Гелий

2 Водород ← Гелий → Литий n ↑ He ↓ Ne 2He
Внешний вид простого вещества
Свечение гелия в газоразрядной трубке
Свойства атома
Имя, символ, номер	Гелий/Helium (He), 2
Группа, период, блок	18 (устар. 8), 1, s-элемент
Атомная масса (молярная масса)	4,002602 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 г/см3 (при −270 °C); 0,00017846 (при +20 °C) г/см³
Температура плавления	0,95 K (-272,2 °C, -457,96 °F) (при 2,5 МПа)
Температура кипения	4,2152 K (-268,94 °C, -452,08 °F)
Теплота плавления	0,0138 кДж/моль
Теплота испарения	0,0829 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	20,79 Дж/(K·моль)
Молярный объём	22,4⋅103 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=3,570 Å; c=5,84 Å
Отношение c/a	1,633
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 0,152 Вт/(м·К)

2	Гелий
He 4,0026
1s2

Гелий — второй элемент в таблице Менделеева и по распространенности во Вселенной. Название происходит от греческого — «ἥλιος», что означает «Солнце». Название элемента было выбрано с окончанием «-ий», характерным для металлов, так как Джозеф Локьер считал, что гелий является металлом. Хотя логичнее было бы назвать его «гелион». В современной науке термин «гелион» относится к разновидности ядра легкого изотопа гелия-3.

Гелий — инертный газ, без цвета, вкуса и запаха. На Земле его относительно мало. Основной источник гелия — природные газы. Гелий — самый лёгкий газ после водорода. У него низкая критическая температура (-267, 97°С), он плохо растворяется в воде и жидких углеводородах, химически инертен и устойчив к ионизирующему излучению. Благодаря своим уникальным свойствам, гелий широко используется в науке и технике для создания очень чистых сред, сверхпроводящих материалов, мощных магнитных полей и низких температур.

История открытия элемента

Пьер Жюль Сезар Жансен

18 августа 1868 года французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен изучал хромосферу Солнца в индийском городе Гунтур. Во время солнечного затмения, с помощью метода спектроскопии для изучения излучаемого Солнцем света, Жансен обнаружил новую, ярко-желтую линию, которую нельзя было приписать ни одному из уже известных элементов. Эта ярко-жёлтая линия принадлежала элементу, с которым наука того времени ещё не сталкивалась. Однако Жансен не сразу понял, что он открыл новый элемент. Через два месяца, 20 октября 1868 года, английский астроном Джозеф Норман Локьер, работавший независимо от Жансена, провел аналогичные исследования. Он также обнаружил ярко-жёлтую линию, которая была близка по длине волны к Фраунгоферовым линиям натрия D1 и D2. Локьер доказал, что эта линия не принадлежит ни одному из известных веществ и назвал её D3. В 1870 году он вместе с английским химиком Эдуардом Франклендом назвал элемент «гелий» по древнегреческому слову «Солнце».

Присутствие гелия на Земле впервые удалось обнаружить Уильяму Рамзаю, представителю британской научной школы. Исследуя спектр поглощения газа, выделившегося при разложении клевеита (минерала, содержащего торий и уран), учёный обнаружил ту же самую D3-линию. Это открытие позволило ему предположить, что гелий может выделяться из минералов с высоким содержанием тория и урана. Немного позже Рамзаю удалось выделить гелий.

Положение элемента в Периодической системе, строение атома

Гелий — элемент в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Он находится в главной подгруппе VIII группы (группе инертных газов) и первом периоде. Учёными на данный момент известно о существовании восьми его изотопов, но только два из них стабильны и встречаются в природе: гелий-3 и гелий-4. Разница между ними состоит всего в одном нейтроне, но это приводит к существенным различиям между ними, начиная с соотношения их количества в природе. Альфа-распад является наиболее энергетически выгодным превращением нестабильных ядер на Земле, и гелий-4 является продуктом этой ядерной реакции, поэтому его количество в природе примерно в десять тысяч раз больше, чем гелия-3, который образуется при бета-распаде космического трития.

Нахождение в природе

Гелий — один из самых распространенных элементов во Вселенной (примерно 23 % от общей массы космоса), а также второй по легкости после водорода. На Земле гелий относительно редок. Основным источником гелия в настоящее время являются природные газы .

Физические свойства

Флакон со светящимся сверхчистым гелием

Гелий является газом, который не имеет цвета, вкуса и запаха. Гелий — второй по лёгкости газ после водорода. У него низкая критическая температура Ткр-267, 97 °С, не растворим в воде, жидком углеводороде, химически-инертный и стойкий к ионизации. В силу своих уникальных свойств гелий широко используется в различных науках и различных технологических процессах — для создания сверхчистых сред, сверхпроводящих материалов, сильных магнитных полей, очень низких температур. Он обладает высокой теплопроводностью, превосходящей теплопроводность других газов, за исключением водорода, и имеет очень высокую удельную теплоёмкость. Его скорость диффузии через твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и примерно на 65 % выше, чем у водорода. Приблизительный диаметр молекулы He₂ составляет 0,2 нм. Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. При нормальной температуре среды гелий обладает отрицательным коэффициентом Джоуля-Томсона, то есть нагревается при свободном увеличении объёма. Однако только при охлаждении ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона (примерно 40 К при нормальном давлении) гелий остывает при свободном расширении. При дальнейшем охлаждении ниже этой температуры гелий может переходить в жидкое состояние при использовании расширительного охлаждения.

Химические свойства

Гелий имеет самую маленькую инертную молекулу во Вселенной. Известны некоторые химические соединения гелия, например фторид и гидрид, однако условий для их образования в природе практически нет, и их синтез возможен лишь в лаборатории. Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде эксимерных молекул, которые обладают устойчивыми возбужденными электронными состояниями и неустойчивым основным состоянием. Гелий образует двухатомные молекулы He₂, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при воздействии электрического разряда или УФ излучения на смесь гелия с фтором или хлором). При стандартных температуре и давлении гелий ведет себя практически как идеальный газ.

Получение гелия

Емкости для хранения гелия

Гелий, используемый в промышленности, добывается из природного газа с помощью процесса низкотемпературного разделения, известного как фракционная перегонка. В России гелий добывается из природного и нефтяного газа на заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия, что приводит к высокой себестоимости российского гелия. Одной из актуальных задач является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия, что позволит снизить его себестоимость. Лидерами по производству гелия являются США, затем Алжир, а Россия занимает третье место. Мировые запасы гелия составляют 45, 6 млрд м³. Крупные месторождения находятся в США, России, Алжире, Канаде и Китае. Жидкий гелий был впервые получен в 1908 году, а твердый — в 1926 году.

Применение гелия

Широкое применение гелия обусловлено его химической инертностью. Гелий используется:

• для создания инертной среды и предотвращения окисления металлических сплавов во время их термообработки в дирижаблях;
• в хроматографическом анализе в качестве газа-носителя;
• в водолазных баллонах и смесях для снятия приступов астмы и других заболеваний дыхательных путей, так как он практически не растворяется в человеческой крови;
• как отличный проводник тепла, поэтому его используют в охлаждающих системах ядерных реакторов;
• в качестве газовой смазки и в наружной неоновой рекламе гелий используется в смеси с другими благородными газами;
• жидкий гелий необходим для охлаждения сверхпроводящих магнитов в различных научных, технических и медицинских устройствах, таких как ускорители заряженных частиц, детекторы инфракрасного высокочастотного излучения, сканирующие туннельные микроскопы и криогенные электрические машины.

Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием

Гелий обладает уникальными свойствами и играет важную роль в научно-техническом прогрессе. Он определяет развитие ключевых отраслей экономики. Существуют теории, которые говорят о возможности использования гелия-3 в качестве топлива для термоядерного синтеза — будущего источника энергии. Россия, имея огромные запасы природного газа с высоким содержанием гелия в Восточной Сибири и Якутии, производит менее 3 % и потребляет менее 1 % гелия от общемирового объёма. Это свидетельствует о низком уровне развития высоких технологий в нашей стране. Гелий сегодня востребован на мировом рынке, и с развитием новых месторождений в России, страна может стать глобальным игроком с долей рынка в 40-50 %. Однако, при разработке этих месторождений необходимо помнить, что гелий — практически необновляемый ресурс, он рассеивается в атмосфере и не встречается в недрах в свободной форме, его можно получить только из природного газа. Поэтому важно принять разумный подход к разработке сибирских месторождений, оценить их востребованность на мировом рынке в долгосрочной перспективе и найти экономически эффективные способы сохранения этого ценного ресурса. В США, Канаде и Алжире разрабатываются месторождения природного газа с высоким содержанием гелия, что приводит к уменьшению его запасов. В перспективе его может не оказаться в достаточном количестве для возрастающего потребления. В то же время получение высококонцентрированного товарного жидкого гелия при отсутствии на сегодня достаточного рынка сбыта и хранение его на будущее требует огромных затрат.

Ссылки

• Большая российская энциклопедия
• Применение гелия. Интересные факты про гелий
• Почему гелий меняет голос