Helij

Iz Wikipedije, besplatne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretraživanje
Helij
Vodik | Litij
2 On

Ne
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонPeriodni sustav elemenata
2 On
Šesterokutni.svg
Elektronska ljuska 002 Helij.svg
Izgled jednostavne tvari
Inertni plin bez boje , okusa i mirisa
Cijev za ispuštanje helija.jpg
Sjaj helija u cijevi za ispuštanje plina
Svojstva atoma
Ime, simbol, broj Helij / Helij (He), 2
Atomska masa
( molarna masa )
4,002602 ± 2,0E - 6[1] [2] a. e.m. ( g / mol )
Elektronička konfiguracija 1s 2
Polumjer atoma ? (31) [3] popodne
Kemijska svojstva
Kovalentni radijus 28 [3] popodne
Ionski radijus 93 [3] popodne
Elektronegativnost 4.5 (Paulingova ljestvica)
Potencijal elektrode 0
Stanja oksidacije 0
Energija ionizacije
(prvi elektron)
2361,3 (24,47) kJ / mol ( eV )
Termodinamička svojstva jednostavne tvari
Gustoća (na n.o. ) 0.147 g / cm3 (na -270 ° C);
0,00017846 (pri +20 ° C) g / cm³
Temperatura taljenja 0,95 K (-272,2 ° C , -457,96 ° F) (pri 2,5 MPa )
Temperatura vrenja 4,2152 K (-268,94 ° C , -452,08 ° F) (za 4 He) [4]
Ud. toplina fuzije 0,0138 kJ / mol
Ud. toplina isparavanja 0,0829 kJ / mol
Molarni toplinski kapacitet 20,79 [4] J / (K · mol)
Molarni volumen 31.81 cm ³ / mol
Kristalna rešetka jednostavne tvari
Struktura rešetke šesterokutna
Parametri rešetki a = 3.570 Å; c = 5,84 Å
C / omjer 1,633
Ostale karakteristike
Toplinska vodljivost (300 K) 0,152 W / (m K)
CAS broj 7440-59-7
Emisijski spektar
438.793 нм443.755 нм447.148 нм471.314 нм492.193 нм501.567 нм504.774 нм587.562 нм667.815 нмVidljiv spektar helija.png
2
Helij
On
4,002602 ± 2,0E - 6[1]
1s 2

Helij (He, lat. Helium) - kemijski element VIII grupe kratkog oblika (18. grupa dugog oblika) [5] prvog razdoblja periodnog sustava kemijskih elemenata , ima atomski broj 2. Glava grupni inertni plin [5] .

Kao jednostavna tvar, to je inertni jednoatomni plin bez boje, okusa i mirisa.

Po rasprostranjenosti u svemiru i po lakoći zauzima drugo mjesto nakon vodika . Vrelište mu je najniža od svih poznatih tvari.

Helij se ekstrahira iz prirodnog plina postupkom niskotemperaturne separacije-takozvane frakcijske destilacije (vidi " Frakcijska destilacija ") ili membranskom separacijom plina [6] .

Povijest otkrića

Helij u ampulama

18. kolovoza 1868. francuski je znanstvenik Pierre Janssen , tijekom potpune pomrčine Sunca u indijskom gradu Gunturu , prvi put istražio kromosferu Sunca. Janssen je uspio podesiti spektroskop na takav način da se spektar sunčeve korone mogao promatrati ne samo tijekom pomrčine, već i u običnim danima. Sljedećeg dana, spektroskopija solarnih izbočina, zajedno s vodikovim linijama - plavom, zeleno -plavom i crvenom - otkrila je vrlo svijetlu žutu liniju, koju su izvorno uzeli Janssen i drugi astronomi koji su je promatrali za liniju natrija D. Janssen je o tome odmah pisao Francuskoj akademiji znanosti . Nakon toga je utvrđeno da se svijetložuta linija u Sunčevom spektru ne podudara s linijom natrija i ne pripada niti jednom od prethodno poznatih kemijskih elemenata [7] [8] .

Dva mjeseca kasnije, 20. listopada, engleski astronom Norman Lockyer , ne znajući za razvoj svog francuskog kolege, također je proveo istraživanja Sunčevog spektra. Pronašavši nepoznatu žutu linijuvalne duljine 588 nm (točnije 587,56 nm ), označio ju je D 3 , budući da je bila vrlo blizu Fraunhoferovim linijama D 1 ( 589,59 nm ) i D 2 ( 588,99 nm ) natrija. Dvije godine kasnije Lockyer je zajedno s engleskim kemičarom Edwardom Franklandom , u suradnji s kojim je radio, predložio da se novom elementu da ime "helij" (od starogrčkog ἥλιος - "sunce") [8] .

Zanimljivo je da su pisma Janssena i Lockyera stigla u Francusku akademiju znanosti istoga dana - 24. listopada 1868., no Lockyerovo pismo, koje je napisao četiri dana ranije, stiglo je nekoliko sati ranije. Sljedećeg dana oba su pisma pročitana na sastanku Akademije. U čast nove metode istraživanja važnosti, Francuska akademija odlučila je osvojiti medalju. S jedne strane medalje bili su utisnuti portreti Jansena i Lockyera preko prekriženih grana lovora , a s druge - slika mitološkog boga svjetla Apolona , koji vlada u kolima od četiri konja koja galopiraju punom brzinom [8] .

Talijan Luigi Palmieri objavio je 1881. izvješće o svom otkriću helija u vulkanskim plinovima fumarola . Istražio je svijetložutu uljnu tvar taloženu iz mlazova plina na rubovima kratera Vezuv . Palmieri je zapalio ovaj vulkanski proizvod u plamenu Bunsenovog plamenika i promatrao spektar plinova koji se tijekom toga oslobađaju. Učenjaci su ovu poruku dočekali s nevjericom, budući da je Palmieri nejasno opisao svoje iskustvo. Nakon mnogo godina, male količine helija i argona doista su pronađene u sastavu plinova fumarola [8] .

Samo 27 godina nakon početnog otkrića, helij je otkriven na Zemlji - 1895. godine, škotski kemičar William Ramsay , ispitujući uzorak plina dobiven raspadom minerala cleveite , u svom je spektru pronašao istu svijetložutu liniju koja je ranije pronađena u Sunčevoj svjetlosti. spektar. Uzorak je poslan na dodatno istraživanje na slavni engleski spektroskopist William Crookes , koji je potvrdio da je žuta linija promatrana u spektru uzorka podudara s D3 linije helija. Ramsay je 23. ožujka 1895. poslao poruku o svom otkriću helija na Zemlji Kraljevskom društvu u Londonu , kao i Francuskoj akademiji preko poznate kemičarke Marceline Berthelot [8] .

Švedski kemičari P. Cleve i N. Lengle uspjeli su izvući dovoljno plina iz cleveita kako bi ustanovili atomsku težinu novog elementa [9] [10] .

1896. Heinrich Kaiser , Siegbert Friedlander i dvije godine kasnije Edward Bailey konačno su dokazali prisutnost helija u atmosferi [8] [11] [12] .

Još prije Ramsayja helij je izolirao i američki kemičar Francis Hillebrand , ali je pogrešno vjerovao da je primio dušik [12] , te je u pismu Ramsayju prepoznao prioritet otkrića.

Istražujući različite tvari i minerale, Ramsay je otkrio da helij u njima prati uran i torij . Ali tek mnogo kasnije, 1906., Rutherford i Royds su ustanovili da su alfa čestice radioaktivnih elemenata jezgre helija. Ove su studije postavile temelje modernoj teoriji strukture atoma [13] .

Grafikon ovisnosti toplinskog kapaciteta tekućeg helija-4 o temperaturi

Tek je 1908. nizozemska fizičarka Heike Kamerling-Onnes uspjela dobiti tekući helij . Upotrijebio je prigušivanje (vidi Joule-Thomsonov efekt ) nakon što se plin prethodno ohladio u tekućem vodiku koji je ključao u vakuumu. Pokušaji dobivanja čvrstog helija dugo su bili neuspješni čak i pri temperaturi od 0,71 K , do koje je došao student Kamerling-Onnesa, njemački fizičar Willem Hendrik Kees . Tek 1926., primjenjujući tlak iznad 35 atm i hladeći komprimirani helij u tekućem helijumu koji je vreo pod razrjeđivanjem, uspio je izolirati kristale [14] .

Godine 1932. Keesom je istraživao prirodu promjene toplinskog kapaciteta tekućeg helija s temperaturom. Otkrio je da oko 2,19 K polagani i glatki porast toplinskog kapaciteta zamjenjuje oštar pad, a krivulja toplinskog kapaciteta ima oblik grčkog slova λ (lambda). Dakle, temperatura pri kojoj dolazi do skoka toplinskog kapaciteta dobiva uvjetno ime " λ- točka " [14] . Točnije vrijednost temperature u ovom trenutku, utvrđena kasnije, iznosi 2,172 K. U točki λ događaju se duboke i nagle promjene osnovnih svojstava tekućeg helija - jedna faza tekućeg helija se u ovom trenutku zamjenjuje drugom, i bez oslobađanja latentne topline; dolazi do faznog prijelaza drugog reda . Iznad temperature λ- točke nalazi se takozvani helij-I , a ispod njega- helij-II [14] .

Sovjetski fizičar Pyotr Leonidovich Kapitsa otkrio je 1938. fenomen superfluidnosti tekućeg helija-II , koji se sastoji u naglom smanjenju koeficijenta viskoznosti , zbog čega helij teče praktički bez trenja [14] [15] . Evo što je napisao u jednom od svojih izvještaja o otkriću ovog fenomena [16] :

" ... Takva količina topline, koja se zapravo prenijela, nadilazi fizičke mogućnosti da tijelo, prema nikakvim fizičkim zakonima, ne može prenijeti više topline od svoje toplinske energije pomnožene sa brzinom zvuka. S uobičajenim mehanizmom provođenja topline, toplina se nije mogla prenositi na istom mjerilu kao što je primijećeno. Trebalo je tražiti drugo objašnjenje.

I umjesto objašnjenja prijenosa topline provođenjem topline, odnosno prijenosa energije s jednog atoma na drugi, moglo bi se to trivijalnije objasniti - konvekcijom, prijenosom topline u samoj tvari. Nije li tako da se zagrijani helij pomiče prema gore, a hladni da se spušta, zbog razlike u brzinama nastaju konvekcijske struje, a time dolazi i do prijenosa topline. No za to je bilo potrebno pretpostaviti da helij u svom kretanju teče bez ikakvog otpora. Već smo imali slučaj da se struja kretala bez ikakvog otpora duž vodiča. I odlučio sam da se i helij kreće bez ikakvog otpora, da to nije tvar koja provodi toplinu, već supertekuća.

... Ako je viskoznost vode 10⋅10 −2 P , onda je to milijardu puta više tekućine od vode ...
"

porijeklo imena

Naziv dolazi od grčkog. ἥλιος - "Sunce" (vidi Helios ). Zanimljiva je činjenica da su u elementu karakterističnom za naslov korišteni metali koji završavaju "podudaranje" (na latinskom "-um" -. "Helij"), budući da je Lockyer pretpostavio da su njihov otvoreni element metal. Po analogiji s drugim plemenitim plinovima, bilo bi logično dati mu ime "Helion" [8] . U suvremenoj znanosti naziv " helion " dodijeljen je jezgri izotopa lakog helija - helij -3 [ izvor neodređen 239 dana ] .

Prevalencija

U svemiru

Helij je drugi po zastupljenosti u svemiru nakon vodika - oko 23% po masi [17] . Međutim, ovaj je element rijedak na Zemlji. Gotovo sav helij u svemiru nastao je u prvih nekoliko minuta nakon Velikog praska [18] [19] , tijekom primarne nukleosinteze . U suvremenom svemiru gotovo sav novi helij nastaje kao rezultat termonuklearne fuzije vodika u unutrašnjosti zvijezda (vidi protonsko-protonski ciklus , ciklus ugljik-dušik ). Na Zemlji nastaje kao posljedica alfa raspada teških elemenata ( alfa čestice koje se emitiraju tijekom alfa raspada su jezgre helija-4) [20] . Dio helija proizveden tijekom alfa raspada i prodiranja kroz stijenezemljine kore zahvaćen je prirodnim plinom , čija koncentracija helija može doseći 7% volumena i više.

Zemljina kora

U okviru osamnaeste skupine helij po sadržaju u zemljinoj kori zauzima drugo mjesto (nakon argona ) [21] .

Sadržaj helija u atmosferi (nastalog kao posljedica raspadanja torija , urana i njihovih kćeri radionuklida) iznosi 5,27⋅10 −4 % po volumenu, 7,24⋅10 −5 % po masi [4] [12] [20 ] . Rezerve helija u atmosferi , litosferi i hidrosferi procjenjuju se na 5⋅10 14 [4] . Prirodni plinovi koji sadrže helij obično sadrže do 2% volumena helija. Nakupljanje plinova, čiji sadržaj helija doseže 8-16%, iznimno je rijetko [20] .

Prosječni sadržaj helija u kopnenoj tvari iznosi 0,003 mg / kg ili 0,003 g / t [20] . Najveća koncentracija helija opažena je u mineralima koji sadrže uran, torij i samarij [22] : kleveit , fergusonit , samarskit , gadolinit , monazit ( monazitni pijesak u Indiji i Brazilu), torianit . Sadržaj helija u tim mineralima je 0,8-3,5 l / kg , dok u torianitu doseže 10,5 l / kg [12] [20] . Ovaj helij je radiogen i sadrži samo izotop 4
On
, nastaje od alfa čestica koje se emitiraju tijekom alfa raspada urana, torija i njihovih kćeri radionuklida, kao i drugih alfa-aktivnih elemenata u prirodi (samarij, gadolinij itd.).

Norveški i britanski znanstvenici otkrili su 2016. nalazišta helija u regiji jezera Victoria u Tanzaniji. Prema grubim procjenama stručnjaka, volumen rezervi je 1,5 milijardi kubičnih metara [23] .

Značajne rezerve helija nalaze se na istočnosibirskim plinskim poljima u Rusiji. Rezerve helija u polju Kovykta procjenjuju se na 2,3 milijarde kubnih metara [24] , u polju Chayandinskoye - na 1,4 milijarde kubnih metara [25] .

Definicija

Kvalitativno, helij se određuje analizom emisijskog spektra (karakteristične crte 587,56 nm i 388,86 nm ), kvantitativno - masenom spektrometrijskom i kromatografskom metodom analize, kao i metodama temeljenim na mjerenju fizikalnih svojstava (gustoća, toplinska vodljivost itd.) [4] .

Fizička svojstva

Fazni dijagram 4 He
Fazni dijagram 3 He. Faza 2 čvrstog helija sastoji se od kristala kubičnog sustava usmjerenog prema tijelu

Helij je gotovo inertan kemijski element.

Jednostavna tvar helij je neotrovna, bez boje, mirisa i okusa. U normalnim uvjetima to je jednoatomni plin. Vrelište ( T = 4,215 K za 4
He
) najmanja među svim tvarima; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле . Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях .

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

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы ( инертные газы ) и вообще всей таблицы Менделеева [30] . Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул , у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He +
2
, фторид HeF, хлорид HeCl ( эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором ).

Энергия связи молекулярного иона гелия He +
2
составляет 58 ккал/моль , равновесное межъядерное расстояние1,09 Å [31] .

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

Свойства в газовой фазе

Спектральные линии гелия.

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ . При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях плотность составляет 0,17847 кг/м³ , обладает теплопроводностью 0,1437 Вт (м·К) — бо́льшей, чем у всех других газов, за исключением водорода , а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока ( с р = 5,23 кДж кг·К ; для сравнения — для Н 2 она равна 14,23 кДж кг·К ).

Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием.

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

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных ( 1 S 0 ) и триплетных ( 3 S 1 ), поэтому в конце XIX века Локьер , Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них, по их предположению, имел в спектре жёлтую линию 587,56 нм , другой — зелёную 501,6 нм . Этот второй газ они предложили назвать астерием ( Asterium ) от греч. «звёздный». Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа 7—8 мм рт. ст. наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 году [34] (см. Обменное взаимодействие ). Спектр зависит от взаимного направления спинов электронов в атоме — атом с противоположно направленными спинами (дающий зелёную линию в оптических спектрах) получил название парагелия , с сонаправленными спинами (с жёлтой линией в спектре) — ортогелия . Линии парагелия — одиночки, линии ортогелия — весьма узкие триплеты. Атом гелия в нормальных условиях находится в одиночном ( синглетном ) состоянии. Чтобы атом гелия перевести в триплетное состояние, нужно затратить работу в 19,77 эВ . Переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное сам по себе осуществляется чрезвычайно редко. Такое состояние, из которого переход в более глубокое сам по себе маловероятен, носит название метастабильного. Вывести атом из метастабильного состояния в стабильное можно, подвергая атом внешнему воздействию, например, электронным ударом или при столкновении с другим атомом с передачей последнему непосредственно энергии возбуждения [35] . В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно и суммарный спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов сонаправлены, суммарный спиновый момент равен единице. Принцип Паули запрещает двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в низшем энергетическом состоянии ортогелия, имея одинаковые спины, вынуждены иметь различные главные квантовые числа : один электрон находится на 1 s -орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2 s -орбитали (состояние оболочки 1 s 2 s ). У парагелия оба электрона находятся в 1 s -состоянии (состояние оболочки 1 s 2 ).

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

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

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

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл ( 9,78 при 0 °C , 10,10 при 80 °C ), в этаноле2,8 мл/л при 15 °C и 3,2 мл/л при 25 °C .

Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха , и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля — Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается при дросселировании через пористые перегородки или маленькие отверстия, но, как и все газы, охлаждается при любой температуре при адиабатическом расширении. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает в процессе дросселирования.

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

Свойства конденсированных фаз

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

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

Изотопы

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

Получение

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие более 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий, очищая его от CO 2 и углеводородов . В результате получается смесь гелия, неона и водорода.

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

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

Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³ .
Основная доля мирового производства гелия приходится на США и Катар ; с 2015 г. доля Соединенных Штатов в мировом производственном балансе снизилась с 67% до примерно 56% и продолжает сокращаться, Катар и Алжир занимают соответственно около 28 и 9 % рынка.
В 2003 году производство гелия в мире составило 110 млн м³ , в том числе в США — 87 млн м³ , Алжире — 16 млн м³ , России — более 6 млн м³ , Польше — около 1 млн м³ [43] .

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

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

Транспортировка

Два сосуда Дьюара по 250 л с жидким гелием.

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

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

Применение

Гелий широко используется в промышленности и народном хозяйстве:

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

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов . При помощи гелиевой съёмки [47] можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов . Гелий как продукт распада радиоактивных элементов , насыщающих верхний слой земной коры , просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Это явление было впервые установлено советским геофизиком И. Н. Яницким во время поисков урановых руд. Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов [48] .

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

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

Военное применение

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

В астрономии

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

Биологическая роль

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

Физиологическое действие

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

Риски для здоровья

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

Стоимость

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

См. также

Примечания

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

Литература

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

Ссылки