Гелий

Ге́лий (He) — 2 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 абсолютном нуле. 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).

[править] История

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. ^[1]

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 19-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.^[2]

[править] Происхождение названия

От греческого слова «Солнечный» — Gelios.

[править] Получение

В промышленности гелий получается путём фракционной перегонки природного газа, в котором гелия содержится около 7%. Так как гелий имеет низкую температуру кипения, то сжижение происходит при низкой температуре и высоком давлении.

Этот раздел не завершён. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив его.

[править] Свойства в газовой фазе

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)). 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. Известно химическое соединение гелия LiHe₇. требуется ссылка на источник)

[править] 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.

[править] 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[1]
• 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 надувания 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)

[править] Добыча гелия

В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе 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.

[править] См. также

• Гелий-3 — лёгкий, нерадиоактивный изотоп гелия.
• Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия ³He

[править] Ссылки

Гелий на Викискладе?

• Гелий на Webelements
• Гелий в Популярной библиотеке химических элементов

[править] Примечания

1. ↑ http://www.tehgaz-orenburg.ru/history_of_opening.php
2. ↑ Матвей Бронштейн. «Солнечное вещество»

Это незавершённая статья о химическом элементе. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.