Чому запаси гелію добігають кінця? Руйнуючи віру в давню землю.

Автор невідомий

Гелій (Helium, Не) хімічний елемент під номером 2 у таблиці Менделєєва.

18 серпня 1868 р. очікувалося повне сонячне затемнення. Астрономи всього світу активно готувалися до цього дня. Вони сподівалися дозволити таємницю протуберанців - виступів, що світяться, видимих ​​в момент повного сонячного затемнення по краях сонячного диска. Одні астрономи вважали, що протуберанці є високі місячні гори, які у момент повного сонячного затемнення висвітлюються променями Сонця; інші думали, що протуберанці - це гори на Сонці; треті бачили у сонячних виступах вогняні хмари сонячної атмосфери. Більшість же вважала, що протуберанці – не більше, ніж оптичний обман.

У 1851 р. під час сонячного затемнення, що спостерігалося у Європі, німецький астроном Шмідт як побачив сонячні виступи, а й встиг розглянути, що обриси їх змінюються з часом. На підставі своїх спостережень Шмідт зробив висновок, що протуберанці є розпеченими газовими хмарами, що викидаються в сонячну атмосферугігантськими виверженнями. Однак і після спостережень Шмідта багато астрономів, як і раніше, вважали вогняні виступи обманом зору.

Тільки після повного затемнення 18 липня 1860 р., яке спостерігалося в. Іспанії, коли багато астрономів побачили сонячні виступи на власні очі, А астрономам-італійцеві Секкі і французу Делларю вдалося не тільки замалювати, а й сфотографувати їх, ні в кого вже не було сумнівів у існуванні протуберанців.

До 1860 був вже винайдений спектроскоп - прилад, що дає можливість шляхом спостережень видимої частини оптичного спектра визначати якісний склад тіла, від якого виходить спектр, що спостерігається. Однак у день сонячного затемнення ніхто з астрономів не скористався спектроскопом, щоби розглянути спектр протуберанців. Про спектроскоп згадали, коли затемнення вже скінчилося.

Ось чому, готуючись до сонячного затемнення 1868, кожен астроном до списку інструментів для спостереження включив і спектроскоп. Не забув цей прилад і Жуль Жансен, відомий французький вчений, вирушаючи для спостереження протуберанців до Індії, де умови для спостереження сонячного затемнення за обчисленнями астрономів були найкращими.

У момент, коли блискучий диск Сонця був повністю закритий Місяцем, Жуль Жансен, досліджуючи за допомогою спектроскопа оранжево-червоні язики полум'я, що виривалися з поверхні Сонця, побачив у спектрі, крім трьох знайомих ліній водню: червоної, зелено-блакитної та синьої, нову, незнайому – яскраво-жовту. Жодна з речовин, відомих хімікам того часу, не мала такої лінії в частині спектру, де її виявив Жюль Жансен. Таке ж відкриття, але вдома, в Англії, зробив астроном Норман Локієр.

25 жовтня 1868 р. паризька Академія наук отримала два листи. Одне написане наступного дня після сонячного затемнення прийшло з Гунтура, маленького містечка на східному узбережжі Індії, від Жюля Жансена; інший лист, від 20 жовтня 1868 р. був із Англії від Нормана Локієра.

Отримані листи було зачитано на засіданні професорів паризької Академії наук. У них Жюль Жансен і Норман Локієр, незалежно один від одного, повідомили про відкриття однієї й тієї ж "сонячної речовини". Ця нова речовина, знайдена на поверхні Сонця за допомогою спектроскопа, Локієр пропонував назвати гелієм від грецького слова "сонце" - "геліос".

Такий збіг здивував вчені збори професорів Академій і водночас свідчив про об'єктивний характер відкриття нового хімічної речовини. На честь відкриття речовини сонячних смолоскипів (протуберанців) було вибито медаль. На одному боці цієї медалі вибиті портрети Жансена та Локієра, а на іншій – зображення давньогрецького бога сонця Аполлона у колісниці, запряженій четвіркою коней. Під колісницею красувався напис на французькою мовою: "Аналіз сонячних виступів 18 серпня 1868 р."

У 1895 р. лондонський хімік Генрі Майєрс звернув увагу Вільяма Рамзая, відомого англійського фізика-хіміка, на тоді вже забуту статтю геолога Хільдебранда. У цій статті Хільдебранд стверджував, що деякі рідкісні мінерали при нагріванні їх у сірчаній кислоті виділяють газ, що не горить і не підтримує горіння. Серед таких рідкісних мінералів був наклеп, знайдений у Норвегії Норденшельдом, знаменитим шведським дослідником полярних областей.

Рамзай вирішив дослідити природу газу, що міститься в наклепі. У всіх хімічних магазинах Лондона помічникам Рамзая вдалося купити лише... один грам клевеїта, заплативши за нього всього 3,5 шилінга. Виділивши з отриманої кількості клевеїта кілька кубічних сантиметрів газу та очистивши від домішок, Рамзай досліджував його за допомогою спектроскопа. Результат був несподіваним: виділений газ із наклепу виявився... гелієм!

Не довіряючи своєму відкриттю, Рамзай звернувся до Вільяма Крукса, найбільшого на той час у Лондоні фахівця. спектрального аналізу, з проханням дослідити виділений із клевеїту газ.

Крукс досліджував газ. Результат дослідження підтвердив відкриття Рамзаю. Так, 23 березня 1895 р. на Землі було виявлено речовину, 27 років тому знайдену на Сонці. Того ж дня Рамзай опублікував своє відкриття, відправивши одне повідомлення до Лондонського Королівське суспільство, а інше – відомому французькому хіміку академіку Бертлу. У листі до Бертло Рамзай просив повідомити про відкриття вчених зборів професорів паризької Академії.

Через 15 днів після Рамзаю, незалежно від нього, шведський хімікЛангле виділив гелій з клевеїта і так само, як Рамзай, повідомив про своє відкриття гелію хіміку Бертло.

Втретє гелій було відкрито повітря, куди, на думку Рамзая, він мав надходити з рідкісних мінералів (клевеїта та інших.) при руйнуванні і хімічних перетвореннях землі.

У невеликих кількостях гелії виявили і у воді деяких мінеральних джерел. Так, наприклад, його знайшли Рамзаєм у цілющому джерелі Котре в Піренейських горах, англійський фізикДжон Вільям Релей знайшов його у водах джерел на відомому курорті Бат, німецький фізик Кайзер відкрив гелій у ключах, що б'ють у горах Шварцвальда. Однак найбільше було виявлено гелію у деяких мінералах. Він міститься в самарскіті, фергусоніті, колумбіті, монациті, уранініт. У мінералі торіаніте з острова Цейлон міститься багато гелію. Кілограм торіаніту при нагріванні до червоного виділяє 10 л гелію.

Незабаром було встановлено, що гелій зустрічається тільки в тих мінералах, у складі яких знаходяться радіоактивні уран та торій. Альфа промені, що випускаються деякими радіоактивними елементами, є не що інше, як ядра атомів гелію, які, приєднуючи електрони, перетворюються на атоми гелію.

Гелій - прозорий газ, без смаку та запаху, що наступає за величиною атомної ваги після водню елемент. Він абсолютно інертний, тобто не вступає в жодні реакції. Зі всіх речовин гелій має найнижчу температуру кипіння -269°С. Рідкий гелій – найголодніша рідина. "Замерзає" гелій при - 272 ° С. Ця температура всього на один градус вище температури абсолютного нуля.

Гелій - найкращий газ для повітроплавних апаратів. Для їхнього наповнення зазвичай використовується суміш гелію (85%) з воднем (15%). Величезні кількостігелію (до 200000 куб. м), які в минулому необхідні для наповнення дирижаблів, видобувалися в основному з природних газів.

Для бомбардування великих міст, головним чином столиць Англії л Франції, німецьке командуванняу першу світову війну використовувало цепеліни. Для заповнення їх вживали водень. Тому боротьба з цепелінами була порівняно проста: запальний снаряд, що потрапляв в оболонку цепеліну, підпалював водень, цепелін миттєво спалахував і згоряв. Зі 123 цепелінів збудованих у Німеччині за час першої світової війни, 40 згоріло від запальних снарядів, Але одного разу генеральний штабАнглійська армія була здивована повідомленням особливої ​​важливості. Прямі попадання запальних снарядів у німецький цепелін не дали результатів. Цепелін не спалахнув, а повільно, мабуть спливаючи якимсь невідомим газом, полетів назад.

Військові фахівці дивувалися і, незважаючи на екстрене та докладне обговорення питання про незаймистість цепеліну від запальних снарядів, не могли знайти потрібного пояснення. Загадку цепеліну розгадав англійський хімік Річард Трелфолл. У листі на адресу Британського адміралтейства він писав: "...вважаю, що німці винайшли якийсь спосіб видобувати в велику кількістьгелій, і цього разу наповнили оболонку свого цепеліну не воднем, як завжди, а гелієм...".

Переконливість доказів Трелфолла, однак, знижувалася фактом відсутності в Німеччині значних джерел гелію. Щоправда, гелій міститься в повітрі, але його там мало: в одному кубічному метрі повітря міститься лише 5 кубічних сантиметрів гелію. До того ж холодильна машина системи Лінде, що перетворює на рідину кілька сотень. кубічних метрівповітря в одну годину могла дати за цей час не більше 3 л гелію.

3 літри гелію на годину! А для наповнення цепеліну потрібно 5-6 тис. куб. м. Для отримання такої кількості гелію одна машина Лінде мала б працювати без зупинки близько двохсот років, двісті таких машин дали потрібну кількість гелію в один рік. Будівництво 200 заводів із перетворення повітря на рідину для отримання гелію економічно дуже невигідна, а практично безглузда.

Звідки ж німецькі хіміки одержували гелій?

Це питання, як з'ясувалося пізніше, було вирішено порівняно просто. Задовго до війни німецьким пароплавним компаніям, що возили товари в Індію і Бразилію, дано було вказувати вантажити пароплави, що повертаються, не звичайним баластом, а монацитовим піском, який містить гелій. Так було створено запас "гелієвої сировини" - близько 5 тис. т монацитового піску, з якого і виходив гелій для цепелінів. Крім того, гелій видобувався з води мінерального джерела Наугейм, яке давало до 70 куб. м гелію щодня.

Випадок з незгоряним цепеліном став поштовхом для нових пошуків гелію. Гелій стали посилено шукати хіміки, фізики, геологи. Він несподівано набув величезної цінності. У 1916 р. 1 кубометр гелію коштував 200 000 рублів золотом, тобто 200 рублів літр. Якщо зважити, що літр гелію важить 0,18 г, то 1 г його коштував понад 1000 рублів.

Гелій став об'єктом полювання комерсантів, спекулянтів, біржових ділків. Гелій у значних кількостях був виявлений у природних газах, що виходять з надр землі в Америці, в штаті Канзас, де після вступу Америки до воїна, поблизу міста Форт-Уорс було збудовано гелієвий завод. Але війна закінчилась, Запаси гелію залишилися невикористаними, вартість гелію різко впала і становила в кінці 1918 близько чотирьох рублів за кубічний метр.

Добутий з такою працею гелій був використаний американцями лише 1923 р. для наповнення тепер мирного дирижабля " Шенандоа " . Він був першим і єдиним у світі повітряним вантажопасажирським кораблем, наповненим гелієм. Однак "життя" його виявилося нетривалим. Через два роки після свого народження "Шенандоа" було знищено бурею 55 тис. куб. м, майже весь світовий запас гелію, що збирався протягом шести років, безвісти розсіявся в атмосфері під час бурі, що тривала всього 30 хвилин.

У водолазній справі гелій використовується для отримання штучного повітря. Штучне повітря, у складі якого азот частково замінений гелієм, застосовується полегшення дихання водолазів, які працюють під особливо великим тиском.

Як відомо, розчинність газів у рідинах, за інших рівних умовах, прямо пропорційна тиску. У водолазів, що працюють під великим тиском, в крові розчинено азоту набагато більше, ніж нормальні умови, що існують на поверхні води. При підйомі з глибини, коли тиск наближається до нормального, розчинність азоту знижується і його надлишок починає виділятися. Якщо підйом відбувається швидко, виділення надлишку розчинених газів відбувається настільки бурхливо, що кров і багаті водою тканини організму, насичені газом, спінюються від маси бульбашок азоту подібно до шампанського при відкриванні пляшки. Утворення бульбашок азоту в кровоносних судинах порушує роботу серця, поява їх у мозку порушує його функції, веде до тяжких розладів життєдіяльності організму та смерті. Для того щоб запобігти розвитку описаних явищ, відомих під ім'ям "кесонної хвороби", підйом водолазів, тобто перехід від підвищеного тиску до нормального, проводиться дуже повільно. При цьому надлишок розчинених газів виділяється поступово і жодних болючих розладів не відбувається.

Із застосуванням штучного повітря, в якому азот замінюється менш розчинним гелієм, можливість шкідливих розладів усувається майже повністю. Це дозволяє збільшувати глибину опускання водолазів (до 100 і більше метрів) та подовжувати час перебування під водою.

"Гелієве" повітря має щільність втричі менше щільності звичайного повітря. Тому дихати "гелієвим" повітрям легше, ніж звичайним (зменшується робота дихальних м'язів). Ця обставина має важливе значення при захворюванні дихальних м'язів та деяких інших хворобах, пов'язаних із актом дихання. Тому "гелієве" повітря застосовується також у медицині при лікуванні астми, задушок та інших хвороб.

Гелій застосовується також у техніці отримання низьких температур.

Як найправильніше вивчити мову? Можна витратити купу часу, сил та грошей на найм вчителів та репетиторів, на відвідування шкіл та курсів іноземних мов. Але це не гарантує результат. Найправильніше вивчати іноземну мову спілкуючись з її носієм, це так званий метод польової лінгвістики. Де ж найкраще практикуватися з носієм мови? Звичайно, на його батьківщині - в Англії. Освіта в Англії по праву вважається найкращим у світі. Тому навчання англійської в англії це запорука успіху у вивченні іноземної мови. Пам'ятайте, на сьогоднішній день вивчення мови з її носієм вважається найефективнішим.

Гелій, як правило, що утворюється при радіоактивному розпаді урану-238 та урану-235, був знайдений в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж на Землі. Цей газ має найнижчі значення критичних величин, найнижчу температуру кипіння, найменшу теплоту випаровування і плавлення. Щодо температури плавлення гелію, то при нормальному тиску її немає взагалі. Другої такої речовини в природі не знайти...

Гелій – елемент незвичайний, і історія його дещо загадкова та незрозуміла. Його знайшли в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж на Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони було відкрито яскраво-жовту лінію D, а що за нею ховалося, стало достовірно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи.

Як утворюється гелій

Здебільшого земний гелій утворюється при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію та нестабільних продуктів їх розпаду. Гелій у земної коринакопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану та 10 г торію, за мільйон років продукує всього 0,09 мг гелію – половину кубічного сантиметра. У небагатьох багатих ураном і торієм мінералах вміст гелію досить великий - кілька кубічних сантиметрів гелію на грам.

Більшість мінералів з часом піддається процесам вивітрювання, перекристалізації тощо, і гелій з них йде. Вивільнені з кристалічних структургелієві бульбашки частково розчиняються в підземних водах. Інша частина гелію через пори та тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу потрапляють у підземні пастки, у яких накопичуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Як пастки тут виступають пласти пухких порід, порожнечі яких заповнюють газом. Ложем для таких газових колекторів зазвичай є вода або нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід.

Синтез гелію – початок життя

Надра та атмосфера нашої планети бідні гелієм. Але це не означає, що його мало усюди у Всесвіті. За сучасними підрахунками, 76% космічної маси посідає водень і 23% на гелій; на всі інші елементи залишається лише один відсоток. Таким чином, світову матерію можна назвати воднево-гелієвою. Ці два елементи панують у зірках, планетарних туманностях та міжзоряному газі. Реакція синтезу гелію - основа енергетичної діяльності зірок, їх свічення. Отже, синтез гелію можна вважати предком всіх реакцій у природі, першопричиною життя, світла, тепла та метеорологічних явищ на Землі.

Природні гази є практично єдиним джерелом сировини для промислового отриманнягелію. Гелій у природних газах присутня як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко - десятих часток відсотка. Велика (1,5-10%) гелієносність метано-азотних родовищ - явище вкрай рідкісне. Для відокремлення від інших газів використовують виняткову леткість гелію, пов'язану з його низькою температурою зрідження. Після того, як інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, газоподібний гелій відкачують. Потім його очищають від домішок. Чистота заводського гелію сягає 99,995%. Рідкий гелій одержують шляхом зрідження газоподібного гелію.

Властивості гелію

Газоподібний гелій– інертний газ без кольору, запаху та смаку. Рідкий гелій- Безбарвна рідина без запаху з температурою кипіння при нормальному атмосферному тиску 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (мінус 268,9 ° С) і щільністю 124,9 кг/м 3 .

Гелій не токсичний, не горючий, не вибухонебезпечний, проте при високих концентраціях у повітрі викликає стан кисневої недостатності та задуху. Рідкий гелій – низькокипляча рідина, яка може спричинити обмороження шкіри та ураження слизової оболонки очей.

Атом гелію(він же молекула) - найміцніша з молекулярних конструкцій. Орбіти двох його електронів абсолютно однакові і проходять гранично близько від ядра. Щоб оголити ядро ​​гелію, потрібно витратити рекордно більшу енергію (78,61 еВ). Звідси випливає феноменальна хімічна пасивність гелію.

Молекули гелію неполярні. Сили міжмолекулярної взаємодіїміж ними вкрай невеликі – менше, ніж у будь-якій іншій речовині. З цієї причини гелій має найнижчі значення критичних величин, найнижчу температуру кипіння, найменшу теплоту випаровування і плавлення. Щодо температури плавлення гелію, то при нормальному тиску її взагалі немає. Рідкий гелій при скільки завгодно близькій до абсолютному нулютемпературі не твердне, якщо, крім температури, на нього не діє тиск 25 або більше атмосфер. Другої такої речовини у природі немає. Це найкращий серед газів провідник електрики та другий, після водню, провідник тепла. Його теплоємність дуже велика, а в'язкість, навпаки, мала.

Гелій, дирижаблі, водолази та ядерна енергетика.

Вперше гелій застосували у Німеччині. В 1915 вони німці стали наповнювати їм свої дирижаблі, що бомбили Лондон. Незабаром легкий, але негорючий гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів. Занепад дирижаблебудування, що почався в середині 30-х років, спричинив деякий спад у виробництві гелію, але лише на короткий час. Цей газ дедалі більше привертав увагу хіміків, металургів і машинобудівників.

Ще одна сфера застосування гелію обумовлена ​​тим, що багато хто технологічні процесита операції не можна вести у повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії речовини (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища, і немає для цих цілей більш відповідного газу, ніж гелій.

У гелієвій захисному середовищіпроходять окремі стадії одержання ядерного пального. У контейнерах, заповнених гелієм, зберігають та транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів. За допомогою особливих течешукачів, дія яких заснована на винятковій дифузійній здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторахта інших системах, що знаходяться під тиском чи вакуумом.

У наукових дослідженняхта в техніцішироко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому пізнанню речовини та її будови – за більш високих температурахтонкі деталі енергетичних спектрів маскуються тепловим рухом атомів.

Вже існують надпровідні соленоїди з особливих сплавів, що створюють при температурі рідкого гелію сильні магнітні поля(До 300 тисяч ерстед) при мізерних витратах енергії. При температурі рідкого гелію багато металів і сплавів стають надпровідниками. Надпровідникові реле-кріотрони все ширше використовуються в конструкціях електронно-обчислювальних машин. Вони прості, надійні, дуже компактні. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідними для електроніки. Вони входять до конструкції детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.

Геліокисневі сумішістали надійним засобом профілактики кесонної хвороби та дали великий виграш за часом під час підйому водолазів. Як відомо, розчинність газів у рідинах, за інших рівних даних, прямо пропорційна тиску. У водолазів, що працюють під великим тиском, в крові розчинено азоту набагато більше, ніж нормальні умови, що існують на поверхні води. При підйомі з глибини, коли тиск наближається до нормального, розчинність азоту знижується і його надлишок починає виділятися. Якщо підйом відбувається швидко, виділення надлишку розчинених газів відбувається настільки бурхливо, що кров і багаті водою тканини організму, насичені газом, спінюються від маси бульбашок азоту - подібно до шампанського при відкриванні пляшки.

Утворення бульбашок азоту в кровоносних судинах порушує роботу серця, поява в мозку порушує його функції, проте це разом веде до важких розладів життєдіяльності організму й у результаті - до смерті. Для того, щоб запобігти розвитку описаних явищ, відомих під ім'ям «кесонної хвороби», підйом водолазів, тобто перехід від підвищеного тиску до нормального, проводиться дуже повільно.

При цьому надлишок розчинених газів виділяється поступово і жодних болючих розладів не відбувається. Із застосуванням штучного повітря, в якому азот замінюється менш розчинним гелієм, можливість шкідливих розладів усувається майже повністю. Це дозволяє збільшувати глибину опускання водолазів (до 100 і більше метрів) та подовжувати час перебування під водою.

«Гелієве» повітря має щільність втричі меншу за щільність звичайного повітря. Тому дихати таким повітрям легше, ніж звичайним (зменшується робота дихальних м'язів). Ця обставина має важливе значення при захворюванні органів дихання. Тому «гелієве» повітрязастосовується також у медициніпри лікуванні астми, ядух та інших хвороб.

Ще не вічний, але вже нешкідливий

У Лос-Аламоській національній лабораторії імені Е. Фермі (штат Нью-Мексико) розроблено новий двигун, який може серйозно змінити уявлення про автомобіль як одне з головних джерел забруднення. При порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння коефіцієнті корисної дії(30–40%) він позбавлений основних його недоліків: рухомих частин, що потребують мастила для зменшення тертя та зносу, та шкідливих для довкілля викидів продуктів неповного згоряння палива.

По суті, мова йдепро вдосконалення добре відомого двигуна зовнішнього згоряння, запропонованого шотландським священиком Р. Стірлінгом ще 1816 р. Цей двигун не отримав широкого поширенняна автотранспорті через складнішу в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння конструкції, більшу матеріаломісткість і вартість. Але термоакустичний перетворювач енергії, запропонований американськими вченими, в якому робочим тілом служить стислий гелій, вигідно відрізняється від свого попередника відсутністю громіздких теплообмінників, що перешкоджали його використанню в легкових автомобілях, і в недалекому майбутньому здатний стати екологічно прийнятною альтернативою не тільки двигуна внутрішнього згоряння. перетворювача сонячної енергії, холодильник, кондиціонер. Масштаби його застосування поки що навіть важко уявити.

Гелій - справді благородний газ. Змусити його вступити в будь-які реакції поки що не вдалося. Молекула гелію одноатомна.

За легкістю цей газ поступається тільки водню, повітря в 7,25 рази важче за гелій.

Гелій майже нерозчинний у воді та інших рідинах. І так само в рідкому гелії помітно не розчиняється жодна речовина.

Твердий гелій не можна отримати за жодних температур, якщо не підвищувати тиск.

В історії відкриття, дослідження та застосування цього елемента зустрічаються імена багатьох великих фізиків та хіміків різних країн. Гелієм цікавилися, з гелієм працювали: Жансен (Франція), Лок'єр, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англія), Пальмієрі (Італія), Кеезом, Камерлінг-Оннес (Голландія), Фейнман, Онсагер (США), Капіца, Кікоін, Ландау Радянський Союз) та багато інших великих учених.

Неповторність образу атома гелію визначається поєднанням у ньому двох дивовижних природних конструкцій - абсолютних чемпіонів з компактності та міцності. У ядрі гелію, гелію-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки - і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що обрамляє це ядро, також насичений. У цих конструкціях – ключ до розуміння властивостей гелію. Звідси походить і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома.

Величезна роль ядра атома гелію - альфа частки в історії становлення та розвитку ядерної фізики. Якщо пам'ятаєте, саме вивчення розсіювання альфа частинок призвело до резерфорду відкриття атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа частинками було вперше здійснено взаємоперетворення елементів - те, що століттями мріяли багато покоління алхіміків. Щоправда, у цій реакції не ртуть перетворилася на золото, а азот на кисень, але це зробити майже так само важко. Ті ж альфа частки виявилися причетними до відкриття нейтрону та отримання першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа частинок було синтезовано кюрій, берклій, каліфорній, менделевий.

Ми перерахували ці факти лише з однією метою – показати, що елемент №2 – елемент дуже незвичайний.

На великій повітряній кулі... Гелій застосовується для приготування дихальних сумішей, у тому числі для атмосфери заселених космічних апаратів, для глибоководного занурення, а також для лікування астми, для наповнення дирижаблів та повітряних кульок. Він нетоксичний, тому вдихання гелію в невеликих кількостях разом із повітрям абсолютно нешкідливе.

Колос Родоський, гігантська статуяантичного бога Сонця Геліоса. Елемент гелій було відкрито спектральним методомна Сонці і лише пізніше було виявлено Землі.

Земний гелій

Гелій – елемент незвичайний, і історія його незвичайна. Він був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони було відкрито яскраво-жовту лінію D, а що за нею ховалося, стало достовірно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи.

Гелій на Сонці відкрили француз Ж. Жансен, який проводив свої спостереження в Індії 19 серпня 1868, і англієць Дж.H. Лок'єр – 20 жовтня того ж року. Листи обох учених прийшли до Парижа одного дня і були зачитані на засіданні Паризької Академії наук 26 жовтня з інтервалом у кілька хвилин. Академіки, вражені таким дивним збігом, прийняли ухвалу вибити на честь цієї події золоту медаль.

У 1881 р. про відкриття гелію в вулканічних газівповідомив італійський учений Пальмієрі. Однак його повідомлення, згодом підтверджене, мало хто з учених прийняв серйозно. Вдруге земний гелій було відкрито Рамзаєм у 1895 р.

У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворюються альфа частинки - високоактивні, що мають велику енергію ядра атомів гелію.

В основному земний гелій утворюється при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію та нестабільних продуктів їхнього розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 та вісмуту. Усі ці елементи породжують лише важкий ізотоп гелію - 4Не, чиї атоми можна як останки альфа частинок, поховані в оболонці з двох спарених електронів - в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, мабуть, існували й інші, вже зниклі з Землі природно радіоактивні ряди елементів, насичували планету гелієм. Одним із них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.

За кількістю гелію, замкненого в гірської породиабо мінералі, можна судити про їх абсолютному віці. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд років перетворюється на гелій і свинець

Гелій у земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану та 10 г торію, за мільйон років продукує всього 0,09 мг гелію - половину кубічного сантиметра. У небагатьох багатих ураном і торієм мінералах вміст гелію досить великий - кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, оскільки вони дуже рідкісні.

Природні сполуки, у яких є альфа активні ізотопи, - це лише першоджерело, але з сировину для промислового отримання гелію. Щоправда, деякі мінерали, що мають щільну структуру - самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон та інші, - міцно утримують ув'язнений у них гелій. Однак більшість мінералів з часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації і т.д., і гелій їх йде.

Гелієві бульбашки, що вивільнилися з кристалічних структур, відправляються в подорож земною корою. Дуже незначна частина їх розчиняється у підземних водах. Для утворення більш менш концентрованих розчинів гелію потрібні особливі умови, насамперед великі тиску. Інша частина кочівного гелію через пори та тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу потрапляють у підземні пастки, у яких накопичуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Пастками є пласти пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. Ложем для таких газових колекторів зазвичай є вода і нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід.

Так як у земній корі мандрують і інші гази (головним чином метан, азот, вуглекислота), і до того ж у значно більших кількостях, то суто гелієвих скупчень не існує. Гелій у природних газах присутня як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко - десятих часток відсотка. Велика (1,5...10%) гелієносність метано-азотних родовищ - явище вкрай рідкісне.

Символ елемента, виготовлений з газорозрядних трубок, наповнених гелієм. Гелій світиться світло-персиковим кольором, коли через нього проходить електричний струм.

Природні гази виявилися єдиним джерелом сировини для промислового отримання гелію. Для відокремлення від інших газів використовують виняткову леткість гелію, пов'язану з його низькою температурою зрідження. Після того, як всі інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, відкачують газоподібний гелій. Потім його очищають від домішок. Чистота заводського гелію сягає 99,995%.

Запаси гелію Землі оцінюються в 5·1014 м3; судячи з обчислень, його утворилося в земній корі за 2 млрд років у десятки разів більше. Така розбіжність теорії з практикою цілком зрозуміла. Гелій - легкий газ і, подібно до водню (хоча й повільніше), не випаровується з атмосфери у світовий простір. Ймовірно, за час існування Землі гелій нашої планети неодноразово оновлювався – старий випаровувався в космос, а замість нього в атмосферу надходив свіжий – «видиханий» Землею.

У літосфері гелію щонайменше 200 тис. разів більше, ніж у атмосфері; ще більше потенційного гелію зберігається в «утробі» Землі – в альфа активних елементах. Але загальний зміст цього елемента у Землі та атмосфері невеликий. Гелій - рідкісний та розсіяний газ. На 1 кг земного матеріалу припадає всього 0,003 мг гелію, а вміст його в повітрі – 0,00052 об'ємного відсотка. Така мала концентрація не дозволяє поки що економічно витягувати гелій з повітря.

Гелій утворюється з водню внаслідок термоядерної реакції. Саме термоядерні реакції є джерелом енергії для нашого Сонця та багатьох мільярдів інших зірок.

Гелій у Всесвіті

Надра та атмосфера нашої планети бідні гелієм. Але це не означає, що його мало усюди у Всесвіті. За сучасними підрахунками 76% космічної маси посідає водень і 23% на гелій; на всі інші елементи залишається лише 1%! Таким чином, світову матерію можна назвати воднево-гелієвою. Ці два елементи панують у зірках, планетарних туманностях та міжзоряному газі.

Мал. 1. Криві поширеності елементів Землі (згори) й у космосі.

«Космічна» крива відбиває виняткову роль водню і гелію у світобудові та особливе значення гелієвої угруповання у будові атомного ядра. Найбільшу відносну поширеність мають ті елементи та їх ізотопи, масове число яких ділиться чотирма: 16О, 20Ne, 24Mg тощо.

Ймовірно, всі планети сонячної системимістять радіогенний (який утворився при альфа розпаді) гелій, а великі - і реліктовий гелій з космосу. Гелій рясно представлений в атмосфері Юпітера: за даними його там 33%, за іншими - 17%. Це відкриття лягло в основу сюжету однієї з оповідань відомого вченого та письменника-фантаста А. Азімова. У центрі оповідання – план (можливо, здійсненний у майбутньому) доставки гелію з Юпітера, а то й закидання на найближчий супутник цієї планети – Юпітер V – армади кібернетичних машин на кріотронах (про них – нижче). Занурившись у рідкий гелій атмосфери Юпітера (наднизкі температури та надпровідність - необхідні умови для роботи кріотронів), ці машини перетворять Юпітер V на мозковий центр сонячної системи.

Походження зіркового гелію було пояснено 1938 р. німецькими фізиками Бете та Вейцзекером. Пізніше їхня теорія отримала експериментальне підтвердження та уточнення за допомогою прискорювачів елементарних частинок. Суть її наступного.

Ядра гелію синтезуються при зоряних температурах із протонів в результаті термоядерних процесів, що вивільняють 175 млн кіловат-годин енергії на кожен кілограм гелію.

Різні цикли реакцій можуть призвести до синтезу гелію.

В умовах не дуже гарячих зірок, таких як наше Сонце, переважає, мабуть, протонно-протонний цикл. Він складається з трьох послідовно змінних перетворень. Спочатку з'єднуються на величезних швидкостяхдва протони з утворенням дейтрону - конструкції з протону та нейтрону; при цьому відокремлюються позитрон та нейтрино. Далі з'єднуються дейтрон із протоном у легкий гелій із випромінюванням гама кванта. Нарешті, реагують два ядра 3Не, перетворюючись на альфа частинку і два протони. Альфа-частка, обзавівшись двома електронами, стане потім атомом гелію.

Той же кінцевий результат дає швидший вуглецевий-азотний цикл, значення якого в умовах Сонця не дуже велике, але на гарячіших, ніж Сонце, зірках роль цього циклу посилюється. Він складається із шести ступенів - реакцій. Вуглець відіграє роль каталізатора процесу злиття протонів. Енергія, що виділяється в ході цих перетворень, така сама, як і при протонно-протонному циклі - 26,7 МеВ на один атом гелію.

Реакція синтезу гелію – основа енергетичної діяльності зірок, їх свічення. Отже, синтез гелію можна вважати предком всіх реакцій у природі, першопричиною життя, світла, тепла та метеорологічних явищ на Землі.

Гелій який завжди буває кінцевим продуктом зоряних синтезів. За теорією професора Д.А. Франк-Каменецького, при послідовному злитті ядер гелію утворюються 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, а захоплення цими ядрами протонів призводить до виникнення інших ядер. Для синтезу ядер важких елементів до трансуранових потрібні виняткові надвисокі температури, які розвиваються на нестійких «нових» і «наднових» зірках.

Відомий радянський хімік О.Ф. Капустинський називав водень і гелій протоелементами – елементами первинної матерії. Чи не в цій первинності приховано пояснення особливого становища водню та гелію в періодичній системіелементів, зокрема того факту, що перший період сутнісно позбавлений періодичності, характерної для інших періодів?

Атомна структура гелію

Самий самий...

Атом гелію (він же молекула) - найміцніша з молекулярних конструкцій. Орбіти двох його електронів абсолютно однакові і проходять гранично близько від ядра. Щоб оголити ядро ​​гелію, потрібно витратити рекордно більшу енергію - 78,61 МеВ. Звідси – феноменальна хімічна пасивність гелію.

За останні 15 років хімікам вдалося отримати понад 150 хімічних сполук важких шляхетних газів (про сполуки важких шляхетних газів буде розказано у статтях «Кріптон» та «Ксенон»). Однак інертність гелію залишається, як і раніше, поза підозрою.

Обчислення показують, що якби і був знайдений шлях отримання, скажімо фториду або окислу гелію, то при освіті вони поглинули б так багато енергії, що молекули, що вийшли, були б «підірвані» цією енергією зсередини.

Молекули гелію неполярні. Сили міжмолекулярної взаємодії між ними вкрай невеликі – менше, ніж у будь-якій іншій речовині. Звідси – найнижчі значення критичних величин, найнижча температуракипіння, найменші теплоти випаровування та плавлення. Щодо температури плавлення гелію, то при нормальному тиску її взагалі немає. Рідкий гелій при будь-якій близької до абсолютного нуля температурі не твердне, якщо, крім температури, на нього але діє тиск в 25 або більше атмосфер. Другої такої речовини у природі немає.

Немає іншого газу, настільки мізерно розчинного в рідинах, особливо полярних, і так мало схильного до адсорбції, як гелій. Це найкращий серед газів провідник електрики та другий, після водню, провідник тепла. Його теплоємність дуже велика, а в'язкість мала.

Вражаюче швидко проникає гелій крізь тонкі перегородки з деяких органічних полімерів, порцеляни, кварцового та боросилікатного скла. Цікаво, що крізь м'яке скло гелій дифундує у 100 разів повільніше, ніж крізь боросилікатне. Гелій може проникати через багато металів. Повністю непроникні йому лише залізо і метали платинової групи, навіть розпечені.

На принципі виборчої проникності заснований новий метод отримання чистого гелію з природного газу.

Винятковий інтерес виявляють вчені рідкого гелію. По-перше, це найхолодніша рідина, в якій до того ж не розчиняється помітно жодна речовина. По-друге, це найлегша рідина з мінімальною величиною поверхневого натягу.

При температурі 2,172°К відбувається стрибкоподібна зміна властивостей рідкого гелію. Різновид, що утворюється, умовно названа гелієм II. Гелій II кипить зовсім не так, як інші рідини, він не вирує при кипінні, поверхня його залишається спокійною. Гелій II проводить тепло в 300 млн. разів краще, ніж звичайний рідкий гелій (гелій I). В'язкість гелію II практично дорівнює нулю, вона в тисячу разів менша за в'язкість рідкого водню. Тому гелій II має надплинність - здатність витікати без тертя через капіляри скільки завгодно малого діаметра.

Інший стабільний ізотоп гелію 3Не переходить у надплинний стан при температурі, що віддаляється від абсолютного куля всього на соті частки градусів. Надплинні гелій-4 і гелій-3 називають квантовими рідинами: у них проявляються квантово-механічні ефекти ще до їх затвердіння. Цим пояснюється дуже детальна вивченість рідкого гелію. Та й виробляють його нині чимало – сотні тисяч літрів на рік. А ось твердий гелій майже не вивчений: великі експериментальні труднощі дослідження цього холодного тіла. Безперечно, пробіл цей буде заповнений, оскільки фізики чекають багато нового від пізнання властивостей твердого гелію: він теж квантове тіло.

Балони з гелієм

Інертний, але дуже потрібний

Наприкінці минулого століття англійський журнал «Панч» помістив карикатуру, на якій гелій був зображений хитро підморгуючим чоловічком - сонцем. Текст під малюнком говорив: «Нарешті мене виловили і Землі! Це тривало досить довго! Цікаво знати, скільки часу мине, поки вони здогадаються, що робити зі мною?

Дійсно, минуло 34 роки від дня відкриття земного гелію (перше повідомлення про це було опубліковано в 1881), перш ніж він знайшов практичне застосування. Певну роль тут відіграли оригінальні фізико-технічні, електричні та меншою мірою Хімічні властивостігелію, що зажадали тривалого вивчення. Головними ж перешкодами були розсіяність і висока вартістьелемент №2.

Першими гелій застосували німці. У 1915 р. вони почали наповнювати їм свої дирижаблі, що бомбували Лондон. Незабаром легкий, але негорючий гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів. Занепад дирижаблебудування, що почався в середині 30-х років, спричинив деякий спад у виробництві гелію, але лише на короткий час. Цей газ дедалі більше привертав увагу хіміків, металургів і машинобудівників.

Багато технологічні процеси та операції не можна вести у повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії речовини, що отримується (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища; і немає для цього більш відповідного газу, ніж гелій.

Балони з гелієм

Інертний, легкий, рухливий гелій, що добре проводить тепло, - ідеальний засіб для передавлювання з однієї ємності в іншу легкозаймистих рідин і порошків; саме ці функції виконує він у ракетах та керованих снарядах. У гелієвому захисному середовищі проходять окремі стадії одержання ядерного пального. У контейнерах, заповнених гелієм, зберігають та транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів.

За допомогою особливих шукачів течії, дія яких заснована на винятковій дифузійній здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторах та інших системах, що знаходяться під тиском або вакуумом.

Останні роки ознаменовані повторним підйомом дирижаблебудування, тепер на вищій науково-технічній основі. У ряді країн побудовані та будуються дирижаблі з гелієвим наповненням вантажопідйомністю від 100 до 3000 т. Вони економічні, надійні та зручні для транспортування великогабаритних вантажів, таких як батоги газопроводів, нафтоочисні установки, опори ліній електропередач тощо. Наповнення з 85% гелію і 15% водню є вогнебезпечним і тільки на 7% знижує підйомну силу в порівнянні з водневим наповненням.

Почали діяти високотемпературні ядерні реактори нового типу, у яких теплоносія служить гелій.

У наукових дослідженнях та техніці широко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому пізнанню речовини та її будови – за більш високих температур тонкі деталі енергетичних спектрів маскуються тепловим рухом атомів.

Вже існують надпровідні соленоїди з особливих сплавів, що створюють за температури рідкого гелію сильні магнітні поля (до 300 тис. ерстед) при мізерних витратах енергії.

При температурі рідкого гелію багато металів і сплавів стають надпровідниками. Надпровідникові реле - кріотрони все ширше використовуються в конструкціях електронно-обчислювальних машин. Вони прості, надійні, дуже компактні. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідними для електроніки. Вони входять до конструкції детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.

Звичайно, цими прикладами не вичерпується роль гелію в сучасної техніки. Але якби не обмеженість природних ресурсів, Не крайня розсіяність гелію, він знайшов би ще безліч застосувань. Відомо, наприклад, що при консервуванні в середовищі гелію харчові продукти зберігають свій первісний смак та аромат. Але «гелієві» консерви поки що залишаються «річчю в собі», тому що гелію не вистачає і застосовують його лише у найважливіших галузях промисловості і там, де без нього ніяк не обійтися. Тому особливо прикро усвідомлювати, що з пальним природним газом через апарати хімічного синтезу, топки та печі проходять і йдуть в атмосферу набагато більші кількості гелію, ніж ті, що видобуваються з гелієносних джерел.

Зараз вважається вигідним виділяти гелій тільки в тих випадках, якщо його вміст у природному газі не менший за 0,05%. Запаси такого газу весь час зменшуються, і не виключено, що їх буде вичерпано ще до кінця нашого століття. Однак, проблема «гелієвої недостатності» до цього часу, ймовірно, буде вирішена - частково за рахунок створення нових, більш досконалих методів поділу газів, вилучення з них найбільш цінних, хоч і незначних за обсягом фракцій, і частково завдяки керованому термоядерному синтезу. Гелій стане важливим, хоч і побічним, продуктом діяльності «штучних сонців».

Трубка з гелієм

Ізотопи гелію

У природі існують два стабільні ізотопи гелію: гелій-3 і гелій-4. Легкий ізотоп поширений Землі в мільйон разів менше, ніж важкий. Це найрідкісніший із стабільних ізотопів, що існують на нашій планеті. Штучним шляхом отримано ще три ізотопи гелію. Усі вони радіоактивні. Період напіврозпаду гелію-5 – 2,4 · 10-21 секунди, гелію-6 – 0,83 секунди, гелію-8 – 0,18 секунди. Найважчий ізотоп, цікавий тим, що в його ядрах на один протон припадає три нейтрони, вперше підучили в Дубні в 60-х роках. Спроби отримати гелій-10 поки що були невдалими.

Останній твердий газ

У рідке та твердий стангелій був переведений останнім із усіх газів. Особливі складності зрідження та затвердіння гелію пояснюються будовою його атома та деякими особливостями фізичних властивостей. Зокрема, гелій, як і водень, за температури вище - 250°C, розширюючись, не охолоджується, а нагрівається. З іншого боку, критична температура гелію вкрай низька. Саме тому рідкий гелій вперше вдалося отримати лише у 1908, а твердий – у 1926 р.

Гелієве повітря

Повітря, в якому весь азот чи більша його частина замінено гелієм, сьогодні вже не новина. Його широко використовують на землі, під землею та під водою.

Гелієве повітря втричі легше і набагато рухоміше звичайного повітря. Він активніше веде себе у легенях – швидко підводить кисень і швидко евакуює вуглекислий газ. Ось чому гелієве повітря дають хворим при розладах дихання та деяких операціях. Він знімає задухи, лікує бронхіальну астму та захворювання гортані.

Дихання гелієвим повітрям практично виключає азотну емболію (кесонну хворобу), якій при переході від підвищеного тиску до нормального піддаються водолази та фахівці інших професій, робота яких проходить в умовах підвищеного тиску. Причина цієї хвороби – досить значна, особливо при підвищеному тиску, розчинність азоту у крові. У міру зменшення тиску він виділяється у вигляді газових бульбашок, які можуть закупорити кровоносні судини, пошкодити нервові вузли... На відміну від азоту, гелій практично нерозчинний у рідинах організму, тому він не може бути причиною кесонної хвороби. До того ж, гелієве повітря виключає виникнення «азотного наркозу», зовні подібного до алкогольного сп'яніння.

Рано чи пізно людству доведеться навчитися довго жити і працювати на морському дні, щоб всерйоз скористатися мінеральними та харчовими ресурсами шельфу. А на великих глибинах, як показали досліди радянських, французьких та американських дослідників, гелієве повітря поки що незамінне. Біологи довели, що тривале дихання гелієвим повітрям не викликає негативних зрушень у людському організміі не загрожує змінами в генетичному апараті: гелієва атмосфера не впливає на розвиток клітин та частоту мутацій. Відомі роботи, автори яких вважають гелієве повітря оптимальним повітряним середовищемдля космічних кораблів, що здійснюють тривалі польоти у Всесвіт. Але поки що за межі земної атмосфериштучне гелієве повітря ще не піднімалося.

На честь гелію названо астероїд (895) Геліо, відкритий в 1918 році.

Гелій(He) – інертний газ, що є другим елементом періодичної системи елементів, а також другим елементом за легкістю та поширеністю у Всесвіті. Він відноситься до простих речовин і за стандартних умов (Standard temperature and pressure) є одноатомним газом.

Гелійне має смаку, кольору, запаху та не містить токсинів.

Серед усіх простих речовин, гелій має найменшу точку кипіння (T = 4,216 K). При атмосферному тиску отримати твердий гелій неможливо, навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля – для переходу в тверду форму, гелію необхідний тиск вище 25 атмосфер. Хімічних сполук гелію мало, і всі за стандартних умов вони нестабільні.
Гелій, що зустрічається в природі, складається з двох стабільних ізотопів - He і 4He. Ізотоп "He" зустрічається дуже рідко (ізотопна поширеність 0,00014%) при 99,99986% у ізотопу 4He. Крім природних, відомі також 6 штучних радіоактивних ізотопівгелію.
Появою практично всього, що є у Всесвіті, гелію послужив первинний нуклеосинтез, що протікав у перші хвилини після Великого вибуху.
В даний час практично весь гелійутворюється з водню внаслідок термоядерного синтезу, що у надрах зірок. На нашій планеті гелій утворюється у процесі альфа-розпаду важких елементів. Та частина, гелію, якій вдається просочиться крізь Земну кору, виходить назовні у складі газу і може становити до 7 % від його складу. Що б виділити гелійіз природного газу, використовується фракційна перегонка – процес низькотемпературного поділу елементів.

Історія відкриття гелію

18 серпня 1868 р. очікувалося повне сонячне затемнення. Астрономи всього світу активно готувалися до цього дня. Вони сподівалися дозволити таємницю протуберанців – виступів, що світяться, видимих ​​у момент повного сонячного затемнення по краях сонячного диска. Одні астрономи вважали, що протуберанці є високі місячні гори, які у момент повного сонячного затемнення висвітлюються променями Сонця; інші думали, що протуберанці – це гори на Сонці; треті бачили у сонячних виступах вогняні хмари сонячної атмосфери. Більшість же вважала, що протуберанці – не більше ніж оптичний обман.

У 1851 р. під час сонячного затемнення, що спостерігалося у Європі, німецький астроном Шмідт як побачив сонячні виступи, а й встиг розглянути, що обриси їх змінюються з часом. На підставі своїх спостережень Шмідт зробив висновок, що протуберанці є розпеченими газовими хмарами, що викидаються в сонячну атмосферу гігантськими виверженнями. Однак і після спостережень Шмідта багато астрономів, як і раніше, вважали вогняні виступи обманом зору.

Тільки після повного затемнення 18 липня 1860 р., яке спостерігалося в Іспанії, коли багато астрономів побачили сонячні виступи на власні очі, а італійцеві Секкі та французу Делларю вдалося не лише замалювати, а й сфотографувати їх, ні в кого вже не було сумнівів у існуванні протуберанців .

До 1860 був вже винайдений спектроскоп - прилад, що дає можливість шляхом спостережень видимої частини оптичного спектра визначати якісний склад тіла, від якого виходить спектр, що спостерігається. Однак у день сонячного затемнення ніхто з астрономів не скористався спектроскопом, щоби розглянути спектр протуберанців. Про спектроскоп згадали, коли затемнення вже скінчилося.

Ось чому, готуючись до сонячного затемнення 1868, кожен астроном до списку інструментів для спостереження включив і спектроскоп. Не забув цей прилад і Жуль Жансен, відомий французький вчений, вирушаючи для спостереження протуберанців до Індії, де умови для спостереження сонячного затемнення за обчисленнями астрономів були найкращими.

У момент, коли блискучий диск Сонця був повністю закритий Місяцем, Жуль Жансен, досліджуючи за допомогою спектроскопа оранжево-червоні язики полум'я, що виривалися з поверхні Сонця, побачив у спектрі, крім трьох знайомих ліній водню: червоної, зелено-блакитної та синьої, нову, незнайому – яскраво-жовту. Жодна з речовин, відомих хімікам того часу, не мала такої лінії в частині спектру, де її виявив Жюль Жансен. Таке ж відкриття, але вдома, в Англії, зробив астроном Норман Локієр.

25 жовтня 1868 р. паризька Академія наук отримала два листи. Одне написане наступного дня після сонячного затемнення прийшло з Гунтура, маленького містечка на східному узбережжі Індії, від Жюля Жансена; інший лист, від 20 жовтня 1868 р. був із Англії від Нормана Локієра.

Отримані листи було зачитано на засіданні професорів паризької Академії наук. У них Жюль Жансен і Норман Локієр, незалежно один від одного, повідомили про відкриття однієї й тієї ж "сонячної речовини". Ця нова речовина, знайдена на поверхні Сонця за допомогою спектроскопа, Локієр пропонував назвати гелієм від грецького слова "сонце" – "геліос".

Такий збіг здивував вчені збори професорів Академій і водночас свідчив про об'єктивний характер відкриття нової хімічної речовини. На честь відкриття речовини сонячних смолоскипів (протуберанців) було вибито медаль. На одному боці цієї медалі вибиті портрети Жансена та Локієра, а на іншій – зображення давньогрецького бога сонця Аполлона у колісниці, запряженій четвіркою коней. Під колісницею красувався напис французькою: "Аналіз сонячних виступів 18 серпня 1868 р."

У 1895 р. лондонський хімік Генрі Майєрс звернув увагу Вільяма Рамзая, відомого англійського фізико-хіміка, на тоді вже забуту статтю геолога Хільдебранда. У цій статті Хільдебранд стверджував, що деякі рідкісні мінерали при нагріванні їх у сірчаній кислоті виділяють газ, що не горить і не підтримує горіння. Серед таких рідкісних мінералів був наклеп, знайдений у Норвегії Норденшельдом, знаменитим шведським дослідником полярних областей.

Рамзай вирішив дослідити природу газу, що міститься в наклепі. У всіх хімічних магазинах Лондона помічникам Рамзая вдалося купити лише... один грам клевеїта, заплативши за нього всього 3,5 шилінга. Виділивши з отриманої кількості клевеїта кілька кубічних сантиметрів газу та очистивши його від домішок, Рамзай досліджував його за допомогою спектроскопа. Результат був несподіваним: виділений із наклепу газ виявився... гелієм!

Не довіряючи своєму відкриття, Рамзай звернувся до Вільяма Крукса, найбільшого на той час у Лондоні фахівця спектрального аналізу, з проханням дослідити виділений із наклепу газ.

Крукс досліджував газ. Результат дослідження підтвердив відкриття Рамзаю. Так 23 березня 1895 р. на Землі було виявлено речовину, 27 років тому знайдену на Сонці. Того ж дня Рамзай опублікував своє відкриття, відправивши одне повідомлення до Лондонського Королівського товариства, а інше – відомого французького хіміка академіка Бертло. У листі до Бертло Рамзай просив повідомити про відкриття вчених зборів професорів паризької Академії.

Через 15 днів після Рамзая, незалежно від нього, шведський хімік Лангле виділив гелій із клевеїта і так само, як і Рамзай, повідомив про своє відкриття гелію хіміку Бертло.

Втретє гелій було відкрито повітря, куди, на думку Рамзая, він мав надходити з рідкісних мінералів (клевеїта та інших.) при руйнуванні і хімічних перетвореннях Землі.

У невеликих кількостях гелій виявили і у воді деяких мінеральних джерел. Так, наприклад, його знайшли Рамзаєм у цілющому джерелі Котре в Піренейських горах, англійський фізик Джон Вільям Релей знайшов його у водах джерел на відомому курорті Бат, німецький фізик Кайзер відкрив гелій у ключах, що б'ють у горах Шварцвальда. Однак найбільше було виявлено гелію у деяких мінералах. Він міститься в самарскіті, фергусоніті, колумбіті, монациті, ураніті. У мінералі торіаніте з острова Цейлон міститься багато гелію. Кілограм торіаніту при нагріванні до червоного виділяє 10 л гелію.

Незабаром було встановлено, що гелій зустрічається тільки в тих мінералах, у складі яких знаходяться радіоактивні уран та торій. Альфа-промені, що випускаються деякими радіоактивними елементами, є не що інше, як ядра атомів гелію.

З історії...

Його незвичайні властивості дозволяють широко використовувати гелій для різних цілей. Перша, абсолютно логічна, виходячи з його легкості - використання в повітряних куляхта дирижаблях. Причому, на відміну від водню, він не вибухонебезпечний. Ця властивість гелію використовувалася німцями у Першу Світову війну на бойових дирижаблях. Мінусом використання є те, що дирижабль наповнений гелієм не злетить так високо як водневий.

Для бомбардування великих міст, головним чином, столиць Англії та Франції, німецьке командування в першу світову війну використовувало дирижаблі (цепеліни). Для заповнення їх вживали водень. Тому боротьба з ними була порівняно проста: запальний снаряд, що потрапляв в оболонку дирижабля, підпалював водень, той миттєво спалахував і апарат згоряв. Зі 123 дирижаблів, збудованих у Німеччині за час першої світової війни, 40 згоріли від запальних снарядів. Але одного разу генеральний штаб англійської армії був здивований повідомленням особливої ​​ваги. Прямі попадання запальних снарядів у німецький цепелін не дали результатів. Дирижабль не спалахнув, а повільно спливаючи якимсь невідомим газом, полетів назад.

Військові фахівці дивувалися і, незважаючи на екстрене та докладне обговорення питання про незаймистість цепеліну від запальних снарядів, не могли знайти потрібного пояснення. Загадку розгадав англійський хімік Річард Трелфол. У листі на адресу Британського адміралтейства він писав: "...вважаю, що німці винайшли якийсь спосіб видобувати у великій кількості гелій, і цього разу наповнили оболонку свого цепеліну не воднем, як завжди, а гелієм..."

Переконливість доказів Трелфолла, проте, знижувалася фактом відсутності у Німеччині значних джерел гелію. Щоправда, гелій міститься в повітрі, але його там мало: в одному кубічному метрі повітря міститься лише 5 кубічних сантиметрів гелію. Холодильна машина системи Лінде, що перетворює на рідину кілька сотень кубічних метрів повітря в одну годину, могла дати за цей час не більше 3 л гелію.

3 літри гелію на годину! А для наповнення цепеліну потрібно 5÷6 тис. куб. м. Для отримання такої кількості гелію одна машина Лінде мала працювати без зупинки близько двохсот років, двісті таких машин дали б потрібну кількість гелію в один рік. Будівництво 200 заводів із перетворення повітря на рідину для отримання гелію економічно дуже невигідна, а практично безглузда.

Звідки ж німецькі хіміки одержували гелій?

Це питання, як з'ясувалося пізніше, було вирішено порівняно просто. Задовго до війни німецьким пароплавним компаніям, що возили товари в Індію і Бразилію, дано було вказувати вантажити пароплави, що повертаються, не звичайним баластом, а монацитовим піском, який містить гелій. Так було створено запас "гелієвої сировини" - близько 5 тис. т монацитового піску, з якого і виходив гелій для цепелінів. Крім того, гелій видобувався з води мінерального джерела Наугейм, яке давало до 70 куб. м гелію щодня.

Випадок з незгоряним цепеліном став поштовхом для нових пошуків гелію. Гелій стали посилено шукати хіміки, фізики, геологи. Він несподівано набув величезної цінності. У 1916 р. 1 кубометр гелію коштував 200 000 рублів золотом, тобто 200 рублів за літр. Якщо зважити, що літр гелію важить 0,18 г, то 1 г його коштував понад 1000 рублів.

Гелій став об'єктом полювання комерсантів, спекулянтів, біржових ділків. Гелій у значних кількостях був виявлений у природних газах, що виходять з надр землі в Америці, в штаті Канзас, де після вступу Америки до воїна, поблизу міста Форт-Уорс було збудовано гелієвий завод. Але війна закінчилася, запаси гелію залишилися невикористаними, вартість гелію різко впала і становила наприкінці 1918 близько чотирьох рублів за кубічний метр.

Добутий з такою працею гелій був використаний американцями лише 1923 р. для наповнення тепер мирного дирижабля " Шенандоа " . Він був першим і єдиним у світі повітряним вантажопасажирським кораблем, наповненим гелієм. Однак "життя" його виявилося нетривалим. Через два роки після свого народження "Шенандоа" було знищено бурею. 55 тис. куб. м, майже весь світовий запас гелію, що збирався протягом шести років, безвісти розсіявся в атмосфері під час бурі, що тривала всього 30 хвилин.

Застосування гелію

Гелій у природі

В основному земний гелійутворюється при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію та нестабільних продуктів їх розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 та вісмуту. Усі ці елементи породжують лише важкий ізотоп гелію – He 4 , чиї атоми можна як останки альфа частинок, поховані в оболонці з двох спарених електронів – в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, ймовірно, існували й інші, що вже зникли з Землі природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним із них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.

За кількістю гелію, замкненого в гірській породі або мінералі, можна судити про їх абсолютний вік. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд років перетворюється на гелійта свинець.

Гелійу земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану та 10 г торію, за мільйон років продукує всього 0,09 мг гелію – половину кубічного сантиметра. У дуже небагатьох багатих ураном та торієм мінералах вміст гелію досить великий – кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, оскільки вони дуже рідкісні.

На Землі гелію мало: 1 м3 повітря містить всього 5,24 см3 гелію, а кожен кілограм земного матеріалу – 0,003 мг гелію. Але за поширеністю у Всесвіті гелій займає 2-е місце після водню: частку гелію припадає близько 23% космічної маси. Приблизно половина всього гелію зосереджена в земній корі, головним чином її гранітної оболонці, що акумулювала основні запаси радіоактивних елементів. Вміст гелію в земній корі невеликий - 3 х 10 -7 % за масою. Гелій накопичується у вільних газових скупчення надр і в нафтах; такі родовища досягають промислових масштабів. Максимальні концентрації гелію (10 -13 %) виявлені у вільних газових скупченнях і газах уранових копалень і (20-25%) у газах, що спонтанно виділяються з підземних вод. Чим давніший вік газоносних осадових порід і що вище у яких вміст радіоактивних елементів, то більше вписувалося гелію у складі природних газів.

Видобуток гелію

Видобуток гелію в промислових масштабахвиробляється з природних та нафтових газів як вуглеводневого, так і азотного складу. За якістю сировини гелієві родовища поділяються: на багаті (зміст Не > 0,5% за обсягом); рядові (0,10-0,50) та бідні< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Світові запаси гелію становлять 45,6 млрд кубометрів. Великі родовища перебувають у США (45% від світових ресурсів), далі йдуть Росія (32%), Алжир (7%), Канада (7%) та Китай (4%).
З виробництва гелію також лідирують США (140 млн. кубометрів на рік), потім – Алжир (16 млн.).

Росія посідає третє місце у світі – 6 млн. кубометрів на рік. Оренбурзький гелієвий завод є нині єдиним вітчизняним джерелом отримання гелію, причому виробництво газу знижується. У зв'язку з цим, газові родовищаСхідного Сибіру та Далекого Сходу з високими концентраціями гелію (до 0,6%) набувають особливого значення. Одним з найперспективніших є Ковиктинське га зоконденсатне родовище, що знаходиться на півночі Іркутської області. За оцінками фахівців тут міститься близько 25% загальносвітовихх запасів гелію.

найменування показника	Гелій (марки А) (ТУ 51-940-80)	Гелій (марки Б) (ТУ 51-940-80)	Гелій високої чистоти, марки 5.5 (ТУ 0271-001-45905715-02)	Гелій високої чистоти, марки 6.0 (ТУ 0271-001-45905715-02)
Гелій, не менше
Азот, не більше
Кисень + аргон
Неон, не більше
Водяні пари, не більше
Вуглеводні, не більше
СО2 + СО, не більше
Водень, не більше

Безпека

– Гелій не токсичний, не горючий, не вибухонебезпечний
– Гелій дозволено застосовувати у будь-яких місцях масового скупчення людей: на концертах, рекламних акціях, стадіонах, магазинах.
– Газоподібний гелій фізіологічно інертний і не становить небезпеки для людини.
– Гелій не є небезпечним і для навколишнього середовища, тому знешкодження, утилізації та ліквідації його залишків у балонах не потрібно.
– Гелій значно легший за повітря і розсіюється у верхніх шарах атмосфери Землі.

Гелій (марки А та Б за ТУ 51-940-80)
Технічне найменування	Гелій газоподібний
Хімічна формула
Номер за списком OON
Клас небезпеки під час перевезень
Фізичні властивості
Фізичний стан	При нормальних умовах- газ
Щільність, кг/м³	За нормальних умов (101,3 кПа, 20 С), 1627
Температура кипіння, при 101,3 кПа
Температура 3-ої точки та рівноважний їй тиск С, (мПа)
Розчинність у воді	незначна
Пожежо- та вибухонебезпечність	пожежо-вибухобезпечний
Стабільність та хімічна активність
Стабільність	Стабілен
Реакційна здатність	Інертний газ
Небезпека для людини
Токсична дія	Не токсичний
Екологічна небезпека	Шкідливого впливу на довкілля не надає
Засоби	Застосовні будь-які засоби

Зберігання та перевезення гелію

Газоподібний гелій можна транспортувати всіма видами транспорту згідно з правилами перевезень вантажів на конкретному виді транспорту. Перевезення проводиться у спеціальних сталевих балонах коричневого кольору та контейнерах для перевезення гелію. Рідкий гелій транспортують у транспортних судинах типу СТГ-40, СТГ-10 та СТГ-25 об'ємом 40, 10 та 25 літрів.

Правила перевезення балонів із технічними газами

Перевезення небезпечних вантажів у Російської Федераціїрегламентується такими документами:

1. "Правила перевезення небезпечних вантажів автомобільним транспортом" (в ред. Наказів Мінтрансу РФ від 11.06.1999 №37, від 14.10.1999 №77; зареєстровані в Міністерстві юстиції Російської Федерації 18 грудня 1995, реєстраційний N 997).

2. "Європейська угода про міжнародне дорожнє перевезення небезпечних вантажів" (ДОПОГ), до якого Росія офіційно приєдналася 28 квітня 1994 року (постанова Уряду РФ від 03.02.1994 №76).

3. "Правила дорожнього руху(ПДР 2006), а саме стаття 23.5, що встановлює що "Перевезення... небезпечних вантажів... здійснюється відповідно до спеціальних правил".

4. "Кодекс РФ про адміністративні правопорушення", стаття 12.21 ч.2 якого передбачає відповідальність за порушення правил перевезення небезпечних вантажів у вигляді "адміністративного штрафу на водіїв у розмірі від одного до трьох мінімальних розмірів оплати праці або позбавлення права керування транспортними засобами на строк від одного до трьох місяців; на посадових осіб, відповідальних за перевезення – від десяти до двадцяти мінімальних розмірів оплати праці”.

Відповідно до п.п.3 п.1.2 "Дія Правил не поширюється на... перевезення обмеженої кількості небезпечних речовин на одному транспортному засобі, перевезення яких можна вважати перевезенням небезпечного вантажу". Також роз'яснено, що "Обмежена кількість небезпечних вантажів визначається у вимогах щодо безпечного перевезення конкретного виду небезпечного вантажу. При його визначенні можливе використання вимог Європейської угоди про міжнародне перевезення небезпечних вантажів (ДОПОГ)". Таким чином, питання про максимальну кількість речовин, яку можна перевозити як безпечний вантаж, зводиться до вивчення розділу 1.1.3 ДОПІГ, що встановлює вилучення з європейських правил перевезення небезпечних вантажів, пов'язаних з різними обставинами.

Так, наприклад, відповідно до п. 1.1.3.1 "Положення ДОПІГ не застосовуються... до перевезення небезпечних вантажів приватними особами, коли ці вантажі упаковані для роздрібного продажу та призначені для їх особистого споживання, використання в побуті, дозвілля або спорту, умови, що вжито заходів для запобігання будь-якому витоку вмісту в звичайних умовахперевезення".

Проте, формально визнана правилами перевезення небезпечних вантажів група вилучень - вилучення пов'язані з кількостями, що перевозяться однієї транспортної одиниці (п.1.1.3.6 ).

Усі гази віднесені до другого класу речовин за класифікацією ДОПІГ. Негорючі, неотруйні гази (групи А - нейтральні та О - окислюючі) відносяться до третьої транспортної категорії, з обмеженням максимальної кількості 1000 одиниць. Легкозаймисті (група F) - до другої, з обмеженням максимальної кількості 333 одиниці. Під "одиницею" тут розуміється 1 літр місткості судини, в якій знаходиться стислий газ, або 1 кг зрідженого чи розчиненого газу. Таким чином, максимальна кількість газів, яку можна перевозити в одній транспортній одиниці як безпечний вантаж, така:

Надра та атмосфера нашої планети бідні гелієм. Але це не означає, що його мало усюди у Всесвіті. За сучасними підрахунками 76% космічної маси посідає і 23% на ; на всі інші елементи залишається лише 1%! Таким чином, світову матерію можна назвати воднево-гелієвою. Ці два елементи панують у зірках, планетарних туманностях та міжзоряному газі.

Ймовірно, всі планети сонячної системи містять радіогенний (що утворився при альфа-розпаді), а великі – і реліктовий із космосу. Гелій рясно представлений в атмосфері Юпітера: за даними його там 33%, за іншими - 17%. Це відкриття лягло в основу сюжету однієї з оповідань відомого вченого та письменника-фантаста А. Азімова. У центрі оповідання - план (можливо, здійсненний у майбутньому) доставки гелію з Юпітера, а й закидання на найближчий супутник цієї планети - Юпітер V - армади кібернетичних машин на кріотропах (про них -нижче). Занурившись в атмосфери Юпітера (наднизкі температури та надпровідність - необхідні умови для роботи кріотронів), ці машини перетворять Юпітер V на мозковий центр сонячної системи.

Походження зіркового гелію було пояснено 1938 р. німецькими фізиками Бете та Вейцзекером. Пізніше їхня теорія отримала експериментальне підтвердження та уточнення за допомогою прискорювачів елементарних частинок. Суть її наступного.

Ядра гелію синтезуються при зоряних температурах із протонів в результаті термоядерних процесів, що вивільняють 175 млн. кіловат-годин енергії на кожен кілограм гелію.

Різні цикли реакцій можуть призвести до синтезу гелію.

В умовах не дуже гарячих зірок, таких як наше Сонце, переважає, мабуть, протонно-протонний цикл. Він складається з трьох послідовно змінних перетворень. Спочатку з'єднуються на великих швидкостях два протони з утворенням дейтрона - конструкції з протона і нейтрона; при цьому відокремлюються позитрон та нейтрино. Далі з'єднуються дейтрон із протоном у легкий гелій з випромінюванням гамма-кванту. Нарешті, реагують два ядра 3Не, перетворюючись на альфа-частинку і два протони. Альфа-частка, обзавівшись двома електронами, стане потім атомом гелію.

Той же кінцевий результат дає швидший вуглецевий-азотний цикл, значення якого в умовах Сонця не дуже велике, але на гарячіших, ніж Сонце, зірках роль цього циклу посилюється. Він складається із шести ступенів - реакцій.

Реакція синтезу гелію – основа енергетичної діяльності зірок, їх свічення. Отже, синтез гелію можна вважати предком всіх реакцій у природі, першопричиною життя, світла, тепла та метеорологічних явищ на Землі.

Гелій який завжди буває кінцевим продуктом зоряних синтезів. За теорією професора Д. А. Франк-Каменецького, при послідовному злитті ядер гелію утворюються 8Ве, 12С, 160, 20Ne, 24Mg, а захоплення цими ядрами протонів призводить до виникнення інших ядер. Для синтезу ядер важких елементів до трансуранових потрібні виняткові надвисокі температури, які розвиваються на нестійких «нових» і «наднових» зірках. Відомий радянський хімік А. Ф. Капустинський називав і гелій протоелементами – елементами первинної матерії. Чи не в цій первинності приховано пояснення особливого становища водню та гелію в періодичній системі елементів, зокрема того факту, що перший період, по суті, позбавлений періодичності, характерної для інших періодів?

Ви читаєте, стаття гелій у всесвіті