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*10-26 м2. Конфигурация электронной оболочки 1s2; энергия ионизации Не0 -> Не+ -> Не2 + соотв. 2372 и 5250 кДж/моль; ван-дер-ваальсов радиус 0,122 нм, ковалентный радиус 0,04-0,06 нм.
Гелий-один из наиб. распространенных элементов космоса-занимает второе
место после водорода. Содержание гелия 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
прир. газы содержат, как правило, до 2% по объему гелия; главные пром. 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. Св-ва изотопов
гелия приведены в таблице. Ур-ния температурной зависимости давления пара
4Не:
Теплопроводность гелия 0,1437 Вт/(м*К); магн. восприимчивость — 1,9*10-6;
ур-ние температурной зависимости вязкости:
*107
= 5,023Т0,647 Па*с (4-1000 К).
СВОЙСТВА ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ
Жидкий гелий-квантовая жидкость, т.е. жидкость, в макроскопич. объеме к-рой
проявляются квантовые св-ва составляющих ее атомов. Квантовые эффекты существенны
при очень низких т-рах, 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 св-в: теплоемкости,
вязкости, плотности и др. С увеличением давления т-ра перехода
смещается в область более низких т-р (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 св-во открыто в 1938 П.Л.
Капицей. Сверхтекучесть обусловлена переходом при т-рах ниже
части
атомов жидкого гелия 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 в-во, не затвердевающее
при нормальном давлении даже вблизи О К. Он кристаллизуется только под
давлением более 2,5 МПа. Кристаллич. решетка 4Не гексагональная
с плотной упаковкой. 3Не при одной и той же т-ре в зависимости
от давления может находиться в двух модификациях:
(решетка кубическая) и
(гексагональная с плотной упаковкой); т-ра тройной точки
3,15 К, давл. 14,3 МПа; у 4Не тройная точка отсутствует.
Для газообразного гелия характерна высокая способность проникать сквозь перегородки из пластмасс, стекла и нек-рых металлов. Р-римость гелия: в воде (смэ/л)-9,78 (0°С), 8,61 (20°С), 10,10 (80°С); этаноле (% по объему)-2,8 (15°С), 3,2 (25 °С). Гелий характеризуется исключительной хим. инертностью.
Получение. Гелий выделяют из прир. гелионосных горючих газов. Сухой газ, очищенный от СО2, под давл. 2 МПа подается в систему теплообменников и сепараторов, где благодаря конденсации при —28, —41 и — 110°С отделяется значит. часть углеводородов. Полученная парожидкостная смесь дросселируется до давл. 1,2 МПа и в результате отделения жидкой фазы парогазовая смесь обогащается гелием до содержания 3%. При послед. дросселировании до 1,0 МПа происходит дальнейшее обогащение-сначала до содержания 30-50% гелия, затем при охлаждении кипящим при - 203°С и 0,04 МПа азотом-до 90%. Сырой гелий (70-90% по объему гелия) очищают от водорода (4-5%) с помощью СиО при 650-800 К, а затем осушают в адсорберах силикагелем. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого гелия кипящим под вакуумом N2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий техн. чистоты (99,80% по объему гелия) и высокой чистоты (99,985%).
Определение. Качественно гелий обнаруживают с помощью эмиссионного спектрального анализа; осн. характеристич. линии 587,56 и 388,86 нм. Для количеств. определения пользуются методами, основанными на измерении физ. св-в (плотности, теплопроводности и др.), а также масс-спектро-метрией и газовой хроматографией.
Применение. Газообразный гелий применяют: в кач-ве защитной среды
при сварке, резке и плавке металлов (15% производимого гелия), при произ-ве
твэлов (25%), при перекачивании ракетного топлива (35%), в произ-ве полупроводниковых
материалов; для консервации пищ. продуктов; в кач-ве теплоносителя в высокотемпературных
ядерных реакторах; для заполнения дирижаблей и аэростатов; в вакуумной
технике в кач-ве рабочей среды при обнаружении течей гелиевым течеискателем;
как компонент среды газовых лазеров; газ-носитель в хроматографии; термометрич.
в-во в газовых эталонных термометрах в интервале т-р 1-80 К; компонент
дыхат. смесей для глубоководного погружения. Жидкий гелий-хладагент в эксперим.
физике, при получении сверхпроводящих материалов для вычислит. и измерит,
техники, в сверхпроводящих магнитах и др. Жидкий 3Не-термометрич.
в-во для измерений т-р ниже 1 К.
Мировое произ-во гелия ок. 54 млн. м3 (1979). Осн. страны-производители-США, СССР, ЮАР.
Хранится гелий под давл. 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.
===
Исп. литература для статьи «ГЕЛИЙ»: нет данных
Страница «ГЕЛИЙ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.