Хелий

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
2 ВодородХелийЛитий
-

He

Неон
Външен вид
Безцветен газ, излъчващ лилава светлина, поставен в силно електрическо поле Безцветен газ, излъчващ лилава светлина, поставен в силно електрическо поле
Общи данни
Име, символ, № Хелий, He, 2
Химическа серия Благороден газ
Група, период, блок 18, 1, s
Свойства на атома
Атомна маса 4,002602 u
Атомен радиус (calc) 31 (31) pm
Ковалентен радиус 32 pm
Радиус на ван дер Ваалс 140 pm
Електронна конфигурация 1s2
e- на енергийно ниво 2
Оксидационни с-ния (оксид) 0 (n.a.)
Кристална структура хексагонална
Физични свойства
Агрегатно състояние Газ
Плътност 0,1785 kg/m³
Температура на топене 0,95 K (−272,2 °C)
Температура на кипене 4,216 K (−268,9 °C)
Моларен обем 31,8 ×10-6 m³/mol
Специф. топлина на топене 5,23 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 0,08 kJ/mol
Скорост на звука 970 m/s при 293,15 K
Други
Електроотрицателност n.a. (скала на Полинг)
Специф. топлинен капацитет 5193 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост n.a. S/m
Топлопроводимост 0,152 W/(m·K)
Йонизационен потенциал 2372,3 kJ/mol

Хелият е химичен елемент с атомен номер 2 и атомна маса 4,002602, означаван със символа He. Представлява безцветен нетоксичен газ без вкус и миризма и заема първото място в групата на инертните газове в периодичната система. Неговите температура на кипене и топене са най-ниските сред всички химични елементи, като съществува само в газообразна форма, освен при определени екстремни условия.

Хелият е открит през 1868 година от Пиер Жансен и Норман Локиър, които независимо един от друг наблюдават слънчеви затъмнения и забелязват неизвестна до този момент жълта спектрална линия на Слънцето. Локиър решава, че тя се дължи на новооткрит химичен елемент, който нарича хелий по името на древногръцкия бог на слънцето Хелиос. През 1903 година в находища на природен газ в Съединените щати са открити големи залежи от хелий, като страната и днес остава най-големият производител на този газ.

Хелият се използва в криогениката, неговата най-важна самостоятелна област на приложение, в която се изразходва около една четвърт от произвежданото количество, както и за охлаждане на свръхпроводящи магнити, намиращи приложение в магнитно-резонансните скенери. Около половината от производството на хелий се използва в различни промишлени процеси, където той служи за поддържащ налягането или почистващ газ и за защитна атмосфера при заваряване или при производството на силициеви подложки. Популярно приложение, но с ограничено стопанско значение, е използването на хелия като подемен газ в балони и дирижабли.[1] Както при всеки газ с плътност, различна от тази на въздуха, вдишването на малко количество хелий временно променя тембъра и характеристиките на човешкия глас.

В научните изследвания поведението на две флуидни фази на хелий-4, хелий I и хелий II, играят важна роля при изучаването на квантовата механика (в частност на явлението свръхфлуидност), както и на поведението на материята при температури, близки до абсолютната нула (например свръхпроводимостта).

Хелият е вторият най-лек и вторият най-разпространен химичен елемент в наблюдаваната Вселена след водорода. В рамките на нашата галактика той заема около 24% от масата на всички елементи, а общата му маса във Вселената се оценява на повече от 12 пъти по-голяма от тази на всички по-тежки елементи, взети заедно. Подобна е концентрацията на хелия и в Слънцето и планетата Юпитер. Това се дължи на високата енергия на свързване на хелий-4 в сравнение със следващите три елемента (литий, берилий и бор). По същата причина хелий-4 често присъства в продуктите на ядрения синтез и радиоактивния разпад. По-голямата част от хелия във Вселената се състои от изотопа хелий-4, като се смята, че е образуван по време на Големия взрив. Известно количество нов хелий се образува в резултат на термоядрен синтез в звезди с маса, по-голяма от половината маса на Слънцето.

На Земята ниската плътност на хелия е довела до неговото изпаряване от газовия и прашен облак, от който е формирана планетата, поради което елементът е относително рядък — едва 0,00052% от обема на атмосферата. Присъстващият днес на Земята хелий е образуван от естествения радиоактивен разпад на силно радиоактивните елементи (торий и уран), като алфа частиците, образувани при този разпад, представляват ядра на хелий-4. Такъв радиогенен хелий присъства в природния газ в концентрации, достигащи 7% от обема, откъдето се извлича промишлено чрез фракциониране при ниски температури.

История[редактиране | edit source]

Научни открития[редактиране | edit source]

Изображение на видимия спектър с наложени ярки жълта, синя и виолетова линия
Спектрални линиии на хелия

Хелият е наблюдаван за пръв път на 18 август 1868 година като жълта линия с дължина на вълната 587,49 нанометра в емисионния спектър на хромосферата на Слънцето. Линията е забелязана от френския астроном Пиер Жансен по време на пълното слънчево затъмнение в индийския град Гунтур.[2][3] Първото предположение е, че линията се дължи на натрия. На 20 октомври същата година английският астроном Норман Локиър също наблюдава жълта линия в слънчевия спектър, която нарича линия на Фраунхофер D3, тъй като е разположена близо до известните линии на натрия D1 и D2.[4] Локиър решава, че линията се дължи на химичен елемент в състава на Слънцето, който е неизвестен на Земята. Заедно с английския химик Едуард Франкланд той му дава името на древногръцкия бог на слънцето Хелиос (ἥλιος).[5][6][7]

През 1882 година италианският физик Луиджи Палмиери за пръв път открива хелий на Земята, попадайки на неговата спектрална линия D3 при анализ на лава от вулкана Везувий.[8]

На 26 март 1895 година шотландският химик Уилям Рамзи успява да изолира хелий, обработвайки минерала клевеит (разновидност на уранинита с над 10% съдържание на редкоземни елементи) с минерални киселини. Рамзи се опитва да получи аргон след отделянето на азот и кислород от газа, освободен със сярна киселина, когато забелязва яркожълтата линия, съответстваща на линията D3 от слънчевия спектър.[4][9][10][11] Пробите на Рамзи са идентифицирани като хелий от Локиър и от английския физик Уилям Крукс. През същата година хелият отново е изолиран от клевеит от шведските химици Пер Теодор Клеве и Абрахам Ланглет, които получават достатъчно количество от газа, за да определят точно неговата атомна маса.[3][12][13]

През 1907 година Ърнест Ръдърфорд и Томас Ройдс показват, че алфа частиците са хелиеви ядра, като оставят частиците да проникнат през тънката стъклена стена на вакуумна тръба, след което създават разряд в тръбата, за да изследват спектъра на новия газ в нея. През следващата година хелият за пръв път е втечнен от нидерландския физик Хейке Камерлинг Онес чрез охлаждане на газа до температура под 1 келвин.[14] Той се опитва да замрази хелия като продължи да намалява температурата, но не успява, тъй като хелият няма тройна точка, температура, при която твърдото, течното и газообразното състояние са в равновесие. Едва през 1926 година ученикът на Онес Вилем Хендрик Кесом успява да замрази 1 cm³ хелий.[15]

През 1938 година руският физик Пьотър Капица открива, че хелий-4 е почти напълно невискозен при температури, близки до абсолютната нула.[16] Това явление, известно днес като свръхфлуидност, е свързано с Бозе-Айнщайновата кондензация. През 1972 година същото явление е наблюдавано от американските физици Дъглас Ошероф, Дейвид Лий и Робърт Ричардсън и при хелий-3, но при температури, много по-близки до абсолютната нула. Предполага се, че при този изотоп свръхфлуидността се дължи на съчетаването на фермиони в бозони по подобие на купъровите двойки от електрони, на които се дължи свръхпроводимостта.[17]

Извличане и употреба[редактиране | edit source]

Свойства[редактиране | edit source]

Природният хелий е смес от изотопите 3He и 4He. Известен е един изкуствено радиоактивен изотоп. Атомното ядро на 4He представлява α-частица, която се излъчва при радиоактивния разпад. Хелият е едноатомен инертен газ без цвят и мирис с температура на топене 0,95 K (−272,2 °C) и температура на кипене 4,22 K (−268,9 °C) (най-студената течност, кипи в непосредствена близост до абсолютната нула). Плътността му при −270°C е 0,147 g/cm³. Течният хелий е свръхпроводящ и притежава свойството свръхфлуидност.

Изотопи[редактиране | edit source]

Съединения[редактиране | edit source]

Химичната нереактивоспособност се обуславя от изключителната устойчивост на електронната структура на хелиевите атоми. През 1962 - 1963 година са получени хелиеви съединения, чиито съставки са свързани с Ван дер Ваалсови сили.

Наличие в природата[редактиране | edit source]

Производство[редактиране | edit source]

Приложение[редактиране | edit source]

Използва се за получаване на ниски температури, за създаване на инертна среда при автогенна обработка на метали, в електрониката, медицината (в смес с кислорода за лечение на астма), във водолазното дело (против кесонна болест), за пълнене на балони и дирижабли и другаде. По съотношение между количеството на хелий и минералното вещество, в което се съдържа, се определя абсолютната възраст на минералите (хелиев метод).

Биологични ефекти и безопасност[редактиране | edit source]

Бележки[редактиране | edit source]

  1. ((en)) Rose, Melinda. Helium: Up, Up and Away?. // Photonics Spectra, 2008. Посетен на 4 януари 2011.
  2. ((en)) Kochhar, R. K.. French astronomers in India during the 17th – 19th centuries. // Journal of the British Astronomical Association 101 (2). 1991. с. 95–100.
  3. а б ((en)) Emsley, John. Nature's Building Blocks. Oxford, Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5. с. 175–179.
  4. а б ((en)) Hampel, Clifford A. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York, Van Nostrand Reinhold, 1968. ISBN 0442155980. с. 256–268.
  5. ((en))  Balloon helium Gas. // Balloon Professional Magazine, 2009. Посетен на 4 януари 2010.
  6. ((en))  Helium. // Oxford English Dictionary, 2008. Посетен на 20 юли 2008.
  7. ((en)) Thomson, W. Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium. Rep. Brit. Assoc. xcix, 1872.
  8. ((en)) Stewart, Alfred Walter. Recent Advances in Physical and Inorganic Chemistry. BiblioBazaar, LLC, 2008. ISBN 0554805138. с. 201.
  9. ((en)) Ramsay, William. On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3 , One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note. // Proceedings of the Royal Society of London 58. 1895. DOI:10.1098/rspl.1895.0006. с. 65–67.
  10. ((en)) Ramsay, William. Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I. // Proceedings of the Royal Society of London 58. 1895. DOI:10.1098/rspl.1895.0010. с. 80–89.
  11. ((en)) Ramsay, William. Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--. // Proceedings of the Royal Society of London 59. 1895. DOI:10.1098/rspl.1895.0097. с. 325–330.
  12. ((de)) Langlet, N. A. Das Atomgewicht des Heliums. // Zeitschrift für anorganische Chemie 10 (1). 1895. DOI:10.1002/zaac.18950100130. с. 289–292.
  13. ((en)) Weaver, E.R. Bibliography of Helium Literature. // Industrial & Engineering Chemistry. 1919.
  14. ((en)) van Delft, Dirk. Little cup of Helium, big Science. // Physics today. 2008. с. 36–42.
  15. ((en))  Coldest Cold. // Time Inc., 1929-06-10. Посетен на 27 юли 2008.
  16. ((en)) Kapitza, P. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point. // Nature 141. 1938. DOI:10.1038/141074a0. с. 74.
  17. ((en)) Osheroff, D. D и др. Evidence for a New Phase of Solid He3. // Physical Review Letters 28 (14). 1972. DOI:10.1103/PhysRevLett.28.885. с. 885–888.

Вижте още[редактиране | edit source]