Состав гелия. Гелий технический — применение в науке и промышленности. Как образуется гелий

(первый электрон)

Гелий — второй порядковый 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 таблице. Обозначается символом He (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 элементом.

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

История открытия Гелия

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.

Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D 3 , так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D 1 (589,59 нм) и D 2 (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (ήλιος — «солнце»).

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 строне 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

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D 3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента.

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

Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот 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 .

График зависимости теплоёмкости жидкого гелия от температуры

Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (Эффект Джоуля — Томсона), после того как 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 , 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.

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ-точка». Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее — 2,172 . В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I , а ниже её — гелий-II .

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. Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления:
… 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

От ἥλιος — «Солнце» (Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (по лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе. Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, 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). 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).

Среднее содержание гелия в земном веществе — 3 г/т. 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.

Определение Гелия

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.).

Физические свойства Гелия

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 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.

Свойства в газовой фазе

Спектральные линии гелия

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Фактически при всех условиях гелий моноатомный. Плотность 0,17847 кг/м³. Он обладает теплопроводностью (0,1437 Вт/(м·К) при н.у.) большей, чем у других газов, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (с р = 5,23 кДж/(кг·К) при н.у., для сравнения — 14,23 кДж/(кг·К) для Н 2).

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 — 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. 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 большей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от инфракрасного к ультрафиолетовому краю.

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 (15 °C), 3,2 (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

В 1908 году Х.Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 (4 He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). 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, однако интерпретация этого явления не до конца понятна.

Химические свойства Гелия

Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы (Инертные газы) таблицы Менделеева . 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 УФ излучения на смесь гелия газа и фтора (хлора)).

Известно химическое соединение гелия LiHe. (возможно, имелось ввиду соединение LiHe 7)

Изотопы Гелия

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 варьировать в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.

Получение Гелия

Промышленность — химический элемент 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 CO 2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Сырой гелий (70-90 % по объёму гелий) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого гелий кипящим под вакуумом N 2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N 2 . Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).

В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» 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 (от 0,15 до 1 %), что позволит намного снизить его себестоимость.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 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 гелия

Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве:
— в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов
— в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939 , в качестве пропеллента и упаковочного газа
— используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
— для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)
— в дыхательных смесях для глубоководного погружения (Баллон для дайвинга)
— для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов
— для заполнения газоразрядных трубок
— в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов
— в качестве носителя в газовой хроматографии
— для поиска утечек в трубопроводах и котлах (см. Гелиевый течеискатель)
— как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
— нуклид 3 He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
— нуклид 3 He является перспективным топливом для термоядерной энергетики
— для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично гексафториду серы)

Биологическая роль гелия

Гелий не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие

Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотическое воздействие гелия (и неона) при нормальном давлении в опытах не регистрируется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД)

В 2000 г. цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 1,5 — 1,8 $/м³
В 2009 году цены на газообразный гелий находились в пределах 1.800-2.500 рублей за 6 м³ (40-литровый баллон) (Санкт-Петербург).

Дополнительная информация по гелию

Гелий-3 — лёгкий, нерадиоактивный изотоп гелия.
Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия 3 He

Гелий, Helium, Не (2)
В 1868 г. французский астроном Жансен наблюдал в Индии полное солнечное затмение и спектроскопически исследовал хромосферу солнца. Он обнаружил в спектре солнца яркую желтую линию, обозначенную им D3, которая не совпадала с желтой линией D натрия. Одновременно с ним эту же линию в спектре солнца увидел английский астроном Локьер, который понял, что она принадлежит неизвестному элементу. Локьер совместно с Франкландом, у которого он тогда работал, решил назвать новый элемент гелием (от греч.- гелиос, солнце). Затем новая желтая линия была обнаружена другими исследователями в спектрах «земных» продуктов; так, в 1881 г. итальянец Пальмиери обнаружил ее при исследовании пробы газа, отобранного в кратере Везувия.

Bсследуя урановые минералы химик Гиллебранд, установил, что они при действии крепкой серной кислоты выделяют газы. Сам Гиллебранд считал, что это азот. Рамзай, обративший внимание на сообщение Гиллебранда, подверг спектроскопическому анализу газы, выделяемые при обработке кислотой минерала клевеита. Он обнаружил, что в газах содержатся азот, аргон, а также неизвестный газ, дающий яркую желтую линию. Не имея в своем распоряжении достаточно хорошего спектроскопа, Рамзай послал пробы нового газа Круксу и Локьеру, которые вскоре идентифицировали газ как гелий. В том же 1895 г. Рамзай выделил гелий из смеси газов; он оказался химически инертным, подобно аргону. Вскоре после этого Локьер, Рунге и Пашен выступили с заявлением, что гелий состоит из смеси двух газов — ортогелий и парагелий; один из них дает желтую линию спектра, другой зеленую. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч.- звездный. Совместно с Траверсом Рамзай проверил это утверждение и доказал, что оно ошибочно, так как цвет линии гелия зависит от давления газа.

Существует три основных источника получения гелия:

• из гелийсодержащих природных газов
• из минералов
• из воздуха

Получение гелия из природного газа

Основным способом получения гелия является метод фракционной конденсации из природных гелийсодержащих газов , т.е. методом глубокого охлаждения. Причем используется его характерное свойство - наиболее низкая по сравнению с известными веществами температура кипения. Это позволяет конденсировать все сопутствующие гелию газы, прежде всего метан и азот. Процесс осуществляется обычно в две стадии:

• выделение так называемого сырого гелия (концентрата, содержащего 70-90% He)
• очистка с получением технически чистого гелия.

На рисунке ниже приведена одна из схем установки для извлечения гелия из природного газа.

Газ сжимается до 25 атмосфер и под этим давлением поступает в установку. Очистка от (CO 2) и частичная осушка газа производятся в скрубберах, которые орошаются раствором, содержащим 10-20% моноэтаноламина, 70-80% диэтиленгликоля и 5-10% воды. После скрубберов в газе остается 0,003-0,008% углекислоты CO 2 , а точка росы не превышает 5°С. Дальнейшая осушка осуществляется в адсорберах с силикагелем, где достигается температура точки росы -45°С.

Под давлением около 20 атмосфер чистый сухой газ поступает в предварительный теплообменник 1, где охлаждается до -28° С обратными газовыми потоками. При этом происходит конденсация тяжелых углеводородов, которые отделяются в сепараторе 2. В аммиачном холодильнике 3 газ охлаждается до -45°С, конденсат отделяется в сепараторе 4. В основном теплообменнике 5 температура газа снижается до -110°С, в результате чего конденсируется значительная часть метана. Паро-жидкостная смесь (около 20% жидкости) дросселируется до давления 12 атмосфер в первый противоточный конденсатор 6, на выходе из которого паро-газовая смесь обогащается гелием до 3%. Образовавшийся в трубках конденсат стекает в отпарную секцию, на тарелках которой из жидкости удаляется растворенный в ней гелий, присоединяющийся к паро-газовому потоку.

Жидкость дросселируется до 1,5 атмосфер в межтрубное пространство конденсатора, где служит хладагентом. Образовавшийся здесь пар выводится через теплообменники 5 и 1. Паро-газовая смесь, выходящая из конденсатора 6 и содержащая до 3% He, под давлением 12 атмосфер идет во второй противоточный конденсатор 7, состоящий из двух частей: в нижней части находится змеевиковый теплообменник, в трубках которого испаряется сдросселированная с 12 до 1,5 атмосфер кубовая жидкость, а в верхней части - прямотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого кипит азот при температуре -203°С и давлении 0,4 атмосферы. В результате конденсации компонентов газовой смеси в нижней части аппарата 7 газ обогащается гелием до 30-50%, а в верхней части - до 90-92%.

Сырой гелий такого состава под давлением 11-12 атмосфер поступает в теплообменники, где нагревается и выводится из установки. Так как в природном газе содержатся небольшие примеси водорода, то в сыром гелии концентрация водорода увеличивается до 4-5%. Удаление водорода производят каталитическим гидрированием с последующей осушкой газа в адсорберах с силикагелем. Сырой гелий сжимается до 150- 200 атмосфер мембранным компрессором 8, охлаждается в теплообменнике 9 и поступает в прямоточный змеевиковый конденсатор 10, охлаждаемый азотом, кипящим под вакуумом. Конденсат (жидкий ) собирается в сепараторе 11 и периодически выводится, а несконденсировавшийся газ, содержащий примерно 98% He идет в адсорбер 12 с активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. Гелий, выходящий из адсорбера, содержит примесей менее 0,05% и поступает в баллоны 13 в качестве продукта.

Особенно богаты гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для в этой стране.

Получение гелия из минералов

Другим источником гелия являются некоторые радиоактивные минералы содержащие уран, торий и самарий:

• клевеит
• фергюсонит
• самарскит
• гадолинит
• монацит
• торианит

В частности монацитовые пески , крупное месторождение которых имеется в Траванкоре (Индия): монациты этого месторождения содержат около 1 см 3 гелия в 1 г руды.

Для получения гелия из моноцита необходимо нагреть в закрытом сосуде моноцит до 1000°С. Гелий выделяется вместе с углекислым газом (CO 2), который затем поглощался раствором едкого натрия (NaOH). Остаточный газ содержит 96,6% He. Дальнейшая очистка производится при 600°С на металлическом магнии для удаления азота, а затем при 580°С - на металлическом кальции для удаления оставшихся примесей. Продукционный газ содержит свыше 99,5% He. Из 1000 т монацитового песка можно получить около 80 м 3 чистого гелия. Такой способ получения гелия не представляет технического и промышленного интереса. .

Получение гелия из воздуха

В небольшом количестве гелий находится в воздухе , из которого он может быть получен в качестве побочного продукта при производстве кислорода и азота из воздуха, описанного в статье « ». В промышленных ректификационных колоннах для разделения воздуха над жидким азотом собирается остающаяся газообразной смесь неона и гелия. На рисунке ниже показан аппарат Клода , специально приспособленный для отделения такой смеси.

Газ, выходящий из аппарата через вентиль Д, охлаждается в змеевике S, который поливается жидким азотом из Т, чтобы сконденсировать остаточный азот. Если вентиль R немного открыть, получается смесь, содержащая очень мало азота. При таком методе промышленного получения гелия, кроме трудности, заключающейся в необходимости обработать большое количество воздуха, встречается еще дополнительное затруднение - необходимость отделения гелия от неона . Это отделение может быть выполнено с помощью жидкого водорода, в котором неон отвердевает, или с помощью адсорбции неона активированным углем, охлаждаемым жидким азотом.

Получение гелия из воздуха нецелесообразно вследствие его малого количества - 0,00046% объема или 0,00007% веса. Расчеты показывают, что стоимость одного кубометра гелия, добытого из воздуха, будет в тысячи раз больше, чем при добывании его из природных газов. Такая высокая стоимость, конечно, исключает возможность промышленного выделения гелия из воздуха.

Например: Чтобы добыть 1 кубометр гелия, нужно выделить 116 т азота.

Гелий – химический элемент с символом He и атомным номером 2. Это бесцветное вещество, не имеющее запаха и вкуса, нетоксичный, инертный, одноатомный газ, первый в группе благородных газов в периодической таблице. Его точка кипения является самой низкой среди всех элементов. После водорода, гелий является вторым самым легким и вторым наиболее распространенным элементом в наблюдаемой Вселенной, присутствуя на уровне около 24% от общей массы элементов, что более чем в 12 раз превышает массу всех более тяжелых элементов вместе взятых. Его изобилие связано с очень высокой энергией ядерной связи (на нуклон) гелия-4 по отношению к следующим трем элементам после гелия. Эта энергия связи гелия-4 также объясняет, почему гелий является продуктом как ядерного синтеза, так и радиоактивного распада. Большинство гелия во Вселенной находится в форме гелий-4, и, как полагают, он сформировался во время Большого взрыва. Большое количество нового гелия создается путем ядерного синтеза водорода в звездах. Гелий назван в честь греческого бога Солнца, Гелиоса. Гелий впервые был обнаружен как неизвестная желтая сигнатура спектральной линии в солнечном свете во время солнечного затмения в 1868 году Жоржем Райетом , капитаном К.Т. Хейгом, Норманом Р. Погсоном и лейтенантом Джоном Хершелем.

Это наблюдение было впоследствии подтверждено французским астрономом Жюлем Янссеном . Янссену часто приписывают обнаружение этого элемента наряду с Норманном Локьером. Янссен записал спектральную линию гелия во время солнечного затмения 1868 года, в то время как Локьер наблюдал это явление из Британии. Локьер первым предложил, что эта линия связана с новым элементом, которому он и дал название гелий. Формальное открытие элемента было сделано в 1895 году двумя шведскими химиками, Пером Теодором Кливом и Нильсом Абрахамом Ланглетом, которые обнаружили гелий, исходящий из уранового рудного клевеита. В 1903 году, большие запасы гелия были обнаружены на месторождениях природного газа в некоторых частях Соединенных Штатов. На сегодняшний день, США является самым крупным поставщиком газа. Жидкий гелий используется в криогениках (его наибольшее единственное применение, поглощающее около четверти производства), в частности, при охлаждении сверхпроводящих магнитов, причем основное коммерческое применение связано с МРТ-сканерами. Другие промышленные применения гелия – в качестве газа для повышения давления и продувки в качестве защитной атмосферы для дуговой сварки и в таких процессах, как выращивание кристаллов для изготовления кремниевых пластин. Известное, но второстепенное использование гелия – в качестве подъемного газа для воздушных шаров и дирижаблей. Как и в случае любого газа, плотность которого отличается от плотности воздуха, вдыхание небольшого объема гелия временно изменяет тембр и качество человеческого голоса. В научных исследованиях, поведение двух жидких фаз гелия-4 (гелий I и гелий II) важно для исследователей, изучающих квантовую механику (в частности, свойство сверхтекучести), и для ученых, изучающих такие явления, как сверхпроводимость, в материи вблизи абсолютного нуля. На Земле гелий относительно редок – 5,2 ч.н.м. по объему в атмосфере. Сегодня большинство присутствующего на Земле гелия создается в ходе естественного радиоактивного распада тяжелых радиоактивных элементов (торий и уран, хотя есть и другие примеры), поскольку альфа-частицы, испускаемые такими распадами, состоят из ядер гелия-4. Этот радиогенный гелий захватывается природным газом в концентрациях до 7% по объему, из которого он извлекается коммерчески путем низкотемпературного разделения, называемого фракционной перегонкой. Раньше наземный гелий был невозобновляемым ресурсом, потому что, однажды выпущенный в атмосферу, он легко мог переместиться в космос, и считалось, что этот элемент является все более дефицитным. Однако, недавние исследования показывают, что гелий, образовавшийся на Земле в результате радиоактивного распада, может собираться в запасах природного газа в больших количествах, чем ожидалось, в некоторых случаях высвобождаемых вулканической активностью .

История

Научные открытия

Первое свидетельство о существовании гелия было сделано 18 августа 1868 года. В спектре хромосферы Солнца наблюдалась ярко-желтая линия с длиной волны 587,49 нанометров. Эта линия была обнаружена французским астрономом Жюлем Янссеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре, Индия. Первоначально эта линия считалась натрием. 20 октября того же года, английский астроном Норман Локьер наблюдал желтую линию в спектре Солнца, которую он назвал линией D3 Fraunhofer, потому что она находилась вблизи известных линий D1 и D2 натрия. Ученый пришел к выводу, что эта линия была вызвана элементом Солнца, неизвестным на Земле. Локьер и английский химик Эдвард Франкленд назвали элемент греческим словом, обозначающим солнце, ἥλιος (helios). В 1881 году итальянский физик Луиджи Палмиери впервые обнаружил гелий на Земле через его спектральную линию D3, при анализе материала, который был сублимирован во время извержения горы Везувий. 26 марта 1895 года шотландский химик сэр Уильям Рамсей изолировал гелий на Земле, обработав минеральный клевеит (целый ряд уранинитов с не менее 10% редкоземельных элементов) минеральными кислотами. Рамсей искал аргон, но после отделения азота и кислорода от газа, выделяемого серной кислотой, он заметил ярко-желтую линию, которая соответствовала линии D3, наблюдаемой в спектре Солнца. Эти образцы были идентифицированы как гелий Локкиром и британским физиком Уильямом Круксом. Гелий был независимо изолирован от клевеита в том же году химиками Пером Теодором Клеве и Абрахамом Ланглетом в Уппсале, Швеция, которые собрали достаточно газа для точного определения его атомного веса. Гелий был также изолирован американским геохимиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом до открытия Рамсея, когда он заметил необычные спектральные линии при испытании образца минерального уранинита. Гиллебранд, однако, приписывал эти линии азоту . В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс продемонстрировали, что альфа-частицы являются ядрами гелия, позволяя частицам проникать сквозь тонкую стеклянную стенку эвакуированной трубки, а затем создавая разряд в трубке для изучения спектров нового газа внутри. В 1908 году гелий был впервые сжижен голландским физиком Хайке Камерлингхом Оннесом путем охлаждения газа до температуры менее одного кельвина. Он попытался сделать газ твердым, еще больше снизив температуру, но потерпел неудачу, потому что гелий не затвердевает при атмосферном давлении. Студент Оннеса, Виллем Хендрик Кеесом, в конце концов, смог вызвать затвердевание 1 см3 гелия в 1926 году, добавив дополнительное внешнее давление . В 1938 году российский физик Петр Леонидович Капица обнаружил, что гелий-4 практически не имеет вязкости при температурах около абсолютного нуля, явление, которое теперь называется сверхтекучестью . Это явление связано с конденсацией Бозе-Эйнштейна. В 1972 году такое же явление наблюдалось относительно гелия-3, но при температурах, значительно более близких к абсолютному нулю, американскими физиками Дугласом Д. Ошероффом, Дэвидом М. Ли и Робертом К. Ричардсоном. Считается, что явление в гелии-3 связано со спариванием фермионов гелия-3 с образованием бозонов, по аналогии с куперовскими парами электронов, производящими сверхпроводимость.

Извлечение и использование

После операции по бурению нефтяных скважин в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был произведен газовый гейзер, который не горел, и государственный геолог штата Канзас, Эразм Хауорт, собрал образцы улетучивающегося газа и взял их в Университет Канзаса в Лоуренсе, где, при помощи химиков Гамильтона Кади и Дэвида Макфарланда, он обнаружил, что газ состоял из 72% азота, 15% метана (горючий процент только с достаточным количеством кислорода), 1% водорода и 12% - неидентифицируемого газа. При дальнейшем анализе, Кади и Макфарланд обнаружили, что 1,84% образца газа представляет собой гелий. Это показало, что, несмотря на его общую редкость на Земле, гелий концентрировался в больших количествах под американскими Великими равнинами, доступный для добычи в качестве побочного продукта природного газа . Это позволило Соединенным Штатам стать ведущим мировым поставщиком гелия. Следуя предложению сэра Ричарда Трелфалла, военно-морской флот Соединенных Штатов спонсировал три небольших экспериментальных гелиевых завода во время Первой мировой войны. Цель заключалась в снабжении воздушных шаров с заграждением невоспламеняющимся газом, более легким, чем воздух. В ходе этой программы, было произведено 5700 м3 (200 000 куб. футов) 92% гелия, хотя ранее было получено менее одного кубического метра этого газа . Часть этого газа использовалась в первом в мире гелиевом дирижабле, C-7 ВМС США, который совершил свой первый рейс от Хэмптон роудс, штат Вирджиния, в Боллинг-Филд в Вашингтоне, округ Колумбия, 1 декабря 1921 года, почти за два года до постройки первого жёсткого дирижабля, заполненного гелием, в сентябре 1923 года на заводе Shenandoah. Хотя процесс экстракции с использованием низкотемпературного сжижения газа не был развит в то время, во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий, в основном, использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах более легких, чем воздух. Во время Второй мировой войны, спрос на гелий в качестве подъемного газа и для дуговой сварки с помощью экранирования увеличился. Гелиевый масс-спектрометр также имел большое значение в Манхеттенском проекте (кодовое название работы по созданию первой атомной бомбы в США в период второй мировой войны). Правительство Соединенных Штатов создало Национальный резерв гелия в 1925 году в Амарилло, штат Техас, с целью снабжения военных дирижаблей во время войны и коммерческих дирижаблей в мирное время. Из-за Закона о контроле гелия (1927), который запретил экспорт редкого гелия, на производство которого тогда имели монополию США, вместе с запретительной стоимостью газа, Гинденбург, как и все немецкие Цеппелины, был вынужден использовать водород в качестве подъемного газа. Рынок гелия после Второй мировой войны был подавлен, но его запасы были расширены в 1950-х годах, чтобы обеспечить поставку жидкого гелия в качестве хладагента для создания кислородно-водородного ракетного топлива (помимо других целей) во время «космической гонки» и холодной войны. Использование гелия в Соединенных Штатах в 1965 году было более чем в восемь раз больше пикового потребления военного времени. После «поправок по гелийским актам 1960 года» (публичное право 86-777), Бюро Соединенных Штатов Америки организовало пять частных заводов по восстановлению гелия из природного газа. Для этой программы по сохранению гелия, Бюро построило 425-мильный (684-километровый) трубопровод из Буштона, штат Канзас, для соединения этих заводов с частично обедненным правительством газовым месторождением Клиффсайд вблизи Амарилло, штат Техас. Эту смесь гелий-азот впрыскивали и хранили в газовом поле Клиффсайд до тех пор, пока в ней не возникала необходимость, и за это время она еще больше очищалась. К 1995 году было собрано миллиард кубометров газа, а резерв составлял 1,4 млрд. долл. США в долгах, побудив Конгресс Соединенных Штатов в 1996 году ликвидировать резерв. «Закон о приватизации гелия 1996 года» (публичное право 104-273) вынуждает Департамент внутренних дел Соединенных Штатов высвободить резерв, и начать продажи с 2005 года. Гелий, произведенный между 1930 и 1945 годами, имел приблизительно 98,3% чистоту (2% азота), что было достаточным для дирижаблей. В 1945 году для сварки было получено небольшое количество 99,9% гелия. К 1949 году было доступно коммерческое количество гелия класса А 99,95%. В течение многих лет, Соединенные Штаты производили более 90% коммерчески используемого гелия в мире, а добывающие установки в Канаде, Польше, России и других странах производили остальное. В середине 1990-х годов начал функционировать новый завод в Аржеве, Алжир, производящий 17 миллионов кубических метров (600 миллионов кубических футов гелия), с достаточным объемом добычи, чтобы покрыть все потребности Европы. Между тем, к 2000 году потребление гелия в США увеличилось до более 15 миллионов кг в год. В 2004-2006 годах были построены дополнительные заводы в Рас-Лаффане, Катаре и Скикде, Алжир. Алжир быстро стал вторым ведущим производителем гелия. За это время увеличилось как потребление гелия, так и затраты на производство гелия . С 2002 по 2007 гг. цены на гелий удвоились. По состоянию на 2012 год, на Национальный резерв гелия Соединенных Штатов приходилось 30 процентов мировых запасов гелия. Ожидается, что в 2018 году резерв закончится. Несмотря на это, предлагаемый законопроект в Сенате Соединенных Штатов позволит резерву продолжать продавать газ. Другие крупные запасы гелия находились в штате Хьюготон в Канзасе, США, и близлежащих газовых месторождениях в Канзасе, а также в выступах Техаса и Оклахомы. Новые гелиевые заводы должны были открыться в 2012 году в Катаре, в России и в штате Вайоминг в США, но не ожидалось, что они уменьшат дефицит. В 2013 году в Катаре началось строительство крупнейшей в мире установки гелия. 2014 год был широко признан годом избыточного предложения в гелиевом бизнесе, после многих лет нехватки.

Характеристики

Гелий-атом

Гелий в квантовой механике

В перспективе квантовой механики, гелий является вторым простейшим атомом для моделирования, следуя за атомом водорода. Гелий состоит из двух электронов на атомных орбиталях, окружающих ядро, содержащее два протона и (обычно) два нейтрона. Как и в механике Ньютона, никакая система, состоящая из более чем двух частиц, не может быть решена с помощью точного аналитического математического подхода, и гелий не является исключением. Таким образом, требуются численные математические методы, даже для решения системы, состоящей из одного ядра и двух электронов. Такие методы вычислительной химии были использованы для создания квантово-механической картины электронного связывания гелия, точность которой составляет менее 2% от правильного значения на нескольких вычислительных этапах. Такие модели показывают, что каждый электрон в гелии частично экранирует одно ядро от другого, так что эффективный ядерный заряд Z, который видит каждый электрон, составляет около 1,69 единицы, а не 2 заряда классического «голого» ядра гелия.

Относительная стабильность ядра гелия-4 и электронная оболочка

Ядро атома гелия-4 идентично альфа-частице. Эксперименты по высокоэнергетическому электронному рассеянию показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается с максимума в центральной точке, точно так же, как и плотность заряда собственного электронного облака гелия. Эта симметрия отражает аналогичную основную физику: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантовым механическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены другому ядерному связывающему потенциалу), так что все эти фермионы полностью занимают 1s-орбитали в парах, причем ни один из них не обладает орбитальным моментом, и каждый из них отменяет собственный спин другого. Добавление любой другой из этих частиц потребует углового момента и высвободит существенно меньшую энергию (фактически, ни одно ядро с пятью нуклонами не стабильно). Таким образом, эта схема энергетически чрезвычайно устойчива для всех этих частиц, и эта стабильность объясняет многие важные факты о гелии в природе. Например, стабильность и низкая энергия состояния электронного облака в гелии объясняют химическую инертность элемента, а также отсутствие взаимодействия атомов гелия друг с другом, создавая самые низкие температуры плавления и кипения всех элементов. Подобным же образом, особая энергетическая стабильность ядра гелия-4, создаваемая схожими эффектами, объясняет легкость производства гелия-4 в атомных реакциях, которые включают либо выброс тяжелых металлов, либо их синтез. Некоторое количество стабильного гелия-3 (2 протона и 1 нейтрон) образуется в реакциях синтеза из водорода, но это количество очень мало по сравнению с высокочувствительной энергией гелия-4. Необычная стабильность ядра гелия-4 также важна космологически: она объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время создания «мешанины из свободных протонов и нейтронов», которые первоначально были созданы в соотношении примерно 6: 1, охлажденной до такой степени, что стало возможным ядерное связывание, почти все первые сформированные составные атомные ядра были ядрами гелия-4. связывание гелия-4 было настолько плотным, что производство гелия-4 потребляло почти все свободные нейтроны за несколько минут, прежде чем они могли быть подвергнуты бета-распаду, а также оставляя малое количество для образования более тяжелых атомов, таких как литий, бериллий или бор. Ядерное связывание гелия-4 на нуклон сильнее, чем у любого из этих элементов, и, таким образом, когда был образован гелий, для создания элементов 3, 4 и 5 не было энергичного привода. Для гелия было мало энергетически выгодно сплавляться в следующий элемент с меньшей энергией на нуклон, углерод. Однако, из-за отсутствия промежуточных элементов, этот процесс требует трех ядер гелия, поражающих друг друга почти одновременно. Таким образом, в течение нескольких минут после Большого взрыва не было времени для образования значительного количества углерода, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная не охладилась до такой температуры и давления, при которой слияние гелия с углеродом было бы невозможно. Из-за этого, в ранней Вселенной было похожее на сегодняшнее соотношение водорода / гелия (3 части водорода к 1 части гелия-4 по массе), причем почти все нейтроны во вселенной захвачены гелием-4. Все более тяжелые элементы (включая элементы, которые необходимы для скалистых планет, таких как Земля, и для углеродной или других форм жизни), таким образом, были созданы после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы сплавить сам гелий. Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют лишь 2% от массы атомного вещества во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% от обычной материи Вселенной – почти все обычное вещество, которое не является водородом.

Газовые и плазменные фазы

Гелий является вторым наименее реактивным благородным газом после неона и, следовательно, вторым наименее реактивным из всех элементов. Он инертен и моноатомичен во всех стандартных условиях. Из-за относительно низкой молярной (атомной) массы гелия, его теплопроводность, удельная теплоемкость и скорость звука в газовой фазе больше, чем у любого другого газа, кроме водорода. По этим причинам и из-за небольшого размера одноатомных молекул гелия, гелий диффундирует через твердые частицы со скоростью, в три раза превышающей скорость воздуха и составляющей около 65% от скорости водорода. Гелий является наименее водорастворимым одноатомным газом и одним из менее водорастворимых газов (CF4, SF6 и C4F8 имеют меньшую растворимость в мольной фракции: 0,3802, 0,4394 и 0,2372 x2 / 10-5 соответственно против 0,70797 x2 / 10-5 у гелия), кроме того, показатель преломления гелия ближе к единице, чем показатель преломления любого другого газа . Гелий имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре окружающей среды, что означает, что он нагревается, когда ему дают свободно расширяться. Только ниже своей температуры инверсии Джоуля-Томсона (примерно от 32 до 50 К при 1 атмосфере), гелий охлаждается при свободном расширении. После переохлаждения ниже этой температуры, гелий можно сжижать за счет охлаждения. Большинство внеземного гелия находится в плазменном состоянии и имеет свойства, совершенно отличные от свойств атомного гелия. В плазме, электроны гелия не связаны с его ядром, что приводит к очень высокой электропроводности даже в том случае, когда газ ионизируется лишь частично. На заряженные частицы сильно влияют магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре вместе с ионизированным водородом, частицы взаимодействуют с магнитосферой Земли, приводя к токам Биркеланда и сиянию.

Жидкий гелий

В отличие от любого другого элемента, гелий останется жидким до абсолютного нуля при нормальных давлениях. Это прямое влияние квантовой механики: в частности, энергия нулевой точки системы слишком велика, чтобы позволить осуществить заморозку. Для твердого гелия требуется температура 1-1,5 К (около -272 °С или -457 °F) при давлении около 25 бар (2,5 МПа) . Часто трудно отличить твердый гелий от жидкого, поскольку показатель преломления двух этих фаз почти одинаковый. Твердое вещество имеет чёткую температуру плавления и имеет кристаллическую структуру, но оно сильно сжимаемо; применение давления в лаборатории может уменьшить его объем более чем на 30%. При объемном модуле около 27 МПа, гелий в 100 раз более сжимаем, чем вода. Твердый гелий имеет плотность 0,214 ± 0,006 г / см3 при 1,15 К и 66 атм; прогнозируемая плотность при 0 К и 25 бар (2,5 МПа) составляет 0,187 ± 0,009 г / см3. При более высоких температурах, гелий будет затвердевать с достаточным давлением. При комнатной температуре, это требует около 114000 атм.

Состояние гелия I

Ниже своей точки кипения, составляющей 4,22 кельвина и выше лямбда-точки 2.1768 кельвинов, изотопный гелий-4 существует в нормальном бесцветном жидком состоянии, называемом гелием I. Как и другие криогенные жидкости, гелий I закипает, когда он нагревается и сжимается, когда его температура снижается. Однако, ниже точки лямбда, гелий не кипит, и он расширяется по мере дальнейшего понижения температуры. Гелий I имеет газообразный показатель преломления 1,026, что настолько затрудняет рассмотрение его поверхности, что для наблюдения за его поверхностью часто используются всплывающие пенополистиролы. Эта бесцветная жидкость имеет очень низкую вязкость и плотность 0,145-0,125 г / мл (около 0-4 К), что составляет лишь одну четвертую от величины, ожидаемой от классической физики. Для объяснения этого свойства необходима квантовая механика, и поэтому оба состояния жидкого гелия (гелий I и гелий II) называются квантовыми жидкостями, что означает, что они проявляют атомные свойства в макроскопическом масштабе. Это может быть следствием того, что точка кипения гелия настолько близка к абсолютному нулю, что не дает случайному молекулярному движению (тепловой энергии) маскировать его атомные свойства.

Состояние гелия II

Жидкий гелий ниже его лямбда-точки (называемый гелием II) имеет очень необычные характеристики. Из-за его высокой теплопроводности, когда он кипит, он не пузырится, а испаряется непосредственно с поверхности. Гелий-3 также имеет сверхтекучую фазу, но только при гораздо более низких температурах; в результате, мало что известно о свойствах этого изотопа. Гелий II является сверхтекучей жидкостью и квантовомеханическим состоянием со странными свойствами. Например, когда он протекает через капилляры толщиной от 10-7 до 10-8 м, он не имеет измеримой вязкости. Однако, когда проводились измерения между двумя движущимися дисками, наблюдалась вязкость, сравнимая с вязкостью газообразного гелия. Настоящая теория объясняет это с помощью двухжидкостной модели для гелия II. В этой модели, жидкий гелий ниже точки лямбда рассматривается как вещество, содержащее часть атомов гелия в основном состоянии, которые являются сверхтекучими и текут с нулевой вязкостью, и часть атомов гелия в возбужденном состоянии, которые ведут себя как обычная жидкость. В эффекте фонтанирования, построена камера, которая соединена с резервуаром гелия II спеченным диском, через который легко протекает сверхтекучий гелий, но через который не может проходить несверхтекучий гелий. Если внутренняя часть контейнера нагревается, сверхтекучий гелий переходит в не-сверхтекучий гелий. Для поддержания равновесной доли сверхтекучего гелия, сверхтекучий гелий протекает и увеличивает давление, вызывая выделение жидкости из контейнера. Теплопроводность гелия II больше, чем у любого другого известного вещества, в миллион раз больше, чем у гелия I и в несколько сотен раз больше, чем у меди. Это связано с тем, что теплопроводность происходит за счет исключительного квантового механизма. Большинство материалов, которые проводят тепло, имеют валентную зону свободных электронов, которые служат для передачи тепла. Гелий II не имеет такой валентной зоны, но, тем не менее, хорошо проводит тепло. Поток тепла определяется уравнениями, которые аналогичны волновому уравнению, используемому для характеристики распространения звука в воздухе. Под воздействием тепла, он перемещается со скоростью 20 метров в секунду при 1,8 K через гелий II в виде волн в явлении, известном как второй звук. Гелий II также обладает «ползучим» эффектом. Когда поверхность проходит через уровень гелия II, гелий II движется по поверхности, против силы тяжести. Гелий II выйдет из незапечатанного сосуда, сползая по бокам, пока не достигнет более теплой области, где он испарится. Он перемещается в пленке толщиной 30 нм независимо от поверхностного материала. Эта пленка называется роллиновской пленкой в честь ученого, который впервые охарактеризовал это его качество, Бернарда В. Роллина. В результате этого «ползучего» поведения и способности гелия II быстро протекать через крошечные отверстия, очень трудно ограничить жидкий гелий. Если контейнер не будет тщательно сконструирован, гелий II будет ползти по поверхности и через клапаны, пока он не достигнет более теплого участка, откуда он испарится. Волны, распространяющиеся по роллиновской пленке, регулируются тем же уравнением, что и гравитационные волны на мелководье, но вместо силы тяжести восстанавливающая сила представляет собой силу Ван-дер-Ваальса. Эти волны известны как третий звук.

Изотопы

Существует девять известных изотопов гелия, но только гелий-3 и гелий-4 стабильны. В атмосфере Земли, на миллион атомов 4He приходится один атом 3He. В отличие от большинства элементов, изотопическое изобилие гелия сильно различается по происхождению из-за различных процессов формирования. Наиболее распространенный изотоп, гелий-4, производится на Земле в ходе альфа-распада более тяжелых радиоактивных элементов; образующиеся в результате этого альфа-частицы являются полностью ионизованными ядрами гелия-4. Гелий-4 является необычно устойчивым ядром, потому что его нуклоны расположены в полных оболочках. Он также был сформирован в огромных количествах при нуклеосинтезе большого взрыва . Гелий-3 присутствует на Земле только в следовых количествах; большая часть гелия-3 присутствует с момента образования Земли, хотя некоторая часть попадает на Землю, захваченная космической пылью. Следовые количества гелия также вырабатываются при бета-распаде трития . Скалы земной коры имеют изотопные отношения, изменяющиеся в десять раз, и эти соотношения могут быть использованы для исследования происхождения пород и состава мантии Земли. 3He гораздо более распространен в звездах как продукт ядерного синтеза. Таким образом, в межзвездной среде соотношение 3He к 4He примерно в 100 раз выше, чем на Земле. Экстрапланетный материал, такой как лунный и астероидный реголит, имеет следовые количества гелия-3 от бомбардировки солнечными ветрами. Поверхность Луны содержит гелий-3 при концентрациях порядка 10 чнм, что намного выше, чем приблизительно 5 чнм, обнаруженные в земной атмосфере. Ряд ученых, начиная с Джеральда Кульцински в 1986 году , предложили исследовать луну, собрать лунный реголит и использовать гелий-3 для слияния. Жидкий гелий-4 можно охладить примерно до 1 кельвина, используя испарительное охлаждение в горшке, температура в котором достигает 1 К. Аналогичное охлаждение гелия-3 с более низкой температурой кипения может достигать около 0,2 кельвинов в холодильнике с гелием-3. Равные смеси жидкого 3He и 4He с температурой ниже 0,8 К разделяются на две несмешивающиеся фазы из-за их несходства (они имеют разную квантовую статистику: атомы гелия-4 являются бозонами, в то время как атомы гелия-3 являются фермионами). В холодильных машинах, работающих на смеси криогенных веществ, эта несмесимость используется для достижения температуры в несколько милликельвинов. Можно производить экзотические изотопы гелия, которые быстро распадаются на другие вещества. Самый короткоживущий тяжелый изотоп гелия представляет собой гелий-5 с периодом полураспада 7,6 × 10-22 с. Гелий-6 распадается путем излучения бета-частицы и имеет период полураспада 0,8 секунды. Гелий-7 также излучает бета-частицу, а также гамма-луч. Гелий-7 и гелий-8 образуются в некоторых ядерных реакциях. Известно, что гелий-6 и гелий-8 обладают ядерным ореолом.

Соединения гелия

Гелий имеет валентность 0 и химически неактивен при всех нормальных условиях . Гелий является электрическим изолятором, если он не ионизирован. Как и другие благородные газы, гелий обладает метастабильными уровнями энергии, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде с напряжением ниже его потенциала ионизации. Гелий может образовывать нестабильные соединения, известные как эксимеры, с вольфрамом, йодом, фтором, серой и фосфором, когда он подвергается тлеющему разряду, электронной бомбардировке или восстанавливается до плазмы другими способами. Таким образом были созданы молекулярные соединения HeNe, HgHe10 и WHe2 и молекулярные ионы He +2, He2 +2, HeH + и HeD +. HeH + также стабилен в своем основном состоянии, но является чрезвычайно реакционноспособным – он является самой сильной кислотой Бренстеда, и поэтому может существовать только изолированно, поскольку он будет протонировать любую молекулу или протианион, с которыми он вступает в контакт. Этот метод также создал нейтральную молекулу He2, которая имеет большое количество полосовых систем, и HgHe, который, по-видимому, удерживается вместе только поляризационными силами. Ван-дер-ваальсовы соединения гелия также могут образовываться с криогенным газом гелия и атомами какого-либо другого вещества, такого как LiHe и He2. Теоретически возможно наличие других истинных соединений, таких как фторгидрид гелия (HHeF), который был бы аналогичен HArF, обнаруженному в 2000 году. Расчеты показывают, что два новых соединения, содержащие связь гелий-кислород, могут быть стабильными. Два новых молекулярных вида, предсказанные с использованием теории, CsFHeO и N(CH3)4FHeO, являются производными метастабильного FHeO-аниона, впервые предложенного в 2005 году группой из Тайваня. Если это подтвердится экспериментом, единственным оставшимся элементом без известных стабильных соединений будет неон . Атомы гелия были вставлены в молекулы полых углеродных каркасов (фуллеренов) путем нагревания под высоким давлением. Созданные эндоэдральные молекулы фуллерена стабильны при высоких температурах. Когда образуются химические производные этих фуллеренов, гелий остается внутри. Если используется гелий-3, его легко можно наблюдать с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса гелия . Сообщалось обо многих фуллеренах, содержащих гелий-3. Хотя атомы гелия не связаны ковалентными или ионными связями, эти вещества обладают определенными свойствами и определенным составом, как и все стехиометрические химические соединения. При высоких давлениях, гелий может образовывать соединения с различными другими элементами. Кристаллы клатрата гелия-азота (He (N2) 11) выращивались при комнатной температуре при давлениях ок. 10 ГПа в камере высокого давления с алмазными наковальнями. Было показано, что изоляционный электролит Na2He термодинамически стабилен при давлениях выше 113 ГПа. Он имеет структуру флюорита .

Возникновение и производство

Естественное изобилие

Хотя гелий редко встречается на Земле, он является вторым наиболее распространенным элементом в известной Вселенной (после водорода), составляя 23% его массы бариона. Подавляющее большинство гелия образовалось путем нуклеосинтеза Большого взрыва через одну-три минуты после Большого Взрыва. Таким образом, измерения его распространенности вносят вклад в космологические модели. В звездах, гелий образуется путем ядерного слияния водорода в протон-протонных цепных реакциях и цикле CNO, части звездного нуклеосинтеза. В атмосфере Земли, концентрация гелия по объему составляет всего 5,2 части на миллион. Концентрация низкая и довольно постоянная, несмотря на непрерывное производство нового гелия, потому что большинство гелия в атмосфере Земли поступает в космос в ходе нескольких процессов. В земной гетеросфере, части верхней атмосферы, гелий и другие более легкие газы являются наиболее распространенными элементами. Большая часть гелия на Земле является результатом радиоактивного распада. Гелий содержится в больших количествах в минералах урана и тория, включая клевеит, смолу, карнотит и монацит, поскольку они выделяют альфа-частицы (ядра гелия, He2 +), с которыми электроны немедленно связываются, как только частица останавливается камнем. Таким образом, во всей литосфере генерируется около 3000 метрических тонн гелия. В земной коре, концентрация гелия составляет 8 частей на миллиард. В морской воде концентрация составляет всего 4 части на триллион. Небольшие количества гелия также присутствуют в минеральных источниках, вулканическом газе и метеорном железе. Поскольку гелий задерживается в недрах земли в условиях, при которых также задерживается природный газ, наибольшие природные концентрации гелия на планете содержатся в природном газе, из которого извлекается большинство коммерческого гелия. Концентрация гелия варьируется в широком диапазоне, от нескольких чнм до более 7% в небольшом газовом месторождении в округе Сан-Хуан, штат Нью-Мексико . По состоянию на 2011 год, мировые запасы гелия оценивались в 40 миллиардов кубических метров, при этом четверть этих запасов находилась на месторождении South Pars / North Dome Gas-Condensate, совместно принадлежащем Катару и Ирану. В 2015 и 2016 годах были объявлены более вероятные запасы в Скалистых горах в Северной Америке и в Восточной Африке .

Современная добыча и распределение

Для широкомасштабного использования, гелий извлекается путем фракционной перегонки из природного газа, что может содержать до 7% гелия. Поскольку гелий имеет более низкую температуру кипения, чем любой другой элемент, низкую температуру и высокое давление используют для разжижения почти всех других газов (в основном, азота и метана). Полученный в результате этого сырой газообразный гелий очищают путем последовательных воздействий на понижение температуры, при котором почти весь остальной азот и другие газы осаждаются из газовой смеси. Активированный уголь используют в качестве конечной стадии очистки, обычно получая чистый гелий класса A 99,995%. Основная примесь в гелии класса А – это неон. На конечном этапе производства, большая часть произведенного гелия сжижается посредством криогенного процесса. Это необходимо для применений, требующих жидкого гелия, а также позволяет поставщикам гелия снизить стоимость транспортировки гелия на большие расстояния, так как крупнейшие контейнеры с жидким гелием имеют более чем в пять раз большую емкость самых больших газовых гелиевых прицепов. В 2008 году, приблизительно 169 миллионов стандартных кубических метров гелия были извлечены из природного газа или изъяты из запасов гелия, примерно 78% из Соединенных Штатов, 10% из Алжира и большая часть остатков – из России, Польши и Катара. К 2013 году, увеличение производства гелия в Катаре (компании RasGas под управлением Air Liquide) увеличило долю мирового производства гелия в Катаре до 25% и сделало эту страну вторым по величине экспортером гелия после Соединенных Штатов. По оценкам, в 2016 году в Танзании было обнаружено около 54 миллиардов кубических футов (1,5 × 109 м3) гелия. В Соединенных Штатах, большая часть гелия извлекается из природного газа в Хьюготоне и близлежащих газовых месторождениях в Канзасе, Оклахома, и поле Panhandle в Техасе. Большая часть этого газа когда-то направлялась по трубопроводу в Национальный гелиевый резерв, но с 2005 года этот резерв истощается и распродается, и ожидается, что он будет в значительной степени истощен к 2021 году, в соответствии с Законом об ответственном гелиевом и стратегическом руководстве, принятом в октябре 2013 года (HR 527). Диффузия сырого природного газа через специальные полупроницаемые мембраны и другие барьеры является еще одним способом восстановления и очистки гелия. В 1996 году в США были обнаружены запасы гелия в таких комплексах газовых скважин, около 147 миллиардов стандартных кубических футов (4,2 миллиарда СКМ). По темпам использования в то время (72 миллиона СКМ в год в США), гелия было бы достаточно для использования в течение примерно 58 лет в США, и меньше этого (возможно, 80% времени) в мире, но факторы, влияющие на экономию и обработку, влияют на эффективные резервные показатели. Гелий должен быть извлечен из природного газа, потому что он присутствует в воздухе лишь на часть доли неона, но спрос на него намного выше. По оценкам, если бы вся неоновая продукция была переоборудована для сохранения гелия, то было бы удовлетворено 0,1% мировых потребностей в гелии. Аналогичным образом, только 1% мировых потребностей в гелии может быть удовлетворен путем переустановки всех установок для перегонки воздуха. Гелий может быть синтезирован путем бомбардировки лития или бора высокоскоростными протонами или бомбардировкой лития дейтронами, но эти процессы являются совершенно неэкономичными. Гелий коммерчески доступен либо в жидкой, либо в газообразной форме. В качестве жидкости, он может поставляться в небольших изолированных емкостях, называемых дьюарами, которые содержат до 1000 литров гелия, или в больших контейнерах ISO, которые имеют номинальную вместимость до 42 м3 (около 11 000 галлонов США). В газообразной форме, небольшие количества гелия продаются в цилиндрах высокого давления, вмещающие до 8 м3 (около 282 стандартных кубических футов) гелия, в то время как большие количества газа высокого давления поставляются в трубчатых прицепах, мощность которых равна 4,860 м3 (около 172 000 стандартных кубических футов).

Защита сохранности гелия

По словам защитников сохранности гелия, таких как физик-лауреат Нобелевской премии Роберт Коулман Ричардсон, пишущий в 2010 году, что свободная рыночная цена на гелий способствовала «расточительному» его использованию (например, для воздушных шаров из гелия). В 2000-х годах цены были снижены решением Конгресса США продать к 2015 году крупные запасы гелия в стране. По словам Ричардсона, цена должна быть умножена на 20, чтобы устранить чрезмерное истощение гелия. В своей книге «Будущее гелия как природного ресурса» (Routledge, 2012) Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) также предложили создать Международное гелиевое агентство (IHA) для создания устойчивого рынка для этого драгоценного товара .

Области применения

В то время как воздушные шары являются, пожалуй, самым известным способом использования гелия, они составляют незначительную часть всего использования гелия. Гелий используется для многих целей, которые требуют некоторых его уникальных свойств, таких как низкая температура кипения, низкая плотность, низкая растворимость, высокая теплопроводность или инертность. Из общего мирового производства гелия 2014 года, около 32 миллионов кг (180 миллионов стандартных кубических метров) гелия в год, наибольшее использование (около 32% от общего объема в 2014 году) приходится на криогенные применения, большинство из которых связано с охлаждением сверхпроводящих магнитов в медицинских МРТ-сканерах и ЯМР-спектрометрах. Другими основными видами применения были системы повышения давления и продувки, сварка, поддержание контролируемой атмосферы и обнаружение утечек. Другие виды использования по категориям составляли относительно небольшие фракции.

Контролируемые атмосферы

Гелий используется в качестве защитного газа в растущих кристаллах кремния и германия, в производстве титана и циркония и в газовой хроматографии, поскольку он инертен. Из-за своей инертности, тепловой и калорически совершенной природы, высокой скорости звука и высокого соотношения теплоемкости, он также полезен в сверхзвуковых аэродинамических трубах и импульсных установках.

Газовая вольфрамовая дуговая сварка

Гелий используется в качестве защитного газа в процессах дуговой сварки на материалах, которые при температурах сварки загрязняются и ослабляются воздухом или азотом. В газовой сварке вольфрамовой дугой используется ряд инертных защитных газов, но вместо дешевого аргона используется гелий, особенно для сварочных материалов с более высокой теплопроводностью, таких как алюминий или медь.

Менее распространенные использования

Промышленное обнаружение утечки

Одно из промышленных применений гелия – обнаружение утечки. Поскольку гелий диффундирует через твердые вещества в три раза быстрее, чем воздух, он используется в качестве газа-индикатора для обнаружения утечек в высоковакуумном оборудовании (например, криогенных резервуарах) и контейнерах высокого давления. Испытуемое вещество помещают в камеру, которую затем эвакуируют и заполняют гелием. Гелий, который проходит через утечку, обнаруживается чувствительным устройством (гелиевым масс-спектрометром) даже при скоростях утечки 10-9 мбар · л / с (10-10 Па · м3 / с). Процедуру измерения обычно производят автоматически и называют интегральным тестом гелия. Простая процедура заключается в заполнении испытуемого объекта гелием и поиска утечки вручную с помощью ручного устройства. Просачивание гелия через трещины не следует путать с проникновением газа через сыпучий материал. В то время как гелий имеет задокументированные константы проницаемости (таким образом, расчетную скорость проникновения) через стекла, керамику и синтетические материалы, инертные газы, такие как гелий, не будут проникать в большинство крупных металлов.

Полёты

Поскольку гелий легче воздуха, дирижабли и воздушные шары накачиваются этим газом для подъёма в воздух. В то время как газообразный водород является более способным держаться на поверхности и проникает через мембрану с меньшей скоростью, гелий имеет преимущество, являясь негорючим и действительно огнезащитным. Еще одно незначительное применение гелия – в ракетах, где гелий используется в качестве воздушной подушки для замещения топлива и окислителей в резервуарах для хранения и для конденсации водорода и кислорода для получения ракетного топлива. Он также используется для очистки топлива и окислителя от наземного вспомогательного оборудования до запуска и для предварительного охлаждения жидкого водорода на космических аппаратах. Например, для запуска ракеты «Сатурн-V», используемой в программе «Аполлон», потребовалось около 370 000 м3 (13 миллионов кубических футов) гелия.

Незначительные коммерческие и рекреационные использования

Гелий в качестве дыхательного газа не имеет никаких наркотических свойств, поэтому смеси гелия, такие как тримикс, гелиокс и гелиайр используются для глубокого погружения, чтобы уменьшить эффекты наркоза, которые ухудшаются с увеличением глубины. По мере увеличения давления на глубине, плотность дыхательного газа также увеличивается, а низкомолекулярный вес гелия значительно уменьшает усилие дыхания, уменьшая плотность смеси. Это уменьшает число потоков Рейнольдса, что приводит к уменьшению турбулентного потока и увеличению ламинарного потока, что требует меньше работы для дыхания. На глубинах ниже 150 метров (490 футов), дайверы, вдыхающие гелий-кислородные смеси, начинают испытывать тремор и снижение психомоторной функции, нервный синдром, вызванный повышенным давлением. В какой-то степени этому эффекту может способствовать добавление некоторого количества наркотических газов, таких как водород или азот, в смесь гелий-кислород. Гелий-неоновые лазеры, тип маломощного газового лазера, образующего красный луч, имели различные практические применения, включая считыватели штрих-кодов и лазерные указатели, прежде чем они были практически повсеместно заменены более дешевыми диодными лазерами. Из-за своей инертности и высокой теплопроводности, прозрачности нейтронов и отсутствия образования радиоактивных изотопов в условиях реактора, гелий используется в качестве теплоносителя в некоторых ядерных реакторах с газовым охлаждением . Гелий, смешанный с более тяжелым газом, таким как ксенон, полезен для термоакустического охлаждения из-за полученного высокого коэффициента теплоемкости и низкого числа Прандтля. Инерционность гелия имеет экологические преимущества по сравнению с традиционными холодильными системами, которые способствуют истощению озона или глобальному потеплению. Гелий также используется на некоторых жестких дисках.

Научные применения

Использование гелия уменьшает искажающие эффекты изменения температуры в пространстве между линзами в некоторых телескопах из-за его чрезвычайно низкого показателя преломления. Этот метод особенно используется в солнечных телескопах, где трубка телескопа с вакуумной изоляцией будет слишком тяжелой. Гелий является широко используемым газом-носителем для газовой хроматографии. Возраст пород и минералов, содержащих уран и торий, можно оценить путем измерения уровня гелия в процессе, известном как датировка гелия. Гелий при низких температурах используется в криогениках и в некоторых применениях криогеники. В качестве примеров таких применений, жидкий гелий используется для охлаждения некоторых металлов до чрезвычайно низких температур, необходимых для сверхпроводимости, например, в сверхпроводящих магнитах для магнитно-резонансной томографии. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе использует 96 метрических тонн жидкого гелия для поддержания температуры 1,9 кельвина.

Вдыхание и безопасность

Эффекты

Нейтральный гелий в стандартных условиях не токсичен, не играет никакой биологической роли и обнаруживается в следовых количествах в крови человека. Скорость звука в гелии почти в три раза превышает скорость звука в воздухе. Поскольку основная частота газонаполненной полости пропорциональна скорости звука в газе, когда гелий вдыхается, происходит соответствующее увеличение резонансных частот голосового тракта. Фундаментальная частота (иногда называемая тоном) не меняется, так как это происходит путем прямой вибрации голосовых складок, которая не изменяется. Однако, более высокие резонансные частоты вызывают изменение в тембре, приводя к тонкому, утиноподобному звуку. Противоположный эффект, понижающий резонансные частоты, может быть получен при вдыхании плотного газа, такого как гексафторид серы или ксенон.

Опасности

Вдыхание избыточного количества гелия может быть опасным, поскольку гелий является простым удушающим веществом, которое смещает кислород, необходимый для нормального дыхания. Были зарегистрированы смертельные случаи, включая молодых людей, задохнувшихся в Ванкувере в 2003 году, и двоих взрослых, задохнувшихся в Южной Флориде в 2006 году. В 1998 году австралийская девушка (ее возраст неизвестен) из Виктории упала без сознания и временно посинела после вдыхания всего содержимого баллона с гелием. Вдыхание гелия непосредственно из баллонов под давлением или даже клапанов для наполнения баллонов чрезвычайно опасно, так как высокая скорость потока и давление могут привести к баротравме, смертельному повреждению легочной ткани. Смерть, вызванная гелием, встречается редко. Первым зарегистрированным в СМИ случаем был случай смерти 15-летней девочки из Техаса, которая умерла в 1998 году от вдыхания гелия на вечеринке у друга. В Соединенных Штатах в период с 2000 по 2004 годы сообщалось только о двух случаях смерти, в том числе о человеке, который умер в Северной Каролине от баротравмы в 2002 году. Молодой человек задохнулся в Ванкувере в 2003 году, а 27-летний мужчина в Австралии имел эмболию после вдыхания газа из цилиндра в 2000 году. С тех пор, двое взрослых задохнулось в Южной Флориде в 2006 году, несколько случаев было зафиксировано в 2009 и 2010 годах, один – с калифорнийским юношей, найденным с мешком над головой, прикрепленным к гелиевому резервуару, а еще один – с подростком в Северной Ирландии, умершем от удушья. В Игл-Пойнте, штат Орегон, девочка-подросток умерла в 2012 году от баротравмы на вечеринке. Девочка из Мичигана умерла от гипоксии в конце того же года. 4 февраля 2015 года выяснилось, что 28 января во время записи телевизионного шоу девичьей японской группы 3B Junior 12-летняя участница группы (имя которой было засекречено) пострадала от эмболии, потеряла сознание и впала в кому в результате пузырьков воздуха, заблокировавших кровоток в мозге, после вдыхания огромных количеств гелия. Инцидент не был обнародован вплоть до следующей недели. Сотрудники TV Asahi провели экстренную пресс-конференцию, чтобы сообщить, что девочку доставили в больницу и что она демонстрирует признаки реабилитации, такие как движение глаз и конечностей, но ее сознание еще недостаточно восстановлено. Полиция начала расследование из-за пренебрежения мерами безопасности. Вопросы безопасности криогенного гелия аналогичны проблемам с жидким азотом; его чрезвычайно низкие температуры могут привести к холодным ожогам, а коэффициент расширения от жидкости к газу может вызвать взрывы, если не установлены устройства для сброса давления. Контейнеры гелиевого газа при 5-10 К следует обрабатывать так, как если бы они содержали жидкий гелий из-за быстрого и значительного теплового расширения, которое возникает, когда гелиевый газ при температуре менее 10 К нагревается до комнатной температуры. При высоких давлениях (более чем около 20 атм или два МПа), смесь гелия и кислорода (гелиокс) может привести к нервному синдрому высокого давления, своего рода обратному анестетическому эффекту; добавление небольшого количества азота в смесь может облегчить проблему.

:Tags

Список использованной литературы:

Rayet, G. (1868) «Analyse spectral des protubérances observées, pendant l"éclipse totale de Soleil visible le 18 août 1868, à la presqu"île de Malacca» (Spectral analysis of the protuberances observed during the total solar eclipse, seen on 18 August 1868, from the Malacca peninsula), Comptes rendus … , 67: 757–759. From p. 758: » … je vis immédiatement une série de neuf lignes brillantes qui … me semblent devoir être assimilées aux lignes principales du spectre solaire, B, D, E, b, une ligne inconnue, F, et deux lignes du groupe G.» (… I saw immediately a series of nine bright lines that … seemed to me should be classed as the principal lines of the solar spectrum, B, D, E, b, an unknown line, F, and two lines of the group G.

Жидкий

Гелий идет под вторым порядковым номером в периодической системе элементов Менделеева. Это один из главных элементов инертной группы газов. Обозначается гелий латинскими буквами «He» и имеет атомный номер два. Этот газ не обладает запахом, не имеет цвета и вкуса.
Газ гелий является одним из самых распространенных элементов во вселенной и по количеству идет сразу после водорода. Гелий также является одним из самых легких элементов. Для получения гелия используют метод фракционной перегонки (процесс низкотемпературного разделения).

Открытие гелия

Во время солнечного затмения в городе Гунтур в 1868 году ученый из Франции Пьер Жансен смог исследовать хромосферу Солнца при помощи спектроскопа. Он смог определить, что в протуберанцах Солнца находиться не только водород, но и другие элементы. В то время новый элемент приняли за D натрий. Но Пьер Жансен написал письмо во Французскую Академию наук, где изложил свою теорию открытия нового элемента.
Спустя пару месяцев астроном из Англии Норман Локьер провел собственные исследования и также при помощи спектроскопа выявил новую линию в спектре неизвестного элемента длинной 587,56 нм. Во время совместной работой со своим другом химиком Эдвардом Франкландом Норман Локьер дал название открытому элементу - гелий, что означало на древнегреческом языке «Солнце».
В честь открытия нового элемента Французская академия решила вручить почетные медали обоим ученым и Норману Локьеру и Пьеру Жансену.
Итальянец Луиджи Пальмиери в 1881 году во время своих исследований вулканических газов смог определить гелий. Луиджи Пальмиери использовал прокаливание для нагрева вулканического продукта в бунзеновской горелке и пытался определить весь спектр полученных газов. Но Пальмиери так и не смог четко сформулировать свои исследования и поэтому его опытам большого значения не придали. Но спустя много лет гелий и аргон действительно были обнаружены в вулканических газах.
Открытие гелия на Земле произошло в 1895 году, когда шотландский химик Уильям Рамзай занимался исследованиями газов, полученных при разложении минерала клевеита. При помощи спектрометра он смог обнаружить желтую линию в спектре газов, которая говорила о наличии гелия. Для дополнительного исследования Уильям Рамзай отправил образцы ученому Уильяму Круксу. Дополнительные исследования показали, что желтая линия совпадает со спектром ранее открытого гелия в хромосфере Солнце. В дальнейшем шведские химики Н. Ленгле и П. Клеве смогли точно определить атомный вес гелия, повторив опыты Рамзая с клевеитом. Окончательную точку в открытии гелия на Земле в 1896 году поставили Зигберт Фридлендер, Эдвард Бэли и Генрих Кайзер, которые определили присутствие гелия в атмосфере нашей планеты.
В дальнейшем Рамзай продолжил свои исследования гелия и обнаружил, что гелий часто сопутствует торию и урану. В 1906 году ученый Ройдс и Резенфорд открыли, что альфа-частицы этих радиоактивных элементов являются ядрами гелия. Именно благодаря исследованиям Рамзая было положено начало теории строения атома.
Жидкий гелий впервые смог получить методом дросселирования физик из Нидерландов Хейке Камерлинг-Оннесу. Он охладил гелий в кипевшем в вакууме водороде. Получить твердый гелий не получалось до 1926 года. Немецкий физик Виллем Хендрик смог под высоким давлением сжать гелий и выделить кристаллы.
В 1932 году ученый Кеез исследовал зависимость теплоемкости жидкого гелия и температуры. Он узнал, что при температуре 2,1К (точное значение =2,172 K.) плавный подъем теплоемкости гелия сменяется резким падением и график теплоемкости выглядит как греческая буква «лямбда» (?). В связи с этим открытием этой точки температуры было присвоено название «?-точка». Именно в этой точке происходят глобальные изменения с гелием. Одна фаза жидкого гелия сменяет другую и при этом не выделяется тепла. Гелию ниже «?-точки» было присвоено обозначение гелий-II, а выше гелий-I.
Явление сверхтекучести гелия впервые открыл советский ученый Пётр Леонидович Капица, которые исследовал свойства жидкого гелия-II. Он смог доказать, что жидкий гелий-II течет практически без трения.
Происхождение названия
В слове гелий имеется окончание «-ий» (лат. «-um» — «Helium»), что характерно для обозначения металлов в периодической системе элементов. Это связано с тем, что Локьер при открытии гелия предположил, что это металл и дал такое название. А переименовать в «Гелион» с окончанием «-он» уже не представлялось возможным, так как это название было закреплено за ядром лёгкого изотопа гелия (гелий-III)

Нахождение гелия

В космосе
Во Вселенной гелий занимает второй место по распространенности. Большая часть гелия в космосе образовалась после Большого Взрыва, в период первичного нуклеосинтеза. На данный момент гелий образуется во Вселенной благодаря термоядерному синтезу водорода в недрах звезд. Малая часть гелия образуется в земной коре при альфа-распаде тяжелых элементов и просачивается сквозь земную кору связываясь с частичками природного газа. Концентрация гелия в природном газе может достигать семи процентов и выше от объема.

В атмосфере земли
Гелий в атмосфере земли получается в результате распада элементов Ac, Th, U. И содержание гелия в атмосфере достигает 7,24?10?5 % по массе и 5,27?10?4 % по объёму. Запасы гелия оцениваются примерно в 5?1014 м?. Обычно концентрация гелия в других газах не превышает двух процентов и в очень редких случаях встречаются газы, содержание в которых гелия достигает 8-15%.
В земной коре
Гелий занимает второй место после аргона по содержанию в земной коре. В земном веществе содержание гелия оценивается примерно в 3 г/т. Наибольшая концентрация гелия замечена в минералах, в которых присутствует торий, самарий, уран, монацит, гадолинит, фергюсонит, клевеит, торианит. При этом в торианите содержание гелия может достигать 10,5 л/кг, в остальных минерала в пределах от 0,8 до 3,5 л/кг.

Определение гелия
Чтобы качественно определить гелий используют анализ спектров испускания (линии 388,86 нм и 587,56 нм). Количественно гелий определяют хроматографическим и масс-спектрометрическим методом. Также используются методы, которые основаны на измерении физических свойств гелия, таких как плотность, теплопроводность и так далее.
Физические свойства гелия
Гелий является инертным химическим элементом. Он не токсичен, без цвета, вкуса и запаха. При нормальных условиях гелий является одноатомным газом с точкой кипения 4,215 K (гелий IV). Твердое состояние гелия достигается только при давлении порядка 25 атмосфер и выше. Без давления гелий не переходит в твердое состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю. Большинство соединений гелия нестабильны в нормальных условиях и для образования связей требуются специальные условия.
Воздействие гелия на организм
В своем большинстве инертные газы воздействуют на организм, вызывая наркотическое опьянение. Воздействия простого гелия при нормальном давлении на организм не оказывает никакого действия. При повышении давления у человека может возникнуть синдром высокого давления.

Свойства в газовой фазе
Гелий ведет себя как идеальный газ при нормальных условиях. В большинстве проявлений гелий является многоатомным газом с плотностью 0,17847 кг/м?. Теплопроводность гелия при нормальных условиях составляет 0,1437 Вт/(м.К), больше чем у водорода и других газов. Удельная теплоемкость при нормальных условиях 5,23 кДж/(кг.К), а в водорода 14,23 кДж/(кг.К).
При пропускании тока через трубку заполненную гелием можно наблюдать разряды различных цветов, которые зависят от давления в трубке. Если уменьшать давление то цвета будут меняться от розового, желтого до зеленого и оранжевого. Это объясняется тем, что в спектре гелия находиться несколько линий, которые располагаются в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного спектра. Главные линии спектра гелия лежат в диапазоне между 706,52 нм и 447,14 нм. Уменьшение давления в трубке приводит к тому, что увеличивается длина пробега электрона, и энергия от его столкновения с атомами гелия возрастает. В результате этого происходит возбуждение атомов и большей энергии, что и приводит к смещению спектральных линий.
Гелий слабо растворяется в воде по сравнению с другими газами. При температуре 20 °C в одном литре воды растворяется всего 8,8 мл гелия. В этаноле растворяется 2,5 мл при 15°C и 3,2 при 25 °C. Скорость диффузии гелия в твердых материалах в несколько раз больше чем у других газов. Например, диффузия гелия на 65% больше чем у водорода
У гелия коэффициент преломления ближе к единице, чем у других газов. Гелий при нормальной температуре имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона. То есть он не нагревается, когда свободно увеличивается в объеме. Гелий остывает во время свободного расширения только при температуре ниже 40 К (ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона) при нормальном давлении. При понижении температуры гелий способен перейти в жидкообразное состояние при расширительном охлаждении. Такое охлаждение возможно при помощи детандера.

Химические свойства гелия
Гелий является одним и наименее активных химических элементов среди инертных газов. Большинство соединений гелия существуют в газовой фазе, в виде эксимерных молекул, которые имеют неустойчивое основное состояние и устойчивое возбужденное электронное состояние. Гелий способен образовывать двухатомные молекулы (He2), соединения с фтором (HeF) и хлором (HeCl).

Получение гелия
Промышленным способом для получения гелия используют месторождения гелийсодержащих природных газов. Чтобы отделить гелий от другого газа используют глубокое охлаждение. Гелий сжижается лучше остальных газов. При помощи дросселирования в несколько этапов очищают гелий от углекислого газа и углеводородов. В итоге получается смесь нескольких газов (гелий, водород и неон). Дальше для отделения водорода от гелия используют CuO и температуру 650—800 К. Окончательно очищают гелий методом охлаждения смеси в кипящем вакууме N2 и адсорбцией оставшихся примесей. Таким методом получают чистый гелий (до 99,8% по объему)
В России гелий газ получают из нефтяного или природного газа. Основным российским заводом по добыче гелия является ООО «Газпром добыча Оренбург». На этом заводе добывают гелий из газа с низким содержанием гелия, что повышает его окончательную стоимость. Чтобы снизить себестоимость гелия были разработаны проекты освоения месторождений в Восточной Сибири и Дальнем Востоке. На данном этапе главным поставщиком гелия на мировой рынок является США, на долю которых приходиться порядка 140 миллионов м? гелия в год. Все самые крупные месторождения гелия находятся на США. Россия по объему производимого гелия занимает третью строчку после США и Алжира.

Транспортировка гелия
Для того чтобы перевозить гелий используют специальные баллоны для газов (ГОСТ 949-73). Эти баллоны необходимо помещать в специальные контейнеры, чтобы не повредить их в дороге. Для перевозки упакованных баллонов с гелием можно использовать любой транспорт пригодный для перевозки газов. Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных емкостях. При перевозке жидкого гелия сосуды с гелием должны находиться в вертикальном положении. При правильной транспортировке гелий можно перевозить как железнодорожным транспортом, так и на специальных автомобилях.

Применение гелия
Гелий широко используется в народном хозяйстве и промышленности. В металлургии гелий используют при выплавке чистых металлов. Гелий используется в качестве пищевой добавки E939 и средства упаковки. За счет уникальных свойств гелий используют в качестве хладагента. Гелием наполняют воздушные шары, используют в медицине как дыхательную смесь, используют в лазерах и в качестве теплоносителей в котлах и трубопроводах.

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