Хелий

Редактиране
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Хелий
Хелий – безцветен газ при нормални условия; поставен в силно електрическо поле, излъчва оранжева светлина
Хелий – безцветен газ при нормални условия; поставен в силно електрическо поле, излъчва оранжева светлина
Безцветен газ при нормални условия; поставен в силно електрическо поле, излъчва оранжева светлина
Спектрални линии на хелий
Спектрални линии на хелий
Водород ← Хелий → Литий
–
↑
He
↓
Ne
Периодична система
Общи данни
Име, символ, ZХелий, He, 2
Група, период, блок18, 1, p
Химическа серияблагороден газ
Електронна конфигурация1s2
e- на енергийно ниво2
CAS номер7440-59-7
Свойства на атома
Атомна маса4,002602 u
Атомен радиус31  pm
Ковалентен радиус28 pm
Радиус на ван дер Ваалс140 pm
Степен на окисление0
Йонизационна енергияI: 2372,3 kJ/mol
II: 5250,5 kJ/mol
Физични свойства
Агрегатно състояниегаз
Кристална структурашестоъгълна плътно опакована
Плътност0,1785 kg/m3
Температура на топене0,95 K (−272,05 °C)
Температура на кипене4,216 K (−268,784 °C)
Моларен обем31,8×10-6 m3/mol
Тройна точка2,177 K; 5043 Pa
Критична точка5,1953 K; 2,27×105 Pa
Специф. топлина на топене0,0823 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение0,0138 kJ/mol
Налягане на парата
P (Pa) 1 10 102 103 104 105
T (K) – – 1,23 1,67 2,48 4,21
Скорост на звука972 m/s при 0 °C
Топлопроводимост0,1513 W/(m·K)
Магнетизъмдиамагнитен
История
Наименуванна Хелиос, древногръцки бог на Слънцето
ОткритиеЖул Жансен, Норман Локиър (1868 г.)
ИзолиранеУилям Рамзи, Пер Теодор Клеве, Нилс Абрахам Ланглет (1895 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР
3He 0,0002 % стабилен
4He 99,9998 % стабилен
Хелий в Общомедия

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 Жул Жансен и Норман Локиър, които независимо един от друг наблюдават слънчеви затъмнения и забелязват неизвестна дотогава 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 САЩ са открити големи залежи от хелий, като страната и днес остава най-големият производител на този газ.

Откриване[редактиране | редактиране на кода]

Съществуването на хелий в природата е откривано от човека два пъти – на Слънцето и на Земята.

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 Жул Жансен по време на пълното слънчево затъмнение в индийския град Гунтур.[1][2] 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.[3] 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).[4][5][6]

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.[7]

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.[3][8][9][10] 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.[2][11][12]

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.[13] Той се опитва да замрази хелия, като продължава да намалява температурата, но не успява, тъй като хелият няма тройна точка, т.е. 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.[14]

През 1938 година руският физик Пьотър Капица открива, че хелий-4 е почти напълно невискозен при температури, близки до абсолютната нула.[15] 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.[16]

Разпространение[редактиране | редактиране на кода]

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.

Ядрото на хелия, под формата на α-частица, се образува и при ядрени реакции, протичащи под действието на частици с ниски, средни и високи енергии, например (n,α), (p,α) и др.[17]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

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 свръхпроводим и притежава свойството свръхфлуидност. Хелият в природата е смес от изотопите 3He и 4He.

Хелият е най-неразтворимият газ в течностите и е най-малко склонен към адсорбция и кондензация. Той е най-добрият проводник на електричеството сред газовете и втори по топлопроводност сред водорода.[17]

Изотопи[редактиране | редактиране на кода]

Има девет известни изотопа на хелий, но само хелий-3 и хелий-4 са стабилни. В земната атмосфера се среща един атом е 3He на 1 млн. 4He. За разлика от повечето елементи, различните изотопни форми имат разнообразни начини на образуване.

  • Хелий-4 – най-често срещаният изотоп на Земята, изключително стабилен, получава се чрез алфа-разпад на по-тежки радиоактивни елементи, като напълно йонизираното му атомно ядро представлява α-частица. Огромни количества от хелий-4 са образувани по време на Големия взрив.
  • Хелий-3 – стабилен изотоп, рядко срещан на Земята, за разлика от междузвездната среда, където е 100 пъти по-разпространен от хелий-4, защото е продукт на ядрения синтез в звездите (хелий-3 се получава при бета-разпад на водородния изотоп тритий). Космическите обекти изложени на слънчев вятър, като Луната и астероидите имат следи от хелий-3 в реголита. Повърхността на Луната съдържа почти двойно количество хелий-3 от земната атмосфера.

По съотношението между изотопите хелий-3 и хелий-4 в скалите от земната мантия може да се изследва техния произход и състав.

При изпарително охлаждане течен хелий-4 може да бъде охладен до около 1 K, а хелий-3 (с по-ниската си точка на кипене) достига до около 0,2 K. При температура под 0,8 K, двата изотопа са несмесими, поради различието им на квантово ниво: атомите на 4He са бозони, а 3He атомите са фермиони.

Изкуствено е възможно да се създадат хелиеви изотопи, които бързо се разпадат в други вещества. Най-краткотрайният изотоп на тежкия хелий е хелий-5 с полуживот 7,6.10−22 секунди. Хелий-6 се разпада чрез излъчване на бета-частица и има полуживот 0,8 секунди. Хелий-7 също излъчва бета-частица, както и гама-лъч. При определени ядрени реакции се създават хелий-7 и хелий-8. Известно е, че хелий-6 и хелий-8 проявяват ядрен ореол.

Известен е един изкуствен радиоактивен изотоп.

Агрегатни състояния[редактиране | редактиране на кода]

Газообразният хелий образува едноатми молекули. Той е газ без вкус, цвят и мирис.

Газообразният хелий минава в течно състояние при 4,18 K (-268,9 °C) и атмосферно налягане. Полученият при тези условия течен хелий се нарича хелий I. По своите свойства той не се различава от другите течности.[18]

При по-нататъчно охлаждане, до 2,19 K, хелият не кристализира, а минава в друга течност – хелий II, която има необикновени свойства. Хелий II има 10 пъти по-малък визкозитет от водорода в газообразно състояние, 3.106 пъти по-голяма топлопроводност от хелий I и проявява свръхтечливост.[18] Смята се, че при хелий II се намесват квантови ефекти и свръхтечият хелий II се нарича квантова течност.[18]

Твърд хелий се получава само при много високо налягане, защото енергията на хелиевите молекули при температури близки до 0К е по-голяма от енергията на междумолекулното взаимодействие и без прилагане на външно налягане, тези междумолекулни сили не могат да подредят хелиевите атоми в кристална решетка.[18]

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

 Основна статия: Съединения на благородните газове

Химичната нереактивоспособност се обуславя от изключителната устойчивост на електронната структура на хелиевите атоми – всички орбитали сазапълнени с електронни двойки, което е най-стабилната електронна структура.[18] През 1962 – 1963 година са получени хелиеви съединения, чиито съставки са свързани с Ван дер Ваалсови сили.

Производство[редактиране | редактиране на кода]

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

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, 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.[19][18] Както при всеки газ с плътност, различна от тази на въздуха, вдишването на малко количество хелий временно променя тембъра и характеристиките на човешкия глас.

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).

В хелиева атмосфера се сушат и съхраняват взривните вещества.

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).

Техника на безопасност[редактиране | редактиране на кода]

Хелият лесно дифундира през различни материали. Течният хелий не може да се съхранява в стъклени Дюарови съдове. Най-удобни за работа са тръби и съдове от профилирани монокристали като сапфир, литиев ниобат и др.[18]

Биологични ефекти[редактиране | редактиране на кода]

Хелият е газ, незначителни количества от който се съдържат в земната атмосфера. Той е първият инертен елемент (т.е. не влиза в химическо взаимодействие с другите елементи и вещества). Поради инертността си е нетоксичен и не реагира с рецепторите за вкус и миризма. Въпреки това продължителната повишена концентрация на хелий във въздуха, води до намаление на вдишвания кислород, което може да доведе до задух и смърт.

Хелият замества азота и предотвртява ксеноновата болест, защото за разлика от азота не се разтваря в кръвта при повишено налягане.[18] Използва се при лекуване на астма и други болести на дихателните пътища.

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. ↑ Kochhar, R. K. French astronomers in India during the 17th – 19th centuries // Journal of the British Astronomical Association 101 (2). 1991. p. 95 – 100. Посетен на 27 юли 2008. (на английски)
  2. ↑ а б Emsley, John. Nature's Building Blocks. Oxford, Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5. p. 175 – 179. (на английски)
  3. ↑ а б Hampel, Clifford A. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York, Van Nostrand Reinhold, 1968. ISBN 0442155980. p. 256 – 268. (на английски)
  4. ↑ Balloon helium Gas // Balloon Professional Magazine, 2009. Архивиран от оригинала на 2009-09-21. Посетен на 4 януари 2010. (на английски)
  5. ↑ Helium // Oxford English Dictionary, 2008. Посетен на 20 юли 2008. (на английски)
  6. ↑ 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. (на английски)
  7. ↑ Stewart, Alfred Walter. Recent Advances in Physical and Inorganic Chemistry. BiblioBazaar, LLC, 2008. ISBN 0554805138. p. 201. (на английски)
  8. ↑ 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. p. 65 – 67. (на английски)
  9. ↑ 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. p. 80 – 89. (на английски)
  10. ↑ 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. p. 325 – 330. (на английски)
  11. ↑ Langlet, N. A. Das Atomgewicht des Heliums // Zeitschrift für anorganische Chemie 10 (1). 1895. DOI:10.1002/zaac.18950100130. S. 289 – 292. (на немски)
  12. ↑ Weaver, E.R. Bibliography of Helium Literature // Industrial & Engineering Chemistry. 1919. (на английски)
  13. ↑ van Delft, Dirk. Little cup of Helium, big Science (PDF) // Physics today. 2008. p. 36 – 42. Архивиран от оригинала на 2008-06-25. Посетен на 20 юли 2008. (на английски)
  14. ↑ Coldest Cold // Time Inc., 10 юни 1929. Архивиран от оригинала на 2013-07-21. Посетен на 27 юли 2008. (на английски)
  15. ↑ Kapitza, P. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point // Nature 141. 1938. DOI:10.1038/141074a0. p. 74. (на английски)
  16. ↑ Osheroff, D. D et al. Evidence for a New Phase of Solid He3 // Physical Review Letters 28 (14). 1972. DOI:10.1103/PhysRevLett.28.885. p. 885 – 888. (на английски)
  17. ↑ а б Лефтеров, Димитър. Химичните елементи и техните изотопи. София, Издателство на БАН „Проф. Мрин Дринов“, 2015. ISBN 978-954-322-831-7. с. 353 – 356.
  18. ↑ а б в г д е ж з Киркова, Елена. Химия на елементите и техните съединения. София, Университетско изваделство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-07-3504-7. с. 444 – 459.
  19. ↑ Rose, Melinda. Helium: Up, Up and Away? // Photonics Spectra, 2008. Посетен на 4 януари 2011. (на английски)

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Взето от „https://bg.wikipedia.org/w/index.php?title=Хелий&oldid=12195796“.