ГЕЛИЙ, He (helium), химический элемент из семейства благородных (инертных) газов He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, составляющих VIIIA подгруппу в периодической системе элементов, или, как ее еще называют, нулевую группу.
История открытия.
Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «гелиос», что означает солнце. В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что это металл.
только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.
Распространенность в природе.
Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий – основной компонент звездной материи. В результате углеродного цикла (сложная цепь ядерных реакций), впервые изученного Х.Бете в 1939, водород в звездном веществе превращается в гелий, при этом происходит значительное выделение энергии (см. также ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В земной атмосфере гелий составляет всего 0,0005% об., так как он чрезвычайно легок и слабо удерживается гравитационным полем земли. Гелий образуется при распаде тяжелых радиоактивных элементов, находящихся в расплавленном земном ядре, и медленно диффундирует через земную мантию. Тепловая энергия, выделяющаяся при ядерных процессах, поддерживает ядро земли в расплавленном состоянии. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 1,75% гелия и 0,5% CO2. После удаления CO2, глубокого охлаждения природного газа до –185° C и сжатия образуется жидкий метан, а в газовой фазе остаются гелий и азот. Метод глубокого охлаждения позволяет получать гелий чистотой 98% и выше.
Свойства.
Гелий имеет одну-единственную электронную оболочку, занятую двумя электронами, т.е. его оболочка полностью заполнена электронами, которые испытывают сильное притяжение ядра, а значит, очень устойчивы; поэтому гелий не вступает в химические реакции, не образует химические соединений и не имеет степеней окисления. Гелий – бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л.Альваресом и Р.Кернегом. Содержание 3He составляет 10–5% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H-изотоп водорода). Гелий – необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа
|
СВОЙСТВА 4He |
|
| Атомный номер | 2 |
| Атомная масса | 4,0026 |
| Плотность, г/см3 | 0,178 |
| Температура плавления, °С | –272,2 (при 26 атм) |
| Температура кипения, °С | –268,93 |
| Критическая температура, К | 5,25 |
| Критическое давление, МПа | 0,23 |
| Содержание в земной коре, % | 0,0000003 |
| Степени окисления | – |
Жидкий и твердый гелий.
Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения: 4He кипит при 4,22 K, а 3He – 3,19 K. Это свойство гелия используют для создания низких температур. Гелий – единственное вещество на земле, которое при нормальном давлении не кристаллизуется вблизи абсолютного нуля, что объясняется слабым межатомным взаимодействием и квантовыми свойствами. Жидкий гелий бесцветен, очень текуч и имеет очень низкое поверхностное натяжение. Изотопы гелия в жидком состоянии сильно различаются. Так, 4He имеет две формы: при температурах выше 2,18 K существует 4He, а ниже 2,18 K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в 4He-II. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4He-II, то жидкость будет медленно подниматься вверх по стенкам и перетекать внутрь до выравнивания уровней жидкости снаружи и внутри. Если сосуд приподнять, то процесс пойдет обратно до нового выравнивания уровней жидкостей. Это – пленочное движение; оно характерно только для 4He-II. Другое аномальное свойство 4He-II – способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких. 4He-II обладает сверхтекучестью (явление сверхтекучести открыл П.Л.Капица в 1938) – свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей, 4He-II состоит из двух полностью взаимопроникающих жидкостей – нормальной и сверхтекучей; последняя является идеальной жидкостью и не испытывает сопротивления при протекании через узкие капилляры. Согласно теории, в 4He-II существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий 4He-II дается на основе представлений квантовой механики.
Жидкие 3He и 4He называются квантовыми жидкостями. 4He не имеет ядерного спина, а у 3He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что 4He-II – сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий-3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0,001 К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть «электронной жидкости» (см. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). В 3He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д.Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы). См. также СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ.
Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 0,9 K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащенный 3He и текущий над раствором, обогащенным 4He. 6% 3He растворимы в 4He, но 4He не растворяется в 3He при абсолютном нуле.
Твердый гелий можно получить сжатием 4He до 25 атм или 3He до 34 атм при низких температурах. Твердый гелий – кристаллическое прозрачное вещество, причем границу между твердым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции близки.
Применение.
Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии. Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля. Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз, – постоянный и опасный спутник работы водолаза. Смеси He–O2 применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей.
Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.
угие применения гелия – для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывного смешения 3He и 4He для создания и поддержания температур ниже 0,005 K.
Источник: www.krugosvet.ru
Источник: www.chem21.info
Гелий-3, свойства, получение и применение.
Гелий-3, 3He является редким изотопом. Он имеет перспективное применение в будущем в качестве топлива в термоядерных реакторах.
Гелий-3
Свойства гелия-3
Получение гелия-3
Применение гелия-3
Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе
Преимущества гелия-3 как топлива
Гелий-3:
Гелий-3 – более легкий из двух стабильных изотопов гелия. Химическая формула гелия-3 – 3He.
Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4 (4He), имеющего в составе два протона и два нейтрона.
Последний (4He) является более распространенным: на него, собственно, приходятся 99,99986 % гелия на Земле. На гелий-3 (3He) приходится 0,000137(3) % гелия на Земле.
Гелий-3 как частица относится к фермионам, т.к. имеет полуцелый спин.
Гелий-3 в основном содержится в атмосфере Земли, в природном газе (до 0,5%), а также в мантии планеты. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается порядка в 35 000 тонн.
На Солнце и в атмосферах планет-гигантов гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.
Свойства гелия-3:
| Наименование характеристики: | Значение: |
| Атомная масса, а. е. м. | 3,0160293191(26) |
| Дефект массы, кэВ | 14 931,2148(24) |
| Удельная энергия связи (на нуклон), кэВ | 2 572,681(1) |
| Изотопная распространённость, % | 0,000137(3) |
| Период полураспада | стабильный |
| Спин и чётность ядра | 1/2+ |
| Момент импульса | 1/2 |
| Плотность жидкого 3He при температуре кипения и нормальном давлении (101 325 Па), г/л | 59 |
| Плотность газообразного 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), г/л | 0,1346 |
| Температура кипения, К | 3,19 |
| Критическая точка, К | 3,35 |
| Удельная теплота испарения, Дж/моль | 26 |
| Объем одного грамма 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), литров | 7,43 |
| Сверхтекучее состояние | при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм. |
Получение гелия-3:
В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников.
Его получают при распаде искусственно созданного трития, бомбардируя нейтронами литий-6 в ядерном реакторе. Таким способом можно можно получать до 18 кг гелия-3 в год.
Ввиду с растущей нехваткой гелия-3 рассматриваются такие экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы.
Существует также современная идея добычи гелия-3 на Луне, где его находится миллионы тонн в лунном грунте – реголите. Тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4. Данная изотопная распространенность гелия-3 на Луне (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере. В лунном грунте гелий-3 накопился в течение многих лет за счет облучения поверхности Луны солнечным ветром, в котором он содержится. Для извлечения гелия-3 из лунного грунта последний необходимо нагреть до нескольких сотен градусов Цельсия.
Применение гелия-3:
– для наполнения газовых счетчиков-детекторов нейтронов,
– в научных лабораториях для получения сверхнизких милликельвиновых температур (около 0,02 К) путем растворения жидкого гелия-3 в гелии-4,
– как термоядерное топливо в термоядерном реакторе (в будущем).
Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе:
Гелий-3 является отличным сырьем для протекания реакции термоядерного синтеза, в отличии от реакций ядерного распада. К сожалению, термоядерный реактор на основе гелия-3 является предметом научных разработок и его появление не ожидается в ближайшем будущем.
Ядерная реакция с гелием-3 выглядит следующим образом:
3He + 3He → 4He + 2p + 12,8 МэВ,
3He + D → 4He + p + 8,35 МэВ,
где D – дейтерий, p – протон.
В результате данной термоядерной реакции образуется стабильный изотоп гелия-4 (4He), протон и большое количество энергии. В то время как в ходе ядерной реакции распада образуются нейтроны, которые глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их. В итоге такие материалы необходимо периодически (через несколько лет) захоранивать и заменять новыми. Протоны, которые образуются в результате реакции термоядерного синтеза с участием гелия-3, наоборот, глубоко не проникают в окружающие материалы и не наводят радиоактивность. Поэтому такие материалы и конструкции могут служить десятилетиями.
В целом вышеописанная реакция сопровождается радиацией, но она (реакция) в 50 раз менее радиоактивна, чем термоядерная реакция, например, дейтерия с тритием.
Ядерная реакция дейтерия с тритием описывается следующим образом:
2H + 3H → 4He + n + 17,6 МэВ,
где 2H – дейтерий, 3H – тритий, n – нейтрон.
Недостатком реакции дейтерия с тритием является то, что тритий сам по себе сильно радиоактивен. Во-вторых, в ходе такой реакции возникает сильное нейтронное излучение.
Энергетическая эффективность гелия-3 как топлива в термоядерном синтезе весьма огромна. Так, 1 тонна гелия-3 заменяет порядка 15-20 миллионов тонн нефти. Ежегодная потребность России в гелии-3 составляет порядка 20-30 тонн, а всего человечества – 200 тонн.
Источник: xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai
История открытия
| Внешний вид простого вещества | |
|---|---|
| инертный газ без цвета, вкуса и запаха | |
| Свойства атома | |
| Имя, символ, номер | Гелий/Helium (He), 2 |
| Атомная масса (молярная масса) | 34,002602 а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | 1s2 |
| Радиус атома | (31) пм |
| Химические свойства | |
| 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) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 0,147 (при −270 °C) 0,00017846 (при +20 °C) г/см3 |
| Температура плавления | 0,95 (при 2,5 МПа) |
| Температура кипения | 4,215 (для 4He) |
| Теплота испарения | 0,08 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 20,79 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 31,8 см3/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=3,570; c=5,84 Å |
| Температура Дебая | 1,633 |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 0,152 Вт/(м·К) |
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,
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»).
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.
В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал
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
Источник: www.grasys.ru