Химический состав гелия. Гелий: свойства, характеристики, применение

Жидкий

Гелий идет под вторым порядковым номером в периодической системе элементов Менделеева. Это один из главных элементов инертной группы газов. Обозначается гелий латинскими буквами «He» и имеет атомный номер два. Этот газ не обладает запахом, не имеет цвета и вкуса.
Газ гелий является одним из самых распространенных элементов во вселенной и по количеству идет сразу после водорода. Гелий также является одним из самых легких элементов. Для получения гелия используют метод фракционной перегонки (процесс низкотемпературного разделения).

Открытие гелия

Во время солнечного затмения в городе Гунтур в 1868 году ученый из Франции Пьер Жансен смог исследовать хромосферу Солнца при помощи спектроскопа. Он смог определить, что в протуберанцах Солнца находиться не только водород, но и другие элементы. В то время новый элемент приняли за D натрий. Но Пьер Жансен написал письмо во Французскую Академию наук, где изложил свою теорию открытия нового элемента.
Спустя пару месяцев астроном из Англии Норман Локьер провел собственные исследования и также при помощи спектроскопа выявил новую линию в спектре неизвестного элемента длинной 587,56 нм. Во время совместной работой со своим другом химиком Эдвардом Франкландом Норман Локьер дал название открытому элементу - гелий, что означало на древнегреческом языке «Солнце».
В честь открытия нового элемента Французская академия решила вручить почетные медали обоим ученым и Норману Локьеру и Пьеру Жансену.
Итальянец Луиджи Пальмиери в 1881 году во время своих исследований вулканических газов смог определить гелий. Луиджи Пальмиери использовал прокаливание для нагрева вулканического продукта в бунзеновской горелке и пытался определить весь спектр полученных газов. Но Пальмиери так и не смог четко сформулировать свои исследования и поэтому его опытам большого значения не придали. Но спустя много лет гелий и аргон действительно были обнаружены в вулканических газах.
Открытие гелия на Земле произошло в 1895 году, когда шотландский химик Уильям Рамзай занимался исследованиями газов, полученных при разложении минерала клевеита. При помощи спектрометра он смог обнаружить желтую линию в спектре газов, которая говорила о наличии гелия. Для дополнительного исследования Уильям Рамзай отправил образцы ученому Уильяму Круксу. Дополнительные исследования показали, что желтая линия совпадает со спектром ранее открытого гелия в хромосфере Солнце. В дальнейшем шведские химики Н. Ленгле и П. Клеве смогли точно определить атомный вес гелия, повторив опыты Рамзая с клевеитом. Окончательную точку в открытии гелия на Земле в 1896 году поставили Зигберт Фридлендер, Эдвард Бэли и Генрих Кайзер, которые определили присутствие гелия в атмосфере нашей планеты.
В дальнейшем Рамзай продолжил свои исследования гелия и обнаружил, что гелий часто сопутствует торию и урану. В 1906 году ученый Ройдс и Резенфорд открыли, что альфа-частицы этих радиоактивных элементов являются ядрами гелия. Именно благодаря исследованиям Рамзая было положено начало теории строения атома.
Жидкий гелий впервые смог получить методом дросселирования физик из Нидерландов Хейке Камерлинг-Оннесу. Он охладил гелий в кипевшем в вакууме водороде. Получить твердый гелий не получалось до 1926 года. Немецкий физик Виллем Хендрик смог под высоким давлением сжать гелий и выделить кристаллы.
В 1932 году ученый Кеез исследовал зависимость теплоемкости жидкого гелия и температуры. Он узнал, что при температуре 2,1К (точное значение =2,172 K.) плавный подъем теплоемкости гелия сменяется резким падением и график теплоемкости выглядит как греческая буква «лямбда» (?). В связи с этим открытием этой точки температуры было присвоено название «?-точка». Именно в этой точке происходят глобальные изменения с гелием. Одна фаза жидкого гелия сменяет другую и при этом не выделяется тепла. Гелию ниже «?-точки» было присвоено обозначение гелий-II, а выше гелий-I.
Явление сверхтекучести гелия впервые открыл советский ученый Пётр Леонидович Капица, которые исследовал свойства жидкого гелия-II. Он смог доказать, что жидкий гелий-II течет практически без трения.
Происхождение названия
В слове гелий имеется окончание «-ий» (лат. «-um» — «Helium»), что характерно для обозначения металлов в периодической системе элементов. Это связано с тем, что Локьер при открытии гелия предположил, что это металл и дал такое название. А переименовать в «Гелион» с окончанием «-он» уже не представлялось возможным, так как это название было закреплено за ядром лёгкого изотопа гелия (гелий-III)

Нахождение гелия

В космосе
Во Вселенной гелий занимает второй место по распространенности. Большая часть гелия в космосе образовалась после Большого Взрыва, в период первичного нуклеосинтеза. На данный момент гелий образуется во Вселенной благодаря термоядерному синтезу водорода в недрах звезд. Малая часть гелия образуется в земной коре при альфа-распаде тяжелых элементов и просачивается сквозь земную кору связываясь с частичками природного газа. Концентрация гелия в природном газе может достигать семи процентов и выше от объема.

В атмосфере земли
Гелий в атмосфере земли получается в результате распада элементов Ac, Th, U. И содержание гелия в атмосфере достигает 7,24?10?5 % по массе и 5,27?10?4 % по объёму. Запасы гелия оцениваются примерно в 5?1014 м?. Обычно концентрация гелия в других газах не превышает двух процентов и в очень редких случаях встречаются газы, содержание в которых гелия достигает 8-15%.
В земной коре
Гелий занимает второй место после аргона по содержанию в земной коре. В земном веществе содержание гелия оценивается примерно в 3 г/т. Наибольшая концентрация гелия замечена в минералах, в которых присутствует торий, самарий, уран, монацит, гадолинит, фергюсонит, клевеит, торианит. При этом в торианите содержание гелия может достигать 10,5 л/кг, в остальных минерала в пределах от 0,8 до 3,5 л/кг.

Определение гелия
Чтобы качественно определить гелий используют анализ спектров испускания (линии 388,86 нм и 587,56 нм). Количественно гелий определяют хроматографическим и масс-спектрометрическим методом. Также используются методы, которые основаны на измерении физических свойств гелия, таких как плотность, теплопроводность и так далее.
Физические свойства гелия
Гелий является инертным химическим элементом. Он не токсичен, без цвета, вкуса и запаха. При нормальных условиях гелий является одноатомным газом с точкой кипения 4,215 K (гелий IV). Твердое состояние гелия достигается только при давлении порядка 25 атмосфер и выше. Без давления гелий не переходит в твердое состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю. Большинство соединений гелия нестабильны в нормальных условиях и для образования связей требуются специальные условия.
Воздействие гелия на организм
В своем большинстве инертные газы воздействуют на организм, вызывая наркотическое опьянение. Воздействия простого гелия при нормальном давлении на организм не оказывает никакого действия. При повышении давления у человека может возникнуть синдром высокого давления.

Свойства в газовой фазе
Гелий ведет себя как идеальный газ при нормальных условиях. В большинстве проявлений гелий является многоатомным газом с плотностью 0,17847 кг/м?. Теплопроводность гелия при нормальных условиях составляет 0,1437 Вт/(м.К), больше чем у водорода и других газов. Удельная теплоемкость при нормальных условиях 5,23 кДж/(кг.К), а в водорода 14,23 кДж/(кг.К).
При пропускании тока через трубку заполненную гелием можно наблюдать разряды различных цветов, которые зависят от давления в трубке. Если уменьшать давление то цвета будут меняться от розового, желтого до зеленого и оранжевого. Это объясняется тем, что в спектре гелия находиться несколько линий, которые располагаются в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного спектра. Главные линии спектра гелия лежат в диапазоне между 706,52 нм и 447,14 нм. Уменьшение давления в трубке приводит к тому, что увеличивается длина пробега электрона, и энергия от его столкновения с атомами гелия возрастает. В результате этого происходит возбуждение атомов и большей энергии, что и приводит к смещению спектральных линий.
Гелий слабо растворяется в воде по сравнению с другими газами. При температуре 20 °C в одном литре воды растворяется всего 8,8 мл гелия. В этаноле растворяется 2,5 мл при 15°C и 3,2 при 25 °C. Скорость диффузии гелия в твердых материалах в несколько раз больше чем у других газов. Например, диффузия гелия на 65% больше чем у водорода
У гелия коэффициент преломления ближе к единице, чем у других газов. Гелий при нормальной температуре имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона. То есть он не нагревается, когда свободно увеличивается в объеме. Гелий остывает во время свободного расширения только при температуре ниже 40 К (ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона) при нормальном давлении. При понижении температуры гелий способен перейти в жидкообразное состояние при расширительном охлаждении. Такое охлаждение возможно при помощи детандера.

Химические свойства гелия
Гелий является одним и наименее активных химических элементов среди инертных газов. Большинство соединений гелия существуют в газовой фазе, в виде эксимерных молекул, которые имеют неустойчивое основное состояние и устойчивое возбужденное электронное состояние. Гелий способен образовывать двухатомные молекулы (He2), соединения с фтором (HeF) и хлором (HeCl).

Получение гелия
Промышленным способом для получения гелия используют месторождения гелийсодержащих природных газов. Чтобы отделить гелий от другого газа используют глубокое охлаждение. Гелий сжижается лучше остальных газов. При помощи дросселирования в несколько этапов очищают гелий от углекислого газа и углеводородов. В итоге получается смесь нескольких газов (гелий, водород и неон). Дальше для отделения водорода от гелия используют CuO и температуру 650—800 К. Окончательно очищают гелий методом охлаждения смеси в кипящем вакууме N2 и адсорбцией оставшихся примесей. Таким методом получают чистый гелий (до 99,8% по объему)
В России гелий газ получают из нефтяного или природного газа. Основным российским заводом по добыче гелия является ООО «Газпром добыча Оренбург». На этом заводе добывают гелий из газа с низким содержанием гелия, что повышает его окончательную стоимость. Чтобы снизить себестоимость гелия были разработаны проекты освоения месторождений в Восточной Сибири и Дальнем Востоке. На данном этапе главным поставщиком гелия на мировой рынок является США, на долю которых приходиться порядка 140 миллионов м? гелия в год. Все самые крупные месторождения гелия находятся на США. Россия по объему производимого гелия занимает третью строчку после США и Алжира.

Транспортировка гелия
Для того чтобы перевозить гелий используют специальные баллоны для газов (ГОСТ 949-73). Эти баллоны необходимо помещать в специальные контейнеры, чтобы не повредить их в дороге. Для перевозки упакованных баллонов с гелием можно использовать любой транспорт пригодный для перевозки газов. Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных емкостях. При перевозке жидкого гелия сосуды с гелием должны находиться в вертикальном положении. При правильной транспортировке гелий можно перевозить как железнодорожным транспортом, так и на специальных автомобилях.

Применение гелия
Гелий широко используется в народном хозяйстве и промышленности. В металлургии гелий используют при выплавке чистых металлов. Гелий используется в качестве пищевой добавки E939 и средства упаковки. За счет уникальных свойств гелий используют в качестве хладагента. Гелием наполняют воздушные шары, используют в медицине как дыхательную смесь, используют в лазерах и в качестве теплоносителей в котлах и трубопроводах.

Гелий (лат. 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. Гелий (лат. Helium), символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026, инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.. Природный гелий состоит из 2 стабильных изотопов: 3 He и 4 He (содержание 4 He резко преобладает). 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.

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. И 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. В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения.

Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода - около 23% по массе. Гелий - основной компонент звездной материи. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд. 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.
Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) - 5,27·10−4% по объёму, 7,24·10−5% по массе. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·1014 м³. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2% гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 - 16%.
На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов. Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом. 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. Среднее содержание гелия в земном веществе - 0,003мг/кг или 0,003г/т. 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 - 3,5л/кг, а в торианите оно достигает 10,5л/кг. 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. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 1,75% гелия и 0,5% CO 2 . После удаления CO 2 , 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.

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 = 4,215K 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. Плотность г/см 3 - 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.

Гелий - наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы). 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 He 2 + , 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 He 2 + составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние 1,09Å.
Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось в виду соединение LiHe 7). 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. Его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4 He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3 He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л. Альваресом и Р. Кернегом. Содержание 3 He составляет 10-5% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3 He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3 H-изотоп водорода). Гелий - необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях, плотность составляет 0,17847кг/м³, обладает тепло­проводностью 0,1437Вт⁄(м·К) - бо́льшей, чем у всех других газов за исключением водорода, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (ср = 5,23кДж⁄(кг·К), для сравнения - 14,23 кДж⁄(кг·К) для Н 2).
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 706,52нм и 447,14нм. 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.
Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1л 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 40К 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.
В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1К (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 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026К. 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.

В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1К (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 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026К. 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.
Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения: 4 He кипит при 4,22K, а 3 He - 3,19K. 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, 4 He имеет две формы: при температурах выше 2,18K существует 4 He, а ниже 2,18K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в 4 He-II. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4 He-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 4 He-II. Другое аномальное свойство 4 He-II - способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких. 4 He-II обладает сверхтекучестью - свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей, 4 He-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 4 He-II существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий 4 He-II дается на основе представлений квантовой механики. Жидкие 3 He и 4 He называются квантовыми жидкостями. 4 He не имеет ядерного спина, а у 3 He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что 4 He-II - сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий-3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0,001К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть "электронной жидкости" . В 3 He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д. Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы).
Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 0,9K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащенный 3 He и текущий над раствором, обогащенным 4 He. 6% 3 нe растворимы в 4 He, но 4 He не растворяется в 3 He при абсолютном нуле. Твердый гелий можно получить сжатием 4 He до 25 атм или 3 He 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.

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO 2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т. н. сырой гелий, (He - 70-90% об.) очищают от водорода (4-5%) с помощью CuO при 650-800К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N 2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N 2 . Производят гелий технической чистоты (99,80% по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985%).
В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе 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.

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

Гелий, как правило, образующийся при радиоактивном распаде урана-238 и урана-235, был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Этот газ обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее нет вообще. Второго такого вещества в природе не найти...

Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Как образуется гелий

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада . Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм.

Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т. д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Синтез гелия - начало жизни

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Природные газы являются практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5–10%) гелиеносность метано-азотных месторождений - явление крайне редкое. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой ожижения. После того, как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%. Жидкий гелий получают путем сжижения газообразного гелия.

Свойства гелия

Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м 3 .

Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.

Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.

Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.

Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…

Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.

Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий . Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками . Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота - подобно шампанскому при открывании бутылки.

Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге - к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.

При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

Еще не вечный, но уже безвредный

В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель , который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.

По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.

Введение

Гелий – подлинно благородный газ. Заставить его вступить в какие-либо реакции пока не удалось. Молекула гелия одноатомна. По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия. Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество. Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.

В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, Камерлинг-Оннес (Голландия), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.

Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций – абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки – и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях – ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.

Огромна роль ядра атома гелия – альфа частицы в истории становления и развития ядерной физики. Именно изучение рассеяния альфа частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов – то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в золото, а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа частиц были синтезированы кюрий, берклий, калифорний, менделевий.

Земной гелий

Гелий – элемент необычный, и история его необычна. Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Гелий на Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 19 августа 1868 г., и англичанин Дж.H. Локьер – 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.

В 1881 г. об открытии гелия в вулканических газах сообщил итальянский ученый Пальмиери. Однако его сообщение, впоследствии подтвержденное, мало кто из ученых принял всерьез. Вторично земной гелий был открыт Рамзаем в 1895 г.

В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа частицы – высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – 4Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

Природные соединения, в составе которых есть альфа активные изотопы, – это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой – самородные металлы, магнетит, гранат, апатит, циркон и другие, – прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит.

Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот, углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко – десятых долей процента. Большая (1,5...10%) гелиеносность метано-азотных месторождений – явление крайне редкое.

Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.

Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·1014 м3; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий – легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), не улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся – старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий – «выдыхаемый» Землей.

В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли – в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий – редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе – 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.

Гелий во Вселенной

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа распаде) гелий, а крупные – и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим – 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования – план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты – Юпитер V – армады кибернетических машин на криотронах (о них – ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость – необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы...

Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.

Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.

Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия

В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона – конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма кванта. Наконец, реагируют два ядра 3Не, преобразуясь в альфа частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.

Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней – реакций. Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле – 26,7 МэВ на один атом гелия.

Гелий (He) – инертный газ, являющийся вторым элементом периодической системы элементов, а так же вторым элементом по легкости и распространенности во Вселенной. Он относится к простым веществам и при стандартных условиях (Standard temperature and pressure) представляет собой одноатомный газ.

Гелий не имеет вкуса, цвета, запаха и не содержит токсинов.

Среди всех простых веществ, гелий имеет наименьшую точку кипения (T = 4,216 K). При атмосферном давлении получить твердый гелий невозможно, даже при температурах, близких к абсолютному нулю – для перехода в твердую форму, гелию необходимо давление выше 25 атмосфер. Химических соединений гелия мало и все при стандартных условиях они нестабильны.
Встречающийся в природе гелий состоит из двух стабильных изотопов – He и 4He. Изотоп “He” встречается очень редко (изотопная распространённость 0,00014 %) при 99,99986 % у изотопа 4He. Помимо природных, известны так же 6 искусственных радиоактивных изотопов гелия.
Появлением практически всего, имеющегося во Вселенной, гелия послужил первичный нуклеосинтез, протекавший в первые минуты после Большого взрыва.
В настоящее время практически весь гелий образуется из водорода в результате термоядерного синтеза, происходящего в недрах звезд. На нашей планете гелий образуется в процессе альфа-распада тяжёлых элементов. Та часть, гелия, которой удается просочится сквозь Земную кору, выходит наружу в составе природного газа и может составлять до 7 % от его состава. Что бы выделить гелий из природного газа, используется фракционная перегонка – процесс низкотемпературного разделения элементов.

История открытия гелия

18 августа 1868 г. ожидалось полное солнечное затмение. Астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. Они надеялись разрешить тайну протуберанцев – светящихся выступов, видимых в момент полного солнечного затмения по краям солнечного диска. Одни астрономы полагали, что протуберанцы представляют собой высокие лунные горы, которые в момент полного солнечного затмения освещаются лучами Солнца; другие думали, что протуберанцы – это горы на самом Солнце; третьи видели в солнечных выступах огненные облака солнечной атмосферы. Большинство же считало, что протуберанцы – не более, чем оптический обман.

В 1851 г. во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Европе, немецкий астроном Шмидт не только увидел солнечные выступы, но и успел разглядеть, что очертания их меняются с течением времени. На основании своих наблюдений Шмидт заключил, что протуберанцы являются раскаленными газовыми облаками, выбрасываемыми в солнечную атмосферу гигантскими извержениями. Однако и после наблюдений Шмидта многие астрономы по-прежнему считали огненные выступы обманом зрения.

Только после полного затмения 18 июля 1860 г., которое наблюдалось в Испании, когда многие астрономы увидели солнечные выступы собственными глазами, а итальянцу Секки и французу Делларю удалось не только зарисовать, но и сфотографировать их, ни у кого уже не было сомнений в существовании протуберанцев.

К 1860 г. был уже изобретен спектроскоп – прибор, дающий возможность путем наблюдений видимой части оптического спектра определять качественный состав тела, от которого получается наблюдаемый спектр. Однако в день солнечного затмения никто из астрономов не воспользовался спектроскопом, чтобы рассмотреть спектр протуберанцев. О спектроскопе вспомнили, когда затмение уже закончилось.

Вот почему, готовясь к солнечному затмению 1868 г., каждый астроном в список инструментов для наблюдения включил и спектроскоп. Не забыл этот прибор и Жюль Жансен, известный французский ученый, отправляясь для наблюдения протуберанцев в Индию, где условия для наблюдения солнечного затмения по вычислениям астрономов были наилучшими.

В момент, когда сверкающий диск Солнца был полностью закрыт Луной, Жюль Жансен, исследуя с помощью спектроскопа оранжево-красные языки пламени, вырывавшиеся с поверхности Солнца, увидел в спектре, кроме трех знакомых линий водорода: красной, зелено-голубой и синей, новую, незнакомую – ярко-желтую. Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело такой линии в той части спектра, где ее обнаружил Жюль Жансен. Такое же открытие, но у себя дома, в Англии, сделал астроном Норман Локиер.

25 октября 1868 г. парижская Академия наук получила два письма. Одно, написанное на следующий день после солнечного затмения, пришло из Гунтура, маленького городка на восточном побережье Индии, от Жюля Жансена; другое письмо, от 20 октября 1868 г. было из Англии от Нормана Локиера.

Полученные письма были зачитаны на заседании профессоров парижской Академии наук. В них Жюль Жансен и Норман Локиер, независимо один от другого, сообщили об открытии одного и того же "солнечного вещества". Это новое вещество, найденное на поверхности Солнца с помощью спектроскопа, Локиер предлагал назвать гелием от греческого слова "солнце" – "гелиос".

Такое совпадение удивило ученое собрание профессоров Академий и в то же время свидетельствовало об объективном характере открытия нового химического вещества. В честь открытия вещества солнечных факелов (протуберанцев) была выбита медаль. На одной стороне этой медали выбиты портреты Жансена и Локиера, а на другой – изображение древнегреческого бога солнца Аполлона в колеснице, запряженной четверкой коней. Под колесницей красовалась надпись на французском языке: "Анализ солнечных выступов 18 августа 1868 г."

В 1895 г. лондонский химик Генри Майерс обратил внимание Вильяма Рамзая, известного английского физико-химика, на тогда уже забытую статью геолога Хильдебранда. В этой статье Хильдебранд утверждал, что некоторые редкие минералы при нагревании их в серной кислоте выделяют газ, не горящий и не поддерживающий горения. В числе таких редких минералов был клевеит, найденный в Норвегии Норденшельдом, знаменитым шведским исследователем полярных областей.

Рамзай решил исследовать природу газа, содержащегося в клевеите. Во всех химических магазинах Лондона помощникам Рамзая удалось купить всего только... один грамм клевеита, заплатив за него всего 3,5 шиллинга. Выделив из полученного количества клевеита несколько кубических сантиметров газа и очистив его от примесей, Рамзай исследовал его с помощью спектроскопа. Результат был неожиданным: выделенный из клевеита газ оказался... гелием!

Не доверяя своему открытию, Рамзай обратился к Вильяму Круксу, крупнейшему в то время в Лондоне специалисту спектрального анализа, с просьбой исследовать выделенный из клевеита газ.

Крукс исследовал газ. Результат исследования подтвердил открытие Рамзая. Так 23 марта 1895 г. на Земле было обнаружено вещество, 27 лет назад найденное на Солнце. В тот же день Рамзай опубликовал свое открытие, отправив одно сообщение в Лондонское Королевское общество, а другое – известному французскому химику академику Бертло. В письме к Бертло Рамзай просил сообщить о своем открытии ученому собранию профессоров парижской Академии.

Через 15 дней после Рамзая, независимо от него, шведский химик Ланглэ выделил гелий из клевеита и так же, как и Рамзай, сообщил о своем открытии гелия химику Бертло.

В третий раз гелий был открыт в воздухе, куда, по мысли Рамзая, он должен был поступать из редких минералов (клевеита и др.) при разрушении и химических превращениях на Земле.

В небольших количествах гелий был обнаружен и в воде некоторых минеральных источников. Так, например, он был найден Рамзаем в целебном источнике Котрэ в Пиренейских горах, английский физик Джон Вильям Рэлей нашел его в водах источников на известном курорте Бат, немецкий физик Кайзер открыл гелий в ключах, бьющих в горах Шварцвальда. Однако больше всего было обнаружено гелия в некоторых минералах. Он содержится в самарските, фергусоните, колумбите, монаците, ураните. В минерале торианите с острова Цейлон содержится особенно много гелия. Килограмм торианита при нагревании докрасна выделяет 10 л гелия.

Вскоре было установлено, что гелий встречается только в тех минералах, в составе которых находятся радиоактивные уран и торий. Альфа-лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия.

Из истории...

Его необычные свойства позволяют широко использовать гелий для самых различных целей. Первая, абсолютно логичная, исходя из его легкости – использование в воздушных шарах и дирижаблях. Причем в отличие от водорода – он не взрывоопасен. Это свойство гелия использовалось немцами в Первую Мировую войну на боевых дирижаблях. Минусом использования является то, дирижабль наполненный гелием не взлетит так высоко как водородный.

Для бомбардировки крупных городов, главным образом, столиц Англии и Франции, немецкое командование в первую мировую войну использовало дирижабли (цеппелины). Для наполнения их употребляли водород. Поэтому борьба с ними была сравнительно простой: зажигательный снаряд, попадавший в оболочку дирижабля, поджигал водород, тот мгновенно вспыхивал и аппарат сгорал. Из 123 дирижаблей, построенных в Германии за время первой мировой войны, 40 сгорели от зажигательных снарядов. Но однажды генеральный штаб английской армии был удивлен сообщением особой важности. Прямые попадания зажигательных снарядов в немецкий цеппелин не дали результатов. Дирижабль не вспыхнул, а медленно истекая каким-то неизвестным газом, улетел обратно.

Военные специалисты недоумевали и, несмотря на экстренное и подробное обсуждение вопроса о невоспламеняемости цеппелина от зажигательных снарядов, не могли найти нужного объяснения. Загадку разгадал английский химик Ричард Трелфолл. В письме в адрес Британского адмиралтейства он писал: "...полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием..."

Убедительность доводов Трелфолла, однако, снижалась фактом отсутствия в Германии значительных источников гелия. Правда, гелий содержится а воздухе, но его там мало: в одном кубическом метре воздуха содержится всего только 5 кубических сантиметров гелия. Холодильная машина системы Линде, превращающая в жидкость несколько сот кубических метров воздуха в один час, могла дать за это время не более 3 л гелия.

3 литра гелия в час! А для наполнения цеппелина нужно 5÷6 тыс. куб. м. Для получения такого количества гелия одна машина Линде должна была работать без остановки около двухсот лет, двести таких машин дали бы нужное количество гелия в один год. Постройка 200 заводов по превращению воздуха в жидкость для получения гелия экономически весьма невыгодна, а практически бессмысленна.

Откуда же немецкие химики получали гелий?

Этот вопрос, как выяснилось позже, был решен сравнительно просто. Задолго до войны немецким пароходным компаниям, возившим товары в Индию и Бразилию, дано было указание грузить возвращающиеся пароходы не обычным балластом, а монацитовым песком, который содержит гелий. Так был создан запас "гелиевого сырья" – около 5 тыс. т монацитового песка, из которого и получался гелий для цеппелинов. Кроме того, гелий добывался из воды минерального источника Наугейм, дававшего до 70 куб. м гелия ежедневно.

Случай с несгораемым цеппелином явился толчком для новых поисков гелия. Гелий стали усиленно искать химики, физики, геологи. Он неожиданно приобрел огромную ценность. В 1916 г. 1 кубометр гелия стоил 200 000 рублей золотом, т. е. 200 рублей за литр. Если учесть, что литр гелия весит 0,18 г, то 1 г его стоил свыше 1000 рублей.

Гелий сделался объектом охоты коммерсантов, спекулянтов, биржевых дельцов. Гелий в значительных количествах был обнаружен в природных газах, выходящих из недр земли в Америке, в штате Канзас, где после вступлений Америки в воину, близ города Форт-Уорс был построен гелиевый завод. Но война закончилась, запасы гелия остались неиспользованными, стоимость гелия резко упала и составляла в конце 1918 г. около четырех рублей за кубический метр.

Добытый с таким трудом гелий был использован американцами только в 1923 г. для наполнения теперь уже мирного дирижабля "Шенандоа". Он был первым и единственным в мире воздушным грузопассажирским кораблем, наполненным гелием. Однако "жизнь" его оказалась непродолжительной. Через два года после своего рождение "Шенандоа" был уничтожен бурей. 55 тыс. куб. м, почти весь мировой запас гелия, собиравшийся в течение шести лет, бесследно рассеялся в атмосфере во время бури, длившейся всего 30 минут.

Применение гелия

Гелий в природе

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – He 4 , чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

На Земле гелия мало: 1 м 3 воздуха содержит всего 5,24 см 3 гелия, а каждый килограмм земного материала - 0,003 мг гелия. Но по распространённости во Вселенной гелий занимает 2-е место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы. Примерно половина всего гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание гелия в земной коре невелико - 3 х 10 -7 % по массе. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации гелия (10 -13 %) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше гелия в составе природных газов.

Добыча гелия

Добыча гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10-0,50) и бедные < 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд. кубометров. Крупные месторождения находятся в США (45% от мировых ресурсов), далее идут Россия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%).
По производству гелия также лидируют США (140 млн. кубометров в год), затем - Алжир (16 млн.).

Россия занимает третье место в мире – 6 млн. кубометров в год. Оренбургский гелиевый завод является в настоящее время единственным отечественным источником получения гелия, причем производство газа снижается. В связи с этим, газовые месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока с высокими концентрациями гелия (до 0,6%) приобретают особое значение. Одним из наиболее перспективных является Ковыктинское газоконденсатное месторождение, находящееся на севере Иркутской области. По оценкам специалистов здесь содержится около 25% общемировы х запасов гелия.

Безопасность

– Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен
– Гелий разрешено применять в любых местах массового скопления людей: на концертах, рекламных акциях, стадионах, магазинах.
– Газообразный гелий физиологически инертен и не представляет опасности для человека.
– Гелий не опасен и для окружающей среды, поэтому обезвреживания, утилизации и ликвидации его остатков в баллонах не требуется.
– Гелий значительно легче воздуха и рассеивается в верхних слоях атмосферы Земли.

Хранение и перевозка гелия

Газообразный гелий можно транспортировать всеми видами транспорта согласно правилам перевозок грузов на конкретном виде транспорта. Перевозка производится в специальных стальных баллонах коричневого цвета и контейнерах для перевозки гелия. Жидкий гелий транспортируют в транспортных сосудах типа СТГ-40, СТГ-10 и СТГ-25 объемом 40, 10 и 25 литров.

Правила перевозки баллонов с техническими газами

Перевозка опасных грузов в Российской Федерации регламентируется следующими документами:

1. "Правила перевозки опасных грузов автомобильным транспортом" (в ред. Приказов Минтранса РФ от 11.06.1999 №37, от 14.10.1999 №77; зарегистрированы в Министерстве юстиции Российской Федерации 18 декабря 1995 года, регистрационный N 997).

2. "Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов" (ДОПОГ), к которому Россия официально присоединилась 28 апреля 1994 (постановление Правительства РФ от 03.02.1994 №76).

3. "Правила дорожного движения" (ПДД 2006), а именно статья 23.5, устанавливающая что "Перевозка... опасных грузов... осуществляется в соответствии со специальными правилами".

4. "Кодекс РФ об административных правонарушениях", статья 12.21 ч.2 которого предусматривает ответственность за нарушение правил перевозки опасных грузов в виде "административного штрафа на водителей в размере от одного до трех минимальных размеров оплаты труда или лишения права управления транспортными средствами на срок от одного до трех месяцев; на должностных лиц, ответственных за перевозку - от десяти до двадцати минимальных размеров оплаты труда".

В соответствии с п.п.3 п.1.2 "Действие Правил не распространяется на... перевозки ограниченного количества опасных веществ на одном транспортном средстве, перевозку которых можно считать как перевозку неопасного груза". Там же разъяснено, что "Ограниченное количество опасных грузов определяется в требованиях по безопасной перевозке конкретного вида опасного груза. При его определении возможно использование требований Европейского соглашения о международной перевозке опасных грузов (ДОПОГ)". Таким образом, вопрос о максимальном количестве веществ, которое можно перевозить как неопасный груз сводится к изучению раздела 1.1.3 ДОПОГ , устанавливающему изъятия из европейских правил перевозки опасных грузов, связанные с различными обстоятельствами.

Так, например, в соответствии с п. 1.1.3.1 "Положения ДОПОГ не применяются... к перевозке опасных грузов частными лицами, когда эти грузы упакованы для розничной продажи и предназначены для их личного потребления, использования в быту, досуга или спорта, при условии, что приняты меры для предотвращения любой утечки содержимого в обычных условиях перевозки".

Однако, формально признаваемая правилами перевозки опасных грузов группа изъятий - изъятия связанные с количествами, перевозимыми в одной транспортной единице (п.1.1.3.6 ).

Все газы отнесены ко второму классу веществ по классификации ДОПОГ. Негорючие, неядовитые газы (группы А - нейтральные и О - окисляющие) относятся к третьей транспортной категории, с ограничением максимального количества в 1000 единиц. Легковоспламеняющиеся (группа F) - ко второй, с ограничением максимального количества в 333 единицы. Под "единицей" здесь понимается 1 литр вместимости сосуда, в котором находится сжатый газ, или 1 кг сжиженного или растворенного газа. Таким образом, максимальное количество газов, которое можно перевозить в одной транспортной единице как неопасный груз, следующее:

Главная » Международное право » Химический состав гелия. Гелий: свойства, характеристики, применение