Hel

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Hel
Wodór | Lit
2 On

Ne
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонUkład okresowy pierwiastków
2 On
Sześciokątny.svg
Powłoka elektronowa 002 Hel.svg
Wygląd prostej substancji
Gaz obojętny bez koloru , smaku i zapachu
Rura wyładowcza helu.jpg
Blask helu w rurze wyładowczej
Właściwości atomu
Imię, symbol, numer Hel / Hel (He), 2
Masa atomowa
( masa molowa )
4.002602 ± 2.0e - 6[1] [2] a. em. ( g / mol )
Elektroniczna Konfiguracja 1s 2
Promień atomu ? (31) [3] pm
Właściwości chemiczne
Promień kowalencyjny 28 [3] po południu
Promień jonów 93 [3] po południu
Elektroujemność 4,5 (skala Paula)
Potencjał elektrody 0
Stany utleniania 0
Energia jonizacji
(pierwszy elektron)
2361,3 (24,47) kJ / mol ( eV )
Właściwości termodynamiczne prostej substancji
Gęstość (przy i.n.o. ) 0,147 g / cm3 (w -270 ° C);
0,00017846 (w +20 ° C) g / cm³
Temperatura topnienia 0,95 K (-272,2 ° C , -457,96 ° F) (przy 2,5 MPa )
Temperatura wrzenia 4,2152 K (-268,94 ° C , -452,08 ° F) (dla 4 He) [4]
Ud. ciepło topnienia 0,0138 kJ/mol
Ud. ciepło parowania 0,0829 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 20,79 [4] J / (K · mol)
Objętość molowa 31,81 cm ł / mol
Sieć krystaliczna prostej substancji
Struktura kratowa sześciokątny
Parametry sieci a = 3,570 Å; c = 5,84 Å
C / stosunek 1,633
Inne cechy
Przewodność cieplna (300K) 0,152 W/(mK)
numer CAS 7440-59-7
Spektrum emisji
438.793 нм443.755 нм447.148 нм471.314 нм492.193 нм501.567 нм504.774 нм587.562 нм667.815 нмWidmo helu widoczne.png
2
Hel
On
4.002602 ± 2,0E - 6[1]
1s 2

Hel (He, łac. Hel) - pierwiastek chemiczny VIII grupy formy krótkiej (18 grupa formy długiej) [5] pierwszego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych , ma liczbę atomową 2. Głowa grupa gazów obojętnych [5] .

Jako prosta substancja jest obojętnym gazem jednoatomowym bez koloru, smaku i zapachu.

Pod względem rozpowszechnienia we Wszechświecie i jasności zajmuje drugie miejsce po wodorze . Jego temperatura wrzenia jest najniższa ze wszystkich znanych substancji.

Hel pozyskiwany jest z gazu ziemnego w procesie niskotemperaturowej separacji – tzw. destylacji frakcyjnej (patrz „ Destylacji frakcyjnej ”) lub membranowej separacji gazów [6] .

Historia odkryć

Hel w ampułce

18 sierpnia 1868 roku francuski naukowiec Pierre Janssen , podczas całkowitego zaćmienia Słońca w indyjskim mieście Guntur , po raz pierwszy zbadał chromosferę Słońca. Janssen był w stanie dostroić spektroskop w taki sposób, aby widmo korony słonecznej można było obserwować nie tylko podczas zaćmienia, ale także w zwykłe dni. Następnego dnia spektroskopia protuberancji słonecznych wraz z liniami wodorowymi - niebieską, zielono-niebieską i czerwoną - ujawniła bardzo jasnożółtą linię, oryginalnie wykonaną przez Janssena i innych astronomów, którzy obserwowali ją dla linii D sodu . Janssen natychmiast napisał o tym do Francuskiej Akademii Nauk . Następnie stwierdzono, że jasnożółta linia w widmie słonecznym nie pokrywa się z linią sodu i nie należy do żadnego ze znanych wcześniej pierwiastków chemicznych [7] [8] .

Dwa miesiące później, 20 października, angielski astronom Norman Lockyer , nie wiedząc o rozwoju swojego francuskiego kolegi, również przeprowadził badania widma słonecznego. Po znalezieniu nieznanej żółtej linii o długości fali 588 nm (dokładniej 587,56 nm ) oznaczył ją D 3 , ponieważ była bardzo blisko linii Fraunhofera D 1 ( 589,59 nm ) i D 2 ( 588,99 nm ) sodu. Dwa lata później Lockyer wraz z angielskim chemikiem Edwardem Franklandem , z którym współpracował, zaproponowali nadanie nowemu pierwiastkowi nazwy „hel” (od starożytnej greki ἥλιος – „słońce”) [8] .

Co ciekawe, listy od Janssena i Lockyera dotarły do ​​Francuskiej Akademii Nauk tego samego dnia - 24 października 1868 roku, ale list Lockyera, napisany przez niego cztery dni wcześniej, dotarł kilka godzin wcześniej. Następnego dnia oba listy zostały odczytane na zebraniu Akademii. Na cześć nowej metody badania protuberancji Akademia Francuska postanowiła wybić medal. Z jednej strony medalu wytłoczono portrety Jansena i Lockyera nad skrzyżowanymi gałązkami wawrzynu , az drugiej wizerunek mitologicznego boga światła Apolla , panującego w galopującym rydwanie czterech koni [8] .

W 1881 roku Włoch Luigi Palmieri opublikował raport o swoim odkryciu helu w gazach wulkanicznych fumaroli . Zbadał jasnożółtą oleistą substancję osadzoną ze strumieni gazu na krawędziach krateru Wezuwiusza . Palmieri zapalił ten wulkaniczny produkt w płomieniu palnika Bunsena i zaobserwował spektrum gazów uwalnianych podczas tego procesu. Uczeni przyjęli tę wiadomość z niedowierzaniem, ponieważ Palmieri niejasno opisał swoje doświadczenie. Po wielu latach rzeczywiście w składzie gazów fumarolowych stwierdzono niewielkie ilości helu i argonu [8] .

Dopiero 27 lat po jego pierwszym odkryciu na Ziemi odkryto hel – w 1895 roku szkocki chemik William Ramsay , badając próbkę gazu otrzymanego z rozkładu minerału kleweit , znalazł w jego widmie tę samą jasnożółtą linię znalezioną wcześniej w widmo. Próbka została wysłana do dalszych badań do słynnego angielskiego spectroscopist William Crookes , który stwierdził, że żółta linia obserwowane w widmie próbki pokrywa się z linią helu D 3. 23 marca 1895 Ramsay wysłał wiadomość o swoim odkryciu helu na Ziemi do Royal Society of London , a także do Akademii Francuskiej przez słynną chemik Marceline Berthelot [8] .

Szwedzcy chemicy P. Cleve i N. Lengle byli w stanie wydobyć wystarczającą ilość gazu z kleweitu, aby ustalić masę atomową nowego pierwiastka [9] [10] .

W 1896 roku Heinrich Kaiser , Siegbert Friedlander , a dwa lata później Edward Bailey ostatecznie udowodnili obecność helu w atmosferze [8] [11] [12] .

Jeszcze przed Ramsayem hel został również wyizolowany przez amerykańskiego chemika Francisa Hillebranda , ale błędnie sądził on, że otrzymał azot [12] i w liście do Ramsaya uznał priorytet odkrycia.

Badając różne substancje i minerały, Ramsay odkrył, że hel towarzyszy w nich uranu i toru . Ale dopiero znacznie później, w 1906 roku, Rutherford i Royds ustalili, że cząstki alfa pierwiastków radioaktywnychjądrami helu. Badania te położyły podwaliny pod nowoczesną teorię budowy atomu [13] .

Wykres zależności pojemności cieplnej ciekłego helu-4 od temperatury

Dopiero w 1908 roku holenderskiemu fizykowi Heike Kamerling-Onnes udało się uzyskać ciekły hel . Zastosował dławienie (patrz efekt Joule-Thomsona ) po wstępnym schłodzeniu gazu w ciekłym wodorze wrzącym pod próżnią. Próby uzyskania stałego helu przez długi czas nie powiodły się nawet w temperaturze 0,71 K , którą osiągnął uczeń Kamerling-Onnes, niemiecki fizyk Willem Hendrik Kees . Dopiero w 1926 roku, stosując ciśnienie powyżej 35 atm i schładzając sprężony hel we wrzącym w rozrzedzeniu ciekłym helu, udało mu się wyodrębnić kryształy [14] .

W 1932 Keesom zbadał naturę zmiany pojemności cieplnej ciekłego helu wraz z temperaturą. Odkrył, że około 2,19 K powolny i płynny wzrost pojemności cieplnej ustępuje miejsca gwałtownemu spadkowi, a krzywa pojemności cieplnej przyjmuje kształt greckiej litery λ (lambda). Stąd temperaturze, przy której następuje skok pojemności cieplnej, nadaje się nazwę warunkową „ punkt λ[14] . Bardziej dokładna wartość temperatury w tym momencie, ustalona później, wynosi 2,172 K. W punkcie λ dochodzi do głębokich i gwałtownych zmian podstawowych właściwości ciekłego helu - jedna faza ciekłego helu zostaje w tym miejscu zastąpiona inną, bez wydzielania ciepła utajonego; ma miejsce przejście fazowe drugiego rzędu . Powyżej temperatury punktu λ występuje tzw. hel-I , a poniżej hel-II [14] .

W 1938 r. radziecki fizyk Piotr Leonidowicz Kapitsa odkrył zjawisko nadciekłości ciekłego helu-II , polegające na gwałtownym spadku współczynnika lepkości , w wyniku czego hel płynie praktycznie bez tarcia [14] [15] . Oto, co napisał w jednym ze swoich raportów o odkryciu tego zjawiska [16] :

" …Taka ilość ciepła, które faktycznie zostało przekazane, przekracza fizyczne możliwości, że ciało, zgodnie z żadnymi prawami fizyki, może przekazywać więcej ciepła niż jego energia cieplna pomnożona przez prędkość dźwięku. Przy zwykłym mechanizmie przewodzenia ciepła ciepło nie mogło być transportowane w tej samej skali, co zaobserwowano. Trzeba było poszukać innego wyjaśnienia.

I zamiast wyjaśniać przenoszenie ciepła przez przewodzenie ciepła, czyli przenoszenie energii z jednego atomu na drugi, można to wyjaśnić bardziej trywialnie - konwekcją, przenoszeniem ciepła w samej materii. Czy nie jest tak, że ogrzany hel porusza się w górę, a zimny w dół, z powodu różnicy prędkości powstają prądy konwekcyjne, a tym samym następuje wymiana ciepła. Ale do tego trzeba było założyć, że hel w swoim ruchu płynie bez oporu. Mieliśmy już przypadek, kiedy prąd poruszał się bez oporu wzdłuż przewodnika. I uznałem, że hel też porusza się bez oporów, że nie jest substancją przewodzącą ciepło, tylko nadciekłą.

... Jeśli lepkość wody wynosi 10⋅10 -2 P , to jest miliard razy bardziej płynna niż woda ...
"

pochodzenie nazwy

Nazwa pochodzi z języka greckiego. ἥλιος - "Słońce" (patrz Helios ). Ciekawostką jest fakt, że w charakterystycznym dla tytułu elemencie zastosowano metale z końcówką „dopasowane” (po łacinie «-um» -. «Hel» ), ponieważ Lockyer założył, że otwarty element to metal. Analogicznie do innych gazów szlachetnych, logiczne byłoby nadanie mu nazwy „Helion” [8] . We współczesnej nauce nazwę „ helion ” przypisuje się jądru lekkiego izotopu helu - helu-3 [ źródło nieokreślone 239 dni ] .

Rozpowszechnienie

We wszechświecie

Hel jest drugim pod względem ilości we Wszechświecie po wodorze – około 23% masy [17] . Jednak ten pierwiastek jest rzadki na Ziemi. Prawie cały hel we Wszechświecie powstał w ciągu pierwszych kilku minut po Wielkim Wybuchu [18] [19] , podczas pierwotnej nukleosyntezy . We współczesnym Wszechświecie prawie cały nowy hel powstaje w wyniku termojądrowej syntezy wodoru we wnętrzu gwiazd (patrz cykl proton-proton , cykl węgiel-azot ). Na Ziemi powstaje w wyniku rozpadu alfa pierwiastków ciężkich ( cząstki alfa emitowane podczas rozpadu alfa to jądra helu-4) [20] . Część helu wytworzonego podczas rozpadu alfa i przesączającego się przez skały skorupy ziemskiej jest wychwytywana przez gaz ziemny , którego stężenie może osiągnąć 7% objętości i więcej.

skorupa Ziemska

W ramach grupy osiemnastej hel pod względem zawartości w skorupie ziemskiej zajmuje drugie miejsce (po argonie ) [21] .

Zawartość helu w atmosferze (wytworzonego w wyniku rozpadu toru , uranu i ich pochodnych radionuklidów) jest 5.27⋅10 4% objętościowych, 7.24⋅10 -5% masy [4], [12] [20 ] . Zasoby helu w atmosferze , litosferze i hydrosferze szacowane są na 5⋅10 14 [4] . Gazy ziemne zawierające hel zawierają zwykle do 2% helu objętościowo. Akumulacje gazów, których zawartość helu sięga 8-16%, są niezwykle rzadkie [20] .

Średnia zawartość helu w materii lądowej wynosi 0,003 mg/kg lub 0,003 g/t [20] . Najwyższe stężenie helu obserwuje się w minerałach zawierających uran, tor i samar [22] : kleweit , fergusonit , samarskit , gadolinit , monazyt ( piaski monazytowe w Indiach i Brazylii), torianit . Zawartość helu w tych minerałach wynosi 0,8-3,5 l/kg , natomiast w torianicie sięga 10,5 l/kg [12] [20] . Ten hel jest radiogeniczny i zawiera tylko izotop 4
He
, powstaje z cząstek alfa emitowanych podczas rozpadu alfa uranu, toru i ich potomnych nuklidów promieniotwórczych, a także innych naturalnie występujących pierwiastków alfa-aktywnych (samarium, gadolinu itp.).

W 2016 roku norwescy i brytyjscy naukowcy odkryli złoża helu w regionie Jeziora Wiktorii w Tanzanii. Według przybliżonych szacunków ekspertów wielkość rezerw wynosi 1,5 mld m3 [23] .

Znaczące rezerwy helu znajdują się na polach gazowych wschodniosyberyjskich w Rosji. Zasoby helu w złożu Kowykta szacowane są na 2,3 mld m3 [24] , w złożu Czajandinskoje na 1,4 mld m3 [25] .

Definicja

Ilościowo hel oznacza się analizując widma emisyjne (linie charakterystyczne 587,56 nm i 388,86 nm ), ilościowo - metodami analizy spektrometrii masowej i chromatograficznej , a także metodami opartymi na pomiarze właściwości fizycznych (gęstość, przewodność cieplna itp.) [4] .

Właściwości fizyczne

Wykres fazowy 4 He
Diagram fazowy 3 He. Faza 2 stałego helu składa się z kryształów układu sześciennego skupionego wokół ciała

Hel jest prawie obojętnym pierwiastkiem chemicznym.

Prosta substancja hel jest nietoksyczna, bezbarwna, bezwonna i bez smaku. W normalnych warunkach jest gazem jednoatomowym. Jego temperatura wrzenia ( T = 4,215 K dla 4
On
) najmniejszy ze wszystkich substancji; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле . Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях .

Гелий 3 Не и 4 Не не имеют основной тройной точки (в которой равновесные фазы находятся в различных агрегатных состоянияхтвёрдом , жидком и газообразном ) — в обоих случаях линии равновесия твёрдой фазы с жидкими (Не I и Не II) и жидких фаз с газообразной нигде не пересекаются: твёрдая фаза находится в равновесии только с жидкой [26] [27] [28] . Другие вещества с такой особенностью неизвестны [27] . Наличие на фазовой диаграмме гелия кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз и отсутствие на диаграмме кривой сосуществования твёрдой и газовой фаз означает, что твёрдый гелий может плавиться, но не может испаряться [29] .

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы ( инертные газы ) и вообще всей таблицы Менделеева [30] . 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 He +
2
, 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 He +
2
составляет 58 ккал/моль , равновесное межъядерное расстояние1,09 Å [31] .

Известно эксимерное химическое соединение гелия LiHe [32] [33] .

Свойства в газовой фазе

Спектральные линии гелия.

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 — для Н 2 она равна 14,23 кДж кг·К ).

Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием.

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 на розовый, оранжевый, жёлтый, ярко-жёлтый, жёлто-зелёный и зелёный. 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 [14] . 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 красного к фиолетовому краю видимого спектра.

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных ( 1 S 0 ) и триплетных ( 3 S 1 ), поэтому в конце XIX века Локьер , Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них, по их предположению, 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 году [34] (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) — ортогелия . Линии 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 [35] . 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 1 s -орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2 s -орбитали (состояние оболочки 1 s 2 s ). У парагелия оба электрона находятся в 1 s -состоянии (состояние оболочки 1 s 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.

В бесстолкновительной среде (например, в межзвёздном газе ) спонтанный переход из нижнего состояния ортогелия 2 3 S 1 в основное состояние парагелия 1 0 S 1 возможен путём излучения одновременно двух фотонов или в результате однофотонного магнитно-дипольного перехода (M1). В этих условиях расчётное время жизни атома ортогелия за счёт двухфотонного распада 2 3 S 1 1 0 S 1 + 2 γ составляет 2,49⋅10 8 с , или 7,9 года [36] . Первые теоретические оценки [37] показывали [38] , что время жизни за счёт магнитно-дипольного перехода на порядки больше, то есть что доминирует двухфотонный распад. Лишь через три десятилетия, после неожиданного открытия запрещённых триплетно-синглетных переходов некоторых гелиеподобных ионов в спектрах солнечной короны [39] , было обнаружено [40] , что однофотонный магнитно-дипольный распад 2 3 S 1 -состояния значительно более вероятен; время жизни при распаде по этому каналу составляет «всего» 8⋅10 3 с [41] .

Время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 2 0 S 1 также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход 2 0 S 1 1 0 S 1 + γ [42] , а для двухфотонного распада время жизни составляет 19,5 мс [36] .

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 этаноле2,8 мл/л при 15 °C и 3,2 мл/л при 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 при дросселировании через пористые перегородки или маленькие отверстия, но, как и все газы, охлаждается при любой температуре при адиабатическом расширении. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает в процессе дросселирования.

После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера .

Свойства конденсированных фаз

В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий . Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 K ( В. Кеезом , 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 при температуре 2,17 K ; он назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17 K ). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести ). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К . Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей , макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики .

В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия (т. н. эффект суперсолид ) при исследовании его в торсионном осцилляторе, однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления. [ источник не указан 502 дня ]

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 более 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 CO 2 и углеводородов . В результате получается смесь гелия, неона и водорода.

Эту смесь, так называемый сырой гелий (70—90 % гелия по объёму) очищают от водорода (4—5 %) с помощью CuO при 650—800 К .

Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N 2 и адсорбцией примесей на активированном угле в адсорберах , также охлаждаемых жидким N 2 . Производят гелий технической чистоты (99,80 % гелия по объёму) и высокой чистоты (99,985 %).

Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³ .
Основная доля мирового производства гелия приходится на США и Катар ; с 2015 г. доля Соединенных Штатов в мировом производственном балансе снизилась с 67% до примерно 56% и продолжает сокращаться, Катар и Алжир занимают соответственно около 28 и 9 % рынка.
В 2003 году 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 [43] .

Объём мирового потребления гелия составляет примерно 170 млн м³ в год, спрос в России не превышает 5 млн м³ . [44]

Россия сама себя обеспечивает этим газом. Газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов; в настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО « Газпром добыча Оренбург » [45] в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15—1 % об.), что позволит намного снизить его себестоимость. Россия с 2021 года планирует стать одним из крупнейших экспортеров гелия [46] .

Транспортировка

Два сосуда Дьюара по 250 л с жидким гелием.

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 Дьюара 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

Гелий широко используется в промышленности и народном хозяйстве:

Кроме того, нуклид 3
He
используется как рабочее вещество газовых нейтронных детекторов, в том числе позиционно-чувствительных , в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора . Гелий-3 является также перспективным топливом для термоядерной энергетики . Растворение гелия-3 в гелии-4 используется для получения сверхнизких температур.

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов . При помощи гелиевой съёмки [47] 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 [48] .

Также гелий может использоваться для выявления геотермальных источников . Согласно опубликованным исследованиям, концентрации гелия в почвенном газе над геотермальными источниками превышает фоновые значения в 20—200 раз [49] .

Повышенные концентрации гелия в почвенном газе могут указывать на наличие залежей урана [50]

Военное применение

  • Первая мировая война — заправка военных дирижаблей в США и Германии.
  • 1930-е — 1960-е годы — ошибочно считалось, что выделения гелия можно применять для поиска урановых руд [51] . Против этого ещё в 1911 году выступала М. Склодовская-Кюри .
  • С 1950-х годов — продувка топливных баков жидкостных ракет .

В астрономии

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

Биологическая роль

Гелий, насколько это известно, не несёт какой-либо биологической функции.

Физиологическое действие

  • Хотя инертные газы обладают наркозным действием, это воздействие у гелия и неона при атмосферном давлении не проявляется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД) [52] .
  • Содержание гелия в высоких концентрациях во вдыхаемом воздухе может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии (в результате кислородного голодания ) [ источник не указан 502 дня ] . Аналогичный эффект часто оказывает единоразовый вдох чистого гелия, например, из шарика с гелием. Как и при вдыхании других инертных газов, ввиду отсутствия вкуса и запаха часто происходит неожиданная потеря сознания при вдохе больших концентраций.
  • При вдыхании гелия тембр голоса становится тонким, похожим на кряканье утки [53] . Более высокая, чем в воздухе, скорость звука в гелии при прочих равных условиях (например, температуре ) увеличивает значение частоты резонанса голосового тракта (как ёмкости, наполненной газом).

Риски для здоровья

Вдыхание гелия может быть опасно для здоровья в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород [54] [55] [56] .

Стоимость

  • В 2009 году цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 2,53 долл./м³ [57] .
  • В 2019 году цена гелия существенно выросла и составляет 30-32 долл./м³ за газ чистотой 99,995 % [ источник не указан 872 дня ] .

См. также

Примечания

  1. 1 2 Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) IUPAC , 1960. — ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925doi:10.1515/PAC-2015-0305
  2. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . — 2013. — Vol. 85 , no. 5 . — P. 1047—1078 . — doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
  3. 1 2 3 Size of helium in several environments (англ.) . www.webelements.com. Дата обращения: 10 июля 2009.
  4. 1 2 3 4 5 Соколов В. Б. Гелий // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1: А—Дарзана. — С. 513—514. — 623 с. — 100 000 экз.ISBN 5-85270-008-8 .
  5. 1 2 Бердоносов С. С. Гелий . Большая российская энциклопедия (2016). Дата обращения: 31 декабря 2019.
  6. Наращивая мощности
  7. Kochhar, RK French astronomers in India during the 17th – 19th centuries (англ.) // Journal of the British Astronomical Association (англ.) . — British Astronomical Association (англ.) , 1991. — Vol. 101 , no. 2 . — P. 95—100 .
  8. 1 2 3 4 5 6 7 Финкельштейн Д. Н. Глава II. Открытие инертных газов и периодический закон Менделеева // Инертные газы . — Изд. 2-е. — М. : Наука , 1979. — С. 40—46. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  9. Langlet, NA . Das Atomgewicht des Heliums (нем.) // Zeitschrift für anorganische Chemie (англ.) . — 1895. — Т. 10 , № 1 . — С. 289—292 . — doi : 10.1002/zaac.18950100130 .
  10. Weaver, ER Bibliography of Helium Literature // Industrial & Engineering Chemistry (неопр.) . — 1919.
  11. Aaron John Ihde. Chapter 14. Inorganic chemistry I. Fundamental developments // The development of modern chemistry . — Изд. 2-е. — М. : Courier Dover Publications, 1984. — С. 373. — 851 с. — ISBN 0486642356 .
  12. 1 2 3 4 Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Глава первая. Открытие. Происхождение. Распространенность. Применение // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М. : Атомиздат , 1972. — С. 3—13. — 352 с. — 2400 экз.
  13. Бронштейн М. П. Солнечное вещество // Солнечное вещество; Лучи икс; Изобретатели радиотелеграфа . — М. : ТЕРРА — Книжный клуб, 2002. — 224 с. — (Мир вокруг нас). — ISBN 5-275-00531-8 .
  14. 1 2 3 4 5 Финкельштейн Д. Н. Глава V. Гелий // Инертные газы . — Изд. 2-е. — М. : Наука , 1979. — С. 111—128. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  15. Капица, П. Л. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point (англ.) // Nature . — 1938. — Vol. 141 . — P. 74.
  16. «Свойства жидкого гелия» (П. Л. Капица)
  17. Helium: geological information (англ.) . www.webelements.com. Дата обращения: 11 июля 2009.
  18. Хокинг С., Млодинов Л. Глава восьмая. Большой взрыв, черные дыры и эволюция Вселенной // Кратчайшая история времени. — СПб. : Амфора . ТИД Амфора, 2006. — С. 79—98. — 180 с. — 5000 экз.ISBN 5-367-00164-5 .
  19. Вайнберг С. V. Первые три минуты // Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной . — Изд. 2-е. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. — С. 105—122. — 272 с. — 1000 экз.ISBN 5-93972-013-7 .
  20. 1 2 3 4 5 Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы . — Изд. 2-е. — М. : Наука , 1979. — С. 76—110. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
  21. Abundance in Earth's crust (англ.) (недоступная ссылка) . www.webelements.com. Дата обращения: 11 июля 2009. Архивировано 23 мая 2008 года.
  22. Самарий, как и уран и торий, является природным альфа-радиоактивным элементом.
  23. Scientists Just Discovered a Massive Field of Precious Helium Gas in Africa
  24. Ковыктинское газоконденсатное месторождение
  25. Чаяндинское нефтегазоконденсатное месторождение
  26. Мюнстер А. , Химическая термодинамика, 2002 , с. 222.
  27. 1 2 Жданов Л. С., Жданов Г. Л. , Физика, 1984 , с. 121.
  28. Глаголев К. В., Морозов А. Н. , Физическая термодинамика, 2007 , с. 241.
  29. Бродянский В. М. , От твёрдой воды до жидкого гелия, 1995 , с. 253.
  30. Фаустовский В. Г., Ровынский А. Е. Петровский Ю.В. Инертные газы. — Изд. 2. — М. : Атомиздат , 1972. — 352 с.
  31. Л. Паулинг . Природа химической связи / перевод с англ. М. Е. Дяткиной, под ред. проф. Я. К. Сыркина. — М.Л. : ГНТИ Химической литературы, 1947. — С. 262. — 440 с.
  32. Успехи физических наук
  33. Эксимерные лазеры
  34. W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
  35. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. — М.Л. : Издательство физико-математической литературы , 1963. — С. 69—71. — 640 с.
  36. 1 2 GWF Drake, GA Victor, A. Dalgarno. Two-Photon Decay of the Singlet and Triplet Metastable States of Helium-like Ions. Phys. Rev. 180, 25-32 (1969).
  37. G. Breit and E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
  38. RDKnight. Lifetime of the Metastable 2 3 S 1 State in Stored Li + Ions. — Ph.D.Thesis. Lawrence Berkeley Laboratory. — 1979. — 136 с.
  39. AH Gabriel and C. Jordan. Long Wavelength Satellites to the He-like Ion Resonance Lines in the Laboratory and in the Sun . Nature 221, 947 (1969).
  40. HR Griem, Spontaneous single-photon decay of 2 3 S 1 in Helium-like ions . Astrophys. J. 156, L103 (1969).
  41. G. Feinberg, J. Sucher. Calculation of the Decay Rate for 2 3 S 1 → 1 1 S 0 + One Photon in Helium . Phys. Rev. Lett. 26, 681—684 (1971).
  42. Это объяснимо из соображений симметрии. Как начальное, так и конечное состояние атома сферически симметричны и не имеют выделенного направления — оба электрона находятся в s -состоянии, и суммарный спиновый момент также нулевой. Излучение фотона с определённым импульсом требует нарушения этой симметрии.
  43. Сырьевая база и перспективы развития гелиевой промышленности России и мира // niikm.ru
  44. Взлететь к солнцу: новое российское предприятие окажет влияние на мировой рынок гелия // Рамблер, 18 января 2020
  45. Основным поставщиком гелия являлся ОГЗ
  46. The New York Times : в результате прорыва в производстве гелия мир может оказаться в зависимости от России // ИноСМИ.ру , 9.12.2020
  47. Helium studies confirm presence of oil on the Aysky block in Russia (недоступная ссылка) . Дата обращения: 21 октября 2011. Архивировано 2 апреля 2015 года.
  48. Государственный реестр открытий СССР . Яницкий И. Н. Научное открытие № 68 «Закономерность распределения концентрации гелия в земной коре»
  49. Helium Survey, A Possible Technique For Locating Geothermal Reservoirs. Alan A. Roberts, Irving Friedman, Terrence J. Donovan, Edward H. Denton. US Geological Survey, Denver, Colorado 80225 .
  50. Helium Soil Gas Survey of Aurora Uranium Deposit, McDermitt Caldera Complex, Oregon. G. Michael Reimer. US Geological Survey, Branch of Isotope Geology, Denver, Colorado .
  51. Мусиченко Н. И. Закономерности распределения гелия в земной коре и их значение при поисках геохимическими методами месторождений газа, нефти и радиоактивных элементов [Текст] : (Метод. рекомендации) / Н. И. Мусиченко, В. В. Иванов ; М-во геологии СССР. Всесоюз. науч.-исслед. ин-т ядерной геофизики и геохимии «ВНИИЯГГ». — Москва : [б. и.], 1970. — 228 с., 1 л.
  52. Павлов Б. Н. Проблема защиты человека в экстремальных условиях гипербарической среды обитания (недоступная ссылка) . www.argonavt.com (15 мая 2007). Дата обращения: 6 июля 2009. Архивировано 21 августа 2011 года.
  53. В. Н. Витер. Эксперименты с гелием ч.8
  54. Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid. Suicidal asphyxiation with helium: Report of three cases / Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle (German, English) // Wiener Klinische Wochenschrift (англ.) . — 2007. — Т. 119 , № 9—10 . — С. 323—325 . — doi : 10.1007/s00508-007-0785-4 . — PMID 17571238 .
  55. Montgomery B. . 2 found dead under deflated balloon , Tampa Bay Times (3 июня 2006).
  56. Two students die after breathing helium , CBC (4 июня 2006).
  57. Нефтегазовая технология . Теория и практика. 2009 (4) ISSN 2070-5379.

Литература

  • Бродянский В. М. От твёрдой воды до жидкого гелия (история холода) . — М. : Энергоатомиздат , 1995. — 336 с. — (Научно-популярная библиотека школьника). — ISBN 5-283-00176-8.
  • Глаголев К. В., Морозов А. Н. Физическая термодинамика. — 2-е изд., испр. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 270 с. — (Физика в техническом университете). — ISBN 978-5-7038-3026-0.
  • Жданов Л. С., Жданов Г. Л. Физика для средних специальных учебных заведений. — 4-е изд., испр. — М. : Наука, 1984. — 512 с.
  • Мюнстер А. [de] . Химическая термодинамика / Пер. с нем. под. ред. чл.-корр. АН СССР Я. И. Герасимова . — 2-е изд., стер. — М. : УРСС, 2002. — 296 с. — ISBN 5-354-00217-6.

Ссылки