Гелий

Гелий — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Обозначается символом He (лат. Helium). Простое вещество гелий — это инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Он является вторым по распространённости элементом во Вселенной после водорода, но на Земле встречается относительно редко. Гелий обладает самой низкой температурой кипения среди всех известных веществ (−268,93 °C) и не переходит в твёрдое состояние при нормальном давлении даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

История открытия

Обнаружение на Солнце

Впервые о существовании гелия стало известно в 1868 году. Французский астроном Пьер Жансен во время полного солнечного затмения в Индии обнаружил в спектре солнечной короны яркую жёлтую линию, которую не удалось отождествить ни с одним из известных на тот момент земных элементов. Независимо от него, английский астроном Норман Локьер, изучая солнечный спектр, также заметил эту линию и пришёл к выводу, что она принадлежит неизвестному элементу. Локьер и химик Эдвард Франкленд назвали новый элемент «гелием» (от греч. ἥλιος — «Солнце»).

Открытие на Земле

Долгое время считалось, что гелий существует только на Солнце. Однако в 1882 году итальянский физик Луиджи Пальмьери, анализируя вулканические газы из кратера Везувия, обнаружил спектральную линию, характерную для гелия. Окончательно земное происхождение гелия было доказано в 1895 году шотландским химиком Уильямом Рамзаем, который выделил его из минерала клевеита (разновидность уранинита) под воздействием кислоты. Рамзай направил образец газа Локьеру, который подтвердил идентичность спектра. В том же году независимо от Рамзая гелий из клевеита выделили шведские химики Пер Теодор Клеве и Абрахам Ланглет.

Физические свойства

Гелий — второй по лёгкости газ после водорода. Его плотность при нормальных условиях составляет 0,1785 кг/м³, что примерно в 7 раз меньше плотности воздуха.

Ключевые характеристики

• Температура кипения: −268,928 °C (4,22 K). Это самая низкая температура кипения среди всех веществ.
• Температура плавления: при нормальном атмосферном давлении гелий не затвердевает даже при температурах, сколь угодно близких к абсолютному нулю. Для перехода в твёрдое состояние требуется давление не менее 25 атмосфер.
• Критическая температура: −267,96 °C (5,19 K).
• Теплопроводность: 0,1513 Вт/(м·K) при 0 °C. Гелий обладает высокой теплопроводностью, уступая в этом только водороду.
• Вязкость: очень низкая, что делает его эффективным для проникновения через мелкие поры и трещины.

Изотопы гелия

В природе гелий существует в виде двух стабильных изотопов:

• ⁴He (гелий-4) — наиболее распространённый изотоп (99,99986 %). Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов (альфа-частица). Образуется в основном в результате альфа-распада радиоактивных элементов.
• ³He (гелий-3) — крайне редкий изотоп (0,000137 %). Его ядро содержит два протона и один нейтрон. На Земле встречается в ничтожных количествах, но в значительных концентрациях присутствует в лунном реголите и атмосферах планет-гигантов.

Сверхтекучесть

При температуре ниже 2,17 K (так называемой λ-точки) жидкий гелий-4 переходит в особое квантовое состояние — гелий-II, обладающее свойством сверхтекучести. В этом состоянии жидкость течёт без трения, способна самопроизвольно перетекать через стенки сосуда и просачиваться через мельчайшие поры. Сверхтекучесть была открыта советским физиком Петром Капицей в 1938 году. Гелий-3 также переходит в сверхтекучее состояние, но при значительно более низких температурах (около 0,0025 K).

Химические свойства

Гелий — самый химически инертный элемент. Он не образует химических соединений в обычных условиях. Это объясняется его электронной конфигурацией (1s²), которая является полностью завершённой. Валентность гелия равна нулю. Известны лишь экзотические соединения гелия, полученные в лабораторных условиях при сверхвысоких давлениях (например, дигелид натрия Na₂He или гелид динатрия Na₂HeO). Эти соединения крайне нестабильны и существуют только в условиях, создаваемых в алмазных наковальнях.

Получение

Промышленное производство

Основным промышленным источником гелия являются природные газы, содержащие гелий. Наиболее богатые гелием месторождения находятся в США (Техас, Канзас, Оклахома), а также в России (Оренбургское, Ковыктинское, Чаяндинское месторождения), Алжире и Катаре. Содержание гелия в природном газе колеблется от долей процента до 7–8 % (в некоторых американских месторождениях).

Процесс получения включает несколько стадий:

1. Предварительная очистка природного газа от сероводорода, углекислого газа и воды.
2. Сжижение газа с использованием каскадного цикла, при котором большинство компонентов (метан, этан, пропан) переходят в жидкую фазу, а гелий остаётся в газообразной форме.
3. Концентрирование — полученный сырой гелий (обычно 50–70 % чистоты) дополнительно очищают от оставшегося азота и неона методом адсорбции при низких температурах.
4. Финальная очистка до высокой степени чистоты (99,995 % и выше).

Лабораторные методы

В небольших количествах гелий можно получить путём нагревания минералов, содержащих уран или торий (например, клевеита, монацита, уранинита), или пропусканием тока через ампулу с этими минералами.

Применение

Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам гелий нашёл широкое применение в различных отраслях науки и техники.

Криогеника и сверхпроводимость

Самое важное применение гелия — использование в качестве хладагента для достижения сверхнизких температур. Жидкий гелий (температура кипения 4,2 K) незаменим для:

• Охлаждения сверхпроводящих магнитов в томографах (МРТ), ускорителях частиц (Большой адронный коллайдер) и установках термоядерного синтеза.
• Проведения физических экспериментов в области сверхпроводимости, квантовой физики и физики конденсированного состояния.

Аэростатика

Второе по объёму потребления направление — использование гелия как подъёмного газа для аэростатов, дирижаблей и метеорологических зондов. Хотя гелий несколько тяжелее водорода, он абсолютно негорюч и невзрывоопасен, что делает его предпочтительным для пилотируемых полётов.

Сварочные работы

Гелий используется в качестве защитного газа при дуговой сварке (аргонодуговая сварка с добавлением гелия) алюминия, магния, меди и нержавеющей стали. Высокая теплопроводность гелия позволяет получать более глубокий и широкий провар, что особенно важно при сварке толстостенных конструкций.

Аналитическое приборостроение

Гелий служит газом-носителем в газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Его химическая инертность и низкая молекулярная масса обеспечивают высокую эффективность разделения компонентов смеси.

Медицина

• Дыхательные смеси: смесь гелия и кислорода (гелиокс) применяется для лечения обструктивных заболеваний лёгких (астма, ХОБЛ). Низкая плотность гелия снижает сопротивление дыхательных путей и облегчает дыхание.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ): жидкий гелий является основным хладагентом для сверхпроводящих магнитов, создающих сильное магнитное поле в томографах.

Ядерная энергетика и космонавтика

• Теплоноситель: гелий используется в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов (высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы) благодаря своей химической инертности и высокой теплоёмкости.
• Наддув топливных баков: в ракетной технике газообразный гелий применяется для вытеснения топлива и окислителя из баков, а также для продувки трубопроводов.

Прочие применения

• Детекторы утечек: благодаря низкой вязкости и высокой проникающей способности гелий используется для поиска микротрещин в вакуумных системах и трубопроводах.
• Электронная промышленность: гелий применяется как инертная атмосфера при выращивании кристаллов кремния и германия, а также в процессах плазменного травления.
• Лазерная техника: смесь гелия и неона используется в качестве активной среды в гелий-неоновых лазерах.

Распространённость и запасы

Во Вселенной

Гелий является вторым по распространённости элементом во Вселенной после водорода, составляя около 24 % от массы видимого вещества. Он образуется в ходе термоядерных реакций в звёздах (протон-протонный цикл и CNO-цикл), а также в результате первичного нуклеосинтеза в первые минуты после Большого взрыва.

На Земле

В земной атмосфере содержание гелия крайне мало — около 0,0005 % (5,2 ppm) по объёму. Основная часть земного гелия образуется в результате альфа-распада урана и тория в земной коре и мантии. Затем он мигрирует вверх и накапливается в природных газовых месторождениях. Мировые разведанные запасы гелия оцениваются в несколько десятков миллиардов кубометров. Крупнейшими держателями запасов являются США, Катар, Алжир и Россия. В связи с ограниченностью ресурсов и ростом потребления, гелий считается стратегически важным сырьём.

Интересные факты

• Гелий — единственный элемент, который был открыт сначала не на Земле, а на другом небесном теле.
• Вдыхание гелия из воздушного шарика временно изменяет тембр голоса, делая его высоким и писклявым. Это связано с тем, что скорость звука в гелии примерно в три раза выше, чем в воздухе, что изменяет резонансные частоты голосового тракта. Такое вдыхание опасно, так как может привести к кислородному голоданию.
• Гелий не подчиняется закону Бойля — Мариотта при низких температурах, ведя себя как квантовая жидкость.
• В 1903 году в городе Декстер (Канзас, США) была пробурена газовая скважина, которая вместо природного газа начала выбрасывать гелий. Из-за того, что гелий не горел, скважину сочли бесполезной и законсервировали. Позже она была признана одним из крупнейших источников гелия в мире.

Источники

• «Химическая энциклопедия» в 5 томах (под редакцией И. Л. Кнунянца), 1988–1998.
• «Физическая энциклопедия» в 5 томах (под редакцией А. М. Прохорова), 1988–1999.
• «Helium: Occurrence, Production, and Applications» (N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2nd Edition, 1997).
• «The Helium Problem» (W. J. Broad, The New York Times, 2010).
• Данные Геологической службы США (USGS) по минеральным ресурсам.