Хімічний елемент гелій спочатку було виявлено на Сонці і лише потім – на Землі.

Ключову роль в історії відкриття гелію відіграв Норман Лок'єр, засновник одного з передових світових наукових видань - журналу Nature. У процесі підготовки до випуску журналу він познайомився з лондонським науковим істеблішментом та захопився астрономією. Це був час, коли, натхненні відкриттям Кірхгофа-Бунзена, астрономи тільки-но починали вивчати спектр світла, що випускається зірками. Лок'єру самому вдалося зробити низку важливих відкриттів — зокрема, він першим показав, що сонячні плями холодніші за решту сонячної поверхні, а також перший вказав на наявність у Сонця зовнішньої оболонки, назвавши її хромосферою. У 1868 році, досліджуючи світло, випромінюване атомами в протуберанцях - величезних викидах плазми з поверхні Сонця, - Лок'єр помітив ряд раніше невідомих спектральних ліній ( див.Спектроскопія). Спроби отримати такі ж лінії у лабораторних умовах закінчилися невдачею, з чого Лок'єр зробив висновок, що він виявив новий хімічний елемент. Лок'єр назвав його гелієм, від грецької helios- "Сонце".

Вчені дивувалися, як їм поставитися до появи гелію. Одні припускали, що при інтерпретації спектрів протуберанців була допущена помилка, проте ця точка зору отримувала все менше прихильників, оскільки дедалі більшій кількості астрономів вдавалося спостерігати лінії Лок'єра. Інші стверджували, що на Сонці є елементи, яких немає на Землі, що, як уже говорилося, суперечить головному положенню про закони природи. Треті (їх була меншість) вважали, що колись гелій буде знайдено і на Землі.

Наприкінці 1890-х років лорд Релей і сер Вільям Рамзай провели серію дослідів, які призвели до відкриття аргону. Рамзай переробив свою установку, щоб з її допомогою дослідити гази, що виділяються мінералами, що містять уран. У спектрі цих газів Рамзай виявив невідомі лінії та надіслав зразки декільком колегам для аналізу. Отримавши зразок, Лок'єр відразу ж дізнався про лінії, які більше чверті століття тому він спостерігав у сонячному світлі. Загадка гелію було вирішено: газ, безсумнівно, перебуває в Сонці, але існує також і тут, Землі. У наш час цей газ найбільш відомий у звичайному житті як газ для надування дирижаблів і повітряних куль ( див.Закон Грема), а в науці — завдяки його застосуванню кріогеніцітехнології досягнення наднизьких температур.

Короній та небулій

Питання про те, чи є десь у Всесвіті хімічні елементи, яких немає на Землі, не втратив своєї актуальності й у XX столітті. При дослідженні зовнішньої сонячної атмосфери – сонячної корони, що складається з гарячої сильно розрідженої плазми, астрономи виявили спектральні лінії, які їм не вдалося ототожнити з жодним з відомих земних елементів. Вчені припустили, що ці лінії належать новому елементу, який отримав назву короній. А при вивченні спектрів деяких туманностей- Далеких скупчень газів і пилу в Галактиці - були виявлені ще одні загадкові лінії. Їх приписали іншому «новому» елементу. небулію. У 1930-і роки американський астрофізик Айра Спрейг Боуен (Ira Sprague Bowen, 1898-1973) дійшов висновку, що лінії небулі насправді належать кисню, але набули такого вигляду через екстремальні умови, що існують на Сонці та в туманностях, причому ці умови не можуть бути відтворені в земних лабораторіях. Короній виявився сильно іонізованим залізом. А ці лінії отримали назву заборонені лінії.

Джозеф Норман ЛОК'ЄР
Joseph Norman Lockyer, 1836-1920

Англійська науковець. Народився у місті Рагбі у родині військового лікаря. Лок'єр прийшов у науку незвичайним шляхом, почавши свою кар'єру чиновником у військовому міністерстві. Щоб підробити, він, скориставшись суспільним інтересом до науки, почав видавати науково-популярний журнал. У 1869 році вийшов перший номер журналу Nature, і протягом 50 років Лок'єр залишався його редактором. Він брав участь у багатьох експедиціях, які спостерігали за повними сонячними затемненнями. Одна з таких експедицій і призвела до відкриття гелію. Лок'єр також відомий як засновник археоастрономії - науки, що вивчає астрономічний сенс стародавніх споруд, таких як Стоунхендж, - і автор багатьох науково-популярних книг.

Усім нам відомий гелій – дуже легкий газ, завдяки якому повітряні кулі та дирижаблі піднімаються у повітря. Гелій має дуже важливу перевагу щодо безпеки – він не горить і не вибухає подібно до водню. Цей газ також є невід'ємною частиною повітряних сумішей для використання в диханні глибоководними нирками - на відміну від азоту він майже не розчиняється в крові або ліпідах (жирові компоненти) навіть за умов дуже високого тиску.

Гелій допомагає обходитися без азотного наркозу, При якому нервова система (на 60% що складається з ліпідів) просочується азотом, в результаті чого нирці почуваються так, ніби вони випили одну порцію мартіні на глибині 30 метрів. Цей газ також допомагає уникнути появи декомпресійної хвороби або як ще називають кесонною хворобою. Це хворобливий і небезпечний стан, при якому в крові, нервовій системі, суглобах і під шкірою нирця утворюються азотні бульбашки, коли тиск падає занадто швидко в міру того, як нирець піднімається на поверхню. Суміш з гелію і кисню (звана геліокс) робить голос дуже писклявим - це відбувається завдяки тому, що через гелій звук проходить набагато швидше, ніж через повітря, і саме завдяки такій властивості гелію ця гра є улюбленим жартом під час свят, коли гелієм надуваються кульки .

Гелій є другим за легкістю хімічним елементом, який має багато дивовижними властивостями. Свою назву цей газ отримав завдяки тому, що вперше він був виявлений у світловому зображенні на сонці (грецькою мовою геліос) до того, як він був виявлений на Землі. Всі гази при достатньому охолодженні конденсуються в рідкий стан, а гелій серед усіх відомих речовин має найнижчу температуру конденсації (-269°C або -452°F). На відміну від інших хімічних елементів, гелій ніколи не замерзає, незалежно від того, наскільки сильно він охолоджений, крім умов дуже високого тиску. Крім того, рідка форма гелію, охолоджена до температури нижче -271 ° C (-456 ° F) утворює унікальну фазу, яка називається суперрідина - ця суперрідинатече просто ідеально, без будь-якого опору (в'язкості).

Вважається, що гелій на сонці утворився шляхом ядерного синтезу . Це процес, при якому ядра водню, найлегшого елемента, з'єднуються для утворення гелію і при цьому вивільняється величезна кількість енергії.

На Землі цей газ утворюється в основному в результаті радіоактивного альфа(a)-розпаду. Відомий новозеландський фізик Ернест Рутерфорд (1871–1937) вперше виявив, що альфа-частинки насправді є ядрами атомів гелію. Саме так утворюють гелій радіоактивні елементи, що містяться в гірській породі, як, наприклад, уран або торій, а з них він потрапляє у повітря.

Вчені можуть визначити, наскільки швидко утворюється гелій, як швидко він виходить з гірської породи і яка його кількість потрапляє у повітря, а також як багато гелію може втрачається з повітря в космос. Вони також можуть виміряти кількість гелію в гірській породі та в повітрі. На підставі цього вчені можуть підрахувати максимальний вік порід та повітря.Отримані результати спантеличують тих, хто вірить у мільярди років. Звичайно, всі подібні підрахунки ґрунтуються на пропозиціях щодо минулого, як, наприклад, припущення щодо початкових умов та постійних коефіцієнтів різних процесів. Вони ніколи не зможуть довестивік чогось. Для цього потрібен очевидець, який бачив усе на власні очі ( дивіться Йов 38:4 ).

Гелій в атмосфері

Повітря переважно складається з азоту (78.1%) і кисню (20.1%). Кількість гелію у ньому дуже мало (0.0005%). Але все одно це дуже багато гелію, а саме 3,71 мільярда тонн. Однак, оскільки кожну секундуз кори землі в атмосферу потрапляє 67 грам гелію, то для накопичення існуючого сьогодні в атмосфері гелію знадобилося б близько двох мільйонів років навіть якщо на самому початку його зовсім не було.

Еволюціоністи вірять у те, що наша земля у 2500 разів старша, тобто їй 4.5 мільярда років. Звичайно ж, земля могла бути створена з більшою частиною гелію, що спостерігається, так що два мільйони років - це максимальний вік . (Цей вік міг би бути набагато меншим, як наприклад, 6000 років.)

З іншого боку, слід зазначити, що у минулому освіту гелію відбувалося швидше, ніж у теперішньому, оскільки розпадалися радіоактивні джерела. Це б ще більше зменшувало вікові рамки Землі.

Єдиний спосіб усунути цю проблему - припустити, що гелій просто витікає в космос. Але щоб це відбувалося, атоми гелію повинні переміщатися досить швидко для того, щоб уникати тяжіння Землі (тобто зі швидкістю вище швидкості втікання). Зіткнення між атомами уповільнюють їх рух, але над рівнем критичної висоти ( екзобаза), що становить приблизно 500 кілометрів над землею, зіткнення відбуваються дуже рідко. Атоми, які перетинають цю висоту, мають шанс на те, щоб втекти, якщо вони переміщаються досить швидко - щонайменше 10.75 кілометрів на секунду. Зверніть увагу, що хоча гелій у кульці буде пливти, у відкритому стані він просто рівномірно змішається з усіма іншими газами, що властиво всім нормальним газам.

Середню швидкість атомів можна підрахувати, якщо знати температуру, оскільки вона має пряме відношення до середньої енергії атомів чи молекул. Відомий фізик (і креаціоніст) Джеймс Клерк Максвелл підрахував, скільки атомів газу (або молекул) мали б задану швидкість за будь-якої температури і маси. Таким чином ми можемо обчислити, скільки атомів перетнуло б досить швидко екзобазу для того, щоб вибігти в космос.

Екзобаза дуже гаряча. Але навіть якщо допустити температуру 1500 K (1227°C або 2241°F), яка вища за середню температуру, найбільш поширена швидкість атомів гелію становить лише 2.5 кілометрів на секунду (5625 м/год), або менше ніж четверта частина швидкості витікання. Лише небагато атомів пересуваються швидше, ніж із середньою швидкістю, і все одно кількість гелію, який витікає в космічний простір і приблизно 1/40 кількості гелію, що входить у атмосферу. Інші механізми витікання також не здатні пояснити невелику кількість гелію в повітрі, яка дорівнює приблизно 1/2000 тієї кількості, яка мала б утримуватися в повітрі після передбачуваних мільярдів років.

Це невирішена проблема для атмосферного фізика, що вірить у довгі епохи історії землі, К.Г. Уокера, який сказав таке: «…що стосується рівня гелію в атмосфері, то тут ми стикаємось із проблемою». Інший спеціаліст, Д.У. Чемберлейн також сказав, що ця проблема щодо накопичення гелію «… не піде сама собою, і так і залишиться невирішеною».

Еволюційне суспільство відчайдушно намагається знайти інші пояснення цій недостатній кількості гелію, але жодне з них не підходить. Просте вирішення проблеми можна знайти, якщо прийняти те, що землі зовсім не так багато років, як вважають еволюціоністи! Креаціоніст, науковець Лері Вардіман, що вивчав атмосферу, глибше вивчав це питання та написав більш детальне дослідження цього питання.

Гелій у гірських породах

Як ми вже сказали, більшість гелію на землі утворюється внаслідок радіоактивного розпаду у гірських порід. Маленькі атоми гелієвого газу без проблем випливають із порід в атмосферу.

Ми також говорили вище, що швидкість попадання гелію в атмосферу встановлена. Але ми також можемо виміряти швидкість, за якої гелій випливає з порід. Цей процес відбувається швидше в більш гарячих породах, і що глибше опускатися в надра землі, то гарячішими стають породи.

Фізик-креаціоніст Роберт Джентрі займався дослідженням граніту, що глибоко залягає, як можливого шляху безпечного зберігання небезпечних радіоактивних відходів атомних електростанцій. Безпечне зберігання вимагає того, щоб елементи не проходили через породу надто швидко.

Граніт містить мінеральні кристали. цирконами(Силікат цирконію, ZrSiO 4), які часто містять радіоактивні елементи. Отже, вони мають утворювати гелій, який має витікати у повітря.

Але Джентрі виявив, що навіть гарячі циркони, що залягають глибоко (197°C або 387°F) містили занадто багато гелію- Тобто, якби мали мільярди років для витікання.

Однак, якщо насправді пройшло лише кілька тисяч років, за які цей гелій потрапляв в атмосферу, то немає нічого дивного в тому, що там залишилося так багато гелію.

[Новини за жовтень, 2002: дивіться дані про прискорений ядерний розпад у статті Ядерний розпад: свідчення молодості світу , написану креаціоністом, ядерним фізиком Доктором Расселом Хамфріс .]

Висновок

Кількість гелію в повітрі та в гірських породах зовсім не узгоджується з ідеєю про те, що нашій землі мільярди років, як стверджують еволюціоністи та прогресивні креаціоністи. Така кількість гелію скоріше є науковим доказом невеликого віку, про що ясно і зрозуміло йдеться у книзі Буття.

Гелій(Лат. Helium), символ Не, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, відноситься до інертних газів; порядковий номер 2, атомна маса 4,0026; газ без кольору та запаху. Природний Гелій складається з 2 стабільних ізотопів: 3 Не та 4 Не (зміст 4 Не різко переважає).

Історична довідка.Вперше Гелій відкрили не Землі, де його мало, а атмосфері Сонця. У 1868 році француз Ж. Жансен та англієць Дж. Н. Лок'єр досліджували спектроскопічно склад сонячних протуберанців. Отримані знімки містили яскраву жовту лінію (так звану D3-лінію), яку не можна було приписати жодному з відомих на той час елементів. У 1871 р. Лок'єр пояснив її походження присутністю на Сонці нового елемента, який і назвали гелієм (від грец. Helios - Сонце). На Землі Гелій вперше був виділений у 1895 році англійцем У. Рамзаєм з радіоактивного мінералу клевеїта. У діапазоні газу, виділеного при нагріванні клевеїта, виявилася та сама лінія.

Поширення Гелія у природі.На Землі Гелія мало: 1 м 3 повітря містить всього 5,24 см 3 Гелія, а кожен кілограм земного матеріалу – 0,003 мг Гелія. За поширеністю ж у Всесвіті Гелій посідає друге місце після водню: частку Гелія припадає близько 23% космічної маси.

На Землі Гелій (точніше, ізотоп 4 Не) постійно утворюється при розпаді урану, торію та інших радіоактивних елементів (загалом у земній корі міститься близько 29 радіоактивних ізотопів, що продукують 4 Не).

Приблизно половина всього Гелія зосереджена в земній корі, головним чином її гранітної оболонці, що акумулювала основні запаси радіоактивних елементів. Зміст Гелія в земній корі невелика - 3 · 10 -7% за масою. Гелій накопичується у вільних газових скупчення надр і в нафті; такі родовища досягають промислового масштабу. Максимальні концентрації Гелія (10-13%) виявлені у вільних газових скупченнях і газах уранових копалень і (20-25%) у газах, що спонтанно виділяються з підземних вод. Чим давніший вік газоносних осадових порід і що вище у яких вміст радіоактивних елементів, то більше вписувалося Гелія у складі природних газів. Вулканічним газам властиво зазвичай низький вміст Гелія.

Видобуток Гелія у промислових масштабах виробляється з природних та нафтових газів як вуглеводневого, так і азотного складу. За якістю сировини гелієві родовища поділяються: на багаті (зміст Не > 0,5% за обсягом); рядові (0,10-0,50) та бідні (<0,10). В СССР природный Гелий содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (штаты Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Ізотопи, атом та молекула Гелія.У природному гелії будь-якого походження (атмосферному, з природних газів, з радіоактивних мінералів, метеоритному і т. д.) переважає ізотоп 4 He. Зміст 3 He зазвичай мало (залежно від джерела Гелія воно коливається від 1,3 10 -4 до 2 10 -8 %) і тільки в Гелії, виділеному з метеоритів, досягає 17-31,5%. Швидкість освіти 4 He при радіоактивному розпаді невелика: в 1 т граніту, що містить, наприклад, 3 г урану та 15 г торію, утворюється 1 мг Гелія за 7,9 млн. років; однак, оскільки цей процес протікає постійно, за час існування Землі він мав би забезпечити вміст Гелію в атмосфері, літосфері та гідросфері, що значно перевищує готівку (воно становить близько 5 10 14 м 3 ). Такий дефіцит Гелія пояснюється постійним випаровуванням його з атмосфери. Легкі атоми Гелія, потрапляючи у верхні шари атмосфери, поступово набувають там швидкість вище за другу космічну і тим самим отримують можливість подолати сили земного тяжіння. Одночасне утворення та випаровування Гелій призводять до того, що концентрація його в атмосфері практично постійна.

Ізотоп 3 Не, зокрема, утворюється в атмосфері при β-розпаді важкого ізотопу водню - тритію (Т), що виникає, у свою чергу, при взаємодії нейтронів космічного випромінювання з азотом повітря:

14 7 N + 3 0 n → 12 6 C + 3 1 T.

Ядра атома 4 Не (що складаються з 2 протонів і 2 нейтронів), називається альфа-частинками або геліонами, - найстійкіші серед складових ядер. Енергія зв'язку нуклонів (протонів та нейтронів) у 4 He має максимальне порівняно з ядрами інших елементів значення (28,2937 МеВ); тому утворення ядер 4 He із ядер водню (протонів) 1 Н супроводжується виділенням величезної кількості енергії. Вважають, що ця ядерна реакція:

4 1 H = 4 He + 2β + + 2n

[одночасно з 4 He утворюються два позитрони (β +) і два нейтрино (ν)] служить основним джерелом енергії Сонця та інших схожих з ним зірок. Завдяки цьому процесу накопичуються дуже значні запаси Гелія у Всесвіті.

Фізичні властивості Гелія.За нормальних умов Гелій – одноатомний газ без кольору та запаху. Щільність 0,17846 г/л, t кіп -268,93 ° С, t пл -272,2 ° С. Теплопровідність (при 0 ° С) 143,8 · 10 -3 Вт / (см · К). Радіус атома Гелія, визначений у різний спосіб, становить від 0,85 до 1,33 Å. У 1 л води при 20 ° С розчиняється близько 8,8 мл Гелію. Енергія первинної іонізації Гелія більше, ніж у будь-якого іншого елемента, - 39,38 · 10 -13 Дж (24,58 ев); спорідненістю до електрона Гелій не має. Рідкий Гелій, що складається лише з 4 He, виявляє низку унікальних властивостей.

Хімічні властивості Гелія.Досі спроби отримати стійкі хімічні сполуки Гелія закінчувалися невдачами.

Отримання Гелія.У промисловості Гелій отримують з природних газів, що містять гелій (в даний час експлуатуються головним чином родовища, що містять > 0,1% Гелія). Від інших газів Гелій відокремлюють методом глибокого охолодження, використовуючи те, що він зріджується найважче інших газів.

Застосування Гелія.Завдяки інертності Гелій широко застосовують для створення захисної атмосфери при плавленні, різанні та зварюванні активних металів. Гелій менш електропровідний, ніж інший інертний газ - аргон, і тому електрична дуга в атмосфері Гелія дає більш високу температуру, що значно підвищує швидкість дугового зварювання. Завдяки невеликій щільності у поєднанні з негорючістю Гелій застосовують для заповнення стратостатів. Висока теплопровідність Гелія, його хімічна інертність і вкрай мала здатність вступати в ядерну реакцію з нейтронами дозволяють використовувати Гелій для охолодження атомних реакторів. Рідкий Гелій-найхолодніша рідина на Землі, служить холодоагентом при проведенні різних наукових досліджень. На визначенні вмісту Гелія в радіоактивних мінералах заснований один із методів визначення їхнього абсолютного віку. Завдяки тому, що Гелій дуже погано розчинний у крові, його використовують як складову частину штучного повітря, що подається для дихання водолазам (заміна азоту на Гелій запобігає появі кесонної хвороби). Вивчаються можливості застосування Гелію та в атмосфері кабіни космічного корабля.

Гелій рідкий.Відносно слабка взаємодія атомів Гелій призводить до того, що він залишається газоподібним до нижчих температур ніж будь-який інший газ. Максимальна температура, нижче якої він може бути зріджений (його критична температура Т к), дорівнює 5,20 К. Рідкий Гелій - єдина незамерзаюча рідина: при нормальному тиску Гелій залишається рідким при будь-яких низьких температурах і твердне лише при тисках, що перевищують 2, 5 Мн/м 2 (25 ат).

Гелій – хімічний елемент із символом He та атомним номером 2. Це безбарвна речовина, що не має запаху та смаку, нетоксичний, інертний, одноатомний газ, перший у групі благородних газів у періодичній таблиці. Його точка кипіння є найнижчою серед усіх елементів. Після водню, гелій є другим найлегшим і другим найбільш поширеним елементом у Всесвіті, присутній на рівні близько 24% від загальної маси елементів, що більш ніж у 12 разів перевищує масу всіх більш важких елементів разом узятих. Його достаток пов'язаний з дуже високою енергією ядерного зв'язку (на нуклон) гелію-4 по відношенню до наступних трьох елементів після гелію. Ця енергія зв'язку гелію-4 також пояснює чому гелій є продуктом як ядерного синтезу, так і радіоактивного розпаду. Більшість гелію у Всесвіті знаходиться у формі гелій-4, і, як вважають, він сформувався під час Великого вибуху. Велика кількість нового гелію створюється шляхом ядерного синтезу водню у зірках. Гелій названо на честь грецького бога Сонця, Геліоса. Гелій вперше був виявлений як невідома жовта сигнатура спектральної лінії в сонячному світлі під час сонячного затемнення в 1868 Жоржем Райєтом, капітаном К.Т. Хейгом, Норманом Р. Погсоном та лейтенантом Джоном Хершелем.

Це спостереження було згодом підтверджено французьким астрономом Жюлем Янссеном. Янссен часто приписують виявлення цього елемента поряд з Норманном Лок'єром. Янссен записав спектральну лінію гелію під час сонячного затемнення 1868, тоді як Лок'єр спостерігав це явище з Британії. Лок'єр першим запропонував, що ця лінія пов'язана з новим елементом, якому він дав назву гелій. Формальне відкриття елемента було зроблено у 1895 році двома шведськими хіміками, Пером Теодором Клівом та Нільсом Абрахамом Ланглетом, які виявили гелій, що виходить із уранового рудного клевеїта. У 1903 році великі запаси гелію були виявлені на родовищах природного газу в деяких частинах Сполучених Штатів. На сьогоднішній день, США є найбільшим постачальником газу. Рідкий гелій використовується в кріогеніках (його найбільше єдине застосування, що поглинає близько чверті виробництва), зокрема, при охолодженні надпровідних магнітів, основне комерційне застосування пов'язане з МРТ-сканерами. Інші промислові застосування гелію – як газ для підвищення тиску та продування як захисна атмосфера для дугового зварювання та в таких процесах, як вирощування кристалів для виготовлення кремнієвих пластин. Відоме, але другорядне використання гелію - як підйомний газ для повітряних куль і дирижаблів. Як і у будь-якого газу, щільність якого відрізняється від щільності повітря, вдихання невеликого об'єму гелію тимчасово змінює тембр та якість людського голосу. У наукових дослідженнях, поведінка двох рідких фаз гелію-4 (гелій I і гелій II) важлива для дослідників, які вивчають квантову механіку (зокрема, властивість надплинності), і для вчених, які вивчають такі явища, як надпровідність, в матерії поблизу абсолютного нуля. На Землі гелій щодо рідкісних – 5,2 ч.н.м. за обсягом у атмосфері. Сьогодні більшість присутнього на Землі гелію створюється в ході природного радіоактивного розпаду важких радіоактивних елементів (торій та уран, хоча є й інші приклади), оскільки альфа-частинки, які випускають такі розпади, складаються з ядер гелію-4. Цей радіогенний гелій захоплюється природним газом у концентраціях до 7% за обсягом, з якого він витягується комерційно шляхом низькотемпературного поділу, що називається фракційною перегонкою. Раніше наземний гелій був невідновлюваним ресурсом, тому що одного разу випущений в атмосферу він легко міг переміститися в космос, і вважалося, що цей елемент є дефіцитнішим. Однак, недавні дослідження показують, що гелій, що утворився на Землі в результаті радіоактивного розпаду, може збиратися в запасах природного газу у великих кількостях, ніж очікувалося, в деяких випадках, що вивільняються вулканічною активністю.

Історія

Наукові відкриття

Перше свідчення існування гелію було зроблено 18 серпня 1868 року. У спектрі хромосфери Сонця спостерігалася яскраво-жовта лінія із довжиною хвилі 587,49 нанометрів. Цю лінію було виявлено французьким астрономом Жюлем Янссеном під час повного сонячного затемнення в Гунтурі, Індія. Спочатку ця лінія вважалася натрієм. 20 жовтня того ж року англійський астроном Норман Лок'єр спостерігав жовту лінію в спектрі Сонця, яку він назвав лінією D3 Fraunhofer, тому що вона знаходилася поблизу відомих ліній D1 та D2 натрію. Вчений дійшов висновку, що ця лінія була викликана елементом Сонця, невідомим Землі. Лок'єр та англійський хімік Едвард Франкленд назвали елемент грецьким словом, що означає сонце, ἥλιος (helios). У 1881 році італійський фізик Луїджі Палмієрі вперше виявив гелій на Землі через його спектральну лінію D3, при аналізі матеріалу, що був сублімований під час виверження гори Везувій. 26 березня 1895 року шотландський хімік сер Вільям Рамсей ізолював гелій на Землі, обробивши мінеральний клевеїт ( цілий ряд уранінітів з не менше 10% рідкісноземельних елементів) мінеральними кислотами. Рамсей шукав аргон, але після відокремлення азоту та кисню від газу, що виділяється сірчаною кислотою, він помітив яскраво-жовту лінію, яка відповідала лінії D3, що спостерігається в спектрі Сонця. Ці зразки були ідентифіковані як гелій Локкіром та британським фізиком Вільямом Круксом. Гелій був незалежно ізольований від клевеїта в тому ж році хіміками Пером Теодором Клеве та Абрахамом Ланглетом в Уппсалі, Швеція, які зібрали достатньо газу для точного визначення його атомної ваги. Гелій був ізольований американським геохіміком Вільямом Френсісом Хіллебрандом до відкриття Рамсея, коли він помітив незвичайні спектральні лінії при випробуванні зразка мінерального уранініту. Гіллебранд, однак, приписував ці лінії азоту. В 1907 Ернест Резерфорд і Томас Ройдс продемонстрували, що альфа-частинки є ядрами гелію, дозволяючи частинкам проникати крізь тонку скляну стінку евакуйованої трубки, а потім створюючи розряд у трубці для вивчення спектрів нового газу всередині. В 1908 гелій був вперше зріджений голландським фізиком Хайке Камерлінгхом Оннесом шляхом охолодження газу до температури менше одного кельвіна. Він спробував зробити газ твердим, ще більше знизивши температуру, але зазнав невдачі, тому що гелій не твердне при атмосферному тиску. Студент Оннеса, Віллем Хендрік Кеєсом, зрештою, зміг викликати затвердіння 1 см3 гелію в 1926, додавши додатковий зовнішній тиск. У 1938 році російський фізик Петро Леонідович Капіца виявив, що гелій-4 практично не має в'язкості при температурах близько абсолютного нуля, явище, яке тепер називається надплинністю. Це пов'язане з конденсацією Бозе-Ейнштейна. У 1972 році таке ж явище спостерігалося щодо гелію-3, але при температурах, значно ближчих до абсолютного нуля, американськими фізиками Дугласом Д. Ошероффом, Девідом М. Лі та Робертом К. Річардсоном. Вважається, що явище в гелії-3 пов'язане зі спарюванням ферміонів гелію-3 з утворенням бозонів, за аналогією з куперівськими парами електронів, що виробляють надпровідність.

Вилучення та використання

Після операції з буріння нафтових свердловин в 1903 році в Декстері, штат Канзас, був зроблений газовий гейзер, який не горів, і державний геолог штату Канзас, Еразм Хауорт, зібрав зразки газу, що випаровується, і взяв їх в Університет Канзасу в Лоуренсі, де, за допомогою хіміків Гамільтона Каді та Девіда Макфарланда, він виявив, що газ складався з 72% азоту, 15% метану (горючий відсоток тільки з достатньою кількістю кисню), 1% водню та 12% - неідентифікованого газу. При подальшому аналізі, Каді та Макфарланд виявили, що 1,84% зразка газу є гелій. Це показало, що, незважаючи на його загальну рідкість на Землі, гелій концентрувався у великих кількостях під американськими Великими рівнинами, доступний для видобутку як побічний продукт природного газу. Це дозволило Сполученим Штатам стати провідним світовим постачальником гелію. Наслідуючи пропозицію сера Річарда Трелфалла, військово-морський флот Сполучених Штатів спонсорував три невеликі експериментальні гелієві заводи під час Першої світової війни. Мета полягала в постачанні повітряних куль із загородженням незаймистим газом, легшим, ніж повітря. У ході цієї програми було вироблено 5700 м3 (200 000 куб. футів) 92% гелію, хоча раніше було отримано менше одного кубічного метра цього газу. Частина цього газу використовувалася в першому у світі гелієвому дирижаблі, C-7 ВМС США, який здійснив свій перший рейс від Хемптон роудс, штат Вірджинія, до Боллінг-Філд у Вашингтоні, округ Колумбія, 1 грудня 1921 року, майже за два роки до побудови першого жорсткого дирижабля, заповненого гелієм, у вересні 1923 року на заводі Shenandoah. Хоча процес екстракції з використанням низькотемпературного зрідження газу не був розвинений на той час, під час Першої світової війни, виробництво продовжувалося. Гелій, в основному, використовувався як підйомний газ у літальних апаратах легших, ніж повітря. Під час Другої світової війни попит на гелій як підйомний газ і для дугового зварювання за допомогою екранування збільшився. Гелієвий мас-спектрометр також мав велике значення у Манхеттенському проекті (кодова назва роботи зі створення першої атомної бомби у США в період Другої світової війни). Уряд Сполучених Штатів створив Національний резерв гелію в 1925 році в Амарілло, штат Техас, з метою постачання військових дирижаблів під час війни та комерційних дирижаблів у мирний час. Через Закон про контроль гелію (1927), який заборонив експорт рідкісного гелію, на виробництво якого тоді мали монополію США, разом із заборонною вартістю газу, Гінденбург, як і всі німецькі Цепеліни, був змушений використовувати водень як підйомний газ. Ринок гелію після Другої світової війни був пригнічений, але його запаси були розширені в 1950-х роках, щоб забезпечити постачання рідкого гелію як холодоагент для створення киснево-водневого ракетного палива (крім інших цілей) під час «космічних перегонів» і холодної війни. Використання гелію в Сполучених Штатах у 1965 році було більш ніж у вісім разів більше пікового споживання воєнного часу. Після «поправок за гелійськими актами 1960 року» (публічне право 86-777), Бюро Сполучених Штатів Америки організувало п'ять приватних заводів відновлення гелію з природного газу. Для цієї програми зі збереження гелію, Бюро побудувало 425-мильний (684-кілометровий) трубопровід із Буштона, штат Канзас, для з'єднання цих заводів із частково збідненим урядом газовим родовищем Кліффсайд поблизу Амарілло, штат Техас. Цю суміш гелій-азот впорскували і зберігали в газовому полі Кліффсайд доти, доки в ній не виникала потреба, і за цей час вона ще більше очищалася. До 1995 року було зібрано мільярд кубометрів газу, а резерв становив 1,4 млрд. дол. США у боргах, спонукавши Конгрес Сполучених Штатів 1996 року ліквідувати резерв. Закон про приватизацію гелію 1996 року (публічне право 104-273) змушує Департамент внутрішніх справ Сполучених Штатів звільнити резерв, і почати продажі з 2005 року. Гелій, вироблений між 1930 та 1945 роками, мав приблизно 98,3% чистоту (2% азоту), що було достатнім для дирижаблів. В 1945 для зварювання було отримано невелику кількість 99,9% гелію. До 1949 була доступна комерційна кількість гелію класу А 99,95%. Протягом багатьох років, Сполучені Штати виробляли понад 90% гелію комерційно використовуваного у світі, а видобувні установки в Канаді, Польщі, Росії та інших країнах виробляли інше. У середині 1990-х років почав функціонувати новий завод в Аржеві, Алжир, що виробляє 17 мільйонів кубічних метрів (600 мільйонів кубічних футів гелію), з достатнім обсягом видобутку, щоб покрити всі потреби Європи. Тим часом до 2000 року споживання гелію в США збільшилося до понад 15 мільйонів кг на рік. У 2004-2006 роках було побудовано додаткові заводи в Рас-Лаффані, Катарі та Скікді, Алжир. Алжир швидко став другим провідним виробником гелію. За цей час збільшилося як споживання гелію, так і витрати на виробництво гелію. З 2002 по 2007 р. ціни на гелій подвоїлися. Станом на 2012 рік, на Національний резерв гелію Сполучених Штатів припадало 30 відсотків світових запасів гелію. Очікується, що у 2018 році резерв закінчиться. Незважаючи на це, запропонований законопроект у Сенаті Сполучених Штатів дозволить резерву продовжувати продавати газ. Інші великі запаси гелію знаходилися в штаті Х'юготон у Канзасі, США, та прилеглих газових родовищах у Канзасі, а також у виступах Техасу та Оклахоми. Нові гелієві заводи мали відкритися в 2012 році в Катарі, в Росії та в штаті Вайомінг у США, але не очікувалося, що вони зменшать дефіцит. У 2013 році в Катарі розпочалося будівництво найбільшої у світі установки гелію. 2014 був широко визнаний роком надмірної пропозиції в гелієвому бізнесі, після багатьох років браку.

Характеристики

Гелій-атом

Гелій у квантовій механіці

У перспективі квантової механіки, гелій є другим найпростішим атомом для моделювання, слідуючи атом водню. Гелій складається з двох електронів на атомних орбіталях, що оточують ядро, що містить два протони і (зазвичай) два нейтрони. Як і в механіці Ньютона, жодна система, що складається з більш ніж двох частинок, не може бути вирішена за допомогою точного аналітичного математичного підходу і гелій не є винятком. Таким чином, потрібні чисельні математичні методи навіть для вирішення системи, що складається з одного ядра і двох електронів. Такі методи обчислювальної хімії були використані для створення квантово-механічної картини електронного зв'язування гелію, точність якої не перевищує 2% від правильного значення на декількох обчислювальних етапах. Такі моделі показують, що кожен електрон у гелії частково екранує одне ядро ​​від іншого, тому ефективний ядерний заряд Z, який бачить кожен електрон, становить близько 1,69 одиниці, а не 2 заряди класичного «голого» ядра гелію.

Відносна стабільність ядра гелію-4 та електронна оболонка

Ядро атома гелію-4 ідентичне альфа-частинці. Експерименти високоенергетичного електронного розсіювання показують, що його заряд експоненційно зменшується з максимуму в центральній точці, так само, як і щільність заряду власної електронної хмари гелію. Ця симетрія відображає аналогічну основну фізику: пара нейтронів і пара протонів в ядрі гелію підпорядковуються тим же квантовим механічним правилам, що і пара електронів гелію (хоча ядерні частинки схильні до іншого ядерного зв'язуючого потенціалу), так що всі ці ферміони повністю займають 1s- , причому жоден з них не має орбітального моменту, і кожен з них скасовує власний спин іншого. Додавання будь-якої іншої з цих частинок вимагатиме кутового моменту і звільнить істотно меншу енергію (фактично, жодне ядро ​​з п'ятьма нуклонами не стабільне). Таким чином, ця схема є енергетично надзвичайно стійкою для всіх цих частинок, і ця стабільність пояснює багато важливих фактів про гелію в природі. Наприклад, стабільність та низька енергія стану електронної хмари в гелії пояснюють хімічну інертність елемента, а також відсутність взаємодії атомів гелію один з одним, створюючи найнижчі температури плавлення та кипіння всіх елементів. Подібним чином, особлива енергетична стабільність ядра гелію-4, створювана подібними ефектами, пояснює легкість виробництва гелію-4 в атомних реакціях, які включають або викид важких металів, або їх синтез. Деяка кількість стабільного гелію-3 (2 протона і 1 нейтрон) утворюється в реакціях синтезу з водню, але це дуже мало в порівнянні з високочутливою енергією гелію-4. Незвичайна стабільність ядра гелію-4 також важлива космологічно: вона пояснює той факт, що в перші кілька хвилин після Великого Вибуху, під час створення «мішани з вільних протонів та нейтронів», які спочатку були створені у співвідношенні приблизно 6:1, охолодженою до такої ступеня, що уможливило ядерне зв'язування, майже всі перші сформовані складові атомні ядра були ядрами гелію-4. зв'язування гелію-4 було настільки щільним, що виробництво гелію-4 споживало майже всі вільні нейтрони за кілька хвилин, перш ніж вони могли бути піддані бета-розпаду, а також залишаючи малу кількість для утворення більш важких атомів, таких як літій, берилій або бор . Ядерне зв'язування гелію-4 на нуклон сильніше, ніж у будь-якого з цих елементів, і, таким чином, коли був утворений гелій, створення елементів 3, 4 і 5 не було енергійного приводу. Для гелію було мало енергетично вигідно сплавлятися в наступний елемент із меншою енергією на нуклон, вуглець. Однак, через відсутність проміжних елементів, цей процес вимагає трьох ядер гелію, що вражають один одного майже одночасно. Таким чином, протягом декількох хвилин після Великого вибуху не було часу для утворення значної кількості вуглецю, перш ніж ранній Всесвіт, що розширюється, не охолонуло до такої температури і тиску, при якій злиття гелію з вуглецем було б неможливо. Через це в ранньому Всесвіті було схоже на сьогоднішнє співвідношення водню/гелію (3 частини водню до 1 частини гелію-4 за масою), причому майже всі нейтрони у всесвіті захоплені гелієм-4. Все більш важкі елементи (включаючи елементи, які необхідні для скелястих планет, таких як Земля, і для вуглецевих або інших форм життя), таким чином, були створені після Великого вибуху в зірках, які були досить гарячими, щоб сплавити сам гелій. Всі елементи, крім водню та гелію, сьогодні становлять лише 2% від маси атомної речовини у Всесвіті. Гелій-4, навпаки, становить близько 23% від звичайної матерії Всесвіту – майже вся звичайна речовина, яка не є воднем.

Газові та плазмові фази

Гелій є другим найменш реактивним благородним газом після неону і, отже, другим найменш реактивним з усіх елементів. Він інертний і моноатомічний у всіх стандартних умовах. Через відносно низьку молярну (атомну) масу гелію, його теплопровідність, питома теплоємність і швидкість звуку в газовій фазі більша, ніж у будь-якого іншого газу, крім водню. З цих причин і через невеликий розмір одноатомних молекул гелію, гелій дифундує через тверді частинки зі швидкістю, що втричі перевищує швидкість повітря і становить близько 65% від швидкості водню. Гелій є найменш водорозчинним одноатомним газом і одним з менш водорозчинних газів (CF4, SF6 і C4F8 мають меншу розчинність у мольній фракції: 0,3802, 0,4394 та 0,2372 x2 / 10-5 відповідно проти 0,7079 5 у гелію), крім того, показник заломлення гелію ближче до одиниці, ніж показник заломлення будь-якого іншого газу. Гелій має негативний коефіцієнт Джоуля-Томсона за нормальної температури навколишнього середовища, що означає, що він нагрівається, коли йому дають вільно розширюватися. Тільки нижче за свою температуру інверсії Джоуля-Томсона (приблизно від 32 до 50 К при 1 атмосфері), гелій охолоджується при вільному розширенні. Після переохолодження нижче за цю температуру, гелій можна зріджувати за рахунок охолодження. Більшість позаземного гелію знаходиться в плазмовому стані і має властивості, зовсім відмінні від властивостей атомного гелію. У плазмі електрони гелію не пов'язані з його ядром, що призводить до дуже високої електропровідності навіть у тому випадку, коли газ іонізується лише частково. На заряджені частинки сильно впливають магнітні та електричні поля. Наприклад, у сонячному вітрі разом із іонізованим воднем, частки взаємодіють із магнітосферою Землі, призводячи до струмів Біркеланда та сяйва.

Рідкий гелій

На відміну від іншого елемента, гелій залишиться рідким до абсолютного нуля при нормальних тисках. Це прямий вплив квантової механіки: зокрема, енергія нульової точки системи дуже велика, щоб дозволити здійснити заморожування. Для твердого гелію потрібна температура 1-1,5 К (близько -272 ° С або -457 ° F) при тиску близько 25 бар (2,5 МПа). Часто важко відрізнити твердий гелій від рідкого, оскільки показник заломлення цих двох фаз майже однаковий. Тверда речовина має чітку температуру плавлення і має кристалічну структуру, але вона сильно стискається; застосування тиску в лабораторії може зменшити його більш ніж на 30%. При об'ємному модулі близько 27 МПа гелій у 100 разів більш стискаємо, ніж вода. Твердий гелій має щільність 0,214±0,006 г/см3 при 1,15 К та 66 атм; прогнозована щільність при 0 К та 25 бар (2,5 МПа) становить 0,187±0,009 г/см3. При більш високих температурах, гелій твердне з достатнім тиском. При кімнатній температурі це вимагає близько 114000 атм.

Стан гелію I

Нижче своєї точки кипіння, що становить 4,22 кельвіна і вище лямбда-точки 2.1768 кельвінів, ізотопний гелій-4 існує в нормальному безбарвному рідкому стані, званому гелієм I. Як і інші кріогенні рідини, гелій I закипає, коли він нагрівається і стискається, коли його температура знижується. Однак, нижче за точку лямбда, гелій не кипить, і він розширюється в міру подальшого зниження температури. Гелій I має газоподібний показник заломлення 1,026, що настільки ускладнює розгляд його поверхні, що для спостереження за його поверхнею часто використовуються пінополістироли, що спливають. Ця безбарвна рідина має дуже низьку в'язкість і щільність 0,145-0,125 г/мл (близько 0-4 К), що становить лише одну четверту від величини, що очікується від класичної фізики. Для пояснення цієї властивості необхідна квантова механіка, і тому обидва стани рідкого гелію (гелій I та гелій II) називаються квантовими рідинами, що означає, що вони виявляють атомні властивості у макроскопічному масштабі. Це може бути наслідком того, що крапка гелію настільки близька до абсолютного нуля, що не дає випадковому молекулярному руху (теплової енергії) маскувати його атомні властивості.

Стан гелію II

Рідкий гелій нижче його лямбда-точки (званий гелієм II) має дуже незвичайні характеристики. Через його високу теплопровідність, коли він кипить, він не пузириться, а випаровується безпосередньо з поверхні. Гелій-3 також має надплинну фазу, але тільки за набагато нижчих температур; в результаті мало що відомо про властивості цього ізотопу. Гелій II є надплинною рідиною та квантовомеханічним станом з дивними властивостями. Наприклад, коли він протікає через капіляри завтовшки від 10-7 до 10-8 м, він не має вимірної в'язкості. Однак, коли проводилися вимірювання між двома дисками, що рухаються, спостерігалася в'язкість, порівняна з в'язкістю газоподібного гелію. Ця теорія пояснює це за допомогою дворідинної моделі для гелію II. У цій моделі рідкий гелій нижче точки лямбда розглядається як речовина, що містить частину атомів гелію в основному стані, які є надтекучими і течуть з нульовою в'язкістю, і частина атомів гелію у збудженому стані, які поводяться як звичайна рідина. В ефекті фонтанування побудована камера, яка з'єднана з резервуаром гелію II спеченим диском, через який легко протікає надплинний гелій, але через який не може проходити неплинний гелій. Якщо внутрішня частина контейнера нагрівається, надплинний гелій перетворюється на не-надплинний гелій. Для підтримки рівноважної частки надплинного гелію, надплинний гелій протікає та збільшує тиск, викликаючи виділення рідини з контейнера. Теплопровідність гелію II більша, ніж у будь-якої іншої відомої речовини, у мільйон разів більша, ніж у гелію I і в кілька сотень разів більша, ніж у міді. Це з тим, що теплопровідність відбувається з допомогою виняткового квантового механізму. Більшість матеріалів, які проводять тепло, мають валентну зону вільних електронів, які служать передачі тепла. Гелій II не має такої валентної зони, проте добре проводить тепло. Потік тепла визначається рівняннями, які аналогічні хвильовому рівнянню, що використовується для характеристики поширення звуку повітря. Під впливом тепла він переміщається зі швидкістю 20 метрів в секунду при 1,8 K через гелій II у вигляді хвиль у явищі, відомому як другий звук. Гелій II також має «повзучий» ефект. Коли поверхня проходить через рівень гелію II, гелій II рухається поверхнею, проти сили тяжіння. Гелій II вийде з незапечатаного судини, сповзаючи з боків, поки не досягне теплішої області, де він випарується. Він переміщається у плівці завтовшки 30 нм незалежно від поверхневого матеріалу. Ця плівка називається ролінівською плівкою на честь вченого, який вперше охарактеризував цю його якість, Бернарда В. Ролліна. В результаті цієї «повзучої» поведінки та здатності гелію II швидко протікати через крихітні отвори, дуже важко обмежити рідкий гелій. Якщо контейнер не буде ретельно сконструйований, гелій II повзтиме по поверхні і через клапани, поки він не досягне більш теплої ділянки, звідки він випарується. Хвилі, що поширюються по ролінівській плівці, регулюються тим же рівнянням, що і гравітаційні хвилі на мілководді, але замість сили тяжіння відновлююча сила є силою Ван-дер-Ваальса. Ці хвилі відомі як третій звук.

Ізотопи

Існує дев'ять відомих ізотопів гелію, але тільки гелій-3 та гелій-4 стабільні. В атмосфері Землі на мільйон атомів 4He припадає один атом 3He. На відміну від більшості елементів, ізотопічний достаток гелію сильно відрізняється за походженням через різні процеси формування. Найбільш поширений ізотоп, гелій-4, виробляється Землі під час альфа-розпаду більш важких радіоактивних елементів; альфа-частинки, що утворюються в результаті цього, є повністю іонізованими ядрами гелію-4. Гелій-4 є надзвичайно стійким ядром, тому що його нуклони розташовані у повних оболонках. Він також був сформований у величезних кількостях при нуклеосинтезі великого вибуху. Гелій-3 присутній Землі лише у слідових кількостях; Більшість гелію-3 є з моменту утворення Землі, хоча деяка частина потрапляє на Землю, захоплена космічним пилом. Слідові кількості гелію також виробляються при бета-розпаді тритію. Скелі земної кори мають ізотопні відносини, що змінюються у десять разів, і ці співвідношення можуть бути використані для дослідження походження порід та складу мантії Землі. 3He набагато більш поширений у зірках як продукт ядерного синтезу. Таким чином, у міжзоряному середовищі співвідношення 3He до 4He приблизно 100 разів вище, ніж Землі. Екстрапланетний матеріал, такий як місячний та астероїдний реголіт, має слідову кількість гелію-3 від бомбардування сонячними вітрами. Поверхня Місяця містить гелій-3 при концентраціях близько 10 чнм, що набагато вище, ніж 5 чнм, виявлені в земній атмосфері. Ряд вчених, починаючи з Джеральда Кульцинскі в 1986 році, запропонували дослідити місяць, зібрати місячний реголіт і використовувати гелій-3 для злиття. Рідкий гелій-4 можна охолодити приблизно до 1 кельвіна, використовуючи випарне охолодження в горщику, температура в якому досягає 1 К. Аналогічне охолодження гелію-3 з нижчою температурою кипіння може досягати близько 0,2 кельвінів в холодильнику з гелієм-3. Рівні суміші рідкого 3He і 4He з температурою нижче 0,8 До поділяються на дві фази, що не змішуються, через їхню відмінність (вони мають різну квантову статистику: атоми гелію-4 є бозонами, в той час як атоми гелію-3 є ферміонами). У холодильних машинах, які працюють на суміші кріогенних речовин, ця незмішність використовується для досягнення температури в кілька мілікельвінів. Можна виробляти екзотичні ізотопи гелію, які швидко розпадаються інші речовини. Найбільш короткоживучий важкий ізотоп гелію є гелій-5 з періодом напіврозпаду 7,6 × 10-22 с. Гелій-6 розпадається шляхом випромінювання бета-частинки та має період напіврозпаду 0,8 секунди. Гелій-7 також випромінює бета-частку, а також гамма-промінь. Гелій-7 та гелій-8 утворюються в деяких ядерних реакціях. Відомо, що гелій-6 і гелій-8 мають ядерний ореолом.

З'єднання гелію

Гелій має валентність 0 і хімічно неактивний за всіх нормальних умов. Гелій є електричним ізолятором, якщо він не іонізований. Як і інші благородні гази, гелій має метастабільні рівні енергії, які дозволяють йому залишатися іонізованим в електричному розряді з напругою нижче його потенціалу іонізації. Гелій може утворювати нестабільні сполуки, відомі як ексімери, з вольфрамом, йодом, фтором, сіркою та фосфором, коли він піддається тліючого розряду, електронного бомбардування або відновлюється до плазми іншими способами. Таким чином були створені молекулярні сполуки HeNe, HgHe10 і WHe2 та молекулярні іони He+2, He2+2, HeH+ та HeD+. HeH+ також стабільний у своєму основному стані, але є надзвичайно реакційноздатним – він є найсильнішою кислотою Бренстеда, і тому може існувати лише ізольовано, оскільки він протонуватиме будь-яку молекулу чи протианіон, з якими він вступає в контакт. Цей метод також створив нейтральну молекулу He2, яка має велику кількість смугових систем, та HgHe, який, мабуть, утримується разом лише поляризаційними силами. Ван-дер-ваальсові сполуки гелію також можуть утворюватися з кріогенним газом гелію та атомами будь-якої іншої речовини, такої як LiHe та He2. Теоретично можлива наявність інших істинних сполук, таких як фторгідрид гелію (HHeF), який був би аналогічним HArF, виявленому в 2000 році. Розрахунки показують, що дві нові сполуки, що містять зв'язок гелій-кисень, можуть бути стабільними. Два нових молекулярних види, передбачені з використанням теорії, CsFHeO та N(CH3)4FHeO, є похідними метастабільного FHeO-аніону, вперше запропонованого у 2005 році групою з Тайваню. Якщо це підтвердиться експериментом, єдиним елементом, що залишився, без відомих стабільних сполук буде неон . Атоми гелію були вставлені в молекули порожнистих каркасів вуглецю (фулеренів) шляхом нагрівання під високим тиском. Створені ендоедральні молекули фулерену стабільні при високих температурах. Коли утворюються хімічні похідні цих фулеренів, гелій залишається всередині. Якщо використовується гелій-3, його можна спостерігати за допомогою спектроскопії ядерного магнітного резонансу гелію . Повідомлялося про багато фулеренів, що містять гелій-3. Хоча атоми гелію не пов'язані ковалентними або іонними зв'язками, ці речовини мають певні властивості та певний склад, як і всі стехіометричні хімічні сполуки. При високих тисках гелій може утворювати з'єднання з різними іншими елементами. Кристали клатрату гелію-азоту (He (N2) 11) вирощувалися при кімнатній температурі при тиску прибл. 10 ГПа в камері високого тиску з алмазними ковадлами. Було показано, що ізоляційний електроліт Na2He термодинамічно стабільний при тиску вище 113 ГПа. Він має структуру флюориту.

Виникнення та виробництво

Природний достаток

Хоча гелій рідко зустрічається на Землі, він є другим найпоширенішим елементом у відомому Всесвіті (після водню), становлячи 23% його маси баріону. Переважна більшість гелію утворилася шляхом нуклеосинтезу Великого вибуху за одну-три хвилини після Великого Вибуху. Таким чином, виміри його поширеності роблять внесок у космологічні моделі. У зірках гелій утворюється шляхом ядерного злиття водню в протон-протонних ланцюгових реакціях та циклі CNO, частини зоряного нуклеосинтезу. В атмосфері Землі концентрація гелію за обсягом складає всього 5,2 частини на мільйон. Концентрація низька і досить постійна, незважаючи на безперервне виробництво нового гелію, тому що більшість гелію в атмосфері Землі надходить у космос під час кількох процесів. У земній гетеросфері, частини верхньої атмосфери, гелій та інші легші гази є найпоширенішими елементами. Більшість гелію Землі є наслідком радіоактивного розпаду. Гелій міститься у великих кількостях у мінералах урану та торію, включаючи клевеїт, смолу, карнотит та монацит, оскільки вони виділяють альфа-частинки (ядра гелію, He2+), з якими електрони негайно зв'язуються, як тільки частка зупиняється каменем. Таким чином у всій літосфері генерується близько 3000 метричних тонн гелію. У земній корі концентрація гелію становить 8 частин на мільярд. У морській воді концентрація становить лише 4 частини на трильйон. Невеликі кількості гелію також присутні у мінеральних джерелах, вулканічному газі та метеорному залозі. Оскільки гелій затримується в надрах землі в умовах, за яких також затримується природний газ, найбільші природні концентрації гелію на планеті містяться в природному газі, з якого виходить більшість комерційного гелію. Концентрація гелію варіюється в широкому діапазоні, від декількох годин до більш ніж 7% в невеликому газовому родовищі в окрузі Сан-Хуан, штат Нью-Мексико. Станом на 2011 рік, світові запаси гелію оцінювалися в 40 мільярдів кубічних метрів, при цьому чверть цих запасів знаходилася на родовищі South Pars/North Dome Gas-Condensate, що спільно належить Катару та Ірану. У 2015 і 2016 роках були оголошені більш ймовірні запаси у Скелястих горах у Північній Америці та у Східній Африці.

Сучасний видобуток та розподіл

Для широкомасштабного використання гелій витягується шляхом фракційної перегонки з природного газу, що може містити до 7% гелію. Оскільки гелій має нижчу температуру кипіння, ніж будь-який інший елемент, низьку температуру і високий тиск використовують для розрідження майже всіх інших газів (в основному азоту та метану). Отриманий в результаті цього сирий газоподібний гелій очищають шляхом послідовних впливів на зниження температури, при якому майже решта азоту та інші гази осаджуються з газової суміші. Активоване вугілля використовують як кінцеву стадію очищення, зазвичай отримуючи чистий гелій класу A 99,995%. Основна домішка у гелії класу А – це неон. На кінцевому етапі виробництва, більшість виробленого гелію зріджується за допомогою кріогенного процесу. Це необхідно для застосування, що потребує рідкого гелію, а також дозволяє постачальникам гелію знизити вартість транспортування гелію на великі відстані, оскільки найбільші контейнери з рідким гелієм мають більш ніж у п'ять разів більшу ємність найбільших газових гелієвих причепів. У 2008 році, приблизно 169 мільйонів стандартних кубічних метрів гелію було вилучено з природного газу або вилучено із запасів гелію, приблизно 78% зі Сполучених Штатів, 10% з Алжиру та більшість залишків – з Росії, Польщі та Катару. До 2013 року збільшення виробництва гелію в Катарі (компанії RasGas під управлінням Air Liquide) збільшило частку світового виробництва гелію в Катарі до 25% і зробило цю країну другим за величиною експортером гелію після Сполучених Штатів. За оцінками, у 2016 році в Танзанії було виявлено близько 54 мільярдів кубічних футів (1,5×109 м3) гелію. У Сполучених Штатах, велика частина гелію витягується з природного газу в Х'юготоні та прилеглих газових родовищах у Канзасі, Оклахома, та полі Panhandle у Техасі. Більшість цього газу колись прямувала трубопроводом до Національного гелієвого резерву, але з 2005 року цей резерв виснажується і розпродається, і очікується, що він буде значною мірою виснажений до 2021 року, відповідно до Закону про відповідальне гелієве та стратегічне керівництво, прийнятому у жовтні 2013 року (HR 527). Дифузія сирого газу через спеціальні напівпроникні мембрани та інші бар'єри є ще одним способом відновлення та очищення гелію. У 1996 році в США було виявлено запаси гелію в таких комплексах газових свердловин, близько 147 мільярдів стандартних кубічних футів (4,2 мільярда СКМ). За темпами використання в той час (72 мільйони СКМ на рік у США), гелію було б достатньо для використання протягом приблизно 58 років у США, і менше цього (можливо, 80% часу) у світі, але фактори, що впливають на економію та обробку, що впливають на ефективні резервні показники. Гелій повинен бути вилучений із природного газу, тому що він присутній у повітрі лише на частину частки неону, але попит на нього набагато вищий. За оцінками, якби вся неонова продукція була переобладнана для збереження гелію, було б задоволено 0,1% світових потреб у гелії. Аналогічно, лише 1% світових потреб у гелії може бути задоволений шляхом перевстановлення всіх установок для перегонки повітря. Гелій може бути синтезований шляхом бомбардування літію або бору високошвидкісними протонами або бомбардуванням літію дейтронами, але ці процеси абсолютно неекономічні. Гелій комерційно доступний або в рідкій, або газоподібній формі. Як рідина, він може поставлятися в невеликих ізольованих ємностях, званих д'юарами, що містять до 1000 літрів гелію, або у великих контейнерах ISO, які мають номінальну місткість до 42 м3 (близько 11 000 галонів США). У газоподібній формі, невеликі кількості гелію продаються в циліндрах високого тиску, що вміщають до 8 м3 (близько 282 стандартних кубічних футів) гелію, у той час як великі кількості газу високого тиску поставляються в трубчастих причепах, потужність яких дорівнює 4,860 м3 (близько 172 000 стандартних кубічних футів).

Захист безпеки гелію

За словами захисників безпеки гелію, таких як фізик-лауреат Нобелівської премії Роберт Коулман Річардсон, який пише в 2010 році, що вільна ринкова ціна на гелій сприяла «марнотратному» його використанню (наприклад, для повітряних куль з гелію). У 2000-х роках ціни знижено рішенням Конгресу США продати до 2015 року великі запаси гелію в країні. За словами Річардсона, ціна має бути помножена на 20, щоб усунути надмірне виснаження гелію. У своїй книзі «Майбутнє гелію як природного ресурсу» (Routledge, 2012) Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) також запропонували створити Міжнародне гелієве агентство (IHA) для створення сталого ринку для цього дорогоцінного товару.

Області застосування

У той час як повітряні кулі є, мабуть, найвідомішим способом використання гелію, вони становлять незначну частину використання гелію. Гелій використовується для багатьох цілей, які вимагають деяких його унікальних властивостей, таких як низька температура кипіння, низька густина, низька розчинність, висока теплопровідність або інертність. Із загального світового виробництва гелію 2014 року, близько 32 мільйонів кг (180 мільйонів стандартних кубічних метрів) гелію на рік, найбільше використання (близько 32% від загального обсягу в 2014 році) припадає на кріогенні застосування, більшість з яких пов'язана з охолодженням надпровідних магнітів медичних МРТ-сканерах та ЯМР-спектрометрах. Іншими основними видами застосування були системи підвищення тиску та продування, зварювання, підтримка контрольованої атмосфери та виявлення витоків. Інші види використання за категоріями складали відносно невеликі фракції.

Контрольовані атмосфери

Гелій використовується як захисний газ у зростаючих кристалах кремнію та германію, у виробництві титану та цирконію та в газовій хроматографії, оскільки він інертен. Через свою інертність, теплову і калорично досконалу природу, високу швидкість звуку і високе співвідношення теплоємності, він також корисний у надзвукових аеродинамічних трубах і імпульсних установках.

Газове вольфрамова дугове зварювання

Гелій використовується як захисний газ у процесах дугового зварювання на матеріалах, які при температурах зварювання забруднюються та послаблюються повітрям або азотом. У газовому зварюванні вольфрамовою дугою використовується ряд інертних захисних газів, але замість дешевого аргону використовується гелій, особливо для зварювальних матеріалів з більш високою теплопровідністю, таких як алюміній або мідь.

Менш поширені використання

Промислове виявлення витоку

Одне із промислових застосувань гелію – виявлення витоку. Оскільки гелій дифундує через тверді речовини втричі швидше, ніж повітря, він використовується як газ-індикатор для виявлення витоків у високовакуумному устаткуванні (наприклад, кріогенних резервуарах) і контейнерах високого тиску. Випробувану речовину поміщають у камеру, яку потім евакуювали і заповнюють гелієм. Гелій, який проходить через витік, виявляється чутливим пристроєм (гелієвим мас-спектрометром) навіть при швидкостях витоку 10-9 мбар · л/с (10-10 Па · м3/с). Процедуру вимірювання зазвичай роблять автоматично і називають інтегральним тестом гелію. Проста процедура полягає у заповненні випробуваного об'єкта гелієм та пошуку витоку вручну за допомогою ручного пристрою. Просочування гелію через тріщини не слід плутати із проникненням газу через сипучий матеріал. У той час як гелій має задокументовані константи проникності (таким чином, розрахункову швидкість проникнення) через скло, кераміку та синтетичні матеріали, інертні гази, такі як гелій, не проникатимуть у більшість великих металів.

Польоти

Оскільки гелій легший за повітря, дирижаблі та повітряні кулі накачуються цим газом для підйому в повітря. У той час як газоподібний водень є більш здатним триматися на поверхні та проникає через мембрану з меншою швидкістю, гелій має перевагу, будучи негорючим та дійсно вогнезахисним. Ще одне незначне застосування гелію – в ракетах, де гелій використовується як повітряна подушка для заміщення палива та окислювачів у резервуарах для зберігання та для конденсації водню та кисню для отримання ракетного палива. Він також використовується для очищення палива та окислювача від наземного допоміжного обладнання до запуску та для попереднього охолодження рідкого водню на космічних апаратах. Наприклад, для запуску ракети "Сатурн-V", яка використовується в програмі "Аполлон", знадобилося близько 370 000 м3 (13 мільйонів кубічних футів) гелію.

Незначні комерційні та рекреаційні використання

Гелій як дихальний газ не має жодних наркотичних властивостей, тому суміші гелію, такі як тримікс, геліокс і геліайр використовуються для глибокого занурення, щоб зменшити ефекти наркозу, які погіршуються зі збільшенням глибини. У міру збільшення тиску на глибині щільність дихального газу також збільшується, а низькомолекулярна вага гелію значно зменшує зусилля дихання, зменшуючи щільність суміші. Це зменшує кількість потоків Рейнольдса, що призводить до зменшення турбулентного потоку та збільшення ламінарного потоку, що вимагає менше роботи для дихання. На глибинах нижче 150 метрів (490 футів), дайвери, що вдихають гелій-кисневі суміші, починають відчувати тремор та зниження психомоторної функції, нервовий синдром, викликаний підвищеним тиском. Якоюсь мірою цьому ефекту може сприяти додавання деякої кількості наркотичних газів, таких як водень або азот, суміш гелій-кисень. Гелій-неонові лазери, тип малопотужного газового лазера, що утворює червоний промінь, мали різні практичні застосування, включаючи зчитувачі штрих-кодів та лазерні покажчики, перш ніж вони були практично повсюдно замінені на дешевші діодні лазери. Через свою інертність і високу теплопровідність, прозорість нейтронів і відсутність утворення радіоактивних ізотопів в умовах реактора, гелій використовується в якості теплоносія в деяких ядерних реакторах з газовим охолодженням. Гелій, змішаний з більш важким газом, таким як ксенон, корисний для термоакустичного охолодження через отриманий високий коефіцієнт теплоємності і низького числа Прандтля. Інерційність гелію має екологічні переваги в порівнянні з традиційними холодильними системами, які сприяють виснаженню озону або глобальному потеплінню. Гелій також використовується на деяких жорстких дисках.

Наукові застосування

Використання гелію зменшує спотворюючі ефекти зміни температури у просторі між лінзами в деяких телескопах через його надзвичайно низький показник заломлення. Цей метод особливо використовується в сонячних телескопах, де трубка телескопа з вакуумною ізоляцією буде надто важкою. Гелій є широко використовуваним газом-носієм для газової хроматографії. Вік порід і мінералів, що містять уран і торій, можна оцінити шляхом вимірювання рівня гелію в процесі, відомому як датування гелію. Гелій при низьких температурах використовується в кріогеніках та деяких застосуваннях кріогеніки. Як приклади таких застосувань, рідкий гелій використовується для охолодження деяких металів до надзвичайно низьких температур, необхідних для надпровідності, наприклад, надпровідних магнітах для магнітно-резонансної томографії. Великий адронний колайдер у ЦЕРНу використовує 96 метричних тонн рідкого гелію для підтримки температури 1,9 кельвіна.

Вдихання та безпека

Ефекти

Нейтральний гелій у стандартних умовах не токсичний, не відіграє жодної біологічної ролі і виявляється у слідових кількостях у крові людини. Швидкість звуку в гелії майже втричі перевищує швидкість звуку повітря. Оскільки основна частота газонаповненої порожнини пропорційна швидкості звуку газі, коли гелій вдихається, відбувається відповідне збільшення резонансних частот голосового тракту. Фундаментальна частота (іноді звана тоном) не змінюється, оскільки це відбувається шляхом прямої вібрації голосових складок, яка змінюється. Однак, більш високі резонансні частоти викликають зміну в тембрі, що призводить до тонкого, качиного звуку. Протилежний ефект, що знижує резонансні частоти, може бути одержаний при вдиханні щільного газу, такого як гексафторид сірки або ксенон.

Небезпеки

Вдихання надмірної кількості гелію може бути небезпечним, оскільки гелій є простою задушливою речовиною, яка зміщує кисень, необхідний для нормального дихання. Були зареєстровані смертельні випадки, включаючи молодих людей, що задихнулися у Ванкувері у 2003 році, та двох дорослих, що задихнулися у Південній Флориді у 2006 році. У 1998 році австралійська дівчина (її вік невідомий) з Вікторії впала непритомна і тимчасово посиніла після вдихання всього вмісту балона з гелієм. Вдихання гелію безпосередньо з балонів під тиском або навіть клапанів для наповнення балонів надзвичайно небезпечне, оскільки висока швидкість потоку та тиск можуть призвести до баротравми, смертельного пошкодження легеневої тканини. Смерть, викликана гелієм, трапляється рідко. Першим зареєстрованим у ЗМІ нагодою був випадок смерті 15-річної дівчинки з Техасу, яка померла 1998 року від вдихання гелію на вечірці в друга. У Сполучених Штатах у період з 2000 по 2004 роки повідомлялося лише про два випадки смерті, у тому числі про людину, яка померла в Північній Кароліні від баротравми у 2002 році. Молодий чоловік задихнувся у Ванкувері 2003 року, а 27-річний чоловік в Австралії мав емболію після вдихання газу з циліндра 2000 року. З того часу двоє дорослих задихнулися у Південній Флориді у 2006 році, кілька випадків було зафіксовано у 2009 та 2010 роках, один – з каліфорнійським юнаком, знайденим з мішком над головою, прикріпленим до гелієвого резервуару, а ще один – з підлітком у Північній Флориді. , що помер від задухи. В Ігл-Пойнті, штат Орегон, дівчинка-підліток померла у 2012 році від баротравми на вечірці. Дівчинка з Мічигану померла від гіпоксії наприкінці цього року. 4 лютого 2015 року з'ясувалося, що 28 січня під час запису телевізійного шоу дівочої японської групи 3B Junior 12-річна учасниця групи (ім'я якої було засекречено) постраждала від емболії, знепритомніла і впала в кому внаслідок бульбашок повітря, які заблокували кровотік у мозку після вдихання величезних кількостей гелію. Інцидент не було оприлюднено аж до наступного тижня. Співробітники TV Asahi провели екстрену прес-конференцію, щоб повідомити, що дівчинку доправили до лікарні і що вона демонструє ознаки реабілітації, такі як рух очей та кінцівок, але її свідомість ще недостатньо відновлена. Поліція розпочала розслідування через нехтування заходами безпеки. Питання безпеки кріогенного гелію аналогічні до проблем з рідким азотом; його надзвичайно низькі температури можуть призвести до холодних опіків, а коефіцієнт розширення від рідини до газу може спричинити вибухи, якщо не встановлено пристрої для скидання тиску. Контейнери гелієвого газу при 5-10 К слід обробляти так, якби вони містили рідкий гелій через швидке і значне теплове розширення, яке виникає, коли гелієвий газ при температурі менше 10 К нагрівається до кімнатної температури. При високих тисках (понад 20 атм або два МПа), суміш гелію і кисню (геліокс) може призвести до нервового синдрому високого тиску, свого роду зворотного анестетичного ефекту; додавання невеликої кількості азоту суміш може полегшити проблему.

:Tags

Список використаної литературы:

Rayet, G. (1868) «Аналіз spectral des protubérances observeses, pendent l'éclipse totale de Soleil visible le 18 août 1868, à la presqu"île de Malacca» 18 August 1868, від Malacca peninsula), Comptes rendus … , 67: 757–759. Від p. 758: » … vis immediatement une série de neuf lignes brillantes qui … me semblent devoir être assimilées aux lignes principles du spectre solaire, B, D, E, b, une ligne inconnue, F, et deux lignes du groupe G.» (… I загальні загальні ряди ніг bright lines that … seemed to me should be classed as principal lines of solar spectrum, B, D, E, b, unknown line, F, and two lines of the group G.

Гелій - другий порядковий елемент періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 2. Розташований у головній підгрупі восьмої групи, першому періоді періодичної системи. Очолює групу інертних газів у періодичній таблиці. Позначається символом He (лат. Helium). Проста речовина гелій (CAS-номер: 7440-59-7) - інертний одноатомний газ без кольору, смаку та запаху. Гелій - один із найпоширеніших елементів у Всесвіті, він займає друге місце після водню. Також гелій є другим за легкістю (після водню) хімічним елементом. Гелій видобувається з природного газу процесом низькотемпературного поділу - так званою фракційною перегонкою

18 серпня 1868 року французький вчений П'єр Жансен, перебуваючи під час повного сонячного затемнення в індійському місті Гунтур, вперше досліджував хромосферу Сонця. Жансен вдалося налаштувати спектроскоп таким чином, щоб спектр корони Сонця можна було спостерігати не тільки при затемненні, але і в звичайні дні. Наступного дня спектроскопія сонячних протуберанців поруч із лініями водню - синій, зелено-блакитний і червоною - виявила дуже яскраву жовту лінію, спочатку прийняту Жансеном та інші астрономами, що спостерігали її за лінію D натрію. Жансен негайно написав про це у Французьку Академію наук. Згодом було встановлено, що яскраво-жовта лінія в сонячному спектрі не збігається з лінією натрію і не належить до жодного з раніше відомих хімічних елементів.

Через два місяці 20 жовтня англійський астроном Норман Лок'єр, не знаючи про розробки французького колеги, також провів дослідження сонячного спектру. Виявивши невідому жовту лінію з довжиною хвилі 588 нм (точніше 587,56 нм), він позначив її D3, оскільки вона була дуже близько розташована до Фраунгоферових ліній D 1 (589,59 нм) і D 2 (588,99 нм) натрію. Через два роки Лок'єр, спільно з англійським хіміком Едвардом Франкландом, у співпраці з яким він працював, запропонував дати новому елементу назву «гелій» (від грец. ἥλιος - «сонце»).

Цікаво, що листи Жансена і Лок'єра прийшли до Французької Академії наук одного дня - 24 жовтня 1868 року, проте лист Лок'єра, написаний ним чотирма днями раніше, надійшов кілька годин раніше. Наступного дня обидва листи були зачитані на засіданні Академії. На честь нового методу дослідження протуберанців Французька академія вирішила викарбувати медаль. На одному боці медалі були вибиті портрети Жансена і Лок'єра над схрещеними гілками лавра, а на іншій - зображення міфічного бога Сонця Аполлона, що править у колісниці четвіркою коней, що стрибає на весь опор.

У 1881 році італієць Луїджі Пальмієрі опублікував повідомлення про відкриття гелію в вулканічних газах (фумаролах). Він досліджував світло-жовту маслянисту речовину, що осідала з газових струменів на краях кратера Везувію. Пальмієрі проколював цей вулканічний продукт у полум'ї бунзенівського пальника і спостерігав спектр газів, що виділялися при цьому. Вчені кола зустріли це повідомлення з недовірою, оскільки свій досвід Пальмієрі описав неясно. Через багато років у складі фумарол дійсно було знайдено невелику кількість гелію та аргону.

Тільки через 27 років після свого первісного відкриття гелій був виявлений на Землі - в 1895 році шотландський хімік Вільям Рамзай, досліджуючи зразок газу, отриманого при розкладанні мінералу клевеїта, виявив у його спектрі ту ж яскраво-жовту лінію, знайдену раніше в сонячному. Зразок був направлений для додаткового дослідження відомому англійському вченому-спектроскопісту Вільяму Круксу, який підтвердив, що жовта лінія, що спостерігається в спектрі зразка, збігається з лінією D3 гелію. 23 березня 1895 року Рамзай відправив повідомлення про відкриття ним гелію на Землі до Лондонського королівського товариства, а також до Французької академії через відомого хіміка Марселена Бертло.

В 1896 Генріх Кайзер, Зігберт Фрідлендер, а ще через два роки Едвард Белі остаточно довели присутність гелію в атмосфері.

Ще до Рамзаю гелій виділив також американський хімік Френсіс Хіллебранд, проте він помилково вважав, що отримав азот і в листі до Рамзая визнав за ним пріоритет відкриття.
Досліджуючи різні речовини та мінерали, Рамзай виявив, що гелій у них супроводжує урану та торію. Але значно пізніше, в 1906 році, Резерфорд і Ройдс встановили, що альфа-частинки радіоактивних елементів являють собою ядра гелію. Ці дослідження започаткували сучасну теорію будови атома.

Тільки в 1908 році нідерландському фізику Хейке Камерлінг-Оннесу вдалося отримати рідкий гелій дроселюванням (див. Ефект Джоуля - Томсона), після того як газ був попередньо охолоджений в рідкому водні, що кипів під вакуумом. Спроби отримати твердий гелій ще довго залишалися безуспішними навіть за температури 0,71 K, яких досяг учень Камерлінг-Оннеса - німецький фізик Віллем Хендрік Кеезом. Лише в 1926 році, застосувавши тиск вище 35 атм і охолодивши стислий гелій в киплячому під розрідженням рідкому гелії, йому вдалося виділити кристали.

У 1932 Кеезом досліджував характер зміни теплоємності рідкого гелію з температурою. Він виявив, що близько 2,19 K повільний і плавний підйом теплоємності змінюється різким падінням і крива теплоємності набуває форми грецької букви (лямбда). Звідси температурі, коли відбувається стрибок теплоємності, присвоєно умовне назва «λ-точка». Більш точне значення температури в цій точці, встановлене пізніше - 2,172 K. У λ-точці відбуваються глибокі та стрибкоподібні зміни фундаментальних властивостей рідкого гелію - одна фаза рідкого гелію змінюється в цій точці на іншу, причому без виділення прихованої теплоти; має місце фазовий перехід ІІ роду. Вище температури λ-точки існує так званий гелій-I, а нижче за неї - гелій-II.

У 1938 році радянський фізик Петро Леонідович Капіца відкрив явище надплинності рідкого гелію-II, яке полягає в різкому зниженні коефіцієнта в'язкості, внаслідок чого гелій тече практично без тертя. Ось що він писав у одному зі своїх доповідей про відкриття цього явища.

походження назви

Від грец. ἥλιος - "Сонце" (див. Геліос). Цікавий той факт, що в назві елемента було використано характерне для металів закінчення "-ий" (по лат. "-um" - "Helium"), оскільки Лок'єр припускав, що відкритий ним елемент є металом. За аналогією з іншими благородними газами, логічно було б дати йому ім'я «геліон» («Helion»). У сучасній науці назва «геліон» закріпилася за ядром легкого ізотопу гелію – гелію-3.

Поширеність

У Всесвіті
Гелій посідає друге місце за поширеністю у Всесвіті після водню - близько 23% за масою. Однак на Землі гелій рідкісний. Практично весь гелій Всесвіту утворився в перші кілька хвилин після Великого Вибуху під час первинного нуклеосинтезу. У сучасному Всесвіті майже весь новий гелій утворюється в результаті термоядерного синтезу з водню в надрах зірок (див. протон-протонний цикл, вуглецевий-азотний цикл). На Землі він утворюється в результаті альфа-розпаду важких елементів (альфа-частинки, що випромінюються при альфа-розпаді - це ядра гелію-4). Частина гелію, що виник при альфа-розпаді і просочується крізь породи земної кори, захоплюється природним газом, концентрація гелію в якому може досягати 7% від об'єму і вище.

Земна кора
У рамках восьмої групи гелій за вмістом у земній корі посідає друге місце (після аргону). Зміст гелію в атмосфері (утворюється в результаті розпаду Ac, Th, U) - 5,27 10-4 % за обсягом, 7,24 10-5 % за масою. Запаси гелію в атмосфері, літосфері та гідросфері оцінюються в 5×10 14 м³. Геліоносні природні гази містять зазвичай до 2% гелію за обсягом. Винятково рідко трапляються скупчення газів, гелієносність яких досягає 8 - 16%. Середній вміст гелію у земній речовині - 3 г/т. Найбільша концентрація гелію спостерігається в мінералах, що містять уран, торій та самарій: кльовіїті, фергюсоніті, самарскіті, гадоліните, монациті (монацитові піски в Індії та Бразилії), торіаніті. Вміст гелію в цих мінералах становить 0,8 - 3,5 л/кг, а в торіаніті він досягає 10,5 л/кг.

Визначення

Якісно гелій визначають за допомогою аналізу спектрів випромінювання (характеристичні лінії 587,56 нм та 388,86 нм), кількісно - мас-спектрометричними та хроматографічними методами аналізу, а також методами, заснованими на вимірі фізичних властивостей (щільності, теплопровідності та ін.).

Хімічні властивості

Гелій - найменш хімічно активний елемент восьмої групи таблиці Менделєєва (інертні гази). Багато сполук гелію існують тільки в газовій фазі у вигляді так званих ексимерних молекул, у яких стійкі збуджені електронні стани та нестійкий основний стан. Гелій утворює двоатомні молекули He2+, фторид HeF, хлорид HeCl (ексимерні молекули утворюються при дії електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання на суміш гелію з фтором або хлором). Відомо хімічне з'єднання гелію LiHe (можливо, йшлося про з'єднання LiHe 7

Отримання

У промисловості гелій отримують з природних газів, що містять гелій (в даний час експлуатуються головним чином родовища, що містять > 0,1% гелію). Від інших газів гелій відокремлюють методом глибокого охолодження, використовуючи те, що він зріджується найважче інших газів. Охолодження проводять дроселюванням у кілька стадій, очищаючи його від CO 2 і вуглеводнів. В результаті виходить суміш гелію, неону та водню. Цю суміш, т.з. сирий гелій, (He - 70-90 % об.) очищають від водню (4-5 %) за допомогою CuO при 650-800 К. Остаточне очищення досягається охолодженням суміші, що залишилася киплячим під вакуумом N2 і адсорбцією домішок на активному вугіллі в адсорберах, також охолоджуваних рідким N2. Виробляють гелій технічної чистоти (99,80% за обсягом гелій) та високої чистоти (99,985%). У Росії її газоподібний гелій отримують з природного і нафтового газів. В даний час гелій витягується на гелієвому заводі ТОВ "Газпром видобуток Оренбург" в Оренбурзі з газу з низьким вмістом гелію (до 0,055% об.), тому російський гелій має високу собівартість. Актуальною проблемою є освоєння та комплексна переробка природних газів великих родовищ Східного Сибіру з високим вмістом гелію (0,15-1 % об.), що дозволить значно знизити його собівартість. За виробництвом гелію лідирують США (140 млн. м³ на рік), потім - Алжир (16 млн. м³). Росія займає третє місце у світі – 6 млн м³ на рік. Світові запаси гелію становлять 45,6 млрд. м³.