Гелий является химическим элементом таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 2 и обозначением He. Гелий при нормальных условиях представляет собой нетоксичный газ без цвета и запаха, который является первым из семейства благородных газов.
Открытие
Открытие гелия как химического элемента начало свой путь еще в середине XIX века, когда французский астроном Пьер Жюль Сезар Янсен наблюдал полное солнечное затмение в Индии в 1868 году. Он увидел ярко-желтую спектральную линию с длинной волны 587,49 нанометра в спектре солнечной хромосферы, которую никто так и не смог определить.
20 октября того же года английский астроном Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которую он назвал D3, потому что она находилась вблизи известных D1 и D2, которые известны как Фраунгоферовы линии натрия. Астроном пришел к выводу, что это был элемент Солнца, который неизвестен на Земле. В конечном итоге, Локьер и английский химик Эдвард Франкленд назвали элемент греческим словом (ἥλιος), которое обозначает Солнце и переводится как Helium.
Спустя 14 лет, подобную спектральную линию увидел итальянский вулканолог Луиджи Пальмьери во время исследования спектрального следа лавы Везувия. Этот факт являлся доказательством того, что Helium присутствует как химический элемент и на планете Земля.
Выделить Гелий удалось 23 марта 1895 года британскому химику Уильяму Рамзи (William Ramsay). Он получил и собрал газ путем добавления минеральных кислот к урановому минералу клевеиту. В опыте ученый пытался выделить аргон, но увидел желтый спектр после отделения азота и кислорода из смеси.
В 1908 году гелий был впервые сжижен голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом путем охлаждения газа до температуры ниже 5 К (-268,15 °C; -450,67 °F). Он попытался затвердеть его, дополнительно снизив температуру, но ему это не удалось, поскольку гелий не затвердевает при нормальном атмосферном давлении. Виллем Хендрик Кесомв смог преобразовать 1 см³ гелия в твердое состояние в 1926 году, приложив дополнительное внешнее давление к элементу.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Газ |
| Температура плавления | -272,2 °С |
| Точка кипения | -269 °С |
| Плотность при Н.У. | 0,1785 г/см³ |
| Тройная точка | -270,973°C, 5,043 кПа |
| Критическая точка | -267,955°C, 0,22746 МПа |
| Мол. теплота плавления | 0,117кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 0,0138 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 20,78 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 22,4⋅10³ см³/моль |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 2 |
| Атомная масса | 4.002602 |
| Электронная конфигурация | 1s² |
| Радиус атома | 31 пм |
| Ковалентный радиус | 28 пм |
| Степени окисления | 0 |
| Радиус иона | 93 пм |
| Электроотрицательность | 4,5 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 2361,3 кДж/моль |
| Изотопы | ³He; ⁴He; ⁵He; ⁶He |
Интересное:
Добыча и производство
Гелий является вторым по распространенности элементом во Вселенной после водорода, составляя 23% ее барионной массы. В атмосфере Земли объемная концентрация гелия составляет всего 5,2 части на миллион. Она является относительно небольшой, но постоянной.
Для промышленного использования гелий добывают путем фракционной перегонки из метана(природного газа), который может содержать до 7% гелия. Так как гелий имеет более низкую температуру кипения, чем любой другой химический элемент, этим пользуются при его добыче. Низкая температура и высокое давление используются для сжижения почти всех других газов в результате чего остается только необходимый компонент. Активированный уголь используется на заключительном этапе очистки, в результате которого получают так называемый гелий класса А с чистотой 99,995%. Основной примесью в гелии марки А является неон. На финальном этапе производства большая часть гелия сжижается с помощью криогенного процесса. Это необходимо для производств, где требуется именно жидкий гелий, а также позволяет поставщикам гелия снизить затраты на транспортировку продукта на большие расстояния, поскольку самые большие контейнеры с жидким гелием более чем в пять раз превышают вместимость самых больших прицепов с газообразным гелием.
На протяжении десятилетий США являлись ведущим производителем гелия и поставляли около 90% от общего объема мирового коммерческого производства. Остальными игроками этого рынка являются Россия, Польша, Канада, Алжир и Катар. Общее мировое производство гелия оценивается в 180 миилионов метров кубических.
Интересное:
Применение
Такой химический элемент как Гелий имеет достаточно широкую область применения, которая в общем виде представляет собой следующие области:
- Криогеника (32%)
- Повышение давления и продувка (18%)
- Сварка (13%)
- Контролируемая атмосфера (18%)
- Обнаружение утечек (4%)
- Дыхательные смеси (2%)
- Остальное (13%)
Под понятием криогеника понимается использование гелия в качестве охлаждающего вещества. С помощью данного химического элемента можно добиться охлаждения до температуры 1 К. В качестве наиболее распространенных применений можно отметить охлаждение сверхпроводящих магнитов в аппаратах МРТ. Кроме того, гелиевое охлаждение применяется на космических телескопах и мощных инфракрасных спутниковых камерах, которые должны обеспечивать заданную точность разрешения.
В части повышение давления и продувка понимается производство профессиональных пневматических установок, которые значительно повышают производительность. В пример можно привести пневматические гайковерты которые используются в Formula 1. При определенном давлении их эффективность (скорость вращения) увеличивается почти на 30%.
Следующим популярным применением является сварка, в которой гелий применяется в чистом виде или в виде примеси для защиты сварочных швов от кислорода. Кроме того, этот газ применяют для увеличения глубины прижига и скорости сварки, а также уменьшения образования брызг, особенно при роботизированной сварке или при обработке алюминия и нержавеющих сталей.
Под понятием контролируемая атмосфера понимается применение гелия в качестве среды для определенных промышленный целей. В пример можно привести аэродинамические трубы и импульсные установки в которых благодаря теплоемкости и высокой скорости звука он просто незаменим. Кроме того газ гелия используется в качестве среды для выращивания кристаллов кремния и германия, а так же производства циркония и титана.
Около 4% от общего объема производимого коммерческого гелия идет на обнаружение утечек. Поскольку гелий диффундирует через твердые тела в три раза быстрее, чем воздух, его используют в качестве индикаторного газа для обнаружения утечек в оборудовании с высоким вакуумом (например, криогенных резервуарах) и контейнерах высокого давления. Испытываемый объект помещается в камеру, которая затем вакуумируется и заполняется гелием. Гелий, который выходит через места утечек, обнаруживается чувствительным устройством, который называется гелиевый масс-спектрометр. Он способен обнаруживать утечки даже при скорости всего 10 -9 мбар·л/с. Процедура измерения обычно автоматическая и называется интегральным тестом с гелием.
Еще одним распространенным применением является производство дыхательной смеси. В процентном соотношении с кислородом 80 : 20, гелий используется в качестве дыхательной смеси в реанимации. Кроме того его используют в качестве примеси в кислородных масках для дайвинга, а так же аварийных авиационных и поводных средствах. Все дело в том, что данная смесь проходит через сужения с меньшим сопротивлением и именно по этой причине дышать становится легче.
Другими применениями являются пищевая промышленность (пищевая добавка E939 и упаковочный газ), подъемный газ для воздушных шаров и дерижаблей (исключительно из-за безопасности), вспомогательный газ в активных лазерах, в мощных телескопах и жестких дисках.
Интересное:
Безопасность
Гелий является инертным газом и не является токсичным. При работе с большими количествами газообразного гелия необходимо соблюдать соответствующие меры безопасности в случае если из-за количества газа и пространственной ситуации существует риск вытеснения воздуха для дыхания.
Количество несчастных случаев удушья при использовании гелия относительно небольшие, но пренебрегать данным фактом все равно не стоит.
При обращении с жидким гелием, который на 200°C холоднее жидкого азота, необходимо использование защитной одежды для предотвращения контактного обморожения. Контейнеры со сжатым гелием обычно представляют собой бесшовные стальные баллоны на 200 бар. Следует избегать нагревания баллонов выше рекомендуемого значения в 60 °C или контакта с огнем. С одной стороны, внутреннее давление увеличивается с повышением температуры, а с другой стороны, прочность стальной стенки уменьшается, из-за чего существует риск очень сильного разрыва сосуда. Отрыв клапана или разрушение разрывного диска приводит к выбросу газовой струи с непредсказуемыми последствиями.