ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Гелий - второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Hе от латинского «helium». Расположен в первом периоде, VIIIА группе. Относится к группе инертных (благородных) газов. Заряд ядра равен 2.
Гелий встречается на Земле в основном в атмосфере, однако некоторые его количества выделяются в определенных местах из недр Земли вместе с природными газами. Воды многих минеральных источников тоже выделяют гелий.
Гелий представляет собой бесцветный, трудносжижаемый газ (температура кипения -268,9 o С), затвердевающий только под избыточным давлением (схема строения атома представлена на рис. 1). Обладает сильной способностью проникать через стекло и металлическую фольгу. Плохо растворяется в воде, лучше - в бензоле, этаноле, толуоле.
Рис. 1. Строение атома гелия.
Атомная и молекулярная масса гелия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).
Поскольку в свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 4,003.
Изотопы гелия
Гелий - наиболее распространенный после водорода элемент космоса - состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Их массовые числа равны 4 и 3. Ядро атома гелия 4 He содержит два протона и два нейтрона, а атома 3 He - такое же число протонов и один нейтрон.
Спектральный анализ показывает присутствие его в атмосфере Солнца, звезд, в метеоритах. Накапливание ядер 4 He во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником солнечной и звездной энергии.
Ионы гелия
В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовывать молекулярные ионы He 2 + . В обычных условиях эти ионы неустойчивы; захватывая недостающий электрон, они распадаются на два нейтральных атома.
Молекула и атом гелия
В свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Углеводород содержит 92,3 % углерода (с). Выведите молекулярную (эмпирическую) формулу углеводорода (С х Н у), если плотность его паров по гелию (Не) равна 6,5. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов углерода в молекуле через «х», число атомов водорода через «у». Найдем процентное содержание водорода в составе углеводорода: ω (Н) = 100% — ω (С) =100% — 92,3% = 7,7%. Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов углерода и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(С) = 12 а.е.м.; Ar(Н) = 1 а.е.м. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y = m(Сa)/Ar(С) : m(Н)/Ar(Р); x:y = 92,3/12: 7,7/1; x:y:z = 7,7: 7,7 = 1: 1. Значит простейшая формула углеводорода СН. M(CH) = Ar(C) + Ar(H) = 12 + 1 =13 / моль. Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по гелию: M substance = M(Не) × D(Не) ; M substance = 4 × 6,5 = 26 г/моль. Чтобы найти истинную формулу углеводорода найдем отношение полученных молярных масс: M substance / M(CH) = 26 / 13 = 2. Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. молекулярная (эмпирическая) формула углеводорода имеет вид C 2 H 2 .Это ацетилен. |
| Ответ | C 2 H 2 .Это ацетилен. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В баллоне вместимостью 60 л при 20 o С и 40 атм находится гелий. Определите объем израсходованного гелия при н.у., если после 8 часов работы давление в баллоне понизилось до 32 атм, а температура возросла до 22 o С. |
| Решение | Сначала переведем градусы в Кельвины:
T 1 = 273 + 20 = 293 К; T 2 = 273 + 22 = 295 К. По объединенному газовому закону: PV / T = P 0 V 0 / T 0 ; V 0 = PVT 0 / P 0 T. Для исходного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил: V 0 initial = P 1 ×V 1 ×T 0 / P 0 ×T 1 . Для конечного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил: V 0 final = P 2 ×V 2 ×T 0 / P 0 ×T 2 . Выразим объем израсходованного гелия при н.у.: V x = V 0 initial — V 0 final ; V x = - ; V x = (T 0 / P 0) × [(P 1 ×V 1 / T 1) - (P 2 ×V 2 / T 2)]. Так как вместимость баллона постоянна, то V 1 = V 2 = V, тогда: V x = (T 0 ×V / P 0) × [(P 1 / T 1) - (P 2 / T 2)]; V x = (273× 60 / 1) × [(40 / 293) - (32 / 295)] = 459 л. |
| Ответ | 459 л. |
Гелий (лат. helium), символ Не, химический элемент viii группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026; газ без цвета и запаха. Природный Г. состоит из 2 стабильных изотопов: 3he и 4he (содержание 4he резко преобладает).
Впервые Г. был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер исследовали спектроскопически состав солнечных протуберанцев. Полученные ими снимки содержали яркую жёлтую линию (т. н. d3-линию), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил её происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios - Солнце). На Земле Г. впервые был выделен в 1895 англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия.
Гелий в природе. На Земле Г. мало: 1 м3 воздуха содержит всего 5,24 см3 Г., а каждый килограмм земного материала - 0,003 мг Г. По распространённости же во Вселенной Г. занимает 2-е место после водорода: на долю Г. приходится около 23% космической массы.
На Земле Г. (точнее, изотоп 4he) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной коре содержится около 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих 4he).
Примерно половина всего Г. сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание Г. в земной коре невелико - 3 · 10-7% по массе. Г. накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации Г. (10-13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше Г. в составе природных газов. Вулканическим газам свойственно обычно низкое содержание Г.
Добыча Г. в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10-0,50) и бедные < 0,10). В СССР природный Г. содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).
В природном Г. любого происхождения (атмосферном, из природных газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т.д.) преобладает изотоп 4he. Содержание 3he обычно мало (в зависимости от источника Г. оно колеблется от 1,3 · 10-4 до 2 · 10-8%) и только в Г., выделенном из метеоритов, достигает 17-31,5%. Скорость образования 4he при радиоактивном распаде невелика: в 1 т гранита, содержащего, например, 3 г урана и 15 г тория, образуется 1 мг Г. за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно, за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание Г. в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное (оно составляет около 5 · 1014 м3). Такой дефицит Г. объясняется постоянным улетучиванием его из атмосферы. Лёгкие атомы Г., попадая в верхние слои атмосферы, постепенно приобретают там скорость выше 2-й космической и тем самым получают возможность преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание Г. приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.
Изотоп 3he, в частности, образуется в атмосфере при бета-распаде тяжёлого изотопа водорода - трития (Т), возникающего, в свою очередь, при взаимодействии нейтронов космического излучения с азотом воздуха:
Ядра атома 4he (состоящие из 2 протонов и 2 нейтронов), называют альфа-частицами или гелионами, - самые устойчивые среди составных ядер. Энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в 4he имеет максимальное по сравнению с ядрами других элементов значение (28,2937 Мэв); поэтому образование ядер 4he из ядер водорода (протонов) 1Н сопровождается выделением огромного количества энергии. Считают, что эта ядерная реакция: 41h = 4he +2b+ + 2n [одновременно с 4he образуются 2 позитрона (b +) и 2 нейтрино (n)] служит основным источником энергии Солнца и других схожих с ним звёзд. Благодаря этому процессу и накапливаются весьма значительные запасы Г. во Вселенной.
Физические и химические свойства . При нормальных условиях Г. - одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л, tkип - 268,93°С. Г. - единственный элемент, который в жидком состоянии не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Наименьшее давление перехода жидкого Г. в твёрдый 2,5 Мн/м2 (25 am), tпл при этом равна - 272,1°С. Теплопроводность (при 0°С) 143,8 · 10-3 вт/см (k . Радиус атома Г., определённый различными методами, составляет от 0,85 до 1,33 . В 1 л воды при 20°С растворяется около 8,8 мл Г. Энергия первичной ионизации Г. больше, чем у любого другого элемента, - 39,38 · 10-13дж (24,58 эв); сродством к электрону Г. не обладает. Жидкий Г., состоящий только из 4he, проявляет ряд уникальных свойств (см. ниже).
До настоящего времени попытки получить устойчивые химические соединения Г. оканчивались неудачами (см. Инертные газы). Спектроскопически доказано существование в разряде иона he2+. В 1967 советские исследователи В. П. Бочин, Н. В. Закурин, В. К. Капышев сообщили о синтезе в зоне дугового разряда за счёт реакции Г. с фтором, с bf3 или с ruf5 ионов hef+, hef22+ и hef2+. Согласно расчёту, величина энергии диссоциации иона hef+ равна 2,2 эв.
Получение и применение. В промышленности Г. получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% Г.). От других газов Г. отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.
Благодаря инертности Г. широко применяют для создания защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Г. менее электропроводен, чем другой инертный газ - аргон, и поэтому электрическая дуга в атмосфере Г. даёт более высокие температуры, что значительно повышает скорость дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью Г. применяют для наполнения стратостатов. Высокая теплопроводность Г., его химическая инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать Г. для охлаждения атомных реакторов. Жидкий Г. - самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении различных научных исследований. На определении содержания Г. в радиоактивных минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста (см. Геохронология). Благодаря тому что Г. очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам (замена азота на Г. предотвращает появление кессонной болезни). Изучаются возможности применения Г. и в атмосфере кабины космического корабля.
С. С. Бердоносов, В. П. Якуцени.
Гелий жидкий. Относительно слабое взаимодействие атомов Г. приводит к тому, что он остаётся газообразным до более низких температур, чем любой другой газ. Максимальная температура, ниже которой он может быть сжижен (его критическая температура tk), равна 5,20 К. Жидкий Г. - единственная незамерзающая жидкость: при нормальном давлении (рис. 1) Г. остаётся жидким при сколь угодно низких температурах и затвердевает лишь при давлениях, превышающих 2,5 Мн/м2 (25 am).
При температуре tλ =2,19 К и нормальном давлении жидкий Г. испытывает фазовый переход второго рода. Г. выше этой температуры называется Не i, ниже - Не ii. При температуре фазового перехода наблюдаются аномальное возрастание теплоёмкости, излом кривой температурной зависимости плотности Г. и др. характерные явления.
В 1938 П. Л. Капица открыл у Не ii сверхтекучесть - способность течь практически без вязкости. Объяснение этого явления было дано Л. Д. Ландау (1941) на основе квантовомеханических представлений о характере теплового движения в жидком Г.
При низких температурах это движение описывается как существование в жидком Г. элементарных возбуждений - фононов (квантов звука), обладающих энергией e·= hv (v - частота звука, h - постоянная Планка) и импульсом р = e/c (с = 240 м/сек - скорость звука). Число и энергия фононов растут с повышением температуры Т. При t > 0,6 К появляются возбуждения с большими энергиями (ротоны), для которых зависимость e(p) имеет нелинейный характер. Фононы и ротоны обладают импульсом и, следовательно, массой. Отнесённая к 1 см, эта масса определяет плотность rn т. н. нормальной компоненты жидкого Г. При низких температурах rn стремится к нулю при Т -> 0. Движение нормальной компоненты, как и обычного газа, имеет вязкостный характер. Остальная часть жидкого Г., т. н. сверхтекучая компонента, движется без трения; её плотность ps = p - pn. При Т -> tλ pn -> pr, так что в λ-точке ps обращается в нуль и сверхтекучесть исчезает (Не i - обычная вязкая жидкость).
Т. о., в жидком Г. одновременно могут происходить два движения с различными скоростями.
На основе этих представлений удаётся объяснить ряд наблюдаемых эффектов: при вытекании he ii из сосуда через узкий капилляр температура в сосуде повышается, т.к. вытекает главным образом сверхтекучая компонента, не несущая с собой теплоты (т. н. механокалорический эффект); при создании разности температур между концами закрытого капилляра с Не ii в нём возникает движение (термомеханический эффект) - сверхтекучая компонента движется от холодного конца к горячему и там превращается в нормальную, которая движется навстречу, при этом суммарный поток отсутствует. В жидком Г. может распространяться звук двух видов - обычный и т. н. второй звук. При распространении второго звука в местах сгущения нормальной компоненты происходит разрежение сверхтекучей.
Всё сказанное относится к обычному Г., состоящему в основном из изотопа 4he. Более редкий изотоп 3he имеет иные, чем у 4he, квантовые свойства). Жидкий 3he - также незамерзающая жидкость (tk = 3,33 К), но не обладающая сверхтекучестью: вязкость 3he неограниченно возрастает с понижением температуры.
Лит.: Кеезом В., Гелий, пер. с англ., М., 1949; Фастовский В. Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю. В., Инертные газы, М., 1964; Халатников И. М., Введение в теорию сверхтекучести, М., 1965; Смирнов Ю. Н., Гелий вблизи абсолютного нуля, «Природа», 1967, № 10, с. 70; Якуцени В. П., Геология гелия, Л., 1968. См. также лит. к ст. Инертные газы.
Как многие знают, самым распространенным и легким элементом на земле является водород , гелий же в нашем мире занимает второе место! Гелий — второй элемент периодической таблицы Менделеева является инертным одноатомным газом, не имеющим ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Обладает самой низкой температурой кипения из всех веществ (-269 о С). Имеет 8 изотопов. Каждый из них уникален по своим свойствам.
История открытия
Первооткрывателем гелия по праву можно считать французского астронома, директора обсерватории в Медоне, Пьера Жюль Сезар Жансена. В 1868 году, при исследовании солнца, а именно хромосферы, астрономом была запечатлена линия ярко-желтого цвета, которую изначально и ошибочно отнесли к спектру натрия . Но, спустя несколько лет, в 1871 году Пьер, совместно с английским астрономом Джозефом Локьером, установили, что линия, найденная Жансеном, не принадлежит ни одному из известных на тот момент химических элементов. Название гелий получил, от слова «гелиос», что в переводе с греческого означает — солнце! В первую очередь, ученые предположили, что найденный элемент является металлом, но в наши дни, с уверенностью можно сказать — это было ложное предположение
Как многие знают, абсолютно все газы можно привести в жидкое состояние, но для этого, конечно, потребуются определенные условия. Сжиженный открыли только в 1908 году. Нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес понижал давление газа с протеканием через дроссель, предварительно охладив гелий.
Твердый гелий, был получен только через 20 лет в 1926 году. Ученик Камерлинг-Оннеса, смог добиться получения кристаллов газа, увеличив давление гелия выше 35 атмосфер и охладив газ до предельно низкой температуры.
Начнем с того, что гелий не может вступать в химические реакции вовсе, а так же не имеет степеней окисления. Гелий – одноатомный газ, и имеет всего лишь один электронный уровень (оболочку), являясь крайне устойчивым газом, так как имеет полностью заполненный электронами первый уровень, что говорит о сильном воздействии ядра на электроны. Атомы гелия, не то, что не реагируют с другими веществами, более того, они не соединяются даже друг с другом.
Жидкий гелий имеет ряд абсолютно уникальных свойств. В 30 годах 20-го века, при еще меньших температурах было замечено крайне странное и невероятное явление – когда гелий охлаждается до температуры всего на 2 градуса превышающей абсолютный ноль, происходит его неожиданная трансформация. Поверхность жидкости становится абсолютно спокойной и гладкой, ни единого пузырька, ни малейшего бурления жидкости. Жидкий гелий превращается в сверхтекучую жидкость. Такой гелий может забраться по стенкам и «сбежать» из сосуда, в котором он хранится, это происходит из за нулевой вязкости сжиженного газа. Он может стать фонтаном, обладающим нулевым трением, а значит, такой фонтан может течь бесконечно. Несмотря на все теории, ученые установили, что сжиженный гелий это непросто жидкость. Например, начиная с 2He, оказалось, что сжиженный газ состоит из двух взаимопроникающих жидкостей: нормальной (вязкой) и сверхтекучей (нулевая вязкость) компоненты. Сверхтекучая компонента является идеальной и обладает нулевым трением, при протекании в любых сосудах и капиллярах.
Что же касается твердого гелия, то на данный момент, ученые проводят многочисленные опыты и эксперименты. Твердый 4He обладает квантовым эффектом, таким как кристаллизационная волна. Этот эффект основан на колебании границы раздела фаз в системе – «кристалл – жидкость». Достаточно немного качнуть такой гелий, и граница фаз между жидкостью и твердым веществом будет схожа с границей двух жидкостей!
Использование гелия в промышленности
В основном, гелий необходим для получения крайне низких температур, а так же в металлургии для выплавки чистых металлов. Так же 2He – это не только один из лучших теплоносителей, но и хороший пропеллент (Е939) в пищевой индустрии.
С помощью гелия можно определять местонахождение разломов в толще Земли, так как он выделяется при распаде радиоактивных элементов, которыми насыщена земная кора. Концентрация гелия на выходе из трещины, в 50 -100 раз больше, чем нормальная.
Более того, гелием наполняют воздушные суда, такие как дирижабли. Гелий намного легче чем воздух, поэтому подъемная сила таких судов очень высока. Да, водород легче, чем гелий. Так почему бы не использовать его? Водород – это горючий элемент, и заправлять им дирижабли крайне опасно.
Опасность
Любое превышение концентрации газа может быть опасным для здоровья человека. Вдыхание воздуха с высокой концентрацией гелия может вызвать потерю сознания, сильные, рвоту и даже смерть. Смерть наступает в результате кислородного голодания, связанного с тем что в легкие не попадает
Гелий: как его добывают и где применяют
Гелий – это инертный газ без цвета и запаха, химический элемент, внесенный в периодическую систему. Первое упоминание о гелии относят к 1868 году. Тогда исследователи Пьер Жюль Жансен и Джозеф Норман Локьер наблюдали за солнечным затмением и проводили спектроскопию лучей. При разделении солнечных лучшей на элементы разного цвета они заметили светло-желтый элемент, до этого неизвестный физикам. Позже выяснилось, что это и был гелий.
Несмотря на то, что гелий занимает второе место по количеству во вселенной после водорода, на Земле он встречается нечасто. Только в 1895 году ученым из Шотландии удалось выделить это вещество из клевеита – природного минерала.
Месторождения гелия
Сегодня гелий добывают в недрах земли, выделяя его из природного газа. В России его добычей занимается завод по обработке газа в Оренбурге. Природный газ, с которым работают на заводе, содержит всего 0,055% гелия, что считается очень небольшим показателем. Газы, богатые гелием – это газы, в которых его содержание составляет не менее 0,5%. Если природный газ содержит от 0,1 до 0,5% гелия, его называют родовым гелиевым месторождением.
В общей сложности на Земле насчитывается более 40 миллиардов кубометров гелия. Больше всего богаты на гелий Китай, Россия, США, Алжир, Катар. Ежегодно по всему миру добывается около 175 миллионов кубических метров гелия. Российские месторождения добывают всего 5 млн кубометров. В Сибири и на Дальнем Востоке обнаружены богатые месторождения этого газа, однако на сегодня его добыча там не налажена.
Как получают гелий из природного газа
Процесс получения гелия состоит из двух этапов. Вначале природный газ охлаждают, после чего происходит конденсация и выделяется гелиевый концентрат – вещество, которое на 80% состоит из гелия. После этого полученное вещество очищают от примесей (водорода, аргона, метана, азота). Для очищения используются различные методы.
Где применяется гелий
Этот инертный газ отлично проводит электричество и тепло, поэтому широко применяется во многих сферах – в ракетостроении, авиации, атомной промышленности, медицине. Он намного легче воздуха, поэтому его используют также в воздухоплавании и подводных погружениях.
Этот газ входит в состав дыхательных смесей – он не токсичен, его можно вдыхать без вреда для здоровья.
Совсем недавно ученые открыли еще одну область применения гелия – в атомной индустрии. Гелий используется как теплопроводник для атомных реакторов. В металлургии этот газ используют как защитное вещество при сварочных работах.
Запасы гелия на Земле
По оценкам экспертов, чтобы удовлетворить такие большие потребности в гелии, к 2030 году ежегодно будет требоваться 238-312 миллионов кубометров. К этому времени объем добычи возрастет всего лишь до 213-238 млн. кубических метров за год, поэтому ожидается некоторая нехватка гелия в производственных сферах. Выход из этой ситуации один – повышать количество добываемого гелия. В России уже сегодня строятся новые предприятия по его добыче – преимущественно в регионах Сибири.
Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.
История открытия
Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».
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 D 3 , 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 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<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.
Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.
Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 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 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, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 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 С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.
Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».
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.
Сферы применения
Благородный газ нашел применение в разных областях.
- Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
- В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
- Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
- He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
- Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
- Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
- Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
- В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
- Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
- Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.
Гелий: свойства элемента
Основные физические свойства He следующие:
- Атомный номер: 2.
- Относительная масса атома гелия: 4,0026.
- Точка плавления: нет.
- Точка кипения: -268,9 °C.
- Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
- Состояния окисления: 0.