Історія відкриття
Гелій був знайдений в газовій атмосфері, навколишнього Сонце, французьким астрономом П'єром Жансеном, який в 1868 році під час затемнення виявив яскраву жовту лінію в спектрі сонячної хромосфери. Спочатку передбачалося, що ця лінія являла елемент натрій. У тому ж році англійський астроном Джозеф Норман Локьер спостерігав жовту лінію в сонячному спектрі, яка не відповідала відомим лініях натрію D 1 і D 2 і тому він назвав її лінією D 3 . Локьер прийшов до висновку, що вона була викликана речовиною на Сонці, невідомий на Землі. Він і хімік Едуард Франкленд в назві елемента використовували грецька назва Сонця «геліос».У 1895 році британський хімік сер Вільям Рамзай довів існування гелію на Землі. Він отримав зразок ураноносного мінералу клевеита, і після дослідження газів, що утворилися при його нагріванні, він виявив, що яскраво-жовта лінія в спектрі збігається з лінією D 3 , що спостерігається в спектрі Сонця. Таким чином, новий елемент був остаточно встановлений. У 1903 році Рамзі і Фредерік Содду визначили, що гелій є продуктом спонтанного розпаду радіоактивних речовин.
Поширення в природі
Маса гелію дорівнює близько 23% всієї маси Всесвіту, і елемент є другим за поширеністю в космосі. Він зосереджено в зірках, де з водню утворюється в результаті термоядерного синтезу. Хоча в земній атмосфері гелій знаходиться в концентрації 1 частина на 200 тис. (5 проміле) і в невеликих кількостях міститься в радіоактивних мінералів, метеоритном залозі, а також в мінеральних джерелах, великі обсяги елемента зустрічаються в Сполучених Штатах (особливо в Техасі, Нью-Мексико, Канзасі, Оклахомі, Арізоні і Юті) в якості компонента (до 76%) природного газу. Невеликі його запаси були виявлені в Австралії, Алжирі, Польщі, Катарі та Росії. У земній корі концентрація гелію дорівнює лише близько 8 частин на мільярд.Ізотопи
Ядро кожного атома гелію містить два протони, але, як і у інших елементів, у нього є ізотопи. Вони містять від одного до шести нейтронів, тому їх масові числа знаходяться в діапазоні від трьох до восьми. Стабільними з них є елементи, в яких маса гелію визначається атомними числами 3 ( 3 He) і 4 ( 4 He). Всі інші радіоактивні і дуже швидко розпадаються на інші речовини. Земний гелій не є початковою складовою планети, він утворився в результаті радіоактивного розпаду. Альфа-частинки, що випускаються ядрами радіоактивних речовин, являють собою ядра ізотопу 4 He. Гелій не накопичується у великих кількостях у атмосфері, тому що гравітації Землі недостатньо, щоб запобігти його поступову витік в космос. Сліди 3 He на Землі пояснюються негативною бета-розпадом рідкісного елемента водню-3 (тритію). 4 He є найбільш поширеним з стабільних ізотопів: співвідношення кількості атомів 4 He до 3 He становить близько 700 тис. до 1 в атмосфері і близько 7 млн до 1 в деяких гелийсодержащих мінералах.
Фізичні властивості гелію
Температура кипіння і плавлення у цього елемента найнижчі. З цієї причини гелій існує у вигляді газу, за винятком екстремальних умов. Газоподібний He у воді розчиняється менше, ніж який-небудь інший газ, а швидкість дифузії через тверді тіла в три рази більше, ніж у повітря. Його показник заломлення найближче наближається до 1. Теплопровідність гелію поступається лише теплопровідності водню, а його питома теплоємність надзвичайно висока. При звичайних температурах при розширенні він нагрівається, а нижче 40 K – охолоджується. Тому при Т <40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения. Елемент є діелектриком, якщо не знаходиться в іонізованому стані. Як і в інших благородних газів, у гелію є метастабільні енергетичні рівні, які дозволяють йому залишатися іонізованим в електричному розряді, коли напруга залишається нижче потенціалу іонізації. Гелій-4 унікальний тим, що володіє двома рідкими формами. Звичайна називається гелій I і існує при температурах від точки кипіння До 421 (-2689 °C) до близько 218 До (-271 °C). Нижче 218 K теплопровідність 4 He стає в 1000 разів більше, ніж у міді. Ця форма називається гелій II, щоб відрізнити її від звичайної. Вона має сверхтекучестью: в'язкість настільки низька, що не може бути виміряна. Гелій II розтікається в тонку плівку на поверхні будь-якої речовини, якого стосується, і ця плівка тече без тертя навіть проти сили тяжіння. Менш рясний гелій-3 утворює три різні рідкі фази, дві з яких сверхтекучи. Надплинність в 4 He була виявлена радянським фізиком Петром Леонідовичем Капіцею в середині 1930-х років, і таке ж явище в 3 He було вперше помічено Дугласом Д. Ошеровим, Девідом М., і Робертом С. Річардсоном з США в 1972 році.Рідка суміш двох ізотопів гелію-3 і -4 при температурах нижче 08 До (-272.4 °C) розділяється на два шари – практично чистого 3 He і суміші 4 He з 6% гелію-3. Розчинення 3 He в 4 He супроводжується охолоджуючим ефектом, який використовується в конструкції кріостати, в яких температура гелію опускається нижче 001 (-27314 °C) і підтримується такою протягом декількох днів.
З'єднання
В нормальних умовах гелій хімічно інертний. В екстремальних можна створити з'єднання елемента, які при нормальних показниках температури і тиску не є стабільними. Наприклад, гелій може утворювати сполуки з йодом, вольфрамом, фтором, фосфором і сіркою, коли він піддається дії електричного тліючого розряду при бомбардуванні електронами або в стані плазми. Таким чином, були створені HeNe, HgHe 10 , WHe 2 і молекулярні іони Не 2 + Не 2 ++ , HeH + і HeD + . Ця техніка також дозволила отримати нейтральні молекули Не 2 і HgHe.Плазма
У Всесвіті переважно поширений іонізований гелій, властивості якого істотно відрізняються від молекулярного. Електрони і протони його не пов'язані, і він володіє дуже високою електропровідністю навіть частково в іонізованому стані. На заряджені частинки сильний вплив надають магнітні й електричні поля. Наприклад, в сонячному вітрі іони гелію разом з іонізованим воднем взаємодіють з магнітосферою Землі, викликаючи північні сяйва.
Відкриття родовищ в США
Після буріння свердловини в 1903 році в Декстера, штат Канзас, був отриманий негорючий газ. Спочатку не було відомо, що в ньому міститься гелій. Який газ був знайдений, визначив геолог штату Еразмус Хаворт, який зібрав його зразки і в університеті Канзасу з допомогою хіміків Кеді Гамільтона і Девіда Макфарланда виявив, що той містить 72% азоту, 15% метану, 1% водню і 12% не було ідентифіковано. Провівши наступні аналізи, вчені виявили, що 184% проби складає гелій. Так дізналися про те, що даний хімічний елемент присутній у величезних кількостях в надрах Великих рівнин, звідки його можна отримати з природного газу.Промислове виробництво
Це зробило Сполучені Штати лідером світового виробництва гелію. За пропозицією сера Річарда Трельфалла, ВМС США профінансували три невеликих експериментальних заводу для отримання цієї речовини під час Першої світової війни з метою забезпечити загороджувальні аеростати легким негорючим підйомним газом. За цією програмою були проведені в цілому 5700 м 3 92-процентного He, хоча до цього були отримані лише менше 100 л газу. Частина цього обсягу була використана в першому в світі гелієвому дирижаблі ВМФ США З-7 який здійснив свій перший рейс з Хемптон-Роудс (штат Вірджинія) у Боллинг-Філд (Вашингтон, округ Колумбія) 7 грудня 1921 року. Хоча процес низькотемпературного скраплення газу, у той час не був достатньо розроблений, щоб виявитися істотним під час Першої світової війни, виробництво тривало. Гелій в основному використовувався як підйомного газу в літальних апаратах. Попит на нього виріс під час Другої світової війни, коли його стали застосовувати при екранованої дуговому зварюванні. Елемент також мав важливе значення в проекті створення атомної бомби «Манхеттен».
Національний запас США
У 1925 році уряд Сполучених Штатів створило Національний запас гелію в Амарілло, штат Техас, з метою забезпечення військових дирижаблів під час війни і комерційних повітряних кораблів у мирний час. Використання газу після Другої світової скоротилося, але запас був збільшений в 1950-х роках для забезпечення, серед іншого, його поставок в якості теплоносія, що застосовується у виробництві киснево-водневого ракетного палива в період космічної гонки і холодної війни. Використання гелію в США в 1965 році в вісім разів перевищило пікове споживання військового часу. Після прийняття закону про гелії 1960 року Гірське бюро подрядило 5 приватних підприємств для вилучення елемента з природного газу. Для цієї програми був побудований 425-км газопровід, який з'єднав ці заводи з урядовим частково виснаженим газовим родовищем неподалік від Амарілло в Техасі. Гелій-азотна суміш закачувався в підземне сховище і залишалася там, поки в ній не виникала необхідність. До 1995 року був зібраний запас обсягом мільярд кубометрів, а заборгованість Національного резерву склала 14 млрд доларів, що спонукало Конгрес США в 1996 р. поетапно відмовитися від нього. Після прийняття в 1996 р. закону про приватизацію гелію Міністерство природних ресурсів приступив до ліквідації сховища в 2005 році.
Чистота і обсяги виробництва
Гелій, вироблений до 1945 року, мав чистоту близько 98%, решта 2% припадали на азот, що було достатнім для дирижаблів. У 1945 р. було вироблено невелику кількість 999-процентного газу для використання в дуговому зварюванні. До 1949 р. чистота одержуваного елемента досягла 99995%. Протягом багатьох років Сполучені Штати виробляли понад 90% світового обсягу комерційного гелію. Починаючи з 2004 року, щорічно його вироблялося 140 млн м 3 , 85% з яких припадає на США, 10% вироблялося в Алжирі, а решта – у Росії та Польщі. Основними джерелами гелію в світі є газові родовища Техасу, Оклахоми і Канзасу.Процес отримання
Гелій (чистотою 982%) виділяють з природного газу шляхом скраплення інших компонентів при низьких температурах і при високих тисках. Адсорбція інших газів охолодженим активованим вугіллям дозволяє домогтися чистоти 99995%. Невеликий обсяг гелію проводиться при зріджуванні повітря у великих масштабах. З 900 т повітря можна отримати близько 317 куб. м газу.