Гелий

Историческая справка

Распространение в природе

Изотопы, атом и молекула Гелия

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Гелий жидкий

Гелий (лат. Helium), символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026; газ без цвета и запаха. Природный Гелий состоит из 2 стабильных изотопов: ³Не и ⁴Не (содержание ⁴Не резко преобладает).

Историческая справка. Впервые Гелий был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 году француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер исследовали спектроскопически состав солнечных протуберанцев. Полученные ими снимки содержали яркую желтую линию (так называемую D3-линию), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил ее происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios - Солнце). На Земле Гелий впервые был выделен в 1895 году англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия.

Распространение Гелия в природе. На Земле Гелия мало: 1 м³ воздуха содержит всего 5,24 см³ Гелия, а каждый килограмм земного материала - 0,003 мг Гелия. По распространенности же во Вселенной Гелий занимает второе место после водорода: на долю Гелия приходится около 23% космической массы.

На Земле Гелий (точнее, изотоп ⁴Не) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной коре содержится около 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих ⁴Не).

Примерно половина всего Гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в ее гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание Гелия в земной коре невелико - 3·10^-7% по массе. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефти; такие месторождения достигают промышленного масштабов. Максимальные концентрации Гелия (10-13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше Гелия в составе природных газов. Вулканическим газам свойственно обычно низкое содержание Гелия.

Добыча Гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объему); рядовые (0,10-0,50) и бедные (<0,10). В СССР природный Гелий содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (штаты Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Изотопы, атом и молекула Гелия. В природном Гелий любого происхождения (атмосферном, из природных газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т. д.) преобладает изотоп ⁴He. Содержание ³He обычно мало (в зависимости от источника Гелия оно колеблется от 1,3·10^-4 до 2·10^-8%) и только в Гелии, выделенном из метеоритов, достигает 17-31,5%. Скорость образования ⁴He при радиоактивном распаде невелика: в 1 т гранита, содержащего, например, 3 г урана и 15 г тория, образуется 1 мг Гелия за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно, за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание Гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное (оно составляет около 5·10¹⁴ м³). Такой дефицит Гелия объясняется постоянным улетучиванием его из атмосферы. Легкие атомы Гелия, попадая в верхние слои атмосферы, постепенно приобретают там скорость выше второй космической и тем самым получают возможность преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание Гелий приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.

Изотоп ³Не, в частности, образуется в атмосфере при β-распаде тяжелого изотопа водорода - трития (Т), возникающего, в свою очередь, при взаимодействии нейтронов космического излучения с азотом воздуха:

¹⁴₇N + ³₀n → ¹²₆C + ³₁T.

Ядра атома ⁴Не (состоящие из 2 протонов и 2 нейтронов), называется альфа-частицами или гелионами,- самые устойчивые среди составных ядер. Энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ⁴He имеет максимальное по сравнению с ядрами других элементов значение (28,2937 Мэв); поэтому образование ядер ⁴He из ядер водорода (протонов) ¹Н сопровождается выделением огромного количества энергии. Считают, что эта ядерная реакция:

4¹H = ⁴He + 2β⁺ + 2n

[одновременно с ⁴He образуются два позитрона (β⁺) и два нейтрино (ν)] служит основным источником энергии Солнца и других схожих с ним звезд. Благодаря этому процессу и накапливаются весьма значительные запасы Гелия во Вселенной.

Физические свойства Гелия. При нормальных условиях Гелий - одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л, t_кип -268,93°С, t_пл-272,2°С. Теплопроводность (при 0°С) 143,8·10^-3 Вт/(см·К) [343,4·10^-6 кал/(см·град·с)]. Радиус атома Гелия, определенный различными методами, составляет от 0,85 до 1,33 Å. В 1 л воды при 20°С растворяется около 8,8 мл Гелия. Энергия первичной ионизации Гелия больше, чем у любого другого элемента, - 39,38·10^-13 Дж (24,58 эв); сродством к электрону Гелий не обладает. Жидкий Гелий, состоящий только из ⁴He, проявляет ряд уникальных свойств.

Химические свойства Гелия. До настоящего времени попытки получить устойчивые химические соединения Гелия оканчивались неудачами.

Получение Гелия. В промышленности Гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% Гелия). От других газов Гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Применение Гелия. Благодаря инертности Гелий широко применяют для создания защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Гелий менее электропроводен, чем другой инертный газ - аргон, и поэтому электрическая дуга в атмосфере Гелия дает более высокие температуры, что значительно повышает скорость дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью Гелий применяют для наполнения стратостатов. Высокая теплопроводность Гелия, его химические инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать Гелий для охлаждения атомных реакторов. Жидкий Гелий- самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении различных научных исследований. На определении содержания Гелия в радиоактивных минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста. Благодаря тому что Гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам (замена азота на Гелий предотвращает появление кессонной болезни). Изучаются возможности применения Гелия и в атмосфере кабины космического корабля.

Гелий жидкий. Относительно слабое взаимодействие атомов Гелий приводит к тому, что он остается газообразным до более низких температур, чем любой другой газ. Максимальная температура, ниже которой он может быть сжижен (его критическая температура Т_к), равна 5,20 К. Жидкий Гелий - единственная незамерзающая жидкость: при нормальном давлении Гелий остается жидким при сколь угодно низких температурах и затвердевает лишь при давлениях, превышающих 2,5 Мн/м² (25 ат).