Гелий

Гелий это химический элемент, благородный газ, элемент гелий находится в верхней правой части периодической таблицы, а атомный номер гелия равен 2, где он занимает первое место среди семейства благородных газов.

При охлаждении он конденсируется в жидкий гелий, который является единственным элементом, который не затвердевает при нормальном давлении независимо от температуры.

Гелий

Что такое гелий

(Helium; от греч — Солнце), Не — химический элемент восемнадцатой группы (18) (устаревшая классификация: VIII группы) первого периода периодической системы элементов; ат. н. 2, ат. м. 4,00260.

При обычных условиях гелий инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Природный гелий состоит из стабильных изотопов ³Не и ⁴Не.

Получены изотопы ⁵Не, ⁶Не и ⁸Не с периодами полураспада соответственно  2,4 • 10⁻²¹   , 0,83 и 0,18 сек.

История

Гелий открыли в 1868 французский астроном Ж. Жансен и независимо от него англ. астрофизик Дж. Н. Локьер в атмосфере Солнца.

Содержание гелия в  атмосфере Земли 5,24 • 10⁻⁴   об.%,   в коре   (преимущественно в природных газах   недр   и в различных минералах)  10⁻⁶ —10⁻⁷%.

Он имел единственную атомную орбиталь и был назван Франклендом и Локьером.

Термин гелий происходит от греческого слова «Гелиос», что означает Солнце.

История открытия гелия очень обширна, До того, как он был обнаружен, ученые знали, что на Солнце содержится огромное количество гелия.

Поскольку его самая внешняя электронная орбиталь заполнена двумя электронами, гелий попадает под действие инертного газа.

Кроме того, гелий можно найти в баллонах со сжатым воздухом, лазерах и в качестве охлаждающей жидкости в ядерных реакторах.

Гелий имеет самые низкие температуры плавления и кипения среди всех других элементов. При ядерном синтезе водорода в звездах образуется гелий в значительном количестве.

Свойства гелия

Элемент гелий это бесцветный, безвкусный и нетоксичный газ без запаха. В отличие от любого другого, он менее растворим в воде.

Он также является менее реакционноспособным элементом и практически не образует химических соединений.

Вязкость и плотность паров гелия очень низкие. Теплопроводность и калорийность гелия исключительно высоки.

Гелий можно сжижать, но температура его конденсации самая низкая по сравнению со всеми известными веществами.

Физические свойства гелия — это не что иное, как характеристики, которые видны без превращения одного вещества в другое.

Гелий считается самой холодной жидкостью на земле.

Физические свойства гелия

Обычно употребляемый термин «гелий» относится к изотопу 4Не, к-рый больше всего распространен в природе.  Гелий лучше других газов следует идеальным газовым законам.

Плотность изотопа⁴ Не (т-ра 0° С, давление 760 мм рт. ст.) 0,17846 г/дм3. Теплоемкость при постоянном давлении Ср практически не зависит от  т-ры   (0—1000° С)   и   давления t (1—200 am) и равна 1,24 ± ±0,1 кал/г граду a Cp/Cv = 1,67.

Вязкость гелий  (при  комнатной т-ре) 1,96 • 10       г/см •сек, коэфф.   теплопроводности   (т-ра   20   К)    5 X 10-5  кал/см • град   сек и растет с увеличением т-ры по закону T0,73. гелий мало растворим в воде и в  ожиженных газах.

При комнатной т-ре; отличается плохой адсорбцией, в области гелиевых т-р она резко возрастает, достигая сотен кубических сантиметров на 1 г адсорбента.

Для гелия характерна высокая способность проникать через различные стекла и органические  вещества.   Газообразный изотоп ³Не по физическим свойствам мало отличается от изотопа 4Не.

Гелий квантовая жидкость

Гелий жидкий — легкая     прозрачная бесцветная жидкость. Изотопы ³Не и 4Не остаются жидкими под давлением насыщенных паров вплоть до сколь угодно низкой т-ры, что связано   со  слабым   взаимодействием атомов гелия, и большой амплитудой их нулевых колебаний.

Для перевода гелия, в твердое состояние   жидкость связаны с его квантовой природой.

Поскольку при т-ре около 1—2 К дебройлевская длина волны атомов гелия сравнима с их межатомным расстоянием, Не II является не классической, а квантовой жидкостью, состоящей из бозе-частиц.

Все другие жидкости успевают затвердеть раньше, чем в них существенно проявятся квантовые эффекты.

Изотоп ³Не при низкой т-ре также образует квантовую жидкость, к-рая, в отличие от изотопа 4Не, состоит из ферми-частиц.

К специфическим св-вам изотопа ³Не как ферми-жидкости относится т. и. нулевой звук — своеобразный волновой процесс, распространяющийся при достаточно низкой т-ре, когда из-за большой длины свободного   пробега   возбуждений обычный звук (первый звук) распространяться не может.

При определенных условиях существуют сверхтекучие фазы жидкого изотопа ³Не. Еще один класс квантовых жидкостей образуют растворы изотопов ³Не—⁴Не,   в   которых одновременно существуют   возбуждения,    подчиняющиеся бозевской и фермиевской статистике.

В жидкой фазе растворы расслаиваются, причем критическая точка расслоения соответствует температуре, равной 0,872 К,  и концентрации 66,9% 3Не.

Химические свойства

Химические свойства гелия это просто характеристики, которые определяют, как элемент вступает в реакцию с другими веществами или переходит из одного вещества в другое.

И химические свойства проявляются только во время химической реакции.

1. Химическая формула гелия Не.

2. Реакционная способность с водой — менее растворим в воде по сравнению с любым другим газом.

3. Токсичность — не токсичен

4. Воспламеняемость — негорючий.

Изотопы

Хотя известно восемь изотопов гелия (He) (стандартная атомная масса: 4,002602 (2) u), из них стабильными являются только гелий-3 (3He) и гелий-4 (4He).

Все радиоизотопы (смотреть гелий радиоактивность) недолговечны, а самым долгоживущим является 6He с периодом полураспада 806,7 миллисекунды.

Наименее стабильным является 5He с периодом полураспада 7,6×10-22 секунды, хотя вполне возможно, что у 2He период полураспада когда-либо был короче.

При концентрации изотопа ³ Не, меньшей 66,9%, растворы отличаются сверхтекучестью в широком интервале температур, ограниченном снизу т-рой расслоения, а сверху — А-т-рой.

В растворах, содержащих меньше 6,37% 3Не, расслоения нет, что дает возможность достигать т-р, при которых примесные частицы испытывают сильное фермиевское вырождение.

В этом случае образуется    своеобразный    раствор    двух квантовых жидкостей — ферми-жидкости   в   сверхтекучей   бозе-жидкости.

Гелий твердый — бесцветная прозрачная масса.

Изотопы ³Не и ⁴Не в твердой фазе испытывают полиморфные переходы и в зависимости от давления и  т-ры  могут   иметь  структуры: объемноцентрированную кубическую, гранецентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную.

Изотопы 3Не и ⁴Не имеют минимум на кривой плавления (у изотопа 3Не минимум соответствует т-ре 0,318 К и давлению 28,94 am, у изотопа ⁴Не соответственно 0,775 К и 24,952 ат). Св-ва твердого гелия изучены не столь детально, как жидкого.

На каждый миллион атомов 4He в атмосфере Земли приходится один атом 3He.

Однако гелий является необычным элементом в том смысле, что его изотопное содержание сильно варьируется в зависимости от его происхождения.

Доля 3He в межзвездной среде в сто раз выше. Различные процессы образования двух стабильных изотопов гелия приводят к различному содержанию изотопов.

Кристаллы гелия характеризуются высокой сжимаемостью, что связано с разрыхлением кристаллической решетки под влиянием больших нулевых колебаний.

Подобное обстоятельство приводит к появлению существенных квантовых эффектов. Одним из проявлений квантовых св-в кристаллов гелия является необычный характер поведения дефектов и примесей.

Которые вследствие квантового туннелирования перестают быть локализованными частицами и приобретают св-ва квазичастиц, способных двигаться по всему кристаллу.

Это приводит к т. н. квантовой диффузии изотопа ³Не в слабых растворах изотопов³Не — ⁴Не, не зависящей от т-ры и возрастающей при уменьшении концентрации изотопа ³Не.

В кристаллах гелий легче, чем в других твердых диэлектриках, реализуется  второй звук — слабо затухающие тепловые волны, распространяющиеся в фононном газе.

Получение гелия

Основным источники промышленной  добычи гелия — свободные и растворенные в нефти гелионосные природные газы.

От других газов гелий отделяют глубоким охлаждением (он сжижается труднее всех остальных газов).

В промышленности гелий выделяют из природных газов методом глубокого охлаждения. При этом он, как самое низкокипящее вещество, остается газообразным, тогда как все другие вымораживаются.

Применение гелия

Гелий применяют для создания защитной инертной среды при плавке, резке и сварке металлов, для хранения и транспортирования легковоспламеняющихся веществ.

С  помощью гелия   получают низкие т-ры (4,2 К и ниже), необходимые для практического использования, например, сверхпроводимости.

Откачиванием паров над жидкими изотопами ³Не и ⁴Не создают т-ры соответственно 0,2 и 0,7 К. Более низкие т-ры получают при растворении изотопа 3Не в изотопе ⁴Не, а также при кристаллизации изотопов ³Не.

Кроме того, изотопы 3Не и ⁴Не являются осн. термометрическими веществами в газовых и конденсационных термометрах в интервале т-р от 80 К до ниже 1 К.

Гелий — второй после водорода элемент по распространенности во Вселенной. Накопление ядер гелия в больших количествах вызвано тем, что он используется как «горючее».

Превращение которого служит источником энергии для звезд (в том числе для звезды нашей планетной системы — Солнца).

Образуются ядра гелия и на Земле за счет ядерных реакций, вызываемых космическим излучением.

Сами ядра гелия чрезвычайно устойчивы и используются при тонких исследованиях атома как снаряды, разбивающие мишени — ядра других атомов.

Следует заметить, что именно эти ядра (а-частицы) помогли раскрыть сложную внутреннюю структуру атомов.

Применяется гелий для создания инертной атмосферы, при сварке металлов, при консервировании пищевых продуктов, в кислородно-воздушных смесях для водолазов и др.

Жидкий гелий — хладоагент, использующийся в химии и физике низких температур.

Характеристика элемента

Электронная структура и свойства гелия типичны для элементов, завершающих периоды. В его атоме имеется заполненный s-уровень электронов, близко расположенный к ядру.

Это придает всей структуре атома особую устойчивость. По сравнению с другими элементами гелий обладает наименьшей поляризуемостью атома и наибольшей энергией ионизации (24,58 эВ).

Электронные орбитали атомов полностью заняты электронами и поэтому между атомами гелия невозможно образование химической связи.

На две связывающие молекулярные орбитали в таком случае приводится две разрыхляющие и никакого выигрыша не получается, так как энергия связывающих и разрыхляющих орбиталей взаимно компенсируется.

Взаимодействие атомов гелия происходит за счет межмолекулярных сил. Эти силы слабые и проявляются лишь при очень низкой температуре или высоком давлении, поэтому гелий труднее всех веществ переводится в жидкое состояние.

Он становится жидким при таких температурах (около 2 К), когда межатомные расстояния становятся сравнимы с волнами де Бройля.

Жидкий гелий следует квантовым законам и его называют «квантовой жидкостью», потому что ведет она себя иначе, чем обычные.

Энергии квантовых переходов хватает, чтобы нагреть жидкий гелий, и он поднимается вверх по стенке сосуда, в котором происходит охлаждение.

Свойства простого вещества

Никаких соединений гелий не образует, а в виде простого вещества по своим физическим свойствам ближе всего к водороду.

Гелий труднее всех переходит в жидкое состояние и легче всего переходит в газ. Теплота его парообразования чрезвычайно мала и составляет всего 0,092 кДж/моль. У гелия tпл = —269° С.

Ниже этой температуры образуются две разновидности:

гелий-1 и гелий-2.

Первая разновидность существует при температуре выше 2,172 К, а вторая — ниже этой температурной точки.

Превращение одной модификации в другую сопровождается удивительными аномалиями в теплоемкости и других свойствах.

Так, теплопроводность у гелия-П вдруг резко возрастает и становится в 3• 106 больше, чем у гелия-1. Его вязкость в 104 раза больше, чем у газообразного водорода.

Гелий способен образовывать сверхтонкие пленки, скользящие как бы без трения.

Твердый гелий может быть получен при низкой температуре 1К (—272° С) и обязательно при довольно большом давлении ( ~2 500 000 Па), в виде кристалла имеет гексагональную решетку (как и у водорода).

Твердый гелий устойчив лишь при высоком давлении.

Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды при 0° С растворяется менее-10 мл Не (водород растворяется в два с половиной раза лучше).

Плохая растворимость этого газа в любых растворах используется в водолазном деле. Гелий заменяет азот в дыхательных смесях, которыми пользуются при погружении на большую глубину.

Адсорбируется гелий очень плохо и лишь при —185° С. В обычных условиях гелий существует в виде устойчивого атома, но при электрических разрядах возникают ионизированные двухатомные ионы Не .

В них два электрона занимают связывающую орбиталь молекулы и лишь один занимает разрыхляющую. Выигрыш энергии позволяет этому иону существовать некоторое время.

Однако как только частицы Не захватывают электрон, то мгновенно распадаются на два нейтральных атома гелия.

Известно существование ионизированных молекул НеН⁺ соединения гелия с водородом, где связь между ядрами гелия и водорода (протоном) осуществляется парой электронов, находящихся на связывающей молекулярной орбитали.

Обилие гелия

Гелий является вторым по легкости и распространенности элементом во Вселенной, который можно наблюдать (где водород является наиболее распространенным и легким).

Он составляет около 24% от общей элементной массы, что более чем в 12 раз превышает массу всех вместе взятых более тяжелых элементов.

Как на Солнце, так и на Юпитере его обилие примерно одинаково.

Это происходит из-за очень высокой ядерной энергии связи (на нуклон) гелия-4, относящейся к следующим трем элементам после гелия.

Кроме того, энергия связи гелия-4 объясняет, почему он является продуктом как радиоактивного распада, так и ядерного синтеза.

Наибольшее количество гелия во Вселенной — это гелий-4, огромное большинство которого образовалось во время Большого взрыва.

Избыточное количество нового гелия образуется в результате ядерного синтеза водорода в звездах.

Содержание гелия-3 и гелия-4 эквивалентно 0,0002% и 99,9998% соответственно. Это различие в содержании можно увидеть в атмосфере Земли, где отношение атомов 4He к атомам 3He составляет почти 1000000: 1.

Токсичность гелия

У людей нет ощущения, что они могут обнаружить присутствие гелия. Хотя гелий нетоксичен и инертен, он может действовать как простое удушающее вещество, вытесняя кислород из воздуха до уровня ниже необходимого для поддержания жизни.

Чрезмерное вдыхание гелия может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть.

Смерть может наступить в результате замешательства, ошибок в суждениях, потери сознания, что препятствует самоспасению.

При низких концентрациях кислорода потеря сознания и смерть могут наступить в считанные секунды без какого-либо предупреждения.

Персонал, включая спасателей, не должен входить в помещения, где концентрация кислорода ниже 19,5%, если только это не предусмотрено автономным дыхательным аппаратом или респиратором с воздушной линией.

Часто задаваемые вопросы по гелию?

Для чего используется гелий?

Гелий можно использовать по многим причинам.

1. Одним из применений гелия является то, что он используется в качестве инертного газа, повышающего давление, для ракетного топлива

2. Используется в качестве дыхательной смеси для подводных погружений на большие глубины

3. Может использоваться в качестве продувочного агента для специализированных трубопроводных систем, используемых в лабораториях или в полупроводниковой промышленности.

4. Используется в качестве инертного заливного газа для некоторых специализированных производственных технологий.

5. Используется в качестве подъемного газа

6. Может работать как криогенная жидкость с минимальной возможной температурой, что делает его чрезвычайно ценным хладагентом для сверхпроводящих магнитных катушек, используемых в аппаратах МРТ.

7. Криогенный хладагент для сверхпроводящих магнитных катушек, где нет лучшей альтернативы жидкому гелию.

Где находится гелий?

Гелий содержится на солнце и Юпитере. Наиболее распространенной формой гелия является изотоп гелий-4 (сокращенно He-4).

Считается, что он образовался в результате Большого взрыва. Большое количество нового гелия образуется в результате ядерного синтеза водорода в звездах.

Гелий относительно редок на Земле. Он содержится в атмосфере в концентрациях 5,2 частей на миллион.

Однако большая часть гелия на Земле образуется в результате естественного радиоактивного распада элементов урана и тория.

Гелий улавливается природным газом до концентрации 7% по объему, из которого он извлекается.

Именно из этого природного газа мы получаем большую часть нашего гелия. И говорят, что эти резервы на исходе.

Однако в Скалистых горах Северной Америки могут быть большие неиспользованные запасы и неиспользованные запасы природного газа.

Ссылки

Антигелий, Солнечный гелий, Откуда гелий на земле, Жидкий гелий применение, Гелий нейтрино термоядерный синтез, Куда девается гелий, Гелий получение хранение, Гелий за пределами земли, Гелий воздухоплавательных аппаратах, Гелий в астрофизике, Гелий звёздное горючее, Гелий в солнечной короне, Гелий в земных недрах, Гелий в звездах, Гелиевые часы возраст земли.

Лит.: Ялуцеин  В. II.   Геология гелия. Л.,

Cтатья на тему гелий

Понравилась статья поделись ей

Leave a Comment