Гелий
Гелий
(лат. Helium), He (читается «гелий»), химический элемент с атомным номером 2,
атомная масса 4,002602. Относится к группе инертных, или благородных, газов
(группа VIIIA периодической системы).
Природный
гелий состоит из двух стабильных нуклидов: 3Не (0,00013% по объему) и 4Не.
Почти полное преобладание гелия-4 связано с образованием ядер этого нуклида при
радиоактивном распаде урана (U), тория (Th), радия (Ra) и других атомов,
происходившем в течение длительной истории Земли.
Радиус
нейтрального атома гелия 0,122 нм. Электронная конфигурация нейтрального
невозбужденного атома 1s2. Энергии последовательной ионизации нейтрального
атома равны, соответственно, 24,587 и 54,416 эВ (у атома гелия самая высокая
среди нейтральных атомов всех элементов энергия отрыва первого электрона).
Простое
вещество гелий — легкий одноатомный газ без цвета, вкуса, запаха.
Свойства:
гелий — легкий негорючий газ, плотность газообразного гелия при нормальных
условиях 0,178 кг/м3 (меньше только у газа водорода (H)). Температура кипения
гелия (при нормальном давлении) около 4,2 К (или 268,93°C, это — самая низкая
температура кипения).
При
нормальном давлении жидкий гелий не удается превратить в твердое вещество даже
при температурах, близких к абсолютному нулю (0К). При давлении около 3,76 МПа
температура плавления гелия 2,0К. Наименьшее давление, при котором наблюдается
переход жидкого гелия в твердое состояние — 2,5МПа (25 ат), температура
плавления гелия при этом около 1,1 К (–272,1°C).
В
100 мл воды при 20°C растворяется 0,86 мл гелия, в органических растворителях
его растворимость еще меньше. Легкие молекулы гелия хорошо проходят
(диффундируют) через различные материалы (пластмассы, стекло, некоторые
металлы).
Для
жидкого гелия-4, охлажденного ниже –270,97°C, наблюдается ряд необычных
эффектов, что дает основание рассматривать эту жидкость как особую, так
называемую квантовую, жидкость. Эту жидкость обычно обозначают как гелий-II в
отличие от жидкого гелия-I — жидкости, существующей при чуть более высоких
температурах. Температура перехода гелия-I в гелий-II равна 2,186 К. Эту
температуру часто называют l-точкой.
Жидкий
гелий-II способен быстро проникать через мельчайшие отверстия и капилляры, не
обнаруживая при этом вязкости (так называемая сверхтекучесть жидкого гелия-II).
Кроме того, пленки гелия-II быстро перемещаются по поверхности твердых тел, в
результате чего жидкость быстро покидает тот сосуд, в который она была
помещена. Это свойство гелия-II называют сверхползучестью. Сверхтекучесть
гелия-II открыта в 1938 году советским физиком П. Л. Капицей (Нобелевская
премия по физике, 1978 год). Объяснение уникальным свойствам гелия-II дано
другим советским физиком Л. Д. Ландау в 1941-1944 годах (Нобелевская премия по
физике, 1962 год).
Никаких
химических соединений гелий не образует. Правда, в разреженном ионизированном
гелии удается обнаружить достаточно устойчивые двухатомные ионы Не2+.
История
открытия и название: открытие гелия началось с 1868 года, когда при наблюдении
солнечного затмения астрономы француз П. Ж. Жансен и англичанин Д. Н. Локьер
независимо друг от друга обнаружили в спектре солнечной короны желтую линию
(она получила название D3-линии), которую нельзя было приписать ни одному из
известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил ее происхождение
присутствием на Солнце нового элемента. В 1895 году англичанин У. Рамзай
выделил из природной радиоактивной руды клевеита газ, в спектре которого
присутствовала та же D3-линия. Новому элементу Локьер дал имя, отражающее
историю его открытия (греч. Helios — солнце). Поскольку Локьер полагал, что
обнаруженный элемент — металл, он использовал в латинском названии элемента
окончание «lim» (соответствует русскому окончанию «ий»), которое обычно
употребляем в названии металлов. Таким образом, гелий задолго до своего
открытия на Земле получил имя, которое окончанием отличает его от названий
остальных инертных газов.
Нахождение
в природе: в атмосферном воздухе содержание гелия очень мало и составляет около
5,27·10–4% по объему. В земной коре его 0,8·10–6%, в морской воде — 4·10–10%.
Источником гелия служат нефть и гелионосные природные газы, в которых
содержание гелия достигает 2-3%, а в редких случаях и 8-10% по объему. Зато в
космосе гелий — второй по распространенности элемент (после водорода (H)): на
его долю приходится 23% космической массы.
Получение:
в настоящее время гелий выделяют из природных гелионосных газов, пользуясь
методом глубокого охлаждения (гелий снимается труднее всех остальных газов).
Месторождения таких газов имеются в России, США, Канаде и ЮАР. Гелий содержится
также в некоторых минералах (монаците, торианите и других), при этом из 1 кг
минерала при нагревании можно выделить до 10 л гелия.
Применение:
гелий используют для создания инертной и защитной атмосферы при сварке, резке и
плавке металлов, при перекачивании ракетного топлива, для заполнения дирижаблей
и аэростатов, как компонент среды гелиевых лазеров. Жидкий гелий, самая
холодная жидкость на Земле, — уникальный хладагент в экспериментальной физике,
позволяющий использовать сверхнизкие температуры в научных исследованиях
(например, при изучении электрической сверхпроводимости). Благодаря тому, что
гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть
искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам. Замена азота (N) на
гелий предотвращает кессонную болезнь (при вдыхании обычного воздуха азот под
повышенным давлением растворяется в крови, а затем выделяется из нее в виде
пузырьков, закупоривающих мелкие сосуды).
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.alhimikov.net/