Е939

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

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.

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.^[2]

Происхождение названия

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

Получение

Гелий — один из наиболее распространенных элементов космоса, он занимает второе место после водорода. Содержание гелий в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) 5,27·10^-4 % по объему. Запасы гелий в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·10¹⁴ м³. Гелионосные природные газы содержат до 2 % по объему гелий. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³. Крупные месторождения находятся в США (45 % от мировых ресурсов), далее идут Россия (32 %), Алжир (7 %), Канада (7 %) и Китай (4 %).

Гелий содержится также в минералах: клевеите, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите (до 10,5 л/кг).

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. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его CO₂ и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Сырой гелий (70-90 % по объему гелий) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого гелий кипящим под вакуумом N₂ и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N₂. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объему гелий) и высокой чистоты (99,985 %).

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.

По производству гелия лидируют США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год.

В 2000 г. цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 1,5 — 1,8 $/м³

Гелий газообразный перевозят в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) коричневого цвета и специализированных контейнерах, предназначенных для перевозки гелия, всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта. Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объемом 10, 25 и 40 литров соответственно. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении. Могут перевозиться железнодорожным, автомобильным и другими видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта.

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 нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Фактически при всех условиях гелий моноатомный. Плотность 0,17847 кг/м3. Он обладает теплопроводностью (0,1437 Вт/(м•К) при н.у.) большей, чем у других газов, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (с_р = 5,23 кДж/(кг•К) при н.у., у Н₂ 14,23).

Гелий также менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл/л (9,78 при 0 °C, 10,10 при 80 °C), в этаноле — 2,8 (15 °C), 3,2 (25 °C). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода. 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:

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[3]
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 наполнения 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) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично Гексафторид серы)