Гелий что это такое и его 16 свойств

Гелий получил второй номер в таблице элементов Менделеева. Указан главным в группе инертных газов. Как вещество является одним из наиболее распространенных, уступая только водороду, в том числе и по характеристике легкости. Особенности строения, происхождения и основные свойства газа делают его важным веществом для промышленности.

Атом и молекула гелия, формула гелия, строение атома гелия

Гелий или на латинском Helium. Элемент из таблицы Менделеева, состоящий в 8 подгруппе. Атомный номер газа равняется 2. Вещество относится к инертным газам.

Принятое обозначение – He, аналогично прописывается его химическая формула.

В нормальных условиях это газообразное вещество без вкусовых и цветовых признаков, не имеет отличительного запаха.

Молекулярное строение вещества — одноатомное, молекула имеет простейший вид.

Газ был подробно исследован. Проведенный молекулярный анализ показал, что строение единственного атома гелия имеет вид:

ядро с положительным зарядом +2, имеющее на s-орбитали 2 электрона. Атомная оболочка единственная, о чем говорит принадлежность гелия к 1 периоду. Само ядро образовано из парных протонов и нейронов — по 1 паре. Газ отнесен к s-семейству химических элементов.

На основе исследований получен радиус атома – 31 пм.

Формула гелия и особенности его строения доказывают, что он является инертным веществом.

Изотопы и модификации гелия гелий I и гелий II

Различное количество нейтронов в составе ядра позволило выделить изотопы гелия. Известное количество – 8, стабильное состояние наблюдается у двух. 6 изотопов — искусственно радиоактивные вещества.

Вещество природного характера представлено в виде 2 стабильных изотопов:

• ⁴He – максимально представлен до уровня 99,99986%;
• ³He – редкий изотоп, в источниках процент содержания может незначительно варьироваться от значения в 0,00014.

He в атмосфере

Представлен в виде 4He – результат альфа распада радиоактивных веществ — урана и прочих. Наименьший процент составляет реликтовую долю — полученную из космической пыли, которая в течении миллиардов лет формировала планету. Процент 3He в атмосферной разновидности газа сверх мал. Данный изотоп образуется благодаря бета распаду трития. Основной источник – ядерные процессы в толще планеты или верхней части атмосферы.

Годовой объем накопления гелия в аква среде и породе оценен в 26*106 кубометров.

 He звездный

Образуется в следствии термоядерных процессов. Благодаря синтезу ядер hydrogenii (водород) на звездах, схожих по строению с Солнцем.

Благодаря научным экспериментам изучены особенности газа, разобрана формула и получен гелий в форме изотопов. Таблица отражает количество элементарных частиц каждого изотопа.

Все представленные изотопы — радиоактивные.

Свойства гелия, таблица: температура, плотность, давление и прочее

Основные свойства газа удобно рассматривать в форме таблицы.

Электронный тип конфигурации частиц на атомной оболочке гелия – 1s2.

Гелий — свойства атома

Как простое вещество, гелий и его атом наделены рядом физических и химических свойств. Близость к водороду и порядковый номер 2 сделали газ легким, а также практически полностью инертным веществом.

Физические свойства

В среде со стабильными и нормальными показателями температуры, давления He не имеет запаха, у него отсутствует вкусовые и цветовые характеристики. Это нетоксичное вещество.

Стандартные условия предполагают модель поведения идеального газа.

Масса гелия минимальная — более чем в 7 раз меньше воздуха, 178 гр против 1293 гр. Именно поэтому шар, наполненный He, взлетает вверх. Если поместить кубометр газа в шар или иную емкость с малым весом, то такой элемент сможет поднять груз, весом в 1.115 кг. Эти физические свойства находят применение в быту — всем знакомые шарики и украшения торжеств.

Теплопроводность при нахождении гелия в нормальных условиях (300 К) 0,152 Вт/(м·К). Это высокий показатель по сравнению с другими газами, большее значение имеет только водород.

Особенность элемента — низкая способность к растворению в водной среде и растворителях органического происхождения. В отличие от водорода, растворение в различных металлах также не наблюдается. Процессы диффузии с твердыми материалами выше:

• в 3 раза, чем у воздуха;
• более чем наполовину в сравнении с водородом.

В условиях атмосферного давления получить твердое состояние газа невозможно даже при условии достижения абсолютного нуля.

Процессы кристаллизации в газе начинают происходить при попадании в среду с давлением от 2.5 МПа. Особые нестандартные, чаще экстремальные условия потребуются для выработки химических соединений вещества с другими элементами. По возвращению к нормальным условиям такие соединения будут распадаться — они максимально нестабильны.

Если трубку заполнить гелием и пропустить через нее ток, можно наблюдать свечение. Оттенки напрямую зависят от уровня давления газа в трубке.

Полезная статья: Какая холодная сварка для металла лучше

Химические свойства гелия

Практически инертный газ в нормальной среде малоактивен во взаимодействии с иными веществами. Основной объем соединений He представлен в газообразном формате эксимерных молекул. Они отличаются нестабильным основным и стабильным электронным возбужденным состоянием.

Несмотря на то, что степень окисления у гелия составляет 0, он способен формировать:

• молекулы из двух атомов – He+2 :
• фторид HeF;
• HeCl.

Такие вещества указывают на фактический показатель степени окисления в +1. Данные эксимерные соединения формируются при прохождении электричества или ультрафиолетовых лучей через смесь указанных веществ с гелием. Состав нестабилен и подвержен изменениям с течением времени реакции.

Энергетическое значение ионной связи в молекуле газа равно 58 ккал/моль. Межъядерное расстояние положения равновесия – 1.09 А.

Свойства в газовой фазе

Для нормальных условий газообразное состояние вещества представляется как идеальное. Коэффициент преломления стремится к 1, превышая аналогичные показатели схожих веществ. He обладает минусовым показателем Джоуля-Томсона для стандартных условий среды. Нагрев происходит при прохождении малых отверстий и перегородок, охлаждение — при адиабатическом расширении.

Если гелий охладить ниже 40 К, он может перейти в жидкостную фазу с учетом охлаждения расширением. Процедура реализуется с помощью особого устройства — детандера.

Графический спектр He в нейтральном состоянии. Пропускаемый через трубку с газом ток формирует разноцветные разряда. Цвет зависит от давления внутри сосуда. Видимый спектр — желтый, при падении давления спектральный график меняется от розового, до оранжево-желтых расцветок. Такое свойство объясняется наличием в спектре групп линий. Расположение — между инфракрасным и ультрафиолетовым сегментом спектра.

Падение давления в емкости с газом ведет к росту расстояния свободного движения электрона, а равно и к росту энергии взаимодействия с атомами газа. Атом переходит к фазе с увеличенным объемом энергии, что ведет к смещению линий спектра по направлению от красного к фиолетовой, видимой части.

Свойства конденсированных фаз

Жидкий He первый раз был получен в 1908 году Камерлинг-Оннесу. Твердую фазу вещества создали при барическом воздействии в 25 атмосфер и нагреве до 1 К в 1926 ученым Кезом. Ему же принадлежит обнаружение фазового перехода 4He при температурном показателе 2.17 К. Именно он обозначил фазовое состояние гелий 1 и 2. Капица в 1938 году у 2 фазового состояния выявил явление сверхтекучести. Это относит газ к группе квантовых жидкостей. Доскональное исследование и оценка поведения вещества возможна с помощью средств квантовой механики.

Во время исследований 2004 года появилась информация о сверхтекучести твердой фазы вещества-суперсолидный эффект. Опыты проводились в торсионном осцилляторе. Из-за разногласий среди мирового научного сообщества, эксперименты для подтверждения данного факта проводятся до настоящего времени. Проводятся многогранные опыты, исследуется и электронная конфигурация наполненного энергией атома гелия для полноценной картины поведения вещества в данном агрегатном состоянии.

Полезная статья: Сварщик 6 разряда – что он должен уметь

Получение гелия

Промышленная схема извлечения основана на переработке природных газов с высоким содержанием He – более 0.1% от общего объема среды. Процесс отделения производится методикой глубокого охлаждения, так как гелий наименее сжижаем.

Процесс происходит ступенчатым дросселированием с удалением примесей углекислого газа и следов углеводородов. На первом этапе получают сырой гелий с содержанием вещества до 70-90%. Очищенный от водорода, газ подвергают повторному охлаждению: реакция идет при участи кипящего азота и удалении примесей в адсорберах.

Характеристика итогового продукта производится по степени очистки:

• техническая чистота с 99.8% газа в объеме;
• высокая чистота с гелием в 99, 986% в объеме.

Применение

Химия и ее законы позволили досконально изучить гелий. Особенности инертного газа позволяют задействовать его в промышленных, производственных процессах с целью:

• создания защитной среды для плавки очищенных металлов;
• упаковочного газа и в формате добавки в пищепроме;
• охлаждающей среды для достижения сверхпроводящей фазы у металлов;
• заполнения аэростатов и иных суден для воздухоплавания;
• создания смеси в баллонах для дайвинга;
• декора в шариках и прочих надувных украшениях;
• эксплуатационной среды для части ядерных реакторов, лазеров;
• заполнения определенного класса светодиодных ламп.

³He – один из видов исследуемого топлива для ядерной энергетике, весьма перспективный.

Полезная статья: Температура сварочной дуги

В геологии

He выступает в роли индикатора для геологоразведки. Здесь работает принцип гелиевой съемки. Газ, как результат распадающихся радиоактивных веществ, выделяется сквозь трещины и разломы земной коры в атмосферу.

Зоны, прилегающие к местам его выделения, имеют повышенное содержание гелия. Природа поведения газа была исследована и описана советским ученым-геофизиком Яницким. Данный факт применяется в процессе выявления залежей урановых руд, цветных и драгоценных металлов.

Аналогичным образом можно искать геотермальные источники — превышение концентрации газа в зоне данных объектов может доходить до 200 раз.

Военное применение

Военными специалистами He применялся для:

• наполнения дирижаблей в первую мировую войну;
• после 1950 годов гелием прочищали топливные отсеки ракет.

В астрономии

Увековечить элемент в космическом масштабе было решено через название астероида — Гелио. Объект был впервые замечен в 1918 году.

Транспортировка гелия

Вещество перевозится в двух агрегатных состояниях: жидком и газообразном. В газообразной форме для перемещения гелия задействуются баллоны из стали, отвечающие нормам ГОСТ 949-73. Цвет покрытия — коричневый, обязателен контроль запорной арматуры перед очередной заправкой. Транспорт для перевозки должен отвечать требованиям и правилам работы с газами.

Жидкий гелии перемещают с сосудах Дьюара. Это специальные емкости с аббревиатурой СТГ, расцветка серая. Номинальный объем в литрах от 10 до 500. При соблюдении правил транспортировки — неподвижность сосуда и строго вертикальное положение, можно задействовать как авто, так и железнодорожный транспорт.

Распространенность

Гелий является одним из самых распространенных веществ во вселенной и земной коре.

Во вселенной

По общему объему распространения гелий держится на втором месте – 23% массы, больше только водорода. Содержание же на нашей планете невысоко. Основная масса запасов Вселенной была образована за счет Большого Взрыва.

В данное время гелий на Земле-продукт альфа распада радиоактивных элементов. За счет происходящих процессов распада внутри планеты, происходит выделение газа на поверхность и смешивание с природным газом. Концентрация гелия в такой смеси – от 7%.

Полезная статья: Как собрать осциллятор своими руками

Земная кора

Газ по объему содержания в коре планеты уступает только аргону. Усредненный показатель – 0,003 мг/кг. Максимальный объем He выявлен в минералах, несущих в своем составе уран, самарий. Основные представители: клевеит, фергюсонит, монацит.

Мировой рынок гелия

Одно из больших мест добычи гелия, выявленных сравнительно недавно – озеро Виктория, расположенное в Танзании. Совместные исследования Британии и Норвегии сделали вывод о 1.5 млрд кубометров газа.

Общие запасы в мире – 45.6 млрд кубометров гелия. В начале 2000-х годов лидерами по добыче были Америка, Алжир, Российская Федерация.

Добыча в России

Большая доля вещества возможна к добыче совместно с газовыми залежами в Восточной Сибири. Ковыктинские запасы оценены геологоразведкой в 2.3 млрд кубометров, а Чаяндинские в 1.4 млрд.

Активная добыча газа производится в Оренбурге на мощности корпорации Газпром. За счет невысокой концентрации растет себестоимость отечественного продукта. При освоении месторождений Восточной Сибири удастся снизить себестоимость гелия в разы.

Стоимость

В период с 2009 года по 2019 стоимость 1 кубометра гелия выросла с 2.5-3 долларов США до 30-32 долларов. Оценивался чистый продукт с объемным содержанием гелия 99,995%.

Полезная статья: Устройство сварочного трансформатора

История открытия

Первым фактом присутствия гелия были ярко-желтые линии при рассмотрении спектра солнечного затмения в Индии Жюлем Жансеном в 1868. Позднее, английский астроном Локьер изучал похожую желтую линию. В связи со связью элемента с солнечным светом, а также не известной на тот момент природой, он получил название Гелиос – на латинском так называется Солнце.

А уже в 1881 физик из Италии Пальмиери обнаружил гелий в веществе, собранном после извержения вулкана. Найти гелий удалось по его спектральной линии.

Биологическая роль

Как инертный газ, гелий, по современным исследованиям, не имеет биологических функций, но может вызвать определенные последствия при взаимодействии с живыми организмами. Химический эффект при кратковременном соприкосновении с кожными покровами в нормальных условиях не наблюдается.

Физиологическое действие

По воздействию на физиологию можно выделить такие факторы:

• при повышении атмосферного давления в среде с увеличенным содержанием гелия возможны признаки “синдрома повышенного артериального давления”. Учащенный пульс, сдавливание в голове, беспокойство.
• при повышенной концентрации — например, вдох чистого газа из шара, может начать тошнота, рвота. Не исключается смертельный исход из-за кислородного голодания. Инертный газ, не имеющий признаков при вдыхании, может стать причиной потери сознания.
• физический эффект воздействия на связки при вдыхании выражается в изменении тембра голоса.

Важно. Дышать гелием, как и прочими инертными газами, опасно для жизни и здоровья.

Риски для здоровья

Полное замещение в легких атмосферного воздуха гелием провоцирует кислородное голодание. Вследствие этого происходит потеря сознания, а при длительном воздействии смерть головного мозга из-за отсутствия питающего материала в виде кислорода.

Гелий — важный элемент в периодической системе Менделеева и активно применяемое в промышленности вещество. Основные свойства газа изучены, но более глубокие и скрытые особенности продолжают рассматриваться ведущими учеными планеты.

Задавайте свои вопросы в комментариях под статьей, и мы поможем Вам найти на них верные ответы.