Таблица менделеева гелий как пишется - Портал по русскому языку

Гелий

Как многие знают, самым распространенным и легким элементом на земле является водород, гелий же в нашем мире занимает второе место! Гелий – второй элемент периодической таблицы Менделеева является инертным одноатомным газом, не имеющим ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Обладает самой низкой температурой кипения из всех веществ (-269 о С). Имеет 8 изотопов. Каждый из них уникален по своим свойствам.

История открытия

Первооткрывателем гелия по праву можно считать французского астронома, директора обсерватории в Медоне, Пьера Жюль Сезар Жансена. В 1868 году, при исследовании солнца, а именно хромосферы, астрономом была запечатлена линия ярко-желтого цвета, которую изначально и ошибочно отнесли к спектру натрия. Но, спустя несколько лет, в 1871 году Пьер, совместно с английским астрономом Джозефом Локьером, установили, что линия, найденная Жансеном, не принадлежит ни одному из известных на тот момент химических элементов. Название гелий получил, от слова “гелиос”, что в переводе с греческого означает – солнце! В первую очередь, ученые предположили, что найденный элемент является металлом, но в наши дни, с уверенностью можно сказать – это было ложное предположение

Как многие знают, абсолютно все газы можно привести в жидкое состояние, но для этого, конечно, потребуются определенные условия. Сжиженный открыли только в 1908 году. Нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес понижал давление газа с протеканием через дроссель, предварительно охладив гелий.

Твердый гелий, был получен только через 20 лет в 1926 году. Ученик Камерлинг-Оннеса, смог добиться получения кристаллов газа, увеличив давление гелия выше 35 атмосфер и охладив газ до предельно низкой температуры.

Интересные свойства гелия

Начнем с того, что гелий не может вступать в химические реакции вовсе, а так же не имеет степеней окисления. Гелий – одноатомный газ, и имеет всего лишь один электронный уровень (оболочку), являясь крайне устойчивым газом, так как имеет полностью заполненный электронами первый уровень, что говорит о сильном воздействии ядра на электроны. Атомы гелия, не то, что не реагируют с другими веществами, более того, они не соединяются даже друг с другом.

Жидкий гелий имеет ряд абсолютно уникальных свойств. В 30 годах 20-го века, при еще меньших температурах было замечено крайне странное и невероятное явление – когда гелий охлаждается до температуры всего на 2 градуса превышающей абсолютный ноль, происходит его неожиданная трансформация. Поверхность жидкости становится абсолютно спокойной и гладкой, ни единого пузырька, ни малейшего бурления жидкости. Жидкий гелий превращается в сверхтекучую жидкость. Такой гелий может забраться по стенкам и «сбежать» из сосуда, в котором он хранится, это происходит из за нулевой вязкости сжиженного газа. Он может стать фонтаном, обладающим нулевым трением, а значит, такой фонтан может течь бесконечно. Несмотря на все теории, ученые установили, что сжиженный гелий это непросто жидкость. Например, начиная с 2He, оказалось, что сжиженный газ состоит из двух взаимопроникающих жидкостей: нормальной (вязкой) и сверхтекучей (нулевая вязкость) компоненты. Сверхтекучая компонента является идеальной и обладает нулевым трением, при протекании в любых сосудах и капиллярах.

Что же касается твердого гелия, то на данный момент, ученые проводят многочисленные опыты и эксперименты. Твердый 4He обладает квантовым эффектом, таким как кристаллизационная волна. Этот эффект основан на колебании границы раздела фаз в системе – «кристалл – жидкость». Достаточно немного качнуть такой гелий, и граница фаз между жидкостью и твердым веществом будет схожа с границей двух жидкостей!

Использование гелия в промышленности

В основном, гелий необходим для получения крайне низких температур, а так же в металлургии для выплавки чистых металлов. Так же 2He – это не только один из лучших теплоносителей, но и хороший пропеллент (Е939) в пищевой индустрии.

С помощью гелия можно определять местонахождение разломов в толще Земли, так как он выделяется при распаде радиоактивных элементов, которыми насыщена земная кора. Концентрация гелия на выходе из трещины, в 50 -100 раз больше, чем нормальная.

Более того, гелием наполняют воздушные суда, такие как дирижабли. Гелий намного легче чем воздух, поэтому подъемная сила таких судов очень высока. Да, водород легче, чем гелий. Так почему бы не использовать его? Водород – это горючий элемент, и заправлять им дирижабли крайне опасно.

Опасность

Любое превышение концентрации газа может быть опасным для здоровья человека. Вдыхание воздуха с высокой концентрацией гелия может вызвать потерю сознания, сильные , рвоту и даже смерть. Смерть наступает в результате кислородного голодания, связанного с тем что в легкие не попадает кислород.

Источник статьи: http://www.alto-lab.ru/elements/gelij/

Гелий

0,147 (при −270 °C) 0,00017846 (при +20 °C) г/см³

Ге́лий — второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Расположен в главной подгруппе восьмой группы, первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической системе Менделеева. Обозначается символом He (лат. Helium ). Простое вещество гелий (CAS-номер: 7440-59-7) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода. Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим веществом.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой (см. Фракционная дистилляция в статье Дистилляция).

Содержание

История

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день 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. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов [3] [4] .

Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D₃, так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D₁ (589,59 нм) и D₂ (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце») [4] .

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор [4] .

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона [4] .

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D₃ гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло [4] .

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента [источник не указан 1252 дня] .

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере [4] [5] [6] .

Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот [6] и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай 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 [7] .

Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы [8] .

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ-точка» [8] . Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее — 2,172 K. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I, а ниже её — гелий-II [8] .

… такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим. …
… Если вязкость воды равняется 10 −2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …

Происхождение названия

От греч. ἥλιος — «Солнце» (см. Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (по лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion») [4] . В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе [11] . Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва [12] [13] , во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4) [14] . Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона) [15] .

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) — 5,27·10 −4 % по объёму, 7,24·10 −5 % по массе [2] [6] [14] . Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·10 14 м³ [2] . Гелионосные природные газы содержат как правило до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 — 16 % [14] .

Среднее содержание гелия в земном веществе — 0,003 мг/кг или 0,003 г/т [14] . 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 [6] [14] . Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп 4 He, он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов.

Определение

Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии 587,56 нм и 388,86 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.) [2] .

Физические свойства

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий — нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения ( T = 4,215 K для 4 He) 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.

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы) [16] . 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 ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).

Энергия связи молекулярного иона гелия He₂ + составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние 1,09 Å. [17]

Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось в виду соединение LiHe₇) [18] [19] .

Свойства в газовой фазе

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях, плотность составляет 0,17847 кг/м³, обладает теплопроводностью 0,1437 Вт ⁄_(м·К) — бо́льшей, чем у всех других газов за исключением водорода, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока ( с_р = 5,23 кДж ⁄_(кг·К) , для сравнения — 14,23 кДж ⁄_(кг·К) для Н₂).

При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов — розового, оранжевого, жёлтого, ярко-жёлтого, жёлто-зелёного и зелёного. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра, важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 706,52 нм и 447,14 нм [8] . Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от инфракрасного к ультрафиолетовому краю.

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных ( 1 S₀) и триплетных ( 3 S₁), поэтому в конце 19 века Локьер, Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них имел в спектре жёлтую линию 587,56 нм , другой — зелёную 501,6 нм . Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч. звёздный. Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа 7—8 мм рт.ст. наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 г. [20] (см. Обменное взаимодействие). Спектр зависит от взаимного направления спинов электронов в атоме — атом с противоположно направленными спинами (дающий зелёную линию в оптических спектрах) получил название парагелия, с сонаправленными спинами (с жёлтой линией в спектре) назван ортогелием. Линия парагелия — одиночки, линии ортогелия — весьма узкие триплеты. Атом гелия в нормальных условиях находится в одиночном (синглетном) состоянии. Чтобы атом гелия перевести в триплетное состояние, нужно затратить работу в 19,77 эВ . Переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное сам по себе осуществляется чрезвычайно редко. Такое состояние, из которого переход в более глубокое сам по себе маловероятен, носит название метастабильного. Вывести атом из метастабильного состояния в стабильное можно, подвергая атом внешнему воздействию, например, электронным ударом или при столкновении с другим атомом с передачей последнему непосредственно энергии возбуждения. [21] В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно, и суммарный спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов сонаправлены, суммарный спиновый момент равен единице. Принцип Паули запрещает двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в низшем энергетическом состоянии ортогелия, имея одинаковые спины, вынуждены иметь различные главные квантовые числа: один электрон находится на 1s-орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2s-орбитали (состояние оболочки 1s2s). У парагелия оба электрона находятся в 1s-состоянии (состояние оболочки 1s 2 ).

Спонтанный интеркомбинационный (то есть сопровождающийся изменением суммарного спина) переход с излучением фотона между орто- и парагелием чрезвычайно сильно подавлен, однако возможны безызлучательные переходы при взаимодействии с налетающим электроном или другим атомом.

В бесстолкновительной среде (например, в межзвёздном газе) спонтанный переход из нижнего состояния ортогелия 2 3 S₁ в основное состояние парагелия 1 0 S₁ возможен путём излучения одновременно двух фотонов или в результате однофотонного магнитно-дипольного перехода (M1). В этих условиях расчётное время жизни атома ортогелия за счёт двухфотонного распада 2 3 S₁ → 1 0 S₁ + 2 γ составляет 2,49·10 8 с , или 7,9 года [22] . Первые теоретические оценки [23] показывали [24] , что время жизни за счёт магнитно-дипольного перехода на порядки больше, то есть что доминирует двухфотонный распад. Лишь через три десятилетия, после неожиданного открытия запрещённых триплетно-синглетных переходов некоторых гелиеподобных ионов в спектрах солнечной короны [25] было обнаружено [26] , что однофотонный магнитно-дипольный распад 2 3 S₁-состояния значительно более вероятен; время жизни при распаде по этому каналу составляет «всего» 8·10 3 с [27] .

Следует отметить, что время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 2 0 S₁ также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход 2 0 S₁ → 1 0 S₁ + γ [28] , а для двухфотонного распада время жизни составляет 19,5 мс [22] .

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0 °C , 10,10 при 80 °C ), в этаноле — 2,8 мл/л ( 15 °C ), 3,2 мл/л ( 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 ( 4 He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17 K ). 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 (т. н. эффект суперсолид) при исследовании его в торсионном осцилляторе. Однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления.

Изотопы

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4 He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого 3 He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьироваться в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.

Получение

В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» [29] 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 (0,15-1 % об.), 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. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³.

В 2003 г. производство гелия в мире составило 110 млн м3, в том числе в США — 87 млн м3, Алжире — 16 млн м3, России — более 6 млн м3, Польше — около 1 млн м3. [30]

Транспортировка

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и т. п. светло-серого цвета объёмом 10, 25, 40, 250 и 500 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Применение

Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве:

в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов [источник не указан 214 дней]
в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE939, в качестве пропеллента и упаковочного газа
используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли и аэростаты) — при незначительной по сравнению с водородом потере в подъемной силе гелий в силу негорючести абсолютно безопасен
в дыхательных смесях для глубоководного погружения (см. Баллон для дайвинга)
для наполнения воздушных шариков и оболочек 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
нуклид 3 He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
нуклид 3 He является перспективным топливом для термоядерной энергетики

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов. При помощи гелиевой съёмки [31] можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов. Гелий, как продукт распада радиоактивных элементов, насыщающих верхний слой земной коры, просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Это явление было впервые установлено советским геофизиком И. Н. Яницким во время поисков урановых руд. Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов [32] .

В астрономии

В честь гелия назван астероид (895) Гелио (англ.) русск. , открытый в 1918 году.

Биологическая роль

На данный момент биологическая роль не выяснена.

Физиологическое действие

Хотя инертные газы обладают наркозным действием, это воздействие у гелия и неона при атмосферном давлении не проявляется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД) [33] .

Вдыхание гелия вызывает кратковременное повышение тембра голоса (обратное эффекту вдыхания ксенона).

Стоимость

В 2009 г. цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 2,5—3 $/м³ [34] .
В 2010 г. цена в Европе на сжиженный гелий была около 11 евро за литр. В 2012 году — 23 евро за литр

Интересные факты

См. также

Гелий-3 — лёгкий нерадиоактивный изотоп гелия.
Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия 3 He
Гелиеметрия — наука, изучающая прохождение гелия через различные среды.
Жидкий гелий
Твёрдый гелий

Примечания

↑ 123Size of helium in several environments (англ.) . www.webelements.com. Проверено 10 июля 2009.
↑ 12345Соколов В. Б. Гелий // Химическая энциклопедия / гл. редактор Кнунянц И. Л.. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 513-514. — ISBN 5-85270-008-8.
↑Kochhar, R. K.French astronomers in India during the 17th – 19th centuries (англ.) // Journal of the British Astronomical Association. — 1991. — Т. 101. — № 2. — С. 95-100.
↑ 1234567Финкельштейн Д.Н. Глава II. Открытие инертных газов и периодический закон Менделеева // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М .: Наука, 1979. — С. 40-46. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
↑Aaron John Ihde. Chapter 14. Inorganic chemistry I. Fundamental developments // The development of modern chemistry. — Изд. 2-е. — М .: Courier Dover Publications, 1984. — С. 373. — 851 с. — ISBN 0486642356
↑ 1234Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Глава первая. Открытие. Происхождение. Распространенность. Применение // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М .: Атомиздат, 1972. — С. 3-13. — 352 с. — 2400 экз.
↑Бронштейн М.П. Солнечное вещество // Солнечное вещество; Лучи икс; Изобретатели радиотелеграфа. — М .: ТЕРРА – Книжный клуб, 2002. — 224 с. — (Мир вокруг нас). — ISBN 5-275-00531-8
↑ 12345Финкельштейн Д.Н. Глава V. Гелий // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М .: Наука, 1979. — С. 111-128. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
↑Капица, П.Л.Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point (англ.) // Nature. — 1938. — Т. 141. — P. 74.
↑«Свойства жидкого гелия» (П. Л. Капица)
↑Helium: geological information (англ.) . www.webelements.com. Проверено 11 июля 2009.
↑Хокинг С., Млодинов Л. Глава восьмая. Большой взрыв, черные дыры и эволюция Вселенной // Кратчайшая история времени. — СПб: Амфора. ТИД Амфора, 2006. — С. 79-98. — 180 с. — 5000 экз. — ISBN 5-367-00164-5
↑Вайнберг С. V. Первые три минуты // Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. — Изд. 2-е. — Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2000. — С. 105-122. — 272 с. — 1000 экз. — ISBN 5-93972-013-7
↑ 12345Финкельштейн Д.Н. Глава IV. Инертные газы на Земле и в космосе // Инертные газы. — Изд. 2-е. — М .: Наука, 1979. — С. 76-110. — 200 с. — («Наука и технический прогресс»). — 19 000 экз.
↑Abundance in Earth’s crust (англ.) . www.webelements.com. Проверено 11 июля 2009.
↑Фаустовский В. Г., Ровынский А. Е. Петровский Ю.В. Инертные газы. — Изд. 2. — М .: Атомиздат, 1972. — 352 с.
↑Л.Паулинг Природа химической связи / перевод с англ. М.Е.Дяткиной, под ред. проф. Я.К.Сыркина. — М.-Л.: ГНТИ Химической литературы, 1947. — С. 262. — 440 с.
↑Успехи физических наук
↑Эксимерные лазеры
↑ W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
↑Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. — М.-Л.: Издательство физико-математической литературы, 1963. — С. 69-71. — 640 с.
↑ 12 G. W. F. Drake, G. A. Victor, A. Dalgarno. Two-Photon Decay of the Singlet and Triplet Metastable States of Helium-like Ions. Phys. Rev. 180, 25-32 (1969).
↑ G. Breit and E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
↑ R.D.Knight. Lifetime of the Metastable 2 3 S₁ State in Stored Li + Ions. — Ph.D.Thesis. Lawrence Berkeley Laboratory. — 1979. — 136 с.
↑ A.H. Gabriel and C. Jordan. Long Wavelength Satellites to the He-like Ion Resonance Lines in the Laboratory and in the Sun. Nature 221, 947 (1969).
↑ H.R. Griem, Spontaneous single-photon decay of 2 3 S₁ in Helium-like ions. Astrophys. J. 156, L103 (1969).
↑ G. Feinberg, J. Sucher. Calculation of the Decay Rate for 2 3 S₁ → 1 1 S₀ + One Photon in Helium. Phys. Rev. Lett. 26, 681—684 (1971).
↑ Это легко объяснимо из соображений симметрии. Как начальное, так и конечное состояние атома сферически симметричны и не имеют выделенного направления — оба электрона находятся в s-состоянии, и сумммарный спиновый момент также нулевой. Излучение фотона с определённым импульсом требует нарушения этой симметрии.
↑Основным поставщиком гелия являлся ОГЗ
↑Сырьевая база и перспективы развития гелиевой промышленности России и мира
↑Helium studies confirm presence of oil on the Aysky block in Russia
↑Государственный реестр открытий СССР. Яницкий И. Н. Научное открытие № 68 «Закономерность распределения концентрации гелия в земной коре»
↑Павлов Б.Н.Проблема защиты человека в экстремальных условиях гипербарической среды обитания (рус.) . www.argonavt.com (15 мая 2007). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011.Проверено 6 июля 2009.
↑http://www.ngtp.ru/rub/3/15_2009.pdf Нефтегазовая технология. Теория и практика. 2009 (4) ISSN 2070-5379.
↑Книга рекордов Гиннесса для химических веществ

Ссылки

Гипотетические: 2 He: Гелий-2 (Дипротон)

Нестабильные (менее суток): 5 He: Гелий-5, 6 He: Гелий-6, 7 He: Гелий-7, 8 He: Гелий-8, 9 He: Гелий-9, 10 He: Гелий-10

Источник статьи: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/562

118 элементов. Глава вторая. Шесть «нобелевок» за гелий

Стандартная атомная масса: 4.002602

Температура плавления: 0.95 К (при 2.5 МПа)

Температура кипения: 4.222 К

Плотность при стандартных условиях: 0.1786 г/л

Скорость звука в гелии: 972 м/с (газ при 27 °C)

Число стабильных изотопов: 2

Кристаллическая решётка: гексагональная плотноупакованная

Если спросить, какой элемент самый космический, то придется честно ответить: «гелий». Мало того, что гелий, наряду с водородом, образовался в Большом взрыве (впрочем, значительная часть его образовывалась уже позже, в термоядерных реакциях в звездах), мало того, что он – один из двух элементов, которые астрофизики считают неметаллами (у тех, кто изучает звезды и галактики, все, что тяжелее водорода и гелия – металлы, будь то железо, будь то углерод с азотом), так это еще и единственный элемент, который был впервые открыт не на Земле. Но обо всем по порядку.

Началось все в 1868 году с путешествия Пьера Жюля Сезана Жансена в индийский город Гунтур. Жансен не был химиком и не был путешественником. Его манила жажда знаний о Солнце, а именно там 18 августа должно было состояться полное солнечное затмение. Погода не подвела – и астроном увидел солнечную корону, впервые исследовав ее спектр. Ему так понравилось, что он сумел настроить спектроскоп так, чтобы снимать спектр солнечной короны и просто при ярком солнце.

Он ожидал увидеть (и увидел) в спектре Солнца линии хорошо известного водорода. Синяя, цвета морской волны и красная. Но кроме нее, ярко сияла еще одна – желтая. Натрий? Так подумал Жансен и сразу же написал свое письмо во Французскую академию наук.

Шли дни, недели, месяцы. Шло письмо. 20 октября уже британский астроном Норман Локьер догадался, что можно изучать спектр Солнца без затмения, и тоже увидел желтую линию с длиной волны 587,56 нм. Натрий? Но нет, у натрия длины волн линий D₁ (589,59 нм) и D₂ (588,99 нм) – другие. Значит, на Солнце мы видим новый, неведомый доселе элемент. Локьер тоже пишет спешное письмо в Париж – и оно… приходит на пару часов раньше письма Жансена. Впрочем, академики поделили приоритет меж учеными и даже постановили отчеканить медаль с изображениями Локьера, Жансена и Аполлона.

Однако на Земле гелий долго не попадался. Конечно, Луиджи Пальмьери вроде бы открыл в вулканических фумаролах (дымящихся трещинах на склонах вулкана) гелий, но именно что «вроде бы», так что никто ему не поверил. Интерес к гелию спадал – может быть, потому, что тогда еще не присуждали Нобелевских премий.

Гелий, пожалуй, можно считать рекордсменом среди элементов по Нобелевским премиям. Минимум пять премий в разное время оказались непосредственно связаны с этим простым веществом (и еще одна – с гелием как с элементом).

Пришлось ждать 1894 года и триумфа физика Джона Стретта, лорда Рэлея и химика Уильяма Рамзая из клана Рамзаев. В том году они открыли в воздухе инертный газ аргон, который никак не вписывался в периодическую систему элементов. Рэлей совершил открытие, заслужил «нобелевку» и отправился к себе в имение, заниматься физикой, а вот Рамзай почуял, что тема инертных газов никак не закрыта.

В конце года Рамзай узнал, что американский геолог Уильям Хиллебранд получил путем нагревания нескольких минералов газ. Хиллебранд считал, что он выделил азот. Рамзай взялся установить, есть ли в этом азоте аргон. Ведь это означало бы, что аргон входит не только в состав атмосферы, но и, как и кислород и азот, в состав земной коры. И начал работать с минералом клевеитом. Спектральный анализ выделенного газа показал, что в «минеральном» азоте есть гелий и следы аргона. Рамзай смог показать, что гелий, который впервые попал в руки ученых, такой же инертный газ, как и аргон. Он сделал вывод, что им открыта новая группа Периодической таблицы Менделеева. Но тогда, значит, должны быть и другие элементы. В итоге Дмитрию Ивановичу придется вводить новый столбец в свою таблицу, а Рамзай войдет в историю, как единственный человек, полностью заполнивший всю группу таблицы Менделеева – от гелия до радона.

Образец клевеита, из которого был получен первый земной гелий

Гелий оказался очень непростым простым веществом. Во-первых, никому поначалу не удавалось его сжижить – даже самому Джеймсу Дьюару. Только Хейке Камерлинг-Оннес, «господин абсолютный ноль» сумел добраться до температуры в четыре градуса Кельвина, получить жидкий гелий, попутно открыть сверхпроводимость и получить Нобелевскую премию по физике. Но и он сломался на твердом гелии – хотя и достиг температуры в 1 кельвин.

Первое сообщение о получении твердого гелия сделал ученик Оннеса Виллем Хендрик Кеезом, который сумел отвердить кубический сантиметр гелия, только добавив давление в 35 атмосфер и охлаждая сжимаемый гелий кипящим в вакууме жидким гелием же.

Кеезом же заметил и странное изменение в свойствах жидкого гелия. Вот как описывал это изменение наш соотечественник, сыгравший важнейшую роль в изучении гелия и получивший за это Нобелевскую премию, Петр Леонидович Капица:

«При температуре ожижения — 4 К — он представляет собой жидкость малого удельного веса, раз в пять легче воды, очень прозрачную, с очень малым коэффициентом преломления, вследствие чего его трудно видеть: нужно приноравливаться, чтобы заметить, наполнен ли сосуд жидким гелием или нет. Когда на жидкий гелий смотрят, на него падает свет и он непременно будет кипеть. То количество света, которое проходит через прозрачный дьюаровский сосуд и падает на него, сообщает ему достаточное тепло, чтобы привести его в состояние кипения. Но при дальнейшем понижении температуры все эти явления внешне пропадают. Поверхность гелия становится гладкой, как зеркало. Его еще труднее заметить, потому что по пузырькам вы его видите лучше».

Оказалось, что в этот момент происходит фазовый переход из гелия I в гелий II. Следующий шаг в изучении свойств гелия сделал именно Капица, получивший премию только в 1978 году за фундаментальное открытие и филигранный эксперимент. Капица продолжил эксперименты Кеезома. Вот как он сам описывал свое открытие:

«Распространение тепловых волн оказалось исключительно быстрым как раз там, где, казалось, меньше всего можно было бы ждать теплового движения. Кеезом нашел, что жидкий гелий сверхтеплопроводен.
Мы заинтересовались этим явлением. Нам показалось, что, может быть, это ошибка. Но я повторил опыты Кеезома и получил еще большие значения теплопроводности, чем сам Кеезом. Можно было показать, что такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. А скорость звука в гелии известна — она равна 250 м/с.
С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение. И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, т.е. передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально – конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим.
Были сделаны эксперименты измерения вязкости — величины, обратной текучести. Чтобы гелий был сверхтекучим, необходимо, чтобы его вязкость была мала. Для того чтобы измерить такую малую вязкость, нужно было придумать исключительно тщательную технику эксперимента. Оказалось, что нужно пропускать гелий не в капилляре, а через щель, ширина которой равна долям микрона. Если бы гелий легко протекал через такую щель, он был бы сверхтекучим. Оказалось, что через эти тонкие щели гелий протекает так же легко, как и через большие отверстия. Есть формула Бернулли, в которую не входит вязкость, применимая к идеальной жидкости. Гелий оказался такой идеальной жидкостью. Можно было обнаружить только предел вязкости 10 -11 П. Если вязкость воды равняется 10 -2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода. И при этом наши измерения были лишь техническим пределом, за которым гелий мог быть еще менее вязким».

Оказалось, что в этом состоянии гелий способен самостоятельно выбираться по стенкам из емкости и просачиваться в самую тонкую щель.

И тут нужно сделать лирическое отступление. Верно говорят, что для того, чтобы получить «нобелевку», мало сделать великое открытие, нужно еще и жить достаточно долго. Говорят, что Нильс Бор трижды номинировал Капицу на премию, но безуспешно, а Лев Ландау получил премию за объяснение сверхтекучести гелия задолго до Капицы. Еще стоит отметить и то, что премию Петр Леонидович получил ровно через 40 лет после статьи в Nature о сверхтекучести. Два других исследователя, открывших сверхтекучесть независимо от Ландау, Аллен и Майзнер, продолжившие его работы в Мондовской лаборатории и опубликовавшие результаты своих исследований в том же номере журнала, до премии просто не дожили. Потом он потроллит Нобелевский комитет в Нобелевской лекции, заявив, в переводе на смысл: «Ребятки, я 40 лет ждал премии и уже давно забыл все про сверхтекучесть, да мне это и неинтересно. Поэтому слушайте про термоядерный синтез!».

Так что давайте посчитаем: премии по химии 1904 года (Рамзай), по физике1913 года (Камерлинг-Онесс), 1978 года (Капица) – про них мы говорили подробно, а также премия 1962 года Льву Ландау – за работы по теории сверхтекучего гелия, премия 1996 года – американцам Дэвиду Ли, Дугласу Ошерову и Роберту Ричардсону за открытие сверхтекучести изотопа гелий-3, а также премия 2003 года «нашим» Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу и англо-американцу Энтони Легетту – снова за работы по сверхтекучим жидкостям и сверхпроводимости. Неплохо для элемента, который до самого последнего времени вообще не вступал ни в какие реакции.

Впрочем, применение гелию всегда находилось. Во-первых, это, естественно, работы по сверхпроводимости – только жидкий гелий может охладить до нужных температур большинство сверхпроводников. Поэтому чуть ли не половина современной добычи гелия идет на охлаждение магнитов томографов МРТ. А вот в 1920-х годах основное применение гелия было совсем другим: им наполняли дирижабли. В США гелий, как более безопасный, чем водород, газ, был признан специальным актом 1925 года стратегическим сырьем. Кстати, любопытный факт: почти весь гелий в нашей атмосфере и в земной коре – не «солнечный», а чисто земной. Атмосферные запасы пополняются распадом урана-238.

Крупнейший американский дирижабль “Акрон”, наполненный гелием

Наконец, нужно не забывать, что впервые выделенные Резерфордом альфа-частицы – это ядра гелия. Так что гелий в виде ядер активно служит как науке, так и медицине: альфа-источники радиации очень ценны в лечении рака.

Ну и напоследок нужно сказать, что уже в XXI веке «благородность» гелия таки удалось сломать. И сделала это группа нашего соотечественника Артема Оганова, который создал алгоритм предсказания новых химических веществ USPEX.

«У меня необычный аспирант из Китая — Дун Сяо, он получил правительственную стипендию и работал в моей лаборатории два года, — рассказывал корреспонденту издания Indicator.Ru Артем Оганов об истории этого открытия. — Я тогда еще жил и работал в Америке. Это очень талантливый и необычно мыслящий человек. Он увлекся развиваемой нами идеей о том, что под давлением химия выходит за рамки привычного и образуются соединения, которых в рамках классической химии быть не должно. Одно из традиционных утверждений состоит в том, что гелий не образует устойчивых химических соединений, и Дун Сяо решил это проверить. Я ему посоветовал начать с самых электроотрицательных элементов — фтора и кислорода. Фтор образует устойчивые соединения с другим инертным газом, ксеноном, уже при обычных давлениях. Но оторвать электроны у гелия оказалось гораздо сложнее, чем у ксенона, и устойчивых соединений гелия с фтором не оказалось даже при очень высоких давлениях. На этом можно было поставить точку, и я сказал Сяо, что гелий, видимо, действительно не образует устойчивых соединений ни с какими элементами, и можно переключиться на другие исследования. Как выяснилось позже, Сяо меня не послушал. Мой аспирант оказался упрямым и, не говоря мне ни слова, стал пробовать атомы разных металлов. Перепробовав множество элементов и не найдя никаких стабильных соединений с гелием при экспериментально достижимых давлениях, спустя месяц он дошел до натрия. Его расчеты показали, что при не очень высоких давлениях должно быть стабильным соединение состава Na₂He».

Предсказания аспиранта Оганова подтвердили экспериментаторы. О получении первого «настоящего» соединения гелия сообщили в журнале Nature Chemistry.

Как сообщает первый соавтор исследования, Сяо Дун, который во время проведения работы был аспирантом в лаборатории Артема Оганова, «открытое соединение весьма необычно: хотя атомы гелия напрямую не участвуют в химической связи, их присутствие фундаментально меняет химические взаимодействия между атомами натрия, способствуя сильной локализации валентных электронов, что делает полученный материал изолятором».

Структура соединения натрия и гелия

Кто знает, может быть когда-нибудь и «нобелевка» Оганова пополнит набор «гелиевых премий»?

На этом история изучения гелия не заканчивается. В мае 2018 года планетарный гелий вышел за пределы Солнечной системы: астрономы зарегистрировали выбросы гелия из атмосферы экзопланеты WASP-107b. Это первый случай обнаружения второго элемента таблицы Менделеева в атмосфере экзопланеты. Об открытии ученые рассказали в статье, появившейся на страницах журнала Nature.

Как водится с любым химическим элементом, о гелии можно продолжать и продолжать рассказывать. Можно говорить о гелии в составе дыхательных смесей для астронавтов (и о том, как смешно коверкает голос гелий за счет того, что в нем скорость звука втрое больше, чем в воздухе). Можно – о гелии-3 как потенциальном топливе для термоядерных электростанций. О многом можно… Но мы найдем в себе силы поставить точку – и начать готовить материал об элементе номер три.

Источник статьи: http://mendeleev.info/elements/118-elementov-glava-2-gelij-znachit-solnechnyj/

Гелий

Название, символ, номер Гелий/Helium (He), 2 Атомная масса
(молярная масса) 4,002602 ± 0,000002 а. е. м. (г/моль) Электронная конфигурация 1s 2 Радиус атома ? (31) пм Ковалентный радиус 28 пм Радиус иона 93 пм Электроотрицательность 4,5 (шкала Полинга) Электродный потенциал 0 Степени окисления 0 Энергия ионизации
(первый электрон) 2361,3(24,47) кДж/моль (эВ) Плотность (при н. у.) 0,147 г/см 3 (при −270 °C);
0,00017846 (при +20 °C) г/см³ Температура плавления 0,95 K (-272,2 °C, -457,96 °F) (при 2,5 МПа) Температура кипения 4,2152 K (-268,94 °C, -452,08 °F) (для 4 He) Уд. теплота плавления 0,0138 кДж/моль Уд. теплота испарения 0,0829 кДж/моль Молярная теплоёмкость 20,79 Дж/(K·моль) Молярный объём 31,81 см³/моль Структура решётки гексагональная Параметры решётки a =3,570 Å; c =5,84 Å Отношение c/a 1,633 Теплопроводность (300 K) 0,152 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-59-7

Гелий (He, лат. helium ) — химический элемент 18-й группы периодической системы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы VIII группы) первого периода системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2. Возглавляет группу инертных газов.

Как простое вещество представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

По распространённости во Вселенной занимает второе место после водорода и является вторым по лёгкости, также после водорода, химическим веществом. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой.

Содержание

История открытия

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день 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. Жансен немедленно написал об этом во Французскую академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.

Спустя два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно — 587,56 нм ), он обозначил её D₃, так как она была очень близко расположена к фраунгоферовым линиям D₁ ( 589,59 нм ) и D₂ ( 588,99 нм ) натрия. Спустя два года Локьер совместно с английским химиком Эдуардом Франклендом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце»).

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещёнными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога света Аполлона, правящего в колеснице четвёркой коней, скачущей во весь опор.

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмьери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах фумарол. Он исследовал светло-жёлтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмьери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Учёные круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмьери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарольных газов действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона.

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D₃ гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента.

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а ещё через два года Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере.

Ещё 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.

Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий. Он использовал дросселирование (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлаждён в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий ещё долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K , которую достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы.

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением, и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название « λ -точка». Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее, — 2,172 K . В λ -точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ -точки существует так называемый гелий-I, а ниже её — гелий-II.

… такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим.
… Если вязкость воды равняется 10⋅10 −2 П , то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …