20/10/2017
ГЕЛИЙ, He (helium), химический элемент из семейства благородных (инертных) газов He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, составляющих VIIIA подгруппу в периодической системе элементов, или, как её ещё называют, нулевую группу.
История открытия. Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-жёлтая линия, первоначально отнесённая к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «гелиос», что означает солнце. В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.
Распространённость в природе. Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий – основной компонент звёздной материи. В результате углеродного цикла (сложная цепь ядерных реакций), впервые изученного Х.Бете в 1939, водород в звёздном веществе превращается в гелий, при этом происходит значительное выделение энергии (см. также ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В земной атмосфере гелий составляет всего 0,0005% об., так как он чрезвычайно лёгок и слабо удерживается гравитационным полем земли. Гелий образуется при распаде тяжёлых радиоактивных элементов, находящихся в расплавленном земном ядре, и медленно диффундирует через земную мантию. Тепловая энергия, выделяющаяся при ядерных процессах, поддерживает ядро земли в расплавленном состоянии. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 1,75% гелия и 0,5% CO2. После удаления CO2, глубокого охлаждения природного газа до –185° C и сжатия образуется жидкий метан, а в газовой фазе остаются гелий и азот. Метод глубокого охлаждения позволяет получать гелий чистотой 98% и выше.
Свойства. Гелий имеет одну-единственную электронную оболочку, занятую двумя электронами, т.е. его оболочка полностью заполнена электронами, которые испытывают сильное притяжение ядра, а значит, очень устойчивы; поэтому гелий не вступает в химические реакции, не образует химические соединений и не имеет степеней окисления. Гелий – бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространённый изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л.Альваресом и Р.Кернегом. Содержание 3He составляет 10–5% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H-изотоп водорода). Гелий – необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.
Жидкий и твёрдый гелий. Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения: 4He кипит при 4,22 K, а 3He – 3,19 K. Это свойство гелия используют для создания низких температур. Гелий – единственное вещество на земле, которое при нормальном давлении не кристаллизуется вблизи абсолютного нуля, что объясняется слабым межатомным взаимодействием и квантовыми свойствами. Жидкий гелий бесцветен, очень текуч и имеет очень низкое поверхностное натяжение. Изотопы гелия в жидком состоянии сильно различаются. Так, 4He имеет две формы: при температурах выше 2,18 K существует 4He, а ниже 2,18 K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в 4He-II. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4He-II, то жидкость будет медленно подниматься вверх по стенкам и перетекать внутрь до выравнивания уровней жидкости снаружи и внутри. Если сосуд приподнять, то процесс пойдёт обратно до нового выравнивания уровней жидкостей. Это – плёночное движение; оно характерно только для 4He-II. Другое аномальное свойство 4He-II – способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких. 4He-II обладает сверхтекучестью (явление сверхтекучести открыл П.Л.Капица в 1938) – свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей, 4He-II состоит из двух полностью взаимопроникающих жидкостей – нормальной и сверхтекучей; последняя является идеальной жидкостью и не испытывает сопротивления при протекании через узкие капилляры. Согласно теории, в 4He-II существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий 4He-II даётся на основе представлений квантовой механики.
Жидкие 3He и 4He называются квантовыми жидкостями. 4He не имеет ядерного спина, а у 3He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что 4He-II – сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий-3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0,001 К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть «электронной жидкости» (см. Также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). В 3He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д.Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы). См. Также СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ.
Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 0,9 K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащённый 3He и текущий над раствором, обогащённым 4He. 6% 3He растворимы в 4He, но 4He не растворяется в 3He при абсолютном нуле.
