ГЕЛІЙ

Helium

2 Гелій
He 4,0026
1s2

Гелій утворює просту речовину гелій – He.

 

 

 

 

 

 

Гелій запаяний в скляній ампулі світиться під дією сильного електричного поля.

 

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ.

 

П'єр Жюль Сезар Жансен

(1824–1907)

Джозеф Норман Лок'єр

(1836–1920)

 

В 1868 р. французький астроном Жансен спостерігав в Індії повне сонячне затемнення і досліджував спектри  хромосфери сонця. Він виявив у спектрі сонця яскраву жовту лінію, позначену ним D3, котра не співпадала з жовтою лінією D натрію. Одночасно з ним цю ж лінію в спектрі сонця побачив англійський астроном Локьєр, який зрозумів, що вона належить невідомому елементу. Локьер разом із Франкландом, у котрого він тоді працював, вирішив назвати новий елемент Гелієм (від грец. гелиос - сонце). Пізніше нова жовта лінія була виявлена іншими дослідниками у спектрах "земних" продуктів; так, в 1881 г. італієць Пальмієрі виявив її при дослідженні проби газу, відібраного в кратері Везувія. Американський хімік Гіллебранд, досліджуючи уранові мінерали, встановив, що вони при дії концентрованої сульфатної кислоти виділяють гази. Сам Гіллебранд вважав, що це азот. Рамзай, звернувши увагу на повідомлення Гіллебранда, піддав спектроскопічному аналізу гази, що виділяються при обрабці кислотою мінералу клевеїту. Він виявив, що в газах містяттся азот, аргон, а також невідомий газ, який утворює яскраву жовту лінію. Не маючи доступу до достатньо хорошого спектроскопу, Рамзай відіслав проби нового газу Круксу і Локьєру, котрі ідентифікували газ як гелій. В тому ж 1895 г. Рамзай виділив гелій із суміші газів; він виявився хімічно інертним, подібно до аргону. Незабаром після цьго Локьєр, Рунге и Пашен виступили із заявою, що гелій складається із суміші двох газів - ортогелій и парагелій; один із них дае жевту лінію спектру, інший - зелену. Цей другий газ вони запропонували назвати астерієм (Asterium) от греч. - зоряний. Спільно із Траверсом Рамзай перевірив це твердження й довів, що воно помилкове, так як колір лінії гелію залежить від тиску газу.

 

Уільям Рамзай

(1852–1916)

Лауреат Ноберівської премії в хімії за 1904 р.

 

Повне затемнення сонця.

 

Спектральні лінії гелію.

 

Вулкан Везувій. Італія.

 

Мінерал клевеїт.

 

Локк'єр дав гелію ім'я, що відображає історію його відкриття (від грец. ἥλιος — сонце). Оскільки Локк'єр вважав, що виявлений елемент — метал, він використовував в латинській назві елементу закінчення «ium» (відповідає українському закінченню «ій»), яке зазвичай уживається в назві металів. Таким чином, гелій задовго до свого відкриття на Землі отримав ім'я, яке закінченням відрізняє його від назв решти інертних газів.

Нобелівська премія з хімії 1904 присуджена Серу Вільяму Рамзаю знак визнання його заслуг у відкритті інертних газоподібних елементів у повітрі, і визначення їх місця в періодичній системі".

 

ПОШИРЕННЯ У ПРИРОДІ.

Серед усіх елементів гелій посідає друге місце за поширеністю у Всесвіті після водню — біля 23% за масою. Проте на планетах земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) гелію мало. Практично весь гелій Всесвіту утворився в перші кілька хвилин після Великого Вибуху в ході реакцій первинного нуклеосинтезу. В сучасному Всесвіті майже весь новий гелій утворюється в результаті термоядерного синтезу з водню в надрах зірок. На Землі він утворюється в результаті альфа-розпаду важких елементів — урану і торію. Частина гелію, що виник у результаті альфа-розпаду і мігрує крізь породи земної кори, захоплюється природним газом, концентрація гелію в якому може сягати до 8—16 % об.

Гелій утворюється з водню внаслідок термоядерної реакції. Саме термоядерні реакції є джерелом енергії для нашого Сонця та багатьох мільярдів інших зірок.

 

Ядерні процеси на сонці.

 

Гелій також присутній в різних середовищах планет:

Нептун 19% ± 3,2%

Уран 15,2% ± 3,3%

Юпітер 10,2%

Меркурій 6%

Сатурн 3,25%

Венера 12 ppm

Земля 5,2 ppm

 

У зовнішніх газових шарах Нептуна вміст Гелію складає близько 19%.

 

Серед елементів восьмої групи гелій за кларком в земній корі посідає друге місце (після аргону). Вміст гелію в атмосфері Землі (утворюється в результаті радіоактивного розпаду Ac, Th, U) — 5,27×10-4 % об. і 7,24×10-5 % за масою. Запаси гелію в атмосфері, літосфері і гідросфері Землі оцінюються у 5×1014 м3.

Гелій в природному газі міститься в концентраціях як правило до 2% об. Дуже рідко зустрічаються скупчення природних газів, в яких вміст гелію сягає 8-16% об. Максимальна концентрація гелію відмічається в уран- і торійвмісних мінералах: клевеїті, фергюсоніті, самарскіті, гадолініті, монациті (монацитові піски в Індії і Бразилії), торіаніті — від 0,8 до 10,5 л/кг. Всі природні гази, які містять гелій в концентраціях більших за 0,02% поділяються на чотири групи:

а) бідні — концентрація гелію 0,02-0,05%;

б) багаті — 0,05-0,30%;

в) дуже багаті — 0,30-1,0%;

г) унікально багаті — >1,0%.

 

ОДЕРЖАННЯ.

В даний час гелій виділяють з природних газів, користуючись методом глибокого охолоджування (гелій зріджується важче за решту газів). Охолодження здійснюють дроселюванням в декілька стадій очищуючи гелій від CO2 та вуглеводнів. В результаті отримується суміш гелию, неону та водню. Цю суміш, тобто сирий гелій, (He — 70-90 % об.) очищають від водню (4-5 %) за допомогою CuO при 650—800 К. Кінцева очистка досягається охолодженням суміші, що залишилась, киплячим під вакуумом N2 і адсорбцією домішок на активованому вугіллі в адсорберах, що також охолоджуються рідким N2. Виробляють гелій Технічної чистоти (99,80 % за об’ємом гелій) та високої чистоти (99,985 %).

Родовища таких газів є в Росії, США, Канаді і ПАР. Гелій міститься також в деяких мінералах (монациті, торіаніті й інших), при цьому з 1 кг мінералу при нагріванні можна виділити до 10 л гелію.

 

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Проста речовина гелій - нетоксична, не має кольору, запаху і смаку. При нормальних умовах являє собою одноатомний газ. Його точка кипіння (T = 4,215 K для 4He) найменша серед всіх простих речовин; твердий гелій отриманий лише при тисках вище 25 атмосфер - при атмосферному тиску він не переходить в тверду фазу навіть при вкрай близьких до абсолютного нуля температурах. Екстремальні умови також необхідні для створення нечисленних хімічних сполук гелію, всі вони нестабільні при нормальних умовах.

При пропусканні струму через заповнену гелієм трубку спостерігаються розряди різних кольорів, що залежать головним чином від тиску газу в трубці. Зазвичай видиме світло спектра гелію має жовте забарвлення. У міру зменшення тиску відбувається зміна кольорів - рожевого, оранжевого, жовтого, яскраво-жовтого, жовто-зеленого та зеленого. Це пов'язано з присутністю в спектрі гелію декількох серій ліній, розташованих в діапазоні між інфрачервоної та ультрафіолетової частинами спектра, найважливіші лінії гелію у видимій частині спектру лежать між 706,52 нм і 447,14 нм. Зменшення тиску призводить до збільшення довжини вільного пробігу електрона, тобто до зростання його енергії при зіткненні з атомами гелію. Це призводить до переведення атомів у збуджений стан з більшою енергією, внаслідок чого і відбувається зміщення спектральних ліній від інфрачервоного до ультрафіолетового краю.

 

Розрядна трубка з гелієм

 

Гелій менш розчинний у воді, ніж будь-який інший відомий газ. В 1 л води при 20 ° C розчиняється близько 8,8 мл (9,78 при 0 ° C, 10,10 при 80 ° C), в етанолі - 2,8 (15 ° C), 3,2 (25 ° C). Швидкість його дифузії крізь тверді матеріали в три рази вище, ніж у повітря, і приблизно на 65% вище, ніж у водню.

Для транспортування газоподібного гелію використовуються сталеві балони коричневого кольору, що поміщаються в спеціалізовані контейнери. Для перевезення можна використовувати всі види транспорту при дотриманні відповідних правил перевезення газів.

 

Балони з гелієм.

 

Гелій може бути перетворений на рідину при розширювальному охолодженні. Таке охолодження проводиться за допомогою детандера.

 

Зріджувач гелію (детандер) потужністю 700 л / год створений в НВО "Геліймаш". Оренбурзький газопереробний завод.

 

Рідкий гелій це безбарвна прозору рідина, що кипить при атмосферному тиску при температурі 4,2 К (рідкий 4Не). Густина рідкого гелію при температурі 4,2 К становить 0,13 г/см3. Має малий коефіцієнт заломлення, через що його важко побачити. При нормальному тиску гелій не твердне навіть при дуже низькій температурі. Твердий гелій в α-фазі вдається отримати лише при тиску вище 25 атм.

У 1908 році Х. Камерлінг-Оннес вперше зміг отримати рідкий гелій. Кеєзом також відкрив наявність фазового переходу гелію-4 (4He) при температурі 2,17 K; назвав фази гелій-I і гелій-II (нижче 2,17 K). У 1938 році П. Л. Капіца виявив, що у гелію-II відсутня в'язкість (явище надтекучості). За що отримав нобелівську премію з фізики в 1978 р. В гелію-3 надтекучість виникає лише при температурах нижче 0,0026 К.

 

Петро Леонідович Капіца про своє відкриття.

 

Рідкий гелій - квантова рідина (бозе-рідина), тобто рідина, в макроскопічному обсязі якої проявляються квантові властивості складових її атомів. Квантові ефекти істотні при дуже низьких температурах.

Вище температури 2,17 К 4Не поводиться як звичайна кріорідина, тобто кипить, виділяючи бульбашки газу. При досягненні температури 2,17 К (при тиску парів 0005 МПа - так звана λ-точка) рідкий 4Не зазнає фазовий перехід другого роду, що супроводжується різкою зміною ряду властивостей: теплоємності, в'язкості, щільності та ін У рідкому гелії при температурі нижче температури переходу одночасно співіснують 2 фази, Не I і Не II, які сильно відрізняються за властивостями.

 

Рідкий гелій.

Гелій II

Фазовий перехід в гелії добре помітний, він проявляється в тому, що кипіння припиняється, рідина стає повністю прозорою. Випаровування гелію, звичайно, триває, але воно йде виключно з поверхні. Різниця в поведінці пояснюється надзвичайно високою теплопровідністю надтекучої фази (в багато мільйонів разів вище, ніж в Не I). При цьому в'язкість нормальної фази залишається практично незмінною.

Для Не II характерна надтекучість - здатність протікати без тертя через вузькі (діаметром менше 100 нм) капіляри і щілини. Відносний вміст Не II зростає з пониженням температури і досягає 100% при абсолютному нулі температури - з цим були пов'язані спроби отримання наднизьких температур пропусканням рідкого гелію через дуже тонкий капіляр, через який пройде тільки надтекуча компонента. Однак, надтекуча компонента не може переносити тепло. Цю властивість відкрито в 1938 році П. Л. Капіцею.

 

Надтекучість рідкого гелію. Гелій "виповзає" по стінках із посудини.

 

ДРУГИЙ ЗВУК.

 

Гелій III

Рідкий гелій-3 це квантова фермі-рідина. У таких системах надплинність може здійснюватися лише за певних умов.

Надтекучість такого роду здійснюється для електронів в деяких металах і носить назву надпровідності. Аналогічна ситуація має місце в рідкому 3He. Властивості фермі-рідини можна описати як властивості газу квазічастинок-ферміонів з ефективною масою приблизно в 3 рази більшою, ніж маса атома 3He. Сили притягання між квазічастинками в 3He дуже малі, лише при температурах порядку декількох мК в 3He створюються умови для виникнення надтекучості. Відкриттю надтекучості у 3He сприяло освоєння ефективних методів отримання низьких температур - ефекту Померанчука і магнітного охолодження. З їх допомогою вдалося з'ясувати характерні особливості діаграми стану 3He при наднизьких температурах.

 

При температурі 2.1768 K рідкий гелій переходить у стан, в якому втрачає в'язкість. Такий стан називається надплинним або станом гелію II. В надплинному стані гелій має низку цікавих властвостей, наприклад, повзе вгору стінками посудини, тягнеться до джерела тепла тощо.

 

Рідкий гелій при температурі 4,2 К і тиску 1 атм кипить повільно.

 

λ-точка переходу: як рідина охолоджується до 2,17 К, кипіння стає сильніше на мить, а потім, повністю припиняється. В надтекучому стані, теплопровідність дуже велика. Це викликає нагрівання в товщі рідини, яке передається на поверхню так швидко, що випаровування відбувається тільки на вільній поверхні рідини, отже, бульбашок газу в рідині утворюється.

 

Надтекуча фаза при температурі нижче 2,17 К (без видимого кипіння).

 

Рідкий гелій перевозять в спеціальних транспортних посудинах (Посудина Дьюара) типу СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 і СТГ-100 світло-сірого кольору об'ємом 10, 25, 40 і 100 літрів відповідно. При виконанні певних правил транспортування може використовуватися залізничний, автомобільний та інші види транспорту. Посудини з рідким гелієм повинні транспортуватися і зберігатися у вертикальному положенні.

Гелій в посудинах Дьюара завжди зберігається під невеликим тиском, за рахунок природного випаровування рідини - це дозволяє в разі невеликої негерметичності не допустити забруднення гелію снігом з повітря. Надлишковий тиск стравлюється через клапан. На практиці, так як гелій досить дорогий, то щоб газ не випускати в атмосферу, на головній частині дьюара розміщується сполучна частина для під'єднання дьюара до гелієвої мережі, по якій газоподібний гелій збирається для повторного використання. Як правило, на цьому ж вузлі кріпиться манометр для контролю тиску і аварійний клапан.

Гелієві дьюари перевертати не можна, для переливання вмісту застосовують спеціальні сифони.

Гелій має дуже низьку теплоту випаровування (в 20 разів менше, ніж у водню), але зате високу теплопровідність. Тому до якості теплоізоляції гелієвих дьюар пред'являються високі вимоги. При пошкодженні вакуумної ізоляції (особливо, якщо у порожнину потрапляє гелій) рідина так бурхливо скипає, що дьюар може лопнути (вибухнути). Як правило, для зниження втрат гелію на випаровування, використовується «азотна сорочка» - безпосередньо в вакуумній порожнини посудини Дюара розташована ще одна оболонка, яка охолоджується киплячим рідким азотом (температура 77К). За рахунок цього вдається істотно скоротити тепловий обмін між гелієм і атмосферою.

 

Дві посудини Дьюара по 250 л з рідким гелієм.

 

Після того, як в 1908 році Хейке Камерлінг-Оннес зумів домогтися конденсації гелію, він спробував отримати твердий гелій. Відкачуванням парів йому вдалося досягти λ-точки (1,4 К). За наступні десять років досліджень вдалося опуститися до 0,8 К, але гелій залишався рідким. І тільки в 1926 р. учень Камерлінг-Оннеса Віллем Хендрік Кеєзом (голанд. Willem Hendrik Keesom) зміг отримати 1 см ³ твердого гелію, використовуючи не тільки низьку температуру, але і високий тиск.

Схема установки отримання твердого гелію (В. Х. Кеєзом)

 

Твердий гелій - кристалічна прозора речовина, причому границю між твердим та рідким гелієм важко виявити, тому що їх рефракції близькі. Густина твердого гелію дуже мала, вона складає 0,187 г/см3 (менше 20% від густини льоду при -273 ° C). Для утворення твердого 3He необхідно ще більш високий тиск (29 атм) і ще більш низька температура (0,3 К). Густина його ще менша.

 

Кристал гелію з бульбашками рідини. Блакитний - колір фону

 

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Гелій - найменш хімічно активний елемент восьмий групи таблиці Менделєєва (інертні гази). Багато сполук гелію існують тільки в газовій фазі у вигляді так званих ексимерних молекул, у яких стійкі збудженні електронні стани і нестійкий основний стан. Гелій утворює двоатомні молекули He2+, фторид HeF, хлорид HeCl (ексимерні молекули утворюються при дії електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання на суміш гелію з фтором або хлором).

Гелій може утворювати такі сполуки з вольфрамом, йодом, фтором, сіркою і фосфором, коли вони піддається впливу електричного тліючого розряду, або ж є плазмою з іншої причини. Сполуки HeNe, HgHe10 і WHe2 та молекулярні іони Не22+ HeH+, і HeD+ були створені таким чином. Цей метод також дозволяє одержання нейтральних Не2 молекул, а також HgHe.

Відома хімічна сполука гелію LiHe7.

Гелій був поміщений всередину порожнистих карбонових молекул (фулеренів) при нагріванні під високим тиском. Ендоедральні молекули, що утворюються стійкі до високих температур. Коли хімічні похідні цих фулеренів утворюються гелій залишається всередині. Хоча атоми гелію не приєднані ковалентними або іонними зв'язками, ці речовини мають різні властивості і певний склад, як і всі стехіометричні хімічні сполуки.

 

        

Структурно-схематична формула та стержнева модель молекули He@C60.

 

ВИКОРИСТАННЯ.

Гелій використовують для створення інертної і захисної атмосфери при зварюванні, різанні і плавці металів, при перекачуванні ракетного палива, для наповнення дирижаблів і аеростатів, як компонент середовища гелій-неонових лазерів, як газ-носій у газовій хроматографії. Гелій-3 використовується для наповнення газових нейтронних детекторів, як робоче тіло гелієвих течошукачів. Рідкий гелій, рідина, яка конденсується при найнижчій температурі, — унікальний холодоагент в експериментальній фізиці, що дозволяє використовувати наднизькі температури в наукових дослідженнях (наприклад, при вивченні електричної надпровідності). Завдяки тому, що гелій дуже погано розчиняється в крові, його використовують як складову частину штучного повітря, що подається для дихання водолазам. Заміна азоту на гелій запобігає кесонній хворобі (при вдиханні звичайного повітря азот під підвищеним тиском розчиняється в крові, а потім виділяється з неї у вигляді бульбашок, які закупорюють дрібні судини).

Гелій - зручний індикатор для геологів. За допомогою гелієвої зйомки можна визначати на поверхні Землі розташування глибинних розломів.

Застосування рідкого гелію

Рідкий гелій використовується для охолодження надпровідних магнітів в сучасних ЯМР томографах      кріорідина для отримання та підтримання низьких і наднизьких температур (в основному в наукових дослідженнях);

 

Рідкий гелій використовується для охолодження надпровідних магнітів в сучасних ЯМР томографах

 

Машина для виявлення промислових витоків, що працює на гелії.

 

Завдяки своїй низькій густині та негорючості, гелій використовують для заповнення дирижаблів, таких як Goodyear.

 

Біологічна роль та фізіологічна дія

На даний момент біологічна роль не з'ясована.

Інертні гази мають фізіологічну дію, яка проявляється в їх наркотичному впливі на організм. Наркотичне вплив гелію неону) при нормальному тиску в дослідах не реєструється, в той час як при підвищенні тиску виникають симптоми «нервового синдрому високого тиску» (НСВТ).  

 

ЗМІНА ЛЮДСЬКОГО ГОЛОСУ.