Гелий

ГЕЛИЙ (от греч. helios-солнце; лат. Helium) He, хим. элемент VIII гр. периодич. системы, ат. н. 2, ат. м. 4,002602; относится к благородным газам. Атмосферный Г. состоит из изотопов ³Не (0,00013% по объему) и ⁴Не. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для ⁴Не 68*10^-32 м², для ³Не-54*10^-26 м². Конфигурация электронной оболочки 1s²; энергия ионизации Не⁰ -> Не⁺ -> Не^{2 +} соотв. 2372 и 5250 кДж/моль; ван-дер-ваальсов радиус 0,122 нм, ковалентный радиус 0,04-0,06 нм.

Г.-один из наиб. распространенных элементов космоса-занимает второе место после водорода. Содержание Г. в атмосфере (образуется в результатераспада Ac, Th, U) 5,27*10^-4% по объему. Запасы Г. в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5*10¹⁴ м³. Гелионосные прир. газы содержат, как правило, до 2% по объему Г.; главные пром. месторождения этих газов находятся в США (2,1*10¹⁰ м³ Т.), СССР, Канаде (10⁸ м³), ЮАР. Гелий содержится также в минералах: клевеите, монаците, торианите (до 10,5 л/кг).

Свойства. Г.-одноатомный газ без цвета и запаха. Св-ва изотопов Г. приведены в таблице. Ур-ния температурной зависимости давления пара ⁴Не:

Теплопроводность Г. 0,1437 Вт/(м*К); магн. восприимчивость — 1,9*10^-6; ур-ние температурной зависимости вязкости:*10⁷ = 5,023Т^0,647 Па*с (4-1000 К).

СВОЙСТВА ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ

Жидкий Г.-квантовая жидкость, т.е. жидкость, в макроскопич. объеме к-рой проявляются квантовые св-ва составляющих ее атомов. Квантовые эффекты существенны при очень низких т-рах, когда длина волны де Бройля для теплового движения атомов становится сравнимой с расстоянием между ними. На рисунке приведена диаграмма состояния ⁴Не. При 2,17 К и давлении паров 0,005 МПа (т. наз.-точка) жидкий ⁴Не (бозе-жидкость) претерпевает фазовый переход второго рода (от Не I к Не II), сопровождающийся резким изменением ряда св-в: теплоемкости, вязкости, плотности и др. С увеличением давления т-ра перехода смещается в область более низких т-р (зависимостьот давления показана на рисунке-линией). Для Не II характерна сверхтекучесть-способность протекать без трения через узкие (диам. менее 100 нм) капилляры и щели. Это св-во открыто в 1938 П.Л. Капицей. Сверхтекучесть обусловлена переходом при т-рах нижечасти атомов жидкого Г. в состояние с нулевым импульсом. Не I бурно кипит во всем объеме, Не II-спокойная жидкость с ясно выраженным мениском. Различие в их поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью Не II (во много миллионов раз выше, чем у Не I). Сверхтекучесть проявляет также и жидкий ³Не (ферми-жидкость) вблизи абс. нуля (менее 2,6*10^-3 К) и давлении ок. 3,4 МПа. Жидкий Г.-единственное в-во, не затвердевающее при нормальном давлении даже вблизи О К. Он кристаллизуется только под давлением более 2,5 МПа. Кристаллич. решетка ⁴Не гексагональная с плотной упаковкой. ³Не при одной и той же т-ре в зависимости от давления может находиться в двух модификациях: (решетка кубическая) и (гексагональная с плотной упаковкой); т-ра тройной точки 3,15 К, давл. 14,3 МПа; у ⁴Не тройная точка отсутствует.

Для газообразного Г. характерна высокая способность проникать сквозь перегородки из пластмасс, стекла и нек-рых металлов. Р-римость Г.: в воде (см^э/л)-9,78 (0°С), 8,61 (20°С), 10,10 (80°С); этаноле (% по объему)-2,8 (15°С), 3,2 (25 °С). Г. характеризуется исключительной хим. инертностью.

Получение. Г. выделяют из прир. гелионосных горючих газов. Сухой газ, очищенный от СО₂, под давл. 2 МПа подается в систему теплообменников и сепараторов, где благодаря конденсации при —28, —41 и — 110°С отделяется значит. часть углеводородов. Полученная парожидкостная смесь дросселируется до давл. 1,2 МПа и в результате отделения жидкой фазы парогазовая смесь обогащается Г. до содержания 3%. При послед. дросселировании до 1,0 МПа происходит дальнейшее обогащение-сначала до содержания 30-50% Г., затем при охлаждении кипящим при - 203°С и 0,04 МПа азотом-до 90%. Сырой Г. (70-90% по объему Г.) очищают от водорода (4-5%) с помощью СиО при 650-800 К, а затем осушают в адсорберах силикагелем. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого Г. кипящим под вакуумом N₂ и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N₂. Производят Г. техн. чистоты (99,80% по объему Г.) и высокой чистоты (99,985%).

Определение. Качественно Г. обнаруживают с помощью эмиссионного спектрального анализа; осн. характеристич. линии 587,56 и 388,86 нм. Для количеств. определения пользуются методами, основанными на измерении физ. св-в (плотности, теплопроводности и др.), а также масс-спектро-метрией и газовой хроматографией.

Применение. Газообразный Г. применяют: в кач-ве защитной среды при сварке, резке и плавке металлов (15% производимого Г.), при произ-ве твэлов (25%), при перекачивании ракетного топлива (35%), в произ-ве полупроводниковых материалов; для консервации пищ. продуктов; в кач-ве теплоносителя в высокотемпературных ядерных реакторах; для заполнения дирижаблей и аэростатов; в вакуумной технике в кач-ве рабочей среды при обнаружении течей гелиевым течеискателем; как компонент среды газовых лазеров; газ-носитель в хроматографии; термометрич. в-во в газовых эталонных термометрах в интервале т-р 1-80 К; компонент дыхат. смесей для глубоководного погружения. Жидкий Г.-хладагент в эксперим. физике, при получении сверхпроводящих материалов для вычислит. и измерит, техники, в сверхпроводящих магнитах и др. Жидкий ³Не-термометрич. в-во для измерений т-р ниже 1 К.

Мировое произ-во Г. ок. 54 млн. м³ (1979). Осн. страны-производители-США, СССР, ЮАР.

Хранится Г. под давл. 15 МПа в стальных баллонах емкостью 40 л, окрашенных в коричневый цвет; жидкий Г.-в дьюаровских сосудах емкрстью 10 л с защитным экраном, охлаждаемым жидким N₂. Г. открыт в 1868 Ж. Жансеном и Н. Локьером в спектре солнечной короны; впервые выделен в 1895 У. Рамзаем из минерала клевеита.

Лит. см. при ст. Благородные газы. В. Б. Соколов.