Хелий — елемент, свойства, изотопи и приложения
Хелий: свойства, изотопи и приложения — от звездния синтез до балони и индустрия. Научете за производство, безопасност и ключови употреби.
Хелият е химичен елемент. Той има химичен символ He, атомен номер 2 и атомно тегло около 4,002602. В естествената си форма е безцветен, без мирис и при нормални условия е газ. Хелият е вторият най-разпространен елемент във Вселената след водорода. Астрономите установяват наличието му още през 1868 г., когато неговият спектър е идентифициран в светлината от Слънцето — откритие, което предхожда първото вземане на проба от Земята.
Основни физични и химични свойства
- Електронна конфигурация: 1s2 — затворен електронен слой, което обяснява химическата инертност.
- Състояние при STP: газ.
- Плътност: по-малка от плътността на въздуха, поради което използването му за пълнене на балони и дирижабли дава плаваемост.
- Температура на кипене: около -268,93 °C (4,22 K) — най-ниската сред всички елементи.
- Твърдо състояние: при атмосферно налягане хелият не се превръща в твърдо вещество; за да се получи твърд хелий е необходимо високо налягане и много ниски температури.
- Йонизационна енергия (първа): много висока (~24,6 eV), отново поради стабилния електронен слой.
- Химична инертност: хелият е благороден газ и почти не образува съединения при нормални условия (въпреки че при екстремни налягания са наблюдавани редки форми на свързване, напр. с натрий).
- Оптични свойства: сам по себе си е невидим, но при разряд в електрическо поле дава червено-оранжево сияние.
Изотопи
Съществуват около девет известни изотопа на хелия, от които само два са стабилни: 3He и 4He. 4He е далеч най-разпространеният в природата и се образува главно при радиоактивен разпад на тежки елементи и при ядрен синтез в звездите. 3He е редък на Земята и може да бъде създаван при разпад на тритий или да се намира в малки количества в природния газ. 4He показва явлението суперфлуидност при температури под т.нар. "лямбда-точка" (~2,17 K), а 3He също може да стане суперфлуид, но при много по-ниски температури (миликелвинови стойности).
История
Наличието на хелий е открито първо в слънчевия спектър през 1868 г. (от астрономите Pierre Janssen и Norman Lockyer), по-късно той е открит в проби от Земята през 1895 г. от William Ramsay, който изолира газ от минерала клеваит (cleveite). Името "хелий" произхожда от гръцката дума "Helios" — Слънце.
Получаване и глобални запаси
На Земята хелият се добива предимно като страничен продукт при изчистване и разделяне на природен газ. Някои природни газови находища съдържат значителни количества хелий и оттам се извлича чрез фракционна дестилация и други методи на газова сепарация. Основни производители и източници на комерсиален хелий са находища в Съединените щати, Катар, Алжир, Русия и други страни. Поради ограничените наземни запаси и специфичните условия на формиране хелият се разглежда като стратегически ресурс; в индустрията се прилагат рециклиране и възстановяване за пестене.
Приложения
- Пълнене на балони и дирижабли, тъй като не е запалим и е по-лек от въздуха.
- Криогенни приложения: ликвидиран хелий се използва за охлаждане на свръхпроводящи магнити в апарати като магнитно-резонансни томографи (MRI) и в научни изследвания при ултраниски температури.
- Нискотемпературна физика — изследване на суперфлуидност, квантови ефекти и други свойства при близки до абсолютната нула температури.
- Защитни газове при заваряване (в някои процеси, често в смеси).
- Дихателни смеси за дълбоко гмуркане (например heliox и trimix), които намаляват риска от азотна наркоза и намаляват плътността на дишането.
- Електрически и газоразрядни лампи, газоаналитични уреди и газова хроматография (понеже е инертен и не реагира).
- Откриване на течове — тъй като хелият е лек и невзаимодействащ, се използва в мас-спектрометрични детектори за локализиране на микро-пропуски.
- Научноизследователски приложения — частици-детектори, нискотемпературни лаборатории, квантови изчисления и др.
Безопасност и ефекти върху здравето
- Хелият сам по себе си не е токсичен, но може да причини хипоксия (недостиг на кислород), ако заместии нормалния въздух при вдишване — това може да доведе до припадък или смърт.
- Вдишването на хелий предизвиква временни промени в тембъра на гласа (гласът звучи по-високо), но това е шега, която може да бъде опасна при продължително или многократно вдишване.
- Инхалиране от балонови контейнери под високо налягане може да доведе до баротравми (увреждане на дробовете) и други наранявания.
- Ликвидиран хелий причинява тежки студени изгаряния (фростбайт) при контакт с кожа или тъкани.
Интересни факти
- 4He е съставна част на алфа-частиците, които се отделят при някои видове радиоактивен разпад.
- Хелият е почти напълно неутрален химически — при нормални условия не реагира с други елементи, но при екстремни условия (високо налягане) са синтезирани редки съединения или инертни съединения, например компаунди като Na2He под голямо налягане, показващи, че и благородните газове могат да участват в свързване при специфични условия.
- Заради ниската си точка на кипене и уникалните си квантови свойства, хелият е ключов за изследванията на квантовите течности и суперфлуидността.
Тъй като е много лек, хелият е предпочитан газ за пълнене на дирижабли като дирижабъла на Гудиър.
История
Хелият е открит от френския астроном Пиер Янсен на 18 август 1868 г. като ярка жълта линия в спектъра на хромосферата на Слънцето. Смятало се е, че линията е натриева. През същата година английският астроном Норман Локиър също я наблюдава и установява, че тя се дължи на нов елемент. Локиър и английският химик Едуард Франкланд нарекли елемента хелий, от гръцката дума за Слънцето - ἥλιος (хелиос).
Характеристики
Хелият е вторият най-малко реактивен благороден газ след неона. Той е вторият най-малко реактивен от всички елементи. Той е химически инертен и едноатомен при всички стандартни условия. Хелият е най-малко разтворимият във вода едноатомен газ.
Използва
Хелият се използва като защитен газ при отглеждането на силициеви и германиеви кристали, при производството на титан и цирконий, както и в газовата хроматография, тъй като е инертен. Хелият се използва като защитен газ при електродъгово заваряване.
Хелият се смесва с кислород и други газове за дълбоководно гмуркане, тъй като не предизвиква азотна наркоза.
Хелият се използва и за кондензиране на водород и кислород за производство на ракетно гориво. Той се използва за отстраняване на горивото и окислителя от наземното оборудване преди изстрелването на ракетата. Използва се за охлаждане на течния водород в космическите апарати преди изстрелването на ракетите.
Хелият се използва като среда за пренос на топлина в някои ядрени реактори, които се охлаждат с газ. Хелий се използва и в някои твърди дискове. Хелият при ниски температури се използва в криогениката.
Доставка
Хелият на Земята е рядък. Ако се освободи във въздуха, той напуска планетата. За разлика от водорода, който реагира с кислорода, за да образува вода, хелият не е реактивен. Той остава под формата на газ. В продължение на много години след приемането на Закона за хелия през 1925 г. САЩ събират хелий в Национален хелиев резерв. Американският хелий идва от кладенци в района на Големите равнини. Понастоящем повече хелий се доставя от Катар, отколкото от САЩ.
Няколко изследователски организации публикуваха изявления относно недостига и опазването на хелия. Още през 1995 г. и едва през 2016 г. тези организации публикуваха препоръки за политиката, в които призовават правителството на Съединените щати да съхранява и опазва хелий поради естествените ограничения на доставките на хелий и уникалния характер на елемента. За изследователите хелият е незаменим, тъй като е от съществено значение за получаването на много ниски температури. Хелият при ниски температури се използва в криогениката и в някои приложения на криогениката. Течният хелий се използва за охлаждане на някои метали до изключително ниски температури, необходими за свръхпроводимост, като например в свръхпроводимите магнити за магнитнорезонансна томография.
Въпроси и отговори
Въпрос: Какъв е химическият символ на хелия?
О: Химическият символ на хелия е He.
В: Колко изотопа на хелия има?
О: Съществуват 9 изотопа на хелия, като само два от тях са стабилни.
В: Какво прави хелия благороден газ?
О: Хелият се нарича благороден газ, защото не се смесва редовно с други химикали и не образува нови съединения.
В: Какъв цвят и мирис има хелият?
О: Хелият няма цвят или мирис. Въпреки това, когато е поставен в електрическо поле, той има червено-оранжево сияние.
В: Кога астрономите за първи път откриват наличието на хелий?
О: Астрономите за първи път откриват наличието на хелий през 1868 г., когато спектърът му е идентифициран в светлината от Слънцето. Това е станало преди откриването му на Земята.
В: Какви са някои приложения на хелия на Земята?
О: На Земята хелият се използва за пълнене на балони и дирижабли поради по-малката си плътност от въздуха, както и в някои видове електрически крушки. Той може също да се вдишва, но това може да бъде опасно, ако се вдиша твърде много, тъй като може да причини хипоксия, която може да нарани или убие човек, който не диша нормален въздух, и дългосрочни последици за гласните струни.
В: Как се създава хелий по естествен път на Земята?
О: На Земята хелият се получава при естествения радиоактивен разпад на тежки радиоактивни елементи като торий и уран, въпреки че има и други примери. Алфа-частиците, излъчвани при тези разпади, се състоят от ядра на хелий-4.
обискирам