| Ге́лий/Helium (He) | |
|---|---|
| Атомный номер | 2 |
| Внешний вид простого вещества | инертный газ без цвета, вкуса и запаха |
| Свойства атома | |
| Атомная масса (молярная масса) |
4,002602 а. е. м. (г/моль) |
| Радиус атома | n/a пм |
| Энергия ионизации (первый электрон) |
2361,3(24,47) кДж/моль (эВ) |
| Электронная конфигурация | 1s2 |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | n/a пм |
| Радиус иона | 93 пм |
| Электроотрицательность (по Полингу) |
4,5 |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | 0 |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность | 0,147 (при −270 °C) 0,00017846 (при +20 °C) г/см³ |
| Удельная теплоёмкость | 5,188 Дж/(K·моль) |
| Теплопроводность | 0,152 Вт/(м·K) |
| Температура плавления | 0,95 (при 2,5 МПа) K |
| Теплота плавления | n/a кДж/моль |
| Температура кипения | 4,215[1] K |
| Теплота испарения | 0,08 кДж/моль |
| Молярный объём | 31,8 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Период решётки | 3,570 Å |
| Отношение c/a | 1,633 |
| Температура Дебая | n/a K |
| He | 2 |
| 4,002602 | |
| 1s² | |
| Гелий | |
Ге́лий (He) — 2-й элемент периодической системы элементов, газ.
Гелий — практически инертный химический элемент. Возглавляет группу инертных газов в периодической таблице.
Простое вещество гелий — нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,216 K) наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого ³He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.
Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной и лёгкости (после водорода). Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд. На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма. Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой (см. Фракционная дистилляция в статье Дистилляция).
История[]
Схема атома гелия
18 августа 1868 года французский учёный Жансен во время полного солнечного затмения в Индии впервые исследовал хромосферу Солнца. Спектрография солнечных протуберанцев выявила новую жёлтую линию, которая не принадлежали ни одному из ранее известных химических элементов. Как далее выяснилось новая линия была различима и без затмения. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию Наук. [2]
Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, провёл те же исследования, но не покидая Лондона и не дожидаясь солнечного затмения. Он и предложил дать новому элементу название «гелий». Интересно, что письмо и Жансена и Локьера пришло во Французскую Академию Наук в один день (в те времена письма из Индии сильно задерживались) и честь открытия принадлежит обоим учёным. Впервые новый элемент был открыт не на Земле, а на Солнце, причём для открытия использовался чрезвычайно простой инструмент, каковым являлся спектроскоп XIX-го века.
Только в 1895 году гелий обнаружил на Земле при разложении минерала клевеита англичанин Уильям Рамзай. Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле установили атомный вес нового элемента. Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия. Впоследствии линия гелия была обнаружена и в пробах вулканических газов и газов, выделяемых радиоактивными изотопами.
Рамзай исследуя различные вещества и минералы обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию. Но только значительно позже в 1906 году Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома.[3]
Происхождение названия[]
От греч. ἥλιος — «солнечный» (см. Гелиос).
Получение[]
В промышленности гелий получается путём фракционной перегонки природного газа, в котором доля гелия составляет около 7 %.Так как гелий имеет низкую температуру кипения, то сжижение происходит при низкой температуре и высоком давлении. Полученный в результате «сырой» гелий очищается последовательным понижением температуры, при котором происходит конденсация других газов и их удаление из смеси. Для окончательной очистки используют активированный уголь, после чего степень очистки составляет 99.995 % (так называемая степень А). Основной примесью является неон. На заключительной стадии полученный газ сжижают при низких температурах, что снижает затраты при перевозке гелия на дальние расстояния.
В качестве альтернативы гелий может быть синтезирован путём бомбардировки ядер лития или бора высокоскоростными протонами, однако это крайне невыгодный процесс с экономической точки зрения.
Химические свойства[]
Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы (Инертные газы) таблицы Менделеева. Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He2, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или УФ излучения на смесь гелия газа и фтора (хлора)).
Известно химическое соединение гелия LiHe7. (возможно, имелось ввиду соединение LiHe[1], [2])
Свойства в газовой фазе[]
При стандартных температуре и давлении гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Фактически при всех условиях гелий моноатомный. Он обладает теплопроводностью большей, чем у других газов, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока.
Гелий также менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода. Примерный диаметр атома He — 0,20 нм. Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения.
После охлаждения ниже этой температуры, гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.
Свойства конденсированных фаз[]
В 1908 году Х.Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 (4He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия, однако интерпретация этого явления не до конца понятна.
Применение[]
Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве:
- в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов
- в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939, в качестве пропеллента и упаковочного газа[3]
- используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
- для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)
- в дыхательных смесях для глубоководного погружения (см. Баллон для дайвинга)
- для наполнения воздушных шариков и метеорологических зондов
- для заполнения газоразрядных трубок
- в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов
- в качестве носителя в газовой хроматографии
- для поиска утечек в трубопроводах и котлах (см. Гелиевый течеискатель)
- как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
- 3He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
- для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия)
Добыча гелия[]
В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО "Газпром добыча Оренбург" в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (от 0,15 до 1 %), что позволит намного снизить его себестоимость.
См. также[]
- Гелий-3 — лёгкий, нерадиоактивный изотоп гелия.
- Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия ³He
Ссылки[]
|
Гелий на Викискладе? |
|---|
Примечания[]
- ↑ Гелий в Химической энциклопедии
- ↑ http://www.tehgaz-orenburg.ru/history_of_opening.php
- ↑ Матвей Бронштейн. «Солнечное вещество»
|
Это незавершённая статья о химическом элементе. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. |
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Гелий. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .