Гелий (лат. Helium), химический элемент из семейства благородных (инертных) газов He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, составляющих VIIIA подгруппу в периодической системе элементов, или, как ее еще называют, нулевую группу. Гелий (лат. Helium), символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026, инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.. Природный гелий состоит из 2 стабильных изотопов: 3 He и 4 He (содержание 4 He резко преобладает). Гелий - один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода . Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим веществом. Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения - так называемой фракционной перегонкой.

Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П. Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж. Локьер и П. Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э. Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. "гелиос", что означает солнце. В то время не знали, что гелий - инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У. Рамзай и почти одновременно шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г. Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э. Резерфорд и Т. Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия. В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения.

Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода - около 23% по массе. Гелий - основной компонент звездной материи. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд. В результате углеродного цикла (сложная цепь ядерных реакций), впервые изученного Х. Бете в 1939, водород в звездном веществе превращается в гелий, при этом происходит значительное выделение энергии.
Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) - 5,27·10−4% по объёму, 7,24·10−5% по массе. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·1014 м³. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2% гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 - 16%.
На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов. Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом. Гелий образуется при распаде тяжелых радиоактивных элементов, находящихся в расплавленном земном ядре, и медленно диффундирует через земную мантию. Тепловая энергия, выделяющаяся при ядерных процессах, поддерживает ядро земли в расплавленном состоянии. Среднее содержание гелия в земном веществе - 0,003мг/кг или 0,003г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8 - 3,5л/кг, а в торианите оно достигает 10,5л/кг. Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп 4 He, он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 1,75% гелия и 0,5% CO 2 . После удаления CO 2 , глубокого охлаждения природного газа до -185°C и сжатия образуется жидкий метан, а в газовой фазе остаются гелий и азот . Метод глубокого охлаждения позволяет получать гелий чистотой 98% и выше.

Гелий - практически инертный химический элемент. Простое вещество гелий - нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,215K для 4 He) наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер - при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях. Плотность г/см 3 - 0,178, температура плавления °С -272,2 (при 26 атм), температура кипения - °С - 268,93, критическая температура К - 5,25, Критическое давление МПа - 0,23.

Гелий - наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы). Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He 2 + , фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором). Энергия связи молекулярного иона гелия He 2 + составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние 1,09Å.
Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось в виду соединение LiHe 7). Гелий имеет одну-единственную электронную оболочку, занятую двумя электронами, т.е. его оболочка полностью заполнена электронами, которые испытывают сильное притяжение ядра, а значит, очень устойчивы; поэтому гелий не вступает в химические реакции, не образует химические соединений и не имеет степеней окисления. Его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4 He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3 He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л. Альваресом и Р. Кернегом. Содержание 3 He составляет 10-5% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3 He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3 H-изотоп водорода). Гелий - необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях, плотность составляет 0,17847кг/м³, обладает теплопроводностью 0,1437Вт⁄(м·К) - бо́льшей, чем у всех других газов за исключением водорода, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (ср = 5,23кДж⁄(кг·К), для сравнения - 14,23 кДж⁄(кг·К) для Н 2).
При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов - розового, оранжевого, жёлтого, ярко-жёлтого, жёлто-зелёного и зелёного. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра, важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 706,52нм и 447,14нм. Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от инфракрасного к ультрафиолетовому краю.
Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1л воды при 20°C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0°C, 10,10 при 80°C), в этаноле - 2,8 мл/л (15°C), 3,2 мл/л (25°C). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.
Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля - Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля - Томсона (приблизительно 40К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения. После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.
В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия- 4 (4 He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026К. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия (т. н. эффект суперсолид) при исследовании его в торсионном осцилляторе. Однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления.

В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия - 4 (4 He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026К. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия (т. н. эффект суперсолид) при исследовании его в торсионном осцилляторе. Однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления.
Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения: 4 He кипит при 4,22K, а 3 He - 3,19K. Это свойство гелия используют для создания низких температур. Гелий - единственное вещество на земле, которое при нормальном давлении не кристаллизуется вблизи абсолютного нуля, что объясняется слабым межатомным взаимодействием и квантовыми свойствами. Жидкий гелий бесцветен, очень текуч и имеет очень низкое поверхностное натяжение. Изотопы гелия в жидком состоянии сильно различаются. Так, 4 He имеет две формы: при температурах выше 2,18K существует 4 He, а ниже 2,18K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в 4 He-II. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4 He-II, то жидкость будет медленно подниматься вверх по стенкам и перетекать внутрь до выравнивания уровней жидкости снаружи и внутри. Если сосуд приподнять, то процесс пойдет обратно до нового выравнивания уровней жидкостей. Это - пленочное движение; оно характерно только для 4 He-II. Другое аномальное свойство 4 He-II - способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких. 4 He-II обладает сверхтекучестью - свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей, 4 He-II состоит из двух полностью взаимопроникающих жидкостей - нормальной и сверхтекучей; последняя является идеальной жидкостью и не испытывает сопротивления при протекании через узкие капилляры. Согласно теории, в 4 He-II существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий 4 He-II дается на основе представлений квантовой механики. Жидкие 3 He и 4 He называются квантовыми жидкостями. 4 He не имеет ядерного спина, а у 3 He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что 4 He-II - сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий-3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0,001К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть "электронной жидкости" . В 3 He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д. Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы).
Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 0,9K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащенный 3 He и текущий над раствором, обогащенным 4 He. 6% 3 нe растворимы в 4 He, но 4 He не растворяется в 3 He при абсолютном нуле. Твердый гелий можно получить сжатием 4 He до 25 атм или 3 He до 34 атм при низких температурах. Твердый гелий - кристаллическое прозрачное вещество, причем границу между твердым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции близки.

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO 2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т. н. сырой гелий, (He - 70-90% об.) очищают от водорода (4-5%) с помощью CuO при 650-800К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N 2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N 2 . Производят гелий технической чистоты (99,80% по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985%).
В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055% об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15-1% об.), что позволит намного снизить его себестоимость.

Хотя инертные газы обладают наркозным действием, это воздействие у гелия и неона при атмосферном давлении не проявляется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» .
Вдыхание гелия вызывает кратковременное повышение тембра голоса (обратное эффекту вдыхания ксенона).

Введение

Гелий – подлинно благородный газ. Заставить его вступить в какие-либо реакции пока не удалось. Молекула гелия одноатомна. По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия. Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество. Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.

В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, Камерлинг-Оннес (Голландия), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.

Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций – абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки – и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях – ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.

Огромна роль ядра атома гелия – альфа частицы в истории становления и развития ядерной физики. Именно изучение рассеяния альфа частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов – то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в золото, а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа частиц были синтезированы кюрий, берклий, калифорний, менделевий.

Земной гелий

Гелий – элемент необычный, и история его необычна. Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Гелий на Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 19 августа 1868 г., и англичанин Дж.H. Локьер – 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.

В 1881 г. об открытии гелия в вулканических газах сообщил итальянский ученый Пальмиери. Однако его сообщение, впоследствии подтвержденное, мало кто из ученых принял всерьез. Вторично земной гелий был открыт Рамзаем в 1895 г.

В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа частицы – высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – 4Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

Природные соединения, в составе которых есть альфа активные изотопы, – это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой – самородные металлы, магнетит, гранат, апатит, циркон и другие, – прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит.

Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот, углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко – десятых долей процента. Большая (1,5...10%) гелиеносность метано-азотных месторождений – явление крайне редкое.

Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.

Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·1014 м3; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий – легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), не улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся – старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий – «выдыхаемый» Землей.

В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли – в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий – редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе – 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.

Гелий во Вселенной

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа распаде) гелий, а крупные – и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим – 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования – план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты – Юпитер V – армады кибернетических машин на криотронах (о них – ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость – необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы...

Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.

Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.

Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия

В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона – конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма кванта. Наконец, реагируют два ядра 3Не, преобразуясь в альфа частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.

Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней – реакций. Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле – 26,7 МэВ на один атом гелия.

Существует три основных источника получения гелия:

из гелийсодержащих природных газов
из минералов
из воздуха

Получение гелия из природного газа

Основным способом получения гелия является метод фракционной конденсации из природных гелийсодержащих газов , т.е. методом глубокого охлаждения. Причем используется его характерное свойство - наиболее низкая по сравнению с известными веществами температура кипения. Это позволяет конденсировать все сопутствующие гелию газы, прежде всего метан и азот. Процесс осуществляется обычно в две стадии:

выделение так называемого сырого гелия (концентрата, содержащего 70-90% He)
очистка с получением технически чистого гелия.

На рисунке ниже приведена одна из схем установки для извлечения гелия из природного газа.

Газ сжимается до 25 атмосфер и под этим давлением поступает в установку. Очистка от (CO 2) и частичная осушка газа производятся в скрубберах, которые орошаются раствором, содержащим 10-20% моноэтаноламина, 70-80% диэтиленгликоля и 5-10% воды. После скрубберов в газе остается 0,003-0,008% углекислоты CO 2 , а точка росы не превышает 5°С. Дальнейшая осушка осуществляется в адсорберах с силикагелем, где достигается температура точки росы -45°С.

Под давлением около 20 атмосфер чистый сухой газ поступает в предварительный теплообменник 1, где охлаждается до -28° С обратными газовыми потоками. При этом происходит конденсация тяжелых углеводородов, которые отделяются в сепараторе 2. В аммиачном холодильнике 3 газ охлаждается до -45°С, конденсат отделяется в сепараторе 4. В основном теплообменнике 5 температура газа снижается до -110°С, в результате чего конденсируется значительная часть метана. Паро-жидкостная смесь (около 20% жидкости) дросселируется до давления 12 атмосфер в первый противоточный конденсатор 6, на выходе из которого паро-газовая смесь обогащается гелием до 3%. Образовавшийся в трубках конденсат стекает в отпарную секцию, на тарелках которой из жидкости удаляется растворенный в ней гелий, присоединяющийся к паро-газовому потоку.

Жидкость дросселируется до 1,5 атмосфер в межтрубное пространство конденсатора, где служит хладагентом. Образовавшийся здесь пар выводится через теплообменники 5 и 1. Паро-газовая смесь, выходящая из конденсатора 6 и содержащая до 3% He, под давлением 12 атмосфер идет во второй противоточный конденсатор 7, состоящий из двух частей: в нижней части находится змеевиковый теплообменник, в трубках которого испаряется сдросселированная с 12 до 1,5 атмосфер кубовая жидкость, а в верхней части - прямотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого кипит азот при температуре -203°С и давлении 0,4 атмосферы. В результате конденсации компонентов газовой смеси в нижней части аппарата 7 газ обогащается гелием до 30-50%, а в верхней части - до 90-92%.

Сырой гелий такого состава под давлением 11-12 атмосфер поступает в теплообменники, где нагревается и выводится из установки. Так как в природном газе содержатся небольшие примеси водорода, то в сыром гелии концентрация водорода увеличивается до 4-5%. Удаление водорода производят каталитическим гидрированием с последующей осушкой газа в адсорберах с силикагелем. Сырой гелий сжимается до 150- 200 атмосфер мембранным компрессором 8, охлаждается в теплообменнике 9 и поступает в прямоточный змеевиковый конденсатор 10, охлаждаемый азотом, кипящим под вакуумом. Конденсат (жидкий ) собирается в сепараторе 11 и периодически выводится, а несконденсировавшийся газ, содержащий примерно 98% He идет в адсорбер 12 с активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. Гелий, выходящий из адсорбера, содержит примесей менее 0,05% и поступает в баллоны 13 в качестве продукта.

Особенно богаты гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для в этой стране.

Получение гелия из минералов

Другим источником гелия являются некоторые радиоактивные минералы содержащие уран, торий и самарий:

клевеит
фергюсонит
самарскит
гадолинит
монацит
торианит

В частности монацитовые пески , крупное месторождение которых имеется в Траванкоре (Индия): монациты этого месторождения содержат около 1 см 3 гелия в 1 г руды.

Для получения гелия из моноцита необходимо нагреть в закрытом сосуде моноцит до 1000°С. Гелий выделяется вместе с углекислым газом (CO 2), который затем поглощался раствором едкого натрия (NaOH). Остаточный газ содержит 96,6% He. Дальнейшая очистка производится при 600°С на металлическом магнии для удаления азота, а затем при 580°С - на металлическом кальции для удаления оставшихся примесей. Продукционный газ содержит свыше 99,5% He. Из 1000 т монацитового песка можно получить около 80 м 3 чистого гелия. Такой способ получения гелия не представляет технического и промышленного интереса. .

Получение гелия из воздуха

В небольшом количестве гелий находится в воздухе , из которого он может быть получен в качестве побочного продукта при производстве кислорода и азота из воздуха, описанного в статье « ». В промышленных ректификационных колоннах для разделения воздуха над жидким азотом собирается остающаяся газообразной смесь неона и гелия. На рисунке ниже показан аппарат Клода , специально приспособленный для отделения такой смеси.

Газ, выходящий из аппарата через вентиль Д, охлаждается в змеевике S, который поливается жидким азотом из Т, чтобы сконденсировать остаточный азот. Если вентиль R немного открыть, получается смесь, содержащая очень мало азота. При таком методе промышленного получения гелия, кроме трудности, заключающейся в необходимости обработать большое количество воздуха, встречается еще дополнительное затруднение - необходимость отделения гелия от неона . Это отделение может быть выполнено с помощью жидкого водорода, в котором неон отвердевает, или с помощью адсорбции неона активированным углем, охлаждаемым жидким азотом.

Получение гелия из воздуха нецелесообразно вследствие его малого количества - 0,00046% объема или 0,00007% веса. Расчеты показывают, что стоимость одного кубометра гелия, добытого из воздуха, будет в тысячи раз больше, чем при добывании его из природных газов. Такая высокая стоимость, конечно, исключает возможность промышленного выделения гелия из воздуха.

Например: Чтобы добыть 1 кубометр гелия, нужно выделить 116 т азота.

Не поддается законам классической механики. Ученые пытаются разгадать тайну гелия-4. Это легкий, не радиоактивный изотоп элемента. На него, собственно, приходятся 99,9% гелия на Земле.

Так вот, если 4-ый изотоп охладить до -271-го градуса Цельсия, получится жидкость. Только вот свойства ее для жидкости не типичны. Наблюдается, к примеру, сверхтекучесть.

Если поместить гелий в сосуд и поставить его вертикально, жидкость нарушит законы гравитации. Через несколько минут содержимое емкости вытечет из нее. Из сего же вытекает, что гелий – элемент любопытный, а любопытство надо удовлетворять. Начнем знакомство со свойств вещества.

Свойства гелия

Не. Это не частица отрицания, а обозначение 2-го элемента периодической системы , то есть, гелия . Газ в обычном состоянии, он сгущается лишь при минусовых температурах. Причем, минус этот должен быть в пару сотен градусов Цельсия.

При этом, в свойства газа гелия вписана нерастворимость в воде. То есть, если сам не , то его молекулы находятся в одной фазе, не переходя в другие. Между тем, именно смена фаз вещества является определением образования раствора.

Гелий – инертный газ . Его инертность проявляется не только в отсутствии «желания» растворяться в воде. Вещество не спешит вступать и в прочие реакции. Причина: — стабильная внешняя оболочка атома.

На ней находятся 2 электрона. Разбить крепкую пару, то есть, удалить одну из частиц с оболочки атома, сложно. Поэтому, открыли гелий не в ходе химических опытов, а при спектроскопическом исследовании протуберанцев .

Произошло это во второй половине 19-го века. Прочие инертные газы, а их 6, открыли еще позже. Примерно в это же время, то есть, в начале 20-го века, удалось перевести гелий в жидкую форму.

Гелий – одноатомный газ без , вкуса и запаха. Это тоже выражение инертности элемента. Связывается он лишь с тремя «коллегами» по таблице Менделеева, — , и . Сама реакция не запустится.

Нужен ультрафиолет, или разряды тока. Зато, чтобы гелий «убежал» из пробирки, или другого объемного и тела, усилий не нужно. У 2-го элемента самая малая адсорбция, то есть, способность концентрироваться на плоскости или в объеме.

Хранят газ гелий в баллонах . Они должны быть абсолютно герметичными. Иначе, адсорбция сыграет с поставщиками злую шутку. Вещество просочится через малейшие щели. А будь баллоны из пористого материала, гелий уйдет сквозь него.

Плотность газа гелия в 7 раз уступает кислороду. Показатель последнего – 1,3 килограмма на кубический метр. У гелия же плотность равна всего 0,2 кило. Соответственно герой легок. Молярная масса гелия равна 4-ем граммам на моль.

Для сравнения у воздуха в целом показатель равен 29-ти граммам. Становится ясно, почему популярен гелий для шаров . Разница в массах 2-го элемента и воздуха тратится на подъем грузов. Вспомним, что моль равен 22-ум литрам. Получается, что 22 литра гелия способны поднять 25-граммовый груз. Кубометр газа потянет уже более килограмма.

Напоследок заметим, что у гелия отличная электропроводность. По крайней мере, это касается газов. Среди них 2-ой уже не на втором, а на первом месте. А вот по содержанию на Земле гелий – не передовик. В атмосфере планеты героя статьи миллионные доли процента. Так откуда же тогда добывают газ. Выуживать его из атмосферы нецелесообразно.

Добыча гелия

Формула гелия является составной не только атмосферы, но и природного . В разных месторождениях разнится и содержание 2-го элемента. В , к примеру, наиболее богаты гелием залежи Дальнего Востока и востока Сибири.

Однако, месторождения газа в этих регионах плохо освоены. Подстегивает к их разработке 0,2-0,8-процентное содержание гелия. Пока же, его добывают лишь на одном месторождении страны. Оно находится в Оренбурге, признано бедным на гелий. Тем не менее, 5 000 000 кубов газа в год добывают.

Общемировое производство гелия в год равно 175 000 000 кубических метров. При этом, запасы газа – 41 миллиард кубов. Большая часть из них скрыта в недрах Алжира, Катара и США. тоже входит в список.

Из природного газа гелий получают путем низкотемпературной конденсации. Получается концентрат 2-го элемента с его содержанием не менее 80%. Еще 20% приходятся на аргон, неон, метан, и азот. Какой газ гелию мешает? Никакой. Но, людям примеси мешают. Поэтому, концентрат очищают, превращая 80% 2-го элемента в 100%.

Проблема состоит в том, что у есть так же, 100-процентная уверенность, что планету ждет дефицит гелия. Уже к 2030-му году мировое потребление газа должно достигнуть 300 000 000 кубометров.

Производство гелия через 10 лет не сможет перешагнуть планку в 240 000 000 из-за дефицита сырья. Оно является невосполнимым ресурсом. Второй выделяется по крупицам при распаде радиоактивных пород.

Скорости природного производства не угнаться за нуждами людей. Поэтому, специалисты прочат резкий скачок на гелий. Пока, низкую обесценивает распродажа резервного фонда США, который стране стало невыгодно содержать.

Национальный запас создали в начале прошлого века, дабы наполнять военные дирижабли и коммерческие воздушные суда. Хранилище расположено в штате Техас.

Применение гелия

Найти гелий можно в топливных баках ракет. Там 2-ой соседствует с жидким водородом. Лишь гелий, при этом, способен оставаться газообразным, а значит, создавать в баках двигателей нужное давление.

Наполнение аэростатов, — еще одно дело, в котором пригождается газ гелий. Углекислый, к примеру, не подойдет, поскольку тяжел. Легче гелия лишь один газ , это водород. Только вот, он взрывоопасен.

В начале прошлого века водородом наполнили дирижабль «Гинденбург» и лицезрели, как тот воспламенился во время полета. С тех пор сделан в пользу инертного, хоть и чуть более тяжелого, гелия.

Популярен гелий и как охлаждающий агент. Применение связано со способностью газа порождать сверхнизкие температуры. Гелий закупают для адронных коллайдеров и спектрометров ядерного магнитного резонанса. Пользуются 2-ым элементом так же, в аппаратах МРТ. Там гелий закачивают в сверхпроводящие .

МРТ проходили многие. Близки массовому потребителя и сканеры на кассах, считывающие штрих-коды. Так вот, в магазинские лазеры закачены гелий и неон. Отдельно гелий помещают в ионные микроскопы. Они дают лучшую картинку, чем электронные, можно сказать, тоже считывают данные.

В системах кондиционирования воздуха 2-ой нужен для диагностики утечек. Пригождается сверхпроницаемость героя статьи. Если он находит куда просочиться, значит, могут «утечь» и прочие компоненты.

Речь о системах кондиционирования автомобилей. Кстати, подушки безопасности тоже заполняются гелием. Он просачивается в спасительные емкости быстрее иных газов.

Цена гелия

Пока, на газ гелий цена равна примерно 1 300 рублям за полтора куба. В них вмещаются 10 литров 2-го элемента. Есть баллоны и по 40 литров. Это почти 6 кубов гелия. Ценник на 40-литровые упаковки равен примерно 4 500 .

Кстати, для пущей герметичности, на баллоны с газом надевают защитные чехлы. Они тоже стоят , обычно, около 300-от рублей для 40-литровой тары и 150-ти рублей для баллонов на 10 литров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Гелий - второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Hе от латинского «helium». Расположен в первом периоде, VIIIА группе. Относится к группе инертных (благородных) газов. Заряд ядра равен 2.

Гелий встречается на Земле в основном в атмосфере, однако некоторые его количества выделяются в определенных местах из недр Земли вместе с природными газами. Воды многих минеральных источников тоже выделяют гелий.

Гелий представляет собой бесцветный, трудносжижаемый газ (температура кипения -268,9 o С), затвердевающий только под избыточным давлением (схема строения атома представлена на рис. 1). Обладает сильной способностью проникать через стекло и металлическую фольгу. Плохо растворяется в воде, лучше - в бензоле, этаноле, толуоле.

Рис. 1. Строение атома гелия.

Атомная и молекулярная масса гелия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).

Поскольку в свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 4,003.

Изотопы гелия

Гелий - наиболее распространенный после водорода элемент космоса - состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Их массовые числа равны 4 и 3. Ядро атома гелия 4 He содержит два протона и два нейтрона, а атома 3 He - такое же число протонов и один нейтрон.

Спектральный анализ показывает присутствие его в атмосфере Солнца, звезд, в метеоритах. Накапливание ядер 4 He во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником солнечной и звездной энергии.

Ионы гелия

В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовывать молекулярные ионы He 2 + . В обычных условиях эти ионы неустойчивы; захватывая недостающий электрон, они распадаются на два нейтральных атома.

Молекула и атом гелия

В свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Углеводород содержит 92,3 % углерода (с). Выведите молекулярную (эмпирическую) формулу углеводорода (С х Н у), если плотность его паров по гелию (Не) равна 6,5.

Решение

Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов углерода в молекуле через «х», число атомов водорода через «у». Найдем процентное содержание водорода в составе углеводорода:

ω (Н) = 100% — ω (С) =100% — 92,3% = 7,7%.

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов углерода и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(С) = 12 а.е.м.; Ar(Н) = 1 а.е.м.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y = m(Сa)/Ar(С) : m(Н)/Ar(Р);

x:y = 92,3/12: 7,7/1;

x:y:z = 7,7: 7,7 = 1: 1.

Значит простейшая формула углеводорода СН.

M(CH) = Ar(C) + Ar(H) = 12 + 1 =13 / моль.

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по гелию:

M substance = M(Не) × D(Не) ;

M substance = 4 × 6,5 = 26 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу углеводорода найдем отношение полученных молярных масс:

M substance / M(CH) = 26 / 13 = 2.

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. молекулярная (эмпирическая) формула углеводорода имеет вид C 2 H 2 .Это ацетилен.

Ответ

C 2 H 2 .Это ацетилен.

ПРИМЕР 2

Задание

В баллоне вместимостью 60 л при 20 o С и 40 атм находится гелий. Определите объем израсходованного гелия при н.у., если после 8 часов работы давление в баллоне понизилось до 32 атм, а температура возросла до 22 o С.

Решение

Сначала переведем градусы в Кельвины:

T 1 = 273 + 20 = 293 К;

T 2 = 273 + 22 = 295 К.

По объединенному газовому закону:

PV / T = P 0 V 0 / T 0 ;

V 0 = PVT 0 / P 0 T.

Для исходного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил:

V 0 initial = P 1 ×V 1 ×T 0 / P 0 ×T 1 .

Для конечного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил:

V 0 final = P 2 ×V 2 ×T 0 / P 0 ×T 2 .

Выразим объем израсходованного гелия при н.у.: