Гелий, как правило, образующийся при радиоактивном распаде урана-238 и урана-235, был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Этот газ обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее нет вообще. Второго такого вещества в природе не найти...
Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.
Как образуется гелий
В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада . Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм.
Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т. д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.
Синтез гелия - начало жизни
Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.
Природные газы являются практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5–10%) гелиеносность метано-азотных месторождений - явление крайне редкое. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой ожижения. После того, как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%. Жидкий гелий получают путем сжижения газообразного гелия.
Свойства гелия
Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м 3 .
Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.
Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.
Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…
Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.
В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.
В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий . Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками . Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота - подобно шампанскому при открывании бутылки.
Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге - к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.
При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.
«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
Еще не вечный, но уже безвредный
В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель , который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.
По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.
Жидкий
Гелий
идет под вторым порядковым номером в периодической системе элементов Менделеева. Это один из главных элементов инертной группы газов. Обозначается гелий латинскими буквами «He» и имеет атомный номер два. Этот газ не обладает запахом, не имеет цвета и вкуса.
Газ гелий является одним из самых распространенных элементов во вселенной и по количеству идет сразу после водорода. Гелий также является одним из самых легких элементов. Для получения гелия используют метод фракционной перегонки (процесс низкотемпературного разделения).
Открытие гелия
Во время солнечного затмения в городе Гунтур в 1868 году ученый из Франции Пьер Жансен смог исследовать хромосферу Солнца при помощи спектроскопа. Он смог определить, что в протуберанцах Солнца находиться не только водород, но и другие элементы. В то время новый элемент приняли за D натрий. Но Пьер Жансен написал письмо во Французскую Академию наук, где изложил свою теорию открытия нового элемента.
Спустя пару месяцев астроном из Англии Норман Локьер провел собственные исследования и также при помощи спектроскопа выявил новую линию в спектре неизвестного элемента длинной 587,56 нм. Во время совместной работой со своим другом химиком Эдвардом Франкландом Норман Локьер дал название открытому элементу - гелий, что означало на древнегреческом языке «Солнце».
В честь открытия нового элемента Французская академия решила вручить почетные медали обоим ученым и Норману Локьеру и Пьеру Жансену.
Итальянец Луиджи Пальмиери в 1881 году во время своих исследований вулканических газов смог определить гелий. Луиджи Пальмиери использовал прокаливание для нагрева вулканического продукта в бунзеновской горелке и пытался определить весь спектр полученных газов. Но Пальмиери так и не смог четко сформулировать свои исследования и поэтому его опытам большого значения не придали. Но спустя много лет гелий и аргон действительно были обнаружены в вулканических газах.
Открытие гелия на Земле произошло в 1895 году, когда шотландский химик Уильям Рамзай занимался исследованиями газов, полученных при разложении минерала клевеита. При помощи спектрометра он смог обнаружить желтую линию в спектре газов, которая говорила о наличии гелия. Для дополнительного исследования Уильям Рамзай отправил образцы ученому Уильяму Круксу. Дополнительные исследования показали, что желтая линия совпадает со спектром ранее открытого гелия в хромосфере Солнце. В дальнейшем шведские химики Н. Ленгле и П. Клеве смогли точно определить атомный вес гелия, повторив опыты Рамзая с клевеитом. Окончательную точку в открытии гелия на Земле в 1896 году поставили Зигберт Фридлендер, Эдвард Бэли и Генрих Кайзер, которые определили присутствие гелия в атмосфере нашей планеты.
В дальнейшем Рамзай продолжил свои исследования гелия и обнаружил, что гелий часто сопутствует торию и урану. В 1906 году ученый Ройдс и Резенфорд открыли, что альфа-частицы этих радиоактивных элементов являются ядрами гелия. Именно благодаря исследованиям Рамзая было положено начало теории строения атома.
Жидкий гелий впервые смог получить методом дросселирования физик из Нидерландов Хейке Камерлинг-Оннесу. Он охладил гелий в кипевшем в вакууме водороде. Получить твердый гелий не получалось до 1926 года. Немецкий физик Виллем Хендрик смог под высоким давлением сжать гелий и выделить кристаллы.
В 1932 году ученый Кеез исследовал зависимость теплоемкости жидкого гелия и температуры. Он узнал, что при температуре 2,1К (точное значение =2,172 K.) плавный подъем теплоемкости гелия сменяется резким падением и график теплоемкости выглядит как греческая буква «лямбда» (?). В связи с этим открытием этой точки температуры было присвоено название «?-точка». Именно в этой точке происходят глобальные изменения с гелием. Одна фаза жидкого гелия сменяет другую и при этом не выделяется тепла. Гелию ниже «?-точки» было присвоено обозначение гелий-II, а выше гелий-I.
Явление сверхтекучести гелия впервые открыл советский ученый Пётр Леонидович Капица, которые исследовал свойства жидкого гелия-II. Он смог доказать, что жидкий гелий-II течет практически без трения.
Происхождение названия
В слове гелий имеется окончание «-ий» (лат. «-um» — «Helium»), что характерно для обозначения металлов в периодической системе элементов. Это связано с тем, что Локьер при открытии гелия предположил, что это металл и дал такое название. А переименовать в «Гелион» с окончанием «-он» уже не представлялось возможным, так как это название было закреплено за ядром лёгкого изотопа гелия (гелий-III)
Нахождение гелия
В космосе
Во Вселенной гелий занимает второй место по распространенности. Большая часть гелия в космосе образовалась после Большого Взрыва, в период первичного нуклеосинтеза. На данный момент гелий образуется во Вселенной благодаря термоядерному синтезу водорода в недрах звезд. Малая часть гелия образуется в земной коре при альфа-распаде тяжелых элементов и просачивается сквозь земную кору связываясь с частичками природного газа. Концентрация гелия в природном газе может достигать семи процентов и выше от объема.
В атмосфере земли
Гелий в атмосфере земли получается в результате распада элементов Ac, Th, U. И содержание гелия в атмосфере достигает 7,24?10?5 % по массе и 5,27?10?4 % по объёму. Запасы гелия оцениваются примерно в 5?1014 м?. Обычно концентрация гелия в других газах не превышает двух процентов и в очень редких случаях встречаются газы, содержание в которых гелия достигает 8-15%.
В земной коре
Гелий занимает второй место после аргона по содержанию в земной коре. В земном веществе содержание гелия оценивается примерно в 3 г/т. Наибольшая концентрация гелия замечена в минералах, в которых присутствует торий, самарий, уран, монацит, гадолинит, фергюсонит, клевеит, торианит. При этом в торианите содержание гелия может достигать 10,5 л/кг, в остальных минерала в пределах от 0,8 до 3,5 л/кг.
Определение гелия
Чтобы качественно определить гелий используют анализ спектров испускания (линии 388,86 нм и 587,56 нм). Количественно гелий определяют хроматографическим и масс-спектрометрическим методом. Также используются методы, которые основаны на измерении физических свойств гелия, таких как плотность, теплопроводность и так далее.
Физические свойства гелия
Гелий является инертным химическим элементом. Он не токсичен, без цвета, вкуса и запаха. При нормальных условиях гелий является одноатомным газом с точкой кипения 4,215 K (гелий IV). Твердое состояние гелия достигается только при давлении порядка 25 атмосфер и выше. Без давления гелий не переходит в твердое состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю. Большинство соединений гелия нестабильны в нормальных условиях и для образования связей требуются специальные условия.
Воздействие гелия на организм
В своем большинстве инертные газы воздействуют на организм, вызывая наркотическое опьянение. Воздействия простого гелия при нормальном давлении на организм не оказывает никакого действия. При повышении давления у человека может возникнуть синдром высокого давления.
Свойства в газовой фазе
Гелий ведет себя как идеальный газ при нормальных условиях. В большинстве проявлений гелий является многоатомным газом с плотностью 0,17847 кг/м?. Теплопроводность гелия при нормальных условиях составляет 0,1437 Вт/(м.К), больше чем у водорода и других газов. Удельная теплоемкость при нормальных условиях 5,23 кДж/(кг.К), а в водорода 14,23 кДж/(кг.К).
При пропускании тока через трубку заполненную гелием можно наблюдать разряды различных цветов, которые зависят от давления в трубке. Если уменьшать давление то цвета будут меняться от розового, желтого до зеленого и оранжевого. Это объясняется тем, что в спектре гелия находиться несколько линий, которые располагаются в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного спектра. Главные линии спектра гелия лежат в диапазоне между 706,52 нм и 447,14 нм. Уменьшение давления в трубке приводит к тому, что увеличивается длина пробега электрона, и энергия от его столкновения с атомами гелия возрастает. В результате этого происходит возбуждение атомов и большей энергии, что и приводит к смещению спектральных линий.
Гелий слабо растворяется в воде по сравнению с другими газами. При температуре 20 °C в одном литре воды растворяется всего 8,8 мл гелия. В этаноле растворяется 2,5 мл при 15°C и 3,2 при 25 °C. Скорость диффузии гелия в твердых материалах в несколько раз больше чем у других газов. Например, диффузия гелия на 65% больше чем у водорода
У гелия коэффициент преломления ближе к единице, чем у других газов. Гелий при нормальной температуре имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона. То есть он не нагревается, когда свободно увеличивается в объеме. Гелий остывает во время свободного расширения только при температуре ниже 40 К (ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона) при нормальном давлении. При понижении температуры гелий способен перейти в жидкообразное состояние при расширительном охлаждении. Такое охлаждение возможно при помощи детандера.
Химические свойства гелия
Гелий является одним и наименее активных химических элементов среди инертных газов. Большинство соединений гелия существуют в газовой фазе, в виде эксимерных молекул, которые имеют неустойчивое основное состояние и устойчивое возбужденное электронное состояние. Гелий способен образовывать двухатомные молекулы (He2), соединения с фтором (HeF) и хлором (HeCl).
Получение гелия
Промышленным способом для получения гелия используют месторождения гелийсодержащих природных газов. Чтобы отделить гелий от другого газа используют глубокое охлаждение. Гелий сжижается лучше остальных газов. При помощи дросселирования в несколько этапов очищают гелий от углекислого газа и углеводородов. В итоге получается смесь нескольких газов (гелий, водород и неон). Дальше для отделения водорода от гелия используют CuO и температуру 650—800 К. Окончательно очищают гелий методом охлаждения смеси в кипящем вакууме N2 и адсорбцией оставшихся примесей. Таким методом получают чистый гелий (до 99,8% по объему)
В России гелий газ получают из нефтяного или природного газа. Основным российским заводом по добыче гелия является ООО «Газпром добыча Оренбург». На этом заводе добывают гелий из газа с низким содержанием гелия, что повышает его окончательную стоимость. Чтобы снизить себестоимость гелия были разработаны проекты освоения месторождений в Восточной Сибири и Дальнем Востоке. На данном этапе главным поставщиком гелия на мировой рынок является США, на долю которых приходиться порядка 140 миллионов м? гелия в год. Все самые крупные месторождения гелия находятся на США. Россия по объему производимого гелия занимает третью строчку после США и Алжира.
Транспортировка гелия
Для того чтобы перевозить гелий используют специальные баллоны для газов (ГОСТ 949-73). Эти баллоны необходимо помещать в специальные контейнеры, чтобы не повредить их в дороге. Для перевозки упакованных баллонов с гелием можно использовать любой транспорт пригодный для перевозки газов. Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных емкостях. При перевозке жидкого гелия сосуды с гелием должны находиться в вертикальном положении. При правильной транспортировке гелий можно перевозить как железнодорожным транспортом, так и на специальных автомобилях.
Применение гелия
Гелий широко используется в народном хозяйстве и промышленности. В металлургии гелий используют при выплавке чистых металлов. Гелий используется в качестве пищевой добавки E939 и средства упаковки. За счет уникальных свойств гелий используют в качестве хладагента. Гелием наполняют воздушные шары, используют в медицине как дыхательную смесь, используют в лазерах и в качестве теплоносителей в котлах и трубопроводах.
Перестал быть лабораторной редкостью, когда его научились добывать в достаточно больших количествах, этим бесцветным, не имеющим вкуса и запаха газом, по легкости уступающим только водороду, заинтересовались представители очень многих направлений техники.
Не горит, химически он абсолютно инертен. Это означает, что может быть самым подходящим газом для создания неагрессивной нейтральной атмосферы. В инертной атмосфере гелия можно вести многие металлургические и сварочные процессы, в ней металл будет защищен от доступа воздуха, следовательно, от окисления и образования шлаковых включений, а также от нежелательных соединений с находящимися в воздухе азотом и углекислым газом. Особенно важным это оказалось при производстве такого металла, как , легкого, жаропрочного и коррозионно-стойкого. Недаром считается одним из важнейших конструкционных материалов в ракетной, авиа- и судостроительной технике.
В цветной металлургии гелий может найти применение. Если продувать расплавленный металл струей газа, можно извлечь растворенные в металле газы и таким образом вывести некоторые шлаки. Применяемый для этой цели был опасен для здоровья рабочих. Замена хлора азотом - газом, не опасным для человека, привела к тому, что при продувании его через возникали с металлом - нитриды, впоследствии разрушающие отлитые из металла изделия. Самым безопасным и удобным оказался гелий. В современной технике применяют более дешевый газ - .
Инертная среда, создаваемая гелием, нужна и при производстве полупроводниковых веществ, главным образом германия и кремния, при получении которых требуется особая чистота , так как любое инородное включение, любая, даже микроскопически малая, примесь неизбежно ухудшают свойства полупроводниковых кристаллов.
Как взрывобезопасный газ, гелий нашел применение не только в воздухоплавании, но и в медицине: его добавляют в атмосферу операционных, благо он совершенно безвреден для дыхания. Гелий используется также как гаситель пламени в элеваторах и хранилищах огнеопасных веществ, например бензина.
Аномально высокая текучесть гелия (об этом мы будем говорить ниже) сделала его индикатором утечек в атомных реакторах, в системах высокого или низкого давления; другое физическое свойство гелия - высокая теплопроводность - перспективным материалом для атомной техники. Гелий представляется удобной средой для извлечения и отвода тепловой энергии; образующейся в атомном реакторе, он используется как циркулирующая охлаждающая среда. Такое же применение он нашел и в ракетной технике. На способность гелия оставаться в газообразном состоянии при таких температурах, когда другие переходят в жидкое и твердое состояние, обратили внимание при разработке ракетных двигателей на жидком топливе. По мере расхода топлива гелий под высоким давлением заполняет образующийся вакуум и тем самым сохраняет жесткость конструкции.
В конце 30-х годов, когда были-открыты уникальные свойства жидкого гелия, одна из смелых и опережающих свое время идей, касающихся его практического применения, была высказана профессором Л. Г. Лойцянским.
Предполагалось использовать для изучения аэродинамических свойств моделей самолетов. Дело в том, что при испытании крыльев и фюзеляжей аэропланов на обтекаемость приходилось применять аэродинамические трубы, где испытывались аэропланы в натуральную величину. Ври уменьшении размеров испытуемого объекта нужно было уменьшить и так называемую кинематическую вязкость жидкости, в которой проводились испытания. Но оказалось, что это невозможно; кинематическая вязкость почти всех текучих сред мало отличалась от воздуха. Исключение составлял . Но, пожалуй, одно из главных применений гелия связано с возможностью получения самых низких температур, которыми располагает современная техника.
Статья на тему Гелий применение в промышленности
18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур впервые исследовал хромосферу Солнца. Спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода - синей, зелено-голубой и красной - выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Независимо от него английский астроном Норман Локьер обнаружил в спектре неизвестную жёлтую линию с длиной волны 587,56 нм, и обозначил её как D3. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, пришел к мнению, что эта ярко-жёлтая линия не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов и предложил дать новому элементу название "гелий" (от греч. hlioz - "солнце").
Нахождение в природе, получение:
Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода - около 23% по массе. Однако на Земле гелий редок, образуясь в результате альфа-распада тяжёлых элементов. В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона). Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·10 14 м 3 . Гелионосные природные газы содержат как правило до 2% гелия по объёму (редко 8-16%). Среднее содержание гелия в земном веществе - 3 г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8-3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.
В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов.
Физические свойства:
Простое вещество гелий - нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ, Tкип = 4,2K (наименьшая среди всех простых веществ). При атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах.
При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Плотность 0,17847 кг/м 3 . Он обладает теплопроводностью (0,1437 Вт/(м·К) при н.у.) большей, чем у других газов, кроме водорода.
Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа.
Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ (при 20°C около 8,8 мл/л). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.
При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке.
Химические свойства:
Гелий - наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева. В газовой фазе он может образовывать (при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения) так называемые эксимерные молекулы, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние: двухатомные молекулы He 2 , фторид HeF, хлорид HeCl. Время жизни таких частиц очень мало, обычно составляет считанные наносекунды. В отличие от многих других газов гелий не образует клатратов, так как маленькие атомы гелия "ускользают" из слишком больших для них пустот в структуре воды.
Применение:
Уникальные свойства гелия широко используются:
- 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;
- в качестве хладагента для получения сверхнизких температур;
- для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли), воздушных шаров и оболочек метеорологических зондов;
- в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов;
- в качестве носителя в газовой хроматографии;
- для поиска утечек в трубопроводах и котлах;
- для заполнения газоразрядных трубок;
- как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах;
- в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов;
- в дыхательных смесях для глубоководного погружения;
- для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия, и т.д;
- нуклид 3 He является перспективным топливом для термоядерной энергетики.
Гелий - подлинно благородный газ. Заставить его вступить в какие-либо реакции пока не удалось. Молекула гелия одноатомна. По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия. Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество.
Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.
В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, Камерлинг-Оннес (Голландия), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.
Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций - абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки - и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях - ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.
Огромна роль ядра атома гелия - альфа-частицы в истории становления и развития ядерной физики. Если помните, именно изучение рассеяния альфа-частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа-частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов - то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в золото, а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа-частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа-частиц были синтезированы кюрий , берклий , калифорний , менделевий .
Мы перечислили эти факты лишь с одной целью - показать, что элемент № 2 - элемент весьма необычный.
Земной гелии
Гелий - элемент необычный, и история его необычна . Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.
В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа-частицы - высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.
В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235 , тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута . Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия - 4 He, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа-частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов - в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.
По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале , можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд. лет превращается в гелий и свинец .
Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита , содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия - половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.
Гелий пи Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 10 августа 1868 г. и англичанин Дж. Локьер - 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.
Природные соединения, в составе которых есть альфа-активные изотопы, - это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой - самородные металлы, магнетит , гранат , апатит , циркон и другие, - прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т. д., и гелий из них уходит.
Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.
Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот , углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5-10%) гелиеносность метаноазотных месторождений - явление крайне редкое.
Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.
Запасы гелия на Земле оцениваются в 54014 м 3 ; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд. лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий - легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), он улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся - старый улетучивался в космос , а вместо него в атмосферу поступал свежий - «выдыхаемый» Землей.
В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли - в альфа-активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий - редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе - 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.
Инертный, но очень нужный гелий
В конце прошлого века английский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человечком - жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?»
Действительно, прошло 34 года со дня открытия земного гелия (первое сообщение об этом было опубликовано в 1881 г.), прежде чем он нашел практическое применение. Определенную роль здесь сыграли оригинальные физико-технические, электрические и в меньшей мере химические свойства гелия, потребовавшие длительного изучения. Главными же препятствиями были рассеянность и высокая стоимость элемента № 2. Оттого практике гелий был недоступен.
Первыми гелий применили немцы. В 1915 г. они стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
Многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды; и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.
Инертный, легкий, подвижный, хорошо проводящий тепло гелий - идеальное средство для передавливания из одной емкости в другую легковоспламеняемых жидкостей и порошков; именно эти функции выполняет он в ракетах и управляемых снарядах. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах или других системах, находящимся под давлением или вакуумом.
Последние годы ознаменованы повторным подъемом дирижаблестроения, теперь на более высокой научно-технической основе. В ряде стран построены и строятся дирижабли с гелиевым наполнением грузоподъемностью от 100 до 3000 т. Они экономичны, надежны и удобны для транспортировки крупногабаритных грузов, таких, как плети газопроводов, нефтеочистительные установки, опоры линий электропередач и т. п. Наполнение из 85% гелия и 15% водорода огнебезопасно и только на 7% снижает подъемную силу в сравнении с водородным наполнением.
Начали действовать высокотемпературные ядерные реакторы нового типа, в которых теплоносителем служит гелий.
В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения - при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тыс. эрстед) при ничтожных затратах энергии.
При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле - криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
Конечно, этими примерами не исчерпывается роль гелия в современной технике. Но если бы не ограниченность природных ресурсов, не крайняя рассеянность гелия, он нашел бы еще множество применений. Известно, например, что при консервировании в среде гелия пищевые продукты сохраняют свой первоначальный вкус и аромат. Но «гелиевые» консервы пока остаются «вещью в себе», потому что гелия не хватает и применяют его лишь в самых важных отраслях промышленности и там, где без него никак не обойтись. Поэтому особенно обидно сознавать, что с горючим природным газом через аппараты химического синтеза, топки и печи проходят и уходят в атмосферу намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелиеносных источников.
Сейчас считается выгодным выделять гелий только в тех случаях, если его содержание в природном газе не меньше 0,05%. Запасы такого газа все время убывают, и не исключено, что они будут исчерпаны еще до конца нашего века. Однако проблема «гелиевой недостаточности» к этому времени, вероятно, будет решена - частично за счет создания новых, более совершенных методов разделения газов, извлечения из них наиболее ценных, хотя и незначительных по объему фракций, и частично благодаря управляемому термоядерному синтезу. Гелий станет важным, хотя и побочным, продуктом деятельности «искусственных солнц».
ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ, В природе существуют два стабильных изотопа гелия: гелий-3 и гелий-4. Легкий изотоп распространен на Земле в миллион раз меньше, чем тяжелый. Это самый редкий из стабильных изотопов, существующих на нашей планете. Искусственным путем получены еще три изотопа гелия. Все они радиоактивны. Период полураспада гелия-5 - 2,440-21 секунды, гелия-6 - 0,83 секунды, гелия-8 - 0,18 секунды. Самый тяжелый изотоп, интересный тем, что в его ядрах на один протон приходится три нейтрона, впервые получен в Дубне в 60-х годах. Попытки получить гелий-10 пока были неудачны.
ПОСЛЕДНИЙ ТВЕРДЫЙ ГАЗ. В жидкое и твердое состояние гелий был переведен самым последним из всех газов. Особые сложности сжижения и отверждения гелия объясняются строением его атома и некоторыми особенностями физических свойств. В частности, гелий, как и водород, при температуре выше - 250°C, расширяясь, не охлаждается, а нагревается. С другой стороны, критическая температура гелия крайне низка. Именно поэтому жидкий гелий впервые удалось получить лишь в 1908, а твердый - в 1926 г.
ГЕЛИЕВЫЙ ВОЗДУХ. Воздух, в котором весь азот или большая его часть заменена гелием, сегодня уже не новость. Его широко используют на земле, под землей и под водой.
Гелиевый воздух втрое легче и намного подвижнее обычного воздуха. Он активнее ведет себя в легких - быстро подводит кислород и быстро эвакуирует углекислый газ. Вот почему гелиевый воздух дают больным при расстройствах дыхания и некоторых операциях. Он снимает удушья, лечит бронхиальную астму и заболевания гортани.
Дыхание гелиевым воздухом практически исключает азотную эмболию (кессонную болезнь), которой при переходе от повышенного давления к нормальному подвержены водолазы и специалисты других профессий, работа которых проходит в условиях повышенного давления. Причина этой болезни - довольно значительная, особенно при повышенном давлении, растворимость азота в крови. По мере уменьшения давления он выделяется в виде газовых пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды, повредить нервные узлы... В отличие от азота, гелий практически нерастворим в жидкостях организма, поэтому он не может быть причиной кессонной болезни. К тому же гелиевый воздух исключает возникновение «азотного наркоза», внешне сходного с алкогольным опьянением.
Рано или поздно человечеству придется научиться подолгу жить и работать на морском дне, чтобы всерьез воспользоваться минеральными и пищевыми ресурсами шельфа. А на больших глубинах, как показали опыты советских, французских и американских исследователей, гелиевый воздух пока незаменим. Биологи доказали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме и не грозит изменениями в генетическом аппарате: гелиевая атмосфера не влияет на развитие клеток и частоту мутаций. Известны работы, авторы которых считают гелиевый воздух оптимальной воздушной средой для космических кораблей, совершающих длительные полеты во Вселенную.
НАШ ГЕЛИЙ. В 1980 г. группа ученых и специалистов во главе с И. Л. Андреевым была удостоена Государственной премии за создание и внедрение технологии получения гелиевых концентратов из сравнительно бедных гелиеносных газов. На Оренбургском газовом месторождении построен гелиевый завод, ставший главным нашим поставщиком «солнечного газа» для нужд разных отраслей.
ГЕЛИЕВЫЙ КОМПЛЕКС. В 1978 г. академику В. А. Легасову с сотрудниками при распаде ядер трития, включенных в молекулу аминокислоты глицина, удалось зарегистрировать парамагнитный гелийсодержащий комплекс, в котором наблюдалось сверхтонкое взаимодействие ядра гелия-3 с неспаренным электроном. Это пока наибольшее достижение в химии гелия.