Гелій: ўласцівасці, характарыстыкі, прымяненне

Гелій - інэртны газ 18-й групы перыядычнай табліцы. Гэта другі самы лёгкі элемент пасля вадароду. Гелій - газ без колеру, паху і густу, які становіцца вадкім пры тэмпературы -268.9 ° C. Пункту кіпення і замярзання яго ніжэй, чым у любога іншага вядомага рэчывы. Гэта адзіны элемент, які не дубянее пры астуджэнні пры нармальным атмасфэрным ціску. Каб гелій перайшоў у цвёрды стан, неабходна 25 атмасфер пры тэмпературы 1 К.

Гісторыя адкрыцця

Гелій быў знойдзены ў газавай атмасферы, навакольнага Сонца, французскім астраномам П'ерам Жансеном, які ў 1868 годзе падчас зацьмення выявіў яркую жоўтую лінію ў спектры сонечнай храмасфера. Першапачаткова меркавалася, што гэтая лінія ўяўляла элемент натрый. У тым жа годзе ангельскі астраном Джозэф Норман Локьер назіраў жоўтую лінію ў сонечным спектры, якая не адпавядала вядомым лініях натрыю D ₁ і D _2, і таму ён назваў яе лініяй D _3. Локьер прыйшоў да высновы, што яна была выклікана рэчывам на Сонца, невядомым на Зямлі. Ён і хімік Эдуард Франкленд ў назве элемента выкарыстоўвалі грэцкае назву Сонца «Геліёс».

У 1895 году брытанскі хімік сэр Уільям Рамзай даказаў існаванне гелія на Зямлі. Ён атрымаў ўзор ураноносного мінерала клевеита, і пасля даследавання газаў, якія ўтварыліся пры яго нагрэве, ён выявіў, што ярка-жоўтая лінія ў спектры супадае з лініяй D _3, назіранай ў спектры Сонца. Такім чынам, новы элемент быў канчаткова усталяваны. У 1903 году Рамзі і Фрэдэрык Содду вызначылі, што гелій з'яўляецца прадуктам спантанага распаду радыеактыўных рэчываў.

Распаўсюджванне ў прыродзе

Маса гелія складае каля 23% усёй масы Сусвету, і элемент з'яўляецца другім па распаўсюджанасці ў космасе. Ён засяроджаны ў зорках, дзе утвараецца з вадароду ў выніку тэрмаядзернага сінтэзу. Хоць у зямной атмасферы гелій знаходзіцца ў канцэнтрацыі 1 частка на 200 тыс. (5 праміле) і ў невялікіх колькасцях змяшчаецца ў радыеактыўных мінералах, метэарытны жалезе, а таксама ў мінеральных крыніцах, вялікія аб'ёмы элемента сустракаюцца ў Злучаных Штатах (асабліва ў Тэхасе, Нью- Мексіка, Канзасе, Аклахоме, Арызоне і Юце) у якасці кампанента (да 7,6%) прыроднага газу. Невялікія яго запасы былі выяўленыя ў Аўстраліі, Алжыры, Польшчы, Катары і Расіі. У зямной кары канцэнтрацыя гелія роўная толькі каля 8 частак на мільярд.

ізатопы

Ядро кожнага атама гелія ўтрымлівае два пратона, але, як і ў іншых элементаў, у яго ёсць ізатопы. Яны ўтрымліваюць ад аднаго да шасці нейтронаў, таму іх масавыя колькасці знаходзяцца ў дыяпазоне ад трох да васьмі. Стабільнымі з іх з'яўляюцца элементы, у якіх маса гелія вызначаецца атамнымі лікамі 3 ⁽³ He) і 4 ⁽⁴ He). Усе астатнія радыеактыўныя і вельмі хутка распадаюцца на іншыя рэчывы. Зямной гелій не з'яўляецца першапачатковай складнікам планеты, ён утварыўся ў выніку радыеактыўнага распаду. Альфа-часціцы, выпусканых ядрамі цяжкіх радыеактыўных рэчываў, уяўляюць сабой ядра ізатопа ⁴ He. Гелій не назапашваецца ў вялікіх колькасцях у атмасферы, таму што гравітацыі Зямлі недастаткова, каб прадухіліць яго паступовую уцечку ў космас. Сляды ³ He на Зямлі тлумачацца адмоўным бэта-распадам рэдкага элемента вадароду-3 (трыція). ⁴ He з'яўляецца найбольш распаўсюджаным з стабільных ізатопаў: суадносіны ліку атамаў ⁴ He да ³ He складае каля 700 тыс. Да 1 у атмасферы і каля 7 млн да 1 у некаторых гелийсодержащих мінералах.

Фізічныя ўласцівасці гелія

Тэмпература кіпення і плаўлення ў гэтага элемента самыя нізкія. Па гэтай прычыне гелій існуе ў выглядзе газу, за выключэннем экстрэмальных умоў. Газападобны He ў вадзе раствараецца менш, чым які-небудзь іншы газ, а хуткасць дыфузіі праз цвёрдыя цела ў тры разы больш, чым у паветра. Яго паказчык праламлення бліжэй за ўсё набліжаецца да 1.

Цеплаправоднасць гелія саступае толькі цеплаправоднасці вадароду, а яго удзельная цеплаёмістасць незвычайна высокая. Пры звычайных тэмпературах пры пашырэнні ён награваецца, а ніжэй за 40 K - астуджаецца. Таму пры Т <40 K гелій можна ператварыць у вадкасць шляхам пашырэння.

Элемент з'яўляецца дыэлектрыкам, калі не знаходзіцца ў іянізаваным стане. Як і ў іншых высакародных газаў, у гелія ёсць метастабільным энергетычныя ўзроўні, якія дазваляюць яму заставацца іянізаваных ў электрычным разрадзе, калі напружанне застаецца ніжэй патэнцыялу іянізацыі.

Гелій-4 унікальны тым, што валодае двума вадкімі формамі. Звычайная называецца гелій I і існуе пры тэмпературах ад кропкі кіпення 4,21 Да (-268,9 ° C) да каля 2,18 К (-271 ° C). Ніжэй 2,18 K цеплаправоднасць ⁴ He становіцца ў 1000 разоў больш, чым у медзі. Гэтая форма называецца гелій II, каб адрозніць яе ад звычайнай. Яна валодае звышцякучасці: глейкасць настолькі нізкая, што не можа быць вымераная. Гелій II расцякаецца ў тонкую плёнку на паверхні любога рэчыва, якога тычыцца, і гэтая плёнка цячэ без трэння нават супраць сілы цяжару.

Менш багаты гелій-3 ўтварае тры розныя вадкія фазы, дзве з якіх сверхтекучее. Звышцякучасці ў ⁴ He была выяўленая савецкім фізікам Пятром Леанідавічам Капіцам ў сярэдзіне 1930-х гадоў, і такое ж з'ява ў ³ He было ўпершыню заўважана Дугласам Д. Ошеровым, Дэвідам М. Лі, і Робертам С. Рычардсанам з ЗША ў 1972 годзе.

Вадкая сумесь двух ізатопаў гелія-3 і -4 пры тэмпературах ніжэй 0,8 К (-272.4 ° C) падзяляецца на два пласта - практычна чыстага ³ He і сумесі ⁴ He з 6% гелія-3. Растварэнне ³ He ў ⁴ He суправаджаецца астуджальным эфектам, які выкарыстоўваецца ў канструкцыі криостатов, у якіх тэмпература гелія апускаецца ніжэй 0,01 Да (-273,14 ° C) і падтрымліваецца такі на працягу некалькіх дзён.

злучэння

У нармальных умовах гелій хімічна інэртны. У экстрэмальных можна стварыць злучэння элемента, якія пры нармальных паказчыках тэмпературы і ціску не зьяўляюцца стабільнымі. Напрыклад, гелій можа ўтвараць злучэння з ёдам, Вальфрамам, фторам, фосфарам і шэрай, калі ён падвяргаецца дзеянню электрычнага цьмее разраду пры бамбардзіроўцы электронамі ці ў стане плазмы. Такім чынам, былі створаны HeNe, HgHe _10, WHe ₂ і малекулярныя іёны Ня ₂ ^+, Ня ₂ ^++, HeH ⁺ і HeD ^+. Гэтая тэхніка таксама дазволіла атрымаць нейтральныя малекулы Ня ₂ і HgHe.

плазма

У Сусвеце пераважна распаўсюджаны іянізаваных гелій, ўласцівасці якога істотна адрозніваюцца ад малекулярнай. Электроны і пратоны яго не звязаныя, і ён валодае вельмі высокай электраправоднасцю нават у часткова іянізаваным стане. На зараджаныя часціцы моцнае ўздзеянне аказваюць магнітныя і электрычныя поля. Напрыклад, у сонечным ветры іёны гелія разам з іянізаваных вадародам ўзаемадзейнічаюць з магнітасфэру Зямлі, выклікаючы паўночныя ззяння.

Адкрыццё радовішчаў у ЗША

Пасля бурэння свідравіны ў 1903 годзе ў Декстер, штат Канзас, быў атрыманы негаручых газ. Першапачаткова не было вядома, што ў ім утрымліваецца гелій. Які газ быў знойдзены, вызначыў геолаг штата Эразмус Хаворт, які сабраў яго ўзоры і ва ўніверсітэце Канзаса з дапамогай хімікаў Кэди Гамільтана і Дэвіда Макфарланда выявіў, што той змяшчае 72% азоту, 15% метану, 1% вадароду і 12% не было ідэнтыфікавана. Правёўшы наступныя аналізы, навукоўцы выявілі, што 1,84% пробы складае гелій. Так даведаліся пра тое, што дадзены хімічны элемент прысутнічае ў велізарных колькасцях у нетрах Вялікіх раўнін, адкуль яго можна атрымаць з прыроднага газу.

прамысловая вытворчасць

Гэта зрабіла Злучаныя Штаты лідэрам сусветнага вытворчасці гелія. Па прапанове сэра Рычарда Трельфалла, ВМС ЗША прафінансавалі тры невялікіх эксперыментальных завода для атрымання гэтага рэчыва падчас Першай сусветнай вайны з мэтай забяспечыць загараджальныя аэрастаты лёгкім негаручых пад'ёмным газам. Па дадзенай праграме былі зроблены ў агульнай складанасці 5700 м ³ 92-адсоткавага He, хоць да гэтага былі атрыманы толькі менш за 100 л газу. Частка гэтага аб'ёму была выкарыстаная ў першым у свеце гелиевом дырыжаблі ВМФ ЗША С-7, які здзейсніў свой першы рэйс з Хэмптан-Роўдс (штат Вірджынія) у Боллинг-Філд (Вашынгтон, акруга Калумбія) 7 снежня 1921 года.

Хоць працэс нізкатэмпературнага звадкаванні газу ў той час не быў дастаткова распрацаваны, каб апынуцца істотным падчас Першай сусветнай вайны, вытворчасць працягвалася. Гелій у асноўным выкарыстоўваўся ў якасці пад'ёмнага газу ў лятальных апаратах. Попыт на яго вырас падчас Другой сусветнай вайны, калі яго сталі ўжываць пры экранаванай дуговой зварцы. Элемент таксама меў важнае значэнне ў праекце стварэння атамнай бомбы «Манхэтэн».

Нацыянальны запас ЗША

У 1925 годзе ўрад Злучаных Штатаў стварыла Нацыянальны запас гелія ў Амарилло, штат Тэхас, з мэтай забеспячэння ваенных дырыжабляў ў час вайны і камерцыйных паветраных караблёў у мірны час. Выкарыстанне газу пасля Другой сусветнай скарацілася, але запас быў павялічаны ў 1950-х гадах для забеспячэння, сярод іншага, яго паставак у якасці цепланосбіта, які ўжываецца ў вытворчасці кіслароднае-вадароднага ракетнага паліва ў перыяд касмічнай гонкі і халоднай вайны. Выкарыстанне гелія ў ЗША ў 1965 годзе ў восем разоў перавысіла пікавае спажыванне ваеннага часу.

Пасля прыняцця закона аб гелии 1960 года Горнае бюро запар 5 прыватных прадпрыемстваў для здабывання элемента з прыроднага газу. Для гэтай праграмы быў пабудаваны 425-км газаправод, які злучыў гэтыя заводы з урадавым часткова знясіленым газавым радовішчам непадалёк ад Амарилло ў Тэхасе. Гелій-азотная сумесь запампоўвалася ў падземнае сховішча і заставалася там, пакуль у ёй не ўзнікала неабходнасць.

Да 1995 году быў сабраны запас аб'ёмам мільярд кубаметраў, а запазычанасць Нацыянальнага рэзерву склала 1,4 млрд даляраў, што заахвоціла Кангрэс ЗША ў 1996 годзе паэтапна адмовіцца ад яго. Пасля прыняцця ў 1996 годзе закона аб прыватызацыі гелія Міністэрства прыродных рэсурсаў пачало ліквідацыі сховішчы ў 2005 годзе.

Чысціня і аб'ёмы вытворчасці

Гелій, выраблены да 1945 года, меў чысціню каля 98%, астатнія 2% прыпадалі на азот, што было дастатковым для дырыжабляў. У 1945 г. было выраблена невялікая колькасць 99,9-адсоткавага газу для выкарыстання ў дуговой зварцы. Да 1949 г. чысціня атрымліваецца элемента дасягнула 99,995%.

На працягу многіх гадоў Злучаныя Штаты выраблялі больш за 90% сусветнага аб'ёму камерцыйнага гелія. Пачынаючы з 2004 года, штогод яго выпрацоўвалася 140 млн м ^3, 85% з якіх прыпадае на ЗША, 10% выраблялася ў Алжыры, а астатняе - у Расіі і Польшчы. Асноўнымі крыніцамі гелія ў свеце з'яўляюцца газавыя радовішчы Тэхаса, Аклахомы і Канзаса.

працэс атрымання

Гелій (чысцінёй 98,2%) вылучаюць з прыроднага газу шляхам звадкаванні іншых кампанентаў пры нізкіх тэмпературах і пры высокіх цісках. Адсорбцыя іншых газаў астуджаным актываваным вуглём дазваляе дабіцца чысціні 99,995%. Невялікі аб'ём гелія вырабляецца пры звадкаваны паветра ў вялікіх маштабах. З 900 т паветра можна атрымаць каля 3,17 куб. м газу.

сферы ўжывання

Высакародны газ знайшоў прымяненне ў розных галінах.

• Гелій, ўласцівасці якога дазваляюць атрымліваць звышнізкія тэмпературы, выкарыстоўваецца як астуджальны агент у Вялікім адронным коллайдере, звышправодзячых магнітах апаратаў МРТ і спектрометраў ядзернага магнітнага рэзанансу, спадарожнікавай апаратуры, а таксама для звадкаванні кіслароду і вадароду ў ракетах «Апалон».
• У якасці інэртнага газу для зваркі алюмінія і інш. Металаў, пры вытворчасці оптавалакна і паўправаднікоў.
• Для стварэння ціску ў паліўных баках ракетных рухавікоў, асабліва тых, якія працуюць на вадкім вадародзе, т. К. Толькі гелій газападобны захоўвае сваё агрэгатны стан, калі вадарод застаецца вадкім);
• He-Ne газавыя лазеры выкарыстоўваюцца для сканавання штрых-кодаў на касах у супермаркетах.
• Гелій-іённы мікраскоп дазваляе атрымаць лепшыя малюнка, чым электронны.
• Дзякуючы высокай пранікальнасці высакародны газ выкарыстоўваецца для праверкі уцечак, напрыклад, у сістэмах кандыцыянавання паветра аўтамабіляў, а таксама для хуткага напаўнення падушак бяспекі пры сутыкненні.
• Нізкая шчыльнасць дазваляе напаўняць дэкаратыўныя шары з геліем. Інэртны газ замяніў выбухованебяспечны вадарод у дырыжабля і паветраных шарах. Напрыклад, у метэаралогіі, шары з геліем выкарыстоўваюцца для ўздыму вымяральных прыбораў.
• У крыягеннай тэхніцы служыць цепланосбітам, паколькі тэмпература гэтага хімічнага элемента ў вадкім стане мінімальна магчымая.
• Гелій, ўласцівасці якога забяспечваюць яму нізкую рэактыўнасць і растваральнасць у вадзе (і крыві), у сумесі з кіслародам знайшоў прымяненне ў дыхальных складах для падводнага плавання з аквалангам і правядзення кесонаў работ.
• Метэарыты і горныя пароды аналізуюцца на ўтрыманне дадзенага элемента для вызначэння іх ўзросту.

Гелій: ўласцівасці элемента

Асноўныя фізічныя ўласцівасці He наступныя:

• Атамны нумар: 2.
• Адносная маса атама гелія: 4,0026.
• Кропка плаўленьня: не.
• Кропка кіпення: -268,9 ° C.
• Шчыльнасць (1 атм, 0 ° C): 0,1785 г / п.
• Стану акіслення: 0.