Гелій: властивості, характеристики, застосування

Гелій - інертний газ 18-й групи періодичної таблиці. Це другий найлегший елемент після водню. Гелій - газ без кольору, запаху і смаку, який стає рідким при температурі -268.9 ° C. Точки кипіння і замерзання його нижче, ніж у будь-якого іншого відомого речовини. Це єдиний елемент, що не твердне при охолодженні при нормальному атмосферному тиску. Щоб гелій перейшов в твердий стан, необхідно 25 атмосфер при температурі 1 К.

Історія відкриття

Гелій був знайдений в газовій атмосфері, навколишнього Сонце, французьким астрономом П`єром Жансеном, який в 1868 році під час затемнення виявив яскраву жовту лінію в спектрі сонячної хромосфери. Спочатку передбачалося, що ця лінія являла елемент натрій. У тому ж році англійський астроном Джозеф Норман Локьер спостерігав жовту лінію в сонячному спектрі, яка не відповідала відомим лініях натрію D₁ і D₂, і тому він назвав її лінією D₃. Локьер прийшов до висновку, що вона була викликана речовиною на Сонце, невідомому на Землі. Він і хімік Едуард Франкленд в назві елемента використовували грецька назва Сонця «Геліос».

У 1895 році британський хімік сер Вільям Рамзай довів існування гелію на Землі. Він отримав зразок ураноносность мінералу клевеїту, і після дослідження газів, що утворилися при його нагріванні, він виявив, що яскраво-жовта лінія в спектрі збігається з лінією D₃, спостерігається в спектрі Сонця. Таким чином, новий елемент був остаточно встановлений. У 1903 році Рамзі і Фредерік Содді визначили, що гелій є продуктом спонтанного розпаду радіоактивних речовин.

Поширення в природі

Маса гелію становить близько 23% всієї маси Всесвіту, і елемент є другим за поширеністю в космосі. Він зосереджений в зірках, де утворюється з водню в результаті термоядерного синтезу. Хоча в земній атмосфері гелій знаходиться в концентрації 1 частина на 200 тис. (5 проміле) і в невеликих кількостях міститься в радіоактивних мінералах, метеоритний залозі, а також в мінеральних джерелах, великі обсяги елемента зустрічаються в Сполучених Штатах (особливо в Техасі, Нью- Мексико, Канзасі, Оклахомі, Арізоні і Юті) в якості компонента (до 7,6%) природного газу. Невеликі його запаси були виявлені в Австралії, Алжирі, Польщі, Катарі і Росії. У земній корі концентрація гелію дорівнює лише близько 8 частин на мільярд.

ізотопи

Ядро кожного атома гелію містить два протона, але, як і у інших елементів, у нього є ізотопи. Вони містять від одного до шести нейтронів, тому їх масові числа знаходяться в діапазоні від трьох до восьми. Стабільними з них є елементи, у яких маса гелію визначається атомними числами 3 (³He) і 4 (⁴He). Всі інші радіоактивні і дуже швидко розпадаються на інші речовини. Земний гелій не є початковою складовою планети, він утворився в результаті радіоактивного розпаду. Альфа-частинки, що випускаються ядрами важких радіоактивних речовин, є ядрами ізотопу ⁴He. Гелій не накопичується у великих кількостях в атмосфері, тому що гравітації Землі недостатньо, щоб запобігти його поступову витік в космос. сліди ³He на Землі пояснюються негативним бета-розпадом рідкісного елемента водню-3 (тритію). ⁴He є найбільш поширеним з стабільних ізотопів: співвідношення числа атомів ⁴He до ³He становить близько 700 тис. До 1 в атмосфері і близько 7 млн до 1 в деяких гелійсодержащіх мінералах.

Відео: Гелій

Фізичні властивості гелію

Температура кипіння і плавлення у цього елемента найнижчі. З цієї причини гелій існує у вигляді газу, за винятком екстремальних умов. Газоподібний He в воді розчиняється менше, ніж будь-який інший газ, а швидкість дифузії через тверді тіла в три рази більше, ніж у повітря. Його показник заломлення найближче наближається до 1.

Теплопровідність гелію поступається лише теплопровідності водню, а його питома теплоємність надзвичайно висока. При звичайних температурах при розширенні він нагрівається, а нижче 40 K - охолоджується. Тому при Тlt; 40 K гелій можна перетворити в рідину шляхом розширення.

Елемент є діелектриком, якщо не знаходиться в іонізованому стані. Як і у інших благородних газів, у гелію є метастабільні енергетичні рівні, які дозволяють йому залишатися іонізованим в електричному розряді, коли напруга залишається нижче потенціалу іонізації.

Гелій-4 унікальний тим, що володіє двома рідкими формами. Звичайна називається гелій I і існує при температурах від точки кипіння 4,21 К (-268,9 ° C) до близько 2,18 К (-271 ° C). Нижче 2,18 K теплопровідність ⁴He стає в 1000 разів більше, ніж у міді. Ця форма називається гелій II, щоб відрізнити її від звичайної. Вона володіє надтекучістю: в`язкість настільки низька, що не може бути виміряна. Гелій II розтікається в тонку плівку на поверхні будь-якої речовини, якого стосується, і ця плівка тече без тертя навіть проти сили тяжіння.

Менш рясний гелій-3 утворює три різні рідкі фази, дві з яких надтекучим. надтекучість в ⁴He було виявлено радянським фізиком Петром Леонідовичем Капицею в середині 1930-х років, і таке ж явище в ³He було вперше помічено Дугласом Д. Ошерова, Девідом М. Лі, і Робертом С. Річардсон з США в 1972 році.

Відео: Фтор: властивості і застосування

Рідка суміш двох ізотопів гелію-3 і -4 при температурах нижче 0,8 К (-272.4 ° C) розділяється на два шари - практично чистого ³He і суміші ⁴He з 6% гелію-3. розчинення ³He в ⁴He супроводжується охолоджуючим ефектом, який використовується в конструкції криостатов, в яких температура гелію опускається нижче 0,01 К (-273,14 ° C) і підтримується такою впродовж кількох днів.

з`єднання

У нормальних умовах гелій хімічно інертний. В екстремальних можна створити з`єднання елемента, які при нормальних показниках температури і тиску не є стабільними. Наприклад, гелій може утворювати з`єднання з йодом, вольфрамом, фтором, фосфором і сіркою, коли він піддається дії електричного тліючого розряду при бомбардуванні електронами або в стані плазми. Таким чином, були створені HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ і молекулярні іони Чи не₂⁺, Чи не₂⁺⁺, HeH⁺ і HeD⁺. Ця техніка також дозволила отримати нейтральні молекули Чи не₂ і HgHe.

плазма

У Всесвіті переважно поширений іонізований гелій, властивості якого істотно відрізняються від молекулярного. Електрони і протони його не пов`язані, і він має дуже високу електропровідність навіть в частково іонізованому стані. На заряджені частинки сильний вплив надають магнітні та електричні поля. Наприклад, в сонячному вітрі іони гелію разом з іонізованим воднем взаємодіють з магнітосферою Землі, викликаючи полярні сяйва.

Відкриття родовищ в США

Після буріння свердловини в 1903 році в Декстер, штат Канзас, було отримано негорючий газ. Спочатку не було відомо, що в ньому міститься гелій. Який газ був знайдений, визначив геолог штату Еразмус Хаворт, який зібрав його зразки і в університеті Канзасу за допомогою хіміків Кеді Гамільтона і Девіда МакФарланд виявив, що той містить 72% азоту, 15% метану, 1% водню і 12% не було ідентифіковано. Провівши наступні аналізи, вчені виявили, що 1,84% проби становить гелій. Так дізналися про те, що даний хімічний елемент присутній у величезних кількостях в надрах Великих рівнин, звідки його можна витягти з природного газу.

Промислове виробництво

Це зробило Сполучені Штати лідером світового виробництва гелію. За пропозицією сера Річарда Трельфалла, ВМС США профінансували три невеликих експериментальних заводу для отримання цієї речовини під час Першої світової війни з метою забезпечити загороджувальні аеростати легким негорючим підйомним газом. За даною програмою були проведені в цілому 5700 м³ 92-процентного He, хоча до цього були отримані лише менше 100 л газу. Частина цього обсягу була використана в першому в світі гелієвому дирижаблі ВМФ США З-7, який здійснив свій перший рейс з Хемптон-Роудс (штат Вірджинія) в Боллінг-Філд (Вашингтон, округ Колумбія) 7 грудня 1921 року.

Хоча процес низькотемпературного скраплення газу в той час не був достатньо розроблений, щоб виявитися істотним під час Першої світової війни, виробництво тривало. Гелій в основному використовувався в якості підйомного газу в літальних апаратах. Попит на нього зріс під час Другої світової війни, коли його стали застосовувати при екранованої дугового зварювання. Елемент також мав важливе значення в проекті створення атомної бомби «Манхеттен».

Національний запас США

У 1925 році уряд Сполучених Штатів створив Національну запас гелію в Амарілло, штат Техас, з метою забезпечення військових дирижаблів під час війни і комерційних повітряних кораблів в мирний час. Використання газу після Другої світової скоротилося, але запас був збільшений в 1950-х роках для забезпечення, серед іншого, його поставок в якості теплоносія, застосовуваного у виробництві киснево-водневого ракетного палива в період космічної гонки і холодної війни. Використання гелію в США в 1965 році в вісім разів перевищило пікове споживання військового часу.

Після прийняття закону про гелії 1960 року Гірське бюро поспіль 5 приватних підприємств для отримання елемента з природного газу. Для цієї програми був побудований 425-км газопровід, який з`єднав ці заводи з урядовим частково виснаженим газовим родовищем неподалік від Амарілло в Техасі. Гелій-азотна суміш закачувалася в підземне сховище і залишалася там, поки в ній не виникала необхідність.

До 1995 року був зібраний запас обсягом мільярд кубометрів, а заборгованість Національного резерву склала 1,4 млрд доларів, що спонукало Конгрес США в 1996 р поетапно відмовитися від нього. Після прийняття в 1996 р закону про приватизацію гелію Міністерство природних ресурсів приступило до ліквідації сховища в 2005 році.

Чистота і обсяги виробництва

Гелій, вироблений до 1945 року, мав чистоту близько 98%, решта 2% припадали на азот, що було достатнім для дирижаблів. У 1945 р було вироблено невелику кількість 99,9-процентного газу для використання в дугового зварювання. ДО 1949 р чистота одержуваного елемента досягла 99,995%.

Протягом багатьох років Сполучені Штати виробляли понад 90% світового обсягу комерційного гелію. Починаючи з 2004 року, щорічно його вироблялося 140 млн м³, 85% з яких припадає на США, 10% вироблялося в Алжирі, а решта - в Росії і Польщі. Основними джерелами гелію в світі є газові родовища Техасу, Оклахоми і Канзасу.

процес отримання

Гелій (чистотою 98,2%) виділяють з природного газу шляхом зрідження інших компонентів при низьких температурах і при високому тиску. Адсорбція інших газів охолодженим активованим вугіллям дозволяє домогтися чистоти 99,995%. Невеликий обсяг гелію проводиться при зріджуванні повітря у великих масштабах. З 900 т повітря можна отримати близько 3,17 куб. м газу.

Сфера застосування

Шляхетний газ знайшов застосування в різних областях.

Гелій, властивості якого дозволяють отримувати наднизькі температури, використовується як охолоджуючий агент у Великому адронному колайдері, надпровідних магнітах апаратів МРТ і спектрометрів ядерного магнітного резонансу, супутникової апаратури, а також для скраплення кисню і водню в ракетах «Аполлон».
В якості інертного газу для зварювання алюмінію і ін. Металів, при виробництві оптоволокна і напівпровідників.
Для створення тиску в паливних баках ракетних двигунів, особливо тих, які працюють на рідкому водні, т. К. Тільки гелій газоподібний зберігає свій агрегатний стан, коли водень залишається рідким);
He-Ne газові лазери використовуються для сканування штрих-кодів на касах в супермаркетах.
Гелій-іонний мікроскоп дозволяє отримати кращі зображення, ніж електронний.
Завдяки високій проникності благородний газ використовується для перевірки витоків, наприклад, в системах кондиціонування повітря автомобілів, а також для швидкого наповнення подушок безпеки при зіткненні.
Низька щільність дозволяє наповнювати декоративні кулі з гелієм. Інертний газ замінив вибухонебезпечний водень в дирижаблях і повітряних кулях. Наприклад, в метеорології, кулі з гелієм використовуються для підйому вимірювальних приладів.
У кріогенної техніки служить теплоносієм, оскільки температура цього хімічного елемента в рідкому стані мінімально можлива.
Гелій, властивості якого забезпечують йому низьку реактивність і розчинність в воді (і крові), в суміші з киснем знайшов застосування в дихальних складах для підводного плавання з аквалангом і проведення кесонних робіт.
Метеорити і гірські породи аналізуються на вміст даного елементу для визначення їх віку.