Гелій

Гелій (ад старажытнагрэчаскага ἥλιος hélios, «Сонца») — хімічны элемент. Гелій адносіцца да групы высакародных газаў, парадкавы нумар 2, сімвал элемента — He.

Гелій-лазер

Гелій
Вадарод – Гелій – Літый He Ne 1s2 4 2 He Перыядычная сістэма элементаў
Агульная інфармацыя
Назва, сімвал, парадкавая лічба	Гелій, He, 2
Серыя	Высакародныя газы
Група, Перыяд, Блок	18 (VIIIA), 1, s
Колер	няма
Суадносіны масы ў абалонцы Зямлі	4 · 10−7 %
Атамарныя звесткі
Атамная маса	4,002602 g/mol
Атамны радыус (падлічаны)	128 (31) pm
Кавалентны радыус	32 pm
Радыус Ван дэр Ваальса	140 pm
Канфігурацыя электронаў	1s2
Электроны на ўзровень энергіі	2
1. Энергія іанізацыі	2372,3 kJ/mol
2. Энергія іанізацыі	5250,5 kJ/mol
Фізічныя якасці
Агрэгатнае становішча	газападобны
Крысталічная структура	–
Шчыльнасць	0,1785 kg/m3, (–)
Тэмпература плаўлення	0,95 K bei ca. 2,5 MPa
Тэмпература кіпення	4,22 K (−268,93 °C)
Малярны аб’ём	22,4 · 10−3 m3/mol
Цяпло пры выпарванні	0,0845 kJ/mol
Цяпло пры плаўленні	0,021 kJ/mol
Газавы ціск	–
Звышгукавая хуткасць	972 m/s пры 273,15 K 1007 m/s пры 293,15 K
Цеплаёмкасць	Спец. цепл. cp = 5193 J/(kg•K) мал. цепл. cp,m = 20.786 J/(mol•K)
Электраправоднасць	–
Цеплаправоднасць	0,152 В/(м · K)
Хімічныя якасці
Аксідацыйны стан	0
Аксіды (Алкалічнасць)	–
Электрычная негатыўнасць	5,2
Ізатопы
Ізатоп НЧ t1/2 РА ЭР MeV ПР 3He 0,000137 % He з'яўляецца стабільным пры 1 нейтроне 4He 99,999863 % He з'яўляецца стабільным пры 2 нейтронах 5He {сін.} 7,618 • 10−22 s n 0,60 4He 6He {сін.} 806,7 ms β- 3,508 6Li 7He {сін.} 2,857 • 10−21 s n 0,60 6He 8He {сін.} 119 ms ?− і n  ? 7Li 9He {сін.} 1,5 • 10−21 s n  ? 8He 10He {сін.} 2,7 • 10−21 s n  ? 9He
NMR-якасці
3He Спін ядра 1/2 гама 2,038 • 108 рад/ Т Адчувальнасць 0,44 Лармафрэквентнасць пры B = 4,7 Т 152 МГц
Па магчымасці выкарыстоўваецца агульнапрынятая міжнародная сістэма адзінак СІ. Пры адсутнасці іншых заўваг, маюць сілу стандартныя ўмовы.

2	Гелій
He 4,0026
1s²

Гелій — практычна інертны хімічны элемент. Узначальвае групу інертных газаў у перыядычнай сістэме элементаў. Нетаксічны, не мае колеру, паху і смаку. Пры нармальных умовах уяўляе сабой аднаатамны газ. Яго пункт кіпення (Т=4б216К) найменшая сярод усіх элементаў; цвёрды гелій здабыты толькі пры цісках вышэй 25 атмасфер. Экстрэмальныя ўмовы таксама неабходны для стварэння нешматлікіх хімічных злучэнняў гелія, усе яны нестабільныя пры стандартных тэмпературы і ціску. Прыродны гелій складаецца з двух стабільных ізатопаў: ⁴He (ізатопная распаўсюджанасць — 99,99986 %) і значна больш рэдкага ³He (0,00014 %; утрыманне гелія-3 у розных прыродных крыніцах можа змяняцца ў даволі шырокіх межах). Вядомы яшчэ шэсць штучных радыеактыўных ізатопаў гелія.

Гелій займае другое месца па распаўсюджанасці ў Сусвеце і лёгкасці (пасля вадароду). Аднак на Зямлі гелій сутракаецца рэдка. Практычна ўвесь гелій у Сусвеце ўтварыўся ў першыя некалькі хвілін пасля Вялікага Выбуху, у час першаснага нуклеасінтэзу. У сучасным Сусвеце амаль увесь новы гелій утвараецца ў выніку тэрмаядзернага сінтэзу з вадароду ў нетрах зорак. На Зямлі ён утвараецца ў выніку альфа-распаду цяжкіх элементаў (альфа-часціцы, якія выпраменьваюцца пры альфа-распадзе — гэта ядры гелія-4). Частка гелія, які ўтварыўся пры альфа-распадзе і прасачыўся срозь пароды зямной кары, захопліваецца прыродным газам, канцэнтрацыя гелія ў якім можа дасягаць 7 % ад аб'ёму. Гелій здабываецца з прыроднага газу працэсам нізкатэмпературнага раздзялення — так званай фракцыйнай перагонкай.

Гісторыя

Адкрыццё гелія пачалося з 1868 года, калі 18 жніўня пры назіранні поўнага сонечнага зацьмення ў Індыі французскі астраном П. Ж. Жансен заўважыў у спектры сонечнай кароны жоўтую лінію з даўжынёй хвалі 587,49 нанаметраў. Першапачаткова лічылася, што гэта лінія належыць калію. 20 кастрычніка таго ж года англійскі астраном Д. Н. Лак'ер прыкмеціў жоўтую лінію ў сонечным спектры, якую ён назваў D3-лініяй. У 1871 годзе Лак'ер растлумачыў яе паходжанне прысутнасцю на Сонцы новага элемента. Ён і англійскі хімік Эдвард Франклэнд далі гелію імя, якое адлюстроўвае гісторыю яго адкрыцця (ад грэц. Ήλιο (Helio) - сонца). Лак'ер лічыў, што адкрыты элемент — метал, таму ён выкарыстоўваў у лацінскай назве элемента канчатак «-ium», якое звычайна ўжываецца ў назве металаў.

У 1881 годзе італьянскі вучоны Л. Пальміеры выявіў выявіў гелій у складзе газаў з вулкана Везуій, аднак гэта не было прынята да веры^[1].

26 сакавіка 1895 года англічанін Уільям Рамзай атрымаў гелій уздзеяннем кіслот на прыродную радыеактыўную руду клевеіт. Рамзай шукаў аргон, але пасля аддзялення азоту і кіслароду ад газу, заўважыў ярка-жоўтую лінію, што была падобна на D3-лінію спектра Сонца. Лак'ер і брытанскі фізік Уільям Крукс высветлілі, што гэты газ быў геліем. Гелій быў незалежна ад Рамзая выдзелены з клевяіту ў тым жа годзе хімікамі П'ерам Тэадорам Клівам і Аўраамам Ланглітам у Швецыі, якія атрымалі дастатковую колькасць газу для дакладнага вызначэння атамнай масы. Гелій таксама выдзяліў амерыканскі геахімік Уільям Фрэнсіс Хілебранд раней за адкрыццё Рамзая, калі ён заўважыў незвычайныя спектральныя лініі, даследуючы мінерал уранініт. Хілебранд, аднак, вырашыў, што гэтыя лініі належаць азоту.

У 1907 годзе Эрнэст Рэзерфорд і Томас Ройдз паказалі, што альфа-часціцы з'яўляюцца ядрамі гелія.

Доўгі час гелій быў адзіным газам, які не быў звадкаваны. Аднак у 1908 годзе галандскі фізік Хайкэ Камерлінг Онес звадкаваў геліў, ахалоджваючы яго да тэмпературы ніжэй за 1К. Ён спрабаваў здабыць цвёрды гелій далейшым паніжэннем тэмпературы, аднак гэта зрабіў толькі 1926 годзе яго студэнт Уільям Хэндрык Кеесам пры ціску 25 атмасфер.

У 1938 годзе расійскі фізік Пётр Леанідавіч Капіца выявіў, што ў гелія-4 амаль адсутнічае вязкасць (з'ява звышцякучасці). У 1972 годзе гэтую ж з'яву для гелія-3 адкрылі амерыканскія фізікі Дуглас Д. Ошэроф, Дэвід М. Лі і Роберт К. Рычардсон (Нобелеўская прэмія па фізіцы 1996). У 2004 годзе з'явіліся звесткі аб адкрыцці звышцякучасці цвёрдага гелія, аднак інтэрпрэтацыя гэтай з'явы не да канца зразумела.

Атрыманне

У цяперашні час гелій выдзяляюць з прыродных гелійзмяшчальных газаў, карыстаючыся метадам глыбокага ахалоджвання (гелій звадкоўваецца цяжэй усіх астатніх газаў). Радовішчы такіх газаў знаходзяцца ў Расіі, ЗША, Канадзе, Кітаі, Алжыры, Польшчы і Катары. Гелій знаходзіцца таксама ў некаторых мінералах (манацыце, тарыяніце і інш.), пры гэтым з 1 кг мінерала пры награванні можна атрымаць да 10 л гелія.

Уласцівасці газавай фазы і плазмы гелія

Гелій - найменш хімічна актыўны элемент восьмай групы перыядычнай сістэмы элементаў. Большасць злучэнняў гелія існуюць толькі ў газавай фазе ў выглядзе так званых эксімерных малекул, у якіх устойлівы ўзбуджаныя электронныя станы і няўстойлівы асноўны стан. Гелій утварае двухатамныя малекулы He₂, фтарыд HeF, хларыд HeCl (эксімерныя малекулы ўтвараюцца пры дзеянні электрычнага разраду або УФ выпраменьвання на сумесь гелія і фтору (хлору)). Пры стандартных тэмпературы і ціску гелій паводзіць сябе як ідэальны газ. Фактычна пры ўсіх умовах гелій монаатамны. Гелій мае невялікую малекулярную масу, таму яму ўласціва большая цеплаправоднасць, чым у іншых газаў, акрамя вадарода, і яго ўдзельная цеплаёмістасць надзвычай высокая. Гелій таксама менш растваральны ў вадзе, чым іншыя газы. Хуткасць яго дыфузіі скрозь цвёрдыя матэрыялы ў тры разы вышэй, чым у паветра, і прыблізна на 65% вышэй, чым у вадарода. Прыблізны дыяметр малекулы He₂ — 0,20 нм. Каэфіцыент праламлення гелія бліжэй да адзінкі, чым у іншых газаў. Гэты газ мае адмоўны каэфіцыент Джоўля-Томсана пры нармальнай тэмпературы асяроддзя, гэта значыць награваецца, калі яму даюць магчымасць свабодна расшырацца ў аб'ёме. Толькі ніжэй тэмпературы інверсіі Джоўля-Томсана (прыблізна 40К пры нармальным ціску) ён астывае ў час свабоднага расшырэння. Пасля ахалоджвання ніжэй гэтай тэмпературы, гелій можа быць ператвораны ў вадкасць пры расшыральным ахалоджванні. Такое ахалоджванне праводзіцца пры дапамозе дэтандэра.

У Сусвеце гелій пераважна сустракаецца ў выглядзе плазмы. У плазме электроны і пратоны не звязаны паміж сабой, у выніку чаго плазма мае высокую электраправоднасць, нават калі газ толькі часткова іанізаваны. На заражаныя часціцы моцна ўздзейнічаюць магнітнае і электрычнае палі. Напрыклад, у сонечным ветры разам з іанізаваным вадародам, яны ўздзейнічаюць з магнітасферай Зямлі, што з'яўляецца прычынай паўночнага ззяння.

Уласцівасці кандэнсаваных фаз

Цвёрды гелій здабываецца толькі пад высокім ціскам. Бясколернае, амаль нябачнае цвёрдае рэчыва лёгка сціскаецца: пад высокім ціскам яно можа паменьшыцца ў аб'ёме на 30%. У адрозненні ад іншых элементаў, гелій застаецца вадкім пры тэмпературах блізкіх да абсалютнага нуля пры нармальным ціску (гэта з'яўляецца эфектам квантавай механікі: нулявы пункт тэмпературы занадта высокі для замярзання). Цвёрды гелій патрабуе тэмпературу 1-1,5К (каля -272°С) і ціск 2,5МРа. Цвёрды гелій мае крысталічную структуру.

Цвёрды гелій мае шчыльнасць 214±0,006кг/м³ (1,15К, 66 атмасфер). Пры тэмпературах паміж 1,8К і 1,5К цвёрды гелій мае аднолькавую шчыльнасць. Гэта можа сведчыць аб тым, што пры тэмпературы 0К і пад ціскам 25 атмасфер (мінімальны ціск для існавання цвёрдага гелія) ён мае шчыльнасць 187±9г/м³.

Выкарыстанне

Гелій выкарыстоўваюць для стварэння інертнай і ахоўнай атмасферы пры вырошчванні крэмніевых і германіевых крышталёў, у тытанавых і цырконіевых вырабах, у якасці атмасферы для аховы гістарычных дакументаў, пры зварцы, рэзцы і плаўцы металаў, якія лёгка забруджваюцца паветрам, пры перакачцы ракетнага паліва, у якасці ахалоджваючай вадкасці ў некаторых ядзерных рэактарах, для запаўнення дырыжабляў і аэрастатаў (у гэтых мэтах не выкарыстоўваюць вадарод з-за яго выбуханебяспечнасці), у якасці кампанента актыўнага асяроддзя гелій-неонавых лазераў. Гелій-3 выкарыстоўваецца для запаўнення газавых нейтронных дэтэктараў, як рабочае цела геліевых цечашукальнікаў. Вадкі гелій - самая халодная вадкасць на Зямлі, што дазваляе выкарыстоўваць яго для ахалоджвання металаў да звышнізкіх тэмператур з мэтай прыдання ім якасцей звышправоднасці. Гелій дрэнна раствараецца ў вадзе, якая з'яўляецца асноўнай часткай крыві чалавека, таму яго выкарыстоўваюць як частку газавай сумясі, якую падаюць для дыхання вадалазам, што дазваляе прадухіліць кесонную хваробу.

Крыніцы

1. Конарев Б. Н. Любознательным о химии. Неорганическая химия. — 2-е изд.. — М.: Химия, 1984. — С. 87. — 224 с. — 65 000 экз. (руск.)