Гелій
ГЕЛІЙ-я; м.[від грец. hēlios – сонце]. Хімічний елемент (He), що не має запаху хімічно інертного газу, найлегший після водню.
◁ Гелієвий, -а, -е. Пані ядро.
Гелій(Лат. Helium), хімічний елемент VIII групи періодичної системи, відноситься до благородних газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 г/л. Зріджується найважче відомих газів (при -268,93ºC); єдина речовина, яка не твердне при нормальному тиску, як би глибоко його не охолоджували. Рідкий гелій - квантова рідина, що має надплинність нижче 2,17 º К (-270,98 º C). В не велику кількістьгелій міститься в повітрі та земної кори, де він постійно утворюється при розпаді урану та інших α-радіоактивних елементів (α-частинки – це ядра атомів гелію). Значно більш поширений гелій у Всесвіті, наприклад, на Сонці, де він вперше був відкритий (звідси назва: від грец. hēlios - Сонце). Отримують гелій із природних газів. Застосовують у кріогенній техніці, для створення інертних середовищ, в аеронавтиці (для заповнення стратостатів, повітряних культа ін.).
ГЕЛІЙГелій (лат. Helium), He (читається «гелій»), хімічний елемент з атомним номером 2, атомна маса 4,002602. Належить до групи інертних, або благородних, газів (група VIIIA періодичної системи), що знаходиться в 1-му періоді.
Природний гелій складається з двох стабільних нуклідів: 3 Не (0,00013% за обсягом) та 4 Не. Майже повне переважання гелію-4 пов'язане з утворенням ядер цього нукліду при радіоактивному розпаді урану, торію, радію та інших атомів, що відбувався протягом тривалої історії Землі.
Радіус нейтрального атома гелію 0,122 нм. Електронна конфігурація нейтрального незбудженого атома 1s 2
. Енергії послідовної іонізації нейтрального атома дорівнюють, відповідно, 24,587 і 54,416 еВ (у атома гелію найвища серед нейтральних атомів всіх елементів енергія відриву першого електрона).
Проста речовина гелій – легкий одноатомний газ без кольору, смаку, запаху.
Історія відкриття
Відкриття гелію почалося з 1868, коли під час спостереження сонячного затемненняастрономи француз П. Ж. Жансен (див.ЖАНСЕН П'єр Жуль Сезар)та англієць Д. Н. Лок'єр (див.ЛОК'ЄР Джозеф Норман)незалежно один від одного виявили у спектрі сонячної корони (див.СОНЯЧНА КОРОНА)жовту лінію (вона отримала назву D 3 -лінії), яку не можна було приписати жодному з відомих на той час елементів. У 1871 році Лок'єр пояснив її походження присутністю на Сонці нового елемента. У 1895 англієць У. Рамзай (див.РАМЗАЙ Вільям)виділив з природної радіоактивної руди клевеїта газ, у спектрі якого була та ж D 3-лінія. Новому елементу Лок'єр дав ім'я, що відбиває історію його відкриття (грецьк. Helios-сонце). Оскільки Лок'єр вважав, що виявлений елемент - метал, він використовував у латинській назві елемента закінчення «lim» (відповідає російському закінченню «ий»), яке зазвичай вживається у назві металів. Таким чином, гелій задовго до відкриття Землі отримав ім'я, яке закінченням відрізняє його від назв інших інертних газів.
Знаходження у природі
В атмосферному повітрі вміст гелію дуже малий і становить близько 5,27 10 -4 % за обсягом. У земній корі його 0,8 · 10 -6%, морській воді- 4 · 10 -10%. Джерелом гелію служать нафти і природні геліоносні гази, в яких вміст гелію досягає 2-3%, а в окремих випадках і 8-10% за обсягом. Натомість у космосі гелій - другий за поширеністю елемент (після водню): його частку припадає 23% космічної маси.
Отримання
Технологія отримання гелію дуже складна: його виділяють із природних геліоносних газів, користуючись методом глибокого охолодження. Родовища таких газів є у Росії, США, Канаді та ПАР. Гелій міститься також у деяких мінералах (монациті, торіаніті та інших), при цьому з 1 кг мінералу при нагріванні можна виділити до 10 л гелію.
Фізичні властивості
Гелій - легкий негорючий газ, щільність газоподібного гелію за нормальних умов 0,178 кг/м 3 (менше лише у водню). Температура кипіння гелію (при нормальному тиску) близько 4,2 К (або -268,93 ° C, це найнижча температура кипіння).
При нормальному тиску рідкий гелій не вдається перетворити на тверду речовину навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля (0К). При тиску близько 3,76 МПа температура плавлення гелію 2,0К. Найменший тиск, при якому спостерігається перехід рідкого гелію в твердий стан- 2,5 МПа (25 ат), температура плавлення гелію при цьому близько 1,1 К (-272,1 ° C).
У 100 мл води при 20 °C розчиняється 0,86 мл гелію, в органічних розчинниках його розчинність ще менше. Легкі молекули гелію добре проходять (дифундують) через різні матеріали (пластмаси, скло, деякі метали).
Для рідкого гелію-4, охолодженого нижче -270,97 ° C, спостерігається ряд незвичайних ефектів, що дає підставу розглядати цю рідину як особливу, так звану квантову рідину. Цю рідину зазвичай позначають як гелій-II на відміну від рідкого гелію-I - рідини, що існує при трохи вищих температурах. Графік зміни теплоємності рідкого гелію із зміною температури нагадує грецьку буквулямбда (l). Температура переходу гелію-I до гелію-II 2,186 К. Цю температуру часто називають l-точкою.
Рідкий гелій-II здатний швидко проникати через дрібні отвори та капіляри, не виявляючи при цьому в'язкості (так звана надплинність (див.Зверхтекучість)рідкого гелію-ІІ). Крім того, плівки гелію-II швидко переміщаються поверхнею твердих тіл, внаслідок чого рідина швидко залишає ту посудину, в яку вона була поміщена. Цю властивість гелію-II називають надповзучістю. Надплинність гелію-II відкрита в 1938 р. радянським фізиком П. Л. Капіцей (див.КАПИЦЯ Петро Леонідович) (Нобелівська преміяз фізики, 1978). Пояснення унікальним властивостям гелію-II дано іншим радянським фізиком Л. Д. Ландау (див.ЛАНДАУ Лев Давидович) 1941-1944 (Нобелівська премія з фізики, 1962).
Жодних хімічних сполук гелій не утворює. Щоправда, у розрідженому іонізованому гелії вдається виявити досить стійкі двоатомні іони Не2+.
Застосування
Гелій використовують для створення інертної та захисної атмосфери при зварюванні, різанні та плавці металів, при перекачуванні ракетного палива, для заповнення дирижаблів та аеростатів, як компонент середовища гелієвих лазерів. Рідкий гелій, найхолодніша рідина на Землі, - унікальний холодоагент в експериментальній фізиці, що дозволяє використовувати наднизькі температури в наукових дослідженнях (наприклад, при вивченні електричної надпровідності (див.СВЕРХПРОВІДНІСТЬ)). Завдяки тому, що гелій дуже погано розчинний у крові, його використовують як складову частинуштучного повітря, яке подається для дихання водолазам. Заміна азоту на гелій запобігає кесонній хворобі (див.КЕСОННА ХВОРОБА)(при вдиханні звичайного повітря азот під підвищеним тиском розчиняється в крові, а потім виділяється з неї у вигляді бульбашок, що закупорюють дрібні судини).
Енциклопедичний словник. 2009 .
Синоніми:Дивитись що таке "Гелій" в інших словниках:
- (Лат. Helium) Не, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602, відноситься до благородних газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 г/л. Зріджується найважче відомих газів (при 268,93 .С);… … Великий Енциклопедичний словник
- (Греч., від helyos сонце). Елементарне тіло, відкрите в сонячному спектрі і наявне землі в деяких рідкісних мінералах; у нікчемній кількості входить до складу повітря. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н. Словник іноземних слів російської мови
- (Символ Не), газоподібний неметалевий елемент, БЛАГОРОДНИЙ ГАЗ, відкритий 1868 р. Вперше отримали з мінералу клевита (різновиди ураніту) 1895 р. В даний час основним джерелом його є природний газ. Міститься також у… … Науково-технічний енциклопедичний словник
Я, чоловік. , Старий. Єлій, я.Отч.: Гелійович, Геліївна.Виробні: Геля (Гела); Еля.Походження: (Від грец. hēlios сонце.) Іменини: 27 липня Словник особистих імен. Гелій Див. Еллій. День ангела. Довідка … Словник особистих імен
ГЕЛІЙ- Хім. елемент, символ Не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, відноситься до інертних (шляхетних) газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 кг/м3. У звичайних умовах Р. одноатомний газ, атом якого складається з ядра та двох електронів; утворюється … Велика політехнічна енциклопедія
- (Helium), He, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602; відноситься до благородних газів; найнижче кипляча речовина (tкіп 268,93шC), єдина не твердне при нормальному тиску; Сучасна енциклопедія
Хім. елемент восьмий грн. періодичної системи, порядковий номер 2; інертний газ з ат. в. 4,003. Складається з двох стабільних ізотопів Не4 та Не3. Зміст. їх непостійно залежить від джерела освіти, але важкий ізотоп завжди переважає. У… … Геологічна енциклопедія
Гелій- (Helium), He, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602; відноситься до благородних газів; найнижче кипляча речовина (tкіп 268,93°C), єдина не твердне при нормальному тиску; Ілюстрований енциклопедичний словник
Гелій(He) – інертний газ, що є другим елементом періодичної системи елементів, а також другим елементом за легкістю та поширеністю у Всесвіті. Він відноситься до простих речовин і за стандартних умов (Standard temperature and pressure) є одноатомним газом.
Гелійне має смаку, кольору, запаху та не містить токсинів.
Серед усіх простих речовин, гелій має найменшу точку кипіння (T = 4,216 K). При атмосферному тиску отримати твердий гелій неможливо, навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля - для переходу в тверду форму, гелію необхідний тиск вище 25 атмосфер. Хімічних сполукгелію мало і всі за стандартних умов вони нестабільні.
Гелій, що зустрічається в природі, складається з двох стабільних ізотопів - He і 4He. Ізотоп "He" зустрічається дуже рідко (ізотопна поширеність 0,00014%) при 99,99986% у ізотопу 4He. Крім природних, відомі також 6 штучних радіоактивних ізотопів гелію.
Появою практично всього, що є у Всесвіті, гелію послужив первинний нуклеосинтез, що протікав у перші хвилини після Великого вибуху.
В даний час практично весь гелійутворюється з водню внаслідок термоядерного синтезу, що у надрах зірок. На нашій планеті гелій утворюється у процесі альфа-розпаду важких елементів. Та частина, гелію, якій вдається просочиться крізь Земну кору, виходить назовні у складі газу і може становити до 7 % від його складу. Що б виділити гелійіз природного газу, використовується фракційна перегонка – процес низькотемпературного поділу елементів.
Історія відкриття гелію
18 серпня 1868 р. очікувалося повне сонячне затемнення. Астрономи всього світу активно готувалися до цього дня. Вони сподівалися дозволити таємницю протуберанців – виступів, що світяться, видимих у момент повного сонячного затемнення по краях сонячного диска. Одні астрономи вважали, що протуберанці є високі місячні гори, які у момент повного сонячного затемнення висвітлюються променями Сонця; інші думали, що протуберанці – це гори на Сонці; треті бачили у сонячних виступах вогняні хмари сонячної атмосфери. Більшість же вважала, що протуберанці – не більше ніж оптичний обман.
У 1851 р. під час сонячного затемнення, що спостерігалося у Європі, німецький астроном Шмідт як побачив сонячні виступи, а й встиг розглянути, що обриси їх змінюються з часом. На підставі своїх спостережень Шмідт зробив висновок, що протуберанці є розпеченими газовими хмарами, що викидаються в сонячну атмосферу гігантськими виверженнями. Однак і після спостережень Шмідта багато астрономів, як і раніше, вважали вогняні виступи обманом зору.
Тільки після повного затемнення 18 липня 1860 р., яке спостерігалося в Іспанії, коли багато астрономів побачили сонячні виступи на власні очі, а італійцеві Секкі та французу Делларю вдалося не лише замалювати, а й сфотографувати їх, ні в кого вже не було сумнівів у існуванні протуберанців .
До 1860 був вже винайдений спектроскоп - прилад, що дає можливість шляхом спостережень видимої частини оптичного спектра визначати якісний склад тіла, від якого виходить спектр, що спостерігається. Однак у день сонячного затемнення ніхто з астрономів не скористався спектроскопом, щоби розглянути спектр протуберанців. Про спектроскоп згадали, коли затемнення вже закінчилося.
Ось чому, готуючись до сонячного затемнення 1868, кожен астроном до списку інструментів для спостереження включив і спектроскоп. Не забув цей прилад і Жуль Жансен, відомий французький вчений, вирушаючи для спостереження протуберанців до Індії, де умови для спостереження сонячного затемнення за обчисленнями астрономів були найкращими.
У момент, коли блискучий диск Сонця був повністю закритий Місяцем, Жуль Жансен, досліджуючи за допомогою спектроскопа оранжево-червоні язики полум'я, що виривалися з поверхні Сонця, побачив у спектрі, крім трьох знайомих ліній водню: червоної, зелено-блакитної та синьої, нову, незнайому – яскраво-жовту. Жодна з речовин, відомих хімікам того часу, не мала такої лінії в частині спектру, де її виявив Жюль Жансен. Таке ж відкриття, але вдома, в Англії, зробив астроном Норман Локієр.
25 жовтня 1868 р. паризька Академія наук отримала два листи. Одне написане наступного дня після сонячного затемнення прийшло з Гунтура, маленького містечка на східному узбережжі Індії, від Жюля Жансена; інший лист, від 20 жовтня 1868 р. був із Англії від Нормана Локієра.
Отримані листи було зачитано на засіданні професорів паризької Академії наук. У них Жюль Жансен і Норман Локієр, незалежно один від одного, повідомили про відкриття однієї й тієї ж "сонячної речовини". Ця нова речовина, знайдена на поверхні Сонця за допомогою спектроскопа, Локієр пропонував назвати гелієм від грецького слова "сонце" – "геліос".
Такий збіг здивував вчені збори професорів Академій і водночас свідчив про об'єктивний характер відкриття нового хімічної речовини. На честь відкриття речовини сонячних смолоскипів (протуберанців) було вибито медаль. На одному боці цієї медалі вибиті портрети Жансена та Локієра, а на іншій – зображення давньогрецького бога сонця Аполлона у колісниці, запряженій четвіркою коней. Під колісницею красувався напис на французькою мовою: "Аналіз сонячних виступів 18 серпня 1868 р."
У 1895 р. лондонський хімік Генрі Майєрс звернув увагу Вільяма Рамзая, відомого англійського фізико-хіміка, на тоді вже забуту статтю геолога Хільдебранда. У цій статті Хільдебранд стверджував, що деякі рідкісні мінерали при нагріванні їх у сірчаній кислоті виділяють газ, що не горить і не підтримує горіння. Серед таких рідкісних мінералів був наклеп, знайдений у Норвегії Норденшельдом, знаменитим шведським дослідником полярних областей.
Рамзай вирішив дослідити природу газу, що міститься в наклепі. У всіх хімічних магазинах Лондона помічникам Рамзая вдалося купити лише... один грам клевеїта, заплативши за нього всього 3,5 шилінга. Виділивши з отриманої кількості клевеїта кілька кубічних сантиметрів газу та очистивши його від домішок, Рамзай досліджував його за допомогою спектроскопа. Результат був несподіваним: виділений із наклепу газ виявився... гелієм!
Не довіряючи своєму відкриття, Рамзай звернувся до Вільяма Крукса, найбільшого на той час у Лондоні фахівця спектрального аналізу, з проханням дослідити виділений із наклепу газ.
Крукс досліджував газ. Результат дослідження підтвердив відкриття Рамзаю. Так 23 березня 1895 р. на Землі було виявлено речовину, 27 років тому знайдену на Сонці. Того ж дня Рамзай опублікував своє відкриття, відправивши одне повідомлення до Лондонського Королівського товариства, а інше – відомого французького хіміка академіка Бертло. У листі до Бертло Рамзай просив повідомити про відкриття вчених зборів професорів паризької Академії.
Через 15 днів після Рамзая, незалежно від нього, шведський хімік Лангле виділив гелій із клевеїта і так само, як і Рамзай, повідомив про своє відкриття гелію хіміку Бертло.
Втретє гелій було відкрито повітря, куди, на думку Рамзая, він мав надходити з рідкісних мінералів (клевеїта та інших.) при руйнуванні і хімічних перетвореннях Землі.
У невеликих кількостях гелій виявили і у воді деяких мінеральних джерел. Так, наприклад, його знайшли Рамзаєм у цілющому джерелі Котре в Піренейських горах, англійський фізикДжон Вільям Релей знайшов його у водах джерел на відомому курорті Бат, німецький фізик Кайзер відкрив гелій у ключах, що б'ють у горах Шварцвальда. Однак найбільше було виявлено гелію у деяких мінералах. Він міститься в самарскіті, фергусоніті, колумбіті, монациті, ураніті. У мінералі торіаніте з острова Цейлон міститься багато гелію. Кілограм торіаніту при нагріванні до червоного виділяє 10 л гелію.
Незабаром було встановлено, що гелій зустрічається тільки в тих мінералах, у складі яких знаходяться радіоактивні уран та торій. Альфа-промені, що випускаються деякими радіоактивними елементами, є не що інше, як ядра атомів гелію.
З історії...
Його незвичайні властивості дозволяють широко використовувати гелій для різних цілей. Перша, абсолютно логічна, виходячи з його легкості використання в повітряних кулях і дирижаблях. Причому, на відміну від водню, він не вибухонебезпечний. Ця властивість гелію використовувалася німцями у Першу Світову війну на бойових дирижаблях. Мінусом використання є те, що дирижабль наповнений гелієм не злетить так високо як водневий.
Для бомбардування великих міст, головним чином столиць Англії та Франції, німецьке командування в першу чергу світову війнувикористовувало дирижаблі (цепеліни). Для заповнення їх вживали водень. Тому боротьба з ними була порівняно проста: запальний снаряд, що потрапляв в оболонку дирижабля, підпалював водень, той миттєво спалахував і апарат згоряв. Зі 123 дирижаблів, збудованих у Німеччині за час першої світової війни, 40 згоріли від запальних снарядів. Але одного разу генеральний штаб англійської армії був здивований повідомленням особливої ваги. Прямі попадання запальних снарядів у німецький цепелін не дали результатів. Дирижабль не спалахнув, а повільно спливаючи якимсь невідомим газом, полетів назад.
Військові фахівці дивувалися і, незважаючи на екстрене та докладне обговорення питання про незаймистість цепеліну від запальних снарядів, не могли знайти потрібного пояснення. Загадку розгадав англійський хімік Річард Трелфол. У листі на адресу Британського адміралтейства він писав: "...вважаю, що німці винайшли якийсь спосіб видобувати у великій кількості гелій, і цього разу наповнили оболонку свого цепеліну не воднем, як завжди, а гелієм..."
Переконливість доказів Трелфолла, проте, знижувалася фактом відсутності у Німеччині значних джерел гелію. Щоправда, гелій міститься в повітрі, але його там мало: в одному кубічному метрі повітря міститься лише 5 кубічних сантиметрів гелію. Холодильна машина системи Лінде, що перетворює на рідину кілька сотень кубічних метрів повітря в одну годину, могла дати за цей час не більше 3 л гелію.
3 літри гелію на годину! А для наповнення цепеліну потрібно 5÷6 тис. куб. м. Для отримання такої кількості гелію одна машина Лінде мала працювати без зупинки близько двохсот років, двісті таких машин дали б потрібну кількість гелію в один рік. Будівництво 200 заводів із перетворення повітря на рідину для отримання гелію економічно дуже невигідна, а практично безглузда.
Звідки ж німецькі хіміки одержували гелій?
Це питання, як з'ясувалося пізніше, було вирішено порівняно просто. Задовго до війни німецьким пароплавним компаніям, що возили товари в Індію і Бразилію, дано було вказувати вантажити пароплави, що повертаються, не звичайним баластом, а монацитовим піском, який містить гелій. Так було створено запас "гелієвої сировини" - близько 5 тис. т монацитового піску, з якого і виходив гелій для цепелінів. Крім того, гелій видобувався з води мінерального джерела Наугейм, яке давало до 70 куб. м гелію щодня.
Випадок з незгоряним цепеліном став поштовхом для нових пошуків гелію. Гелій стали посилено шукати хіміки, фізики, геологи. Він несподівано набув величезної цінності. У 1916 р. 1 кубометр гелію коштував 200 000 рублів золотом, тобто 200 рублів за літр. Якщо зважити, що літр гелію важить 0,18 г, то 1 г його коштував понад 1000 рублів.
Гелій став об'єктом полювання комерсантів, спекулянтів, біржових ділків. Гелій у значних кількостях був виявлений у природних газах, що виходять з надр землі в Америці, в штаті Канзас, де після вступу Америки до воїна, поблизу міста Форт-Уорс було збудовано гелієвий завод. Але війна закінчилася, запаси гелію залишилися невикористаними, вартість гелію різко впала і становила наприкінці 1918 близько чотирьох рублів за кубічний метр.
Добутий з такою працею гелій був використаний американцями лише 1923 р. для наповнення тепер мирного дирижабля " Шенандоа " . Він був першим і єдиним у світі повітряним вантажопасажирським кораблем, наповненим гелієм. Однак "життя" його виявилося нетривалим. Через два роки після свого народження "Шенандоа" було знищено бурею. 55 тис. куб. м, майже весь світовий запас гелію, що збирався протягом шести років, безвісти розсіявся в атмосфері під час бурі, що тривала всього 30 хвилин.
Застосування гелію
Гелій у природі
В основному земний гелійутворюється при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію та нестабільних продуктів їх розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 та вісмуту. Усі ці елементи породжують лише важкий ізотоп гелію – He 4 , чиї атоми можна як останки альфа частинок, поховані в оболонці з двох спарених електронів – в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, ймовірно, існували й інші, що вже зникли з Землі природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним із них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.
За кількістю гелію, замкненого в гірській породі або мінералі, можна судити про їх абсолютний вік. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд років перетворюється на гелійта свинець.
Гелійу земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану та 10 г торію, за мільйон років продукує всього 0,09 мг гелію – половину кубічного сантиметра. У дуже небагатьох багатих ураном та торієм мінералах вміст гелію досить великий – кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, оскільки вони дуже рідкісні.
На Землі гелію мало: 1 м3 повітря містить всього 5,24 см3 гелію, а кожен кілограм земного матеріалу – 0,003 мг гелію. Але за поширеністю у Всесвіті гелій займає 2-е місце після водню: частку гелію припадає близько 23% космічної маси. Приблизно половина всього гелію зосереджена в земній корі, головним чином її гранітної оболонці, що акумулювала основні запаси радіоактивних елементів. Вміст гелію в земній корі невеликий - 3 х 10 -7 % за масою. Гелій накопичується у вільних газових скупчення надр і в нафтах; такі родовища досягають промислових масштабів. Максимальні концентрації гелію (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 гелію у складі природних газів.
Видобуток гелію
Видобуток гелію 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). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).
Світові запаси гелію становлять 45,6 млрд кубометрів. Великі родовищаперебувають у США (45% від світових ресурсів), далі йдуть Росія (32%), Алжир (7%), Канада (7%) та Китай (4%).
З виробництва гелію також лідирують США (140 млн. кубометрів на рік), потім – Алжир (16 млн.).
Росія посідає третє місце у світі – 6 млн. кубометрів на рік. Оренбурзький гелієвий завод є нині єдиним вітчизняним джерелом отримання гелію, причому виробництво газу знижується. У зв'язку з цим, газові родовища Східного Сибіру та Далекого Сходуз високими концентраціями гелію (до 0,6%) набувають особливого значення. Одним з найперспективніших є Ковиктинське га зоконденсатне родовище, що знаходиться на півночі Іркутської області. За оцінками фахівців тут міститься близько 25% загальносвітовихх запасів гелію.
|
найменування показника |
Гелій (марки А) (ТУ 51-940-80) |
Гелій (марки Б) (ТУ 51-940-80) |
Гелій високої чистоти, марки 5.5 (ТУ 0271-001-45905715-02) |
Гелій високої чистоти, марки 6.0 (ТУ 0271-001-45905715-02) |
|
Гелій, не менше |
||||
|
Азот, не більше |
||||
|
Кисень + аргон |
||||
|
Неон, не більше |
||||
|
Водяні пари, не більше |
||||
|
Вуглеводні, не більше |
||||
|
СО2 + СО, не більше |
||||
|
Водень, не більше |
Безпека
– Гелій не токсичний, не горючий, не вибухонебезпечний
– Гелій дозволено застосовувати у будь-яких місцях масового скупчення людей: на концертах, рекламних акціях, стадіонах, магазинах.
– Газоподібний гелій фізіологічно інертний і не становить небезпеки для людини.
– Гелій не є небезпечним і для навколишнього середовища, тому знешкодження, утилізації та ліквідації його залишків у балонах не потрібно.
– Гелій значно легший за повітря і розсіюється у верхніх шарах атмосфери Землі.
|
Гелій (марки А та Б за ТУ 51-940-80) |
|
|
Технічне найменування |
Гелій газоподібний |
|
Номер за списком OON |
|
|
Клас небезпеки під час перевезень |
|
|
Фізичні властивості |
|
|
Фізичний стан |
За нормальних умов - газ |
|
Щільність, кг/м³ |
За нормальних умов (101,3 кПа, 20 С), 1627 |
|
Температура кипіння, при 101,3 кПа |
|
|
Температура 3-ої точки та рівноважний їй тиск С, (мПа) |
|
|
Розчинність у воді |
незначна |
|
Пожежо- та вибухонебезпечність |
пожежо-вибухобезпечний |
|
Стабільність та хімічна активність |
|
|
Стабільність |
Стабілен |
|
Реакційна здатність |
Інертний газ |
|
Небезпека для людини |
|
|
Токсична дія |
Не токсичний |
|
Екологічна небезпека |
Шкідливого впливу на довкілля не надає |
|
Засоби |
Застосовні будь-які засоби |
Зберігання та перевезення гелію
Газоподібний гелій можна транспортувати всіма видами транспорту згідно з правилами перевезень вантажів на конкретному виді транспорту. Перевезення проводиться у спеціальних сталевих балонах коричневого кольору та контейнерах для перевезення гелію. Рідкий гелій транспортують у транспортних судинах типу СТГ-40, СТГ-10 та СТГ-25 об'ємом 40, 10 та 25 літрів.
Правила перевезення балонів із технічними газами
Перевезення небезпечних вантажів у Російської Федераціїрегламентується такими документами:
1. "Правила перевезення небезпечних вантажів автомобільним транспортом" (в ред. Наказів Мінтрансу РФ від 11.06.1999 №37, від 14.10.1999 №77; зареєстровані в Міністерстві юстиції Російської Федерації 18 грудня 1995, реєстраційний N 997).
2. "Європейська угода про міжнародне дорожнє перевезення небезпечних вантажів" (ДОПОГ), до якого Росія офіційно приєдналася 28 квітня 1994 року (постанова Уряду РФ від 03.02.1994 №76).
3. "Правила дорожнього руху(ПДР 2006), а саме стаття 23.5, що встановлює що "Перевезення... небезпечних вантажів... здійснюється відповідно до спеціальних правил".
4. "Кодекс РФ про адміністративні правопорушення", стаття 12.21 ч.2 якого передбачає відповідальність за порушення правил перевезення небезпечних вантажів у вигляді "адміністративного штрафу на водіїв у розмірі від одного до трьох мінімальних розмірів оплати праці або позбавлення права керування транспортними засобами на строк від одного до трьох місяців; на посадових осіб, відповідальних за перевезення – від десяти до двадцяти мінімальних розмірів оплати праці".
Відповідно до п.п.3 п.1.2 "Дія Правил не поширюється на... перевезення обмеженої кількості небезпечних речовин на одному транспортному засобі, перевезення яких можна вважати перевезенням небезпечного вантажу". Також роз'яснено, що "Обмежена кількість небезпечних вантажів визначається у вимогах щодо безпечного перевезення конкретного виду небезпечного вантажу. При його визначенні можливе використання вимог Європейської угоди про міжнародне перевезення небезпечних вантажів (ДОПОГ)". Таким чином, питання про максимальну кількість речовин, яку можна перевозити як безпечний вантаж, зводиться до вивчення розділу 1.1.3 ДОПІГ, що встановлює вилучення з європейських правил перевезення небезпечних вантажів, пов'язаних з різними обставинами.
Так, наприклад, відповідно до п. 1.1.3.1 "Положення ДОПІГ не застосовуються... до перевезення небезпечних вантажів приватними особами, коли ці вантажі упаковані для роздрібного продажу та призначені для їх особистого споживання, використання в побуті, дозвілля або спорту, умови, що вжито заходів для запобігання будь-якому витоку вмісту у звичайних умовах перевезення".
Проте, формально визнана правилами перевезення небезпечних вантажів група вилучень - вилучення пов'язані з кількостями, що перевозяться однієї транспортної одиниці (п.1.1.3.6 ).
Усі гази віднесені до другого класу речовин за класифікацією ДОПІГ. Негорючі, неотруйні гази (групи А - нейтральні та О - окислюючі) відносяться до третьої транспортної категорії, з обмеженням максимальної кількості 1000 одиниць. Легкозаймисті (група F) - до другої, з обмеженням максимальної кількості 333 одиниці. Під "одиницею" тут розуміється 1 літр місткості судини, в якій знаходиться стислий газ, або 1 кг зрідженого чи розчиненого газу. Таким чином, максимальна кількість газів, яку можна перевозити в одній транспортній одиниці як безпечний вантаж, така:
Всім нам відомий гелій – дуже легкий газ, завдяки якому повітряні куліі 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 та небезпечний стан, при якому в крові, нервової системи, 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 його було виявлено у світловому зображенні на сонці (на грецькою мовоюгеліос) до того, як його знайшли 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, самого легкого 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 - справді благородний газ. Змусити його вступити в будь-які реакції поки що не вдалося. Молекула гелію одноатомна. За легкістю цей газ поступається тільки водню, повітря в 7,25 рази важче за гелій. Гелій майже нерозчинний у воді та інших рідинах. І так само в рідкому гелії помітно не розчиняється жодна речовина.
Твердий гелій не можна отримати за жодних температур, якщо не підвищувати тиск.
В історії відкриття, дослідження та застосування цього елемента зустрічаються імена багатьох великих фізиків та хіміків різних країн. Гелієм цікавилися, з гелієм працювали: Жансен (Франція), Лок'єр, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англія), Пальмієрі (Італія), Кеезом, Камерлінг-Оннес (Голландія), Фейнман, Онсагер (США), Капіца, Кікоін, Ландау радянський Союз) та багато інших великих учених.
Неповторність образу атома гелію визначається поєднанням у ньому двох дивовижних природних конструкцій - абсолютних чемпіонів з компактності та міцності. У ядрі гелію, гелію-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки - і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що обрамляє це ядро, також насичений. У цих конструкціях – ключ до розуміння властивостей гелію. Звідси походить і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома.
Величезна роль ядра атома гелію - альфа-частинки в історії становлення та розвитку ядерної фізики. Якщо пам'ятаєте, саме вивчення розсіювання альфа-часток призвело до відкриття Резерфорда атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа-частинками було вперше здійснено взаємоперетворення елементів - те, про що століттями мріяли багато поколінь алхіміків. Щоправда, у цій реакції не ртуть перетворилася на золото, а азот на кисень, але це зробити майже так само важко. Ті ж альфа-частинки виявилися причетними до відкриття нейтрону та отримання першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа-частинок було синтезовано кюрій, берклій, каліфорній, менделевий.
Ми перерахували ці факти лише з однією метою – показати, що елемент №2 – елемент вельми незвичайний.
Земної гелії
Гелій – елемент незвичайний, і історія його незвичайна. Він був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони було відкрито яскраво-жовту лінію D, а що за нею ховалося, стало достовірно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи.
У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворюються альфа-частинки - високоактивні, що мають велику енергію ядра атомів гелію.
В основному земний гелій утворюється при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію та нестабільних продуктів їх розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 і вісмуту. Всі ці елементи породжують лише важкий ізотоп гелію – 4 He, чиї атоми можна розглядати як останки альфа-часток, поховані в оболонці з двох спарених електронів – в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, ймовірно, існували й інші, що вже зникли з Землі природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним із них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.
За кількістю гелію, замкненого в гірській породі або мінералі, можна судити про їх абсолютний вік. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд. років перетворюється на гелійі свинець.
Гелій у земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану та 10 г торію, за мільйон років продукує всього 0,09 мг гелію - половину кубічного сантиметра. У небагатьох багатих ураном і торієм мінералах вміст гелію досить великий - кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, оскільки вони дуже рідкісні.
Гелій пі Сонце відкрили француз Ж. Жансен, який проводив свої спостереження в Індії 10 серпня 1868 і англієць Дж. Лок'єр - 20 жовтня того ж року. Листи обох учених прийшли до Парижа одного дня і були зачитані на засіданні Паризької Академії наук 26 жовтня з інтервалом у кілька хвилин. Академіки, вражені таким дивним збігом, прийняли ухвалу вибити на честь цієї події золоту медаль.
Природні сполуки, у яких є альфа-активні ізотопи, - це лише першоджерело, але з сировину для промислового отримання гелію. Щоправда, деякі мінерали, що мають щільну структуру - самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон та інші, - міцно утримують ув'язнений у них гелій. Однак більшість мінералів з часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації тощо, і гелій з них йде.
Гелієві бульбашки, що вивільнилися з кристалічних структур, відправляються в подорож земною корою. Дуже незначна частина їх розчиняється у підземних водах. Для утворення більш менш концентрованих розчинів гелію потрібні особливі умови, Насамперед великий тиск. Інша частина кочівного гелію через пори та тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу потрапляють у підземні пастки, у яких накопичуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Пастками є пласти пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. Ложем для таких газових колекторів зазвичай є вода і нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід.
Так як у земній корі мандрують і інші гази (головним чином метан, азот, вуглекислота), і до того ж у значно більших кількостях, то суто гелієвих скупчень не існує. Гелій у природних газах присутня як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко - десятих часток відсотка. Велика (1,5-10%) гелієносність метаноазотних родовищ – явище вкрай рідкісне.
Природні гази виявилися єдиним джерелом сировини для промислового отримання гелію. Для відокремлення від інших газів використовують виняткову леткість гелію, пов'язану з його низькою температурою зрідження. Після того, як всі інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, відкачують газоподібний гелій. Потім його очищають від домішок. Чистота заводського гелію сягає 99,995%.
Запаси гелію на Землі оцінюються в 54 014 м 3 ; судячи з обчислень, його утворилося в земної корі за 2 млрд. років у десятки разів більше. Така розбіжність теорії з практикою цілком зрозуміла. Гелій - легкий газ і, подібно до водню (хоча й повільніше), він випаровується з атмосфери у світовий простір. Ймовірно, за час існування Землі гелій нашої планети неодноразово оновлювався – старий випаровувався в космос, а замість нього в атмосферу надходив свіжий – «видихається» Землею.
У літосфері гелію щонайменше 200 тис. разів більше, ніж у атмосфері; ще більше потенційного гелію зберігається в «утробі» Землі – в альфа-активних елементах. Але загальний зміст цього елемента у Землі та атмосфері невеликий. Гелій - рідкісний та розсіяний газ. На 1 кг земного матеріалу припадає всього 0,003 мг гелію, а вміст його в повітрі – 0,00052 об'ємного відсотка. Така мала концентрація не дозволяє поки що економічно витягувати гелій з повітря.
Інертний, але дуже потрібний гелій
Наприкінці минулого століття англійський журнал «Панч» помістив карикатуру, на якій гелій був зображений хитро підморгуючим чоловічком - сонцем. Текст під малюнком говорив: «Нарешті мене виловили і Землі! Це тривало досить довго! Цікаво знати, скільки часу мине, поки вони здогадаються, що робити зі мною?
Справді, минуло 34 роки від дня відкриття земного гелію (перше повідомлення про це було опубліковано в 1881), перш ніж він знайшов практичне застосування. Певну роль тут відіграли оригінальні фізико-технічні, електричні та меншою мірою Хімічні властивостігелію, що зажадали тривалого вивчення. Головними перешкодами були розсіяність і висока вартість елемента № 2. Тому практиці гелій був недоступний.
Першими гелій застосували німці. У 1915 р. вони почали наповнювати їм свої дирижаблі, що бомбували Лондон. Незабаром легкий, але негорючий гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів. Занепад дирижаблебудування, що почався в середині 30-х років, спричинив деякий спад у виробництві гелію, але лише на короткий час. Цей газ дедалі більше привертав увагу хіміків, металургів і машинобудівників.
Багато технологічні процеси та операції не можна вести у повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії речовини, що отримується (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища; і немає для цього більш відповідного газу, ніж гелій.
Інертний, легкий, рухливий гелій, що добре проводить тепло, - ідеальний засіб для передавлювання з однієї ємності в іншу легкозаймистих рідин і порошків; саме ці функції виконує він у ракетах та керованих снарядах. У гелієвому захисному середовищі проходять окремі стадії одержання ядерного пального. У контейнерах, заповнених гелієм, зберігають та транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів. За допомогою особливих шукачів течії, дія яких заснована на винятковій дифузійній здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторах або інших системах, що знаходяться під тиском або вакуумом.
Останні роки ознаменовані повторним підйомом дирижаблебудування, тепер на вищій науково-технічній основі. У ряді країн побудовані та будуються дирижаблі з гелієвим наповненням вантажопідйомністю від 100 до 3000 т. Вони економічні, надійні та зручні для транспортування великогабаритних вантажів, таких, як батоги газопроводів, нафтоочисні установки, опори ліній електропередач тощо. Наповнення з 85% гел. і 15% водню є вогнебезпечним і тільки на 7% знижує підйомну силу в порівнянні з водневим наповненням.
Почали діяти високотемпературні ядерні реактори нового типу, у яких теплоносія служить гелій.
У наукових дослідженнях та техніці широко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому пізнанню речовини та її будови – за більш високих температур тонкі деталі енергетичних спектрів маскуються тепловим рухом атомів.
Вже існують надпровідні соленоїди з особливих сплавів, що створюють при температурі рідкого гелію сильні магнітні поля(До 300 тис. ерстед) при мізерних витратах енергії.
При температурі рідкого гелію багато металів і сплавів стають надпровідниками. Надпровідникові реле - кріотрони все ширше використовуються в конструкціях електронно-обчислювальних машин. Вони прості, надійні, дуже компактні. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідними для електроніки. Вони входять до конструкції детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.
Звичайно, цими прикладами не вичерпується роль гелію у сучасній техніці. Але якби не обмеженість природних ресурсів, Не крайня розсіяність гелію, він знайшов би ще безліч застосувань. Відомо, наприклад, що при консервуванні в середовищі гелію харчові продукти зберігають свій первісний смак та аромат. Але «гелієві» консерви поки що залишаються «річчю в собі», тому що гелію не вистачає і застосовують його лише у найважливіших галузях промисловості і там, де без нього ніяк не обійтися. Тому особливо прикро усвідомлювати, що з пальним природним газом через апарати хімічного синтезу, топки та печі проходять і йдуть в атмосферу набагато більші кількості гелію, ніж ті, що видобуваються з гелієносних джерел.
Зараз вважається вигідним виділяти гелій тільки в тих випадках, якщо його вміст у природному газі не менший за 0,05%. Запаси такого газу весь час зменшуються, і не виключено, що їх буде вичерпано ще до кінця нашого століття. Однак проблема «гелієвої недостатності» до цього часу, ймовірно, буде вирішена - частково за рахунок створення нових, більш досконалих методів поділу газів, вилучення з них найбільш цінних, хоч і незначних за обсягом фракцій, і частково завдяки керованому термоядерного синтезу. Гелій стане важливим, хоч і побічним, продуктом діяльності «штучних сонців».
ІЗОТОПИ ГЕЛІЯ, У природі існують два стабільні ізотопи гелію: гелій-3 і гелій-4. Легкий ізотоп поширений Землі в мільйон разів менше, ніж важкий. Це найрідкісніший із стабільних ізотопів, що існують на нашій планеті. Штучним шляхом отримано ще три ізотопи гелію. Усі вони радіоактивні. Період напіврозпаду гелію-5 – 2,440-21 секунди, гелію-6 – 0,83 секунди, гелію-8 – 0,18 секунди. Найважчий ізотоп, цікавий тим, що в його ядрах на один протон припадає три нейтрони, вперше отриманий у Дубні у 60-х роках. Спроби отримати гелій-10 поки що були невдалими.
ОСТАННІЙ ТВЕРДИЙ ГАЗ. У рідкий і твердий стан гелій був переведений останнім із усіх газів. Особливі складності зрідження та затвердіння гелію пояснюються будовою його атома та деякими особливостями фізичних властивостей. Зокрема, гелій, як і водень, за температури вище - 250°C, розширюючись, не охолоджується, а нагрівається. З іншого боку, критична температура гелію вкрай низька. Саме тому рідкий гелій вперше вдалося отримати лише у 1908, а твердий – у 1926 р.
ГЕЛІЄВЕ ПОВІТРЯ. Повітря, в якому весь азот чи більша його частина замінено гелієм, сьогодні вже не новина. Його широко використовують на землі, під землею та під водою.
Гелієве повітря втричі легше і набагато рухоміше звичайного повітря. Він активніше веде себе у легенях – швидко підводить кисень і швидко евакуює вуглекислий газ. Ось чому гелієве повітря дають хворим при розладах дихання та деяких операціях. Він знімає задухи, лікує бронхіальну астму та захворювання гортані.
Дихання гелієвим повітрям практично виключає азотну емболію (кесонну хворобу), якій при переході від підвищеного тиску до нормального піддаються водолази та фахівці інших професій, робота яких проходить в умовах підвищеного тиску. Причина цієї хвороби – досить значна, особливо при підвищеному тиску, розчинність азоту у крові. У міру зменшення тиску він виділяється у вигляді газових бульбашок, які можуть закупорити кровоносні судини, пошкодити нервові вузли... На відміну від азоту, гелій практично нерозчинний у рідинах організму, тому він не може бути причиною кесонної хвороби. До того ж, гелієве повітря виключає виникнення «азотного наркозу», зовні подібного до алкогольного сп'яніння.
Рано чи пізно людству доведеться навчитися довго жити і працювати на морському дні, щоб всерйоз скористатися мінеральними та харчовими ресурсами шельфу. А на великих глибинах, як показали досліди радянських, французьких та американських дослідників, гелієве повітря поки що незамінне. Біологи довели, що тривале дихання гелієвим повітрям не викликає негативних зрушень у людському організмі та не загрожує змінами в генетичному апараті: гелієва атмосфера не впливає на розвиток клітин та частоту мутацій. Відомі роботи, автори яких вважають гелієве повітря оптимальним повітряним середовищем для космічних кораблів, що здійснюють тривалі польоти у Всесвіт.
НАШ ГЕЛІЙ. У 1980 р. група вчених та спеціалістів на чолі з І. Л. Андрєєвим була удостоєна Державної преміїза створення та впровадження технології отримання гелієвих концентратів із порівняно бідних гелієносних газів. На Оренбурзькому газовому родовищі збудовано гелієвий завод, який став головним нашим постачальником «сонячного газу» для потреб різних галузей.
ГЕЛІЄВИЙ КОМПЛЕКС. У 1978 р. академіку В. А. Легасову зі співробітниками при розпаді ядер тритію, включених в молекулу амінокислоти гліцину, вдалося зареєструвати парамагнітний комплекс, що гелій містить, в якому спостерігалася надтонка взаємодія ядра гелію-3 з неспареним електроном. Це поки що найбільше досягнення в хімії гелію.
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).
