главная > справочник > химическая энциклопедия:

Гелий

Гелий (от греч. helios-солнце; лат. Helium) He, хим. элемент VIII гр. периодич. системы, ат. н. 2, ат. м. 4,002602; относится к благородным газам. Атмосферный гелий состоит из изотопов ³Не (0,00013% по объему) и ⁴Не. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для ⁴Не 68˙10^-32 м², для ³Не-54˙10^-26м². Конфигурация электронной оболочки 1s²; энергия ионизации Не⁰ -> Не⁺ -> Не^{2 +} соотв. 2372 и 5250 кДж/моль; ван-дер-ваальсов радиус 0,122 нм, ковалентный радиус 0,04-0,06 нм.

Гелий - один из наиболее распространенных элементов космоса - занимает второе место после водорода. Содержание гелий в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) 5,27˙10^-4% по объему. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5˙10¹⁴ м³. Гелионосные природные газы содержат, как правило, до 2% по объему гелий; главные промышленные месторождения этих газов находятся в США (2,1*10¹⁰ м³ Т.), СССР, Канаде (10⁸ м³), ЮАР. Гелий содержится также в минералах, клевеите, монаците, торианите (до 10,5 л/кг).

Свойства. гелий - одноатомный газ без цвета и запаха. Свойства изотопов гелия приведены в таблице. Уравнения температурной зависимости давления пара ⁴Не:

Теплопроводность гелий 0,1437 Вт/(м*К); магн. восприимчивость - 1,9˙10^-6; уравнение температурной зависимости вязкости. *10⁷ = 5,023Т^0,647 Па*с (4-1000 К). p>СВОЙСТВА ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ

Жидкий гелий - квантовая жидкость, то есть жидкость, в макроскопическом объеме которой проявляются квантовые свойства составляющих ее атомов. Квантовые эффекты существенны при очень низких температурах, когда длина волны де Бройля для теплового движения атомов становится сравнимой с расстоянием между ними. На рисунке приведена диаграмма состояния ⁴Не. При 2,17 К и давлении паров 0,005 Мпа (т. наз. -точка) жидкий ⁴Не (бозе-жидкость) претерпевает фазовый переход второго рода (от Не I к Не II), сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности и др. С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур (зависимость от давления показана на рисунке -линией). Для Не II характерна сверхтекучесть-способность протекать без трения через узкие (диам. менее 100 нм) капилляры и щели. Это свойство открыто в 1938 П.Л. Капицей. Сверхтекучесть обусловлена переходом при температурах ниже части атомов жидкого гелий в состояние с нулевым импульсом. Не I бурно кипит во всем объеме, Не II-спокойная жидкость с ясно выраженным мениском. Различие в их поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью Не II (во много миллионов раз выше, чем у Не I). Сверхтекучесть проявляет также и жидкий ³Не (ферми-жидкость) вблизи абс. нуля (менее 2,6˙10^-3 К) и давлении ок. 3,4 МПа. Жидкий гелий-единственное вещество, не затвердевающее при нормальном давлении даже вблизи 0 К. Он кристаллизуется только под давлением более 2,5 МПа. Кристаллическая решетка ⁴Не гексагональная с плотной упаковкой. ³Не при одной и той же температуре в зависимости от давления может находиться в двух модификациях: (решетка кубическая) и (гексагональная с плотной упаковкой.; температура тройной точки 3,15 К, давл. 14,3 МПа; у ⁴Не тройная точка отсутствует.

Для газообразного гелий характерна высокая способность проникать сквозь перегородки из пластмасс, стекла и некоторых металлов. Растворимость гелия: в воде (см^э/л)-9,78 (0њС), 8,61 (20њС), 10,10 (80њС); этаноле (% по объему)-2,8 (15њС), 3,2 (25 њС). гелий характеризуется исключительной химической инертностью.

Получение. Гелий выделяют из природных гелионосных горючих газов. Сухой газ, очищенный от СО₂, под давл. 2 МПа подается в систему теплообменников, где благодаря конденсации при -28, -41 и - 110њС отделяется значительная часть углеводородов. Полученная парожидкостная смесь дросселируется до давл. 1,2 МПа и в результате отделения жидкой фазы парогазовая смесь обогащается гелий до содержания 3%. При последующем дросселировании до 1,0 Мпа происходит дальнейшее обогащение-сначала до содержания 30-50% гелий, затем при охлаждении кипящим при - 203њС и 0,04 МПа азотом-до 90%. Сырой гелий (70-90% по объему гелий) очищают от водорода (4-5%) с помощью СuО при 650-800 К, а затем осушают в адсорберах силикагелем. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого гелий кипящим под вакуумом N₂ и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N₂. Производят гелий техн. чистоты (99,80% по объему гелиz) и высокой чистоты (99,985%).

Определение. Качественно гелий обнаруживают с помощью эмиссионного спектрального анализа; основные характеристические линии 587,56 и 388,86 нм. Для количественного определения пользуются методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.), а также масс-спектрометрией и газовой хроматографией.

Применение. Газообразный гелий применяют: в качестве защитной среды при сварке, резке и плавке металлов (15% производимого гелий), при производстве твэлов (25%), при перекачивании ракетного топлива (35%), в производстве полупроводниковых материалов; для консервации пищ. продуктов; в качестве теплоносителя в высокотемпературных ядерных реакторах; для заполнения дирижаблей и аэростатов; в вакуумной технике в качестве рабочей среды при обнаружении течей гелиевым течеискателем; как компонент среды газовых лазеров; газ-носитель в хроматографии; термометрическое вещество в газовых эталонных термометрах в интервале температур 1-80 К; компонент дыхательных смесей для глубоководного погружения. Жидкий гелий-хладагент в экспериментальной физике, при получении сверхпроводящих материалов для вычислительной и измерительной техники, в сверхпроводящих магнитах и др. Жидкий ³Не-термометрическое вещество для измерений температур ниже 1 К.

Мировое производство гелий ок. 54 млн. м³ (1979). Основные страны-производители - США, СССР, ЮАР.

Хранится гелий под давлением 15 МПа в стальных баллонах емкостью 40 л, окрашенных в коричневый цвет; жидкий гелий-в дьюаровских сосудах емкрстью 10 л с защитным экраном, охлаждаемым жидким N₂. гелий открыт в 1868 Ж. Жансеном и Н. Локьером в спектре солнечной короны; впервые выделен в 1895 У. Рамзаем из минерала клевеита.

Лит. см. при ст. Благородные газы. © В. Б. Соколов.

Дополнительная информация: "Гелий: химические и физические свойства".