 (шкала Полинга)

0,147 (при −270 °C) 0,00017846 (при +20 °C) г/см³

(300 K) 0,152 Вт/(м·К)

Ге́лий — второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Расположен в главной подгруппе восьмой группы, первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической системе Менделеева. Обозначается символом He (лат. Helium ). Простое вещество гелий (CAS-номер: 7440-59-7) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода. Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим веществом.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой (см. Фракционная дистилляция в статье Дистилляция).

Содержание

История

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов [3] [4] .

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор [4] .

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента [источник не указан 1252 дня] .

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере [4] [5] [6] .

Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот [6] и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию. Но только значительно позже, в 1906 году, Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома [7] .

Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы [8] .

В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения [8] [9] . Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления [10] :

… такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим. …
… Если вязкость воды равняется 10 −2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …

Происхождение названия

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе [11] . Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва [12] [13] , во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4) [14] . Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона) [15] .

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) — 5,27·10 −4 % по объёму, 7,24·10 −5 % по массе [2] [6] [14] . Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·10 14 м³ [2] . Гелионосные природные газы содержат как правило до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 — 16 % [14] .

Среднее содержание гелия в земном веществе — 0,003 мг/кг или 0,003 г/т [14] . Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8 — 3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг [6] [14] . Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп 4 He, он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов.

Определение

Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии 587,56 нм и 388,86 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.) [2] .

Физические свойства

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий — нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения ( T = 4,215 K для 4 He) наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы) [16] . Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He₂ + , фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).

Энергия связи молекулярного иона гелия He₂ + составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние 1,09 Å. [17]

Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось в виду соединение LiHe₇) [18] [19] .

Свойства в газовой фазе

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях, плотность составляет 0,17847 кг/м³, обладает теплопроводностью 0,1437 Вт ⁄_(м·К) — бо́льшей, чем у всех других газов за исключением водорода, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока ( с_р = 5,23 кДж ⁄_(кг·К) , для сравнения — 14,23 кДж ⁄_(кг·К) для Н₂).

При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов — розового, оранжевого, жёлтого, ярко-жёлтого, жёлто-зелёного и зелёного. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра, важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 706,52 нм и 447,14 нм [8] . Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от инфракрасного к ультрафиолетовому краю.

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных ( 1 S₀) и триплетных ( 3 S₁), поэтому в конце 19 века Локьер, Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них имел в спектре жёлтую линию 587,56 нм , другой — зелёную 501,6 нм . Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч. звёздный. Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа 7—8 мм рт.ст. наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 г. [20] (см. Обменное взаимодействие). Спектр зависит от взаимного направления спинов электронов в атоме — атом с противоположно направленными спинами (дающий зелёную линию в оптических спектрах) получил название парагелия, с сонаправленными спинами (с жёлтой линией в спектре) назван ортогелием. Линия парагелия — одиночки, линии ортогелия — весьма узкие триплеты. Атом гелия в нормальных условиях находится в одиночном (синглетном) состоянии. Чтобы атом гелия перевести в триплетное состояние, нужно затратить работу в 19,77 эВ . Переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное сам по себе осуществляется чрезвычайно редко. Такое состояние, из которого переход в более глубокое сам по себе маловероятен, носит название метастабильного. Вывести атом из метастабильного состояния в стабильное можно, подвергая атом внешнему воздействию, например, электронным ударом или при столкновении с другим атомом с передачей последнему непосредственно энергии возбуждения. [21] В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно, и суммарный спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов сонаправлены, суммарный спиновый момент равен единице. Принцип Паули запрещает двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в низшем энергетическом состоянии ортогелия, имея одинаковые спины, вынуждены иметь различные главные квантовые числа: один электрон находится на 1s-орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2s-орбитали (состояние оболочки 1s2s). У парагелия оба электрона находятся в 1s-состоянии (состояние оболочки 1s 2 ).

Спонтанный интеркомбинационный (то есть сопровождающийся изменением суммарного спина) переход с излучением фотона между орто- и парагелием чрезвычайно сильно подавлен, однако возможны безызлучательные переходы при взаимодействии с налетающим электроном или другим атомом.

Следует отметить, что время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 2 0 S₁ также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход 2 0 S₁ → 1 0 S₁ + γ [28] , а для двухфотонного распада время жизни составляет 19,5 мс [22] .

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0 °C , 10,10 при 80 °C ), в этаноле — 2,8 мл/л ( 15 °C ), 3,2 мл/л ( 25 °C ). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля — Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения. После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.

Свойства конденсированных фаз

Изотопы

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4 He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого 3 He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьироваться в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.

Получение

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO₂ и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т. н. сырой гелий, (He — 70-90 % об.) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N₂ и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N₂. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).

По производству гелия лидируют США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³.

В 2003 г. производство гелия в мире составило 110 млн м3, в том числе в США — 87 млн м3, Алжире — 16 млн м3, России — более 6 млн м3, Польше — около 1 млн м3. [30]

Транспортировка

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и т. п. светло-серого цвета объёмом 10, 25, 40, 250 и 500 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Применение

Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве:

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов. При помощи гелиевой съёмки [31] можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов. Гелий, как продукт распада радиоактивных элементов, насыщающих верхний слой земной коры, просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Это явление было впервые установлено советским геофизиком И. Н. Яницким во время поисков урановых руд. Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов [32] .

В астрономии

В честь гелия назван астероид (895) Гелио (англ.) русск. , открытый в 1918 году.

Биологическая роль

На данный момент биологическая роль не выяснена.

Физиологическое действие

Стоимость

В 2009 г. цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 2,5—3 $/м³ [34] .
В 2010 г. цена в Европе на сжиженный гелий была около 11 евро за литр. В 2012 году — 23 евро за литр

Интересные факты

Гелий — вещество с самой низкой температурой кипения. Гелий кипит при температуре −269 °C [35] .

См. также

— лёгкий нерадиоактивный изотоп гелия. — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия 3 He — наука, изучающая прохождение гелия через различные среды.

Примечания

Ссылки

Гипотетические: 2 He: Гелий-2 (Дипротон)

Стабильные: 3 He: Гелий-3, 4 He: Гелий-4

Нестабильные (менее суток): 5 He: Гелий-5, 6 He: Гелий-6, 7 He: Гелий-7, 8 He: Гелий-8, 9 He: Гелий-9, 10 He: Гелий-10

Каждый из нас знаком с этим удивительным веществом. Кто- то вдыхал его и при этом веселил окружающих своим изменившимся голосом. А шары , наполненные гелием - любимая игрушка всей детворы и символ свободы для выпускников школ. Но кроме этих знакомых всем свойств, гелий обладает массой уникальных особенностей.

Гелий - второй химический элемент Периодической системы Д.И. Менделеева. Обнаружен он был 18 августа 1868 года французским ученым Пьером Жансеном и 20 октября того же года английским астрономом Норманом Локьером. Они изучали корону Солнца и в спектре обнаружили ярко- желтую линию до того момента никому неизвестного химического элемента.Локьер с Франклендом назвали его гелий (от греческого "гелиос" - солнце).

В 1895 году шотландец Уильям Рэмси открыл гелий и на Земле, а затем было доказано его наличие в атмосфере.

Почему с гелием так трудно работать, почему его так трудно обнаружить. Все дело в том, что гелий относится к группе инертных газов.

Эти газы, из- за того, что у них определенное число электронов не взаимодействуют с другими веществами и химическими элементами.

Гелий самый неактивный элемент во Вселенной. Повторюсь самый неактивный. Его электронная оболочка, состоящая всего из двух электронов заполнена. Ему не надо "чужих" электронов и свои он тоже не отдает. Чтобы заставить гелий соединиться с другим химическим элементом нужны экстремальные давления и температуры.

Гелий, после водорода, самый распространенный элемент во Вселенной. Он появляется в процессе термоядерного синтеза из водорода в глубинах звезд. На долю водорода и гелия приходится 99,9 % всего вещества нашей Вселенной.

Он не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.

Но самые удивительные свойства проявляются у гелия, если его перевести в жидкое состояние. Это возможно только при температурах близких к абсолютному нулю. Жидкий гелий ведет себя аномально, у него нет вязкости, и он может беспрепятственно перетекать в любых направлениях. Такие жидкости получили название квантовых.

Гелий в основном используется в металлургической промышленности, при воздухоплавании, и как все инертные газы светится при пропускании через него электрического тока.

Так что, такой веселый газ играет огромную роль в глобальных процессах нашей Вселенной.

Читайте также: