Залежність густини гелію від тиску. Велика енциклопедія нафти та газу

ГЕЛІЙ, He (лат. Helium, від грец. helios - Сонце, тому що вперше був виявлений в сонячному спектрі * а. helium; н. Helium; ф. helium; і. helio), - елемент VIII групиперіодичної системи Менделєєва, відноситься до інертних газів, атомний номер 2, атомна маса 4,0026. Природний гелій складається з двох стабільних ізотопів 3 He та 4 He. Відкритий у 1868 р. французьким астрономом Ж. Жансеном та англійським астрономом Дж. Н. Лок'єром при спектроскопічному дослідженні сонячних протуберанців. На гелій вперше виділено в 1895 англійським фізиком У. Рамзаєм з радіоактивного мінералу клевеїта.

Властивості гелію

При нормальних умовахгелій - газ без кольору та запаху. 0,178 кг/м 3 , t кипіння - 268,93 ° С. Гелій - єдиний елемент, який в рідкому стані не твердне при нормальному тиску, як би глибоко його не охолоджували. У 1938 радянський фізик П. Л. Капіца відкрив у 4 He надплинність - здатність текти без в'язкості. Найменший тиск, необхідний для переведення рідкого гелію в твердий, 2,5 МПа, при цьому t плавлення - 272,1 ° С. (При 0 ° С) 2,1.10 -2 Вт / м.к. Молекула гелію складається з одного атома, її радіус від 0,085 (нетинний) до 0,133 нм (Ван-дер-Ваальсов) (0,85-1,33 Е), В 1 літрі води при 20 ° С розчиняється близько 8,8 мл гелію Стійкі хімічні сполуки гелію не отримані.

Гелій у природі

За поширеністю у Всесвіті гелій займає 2-е місце після . На Землі гелію мало: в 1 м 3 повітря міститься 5,24 см 3 гелію, середній вміст 3.10 -7 %. У пластових літосферах існують 3 генетичні складові гелію — радіогенний, первозданний та атмосферний гелій. Радіогенний гелій утворюється повсюдно при радіоактивних перетворенняхважких елементів і різних ядерних реакціях, первозданний - надходить у літосферу як з глибинних порід, що оцлюдували первозданний гелій і зберегли його з часу формування планети, так і з космосу разом з космічним пилом, метеоритами тощо. Атмосферний гелій потрапляє в опади з повітря, при процесах седиментогенезу, а також з поверхневими водами, що інфільтруються.

Величина відношення 3 He/4 He у радіогенному гелії становить п.10 -8 , в гелії мантії (суміші первозданного та радіогенного) (3±1).10 -5 , у космічному гелії 10 -3 -10 -4 , в атмосферному повітрі 1,4.10-6. У земному гелії абсолютно переважає ізотоп 4 He. Основна кількість 4 He утворилася при а-розпаді природних радіоактивних елементів(Радіоізотопи, актиноурану і). Незначні джерела освіти 4 He та 3 He у літосфері ядерні реакції(нейтронне розщеплення літію і т.п.), розпад тритію та ін. На древніх стабільних ділянках земної кори переважає радіогенний 4 He 3 He/4 He = = (2±1). Для тектонічно порушеної земної кори (зон рифтів, глибинних розломів, еруптивних апаратів, з тектономагматичною або сейсмічною активністю тощо) характерна підвищена кількість 3 He 3 He/ 4 He = n.10 -5 . Для інших геологічних структур відношення 3 He/4 He у пластових газах та флюїдах змінюється в межах 10 -8 -10 -7 . Відмінність у величинах ізотопно-гелієвих відносин 3 He/4 He у мантійному та коровому гелії є індикатором сучасного зв'язку глибинних флюїдів з мантією. Через легкість, інертність і високу проникність гелію більшість породоутворюючих його не утримує, і гелій мігрує по тріщинно-порових просторах порід, розчиняючись у флюїдах, що заповнюють їх, іноді далеко відриваючись від основних зон освіти.

Гелій - обов'язкова домішка у всіх газах, що утворюють самостійні скупчення земної кориабо виходять назовні у вигляді природних газових струменів. Зазвичай гелій становить мізерну домішку до інших газів; у поодиноких випадках його кількість сягає кількох % (за обсягом); максимальні концентраціїгелію виявлено в підземних газових скупченнях (8-10%), уранових газах (10-13%) і водорозчинених газах (18-20%).

Отримання гелію

У промисловості гелій отримують з гелійвмісних газів методом глибокого охолодження (до -190 ° С), незначна кількість - при роботі повітророзподільних установок. Основні газові компоненти при цьому конденсуються (виморожуються), а гелієвий концентрат, що залишився, очищається від водню і . Розробляються також дифузні методи вилучення гелію.

Транспортування та зберігання гелію – у високогерметизованих ємностях. Гелій 1-2 сортів зазвичай перевозять у сталевих балонах різної ємності, частіше до 40 л, під тиском до 15 МПа. Сховища гелію влаштовують також у підземних соляних камерах, а гелій-сирець (близько 60% He та 40% N 2) зберігають у вироблених підземних газових структурах. На далекі відстані гелій поставляється в стислому та рідкому вигляді за допомогою спеціально обладнаного транспорту, а також газопроводом (наприклад, США).

Використання гелію

Застосування гелію засноване на таких його унікальних властивостях, як повна інертність (зварювання в атмосфері гелію, виробництво надчистих та напівпровідникових матеріалів, добавка в дихальні суміші тощо), висока проникність (течешукачі в апаратах високого та низького тиску). гелій - єдиний з хімічних елементів, який дозволяє отримувати наднизькі температури, необхідні для всіх типів надпровідних систем та установок (кріоенергетика). Рідкий гелій - холодоагент під час проведення наукових досліджень про.

Рідкий

Геліййде під другим порядковим номеромв періодичній системіелементів Менделєєва. Це один із головних елементів інертної групи газів. Позначається гелій латинськими літерами"He" і має атомний номер два. Цей газ не має запаху, не має кольору та смаку.
Газ гелій є одним із найпоширеніших елементів у всесвіті і за кількістю йде відразу після водню. Гелій також є одним із найлегших елементів. Для отримання гелію використовують метод фракційної перегонки (процес низькотемпературного поділу).

Відкриття гелію

Під час сонячного затемнення у місті Гунтур у 1868 році вчений із Франції П'єр Жансен зміг дослідити хромосферу Сонця за допомогою спектроскопа. Він зміг визначити, що у протуберанцях Сонця знаходиться не лише водень, а й інші елементи. В той час новий елементприйняли за D натрій. Але П'єр Жансен написав листа до Французької Академії наук, де виклав свою теорію відкриття нового елемента.
Через кілька місяців астроном з Англії Норман Лок'єр провів власні дослідження і також за допомогою спектроскопа виявив нову лініюу спектрі невідомого елемента довжиною 587,56 нм. Під час спільною роботоюзі своїм другом хіміком Едвардом Франкландом Норман Лок'єр дав назву відкритому елементу – гелій, що означало на давньогрецькою мовою"Сонце".
На честь відкриття нового елемента Французька академіявирішила вручити почесні медаліобом вченим і Норману Лок'єру та П'єру Жансену.
Італієць Луїджі Пальмієрі у 1881 році під час своїх досліджень вулканічних газів зміг визначити гелій. Луїджі Пальмієрі використовував прожарювання для нагрівання вулканічного продукту в бунзенівському пальнику та намагався визначити весь спектр отриманих газів. Але Пальмієрі так і не зміг чітко сформулювати свої дослідження і тому його дослідам великого значенняне надали. Але через багато років гелій та аргон справді були виявлені у вулканічних газах.
Відкриття гелію Землі відбулося 1895 року, коли шотландський хімік Вільям Рамзай займався дослідженнями газів, отриманих під час розкладання мінералу клевеита. За допомогою спектрометра він зміг виявити жовту лінію у спектрі газів, яка говорила про наявність гелію. Для додаткового дослідження Вільям Рамзай відправив зразки вченому Вільям Крукс. Додаткові дослідження показали, що жовта лінія збігається із спектром раніше відкритого гелію у хромосфері Сонце. Надалі шведські хімікиН. Ленгле та П. Клеві змогли точно визначити атомна вагагелію, повторивши досліди Рамзаю з наклепом. Остаточну точку у відкритті гелію на Землі в 1896 поставили Зігберт Фрідлендер, Едвард Белі і Генріх Кайзер, які визначили присутність гелію в атмосфері нашої планети.
Надалі Рамзай продовжив свої дослідження гелію і виявив, що гелій часто супроводжує торію та урану. У 1906 році вчений Ройдс та Резенфорд відкрили, що альфа-частинки цих радіоактивних елементів є ядрами гелію. Саме завдяки дослідженням Рамзая було започатковано теорію будови атома.
Рідкий гелій вперше зміг отримати методом дроселювання фізик із Нідерландів Хейке Камерлінг-Оннесу. Він охолодив гелій у киплячому у вакуумі водні. Отримати твердий гелій не виходило до 1926 року. Німецький фізик Віллем Хендрік зміг під високим тиском стиснути гелій та виділити кристали.
У 1932 році вчений Кеєз досліджував залежність теплоємності рідкого гелію та температури. Він дізнався, що при температурі 2,1К ( точне значення=2,172 K.) плавний підйом теплоємності гелію змінюється різким падінням і графік теплоємності виглядає як грецька літера"лямбда" (?). У зв'язку з цим відкриттям цієї точки температури було надано назву «?-точка». Саме в цій точці відбуваються глобальні зміниз гелієм. Одна фаза рідкого гелію змінює іншу і не виділяється тепла. Гелію нижче «?-точки» було надано позначення гелій-II, а вище гелій-I.
Явище надплинності гелію вперше відкрив радянський вчений ПетроЛеонідович Капіца, який досліджував властивості рідкого гелію-II. Він зміг довести, що рідкий гелій II тече практично без тертя.
походження назви
У слові гелій є закінчення "-ий" (лат. "-um" - "Helium"), що характерно для позначення металів у періодичній системі елементів. Це з тим, що Лок'єр під час відкриття гелію припустив, що це метал і назвав. А перейменувати на «Геліон» із закінченням «-він» вже не уявлялося можливим, оскільки ця назва була закріплена за ядром легкого ізотопу гелію (гелій-III)

Знаходження гелію

У космосі
У Всесвіті гелій посідає друге місце за поширеністю. Більша частинагелію в космосі утворилася після Великого Вибуху, у період первинного нуклеосинтезу. На даний момент гелій утворюється у Всесвіті завдяки термоядерному синтезу водню в надрах зірок. Мала частина гелію утворюється в земній корі при альфа-розпаді важких елементів і просочується крізь земну кору, зв'язуючись з частинками природного газу. Концентрація гелію в природному газі може досягати семи відсотків і вище від обсягу.

В атмосфері землі
Гелій в атмосфері землі виходить в результаті розпаду елементів Ac, Th, U. І вміст гелію в атмосфері досягає 7,24-10-5% за масою і 5,27-10-4% за обсягом. Запаси гелію оцінюються приблизно 5?1014 м?. Зазвичай концентрація гелію в інших газах не перевищує двох відсотків і в дуже поодиноких випадках зустрічаються гази, вміст яких гелію досягає 8-15%.
У земній корі
Гелій посідає друге місце після аргону за вмістом у земній корі. У земній речовині вміст гелію оцінюється приблизно 3 г/т. Найбільша концентрація гелію помічена в мінералах, в яких є торій, самарій, уран, монацит, гадолініт, фергюсоніт, клевеїт, торіаніт. При цьому в торіаніті вміст гелію може досягати 10,5 л/кг, решта мінералу в межах від 0,8 до 3,5 л/кг.

Визначення гелію
Щоб якісно визначити гелій використовують аналіз спектрів випромінювання (лінії 388,86 нм та 587,56 нм). Кількісно гелій визначають хроматографічним та мас-спектрометричним методом. Також використовуються методи, що базуються на вимірі фізичних властивостейгелію, таких як щільність, теплопровідність і таке інше.
Фізичні властивості гелію
Гелій є інертним хімічним елементом. Він не токсичний, без кольору, смаку та запаху. За нормальних умов гелій є одноатомним газом з крапкою кипіння 4,215 K (гелій IV). Твердий стан гелію досягається тільки при тиску 25 атмосфер і вище. Без тиску гелій не переходить у твердий станнавіть за температур близьких до абсолютного нуля. Більшість сполук гелію нестабільні в нормальних умовах і для утворення зв'язків потрібні спеціальні умови.
Вплив гелію на організм
У більшості інертні гази впливають на організм, викликаючи наркотичне сп'яніння. Вплив простого гелію при нормальному тиску на організм не робить ніякої дії. У разі підвищення тиску в людини може виникнути синдром високого тиску.

Властивості у газовій фазі
Гелій поводиться як ідеальний газза нормальних умов. У більшості проявів гелій є багатоатомним газом із щільністю 0,17847 кг/м². Теплопровідність гелію за нормальних умов становить 0,1437 Вт/(м.К), більше ніж у водню та інших газів. Питома теплоємність за нормальних умов 5,23 кДж/(кг.К), а водню 14,23 кДж/(кг.К).
При пропусканні струму через трубку, заповнену гелієм, можна спостерігати розряди різних кольорів, які залежать від тиску в трубці. Якщо зменшувати тиск, то кольори змінюватимуться від рожевого, жовтого до зеленого та помаранчевого. Це пояснюється тим, що в спектрі гелію знаходиться кілька ліній, які знаходяться в діапазоні від ультрафіолетового до інфрачервоного спектру. Головні лінії спектру гелію лежать у діапазоні між 706,52 нм та 447,14 нм. Зменшення тиску в трубці призводить до того, що довжина пробігу електрона збільшується, і енергія від його зіткнення з атомами гелію зростає. Внаслідок цього відбувається збудження атомів і більшої енергії, що призводить до зміщення спектральних ліній.
Гелій слабо розчиняється у питній воді проти іншими газами. При температурі 20 °C в одному літрі води розчиняється лише 8,8 мл гелію. В етанолі розчиняється 2,5 мл при 15°C та 3,2 при 25°C. Швидкість дифузії гелію у твердих матеріалах у кілька разів більша, ніж у інших газів. Наприклад, дифузія гелію на 65% більше, ніж у водню.
У гелію коефіцієнт заломлення ближчий до одиниці, ніж в інших газів. Гелій за нормальної температури має негативний коефіцієнт Джоуля-Томсона. Тобто він не нагрівається, коли вільно збільшується обсягом. Гелій остигає під час вільного розширення тільки при температурі нижче 40 К (нижче за температуру інверсії Джоуля-Томсона) при нормальному тиску. При зниженні температури гелій здатний перейти в рідкий стан при розширювальному охолодженні. Таке охолодження можливе за допомогою детандера.

Хімічні властивості гелію
Гелій є одним із найменш активних хімічних елементів серед інертних газів. Більшість сполук гелію існують у газовій фазі, у вигляді ексимерних молекул, які мають нестійкий основний стан та стійкий збуджений електронний стан. Гелій здатний утворювати двоатомні молекули (He2), сполуки з фтором (HeF) та хлором (HeCl).

Отримання гелію
Промисловим способом для отримання гелію використовують родовища природних газів. Щоб відокремити гелій від іншого газу використовують глибоке охолодження. Гелій зріджується краще за інші гази. За допомогою дроселювання в кілька етапів очищають гелій від вуглекислого газу та вуглеводнів. У результаті виходить суміш кількох газів (гелій, водень та неон). Далі для відділення водню від гелію використовують CuO і температуру 650-800 К. Остаточно очищають гелій методом охолодження суміші в киплячому вакуумі N2 і адсорбцією домішок, що залишилися. Таким методом одержують чистий гелій (до 99,8% за обсягом)
У Росії гелій газ одержують із нафтового чи природного газу. Основним російським заводомз видобутку гелію є ТОВ "Газпром видобуток Оренбург". На цьому заводі видобувають гелій із газу з низьким вмістом гелію, що підвищує його остаточну вартість. Щоб знизити собівартість гелію були розроблені проекти освоєння родовищ Східного Сибіруі Далекому Сході. На даному етапі головним постачальником гелію на світовий ринок є США, частку яких припадає близько 140 мільйонів м? гелію на рік. Усі найбільші родовища гелію перебувають у США. Росія за обсягом виробленого гелію займає третій рядок після США та Алжиру.

Транспортування гелію
Для того, щоб перевозити гелій використовують спеціальні балони для газів (ГОСТ 949-73). Ці балони необхідно поміщати у спеціальні контейнери, щоб не пошкодити їх у дорозі. Для перевезення упакованих балонів з гелієм можна використовувати будь-який транспорт, придатний для перевезення газів. Рідкий гелій перевозять у спеціальних транспортних ємностях. При перевезенні рідкого гелію судини з гелієм повинні бути у вертикальному положенні. При правильному транспортуванні гелій можна перевозити як залізничним транспортом, і на спеціальних автомобілях.

Застосування гелію
Гелій широко використовується в народному господарствіта промисловості. У металургії гелій використовують при виплавці чистих металів. Гелій використовується як харчової добавки E939 та засоби упаковки. За рахунок унікальних властивостей гелій використовують як холодоагент. Гелієм наповнюють повітряні кулі, використовують у медицині як дихальну суміш, використовують у лазерах і як теплоносії в котлах і трубопроводах.

Існує три основні джерела отриманнягелію:

• з гелій містять природних газів
• з мінералів
• з повітря

Одержання гелію з природного газу

Основним способом отримання гелію є метод фракційної конденсації з природних газів, що містять гелі, тобто. методом глибокого охолодження. Причому використовується його характерна властивість- Найнижча в порівнянні з відомими речовинами температура кипіння. Це дозволяє конденсувати всі супутні гелію гази, насамперед метан та азот. Процес здійснюється зазвичай у дві стадії:

• виділення так званого сирого гелію (концентрату, що містить 70-90% He)
• очищення із отриманням технічно чистого гелію.

На малюнку нижче наведено одну із схем установки для вилучення гелію з природного газу.

Газ стискається до 25 атмосфер і під цим тиском надходить до установки. Очищення (CO 2 ) і часткова осушка газу проводяться в скруберах, які зрошуються розчином, що містить 10-20% моноетаноламіну, 70-80% діетиленгліколю і 5-10% води. Після скруберів у газі залишається 0,003-0,008% вуглекислоти CO 2 а точка роси не перевищує 5°С. Подальша осушка здійснюється в адсорберах із силікагелем, де досягається температура точки роси -45°С.

Під тиском близько 20 атмосфер чистий сухий газ надходить у попередній теплообмінник 1 де охолоджується до -28° З зворотними газовими потоками. При цьому відбувається конденсація важких вуглеводнів, які відокремлюються в сепараторі 2. В аміачному холодильнику газ 3 охолоджується до -45°С, конденсат відокремлюється в сепараторі 4. В основному теплообміннику 5 температура газу знижується до -110°С, в результаті чого конденсується значна частинаметану. Паро-рідинна суміш (близько 20% рідини) дроселюється до тиску 12 атмосфер перший протиточний конденсатор 6, на виході з якого паро-газова суміш збагачується гелієм до 3%. Конденсат, що утворився в трубках, стікає у відпарну секцію, на тарілках якої з рідини видаляється розчинений в ній гелій, що приєднується до паро-газового потоку.

Рідина дроселюється до 1,5 атмосфер у міжтрубний простір конденсатора, де служить холодоагентом. Пар, що утворився тут, виводиться через теплообмінники 5 і 1. Паро-газова суміш, що виходить з конденсатора 6 і містить до 3% He, під тиском 12 атмосфер йде в другий протиточний конденсатор 7, що складається з двох частин: в нижній частині знаходиться змійниковий теплообмінник, трубках якого випаровується сдросельна з 12 до 1,5 атмосфер кубова рідина, а у верхній частині - прямотрубчастий теплообмінник, в міжтрубному просторі якого кипить азот при температурі -203°С і тиску 0,4 атмосфери. Внаслідок конденсації компонентів газової сумішіу нижній частині апарату 7 газ збагачується гелієм до 30-50%, а у верхній частині - до 90-92%.

Сирий гелій такого складу під тиском 11-12 атмосфер надходить у теплообмінники, де нагрівається та виводиться з установки. Оскільки у природному газі містяться невеликі домішки водню, то сирому гелії концентрація водню збільшується до 4-5%. Видалення водню проводять каталітичним гідруванням з подальшим осушуванням газу в адсорберах з силікагелем. Сирий гелій стискається до 150- 200 атмосфер мембранним компресором 8, охолоджується в теплообміннику 9 і надходить у прямоточний конденсатор змійниковий 10, охолоджується азотом, киплячим під вакуумом. Конденсат (рідкий ) збирається в сепараторі 11 і періодично виводиться, а газ, що несконденсувався, містить приблизно 98% He йде в адсорбер 12 с активованим вугіллям, що охолоджується рідким азотом. Гелій, що виходить з адсорбера, містить домішок менше 0,05% і надходить у балони 13 як продукт.

Особливо багаті на гелієм природні гази в США, що визначає широке застосуваннягелію в цій країні.

Одержання гелію з мінералів

Іншим джерелом гелію єдеякі радіоактивні мінералимістять уран, торій та самарій:

• наклеп
• фергюсоніт
• самарскіт
• гадолініт
• монацит
• торіаніт

Зокрема монацитові піски, велике родовищеяких є Траванкорі (Індія): монацити цього родовища містять близько 1 см 3 гелію в 1 г руди.

Для отримання гелію моноциту необхідно нагріти в закритій посудині моноцит до 1000°С. Гелій виділяється разом із вуглекислим газом (CO 2 ), який потім поглинався розчином їдкого натрію (NaOH). Залишковий газ містить 96,6% He. Подальше очищення проводиться при 600°С на металевому магнії для видалення азоту, а потім при 580°С - на металевому кальції для видалення домішок, що залишилися. Продукційний газ містить понад 99,5% He. З 1000 т монацитового піску можна отримати близько 80 м3 чистого гелію. Такий спосіб отримання гелію не представляє технічного та промислового інтересу..

Отримання гелію з повітря

У невеликій кількості гелій знаходиться у повітрі, з якого він може бути отриманий як побічний продукт при виробництві кисню та азоту з повітря, описаного у статті «». У промислових ректифікаційних колонах для поділу повітря над рідким азотом збирається газоподібна суміш, що залишається, неону і гелію. На малюнку нижче показано апарат Клодаспеціально пристосований для відділення такої суміші.

Газ, що виходить з апарату через вентиль Д, охолоджується в змійовику S, який поливається рідким азотом Т, щоб сконденсувати залишковий азот. Якщо вентиль R трохи відкрити, виходить суміш, що містить дуже мало азоту. За такого методу промислового отриманнягелію, крім труднощі, що полягає в необхідності обробити велика кількістьповітря, зустрічається ще додаткова скрута - необхідність відділення гелію від неону. Це відділення може бути виконане за допомогою рідкого водню, в якому неон твердне, або за допомогою адсорбції неону активованим вугіллям рідким азотом, що охолоджується.

Отримання гелію з повітря недоцільновнаслідок його малої кількості – 0,00046% обсягу або 0,00007% ваги. Розрахунки показують, що вартість одного кубометра гелію, видобутого з повітря, буде в тисячі разів більша, ніж при добуванні його з природних газів. Така висока вартість, звичайно, унеможливлює промислове виділення гелію з повітря.

Наприклад: Щоб видобути 1 кубометр гелію, потрібно виділити 116 т азоту.

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 великою енергієюядра 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, мабуть, існували й інші, які вже зникли з Землі природно радіоактивні рядиелементів, що насичують планету гелієм. Одним із них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.

За кількістю гелію, замкненого в гірської породиабо 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 дуже небагатьох багатих ураном і торієм мінералах вміст гелію досить великий - кілька кубічних сантиметрівгелію 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 Академіїнаук 26 жовтня з інтервалом за кілька хвилин. Академіки, вражені настільки дивним збігом, ухвалили постанову вибити на честь цієї події золоту медаль

Природні сполуки, у складі яких є альфа-активні ізотопи, - це лише першоджерело, але не сировина 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.

Вивільнені з кристалічних структургелієві бульбашки вирушають у подорож земною корою. Дуже незначна частина їх розчиняється в 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 змістцього елемента у Землі та атмосфері невелико. 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 процесита 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, добре провідний тепло гелій - ідеальний засібдля передавлювання з однієї ємності в іншу легкозаймистих рідин та 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 і транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів. За допомогою особливих течешукачів, дія яких заснована на винятковій дифузійній здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторахабо інших системах, які перебувають під тиском або вакуумом.

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 - при більш високих температурахтонкі 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 неуважність гелію, він знайшов би ще безліч застосувань. Відомо, наприклад, що при консервуванні в середовищі гелію харчові продуктизберігають 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 великі кількостігелію, 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 термоядерному 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 ізотоппоширений Землі у 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 в 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 температурагелію 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 серйозно скористатися мінеральними та харчовими ресурсами шельфу. А на великих глибинЯк показали досліди радянських, французьких та американських дослідників, гелієве повітря поки незамінне. Біологи довели, що тривале дихання гелієвим повітрям не викликає негативних зрушень у людському організміі 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 середовищемдля космічних кораблів, що здійснюють тривалі польоти у Всесвіт.

НАШ ГЕЛІЙ. У 1980 р. група вчених та фахівців на чолі з І. Л. Андрєєвим була удостоєна Державної премії за створення та впровадження технології отримання гелієвих концентратів із порівняно бідних гелієносних газів. Оренбурзьким газовому родовищізбудовано 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.

18 серпня 1868 року французький учений П'єр Жансен під час повного сонячного затемнення індійському містіГунтур вперше досліджував хромосферу Сонця. Спектроскопія сонячних протуберанців поряд з лініями водню – синьою, зелено-блакитною та червоною – виявила дуже яскраву жовту лінію, спочатку прийняту Жансеном та іншими астрономами, що спостерігали її за лінію D натрію. Незалежно від нього англійський астроном Норман Лок'єр виявив у спектрі невідому жовту лінію з довжиною хвилі 587,56 нм і позначив її як D3. Через два роки Лок'єр, спільно з англійським хіміком Едвардом Франкландом, прийшов до думки, що ця яскраво-жовта лінія не належить жодному з раніше відомих хімічних елементів і запропонувала дати новому елементу назву "гелій" (від грец. hlioz- "Сонце").

Знаходження в природі, отримання:

Гелій посідає друге місце за поширеністю у Всесвіті після водню - близько 23% за масою. Однак на Землі гелій рідкісний, утворюючись у результаті альфа-розпаду важких елементів. У рамках восьмої групи гелій за вмістом у земній корі посідає друге місце (після аргону). Запаси гелію в атмосфері, літосфері та гідросфері оцінюються в 5 · 10 14 м 3 . Геліоносні природні гази містять зазвичай до 2% гелію за обсягом (рідко 8-16%). Середній вміст гелію у земній речовині - 3 г/т. Найбільша концентрація гелію спостерігається в мінералах, що містять уран, торій та самарій: кльовіїті, фергюсоніті, самарскіті, гадоліните, монациті (монацитові піски в Індії та Бразилії), торіаніті. Вміст гелію у цих мінералах становить 0,8-3,5 л/кг, а торіаніті воно досягає 10,5 л/кг. Природний гелій складається з двох стабільних ізотопів: 4 He та 3 He. Відомі ще шість штучних радіоактивних ізотопів гелію.
У промисловості гелій отримують з природних газів, що містять гелій.

Фізичні властивості:

Проста речовина гелій - нетоксична, не має кольору, запаху та смаку. За нормальних умов є одноатомний газ, Tкіп = 4,2K (найменша серед усіх простих речовин). При атмосферному тискувін не переходить у тверду фазу навіть при вкрай близьких до абсолютного нуля температурах.
За нормальних умов гелій поводиться практично як ідеальний газ. Щільність 0,17847 кг/м3. Він має теплопровідність (0,1437 Вт/(м·К) при н.у.) більшу, ніж в інших газів, крім водню. Коефіцієнт заломлення гелію ближче до одиниці, ніж будь-якого іншого газу. Гелій менш розчинний у воді, ніж будь-який інший відомий газ (при 20°C близько 8,8 мл/л). Швидкість його дифузії через тверді матеріали втричі вища, ніж у повітря, і приблизно на 65% вище, ніж у водню.
При пропусканні струму через заповнену гелієм трубку спостерігаються розряди різних кольорів, які залежать головним чином тиску газу в трубці.

Хімічні властивості:

Гелій – найменш хімічно активний елемент восьмої групи таблиці Менделєєва. У газовій фазі може утворювати (при дії електричного розрядуабо ультрафіолетового випромінювання) так звані ексимерні молекули, у яких стійкі збуджені електронні стани та нестійкий основний стан: двоатомні молекули He 2 , фторид HeF, хлорид HeCl. Час життя таких часток дуже мало, зазвичай складає лічені наносекунди. На відміну від багатьох інших газів гелій не утворює клатратів, так як маленькі атоми гелію "вислизають" із надто великих для них порожнин у структурі води.

Застосування:

Унікальні властивості гелію широко використовуються:
- у металургії як захисний інертний газ для виплавки чистих металів;
- у харчової промисловостізареєстрований як харчова добавка E939, в якості палива та пакувального газу;
- як холодоагент для отримання наднизьких температур;
- для наповнення повітроплавних суден (дирижаблі), повітряних культа оболонок метеорологічних зондів;
- як теплоносій у деяких типах ядерних реакторів;
- як носій у газовій хроматографії;
- для пошуку витоків у трубопроводах та котлах;
- Для заповнення газорозрядних трубок;
- як компонент робочого тіла у гелій-неонових лазерах;
- у техніці нейтронного розсіювання як поляризатор і наповнювач для позиційно-чутливих нейтронних детекторів;
- у дихальних сумішах для глибоководного занурення;
- для зміни тембру голосових зв'язок(ефект підвищеної тональності голосу) за рахунок відмінності щільності звичайної повітряної суміші та гелію тощо;
- нуклід 3 He є перспективним паливом термоядерної енергетики.