Гелий

Ге'лий (лат. Helium), символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026; газ без цвета и запаха. Природный Г. состоит из 2 стабильных изотопов: ³He и ⁴He (содержание ⁴He резко преобладает).

  Впервые Г. был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер исследовали спектроскопически состав солнечных протуберанцев. Полученные ими снимки содержали яркую жёлтую линию (т. н. D₃-линию), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил её происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios — Солнце). На Земле Г. впервые был выделен в 1895 англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия.

  Гелий в природе. На Земле Г. мало: 1 м³ воздуха содержит всего 5,24 см³ Г., а каждый килограмм земного материала — 0,003 мг Г. По распространённости же во Вселенной Г. занимает 2-е место после водорода: на долю Г. приходится около 23% космической массы.

  На Земле Г. (точнее, изотоп ⁴He) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной коре содержится около 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих ⁴He).

  Примерно половина всего Г. сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание Г. в земной коре невелико — 3 · 10^-7% по массе. Г. накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации Г. (10—13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20—25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше Г. в составе природных газов. Вулканическим газам свойственно обычно низкое содержание Г.

  Добыча Г. в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10—0,50) и бедные < 0,10). В СССР природный Г. содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

  В природном Г. любого происхождения (атмосферном, из природных газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т.д.) преобладает изотоп ⁴He. Содержание ³He обычно мало (в зависимости от источника Г. оно колеблется от 1,3 · 10^-4 до 2 · 10^-8%) и только в Г., выделенном из метеоритов, достигает 17—31,5%. Скорость образования ⁴He при радиоактивном распаде невелика: в 1 т гранита, содержащего, например, 3 г урана и 15 г тория, образуется 1 мг Г. за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно, за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание Г. в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное (оно составляет около 5 · 10¹⁴ м³). Такой дефицит Г. объясняется постоянным улетучиванием его из атмосферы. Лёгкие атомы Г., попадая в верхние слои атмосферы, постепенно приобретают там скорость выше 2-й космической и тем самым получают возможность преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание Г. приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.

  Изотоп ³He, в частности, образуется в атмосфере при бета-распаде тяжёлого изотопа водорода  — трития (Т), возникающего, в свою очередь, при взаимодействии нейтронов космического излучения с азотом воздуха:

 

  Ядра атома ⁴He (состоящие из 2 протонов и 2 нейтронов), называют альфа-частицами или гелионами, — самые устойчивые среди составных ядер. Энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ⁴He имеет максимальное по сравнению с ядрами других элементов значение (28,2937 Мэв); поэтому образование ядер ⁴He из ядер водорода (протонов) ¹Н сопровождается выделением огромного количества энергии. Считают, что эта ядерная реакция: 4¹H = ⁴He +2b⁺ + 2n [одновременно с ⁴He образуются 2 позитрона (b ⁺) и 2 нейтрино (n)] служит основным источником энергии Солнца и других схожих с ним звёзд. Благодаря этому процессу и накапливаются весьма значительные запасы Г. во Вселенной.

  Физические и химические свойства. При нормальных условиях Г. — одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л, t_kип — 268,93°С. Г. — единственный элемент, который в жидком состоянии не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Наименьшее давление перехода жидкого Г. в твёрдый 2,5 Мн/м2 (25 am), t_пл при этом равна — 272,1°С. Теплопроводность (при 0°С) 143,8 · 10^-3 вт/см (K [343,4 · 10^-6 кал/(см (град (сек)]. Радиус атома Г., определённый различными методами, составляет от 0,85 до 1,33

. В 1 л воды при 20°С растворяется около 8,8 мл Г. Энергия первичной ионизации Г. больше, чем у любого другого элемента, — 39,38 · 10^-13дж (24,58 эв); сродством к электрону Г. не обладает. Жидкий Г., состоящий только из ⁴He, проявляет ряд уникальных свойств (см. ниже).

  До настоящего времени попытки получить устойчивые химические соединения Г. оканчивались неудачами (см. Инертные газы). Спектроскопически доказано существование в разряде иона He₂+. В 1967 советские исследователи В. П. Бочин, Н. В. Закурин, В. К. Капышев сообщили о синтезе в зоне дугового разряда за счёт реакции Г. с фтором, с BF₃ или с RuF₅ ионов HeF⁺, HeF₂²⁺ и HeF₂⁺. Согласно расчёту, величина энергии диссоциации иона HeF⁺ равна 2,2 эв.

  Получение и применение. В промышленности Г. получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% Г.). От других газов Г. отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

  Благодаря инертности Г. широко применяют для создания защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Г. менее электропроводен, чем другой инертный газ — аргон, и поэтому электрическая дуга в атмосфере Г. даёт более высокие температуры, что значительно повышает скорость дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью Г. применяют для наполнения стратостатов. Высокая теплопроводность Г., его химическая инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать Г. для охлаждения атомных реакторов. Жидкий Г. — самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении различных научных исследований. На определении содержания Г. в радиоактивных минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста (см. Геохронология). Благодаря тому что Г. очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам (замена азота на Г. предотвращает появление кессонной болезни). Изучаются возможности применения Г. и в атмосфере кабины космического корабля.