Helij

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi v iskanje
Helij
vodik | Litij
2 On

Ne
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонPeriodni sistem elementov
2 On
Šesterokotna.svg
Elektronska lupina 002 Helij.svg
Videz preproste snovi
Inertni plin brez barve , okusa in vonja
Cev za odvajanje helija.jpg
Sijaj helija v cevi za izpust plina
Lastnosti atoma
Ime, simbol, številka Helij / Helij (He), 2
Atomska masa
( molska masa )
4,002602 ± 2,0E - 6[1] [2] a. e.m. ( g / mol )
Elektronska konfiguracija 1s 2
Polmer atoma ? (31) [3] popoldne
Kemijske lastnosti
Kovalentni polmer 28 [3] popoldne
Ionski polmer 93 [3] popoldne
Elektronegativnost 4.5 (Paulingova lestvica)
Potencial elektrode 0
Stanja oksidacije 0
Energija ionizacije
(prvi elektron)
2361,3 (24,47) kJ / mol ( eV )
Termodinamične lastnosti preproste snovi
Gostota (pri št. ) 0,147 g / cm3 (pri -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 vrelišča 4,2152 K (-268,94 ° C , -452,08 ° F) (za 4 He) [4]
Ud. toplota fuzije 0,0138 kJ / mol
Ud. toplota uparjanja 0,0829 kJ / mol
Molarna toplotna zmogljivost 20,79 [4] J / (K · mol)
Molarni volumen 31,81 cm ³ / mol
Kristalna rešetka preproste snovi
Rešetkasta struktura šesterokotne
Parametri rešetke a = 3,570 Å; c = 5,84 Å
C / a razmerje 1.633
Druge značilnosti
Toplotna prevodnost (300 K) 0,152 W / (m K)
Številka CAS 7440-59-7
Emisijski spekter
438.793 нм443.755 нм447.148 нм471.314 нм492.193 нм501.567 нм504.774 нм587.562 нм667.815 нмVidljiv spekter helija.png
2
Helij
On
4,002602 ± 2,0E - 6[1]
1s 2

Helij (He, lat. Helium) - kemični element VIII skupine kratke oblike (18. skupina dolge oblike) [5] prvega obdobja periodičnega sistema kemičnih elementov , ima atomsko številko 2. Glava skupinski inertni plin [5] .

Kot preprosta snov je inerten enoatomski plin brez barve, okusa ali vonja.

Po razširjenosti v vesolju in po lahkotnosti zaseda drugo mesto za vodikom . Njegovo vrelišče je najnižje od vseh znanih snovi.

Helij se pridobiva iz zemeljskega plina s postopkom nizkotemperaturne separacije-tako imenovane frakcijske destilacije (glej " frakcijsko destilacijo ") ali z membransko ločitvijo plina [6] .

Zgodovina odkritja

Helij v ampulah

18. avgusta 1868 je francoski znanstvenik Pierre Janssen med popolnim sončnim mrkom v indijskem mestu Guntur najprej raziskal Sončevo kromosfero . Janssenu je uspelo prilagoditi spektroskop tako, da je spekter sončne korone mogoče opazovati ne le med mrkom, ampak tudi v običajnih dneh. Naslednji dan je spektroskopija sončnih prominencev skupaj z vodikovimi črtami - modro, zeleno -modro in rdečo - pokazala zelo svetlo rumeno črto, ki so jo prvotno posneli Janssen in drugi astronomi, ki so jo opazovali za linijo natrija D. Janssen je o tem takoj pisal Francoski akademiji znanosti . Nato je bilo ugotovljeno, da svetlo rumena črta v sončnem spektru ne sovpada z natrijevo črto in ne pripada nobenemu od prej znanih kemičnih elementov [7] [8] .

Dva meseca pozneje, 20. oktobra, je angleški astronom Norman Lockyer , ne da bi vedel za razvoj svojega francoskega kolega, opravil tudi študije sončnega spektra. Ko je našel neznano rumeno črto z valovno dolžino 588 nm (natančneje 587,56 nm ), jo je označil za D 3 , saj je bila zelo blizu Fraunhoferjevim linijama D 1 ( 589,59 nm ) in D 2 ( 588,99 nm ) natrija. Dve leti kasneje je Lockyer skupaj z angleškim kemikom Edwardom Franklandom , v sodelovanju s katerim je sodeloval, predlagal, da se novemu elementu dodeli ime "helij" (iz starogrščine ἥλιος - "sonce") [8] .

Zanimivo je, da sta pisma Janssena in Lockyerja prispela na Francosko akademijo znanosti istega dne - 24. oktobra 1868, vendar je Lockyerjevo pismo, ki ga je napisal štiri dni prej, prispelo nekaj ur prej. Naslednji dan sta bila oba pisma prebrana na sestanku Akademije. V čast nove metode raziskovanja pomembnih mest se je Francoska akademija odločila za medaljo. Na eni strani medalje so bili čez prekrižane veje lovorja vtisnjeni portreti Jansena in Lockyerja, na drugi pa podoba mitološkega boga svetlobe Apolona , ki je vladal v vozu štirih konjev, ki so galopirali s polno hitrostjo [8] .

Leta 1881 je Italijan Luigi Palmieri objavil poročilo o svojem odkritju helija v vulkanskih plinih fumarolov . Raziskal je svetlo rumeno oljnato snov, naneseno iz plinskih curkov na robovih kratera Vezuv . Palmieri je vžgal ta vulkanski produkt v plamenu Bunsenovega gorilnika in opazoval spekter plinov, ki se pri tem sproščajo. Znanstveniki so to sporočilo sprejeli z neverjem, saj je Palmieri svojo izkušnjo nejasno opisal. Po dolgih letih so bile v sestavi fumarolskih plinov res najdene majhne količine helija in argona [8] .

Le 27 let po prvem odkritju so na Zemlji odkrili helij - leta 1895 je škotski kemik William Ramsay pri pregledu vzorca plina, pridobljenega z razkrojem minerala klevite , v svojem spektru našel isto svetlo rumeno črto, ki smo jo našli prej v soncu spektra. Vzorec je bil poslan za dodatne raziskave na znameniti angleški spectroscopist William Crookes , ki je potrdila, da je rumena črta opazimo v spektru vzorca sovpada z linijo helija D 3. 23. marca 1895 je Ramsay poslal sporočilo o svojem odkritju helija na Zemlji londonskemu kraljevskemu društvu , pa tudi Francoski akademiji prek slavne kemičarke Marceline Berthelot [8] .

Švedski kemiki P. Cleve in N. Lengle sta lahko iz cleveita izvlekli dovolj plina, da so ugotovili atomsko težo novega elementa [9] [10] .

Leta 1896 so Heinrich Kaiser , Siegbert Friedlander in dve leti kasneje Edward Bailey končno dokazali prisotnost helija v ozračju [8] [11] [12] .

Še pred Ramsayjem je helij izoliral tudi ameriški kemik Francis Hillebrand , vendar je zmotno verjel, da je prejel dušik [12] , in je v pismu Ramsayju priznal prednost odkritja.

Ramsay je pri raziskovanju različnih snovi in ​​mineralov odkril, da helij v njih spremlja uran in torij . Toda šele veliko kasneje, leta 1906, sta Rutherford in Royds ugotovila, da so alfa delci radioaktivnih elementov helijeva jedra . Te študije so postavile temelje sodobni teoriji atomske strukture [13] .

Graf odvisnosti toplotne zmogljivosti tekočega helija-4 od temperature

Šele leta 1908 je nizozemski fiziki Heike Kamerling-Onnes uspelo pridobiti tekoči helij . Uporabil je dušenje (glej Joule-Thomsonov učinek ), potem ko je bil plin predhodno ohlajen v tekočem vodiku, ki je vrel v vakuumu. Poskusi pridobivanja trdnega helija so bili dolgo časa neuspešni tudi pri temperaturi 0,71 K , kar je dosegel študent Kamerling-Onnesa, nemški fizik Willem Hendrik Kees . Šele leta 1926 je z uporabo tlaka nad 35 atm in hlajenjem stisnjenega helija v tekočem heliju, ki je vrel pri redčenju, uspel izolirati kristale [14] .

Leta 1932 je Keesom raziskal naravo spremembe toplotne zmogljivosti tekočega helija s temperaturo. Ugotovil je, da okrog 2,19 K počasen in gladek porast toplotne zmogljivosti povzroči oster padec, krivulja toplotne zmogljivosti pa ima obliko grške črke λ (lambda). Zato je temperatura, pri kateri pride do skoka toplotne zmogljivosti, pogojno poimenovana " λ- točka " [14] . Natančnejša vrednost temperature na tej točki, ugotovljena pozneje, je 2,172 K. Na točki λ se pojavijo globoke in nenadne spremembe osnovnih lastnosti tekočega helija - ena faza tekočega helija se na tej točki nadomesti z drugo in brez sproščanja latentne toplote; pride do faznega prehoda drugega reda . Nad temperaturo točke λ je tako imenovani helij-I , pod njim pa helij-II [14] .

Leta 1938 je sovjetski fizik Pyotr Leonidovich Kapitsa odkril pojav supertečnosti tekočega helija-II , ki je sestavljen iz močnega zmanjšanja koeficienta viskoznosti , zaradi česar helij teče praktično brez trenja [14] [15] . Takole je zapisal v enem od svojih poročil o odkritju tega pojava [16] :

" ... Taka količina toplote, ki je bila dejansko prenesena, presega fizične zmogljivosti, ki jih telo po nobenih fizikalnih zakonih ne more prenašati več toplote, kot je njegova toplotna energija, pomnožena s hitrostjo zvoka. Z običajnim mehanizmom prevodnosti toplote ni bilo mogoče prenašati v enakem obsegu, kot je bilo opaženo. Treba je bilo poiskati drugo razlago.

In namesto da bi pojasnili prenos toplote s toplotno prevodnostjo, to je prenos energije z enega atoma na drugega, bi ga lahko razložili bolj trivialno - s konvekcijo, prenosom toplote v sami snovi. Ali ni tako, da se segreti helij premika navzgor, hladni pa navzdol, zaradi razlike v hitrostih nastajajo konvekcijski tokovi in ​​s tem pride do prenosa toplote. Toda za to je bilo treba domnevati, da helij v svojem gibanju teče brez kakršnega koli upora. Imeli smo že primer, ko se je elektrika brez kakršnega koli upora premikala po prevodniku. Odločil sem se, da se tudi helij premika brez kakršnega koli upora, da ne gre za super toplotno prevodno snov, ampak za pretočno tekočino.

... Če je viskoznost vode 10⋅10 −2 P , je to milijardo krat več tekočine kot voda ...
"

izvor imena

Ime izvira iz grščine. ἥλιος - "Sonce" (glej Helios ). Zanimivo dejstvo, da so bile v elementu, značilnem za naslov, uporabljene kovine, ki se končajo "ujemajoče" (v latinščini "-um" -. "Helij"), saj je Lockyer domneval, da je odprt element kovina. Po analogiji z drugimi žlahtnimi plini bi bilo logično, da bi mu dali ime "Helion" [8] . V sodobni znanosti je ime " helion " dodeljeno jedru izotopa lahkega helija - helij -3 [ vir nedoločen vir 239 dni ] .

Razširjenost

V vesolju

Helij je drugi najpogostejši v vesolju za vodikom - približno 23 mas.% [17] . Vendar je ta element na Zemlji redek. Skoraj ves helij v vesolju je nastal v prvih nekaj minutah po velikem poku [18] [19] , med primarno nukleosintezo . V sodobnem vesolju skoraj ves novi helij nastane kot posledica termonuklearne fuzije iz vodika v notranjosti zvezd (glej cikel protona-protona, cikel ogljik-dušik ). Na Zemlji nastane kot posledica razpada alfa težkih elementov ( delci alfa, ki se oddajajo med razpadom alfa, so jedra helija-4) [20] . Del helija, ki nastane med razpadom alfa in pronica skozi kamnine zemeljske skorje , ujame zemeljski plin , katerega koncentracija helija lahko doseže 7% prostornine in več.

Zemljina skorja

V okviru osemnajste skupine helij po vsebnosti v zemeljski skorji zaseda drugo mesto (za argonom ) [21] .

Vsebnost helija v ozračju (nastalega kot posledica razpada torija , urana in njihovih hčerinskih radionuklidov) je 5,27⋅10 −4 % vol., 7,24⋅10 −5 % mas [4] [12] [20 ] . Zaloge helija v atmosferi , litosferi in hidrosferi so ocenjene na 5⋅10 14 [4] . Naravni plini, ki vsebujejo helij, običajno vsebujejo do 2 vol.% Helija. Kopičenje plinov, katerih vsebnost helija doseže 8-16%, je izjemno redko [20] .

Povprečna vsebnost helija v kopenski snovi je 0,003 mg / kg ali 0,003 g / t [20] . Najvišjo koncentracijo helija opazimo v mineralih, ki vsebujejo uran, torij in samarij [22] : kleveit , fergusonit , samarskit , gadolinit , monazit ( monazitni pesek v Indiji in Braziliji), torianit . Vsebnost helija v teh mineralih je 0,8-3,5 l / kg , v torianitu pa 10,5 l / kg [12] [20] . Ta helij je radiogen in vsebuje samo izotop 4
On
nastane iz alfa delcev, ki se oddajajo med alfa razpadom urana, torija in njihovih hčerinskih radionuklidov, pa tudi iz drugih naravno prisotnih alfa-aktivnih elementov (samarij, gadolinij itd.).

Leta 2016 so norveški in britanski znanstveniki odkrili nahajališča helija v regiji Viktorijino jezero v Tanzaniji. Po grobih ocenah strokovnjakov je obseg zalog 1,5 milijarde kubičnih metrov [23] .

Na vzhodno -sibirskih plinskih poljih v Rusiji najdemo velike zaloge helija. Zaloge helija na polju Kovykta so ocenjene na 2,3 milijarde kubičnih metrov [24] , na Chayandinskem polju - na 1,4 milijarde kubičnih metrov [25] .

Opredelitev

Kvalitativno se helij določi z analizo emisijskih spektrov (značilne črte 587,56 nm in 388,86 nm ), kvantitativno - z masno spektrometrično in kromatografsko metodo analize, pa tudi z metodami, ki temeljijo na merjenju fizikalnih lastnosti (gostota, toplotna prevodnost itd.) [4] .

Fizične lastnosti

Fazni diagram 4 He
Fazni diagram 3 He. Faza 2 trdnega helija je sestavljena iz kristalov telesno osredotočenega kubičnega sistema

Helij je skoraj inerten kemični element.

Preprosta snov helij je netoksična, brez barve, vonja in okusa. V normalnih pogojih je monoatomski plin. Njegovo vrelišče ( T = 4,215 K za 4
He
) najmanjša med vsemi snovmi; 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