Защо запасите от хелий се изчерпват? Унищожаване на вярата в древната земя.

автор неизвестен

Хелият (Helium, He) е химичен елемент под номер 2 в периодичната таблица.

На 18 август 1868 г. се очаква пълно слънчево затъмнение. Астрономите по света се подготвяха активно за този ден. Те се надяваха да разрешат мистерията на протуберанциите - светещи издатини, видими по време на пълно слънчево затъмнение по краищата на слънчевия диск. Някои астрономи вярваха, че изпъкналостите са високи лунни планини, които по време на пълно слънчево затъмнение са осветени от слънчевите лъчи; други смятаха, че издатините са планини на самото Слънце; други виждаха огнени облаци от слънчевата атмосфера в слънчевите проекции. Мнозинството вярваха, че изпъкналостите не са нищо повече от оптична илюзия.

През 1851 г., по време на слънчево затъмнение, наблюдавано в Европа, немският астроном Шмид не само видя слънчеви проекции, но също така успя да различи, че техните очертания се променят с времето. Въз основа на своите наблюдения Шмид заключава, че изпъкналостите са нажежени газови облаци, изхвърлени в слънчевата атмосфера от гигантски изригвания. Въпреки това, дори след наблюденията на Шмид, много астрономи все още смятат огнените первази за оптична илюзия.

Едва след пълното затъмнение на 18 юли 1860 г., което се наблюдава при. Испания, когато много астрономи видяха слънчевите проекции със собствените си очи, а италианските астрономи Секи и французинът Делар успяха не само да ги скицират, но и да ги снимат, никой не се съмняваше в съществуването на протуберанци.

До 1860 г. вече е изобретен спектроскоп - устройство, което позволява чрез наблюдение на видимата част от оптичния спектър да се определи качественият състав на тялото, от което се получава наблюдаваният спектър. В деня на слънчевото затъмнение обаче никой от астрономите не е използвал спектроскоп, за да види спектъра на протуберанциите. Спектроскопът беше запомнен, когато затъмнението вече беше приключило.

Ето защо, подготвяйки се за слънчевото затъмнение от 1868 г., всеки астроном включваше спектроскоп в списъка на инструментите за наблюдение. Жул Янсен, известен френски учен, не забрави това устройство, когато отиде в Индия, за да наблюдава протуберанци, където условията за наблюдение на слънчево затъмнение, според изчисленията на астрономите, са били най-добри.

В момента, когато искрящият диск на Слънцето беше напълно покрит от Луната, Жул Янсен, изследвайки със спектроскоп оранжево-червените пламъци, излизащи от повърхността на Слънцето, видя в спектъра, в допълнение към три познати линии на водород : червено, зелено-синьо и синьо, ново, непознато - ярко жълто. Нито едно от веществата, известни на химиците от онова време, нямаше такава линия в частта от спектъра, където го откри Жул Янсен. Същото откритие, но у дома в Англия, е направено от астронома Норман Локиър.

На 25 октомври 1868 г. Парижката академия на науките получава две писма. Едната, написана в деня след слънчевото затъмнение, идва от Гунтур, малък град на източното крайбрежие на Индия, от Жул Янсен; друго писмо от 20 октомври 1868 г. е от Англия от Норман Локиър.

Получените писма бяха прочетени на среща на професори от Парижката академия на науките. В тях Жул Янсен и Норман Локиър независимо един от друг съобщават за откриването на едно и също „слънчево вещество“. Това ново вещество, открито на повърхността на Слънцето с помощта на спектроскоп, Локиър предложи да нарече хелий от гръцката дума за "слънце" - "helios".

Подобно съвпадение изненада научната среща на преподавателите от академиите и в същото време свидетелства за обективния характер на откриването на ново химическо вещество. В чест на откриването на веществото на слънчевите факли (протуберанци) беше изваден медал. От едната страна на този медал са гравирани портрети на Янсен и Локиър, а от другата - изображение на древногръцкия бог на слънцето Аполон в колесница, теглена от четири коня. Под колесницата имаше надпис на френски: „Анализ на слънчевите проекции на 18 август 1868 г.“.

През 1895 г. лондонският химик Хенри Майерс привлича вниманието на Уилям Рамзи, известният английски физик и химик, към забравената тогава статия на геолога Хилдебранд. В тази статия Хилдебранд твърди, че някои редки минерали, когато се нагряват в сярна киселина, отделят газ, който не гори и не поддържа горене. Сред тези редки минерали беше клевеитът, открит в Норвегия от Норденскиолд, известният шведски изследовател на полярните региони.

Рамзи решава да проучи естеството на газа, съдържащ се в клевейта. Във всички химически магазини в Лондон асистентите на Рамзи успяха да купят само ... един грам клевета, като платиха само 3,5 шилинга за него. След като изолира няколко кубически сантиметра газ от полученото количество клевеит и го пречиства от примеси, Рамзи го изследва със спектроскоп. Резултатът беше неочакван: отделеният газ от клевеит се оказа ... хелий!

Без да се доверява на откритието си, Рамзи се обръща към Уилям Крукс, тогавашния водещ специалист по спектрален анализ в Лондон, с молба да изследва газа, отделен от клевеит.

Крукс проучи газа. Резултатът от изследването потвърдил откритието на Рамзи. И така, на 23 март 1895 г. на Земята е открито вещество, което е открито на Слънцето преди 27 години. В същия ден Рамзи публикува откритието си, изпращайки едно съобщение до Кралското общество в Лондон и друго до известния френски химик академик Бертло. В писмо до Бертло Рамзи поиска да информира научната среща на професорите от Парижката академия за своето откритие.

Петнадесет дни след Рамзи, независимо от него, шведският химик Лангли изолира хелий от клевеит и, подобно на Рамзи, докладва за откритието си на хелия на химика Бертло.

За трети път хелият е открит във въздуха, където според Рамзи би трябвало да идва от редки минерали (клевеит и др.) по време на разрушаването и химическите трансформации на земята.

Малки количества хелий са открити и във водата на някои минерални извори. Така например той е открит от Рамзи в лечебния извор Котрет в Пиренеите, английският физик Джон Уилям Рейли го открива във водите на извори в известния курорт Бат, немският физик Кайзер открива хелий в изворите, бликащи в планините на Шварцвалд. Най-вече хелий обаче се намира в някои минерали. Среща се в самарскит, фергусонит, колумбит, монацит, уранинит. Минералът торианит от остров Цейлон съдържа особено голямо количество хелий. Един килограм торианит при нагряване до червено освобождава 10 литра хелий.

Скоро беше установено, че хелият се намира само в онези минерали, които съдържат радиоактивен уран и торий. Алфа лъчите, излъчвани от някои радиоактивни елементи, не са нищо повече от ядра на хелиеви атоми, които чрез прикрепване на електрони се превръщат в хелиеви атоми.

Хелият е прозрачен газ, без мирис и вкус, следващият по големина елемент по атомно тегло след водорода. Той е абсолютно инертен, тоест не влиза в никакви реакции. От всички вещества хелият има най-ниската точка на кипене от -269°C. Течният хелий е най-гладната течност. Хелият "замръзва" при - 272 ° C. Тази температура е само с един градус по-висока от температурата на абсолютната нула.

Хелият е най-добрият газ за аеронавтични превозни средства. За запълването им обикновено се използва смес от хелий (85%) с водород (15%). Огромни количества хелий (до 200 000 кубически метра), необходими в миналото за пълнене на дирижабли, са били извлечени главно от природни газове.

За бомбардиране на големи градове, главно столиците на Англия и Франция, германското командване използва цепелини по време на Първата световна война. За запълването им е използван водород. Следователно борбата с цепелините беше сравнително проста: запалителен снаряд, който падна в черупката на цепелин, запали водород, цепелинът моментално пламна и изгоря. От 123 цепелина, построени в Германия по време на Първата световна война, 40 са изгорели от запалителни снаряди.Но един ден Генералният щаб на британската армия е изненадан от съобщение от особено значение. Директните удари на запалителни снаряди върху немския цепелин не дадоха резултат. Цепелинът не избухна в пламъци, а бавно, явно изпускайки някакъв неизвестен газ, отлетя обратно.

Военните експерти бяха озадачени и въпреки спешното и подробно обсъждане на въпроса за незапалимостта на цепелина от запалителни снаряди, те не можаха да намерят необходимото обяснение. Загадката на цепелина е разрешена от английския химик Ричард Трелфол. В писмо до Британското адмиралтейство той пише: „... Вярвам, че германците са измислили някакъв начин за извличане на хелий в големи количества и този път те напълниха корпуса на своя цепелин не с водород, както обикновено, а с хелий ...".

Убедителността на аргументите на Threlfall обаче беше намалена от факта, че в Германия нямаше значителни източници на хелий. Вярно е, че хелий се съдържа във въздуха, но той не е достатъчен: един кубичен метър въздух съдържа само 5 кубически сантиметра хелий. В допълнение, хладилната машина Linde system, която превръща няколкостотин кубически метра въздух в течност за един час, може да произведе не повече от 3 литра хелий през това време.

3 литра хелий на час! А за да напълниш един цепелин, ти трябват 5-6 хиляди кубика. м. За да се получи такова количество хелий, една машина Linde ще трябва да работи без спиране около двеста години, двеста такива машини ще дадат необходимото количество хелий за една година. Изграждането на 200 инсталации за превръщане на въздуха в течност за производство на хелий е икономически много неизгодно и практически безсмислено.

Откъде германските химици са получили хелий?

Този проблем, както се оказа по-късно, беше решен сравнително просто. Дълго преди войната германските параходни компании, превозващи стоки до Индия и Бразилия, бяха инструктирани да товарят връщащите се параходи не с обикновен баласт, а с монацитов пясък, който съдържа хелий. Така се създава резерв от "хелиеви суровини" - около 5 хиляди тона монацитов пясък, от който се получава хелий за цепелините. Освен това хелий е извлечен от водата на минералния извор Наухайм, който дава до 70 куб.м. m хелий дневно.

Инцидентът с огнеупорния цепелин беше тласък за ново търсене на хелий. Химици, физици, геолози започнаха интензивно да търсят хелий. Изведнъж стана много ценен. През 1916 г. 1 кубичен метър хелий струва 200 000 златни рубли, тоест 200 рубли за литър. Ако вземем предвид, че един литър хелий тежи 0,18 g, тогава 1 g от него струва над 1000 рубли.

Хелият се превърна в обект на лов от търговци, спекуланти, борсови дилъри. Хелий е открит в значителни количества в природните газове, излизащи от земните недра в Америка, в щата Канзас, където след влизането на Америка във войната близо до град Форт Уърт е построен завод за хелий. Но войната приключи, запасите от хелий останаха неизползвани, цената на хелия рязко падна и в края на 1918 г. възлиза на около четири рубли за кубичен метър.

Извлеченият с такава трудност хелий бил използван от американците едва през 1923 г., за да напълни вече мирния дирижабъл Шенандоа. Това беше първият и единствен в света въздушен товаро-пътнически кораб, пълен с хелий. Неговият "живот" обаче беше кратък. Две години след раждането си Шенандоа беше унищожен от буря от 55 хиляди кубически метра. м, почти целият световен запас от хелий, който е бил събиран в продължение на шест години, се разпръсна без следа в атмосферата по време на буря, продължила само 30 минути.

При гмуркането хелият се използва за производство на изкуствен въздух. За улесняване на дишането на водолази, работещи под особено високо налягане, се използва изкуствен въздух, в който азотът е частично заменен с хелий.

Както знаете, разтворимостта на газовете в течности, при равни други условия, е право пропорционална на налягането. Водолазите, работещи под високо налягане, имат много повече разтворен азот в кръвта си в сравнение с нормалните условия, които съществуват на повърхността на водата. При издигане от дълбочина, когато налягането се доближи до нормалното, разтворимостта на азота намалява и неговият излишък започва да се отделя. Ако изкачването се извърши бързо, освобождаването на излишните разтворени газове става толкова бурно, че богатите на кръв и вода тъкани на тялото, наситени с газ, се пенят от маса азотни мехурчета като шампанско, когато се отвори бутилка. Образуването на азотни мехурчета в кръвоносните съдове нарушава работата на сърцето, появата им в мозъка нарушава функциите му, води до тежки нарушения на жизнените функции на организма и смърт. За да се предотврати развитието на описаните явления, известни под името "кесонна болест", издигането на гмуркачите, тоест преходът от високо налягане към нормално, се извършва много бавно. В този случай излишъкът от разтворени газове се освобождава постепенно и не възникват болезнени нарушения.

С използването на изкуствен въздух, в който азотът е заменен с по-малко разтворим хелий, възможността за вредни разстройства е почти напълно елиминирана. Това позволява на водолазите да увеличат дълбочината на спускане (до 100 метра или повече) и да удължат времето, прекарано под вода.

"Хелиевият" въздух има плътност три пъти по-малка от плътността на обикновения въздух. Поради това е по-лесно да се диша "хелиев" въздух от обикновено (работата на дихателните мускули намалява). Това обстоятелство е от голямо значение при заболявания на дихателната мускулатура и някои други заболявания, свързани с акта на дишане. Следователно "хелиевият" въздух се използва и в медицината при лечение на астма, задушаване и други заболявания.

Хелият се използва и в нискотемпературната технология.

Кой е най-добрият начин да научите език? Можете да похарчите много време, усилия и пари за наемане на учители и преподаватели, за посещаване на училища и курсове по чужди езици. Но всичко това не гарантира резултата. Най-правилно е чуждият език да се учи чрез общуване с носителя му, това е така нареченият метод на полевата лингвистика. Къде е най-доброто място за практикуване с носител на езика? Разбира се, в родината си - в Англия. Образованието в Англия се смята за най-доброто в света. Следователно изучаването на английски в Англия е ключът към успеха в изучаването на чужд език. Не забравяйте, че днес изучаването на език с неговия роден говорител се счита за най-ефективно.

Хелият, който обикновено се произвежда от радиоактивния разпад на уран-238 и уран-235, е открит в атмосферата на Слънцето 13 години по-рано, отколкото на Земята. Този газ има най-ниските критични стойности, най-ниската точка на кипене, най-ниската топлина на изпарение и топене. Що се отнася до точката на топене на хелия, при нормално налягане тя изобщо не съществува. В природата няма друго подобно вещество...

Хелият е необичаен елемент и неговата история е донякъде мистериозна и неразбираема. Открит е в атмосферата на Слънцето 13 години по-рано, отколкото на Земята. По-точно, в спектъра на слънчевата корона беше открита яркожълта линия D, а какво се крие зад нея, стана надеждно известно едва след като хелий беше извлечен от земни минерали, съдържащи радиоактивни елементи.

Как се образува хелият?

Образува се предимно земен хелий по време на радиоактивно разпадане на уран-238, уран-235, торий и нестабилни продукти от тяхното разпадане. Хелият в земната кора се натрупва бавно. Един тон гранит, съдържащ 2 g уран и 10 g торий, произвежда само 0,09 mg хелий за милион години - половин кубичен сантиметър. В много малко минерали, богати на уран и торий, съдържанието на хелий е доста високо - няколко кубически сантиметра хелий на грам.

Повечето минерали претърпяват процеси на изветряне, рекристализация и др. с времето и хелият ги напуска. Мехурчетата хелий, освободени от кристални структури, частично се разтварят в подземните води. Друга част от хелия излиза в атмосферата през порите и пукнатините на минералите. Останалите газови молекули попадат в подземни капани, където се натрупват в продължение на десетки, стотици милиони години. Слоевете от рохкави скали действат като капани тук, чиито кухини са пълни с газ. Основата за такива газови резервоари обикновено е вода или нефт, а отгоре те са блокирани от газонепроницаеми слоеве от плътни скали.

Синтезът на хелий - началото на живота

Недрата и атмосферата на нашата планета са бедни на хелий. Но това не означава, че не е достатъчно навсякъде във Вселената. Според съвременни оценки 76% от космическата маса е водород и 23% хелий; на всички останали елементи остава само един процент. Така световната материя може да се нарече водород-хелий. Тези два елемента преобладават в звездите, планетарните мъглявини и междузвездния газ. Реакцията на синтез на хелий е в основата на енергийната активност на звездите, тяхното сияние. Следователно, синтезът на хелий може да се счита за прародителя на всички реакции в природата, първопричината за живота, светлината, топлината и метеорологичните явления на Земята.

Природните газове са практически единственият източник на суровини за промишленото производство на хелий. Хелият присъства в природните газове като незначителен примес. Съдържанието му не надвишава хилядни, стотни, рядко - десети от процента. Голямото (1,5–10%) съдържание на хелий в отлаганията на метан и азот е изключително рядко явление. За отделяне от други газове се използва изключителната летливост на хелия, свързана с неговата ниска температура на флуидизация. След като всички други компоненти на природния газ се кондензират чрез дълбоко охлаждане, хелиевият газ се изпомпва. След това се пречиства от примеси. Чистотата на фабричния хелий достига 99,995%. Течният хелий се получава чрез втечняване на газообразен хелий.

свойства на хелия

газообразен хелий- инертен газ без цвят, мирис и вкус. течен хелий- безцветна течност без мирис с точка на кипене при нормално атмосферно налягане от 101,3 kPa (760 mm Hg) 4,215 K (минус 268,9 ° C) и плътност от 124,9 kg / m 3.

Хелият е нетоксичен, негорим, неексплозивен, но при високи концентрации във въздуха предизвиква състояние на кислороден дефицит и задушаване. Течният хелий е нискокипяща течност, която може да причини измръзване на кожата и увреждане на лигавиците на очите.

атом на хелий(известна още като молекула) - най-силната от молекулните структури. Орбитите на двата му електрона са напълно еднакви и минават изключително близо до ядрото. За да изложите ядро на хелий, трябва да изразходвате рекордно висока енергия (78,61 eV). От това следва феноменалната химическа пасивност на хелия.

Молекулите на хелия са неполярни. Силите на междумолекулно взаимодействие между тях са изключително малки - по-малко, отколкото във всяко друго вещество. Поради тази причина хелият има най-ниските критични стойности, най-ниската точка на кипене и най-ниската топлина на изпарение и топене. Що се отнася до точката на топене на хелия, при нормално налягане тя изобщо не съществува. Течният хелий при температура произволно близка до абсолютната нула не се втвърдява, ако в допълнение към температурата не се влияе от налягане от 25 или повече атмосфери. В природата няма друго подобно вещество. Той е най-добрият проводник на електричество сред газовете и вторият след водорода проводник на топлина. Топлинният му капацитет е много висок, а вискозитетът, напротив, е малък.

Хелий, дирижабли, водолази и ядрена енергия...

За първи път хелият е използван в Германия. През 1915 г. германците започват да пълнят с него своите дирижабли, бомбардиращи Лондон. Скоро лекият, но незапалим хелий се превърна в незаменим пълнител за аеронавтически превозни средства. Упадъкът на производството на дирижабли, започнал в средата на 30-те години, води до лек спад в производството на хелий, но само за кратко време. Този газ все повече привлича вниманието на химици, металурзи и машиностроители.

Друга област на приложение на хелия се дължи на факта, че много технологични процеси и операции не могат да се извършват във въздушна среда. За да се избегне взаимодействието на полученото вещество (или суровина) с въздушни газове, се създават специални защитни среди и няма по-подходящ газ за тези цели от хелий.

в хелий защитна средапреминават отделни етапи на получаване на ядрено гориво. Горивните елементи на ядрените реактори се съхраняват и транспортират в контейнери, пълни с хелий. С помощта на специални детектори за течове, чието действие се основава на изключителната дифузионна способност на хелия, те откриват и най-малката възможност за теч в ядрени реактори и други системи под налягане или вакуум.

В научните изследвания и технологиитешироко прилагани течен хелий. Свръхниските температури благоприятстват задълбоченото познаване на материята и нейната структура - при по-високи температури фините детайли на енергийните спектри се маскират от топлинното движение на атомите.

Вече има свръхпроводящи соленоиди, изработени от специални сплави, които създават силни магнитни полета (до 300 хиляди ерстеда) при температура на течен хелий с незначителни енергийни разходи. При температурата на течния хелий се превръщат много метали и сплави свръхпроводници. Свръхпроводящите криотронни релета все повече се използват при проектирането на електронни компютри. Те са прости, надеждни, много компактни. Свръхпроводниците, а с тях и течният хелий, стават основни за електрониката. Те са включени в дизайна на детектори за инфрачервено лъчение, молекулярни усилватели (мазери), оптични квантови генератори (лазери) и устройства за измерване на микровълнови честоти.

Хелио-кислородни смесисе превърна в надеждно средство за предотвратяване на декомпресионна болест и даде голяма печалба във времето при повдигане на водолази. Както е известно, разтворимостта на газовете в течности, при равни други условия, е право пропорционална на налягането. Водолазите, работещи под високо налягане, имат много повече разтворен азот в кръвта си в сравнение с нормалните условия, които съществуват на повърхността на водата. При издигане от дълбочина, когато налягането се доближи до нормалното, разтворимостта на азота намалява и неговият излишък започва да се отделя. Ако изкачването се извърши бързо, освобождаването на излишните разтворени газове става толкова бурно, че богатите на кръв и вода тъкани на тялото, наситени с газ, се пенят от маса азотни мехурчета - като шампанско при отваряне на бутилка.

Образуването на азотни мехурчета в кръвоносните съдове нарушава работата на сърцето, появата им в мозъка нарушава функциите му, а всичко това заедно води до тежки нарушения в жизнените функции на организма и в резултат на това до смърт. За да се предотврати развитието на описаните явления, известни под името "кесонна болест", издигането на гмуркачите, тоест преходът от високо налягане към нормално, се извършва много бавно.

В този случай излишъкът от разтворени газове се освобождава постепенно и не възникват болезнени нарушения. С използването на изкуствен въздух, в който азотът е заменен с по-малко разтворим хелий, възможността за вредни разстройства е почти напълно елиминирана. Това позволява на водолазите да увеличат дълбочината на спускане (до 100 метра или повече) и да удължат времето, прекарано под вода.

"Хелиевият" въздух има плътност три пъти по-малка от плътността на обикновения въздух. Поради това е по-лесно да се диша такъв въздух от обикновено (работата на дихателните мускули намалява). Това обстоятелство е важно при респираторни заболявания. Ето защо хелиев въздухважи и в лекарствопри лечение на астма, задушаване и други заболявания.

Още не вечен, но вече безвреден

В Националната лаборатория в Лос Аламос, кръстена на Е. Ферми (Ню Мексико), е разработена нов двигател, което може сериозно да промени представата за автомобила като един от основните източници на замърсяване. С ефективност, сравнима с двигател с вътрешно горене (30–40%), той е лишен от основните си недостатъци: движещи се части, които се нуждаят от смазване за намаляване на триенето и износването, и вредни за околната среда емисии на продукти от непълно изгаряне на гориво.

Всъщност говорим за подобрение на добре познатия двигател с външно горене, предложен от шотландския свещеник Р. Стърлинг през 1816 г. Този двигател не е широко използван в превозните средства поради по-сложния си дизайн в сравнение с двигателя с вътрешно горене , по-голяма консумация на материали и разходи. Но термоакустичният преобразувател на енергия, предложен от американски учени, в който компресиран хелий служи като работна среда, се сравнява благоприятно с предшественика си поради липсата на обемисти топлообменници, които предотвратяват използването му в леки автомобили, и в близко бъдеще може да стане екологично приемлив алтернатива не само на двигателя с вътрешно горене, но и преобразувател на слънчева енергия, хладилник, климатик. Все още е трудно да си представим мащаба на неговото приложение.

Хелият е наистина благороден газ. Все още не е възможно да го принуди да влезе в някакви реакции. Молекулата на хелия е едноатомна.

По отношение на лекотата този газ е на второ място след водорода, въздухът е 7,25 пъти по-тежък от хелия.

Хелият е почти неразтворим във вода и други течности. И по същия начин нито едно вещество не се разтваря забележимо в течен хелий.

Твърдият хелий не може да се получи при никаква температура, освен ако налягането не се увеличи.

В историята на откриването, изследването и приложението на този елемент има имена на много видни физици и химици от различни страни. Те се интересуваха от хелий, работеха с хелий: Янсен (Франция), Локиер, Рамзи, Крукс, Ръдърфорд (Англия), Палмиери (Италия), Кейсъм, Камерлинг-Онес (Холандия), Файнман, Онсагер (САЩ), Капица, Кикоин , Ландау (Съветски съюз) и много други видни учени.

Уникалността на външния вид на атома на хелия се определя от съчетанието на две удивителни природни структури в него - абсолютни шампиони по отношение на компактност и здравина. В хелиевото ядро, хелий-4, са наситени и двете вътрешноядрени обвивки - както протонната, така и неутронната. Електронният дублет, оформящ това ядро, също е наситен. В тези дизайни - ключът към разбирането на свойствата на хелия. Оттук и неговата феноменална химическа инертност и рекордно малкия размер на неговия атом.

Ролята на ядрото на атома на хелия - алфа частиците в историята на формирането и развитието на ядрената физика е огромна. Ако си спомняте, изследването на разсейването на алфа частици доведе Ръдърфорд до откриването на атомното ядро. Когато азотът беше бомбардиран с алфа частици, за първи път беше извършено взаимното преобразуване на елементите - нещо, за което много поколения алхимици са мечтали от векове. Вярно е, че при тази реакция не живакът се превърна в злато, а азотът в кислород, но това е почти толкова трудно да се направи. Същите алфа частици участват в откриването на неутрона и производството на първия изкуствен изотоп. По-късно курий, беркелий, калифорний и менделевий са синтезирани с помощта на алфа частици.

Изброихме тези факти само с една цел - да покажем, че елемент #2 е много необичаен елемент.

На голям балон... Хелият се използва за приготвяне на дихателни смеси, включително за атмосферата на обитавани космически кораби, за дълбоководни гмуркания, както и за лечение на астма, за пълнене на дирижабли и балони. Той е нетоксичен, така че вдишването на малки количества хелий заедно с въздуха е напълно безвредно.

Родоски колос, гигантска статуя на древния бог на слънцето Хелиос. Елементът хелий е открит чрез спектрален метод на Слънцето и едва по-късно е открит на Земята.

земен хелий

Хелият е необичаен елемент и неговата история е необичайна. Открит е в атмосферата на Слънцето 13 години по-рано, отколкото на Земята. По-точно, в спектъра на слънчевата корона беше открита яркожълта линия D, а какво се крие зад нея, стана надеждно известно едва след като хелий беше извлечен от земни минерали, съдържащи радиоактивни елементи.

Хелият на Слънцето е открит от французина Й. Янсен, който прави своите наблюдения в Индия на 19 август 1868 г., и англичанина Дж. Lockyer – 20 октомври същата година. Писмата и на двамата учени пристигнаха в Париж в един и същи ден и бяха прочетени на заседание на Парижката академия на науките на 26 октомври с интервал от няколко минути. Академиците, поразени от такова странно съвпадение, решиха да извадят златен медал в чест на това събитие.

През 1881 г. италианският учен Палмиери съобщава за откриването на хелий във вулканични газове. Посланието му обаче, потвърдено по-късно, беше прието на сериозно от малко учени. Вторичният земен хелий е открит от Рамзи през 1895 г.

В земната кора има 29 изотопа, при радиоактивния разпад на които се образуват алфа частици - високоактивни ядра на хелиеви атоми с висока енергия.

По принцип земният хелий се образува по време на радиоактивния разпад на уран-238, уран-235, торий и нестабилни продукти от техния разпад. Несравнимо по-малки количества хелий се получават при бавното разпадане на самарий-147 и бисмут. Всички тези елементи генерират само тежкия изотоп на хелия - 4He, чиито атоми могат да се разглеждат като останки от алфа частици, заровени в обвивка от два сдвоени електрона - в електронен дублет. В ранните геоложки периоди вероятно е съществувала и друга естествено радиоактивна серия от елементи, които вече са изчезнали от лицето на Земята, насищайки планетата с хелий. Една от тях беше вече изкуствено пресъздадената нептунова серия.

По количеството хелий, уловен в скала или минерал, може да се съди за тяхната абсолютна възраст. Тези измервания се основават на законите на радиоактивния разпад: например половината от уран-238 се превръща в хелий и олово за 4,52 милиарда години.

Хелият в земната кора се натрупва бавно. Един тон гранит, съдържащ 2 g уран и 10 g торий, произвежда само 0,09 mg хелий за милион години - половин кубичен сантиметър. В много малко минерали, богати на уран и торий, съдържанието на хелий е доста високо - няколко кубически сантиметра хелий на грам. Делът на тези минерали в естественото производство на хелий обаче е близо до нула, тъй като те са много редки.

Природните съединения, съдържащи алфа активни изотопи, са само първичен източник, но не и суровина за промишленото производство на хелий. Вярно е, че някои минерали с плътна структура - самородни метали, магнетит, гранат, апатит, циркон и други - здраво задържат съдържащия се в тях хелий. Повечето минерали обаче в крайна сметка претърпяват процеси на изветряне, рекристализация и т.н. и хелият ги напуска.

Мехурчетата хелий, освободени от кристалните структури, тръгват на пътешествие през земната кора. Много малка част от тях се разтварят в подземните води. Образуването на повече или по-малко концентрирани разтвори на хелий изисква специални условия, предимно високо налягане. Друга част от номадския хелий навлиза в атмосферата през порите и пукнатините на минералите. Останалите газови молекули попадат в подземни капани, където се натрупват в продължение на десетки, стотици милиони години. Капаните са слоеве от рохкави скали, чиито кухини са пълни с газ. Основата за такива газови резервоари обикновено е вода и нефт, а отгоре те са блокирани от газонепроницаеми слоеве от плътни скали.

Тъй като други газове също се скитат в земната кора (главно метан, азот, въглероден диоксид) и освен това в много по-големи количества, няма чисто хелиеви натрупвания. Хелият присъства в природните газове като незначителен примес. Съдържанието му не надвишава хилядни, стотни, рядко - десети от процента. Голямото (1,5...10%) съдържание на хелий в метано-азотните отлагания е изключително рядко явление.

Символ на елемент, направен от газоразрядни тръби, пълни с хелий. Хелият свети в светло прасковен цвят, когато през него премине електрически ток.

Природните газове се оказаха практически единственият източник на суровини за промишленото производство на хелий. За отделяне от други газове се използва изключителната летливост на хелия, свързана с неговата ниска температура на втечняване. След като всички други компоненти на природния газ се кондензират чрез дълбоко охлаждане, хелиевият газ се изпомпва. След това се пречиства от примеси. Чистотата на фабричния хелий достига 99,995%.

Запасите от хелий на Земята се оценяват на 5 1014 m3; съдейки по изчисленията, той се е образувал в земната кора за 2 милиарда години десет пъти повече. Това разминаване между теория и практика е разбираемо. Хелият е лек газ и подобно на водорода (макар и по-бавно) не излиза от атмосферата в открития космос. Вероятно по време на съществуването на Земята хелият на нашата планета е бил многократно обновяван - старият е избягал в космоса, а вместо него свежият - „издишан“ от Земята е влязъл в атмосферата.

В литосферата има поне 200 000 пъти повече хелий, отколкото в атмосферата; още повече потенциален хелий се съхранява в "утробата" на Земята - в алфа активни елементи. Но общото съдържание на този елемент в Земята и атмосферата е малко. Хелият е рядък и дифузен газ. За 1 kg земен материал има само 0,003 mg хелий, а съдържанието му във въздуха е 0,00052 обемни процента. Такава ниска концентрация все още не позволява икономично извличане на хелий от въздуха.

Хелият се образува от водород в резултат на термоядрена реакция. Именно термоядрените реакции са източникът на енергия за нашето Слънце и много милиарди други звезди.

Хелий във Вселената

Ориз. 1. Криви на изобилието на елементи на Земята (отгоре) и в космоса.

„Космическата“ крива отразява изключителната роля на водорода и хелия във Вселената и специалното значение на групата на хелия в структурата на атомното ядро. Тези елементи и техните изотопи, чието масово число е кратно на четири, имат най-голямо относително съдържание: 16О, 20Ne, 24Mg и др.

Вероятно всички планети от Слънчевата система съдържат радиогенен (образуван по време на алфа-разпад) хелий, а големите планети също съдържат реликтов хелий от космоса. Хелият е изобилно представен в атмосферата на Юпитер: според някои данни той е 33%, според други - 17%. Това откритие е в основата на сюжета на един от разказите на известния учен и писател на научна фантастика А. Азимов. В центъра на историята е план (вероятно осъществим в бъдеще) за доставяне на хелий от Юпитер или дори до най-близкия спътник на тази планета - Юпитер V - армада от кибернетични машини на криотрони (за тях - по-долу). Потопени в течния хелий на атмосферата на Юпитер (свръхниските температури и свръхпроводимостта са необходими условия за работата на криотроните), тези машини ще превърнат Юпитер V в мозъчния център на Слънчевата система...

Произходът на звездния хелий е обяснен през 1938 г. от немските физици Бете и Вайцзакер. По-късно тяхната теория получи експериментално потвърждение и усъвършенстване с помощта на ускорители на частици. Същността му е следната.

Хелиевите ядра се синтезират при звездни температури от протони в процес на синтез, който освобождава 175 милиона киловатчаса енергия за всеки килограм хелий.

Различни цикли на реакции могат да доведат до сливане на хелий.

В условията на не много горещи звезди, като нашето Слънце, протон-протонният цикъл изглежда преобладава. Състои се от три последователни трансформации. Първо, два протона се комбинират с големи скорости, за да образуват дейтрон - структура от протон и неутрон; в този случай позитрон и неутрино са разделени. Освен това дейтронът се комбинира с протон, за да образува лек хелий с излъчване на гама квант. Накрая две ядра 3He реагират, превръщайки се в алфа частица и два протона. Алфа частица, след като е придобила два електрона, ще се превърне в атом на хелий.

Същият краен резултат дава по-бърз цикъл въглерод-азот, чието значение не е много голямо при слънчеви условия, но при звезди, по-горещи от Слънцето, ролята на този цикъл се засилва. Състои се от шест стъпки – реакции. Въглеродът тук играе ролята на катализатор за процеса на протонен синтез. Енергията, която се отделя при тези трансформации, е същата като при протон-протонния цикъл – 26,7 MeV на атом на хелий.

Реакцията на синтез на хелий е в основата на енергийната активност на звездите, тяхното сияние. Следователно, синтезът на хелий може да се счита за прародителя на всички реакции в природата, първопричината за живота, светлината, топлината и метеорологичните явления на Земята.

Хелият не винаги е крайният продукт на звездния синтез. Според теорията на професор Д.А. Франк-Каменецки, последователното сливане на хелиеви ядра произвежда 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg и улавянето на протони от тези ядра води до образуването на други ядра. За синтеза на ядра от тежки елементи до трансуран са необходими изключителни свръхвисоки температури, които се развиват върху нестабилни "нови" и "свръхнови" звезди.

Известният съветски химик А.Ф. Капустински нарича водород и хелий протоелементи - елементи на първичната материя. Не е ли това първостепенно значение, което обяснява особеното положение на водорода и хелия в периодичната система от елементи, по-специално факта, че първият период е по същество лишен от периодичността, характерна за другите периоди?

Атомна структура на хелия

Най-доброто...

Атомът на хелий (известен още като молекула) е най-силната молекулярна структура. Орбитите на двата му електрона са напълно еднакви и минават изключително близо до ядрото. За да изложите ядро на хелий, трябва да изразходвате рекордно висока енергия - 78,61 MeV. Оттук и феноменалната химическа пасивност на хелия.

През последните 15 години химиците са успели да получат повече от 150 химични съединения на тежки благородни газове (съединенията на тежки благородни газове ще бъдат обсъдени в статиите "Криптон" и "Ксенон"). Въпреки това, инертността на хелия остава, както и преди, извън подозрение.

Изчисленията показват, че ако се намери начин да се получи, да речем, флуорид или хелиев оксид, тогава по време на образуването те ще абсорбират толкова много енергия, че получените молекули ще бъдат „взривени“ от тази енергия отвътре.

Молекулите на хелия са неполярни. Силите на междумолекулно взаимодействие между тях са изключително малки - по-малко, отколкото във всяко друго вещество. Оттук - най-ниските стойности на критичните количества, най-ниската точка на кипене, най-ниските топлина на изпарение и топене. Що се отнася до точката на топене на хелия, при нормално налягане тя изобщо не съществува. Течният хелий при температура произволно близка до абсолютната нула не се втвърдява, ако в допълнение към температурата е подложен на налягане от 25 или повече атмосфери. В природата няма друго подобно вещество.

Освен това няма друг газ, толкова пренебрежимо разтворим в течности, особено полярни, и толкова малко склонен към адсорбция, като хелия. Той е най-добрият проводник на електричество сред газовете и вторият след водорода проводник на топлина. Топлинният му капацитет е много висок, а вискозитетът му е нисък.

Хелият прониква удивително бързо през тънки прегради от някои органични полимери, порцелан, кварц и боросиликатно стъкло. Любопитно е, че хелият дифундира през меко стъкло 100 пъти по-бавно, отколкото през боросиликатно стъкло. Хелият може да проникне и през много метали. Само желязото и металите от платиновата група, дори и горещите, са напълно непроницаеми за него.

Нов метод за извличане на чист хелий от природен газ се основава на принципа на селективната пропускливост.

Учените проявяват изключителен интерес към течния хелий. Първо, това е най-студената течност, в която освен това нито едно вещество не се разтваря забележимо. Второ, това е най-леката течност с минимално повърхностно напрежение.

При температура от 2,172°K има рязка промяна в свойствата на течния хелий. Полученият вид условно се нарича хелий II. Хелий II кипи съвсем различно от другите течности, той не кипи при кипене, повърхността му остава напълно спокойна. Хелий II провежда топлина 300 милиона пъти по-добре от обикновения течен хелий (хелий I). Вискозитетът на хелий II е практически нулев, той е хиляда пъти по-малък от вискозитета на течния водород. Следователно, хелий II има свръхфлуидност - способността да тече без триене през капиляри с произволно малък диаметър.

Друг стабилен изотоп на хелия, 3He, преминава в свръхфлуидно състояние при температура, която е само стотни от градуса от абсолютния куршум. Свръхфлуидните хелий-4 и хелий-3 се наричат квантови течности: квантово-механичните ефекти се появяват в тях още преди да се втвърдят. Това обяснява много подробното изследване на течния хелий. И сега произвеждат много - стотици хиляди литри годишно. Но твърдият хелий почти не е изследван: експерименталните трудности при изучаването на това много студено тяло са големи. Несъмнено тази празнина ще бъде запълнена, тъй като физиците очакват много нови неща от познаването на свойствата на твърдия хелий: все пак той също е квантово тяло.

Хелиеви цилиндри

Инертен, но много необходим

В края на миналия век английското списание Punch публикува карикатура, в която хелият е изобразен като хитро намигащ човек - жител на Слънцето. Текстът под снимката гласеше: „Най-накрая ме хванаха на Земята! Мина достатъчно време! Чудя се колко време ще мине, преди да измислят какво да правят с мен?

Наистина са изминали 34 години от откриването на земния хелий (първият доклад за това е публикуван през 1881 г.), преди той да намери практическо приложение. Определена роля тук изиграха първоначалните физични, технически, електрически и в по-малка степен химични свойства на хелия, които изискваха дълго проучване. Основните пречки бяха разсеяността и високата цена на елемент №2.

Германците са първите, които използват хелий. През 1915 г. те започват да пълнят своите дирижабли, бомбардиращи Лондон с него. Скоро лекият, но незапалим хелий се превърна в незаменим пълнител за аеронавтически превозни средства. Упадъкът на производството на дирижабли, започнал в средата на 30-те години, води до лек спад в производството на хелий, но само за кратко време. Този газ все повече привлича вниманието на химици, металурзи и машиностроители.

Много технологични процеси и операции не могат да се извършват във въздуха. За да се избегне взаимодействието на полученото вещество (или суровина) с въздушни газове, се създават специални защитни среди; и няма по-подходящ газ за тези цели от хелия.

Хелиеви цилиндри

Инертен, лек, подвижен, добър проводник на топлина, хелият е идеален инструмент за прехвърляне на запалими течности и прахове от един контейнер в друг; точно тези функции изпълнява в ракетите и управляемите ракети. В хелиева защитна среда протичат отделни етапи на получаване на ядрено гориво. Горивните елементи на ядрените реактори се съхраняват и транспортират в контейнери, пълни с хелий.

С помощта на специални детектори за течове, чието действие се основава на изключителната дифузионна способност на хелия, те откриват и най-малката възможност за теч в ядрени реактори и други системи под налягане или вакуум.

Последните години бяха белязани от подновен възход в строителството на дирижабли, вече на по-висока научна и техническа основа. В редица страни са построени и се строят дирижабли с хелиев пълнеж с товароподемност от 100 до 3000 т. Те са икономични, надеждни и удобни за превоз на обемисти товари, като газопроводи, нефтопреработвателни заводи, електропреносни кули. и т.н. Пълненето с 85% хелий и 15% водород е огнеупорно и намалява повдигането само със 7% в сравнение с пълненето с водород.

Започнаха да работят високотемпературни ядрени реактори от нов тип, в които хелият служи като охладител.

Течният хелий се използва широко в научните изследвания и инженерството. Свръхниските температури благоприятстват задълбочените познания за материята и нейната структура - при по-високи температури фините детайли на енергийните спектри се маскират от топлинното движение на атомите.

Вече има свръхпроводящи соленоиди от специални сплави, които създават силни магнитни полета (до 300 000 ерстеда) при температура на течен хелий с незначителен разход на енергия.

При температурата на течния хелий много метали и сплави стават свръхпроводници. Свръхпроводящите релета - криотрони намират все по-широко приложение при проектирането на електронни компютри. Те са прости, надеждни, много компактни. Свръхпроводниците, а с тях и течният хелий, стават основни за електрониката. Те са включени в дизайна на детектори за инфрачервено лъчение, молекулярни усилватели (мазери), оптични квантови генератори (лазери) и устройства за измерване на микровълнови честоти.

Разбира се, тези примери не изчерпват ролята на хелия в съвременните технологии. Но ако не бяха ограничените природни ресурси, не и изключителното разпръскване на хелия, той щеше да намери много повече приложения. Известно е например, че когато се съхраняват в среда с хелий, хранителните продукти запазват оригиналния си вкус и аромат. Но „хелиевите” консерви все още са „нещо само по себе си”, защото хелият не е достатъчен и се използва само в най-важните отрасли и там, където е незаменим. Ето защо е особено обидно да разберем, че при горимия природен газ много по-големи количества хелий преминават през апарати за химичен синтез, пещи и пещи и отиват в атмосферата, отколкото тези, извлечени от източници, съдържащи хелий.

Сега се счита за полезно отделянето на хелий само в случаите, когато съдържанието му в природния газ е не по-малко от 0,05%. Запасите от такъв газ непрекъснато намаляват и е възможно те да бъдат изчерпани преди края на нашия век. Проблемът с „дефицита на хелий“ обаче вероятно ще бъде решен до този момент - отчасти поради създаването на нови, по-модерни методи за разделяне на газове, извличане на най-ценните, макар и незначителни фракции от тях, и отчасти поради контролирания термоядрен синтез . Хелият ще бъде важен, макар и страничен продукт от "изкуствените слънца".

Хелиева тръба

Изотопи на хелия

В природата има два стабилни изотопа на хелия: хелий-3 и хелий-4. Лекият изотоп е милион пъти по-рядко срещан на Земята от тежкия изотоп. Това е най-редкият от стабилните изотопи, които съществуват на нашата планета. Изкуствено са получени още три изотопа на хелий. Всички те са радиоактивни. Полуживотът на хелий-5 е 2,4 10-21 секунди, хелий-6 е 0,83 секунди, хелий-8 е 0,18 секунди. Най-тежкият изотоп, интересен с това, че в ядрата му има три неутрона на протон, е открит за първи път в Дубна през 60-те години. Опитите да се получи хелий-10 досега са неуспешни.

Последен твърд газ

Хелият беше последният от всички газове, който се превърна в течно и твърдо състояние. Особените трудности при втечняването и втвърдяването на хелий се обясняват със структурата на неговия атом и някои характеристики на неговите физични свойства. По-специално, хелият, подобно на водорода, при температури над -250 ° C, разширявайки се, не се охлажда, а се нагрява. От друга страна, критичната температура на хелия е изключително ниска. Ето защо течният хелий е получен за първи път едва през 1908 г., а твърдият - през 1926 г.

хелиев въздух

Въздухът, в който целият или по-голямата част от азота е заменен с хелий, днес вече не е новост. Използва се широко на сушата, под земята и под водата.

Хелиевият въздух е три пъти по-лек и много по-подвижен от обикновения въздух. Той се държи по-активно в белите дробове - бързо внася кислород и бързо евакуира въглеродния диоксид. Ето защо хелиевият въздух се дава на пациенти с дихателни заболявания и някои операции. Облекчава задушаване, лекува бронхиална астма и заболявания на ларинкса.

Вдишването на хелиев въздух практически елиминира азотната емболия (кесонна болест), на която са податливи водолази и специалисти от други професии, чиято работа протича в условия на високо налягане, по време на прехода от високо налягане към нормално. Причината за това заболяване е доста значима, особено при високо кръвно налягане, разтворимостта на азота в кръвта. Когато налягането намалява, той се освобождава под формата на газови мехурчета, които могат да запушат кръвоносните съдове, да увредят нервните възли ... За разлика от азота, хелият е практически неразтворим в телесните течности, така че не може да причини декомпресионна болест. В допълнение, хелиевият въздух елиминира появата на "азотна анестезия", външно подобна на алкохолна интоксикация.

Рано или късно човечеството ще трябва да се научи как да живее и работи дълго време на морското дъно, за да се възползва сериозно от минералните и хранителни ресурси на шелфа. И на голяма дълбочина, както показват експериментите на съветски, френски и американски изследователи, хелиевият въздух все още е незаменим. Биолозите са доказали, че продължителното дишане с хелиев въздух не предизвиква негативни промени в човешкото тяло и не застрашава промени в генетичния апарат: хелиевата атмосфера не влияе върху развитието на клетките и честотата на мутациите. Има работи, чиито автори смятат, че хелиевият въздух е оптималната въздушна среда за космически кораби, извършващи дългосрочни полети до Вселената. Но досега въздухът с изкуствен хелий все още не се е издигнал отвъд земната атмосфера.

Астероидът (895) Хелио, открит през 1918 г., е кръстен на хелий.

Хелий(He) е инертен газ, който е вторият елемент от периодичната система от елементи, както и вторият елемент по лекота и разпространение във Вселената. Принадлежи към простите вещества и при стандартни условия (стандартна температура и налягане) е едноатомен газ.

Хелийняма вкус, цвят, мирис и не съдържа токсини.

Сред всички прости вещества хелият има най-ниската точка на кипене (T = 4,216 K). При атмосферно налягане е невъзможно да се получи твърд хелий, дори при температури, близки до абсолютната нула - за да премине в твърда форма, хелият се нуждае от налягане над 25 атмосфери. Има малко химически съединения на хелия и всички те са нестабилни при стандартни условия.
Естествено срещащият се хелий се състои от два стабилни изотопа He и 4He. Изотопът „He“ е много рядък (изотопно изобилие 0,00014%) с 99,99986% за изотопа 4He. Освен естествени са известни и 6 изкуствени радиоактивни изотопа на хелия.
Появата на почти всичко във Вселената, хелий, беше първичната нуклеосинтеза, която се състоя в първите минути след Големия взрив.
В момента почти всички хелийОбразува се от водород в резултат на термоядрен синтез, протичащ във вътрешността на звездите. На нашата планета хелият се образува в процеса на алфа разпад на тежки елементи. Тази част от хелия, която успява да проникне през земната кора, излиза като част от природния газ и може да бъде до 7% от състава му. Какво да подчертая хелийот природен газ се използва фракционна дестилация - процесът на нискотемпературно разделяне на елементите.

Историята на откриването на хелия

На 18 август 1868 г. се очаква пълно слънчево затъмнение. Астрономите по света се подготвяха активно за този ден. Те се надяваха да разрешат мистерията на протуберанциите - светлинни проекции, видими по време на пълно слънчево затъмнение по краищата на слънчевия диск. Някои астрономи вярваха, че изпъкналостите са високи лунни планини, които по време на пълно слънчево затъмнение са осветени от слънчевите лъчи; други смятаха, че издатините са планини на самото Слънце; други виждаха огнени облаци от слънчевата атмосфера в слънчевите проекции. Мнозинството вярваха, че изпъкналостите не са нищо повече от оптична илюзия.

Едва след пълното затъмнение от 18 юли 1860 г., наблюдавано в Испания, когато много астрономи видяха слънчевите проекции със собствените си очи, а италианецът Секи и французинът Делар успяха не само да ги скицират, но и да ги снимат, никой имаше някакви съмнения относно съществуването на изпъкналости.

През 1895 г. лондонският химик Хенри Майерс привлича вниманието на Уилям Рамзи, известният английски физикохимик, към забравената тогава статия на геолога Хилдебранд. В тази статия Хилдебранд твърди, че някои редки минерали, когато се нагряват в сярна киселина, отделят газ, който не гори и не поддържа горене. Сред тези редки минерали беше клевеитът, открит в Норвегия от Норденскиолд, известният шведски изследовател на полярните региони.

Рамзи решава да проучи естеството на газа, съдържащ се в клевейта. Във всички химически магазини в Лондон асистентите на Рамзи успяха да купят само ... един грам клевета, като платиха само 3,5 шилинга за него. След като изолира няколко кубически сантиметра газ от полученото количество клевеит и го пречиства от примеси, Рамзи го изследва със спектроскоп. Резултатът беше неочакван: газът, отделен от клевеит, се оказа ... хелий!

Крукс проучи газа. Резултатът от изследването потвърдил откритието на Рамзи. Така на 23 март 1895 г. на Земята е открито вещество, открито на Слънцето преди 27 години. В същия ден Рамзи публикува откритието си, изпращайки едно съобщение до Кралското общество в Лондон и друго до известния френски химик академик Бертло. В писмо до Бертло Рамзи поиска да информира научната среща на професорите от Парижката академия за своето откритие.

За трети път хелият е открит във въздуха, където според Рамзи би трябвало да идва от редки минерали (клевеит и др.) по време на разрушението и химическите трансформации на Земята.

Малки количества хелий са открити и във водата на някои минерални извори. Така например той е открит от Рамзи в лечебния извор Котрет в Пиренеите, английският физик Джон Уилям Рейли го открива във водите на извори в известния курорт Бат, немският физик Кайзер открива хелий в изворите, бликащи в планините на Шварцвалд. Най-вече хелий обаче се намира в някои минерали. Намира се в самарскит, фергусонит, колумбит, монацит и уранит. Минералът торианит от остров Цейлон съдържа особено голямо количество хелий. Един килограм торианит при нагряване до червено освобождава 10 литра хелий.

От историята...

Неговите необичайни свойства позволяват широкото използване на хелий за различни цели. Първият, абсолютно логичен, базиран на неговата лекота, е използването в балони и дирижабли. Освен това, за разлика от водорода, той не е експлозивен. Това свойство на хелия е използвано от германците през Първата световна война на бойни дирижабли. Недостатъкът на използването му е, че пълен с хелий дирижабъл няма да лети толкова високо, колкото водороден.

За бомбардировките на големи градове, главно столиците на Англия и Франция, германското командване през Първата световна война използва дирижабли (цепелини). За запълването им е използван водород. Следователно борбата с тях беше сравнително проста: запалителен снаряд, попаднал в обвивката на дирижабъла, запали водород, който моментално пламна и апаратът изгоря. От 123 дирижабъла, построени в Германия по време на Първата световна война, 40 са изгорели от запалителни снаряди. Но един ден генералният щаб на британската армия беше изненадан от съобщение от особено значение. Директните удари на запалителни снаряди върху немския цепелин не дадоха резултат. Дирижабълът не избухна в пламъци, но бавно изтичащ от някакъв неизвестен газ, отлетя обратно.

Военните експерти бяха озадачени и въпреки спешното и подробно обсъждане на въпроса за незапалимостта на цепелина от запалителни снаряди, те не можаха да намерят необходимото обяснение. Загадката е разрешена от английския химик Ричард Трелфол. В писмо до Британското адмиралтейство той пише: „... Вярвам, че германците са измислили някакъв начин за извличане на хелий в големи количества и този път те напълниха корпуса на своя цепелин не с водород, както обикновено, а с хелий ..."

Убедителността на аргументите на Threlfall обаче беше намалена от факта, че в Германия нямаше значителни източници на хелий. Вярно е, че хелий се съдържа във въздуха, но той не е достатъчен: един кубичен метър въздух съдържа само 5 кубически сантиметра хелий. Хладилната машина на системата Linde, превръщайки няколкостотин кубически метра въздух в течност за един час, можеше да произведе не повече от 3 литра хелий през това време.

3 литра хелий на час! А за да напълните цепелина, ви трябват 5÷6 хиляди кубически метра. м. За да се получи такова количество хелий, една машина на Linde трябваше да работи без спиране около двеста години, двеста такива машини биха дали необходимото количество хелий за една година. Изграждането на 200 инсталации за превръщане на въздуха в течност за производство на хелий е икономически много неизгодно и практически безсмислено.

Откъде германските химици са получили хелий?

Извлеченият с такава трудност хелий бил използван от американците едва през 1923 г., за да напълни вече мирния дирижабъл Шенандоа. Това беше първият и единствен в света въздушен товаро-пътнически кораб, пълен с хелий. Неговият "живот" обаче беше кратък. Две години след раждането й Шенандоа е унищожена от буря. 55 хиляди кубически метра м, почти целият световен запас от хелий, който е бил събиран в продължение на шест години, се разпръсна без следа в атмосферата по време на буря, продължила само 30 минути.

Приложение на хелий

Хелий в природата

Предимно земни хелийсе образува при радиоактивното разпадане на уран-238, уран-235, торий и нестабилни продукти от тяхното разпадане. Несравнимо по-малки количества хелий се получават при бавното разпадане на самарий-147 и бисмут. Всички тези елементи пораждат само тежкия изотоп на хелия - He 4 , чиито атоми могат да се разглеждат като остатъци от алфа частици, заровени в обвивка от два сдвоени електрона - в електронен дублет. В ранните геоложки периоди вероятно е съществувала и друга естествено радиоактивна серия от елементи, които вече са изчезнали от лицето на Земята, насищайки планетата с хелий. Една от тях беше вече изкуствено пресъздадената нептунова серия.

По количеството хелий, уловен в скала или минерал, може да се съди за тяхната абсолютна възраст. Тези измервания се основават на законите на радиоактивния разпад: например половината от уран-238 за 4,52 милиарда години се превръща в хелийи олово.

Хелийсе натрупва бавно в земната кора. Един тон гранит, съдържащ 2 g уран и 10 g торий, произвежда само 0,09 mg хелий за милион години - половин кубичен сантиметър. Много малкото минерали, богати на уран и торий, съдържат доста голямо количество хелий - няколко кубически сантиметра хелий на грам. Делът на тези минерали в естественото производство на хелий обаче е близо до нула, тъй като те са много редки.

На Земята има малко хелий: 1 m 3 въздух съдържа само 5,24 cm 3 хелий, а всеки килограм земен материал съдържа 0,003 mg хелий. Но по отношение на разпространението във Вселената хелият се нарежда на второ място след водорода: хелият представлява около 23% от космическата маса. Приблизително половината от целия хелий е концентриран в земната кора, главно в нейната гранитна обвивка, в която са натрупани основните запаси от радиоактивни елементи. Съдържанието на хелий в земната кора е малко - 3 х 10 -7% от теглото. Хелият се натрупва в свободни газови натрупвания на червата и в масла; такива находища достигат индустриален мащаб. Максималните концентрации на хелий (10-13%) са установени в натрупвания на свободен газ и газове от уранови мини и (20-25%) в газове, отделяни спонтанно от подпочвените води. Колкото по-голяма е възрастта на газосъдържащите седиментни скали и колкото по-високо е съдържанието на радиоактивни елементи в тях, толкова повече хелий има в състава на природните газове.

Добив на хелий

Производството на хелий в промишлен мащаб се извършва от природни и нефтени газове с въглеводороден и азотен състав. Според качеството на суровините хелиевите находища се разделят на: богати (съдържание на He > 0,5% обемни); обикновени (0,10-0,50) и бедни< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Световните запаси от хелий възлизат на 45,6 милиарда кубически метра. Големи находища се намират в САЩ (45% от световните ресурси), следвани от Русия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%).
САЩ също водят в производството на хелий (140 милиона кубични метра годишно), следвани от Алжир (16 милиона).

Русия е на трето място в света - 6 милиона кубически метра годишно. Заводът за хелий в Оренбург в момента е единственият вътрешен източник за производство на хелий, а производството на газ намалява. В това отношение газовите находища на Източен Сибир и Далечния Изток с високи концентрации на хелий (до 0,6%) са от особено значение. Една от най-обещаващите е ха Ковикта зокондензатно поле, разположено в северната част на Иркутска област. Според експертите той съдържа около 25% от световните x запаси от хелий.

Име на индикатора	Хелий (клас А) (съгласно TU 51-940-80)	Хелий (клас B) (съгласно TU 51-940-80)	Хелий с висока чистота, клас 5.5 (съгласно TU 0271-001-45905715-02)	Хелий с висока чистота, марка 6.0 (съгласно TU 0271-001-45905715-02)
Хелий, не по-малко
Азот, не повече
Кислород + аргон
Неон, не повече
Водна пара, не повече
Въглеводороди, не повече
CO2 + CO, не повече
Водород, не повече

Безопасност

– Хелият е нетоксичен, незапалим, неексплозивен
- Хелият е разрешен за използване на всякакви многолюдни места: на концерти, промоции, стадиони, магазини.
– Газообразният хелий е физиологично инертен и не представлява опасност за хората.
– Хелият също не е опасен за околната среда, поради което не се налага неутрализация, оползотворяване и елиминиране на остатъците от него в бутилките.
– Хелият е много по-лек от въздуха и се разсейва в горните слоеве на земната атмосфера.

Хелий (степени А и Б по TU 51-940-80)
Техническо наименование	Газообразен хелий
Химична формула
UN номер
Клас на опасност при транспортиране
Физически свойства
Физическо състояние	При нормални условия - газ
Плътност, kg/m³	При нормални условия (101,3 kPa, 20 C), 1627
Точка на кипене, С при 101,3 kPa
Температура на 3-та точка и нейното равновесно налягане C, (MPa)
Разтворимост във вода	незначителен
Опасност от пожар и експлозия	пожаро- и взривозащитен
Стабилност и реактивност
Стабилност	стабилен
Реактивност	инертен газ
Човешка опасност
Токсичен ефект	Нетоксичен
опасност за околната среда	Няма вредно въздействие върху околната среда
съоръжения	Приложими са всякакви средства.

Съхранение и транспортиране на хелий

Газообразният хелий може да се транспортира с всички видове транспорт в съответствие с правилата за превоз на товари на конкретен вид транспорт. Транспортирането се извършва в специални кафяви стоманени цилиндри и контейнери с хелий. Течният хелий се транспортира в транспортни съдове като STG-40, STG-10 и STG-25 с обем 40, 10 и 25 литра.

Правила за транспортиране на бутилки с технически газове

Транспортирането на опасни товари в Руската федерация се регулира от следните документи:

1. "Правила за превоз на опасни товари по шосе" (изменени със заповеди на Министерството на транспорта на Руската федерация от 11 юни 1999 г. № 37, от 14 октомври 1999 г. № 77; регистрирани в Министерството на правосъдието на Руската федерация от 18 декември 1995 г., рег. № 997).

2. „Европейско споразумение за международен автомобилен превоз на опасни товари“ (ADR), към което Русия официално се присъедини на 28 април 1994 г. (Постановление на правителството на Руската федерация от 03.02.1994 г. № 76).

3. "Правила за движение" (SDA 2006), а именно член 23.5, установяващ, че "Превозът ... на опасни товари ... се извършва в съответствие със специални правила."

4. „Кодекс на Руската федерация за административните нарушения“, член 12.21, част 2 от който предвижда отговорност за нарушение на правилата за превоз на опасни товари под формата на „административна глоба на водачи в размер от един до три пъти минималната работна заплата или лишаване от право да управлява превозни средства за срок от един до три месеца; за длъжностните лица, отговорни за транспорта - от десет до двадесет пъти минималната работна заплата.

В съответствие с параграф 3 от параграф 1.2 „Правилата не се прилагат за ... превоз на ограничен брой опасни вещества на едно превозно средство, превозът на които може да се счита за превоз на неопасни товари.“ Уточнява се още, че "Ограниченото количество опасни товари е определено в изискванията за безопасен превоз на определен вид опасни товари. При определянето му е възможно да се използват изискванията на Европейската спогодба за международен превоз на опасни товари (ADR)". По този начин въпросът за максималното количество вещества, които могат да бъдат транспортирани като неопасни товари, се свежда до проучването на раздел 1.1.3 от ADR, който установява изключения от европейските правила за превоз на опасни товари, свързани с различни обстоятелства.

Така например, в съответствие с параграф 1.1.3.1 „Разпоредбите на ADR не се прилагат ... за превоз на опасни товари от частни лица, когато тези стоки са опаковани за продажба на дребно и са предназначени за лична консумация, употреба в ежедневието, свободното време или спорта, когато са взети мерки за предотвратяване на изтичане на съдържанието при нормални условия на превоз."

Въпреки това, групата от изключения, официално признати от правилата за превоз на опасни товари, са изключения, свързани с количествата, транспортирани в една транспортна единица (клауза 1.1.3.6).

Всички газове са причислени към втория клас вещества според класификацията на ADR. Незапалимите, неотровни газове (групи А - неутрални и О - окисляващи) принадлежат към трета транспортна категория, като максималното количество е 1000 единици. Запалими (група F) - към втората, с максимална граница от 333 единици. Под "единица" тук се разбира 1 литър вместимост на съд, съдържащ сгъстен газ, или 1 kg втечнен или разтворен газ. По този начин максималното количество газове, което може да се транспортира в една транспортна единица като неопасен товар, е както следва:

Недрата и атмосферата на нашата планета са бедни на хелий. Но това не означава, че не е достатъчно навсякъде във Вселената. Според съвременните оценки 76% от космическата маса пада върху и 23% върху; само 1% остава на всички останали елементи! Така световната материя може да се нарече водород-хелий. Тези два елемента преобладават в звездите, планетарните мъглявини и междузвездния газ.

Вероятно всички планети от Слънчевата система съдържат радиогенни (образувани по време на алфа-разпадане), а големите съдържат и останки от космоса. Хелият е изобилно представен в атмосферата на Юпитер: според някои данни той е 33%, според други - 17%. Това откритие е в основата на сюжета на един от разказите на известния учен и писател на научна фантастика А. Азимов. В центъра на историята е план (вероятно осъществим в бъдеще) за доставка на хелий от Юпитер, както и прехвърляне към най-близкия спътник на тази планета - Юпитер V - армада от кибернетични машини на криотропи (повече за тях По-долу). Потапяйки се в атмосферата на Юпитер (свръхниските температури и свръхпроводимостта са необходими условия за работата на криотроните), тези машини ще превърнат Юпитер V в мозъчния център на Слънчевата система ...

Хелиевите ядра се синтезират при звездни температури от протони в резултат на термоядрени процеси, които освобождават 175 милиона киловатчаса енергия за всеки килограм хелий.

Различни цикли на реакции могат да доведат до сливане на хелий.

В условията на не много горещи звезди, като нашето Слънце, протон-протонният цикъл изглежда преобладава. Състои се от три последователни трансформации. Първо, два протона се комбинират с големи скорости, за да образуват дейтрон - структура от протон и неутрон; в този случай позитрон и неутрино са разделени. Освен това дейтронът се комбинира с протон, за да образува лек хелий с излъчване на гама-квант. Накрая две ядра 3He реагират, превръщайки се в алфа частица и два протона. Алфа частица, след като е придобила два електрона, ще се превърне в атом на хелий.

Хелият не винаги е крайният продукт на звездния синтез. Според теорията на професор Д. А. Франк-Каменецки, при последователното сливане на хелиеви ядра се образуват 8Be, 12C, 160, 20Ne, 24Mg и улавянето на протони от тези ядра води до появата на други ядра. За синтеза на ядра от тежки елементи до трансуранови са необходими изключителни свръхвисоки температури, които се развиват върху нестабилни "нови" и "свръхнови" звезди. Известният съветски химик А. Ф. Капустински също нарича хелий протоелементи - елементи на първичната материя. Не е ли това първостепенно значение, което обяснява особеното положение на водорода и хелия в периодичната система от елементи, по-специално факта, че първият период е по същество лишен от периодичността, характерна за другите периоди?

Четете статията хелий във Вселената