Ге́лий ( химический символ — He , лат. He lium ) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, VIIIA) первого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 2.

Простое вещество , гелий — инертный одноатомный газ без цвета , вкуса и запаха .

По распространённости во Вселенной и по лёгкости занимает второе место после водорода . Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ.

История открытия

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен , находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур , впервые исследовал хромосферу Солнца . Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелёно-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия . Жансен немедленно написал об этом во Французскую академию наук . Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов .

Спустя два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер , не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно — 587,56 нм ), он обозначил её D ₃ , так как она была очень близко расположена к фраунгоферовым линиям D ₁ (589,59 нм ) и D ₂ (588,99 нм ) натрия. Спустя два года Локьер совместно с английским химиком Эдуардом Франклендом , в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце») .

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещёнными ветвями лавра , а на другой — изображение мифологического бога света Аполлона , правящего в колеснице четвёркой коней, скачущей во весь опор .

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмьери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах фумарол . Он исследовал светло-жёлтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия . Пальмьери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Учёные круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмьери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарольных газов действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона .

Через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай , исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита , обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу , который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D ₃ гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество , а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло .

Шведские химики П. Клеве и смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента .

В 1896 году Генрих Кайзер , , а в 1898 году окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере .

Ещё до Рамзая гелий выделил также американский химик ( англ. Hillebrand ), однако он ошибочно полагал, что получил азот , и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию . В 1906 году Э. Резерфорд и Т. Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия . Эти исследования положили начало современной теории строения атома .

В 1908 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий . Он использовал дросселирование (см. Эффект Джоуля — Томсона ), после того как газ был предварительно охлаждён в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий ещё долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K , которую достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом . В 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, он выделил кристаллы .

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением, и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название « λ -точка » . Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее, — 2,172 K . В λ -точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причём без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода . Выше температуры λ -точки существует так называемый гелий-I , а ниже её — гелий-II .

В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II , которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости , вследствие чего гелий течёт практически без трения . Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления :

Происхождение названия

Название произошло от греч. ἥλιος — «Солнце» (см. Гелиос ). В названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (на лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion») . В современной науке название « гелион » закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3 .

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе . Однако на Земле этот элемент редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого взрыва , во время первичного нуклеосинтеза . В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл , углеродно-азотный цикл ). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов ( альфа-частицы , излучаемые при альфа-распаде, — это ядра гелия-4) . Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры , захватывается природным газом , концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восемнадцатой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона ) .

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада тория , урана и их дочерних радионуклидов) — 5,27⋅10 ⁻⁴ % по объёму, 7,24⋅10 ⁻⁵ % по массе . Запасы гелия в атмосфере , литосфере и гидросфере оцениваются в 5⋅10 ¹⁴ м³ . Гелионосные природные газы содержат, как правило, до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8—16 % .

Среднее содержание гелия в земном веществе — 0,003 мг/кг , или 0,003 г/т . Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий : клевеите , , самарските , гадолините , монаците ( в Индии и Бразилии), торианите . Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8—3,5 л/кг , а в торианите оно достигает 10,5 л/кг . Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп 4
He , он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов, а также других природных альфа-активных элементов (самарий, гадолиний и т. д.).

В 2016 году норвежские и британские ученые обнаружили залежи гелия в районе озера Виктория в Танзании. По примерным оценкам экспертов, объём запасов — 1,5 млрд кубических метров .

Значительные запасы гелия содержатся в восточносибирских газовых месторождениях в России. Запасы гелия в Ковыктинском месторождении оцениваются в 2,3 млрд кубометров , в Чаяндинском месторождении — в 1,4 млрд кубометров .

Мировой рынок гелия

Гелий извлекают из природного и нефтяного газов; мировые запасы оцениваются в 45,6 млрд м³ .

Мировой рынок гелия — 170—190 млн м³/год Основная доля мирового производства гелия приходится на США и Катар ; с 2015 года доля Соединённых Штатов в мировом производственном балансе снизилась с 67 % до примерно 56 % и продолжает сокращаться, Катар и Алжир занимают соответственно около 28 и 9 % рынка.

Добыча в России

Россия сама обеспечивает себя этим газом; внутренний спрос на 2020 год не превышал 5 млн м³ . До последнего времени практически весь гелий производился на гелиевом заводе ООО « Газпром добыча Оренбург » из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому имел высокую себестоимость.

9 июня 2021 года возле города Свободный Амурской области состоялся запуск крупнейшего в мире по производству гелия Амурского газоперерабатывающего завода мощностью 60 млн м³ гелия в год . Ресурсной базой для него служит газ Чаяндинского месторождения с содержанием гелия на порядок более высоким — что позволяет намного снизить его себестоимость. Россия с 2021 года планирует стать одним из крупнейших экспортёров гелия .

С 2018 года Иркутская нефтяная компания ведет строительство двух гелиевых заводов в Иркутской области. Плановая мощность — 15-17 млн л гелия в год, запуск первого завода — 2022 год.

Актуальной проблемой является дальнейшее освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири , отличающихся сходным с Чаяндинским высоким содержанием гелия (0,15—1 % об.).

Стоимость

• В 2009 году цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 2,5—3 долл./м³ .
• В 2019 году цена гелия существенно выросла и составляет 30-32 долл./м³ за газ чистотой 99,995 % ^{[ источник не указан 1733 дня ]} .

Производство гелия

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — фракционной дистилляцией либо путём мембранного газоразделения .

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

Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий, очищая его от CO ₂ и углеводородов . В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, так называемый сырой гелий (70—90 % гелия по объёму) очищают от водорода (4—5 %) с помощью CuO при 650—800 К .

Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N ₂ и адсорбцией примесей на активированном угле в адсорберах , также охлаждаемых жидким N ₂ . Производят гелий технической чистоты (99,80 % гелия по объёму) и высокой чистоты (99,985 %).

Определение

Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии 587,56 нм и 388,86 нм ), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.) .

Физические свойства

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения ( T = 4,215 K для 4
He ) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле . Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях .

Гелий ³ Не и ⁴ Не не имеют основной тройной точки (в которой равновесные фазы находятся в различных агрегатных состояниях — твёрдом , жидком и газообразном ) — в обоих случаях линии равновесия твёрдой фазы с жидкими (Не I и Не II) и жидких фаз с газообразной нигде не пересекаются: твёрдая фаза находится в равновесии только с жидкой . Другие вещества с такой особенностью неизвестны . Наличие на фазовой диаграмме гелия кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз и отсутствие на диаграмме кривой сосуществования твёрдой и газовой фаз означает, что твёрдый гелий может плавиться, но не может испаряться .

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы ( инертные газы ) и вообще всей таблицы Менделеева . Все химические соединения гелия (как и аргона, неона) существуют только в виде так называемых эксимерных молекул (крайне нестабильных), у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He +
2 , фторид HeF, хлорид HeCl ( эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором ).

Также существует возможность связи атома гелия силами Ван-дер-Ваальса , например, с молекулой фуллерена или с атомом неона , однако в таких структурах другие атомы не влияют на электронную структуру атома гелия .

В 2013 году вышла работа международного коллектива учёных под руководством Артёма Романовича Оганова о теоретической возможности существования соединения гелия с натрием состава Na ₂ He при давлениях выше 113 ГПа (наиболее стабильная структура Na ₂ He обнаружена при 300 ГПа, доказана механическую стабильность этого соединения до 500 ГПа ), а также на алмазных наковальнях на практике доказано существование данного соединения. Данное соединение представляет собой электрид, с локализованными в междоузлиях электронными парами, образующими восьмицентровые двухэлектронные связи внутри пустых кубов Na ₈ . Также предсказано существование Na ₂ HeO с аналогичной структурой при давлениях выше 15 ГПа . Известны и иные соединения гелия, все они стабильны при сверхвысоких давлениях — Li ₅ He ₂ , соединения гелия с азотом . Существуют теоретические работы, предсказывающие соединений гелия с железом (например FeHe ₂ ) в недрах планет-гигантов и белых карликов , а учёт устойчивости соединений гелия с кремнием (HeSiO ₂ ) при давлениях 600-4000 ГПа помогут создавать более сложные внутренние модели планет-гигантов .

Энергия связи молекулярного иона гелия He +
2 составляет 58 ккал/моль , равновесное межъядерное расстояние — 1,09 Å .

Свойства в газовой фазе

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ . При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При стандартных условиях (ст.у.: 0 °C, 10 ⁵ Па) его плотность составляет 0,17847 кг/м³ , он обладает теплопроводностью 0,1437 Вт/(м·К) , а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока: с _р = 5,193 кДж/(кг·К) ; для сравнения — для Н ₂ она равна 14,23 кДж/(кг·К) . Удельная теплоёмкость при постоянном объёме с _v = 3,116 кДж/(кг·К) (ст.у.) . Скорость звука в гелии равна 972,8 м/с (ст.у.) . Таким образом, теплопроводность, удельная теплоёмкость, скорость звука и удельный объём (величина, обратная плотности) у гелия больше, чем у всех других газов, за исключением водорода .

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0 °C , 10,10 при 80 °C ), в этаноле — 2,8 мл/л при 15 °C и 3,2 мл/л при 25 °C .

Скорость диффузии сквозь твёрдые материалы , которая в первом приближении обратно пропорциональна корню из молекулярной массы, у гелия в три раза выше, чем у воздуха , и составляет приблизительно 65 % от скорости диффузии водорода .

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа при равных условиях. Например, для излучения с длиной волны 589,6 нм ( спектральная линия натрия D) показатель преломления (ст.у.) у гелия равен n _D = 1 + 35·10 ⁻⁶ , у водорода 1 + 132·10 ⁻⁶ , у азота 1 + 298·10 ⁻⁶ .

Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля — Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается при дросселировании через пористые перегородки или маленькие отверстия, но, как и все газы, охлаждается при любой температуре при адиабатическом расширении. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает в процессе дросселирования.

После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера .

Спектр нейтрального гелия

При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов на розовый, оранжевый, жёлтый, ярко-жёлтый, жёлто-зелёный и зелёный. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра. Важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 706,62 нм и 447,14 нм . Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона , то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от красного к фиолетовому краю видимого спектра.

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных ( ¹ S ₀ ) и триплетных ( ³ S ₁ ), поэтому в конце XIX века Локьер , Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них, по их предположению, имел в спектре жёлтую линию 587,56 нм , другой — зелёную 501,6 нм . Этот второй газ они предложили назвать астерием ( Asterium ) от греч. «звёздный». Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа 7—8 мм рт. ст. наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 году (см. Обменное взаимодействие ). Спектр зависит от взаимного направления спинов электронов в атоме — атом с противоположно направленными спинами (дающий зелёную линию в оптических спектрах) получил название парагелия , с сонаправленными спинами (с жёлтой линией в спектре) — ортогелия . Линии парагелия — одиночные, линии ортогелия — весьма тесные триплеты. Атом гелия в нормальных условиях находится в одиночном ( синглетном ) состоянии. Чтобы атом гелия перевести в триплетное состояние, нужно затратить работу в 19,77 эВ . Переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное сам по себе осуществляется чрезвычайно редко. Такое состояние, из которого переход в более глубокое сам по себе маловероятен, носит название метастабильного состояния . Вывести атом из метастабильного состояния в стабильное можно, подвергая атом внешнему воздействию, например, электронным ударом или при столкновении с другим атомом с передачей последнему непосредственно энергии возбуждения . В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно и суммарный спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов сонаправлены, суммарный спиновый момент равен единице. Принцип Паули запрещает двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в низшем энергетическом состоянии ортогелия, имея одинаковые спины, вынуждены иметь различные главные квантовые числа : один электрон находится на 1 s -орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2 s -орбитали (состояние оболочки 1 s 2 s ). У парагелия оба электрона находятся в 1 s -состоянии (состояние оболочки 1 s ² ).

Спонтанный (то есть сопровождающийся изменением суммарного спина) переход с излучением фотона между орто- и парагелием чрезвычайно сильно подавлен, однако возможны безызлучательные переходы при взаимодействии с налетающим электроном или другим атомом.

В бесстолкновительной среде (например, в межзвёздном газе ) спонтанный переход из нижнего состояния ортогелия 2 ³ S ₁ в основное состояние парагелия 1 ⁰ S ₁ возможен путём или в результате однофотонного магнитно-дипольного перехода (M1). В этих условиях расчётное время жизни атома ортогелия за счёт двухфотонного распада 2 ³ S ₁ → 1 ⁰ S ₁ + 2 γ составляет 2,49⋅10 ⁸ с , или 7,9 года . Первые теоретические оценки показывали , что время жизни за счёт магнитно-дипольного перехода на порядки больше, то есть что доминирует двухфотонный распад. Лишь через три десятилетия, после неожиданного открытия запрещённых триплетно-синглетных переходов некоторых подобных гелию ионов в спектрах солнечной короны , было обнаружено , что однофотонный магнитно-дипольный распад 2 ³ S ₁ -состояния значительно более вероятен; время жизни при распаде по этому каналу составляет «всего» 8⋅10 ³ с .

Время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 2 ⁰ S ₁ также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход 2 ⁰ S ₁ → 1 ⁰ S ₁ + γ , а для двухфотонного распада время жизни составляет 19,5 мс .

Свойства конденсированных фаз

В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий . Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 K ( В. Кеезом , 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 при температуре 2,17 K ; он назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17 K ). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести ). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К . Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей , макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики .

В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия (т. н. эффект суперсолид ) при исследовании его в торсионном осцилляторе, однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления. ^{[ источник не указан 1363 дня ]}

Изотопы

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов : 4
He ( изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого 3
He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьироваться в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.

Транспортировка

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны ( ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды Дьюара типа СТГ-10, СТГ-25 и т. п. светло-серого цвета объёмом 10, 25, 40, 250 и 500 литров , соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный , автомобильный и другие виды транспорта . Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Применение

Гелий широко используется в промышленности и народном хозяйстве:

• в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов ^{[ источник не указан 4261 день ]} ;
• в пищевой промышленности (зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939 ) как пропеллент и упаковочный газ;
• в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние);
• для наполнения воздухоплавающих судов ( дирижабли и аэростаты ) — при незначительной по сравнению с водородом потере в подъёмной силе гелий в силу негорючести абсолютно безопасен;
• в дыхательных смесях для глубоководного погружения (см. Баллон для дайвинга );
• для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов ;
• для заполнения газоразрядных трубок;
• в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов ;
• в качестве носителя в газовой хроматографии ;
• для поиска утечек в трубопроводах и котлах (см. Гелиевый течеискатель );
• как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах ;
• в качестве наполнителя в некоторых современных моделях накопителей на жёстких магнитных дисках ;
• для наполнения колб филаментных светодиодных ламп, что позволяет эффективно отводить тепло от светодиодных нитей.

Кроме того, нуклид 3
He используется как рабочее вещество газовых нейтронных детекторов, в том числе , в технике в качестве поляризатора . Гелий-3 является также перспективным топливом для термоядерной энергетики . Растворение гелия-3 в гелии-4 используется для получения сверхнизких температур.

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов . При помощи гелиевой съёмки можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов . Гелий как продукт распада радиоактивных элементов , насыщающих верхний слой земной коры , просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Это явление было впервые установлено советским геофизиком И. Н. Яницким во время поисков урановых руд . Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов .

Также гелий может использоваться для выявления геотермальных источников . Согласно опубликованным исследованиям, концентрации гелия в почвенном газе над геотермальными источниками превышает фоновые значения в 20—200 раз .

Повышенные концентрации гелия в почвенном газе могут указывать на наличие залежей урана

Военное применение

• Первая мировая война — заправка военных дирижаблей в США и Германии.
• 1930-е — 1960-е годы — ошибочно считалось, что выделения гелия можно применять для поиска урановых руд . Против этого ещё в 1911 году выступала М. Склодовская-Кюри .
• С 1950-х годов — продувка топливных баков жидкостных ракет .

В астрономии

В честь гелия назван астероид (895) Гелио , открытый в 1918 году.

Биологическая роль

Гелий, насколько это известно, не несёт какой-либо биологической функции.

Физиологическое действие

• Хотя инертные газы обладают наркозным действием, это воздействие у гелия и неона при атмосферном давлении не проявляется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД) .
• Содержание гелия в высоких концентрациях (более 80 %) во вдыхаемой смеси может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии (в результате кислородного голодания и газовой эмболии ) . Аналогичный эффект часто оказывает единоразовый вдох чистого гелия, например, из шарика с гелием. Как и при вдыхании других инертных газов, ввиду отсутствия вкуса и запаха часто происходит неожиданная потеря сознания при вдохе больших концентраций.
• При вдыхании гелия тембр голоса становится тонким, похожим на кряканье утки . Более высокая, чем в воздухе, скорость звука в гелии при прочих равных условиях (например, температуре ) увеличивает значение частоты резонанса голосового тракта (как ёмкости, наполненной газом).

Риски для здоровья

Вдыхание гелия может быть опасно для здоровья в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород, однако гелиокс и тримикс (кислород, азот, гелий) считаются относительно безопасными дыхательными смесями .

См. также

• Изотопы гелия : гелий-2 (дипротон) , гелий-3 , гелий-4 .
• Агрегатные состояния : жидкий гелий , твёрдый гелий .
• Гелиеметрия — наука, изучающая прохождение гелия через различные среды.
• Гелиевая съёмка — один из методов геохимических геологоразведочных работ.
• Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия 3
  He .

Примечания

Литература

• Бродянский В. М. . — М. : Энергоатомиздат , 1995. — 336 с. — (Научно-популярная библиотека школьника). — ISBN 5-283-00176-8.
• Глаголев К. В., Морозов А. Н. Физическая термодинамика. — 2-е изд., испр. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 270 с. — (Физика в техническом университете). — ISBN 978-5-7038-3026-0.
• Жданов Л. С., Жданов Г. Л. Физика для средних специальных учебных заведений. — 4-е изд., испр. — М. : Наука, 1984. — 512 с.
• . Химическая термодинамика / Пер. с нем. под. ред. чл.-корр. АН СССР Я. И. Герасимова . — 2-е изд., стер. — М. : УРСС, 2002. — 296 с. — ISBN 5-354-00217-6.
• .

Ссылки

• (неопр.) . 9 мая 2008 года. .
• (неопр.) . 20 января 2007 года. .
• (неопр.) . 23 января 2022 года. .
• (неопр.) . 27 августа 2016 года. .