Гелій
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гелій

Гелій (лат. Helium), символ Не, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, відноситься до інертним газам ; порядковий номер 2, атомна маса 4,0026; газ без кольору і запаху. Природний Р. складається з 2 стабільних ізотопів: 3 He і 4 He (вміст 4 He різко переважає).

загрузка...

  Вперше Р. був відкритий не на Землі, де його мало, а в атмосфері Сонця. У 1868 француз Ж. Жансен і англієць Дж. Н. Локьер досліджували спектроскопічно склад сонячних протуберанців. Отримані ними знімки містили яскраву жовту лінію (т.з. D 3 -лінію), яку не можна було приписати жодному з відомих у той час елементів. У 1871 Локьер пояснив її походження присутністю на Сонці нового елементу, який і назвали гелієм (від греч.(грецький) helios — Сонце). На Землі Р. вперше був виділений в 1895 англійцем У. Рамзаєм з радіоактивного мінералу клевеїту. У спектрі газу, виділеного при нагріванні клевеїту, виявилася та ж лінія.

  Гелій в природі. На Землі Р. мало: 1 м 3 повітря містить всього 5,24 см 3 Р., а кожен кілограм земного матеріалу — 0,003 міліграм Г. По поширеності ж у Всесвіті Р. займає 2-е місце після водню: на долю Р. доводиться близько 23% космічної маси.

  На Землі Р. (точніше, ізотоп 4 He) постійно утворюється при розпаді урану, торія і інших радіоактивних елементів (всього в земній корі міститься близько 29 радіоактивних ізотопів, продукуючих 4 He).

  Приблизно половина всього Р. зосереджена в земній корі, головним чином в її гранітній оболонці, що закумулювала основні запаси радіоактивних елементів. Вміст Р. в земній корі невелико — 3 · 10 -7 % по масі. Р. накопичується у вільних газових скупченнях надр і в нафтах; такі родовища досягають промислових масштабів. Максимальні концентрації Р. (10—13%) виявлені у вільних газових скупченнях і газах уранових копалень і (20—25%) в газах, що спонтанно виділяються з підземних вод. Чим древньо вік газоносних осадових порід і чим вище в них вміст радіоактивних елементів, тим більше Р. у складі природних газів. Вулканічним газам властивий зазвичай низький вміст Р.

  Видобуток Р. в промислових масштабах виробляється з природних і нафтових газів як вуглеводневого, так і азотного складу. За якістю сировини гелієві родовища підрозділяються: на багатих (вміст Не > 0,5% за об'ємом); рядові (0,10—0,50) і бідні < 0,10). У СРСР природний Р. міститься в багатьох нафтогазових родовищах. Значні його концентрації відомі в деяких родовищах природного газу Канади, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексіко, Юта).

  В природному Р. будь-якого походження (атмосферному, з природних газів, з радіоактивних мінералів, метеоритному і т.д.) переважає ізотоп 4 He. Вміст 3 He зазвичай мало (залежно від джерела Р. воно вагається від 1,3 · 10 -4 до 2 · 10 -8 %) і лише в Р., виділеному з метеоритів, досягає 17—31,5%. Швидкість утворення 4 He при радіоактивному розпаді невелика: у 1 т граніту, що містить, наприклад, 3 г урану і 15 г торія, утворюється 1 міліграм Р. за 7,9 млн. років; проте, оскільки цей процес протікає постійно, за час існування Землі він повинен був би забезпечити вміст Р. в атмосфері, літосфері і гідросфері, готівкове, що значно перевищує (воно складає близько 5 · 10 14 м 3 ). Такий дефіцит Р. пояснюється постійним випаровуванням його з атмосфери. Легкі атоми Р., потрапляючи у верхні шари атмосфери, поступово набувають там швидкості вище 2-ою космічною і тим самим дістають можливість здолати сили земного тяжіння. Одночасна освіта і випаровування Р. приводять до того, що концентрація його в атмосфері практично постійна.

  Ізотоп 3 He, зокрема, утворюється в атмосфері при бета-розпаді важкого ізотопу водню  — тритію (Т), що виникає, у свою чергу, при взаємодії нейтронів космічного випромінювання з азотом повітря:

 

  Ядра атома 4 He (що складаються з 2 протонів і 2 нейтронів), називають альфа-частками або геліонами, — найстійкіші серед складених ядер. Енергія зв'язку нуклонів (протонів і нейтронів) в 4 He має максимальне в порівнянні з ядрами інших елементів значення (28,2937 Мев ); тому утворення ядер 4 He з ядер водню (протонів) 1 Н супроводиться виділенням величезної кількості енергії. Вважають, що ця ядерна реакція: 4 1 H = 4 He +2b + + 2n [одночасно з 4 He утворюються 2 позитрони ( b + ) і 2 нейтрино ( n )] служить основним джерелом енергії Сонця і інших схожих з ним зірок. Завдяки цьому процесу і накопичуються вельми значні запаси Р. у Всесвіті.

  Фізичні і хімічні властивості. За нормальних умов Р. — одноатомний газ без кольору і запаху. Щільність 0,17846 г/л , t кіп — 268,93°С. Р. — єдиний елемент, який в рідкому стані не отвердіває при нормальному тиску, як би глибоко його не охолоджували. Найменший тиск переходу рідкого Р. в твердий 2,5 Мн/м2 (25 am ), t пл при цьому дорівнює — 272,1°С. Теплопровідність (при 0°С) 143,8 · 10 -3 Вт/см ( K [343,4 · 10 -6 кал/ ( см ( град ( сік )]. Радіус атома Р., визначений різними методами, складає від 0,85 до 1,33 . У 1 л води при 20°С розчиняється близько 8,8 мл Г. Енергия первинна іонізації Р. більше, ніж в будь-якого іншого елементу, — 39,38 · 10 -13 дж (24,58 ев ); спорідненістю до електрона Р. не володіє. Рідкий Р., що складається лише з 4 He, проявляє ряд унікальних властивостей (див. нижчий).

  До теперішнього часу спроби отримати стійкі хімічні сполуки Р. закінчувалися невдачами (див. Інертні гази ). Спектроскопічно доведено існування в розряді іона He 2 +. У 1967 радянські дослідники Ст П. Бочин, Н. Ст Закурін, В. К. Капишев повідомили про синтез в зоні дугового розряду за рахунок реакції Р. з фтором, з Bf 3 або з Ruf 5 іонів Hef + , Hef 2 2+ і Hef 2 + . Згідно з розрахунком, величина енергії дисоціації іона Hef + рівна 2,2 ев .

  Здобуття і вживання. У промисловості Р. отримують з гелійсодержащих природних газів (в даний час експлуатуються головним чином родовища, що містять > 0,1% Р.). Від інших газів Р. відокремлюють методом глибокого охолоджування, використовуючи те, що він зріджується важче за всі останні гази.

  Завдяки інертності Р. широко застосовують для створення захисної атмосфери при плавці, різанні і зварці активних металів. Р. менш електропровідний, чим інший інертний газ — аргон, і тому електрична дуга в атмосфері Р. дає вищі температури, що значно підвищує швидкість дугової зварки. Завдяки невеликій щільності у поєднанні з негорючестью Р. застосовують для наповнення стратостатів. Висока теплопровідність Р., його хімічна інертність і украй мала здатність вступати в ядерну реакцію з нейтронами дозволяють використовувати Р. для охолоджування атомних реакторів. Рідкий Р. — найхолодніша рідина на Землі, служить хладагентом при проведенні різних наукових досліджень. На визначенні вмісту Р. в радіоактивних мінералах заснований один з методів визначення їх абсолютного віку (див. Геохронологія ). Завдяки тому що Р. дуже погано розчинимо в крові, його використовують як складову частину штучного повітря що подається для дихання водолазам (заміна азоту на Р. запобігає появі кесонній хворобі ). Вивчаються можливості вживання Р. і в атмосфері кабіни космічного корабля.

  С. С. Бердоносов, Ст П. Якуцені.

  Гелій рідкий. Відносна слабка взаємодія атомів Р. приводить до того, що він залишається газоподібним до нижчих температур, чим будь-який інший газ.(газета) Максимальна температура, нижче за яку він може бути зріджений (його критична температура T K ), рівна 5,20 К. Жідкий Р. — єдина незамерзаюча рідина: при нормальному тиску ( мал. 1 ) Р. залишається рідким при скільки завгодно низьких температурах і твердне лише при тиску, що перевищує 2,5 Мн/м 2 (25 am ).

  При температурі T l =2,19 До і нормальному тиску рідкий Р. випробовує фазовий перехід другого роду. Р. вище за цю температуру називається Не I, нижче — Не II. При температурі фазового переходу спостерігаються аномальне зростання теплоємності (т.з. l -точка, мал. 2 ), злам кривої температурної залежності щільності Р. ( мал. 3 ) і ін. характерні явища.

  В 1938 П. Л. Капіца відкрив в Не II надтекучість — здатність текти практично без в'язкості. Пояснення цього явища було дане Л. Д. Ландау (1941) на основі квантовомеханічних уявлень про характер теплового руху в рідкому Р.

  При низьких температурах цей рух описується як існування в рідкому Р. елементарних збуджень — фононів (квантів звуку), що володіють енергією e ·= hv ( v — частота звуку, h — постійна Планка) і імпульсом р = e/c ( з = 240 м/сек — швидкість звуку). Число і енергія фононів зростають з підвищенням температури Т . При T > 0,6 До з'являються збудження з великими енергіями (ротони), для яких залежність e(p) має нелінійний характер. Фонони і ротони (див. Квазічастинки ) володіють імпульсом і, отже, масою. Віднесена до 1 см , ця маса визначає щільність r n т.з. нормальної компоненти рідкого Г. Прі низьких температурах r n прагне до нуля при Т ® 0. Рух нормальної компоненти, як і звичайного газу, має вязкостний характер. Остання частина рідкого Р., т.з. надплинна компонента, рухається без тертя; її щільність r s = r — r n . При Т ® T l r n ® r , так що в l -точке r s перетворюється на нуль і надтекучість зникає (Не I — звичайна в'язка рідина).

  Т. о., в рідкому Р. одночасно можуть відбуватися два рухи з різними швидкостями.

  На основі цих вистав удається пояснити ряд спостережуваних ефектів: при витіканні He II з судини через вузький капіляр температура в судині підвищується, т.к. витекаєт головним чином надплинна компонента, що не несе з собою теплоти (т.з. механокалоричний ефект); при створенні різниці температур між кінцями закритого капіляра з Не II в нім виникає рух (термомеханічний ефект) — надплинна компонента рухається від холодного кінця до гарячого і там перетворюється на нормальну, яка рухається назустріч, при цьому сумарний потік відсутній. У рідкому Р. може поширюватися звук двох видів — звичайний і т.з. другий звук . При поширенні другого звуку в місцях згущування нормальної компоненти відбувається розрідження надплинною.

  Все сказане відноситься до звичайного Р., що складається в основному з ізотопу 4 He. Рідший ізотоп 3 He має інші, чим в 4 He, квантові властивості (див. Квантова рідина ). Рідкий 3 He — також незамерзаюча рідина ( T K = 3,33 До), але що не володіє надтекучістю: в'язкість 3 He необмежено зростає з пониженням температури.

  Л. П. Пітаєвський.

 

  Літ.: Кєєзом Ст, Гелій, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1949; Фастівське Ст Р., Ровінський А. Е., Петровський Ю. Ст, Інертні гази, М., 1964; Халатників І. М., Введення в теорію надтекучості, М., 1965; Смирнов Ю. Н., Гелій поблизу абсолютного нуля, «Природа», 1967 № 10, с. 70; Якуцені Ст П., Геологія гелію, Л., 1968. Див. також літ.(літературний) до ст. Інертні гази .

Мал. 2. Теплоємність рідкого 4 He поблизу l-крапки. Крива має характерну форму, що нагадує грецьку букву l.

Мал. 1. Діаграма стану 4 He.

Мал. 3. Щільність r рідкого 4 He поблизу l-крапки.