ФЭНДОМ


Ге́лий/Helium (He)
Атомный номер 2
Внешний вид простого вещества инертный газ без цвета, вкуса и запаха
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
4,002602 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома n/a пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
2361,3(24,47) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация 1s2
Химические свойства
Ковалентный радиус n/a пм
Радиус иона 93 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
4,5
Электродный потенциал 0
Степени окисления 0
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность 0,147 (при −270 °C) 0,00017846 (при +20 °C) г/см³
Удельная теплоёмкость 5,188 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 0,152 Вт/(м·K)
Температура плавления 0,95 (при 2,5 МПа) K
Теплота плавления n/a кДж/моль
Температура кипения 4,215[1] K
Теплота испарения 0,08 кДж/моль
Молярный объём 31,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
Период решётки 3,570 Å
Отношение c/a 1,633
Температура Дебая n/a K


He 2
4,002602
1s²
Гелий


Ге́лий (He) — 2-й 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 крайне близких к абсолютному нулю температурах. 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).

История

Файл:Electron shell 002 Helium.svg

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. [2]

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 XIX-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.[3]

Происхождение названия

От греч. ἥλιος — «солнечный» (см. Гелиос).

Получение

В промышленности гелий получается путём фракционной перегонки природного газа, в котором доля гелия составляет около 7 %.Так как гелий имеет низкую температуру кипения, то сжижение происходит при низкой температуре и высоком давлении. Полученный в результате «сырой» гелий очищается последовательным понижением температуры, при котором происходит конденсация других газов и их удаление из смеси. Для окончательной очистки используют активированный уголь, после чего степень очистки составляет 99.995 % (так называемая степень А). Основной примесью является неон. На заключительной стадии полученный газ сжижают при низких температурах, что снижает затраты при перевозке гелия на дальние расстояния.

В качестве альтернативы гелий может быть синтезирован путём бомбардировки ядер лития или бора высокоскоростными протонами, однако это крайне невыгодный процесс с экономической точки зрения.

Химические свойства

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)).

Известно химическое соединение гелия LiHe7. (возможно, имелось ввиду соединение LiHe[1], [2])

Свойства в газовой фазе

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.

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.

Применение

Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве:

Добыча гелия

В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО "Газпром добыча Оренбург" 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.

См. также

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



Ссылки

Примечания

  1. Гелий в Химической энциклопедии
  2. http://www.tehgaz-orenburg.ru/history_of_opening.php
  3. Матвей Бронштейн. «Солнечное вещество»







Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Гелий. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA , если не указано иное.