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December 5, 2021

氦(化学符号 - He,拉丁文 Helium) - 原子序数为 2 的化学元素,属于第 18 族(根据旧分类 - 第 8 族的主要亚群),化学元素周期表的第 1 周期元素,是稀有气体的第一个代表。此外,氦 (He) 是由化学元素氦形成的单一物质 -(在正常条件下)一种非常轻、化学惰性(最惰性)的单原子气体,没有气味、颜色和味道。氦也是第二轻的(仅次于氢)化学物质。它的沸点是所有已知物质中最低的。

一般说明

氦气无毒、无色、无臭、无味。在正常情况下,它是一种单原子气体。它的沸点(T 4,216 K)是所有元素中最低的。在大气压下,它不会进入固相,即使在绝对零时也是如此。只有在高于 25 个大气压的压力下才能获得固态氦气。极端条件也是产生一些氦化学品所必需的,所有这些化学品在标准温度和压力下都不稳定。氦是宇宙中第二常见的光(仅次于氢)。然而,氦是地球上的稀有元素。在现代宇宙中,几乎所有新的氦气都是由恒星中的氢热核聚变产生的。在地球上,它是由重元素的 α 衰变产生的(α 衰变期间发射的 α 粒子是氦 4 原子核)。部分氦气,在 α 衰变过程中产生并渗入地壳岩石,被天然气捕获,其中氦的浓度可达到体积的 7%。通过称为分馏的低温分离过程从天然气中提取氦气。

历史

1868 年 8 月 18 日,法国科学家皮埃尔·扬桑在印度城市贡图尔发生日全食时,首次研究了太阳的色球层。詹森能够调整分光镜,这样不仅可以在日食期间观察太阳日冕的光谱,而且可以在平常的日子里观察到。第二天,日珥的光谱连同氢谱线——蓝色、绿蓝色和红色——揭示了一条非常亮的黄线,最初被詹森和其他天文学家采用,他们在 D 线钠中观察到它。詹森立即写信给法国科学院。后来发现,太阳光谱中的亮黄线与钠线并不重合,不属于任何先前已知的化学元素。两个月后,即 10 月 20 日,英国天文学家诺曼·洛克耶,不知情的法国同事的实验,还进行了太阳光谱的研究。找到一条波长为 588 nm(更准确地说是 587.56 nm)的未知黄线,他将其标记为 D3,因为它非常接近弗劳恩霍夫谱线 D1(589.59 nm)和 D2(588.99 nm)钠。两年后,洛克耶通过太阳中一种新元素的存在解释了它的起源,并与英国化学家爱德华·弗兰克兰(Edward Frankland)一起提议将这种新元素命名为“氦”(来自希腊语ἥλιος - “太阳”)。有趣的是,詹森和洛克耶的信在一天之内——1868 年 10 月 24 日就送到了法国科学院,但他四天前写的洛克的信却提前了几个小时。第二天,在学院的一次会议上阅读了这两封信。为了纪念研究突起的新方法,法国学院决定铸造一枚奖章。奖牌的一侧是月桂树交叉枝条上的詹森和洛克耶的浮雕肖像,另一侧是神话中的太阳神阿波罗的形象,四匹马绘制的战车。 1881年,意大利人Luigi Palmieri发表了一份报告,称他在喷气孔的火山气体中发现了氦。他研究了从维苏威火山口边缘喷出的气体中沉淀出来的淡黄色油状物质。 Palmieri 在本生灯的火焰中煅烧了这种火山产物,并观察了释放出的气体光谱。学者们对这份报告持怀疑态度,因为帕尔米耶里含糊地描述了他的实验。许多年后,确实在喷气孔气体中发现了少量的氦气和氩气。在最初发现氦气仅 27 年后,在地球上发现了氦气——1895 年,苏格兰化学家威廉拉姆齐研究了一个通过矿物克莱维特分解获得的气体样本,在其光谱中发现了与早先在地球上发现的相同的亮黄线。太阳光谱。样品被送到英国著名的光谱学家威廉克鲁克斯做进一步研究,他证实样品光谱中观察到的黄线与氦的D3线重合。 1895 年 3 月 23 日,拉姆齐通过著名化学家玛瑟琳·贝特洛 (Marceline Berthelot) 向伦敦皇家学会和法国科学院发送了一条关于他在地球上发现氦的消息。瑞典化学家 Per Theodor Kleve 和 Nils Abraham Lengle 能够从 Cleveite 中提取足够的气体来确定新元素的原子质量。 1896 年,海因里希·凯撒,Siegbert Friedlander 和两年后的 Edward Beli 终于证明了大气中存在氦气。甚至在拉姆齐之前,氦也被美国化学家弗朗西斯·希勒布兰德分离出来,但他错误地认为自己接受了氮,并在给拉姆齐的一封信中承认了发现的优先性。在研究各种物质和矿物质时,拉姆齐发现其中的氦伴随着铀和钍。但直到很久以后,也就是 1906 年,欧内斯特·卢瑟福和罗伊兹才确定放射性元素的 α 粒子是氦原子核。这些研究标志着现代原子结构理论的开始。直到 1908 年,荷兰物理学家 Heike Kamerling-Onnes 才设法获得液氦。在气体在真空沸腾的液态氢中预冷后,他使用了节流(参见焦耳-汤姆逊效应)。长期以来,即使在 0.71 K 的温度下,获得固体氦的尝试也没有成功,这是德国物理学家威廉·亨德里克·基斯 Kamerling-Onnes 的学生达到的。仅在 1926 年,施加 35 ATM 以上的压力并在真空下沸腾的液态氦中冷却压缩氦,他才能够分离出晶体。 1932 年,Keez 研究了液氦热容量随温度变化的性质。他发现大约 2.19 K 的热容量缓慢而平稳的上升被急剧下降所取代,热容量曲线采用希腊字母 λ (lambda) 的形式。因此,热跃跃迁的温度被指定为条件名称“λ 点”。稍后确定的此时更准确的温度值为 2,172 K。在 λ 点,液氦的基本性质发生了深刻而突然的变化——液氦的一个相在这一点变为另一相,而没有释放潜热;存在第二种相变。高于 λ 点的温度是所谓的氦 I,低于它的是氦 II。 1938 年,苏联物理学家 Peter Leonidovich Kapitsa 发现了液氦-II 的超流现象,即粘度系数急剧下降,因此氦几乎没有摩擦地流动。以下是他在关于发现这种现象的一份报告中所写的内容:……实际传递的热量超出了物理能力,根据任何物理定律,身体可以传递的热量比其热能乘以速度声还多.在通常的导热机制的帮助下,热量无法传递到观察到的程度。必须寻求另一种解释。而不是通过热导率来解释热量的传递,即能量从一个原子转移到另一个原子,而是可以更简单地解释 - 通过对流,物质本身的热量传递。会不会是加热的氦气上移,冷的氦气下移,因为速度差,所以有对流,从而有热传递。但是为了这个目的,有必要假设运动中的氦气流动时没有任何阻力。我们已经遇到过电流在导体上没有任何阻力的情况下移动的情况。我决定氦也可以毫无阻力地移动,它不是超导物质,而是超流体。 ...... 如果在'水的黏度是10-2P,是水的十亿倍……

名字的由来

Lockyer 给氦取了一个反映其发现历史的名字(来自希腊语。Helios - 太阳)。因为洛克尔认为发现的元素是金属,所以他使用了拉丁语结尾元素“ium”(对应于乌克兰语结尾“y”),这是金属名称中常用的。因此,早在它在地球上被发现之前,氦就收到了一个名称,以其他惰性气体的名称结尾。通过与其他稀有气体类比,将其命名为“Helion”是合乎逻辑的。在现代科学中,“氦气”这个名字与氦的轻同位素 helium-3 的原子核有关。

传播

在宇宙中

在所有元素中,氦是宇宙中仅次于氢的第二常见元素 - 约 23% 的重量。然而,在类地行星(水星、金星、地球、火星)上几乎没有氦。宇宙中几乎所有的氦都是在大爆炸后的最初几分钟内在初级核合成反应中形成的。在现代宇宙中,几乎所有新的氦都是由恒星内部氢的热核聚变形成的(参见质子 - 质子循环,碳 - 氮循环)。在地球上,它是由重元素铀和钍的 α 衰变形成的。由于α衰变而形成的部分氦气通过地壳岩石迁移,被天然气捕获,其中氦气的浓度可达8-16% vol。

在地壳中

在第八族元素中,氦在地壳中仅次于克拉克(仅次于氩)。地球大气中的氦含量(由 Ac、Th、U 的放射性衰变形成)为 5.27 × 10−4% vol。 7.24 × 10−5% 重量。地球大气层、岩石圈和水圈中的氦储量估计为 5 × 1014 m³。天然气中氦气的浓度通常高达 2% vol。非常罕见的是天然气的积累,其中氦含量达到 8-16% vol。在含铀和钍的矿物中观察到氦的最大浓度:克利夫石、镁铝榴石、铁锌矿、钆沸石、独居石(印度和巴西的独居石砂)、托利安石 - 从 0.8 到 10.5 l/kg。所有含有浓度大于 0.02% 的氦气的天然气分为四组: a) 差 - 氦气浓度为 0.02-0.05%; b) 丰富 - 0.05-0.30%;c) 非常丰富 - 0.30-1.0%; d) 独特丰富 -> 1.0%. 在估算氦族的储量和资源量时,经常将“B”和“D”组合为一个。在乌克兰、俄罗斯、哈萨克斯坦等前苏联国家,氦气储量按A、B、C1、C2类分类,资源量按C3、D1、D2类分类。

同位素

天然氦由两种稳定同位素组成:4He(同位素流行率 - 99.999863%)和更为稀有的 3He(0.000137%;不同天然来源中氦 3 的含量可能差异很大)。还已知其他六种人造放射性氦同位素,所有这些同位素的寿命都非常短。

定义

定性地,氦由发射光谱分析确定,主要特征谱线为 587.56 和 388.56 nm。质谱法和气相色谱法以及基于物理特性(密度、热导率等)测量的方法用于定量测定。

化学性质

氦是第 18 族(惰性气体)中化学活性最低的元素,并且通常是整个周期表中的元素。许多氦化合物仅以所谓的准分子分子形式存在于气相中,其中激发的电子态和不稳定的基态是稳定的。氦形成双原子 He + 2 分子、HeF 氟化物、HeCl 氯化物(受激分子通过放电或紫外线辐射对氦与氟或氯的混合物的作用而形成)。分子氦离子He +2 的结合能为58 kcal/mol,平衡核间距为1.09 Å。已知准分子化合物氦LiHe。

气相性质

在正常条件下,氦气的行为几乎像一种理想气体。在所有条件下,氦都是单原子物质。在正常情况下,密度为0.17847 kg/m³,具有0.1513 W(m·K)的热导率——高于除氢气外的所有其他气体,其比热极高(cf 5.23 kJ)(kg·K) K),用于比较 - H2 为 14.23 kJ⁄ (kg·K))。当电流通过充满氦气的管子时,会观察到不同颜色的放电,这主要取决于管子中的气体压力。通常氦光谱的可见光是黄色的。随着压力的降低,颜色变为粉红色、橙色、黄色、亮黄色、黄绿色和绿色。这是由于在氦光谱中存在位于光谱的红外和紫外部分之间的范围内的几列谱线。光谱可见部分中最重要的氦谱线位于 706.52 nm 和 447.14 nm 之间。压力的降低导致电子自由程长度的增加,即在与氦原子碰撞的情况下其能量增加。这导致原子跃迁到具有更大能量的激发态,导致光谱线从可见光谱的红色边缘转移到紫色边缘。充分研究的氦光谱有两组截然不同的谱线——单谱线 (1S0) 和三线谱 (3S1),因此在 19 世纪后期洛克耶、龙格和帕申提出氦由两种气体的混合物组成;其中一个在光谱中的黄线为 587.56 nm,另一个为 501.6 nm 的绿线。他们提议将这第二种气体从希腊语中称为 Aster (Asterium)。星星。然而,拉姆齐和特拉弗斯表明,氦的光谱取决于条件:在 7-8 毫米汞柱的气压下最亮的黄线;随着压力的降低,绿线的强度增加。 Heisenberg 在 1926 年解释了氦原子的光谱(参见交换相互作用)。光谱取决于原子中电子自旋的相互方向 - 具有相反方向自旋(在光谱中给出绿线)的原子称为“平行光”,具有共向自旋(带有黄线)在光谱中)称为“orthogelium”。 paragelium 线是孤立的,orthogelium 线是非常窄的三联体。正常条件下的氦原子处于单一(singlet)状态。要将一个氦原子转换为三重态,需要花费 19.77 eV。氦原子从三重态跃迁到单重态本身是极其罕见的。这样的状态,从它本身过渡到更深的状态是不可能的,称为亚稳态。通过将原子暴露于外部影响(例如,通过电子碰撞或与另一个原子碰撞并将后者直接转移到激发能),可以将原子从亚稳态转变为稳定状态。在paragelium 原子(氦的单线态)中,电子的自旋方向相反,总自旋矩为零。在三重态 (orthogelia) 中,电子的自旋是共向的,总自旋矩等于 1。泡利原理禁止两个电子处于具有相同量子数的状态,因此具有相同自旋的正胶低能态电子被迫具有不同的主量子数:一个电子在 1S 轨道中,而其他 - 远离原子核 2S - 轨道(壳 1S 2S 的状态)。在 paragelia 中,两个电子都处于 1S 状态(1S2 壳层的状态)。正凝胶和平行凝胶之间的光子辐射自发相互结合(即伴随总自旋的变化)跃迁受到极强的抑制,但当与入射电子或其他原子相互作用时,非辐射跃迁是可能的。在不太可能发生碰撞的介质中(例如,在星际气体中),通过同时发射两个光子或作为单光子的结果,可以从正凝胶 23S1 的较低状态自发过渡到副凝胶 10S1 的基态磁偶极跃迁 (M1)。在这些条件下,由于双光子衰变 23S1 → 10S1 + 2 γ 引起的正胶原子的估计寿命为 2.49 × 108 s,即 7.9 年。第一个理论估计表明,由于磁偶极子跃迁导致的寿命要长几个数量级,即占主导地位的双光子衰变。仅仅三年后,在日冕光谱中一些类日光离子的禁止三重态-单重态跃迁意外发现之后,才发现 23S1 态的单光子磁偶极子衰变的可能性要大得多;该通道衰减的寿命“仅”为 8 × 103 s。需要注意的是,20S1 副凝胶原子的第一激发态的寿命在原子尺度上也是非常大的。这种状态的选择规则禁止单光子跃迁 20S1 → 10S1 + γ(由于对称性的原因,这很容易解释。原子的初始状态和最终状态都是球对称的,没有单独的方向 - 两个电子都在S-状态,总自旋矩也是具有一定动量的光子的发射需要违反这种对称性。),对于双光子衰变,寿命为 19.5 ms。氦气比任何其他已知气体更难溶于水。在 20°C 的 1 升水中溶解约 8.8 毫升(0°C 时为 9.78,80°C 时为 10.10),在乙醇中 - 2.8 毫升(15°C),3.2 毫升(25°C)。它在固体材料中的扩散速度比空气高三倍,比氢气高约65%。氦气的折射率比任何其他气体都更接近于 1。这种气体在正常环境温度下具有负的焦耳-汤姆逊系数,即当其体积自由增加时会升温。只有低于焦耳-汤姆逊反转温度(在常压下约为 40 K),它才会在自由膨胀过程中冷却。冷却到该温度以下后,氦气可以在膨胀冷却下转化为液体。这种冷却是使用膨胀机进行的。

凝聚相的性质

1908 年,G. Kamerling-Onnes 是第一个获得液氦的人。只有在 25 个大气压的压力和大约 1 K 的温度下才能获得固态氦(V. Keez,1926 年)。 Keyes 还发现了氦 4 (4He) 在 2.17 K 温度下的相变;他将两相命名为氦 I 和氦 II(低于 2.17 K)。 1938年,PL Kapitsa发现氦-II缺乏粘度(超流现象在2.1768 K的温度下液氦进入失去粘度的状态,这种状态称为超流体或氦状态II,在超流体中状态,氦有许多有趣的特性,例如,爬上容器壁,延伸到热源等)。在氦 3 中,超流仅在低于 0.0026 K 的温度下发生。超流氦属于所谓的量子液体类别,其宏观行为只能用量子力学来描述。 2004年有报道称在扭振器中研究时发现了固体氦的超流性(即所谓的超固体效应)。然而,许多研究人员一致认为,2004 年发现的效应与晶体的超流动性无关。目前正在进行大量的实验和理论研究,以了解这种现象的真实性质。目前正在进行大量的实验和理论研究,以了解这种现象的真实性质。目前正在进行大量的实验和理论研究,以了解这种现象的真实性质。

接收

在工业中,氦气是从含氦气的天然气中获得的(目前开采的主要是含 > 0.1% 氦气的矿床)。利用氦气比所有其他气体更难液化的事实,通过深度冷却的方法将氦气与其他气体分离。冷却是通过几个阶段的节流进行的,净化它的 CO2 和碳氢化合物。结果是氦气、氖气和氢气的混合物。这种混合物,所谓的。粗氦(He - 70-90% Coll.)从氢气(4-5%)和 CuO 在 650-800 K 中提纯。最后的提纯是通过在真空 N2 下沸腾冷却剩余混合物并吸附杂质来实现的吸附器中的活性炭,也由液氮冷却。生产技术纯度(体积百分比为 99.80%)和高纯度(99.985%)的氦气。乌克兰、俄罗斯、美国、加拿大、南非和其他国家都存在此类气体。某些矿物(独居石、钍钍等)中也含有氦,加热 1 公斤矿物可产生多达 10 升的氦。世界氦气储量约为 450 亿立方米。 2015年全球氦气产量1.68亿立方米,其中美国1亿立方米、卡塔尔4000万立方米、阿尔及利亚1600万立方米、澳大利亚500万立方米、俄罗斯400万立方米、波兰3万立方米。 2016 年,在坦桑尼亚 Eyasi 湖附近的东非裂谷内部发现了一个含有约 10% 氦气的气田。俄罗斯 - 400 万立方米,波兰 - 300 万立方米。 2016 年,在坦桑尼亚 Eyasi 湖附近的东非裂谷内部发现了一个含有约 10% 氦气的气田。俄罗斯 - 400 万立方米,波兰 - 300 万立方米。 2016 年,在坦桑尼亚 Eyasi 湖附近的东非裂谷内部发现了一个含有约 10% 氦气的气田。

运输

棕色钢瓶 (DSTU 949-73) 用于运输气态氦,将其放置在专用容器中。对于运输,您可以使用符合气体运输相关规则的所有运输方式。STG-10、STG-25、STG-40、STG-250、STG-500浅灰色专用杜瓦瓶运输船,容积分别为10、25、40、250和500升,用于运输液氦。如果您遵守一定的交通规则,您可以使用铁路、公路和其他交通方式。装有液氦的容器必须直立存放。

应用

氦气广泛用于工业和国民经济:在冶金中,在金属的焊接、切割和熔炼中创造惰性和保护气氛;在 MRI 扫描仪中;用于生长硅、锗、碳晶体;作为氦氖激光器介质的组成部分;作为氦气检漏仪中的工作流体,用于寻找管道和锅炉的泄漏;在气相色谱中作为载气;填充气体放电管(灯);作为制冷剂(液氦,一种在最低温度下凝结的液体 - 实验物理学中的一种独特制冷剂,它允许在科学研究中获得超低温(例如,在研究电超导或磁体冷却中)强子对撞机等);某些类型的核反应堆中的冷却剂,当泵送火箭燃料时;用于飞机(飞艇和气球)的填充 - 与升力中的氢损失相比微不足道,由于不可燃,氦是绝对安全的;用于填充气象探测器的气球和外壳;在食品工业中(注册为食品添加剂E939)作为推进剂和包装气体;用于深度浸入的呼吸混合物(由于氦气在血液中的溶解性非常差,因此用作潜水员呼吸的人造空气的一部分。用氦气代替氮气可防止沉箱病(在高空气中吸入普通空气时)压力溶解在血液中,然后以气泡的形式释放出来,堵塞小血管。)通过潜水装备,氦气加热氧气,而不是像氮气一样冷却。随着压力随着深度的增加,混合物的密度增加,氦气通过降低雷诺数来显着降低呼吸力,从而导致湍流减少并增加层流。)此外,同位素3He用作气体中子探测器位置敏感的工作物质,在中子散射技术中用作偏振器。 3He 还是一种很有前途的热核能燃料。氦3在氦4中的溶解用于获得超低温。在中子散射技术中作为偏振器。 3He 也是一种很有前途的热核能燃料。氦3在氦4中的溶解用于获得超低温。在中子散射技术中作为偏振器。 3He 也是一种很有前途的热核能燃料。氦3在氦4中的溶解用于获得超低温。

在地质学

氦气对于地质学家来说是一种方便的指示剂。在氦气调查的帮助下,可以确定地球表面深部断层的位置。氦作为放射性元素衰变的产物,使地壳上层饱和,从裂缝中渗出并上升到大气中。在这些裂缝附近,尤其是在它们相交的地方,氦气的浓度更高。这种现象最早是由苏联地球物理学家 IM Yanitsky 在寻找铀矿时发现的。这种模式用于研究地球的深层结构和寻找有色金属和稀有金属的矿石。

军事应用

第一次世界大战 - 为美国和德国的军用飞艇加油。1930 年代 - 1960 年代 - 人们错误地认为氦提取可用于寻找铀矿石。M. Sklodowska-Curie 在 1911 年反对这一点。自 1950 年代以来 - 吹制液体火箭燃料箱。

在天文学

1918 年发现的小行星 895 Helio 以氦命名。

生物作用

目前,其生物学作用尚不清楚。氦气可能没有任何生物学功能。

生理作用

虽然稀有气体具有麻醉作用,但这种作用在常压氦气和氖气中并未表现出来,而随着压力的增加,会出现“神经压力综合征”(NSVT)的症状。吸入空气中的高浓度氦气会导致头晕、恶心、呕吐、意识丧失和窒息死亡(由于缺氧)。类似的效果通常由一次纯氦气产生,例如来自氦气球。与吸入其他惰性气体一样,由于缺乏味觉和嗅觉,吸入大浓度时往往会出现意想不到的意识丧失。当你吸入氦气时,声音变细,类似于鸭子的叫声。高于空气,氦气中的声速,其他条件相同(例如,温度)增加声道的共振频率值(作为一个充满气体的容器)。

健康风险

吸入纯氦气可能危害健康。 2015年1月28日,在娱乐电视节目3B Junior Startdust Shoji的录制过程中,日本儿童偶像团体3B Junior的12岁成员(女孩名字未命名)在进行游戏时晕倒并住院任务是用氦气改变她的声音。一周后,即 2 月 4 日,朝日电视台在紧急新闻发布会上宣布了这一事件。据报道,该女孩仍处于昏迷状态,尽管有好转的迹象——她能睁眼并活动四肢。医生诊断该患者为脑栓塞。事实证明,煤气是只给成年人标记的,但电视公司的员工并没有注意到它。警方已对疏忽安全措施展开调查。

成本

2009年,民营企业氦气价格在2.5-3美元/m2区间。2010 年,欧洲液化氦气的价格约为每升 11 欧元。2012 年,液化 - 每升 23 欧元。2016 年,美国的价格为 25 美元。美国每升。

Heliemetry 是研究氦通过各种媒介的科学。Pomeranchuk 现象是轻氦同位素 3He 熔化(或凝固)的异常性质。氦气调查是地球化学勘探工作的一种方法。超流动液氦Pickering系列

笔记

文学

化学/风格术语表。J. Opeida, O. Schweik; 乌克兰国家科学院,乌克兰教育和科学部,物理和有机化学和煤化学研究所。LM Litvinenko,顿涅茨克国立大学 .. - 顿涅茨克:韦伯,2008 年。 - 758 页。- ISBN 978-966-335-206-0。小采矿百科全书:3卷/版。VS 比列茨基。- Д.: Донбас, 2004. - Т. 1: А - К. - 640 с. - ISBN 966-7804-14-3。化学百科全书。V 5 t. T. 1. A-Darzana / red-kol .: Knunyants IL (glav. Red.) I dr. - Moskva: Sov. 百科全书,1988 年。 - 第 513—514 页。