Сайт ГДЗ онлайн
Авторизация

Гелий

Рейтинг:
(голосов: 102)
ГДЗ сайт 21-09-2017, 16:09 Рефераты 0 комментариев
  
Гелий
(лат. Helium), химический элемент из семейства благородных (инертных) газов He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, составляющих VIIIA подгруппу в периодической системе элементов, или, как ее еще называют, нулевую группу. Гелий (лат. Helium), символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2 атомная масса 40026 инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха Природный гелий состоит из 2 стабильных изотопов:
3 He и
4 He (содержание
4 He резко преобладает). Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после
водорода . Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим веществом. Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой.
{/slider}



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 яркожелтая линия, первоначально отнесенная 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 aчастицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия. В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелияII, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения.



Распространенность в природе.


  Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23% по массе. Гелий основной компонент звездной материи. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд. В результате углеродного цикла (сложная цепь ядерных реакций), впервые изученного Х. Бете в 1939 водород в звездном веществе превращается в гелий, при этом происходит значительное выделение энергии.
   Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) — 527·10−4% по объёму, 724·10−5% по массе. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·1014 м³. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2% гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 — 16%.
   На Земле он образуется в результате альфараспада тяжёлых элементов. Часть гелия, возникшего при альфараспаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом. Гелий образуется при распаде тяжелых 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. Среднее содержание гелия в земном веществе — 0003мг/кг или 0003г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 08 — 35л/кг, а в торианите оно достигает 105л/кг. Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп
4 He, он образуется из альфачастиц, излучаемых при альфараспаде урана, тория и их дочерних радионуклидов. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 175% гелия и 05% CO 2 . После удаления CO 2 , 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.



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 = 4215K для
4 He) наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях. Плотность г/см 3
0178 температура плавления °С 2722 (при 26 атм), температура кипения  °С 26893 критическая температура К 525 Критическое давление МПа 023.



Химические свойства.


   Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы). Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, 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 ). Энергия связи молекулярного иона гелия He 2

составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние 109Å.
   Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось в виду соединение LiHe 7 ). Гелий имеет однуединственную 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. Его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп
4 He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп
3 He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л. Альваресом и Р. Кернегом. Содержание
3 He составляет 105% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин.
3 He получается в ядерных реакциях при распаде трития ( 3 Hизотоп водорода). Гелий необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.



Свойства гелия в газовой среде.


   При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях, плотность составляет 017847кг/м³, обладает тепло­проводностью 01437Вт⁄(м·К) — бо́льшей, чем у всех других газов за исключением водорода, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (ср = 523кДж⁄(кг·К), для сравнения — 1423 кДж⁄(кг·К) для Н 2 ).
   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 — розового, оранжевого, жёлтого, яркожёлтого, жёлтозелёного и зелёного. 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 70652нм и 44714нм. 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 инфракрасного к ультрафиолетовому краю.
   Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1л воды при 20°C растворяется около 88 мл (978 при 0°C, 1010 при 80°C), в этаноле — 28 мл/л (15°C), 32 мл/л (25°C). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.
   Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля — Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно 40К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения. После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.
   В 1908 году Х. КамерлингОннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия 4 ( 4 He) при температуре 217K; назвал фазы гелийI и гелийII (ниже 217K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелияII отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 00026К. 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.



Свойства агрегатных состояний.


   В 1908 году Х. КамерлингОннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия 4 ( 4 He) при температуре 217K; назвал фазы гелийI и гелийII (ниже 217K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелияII отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 00026К. 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.
   Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения:
4 He кипит при 422K, а
3 He 319K. 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,
4 He имеет две формы: при температурах выше 218K существует
4 He, а ниже 218K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в
4 HeII. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4 HeII, то жидкость будет медленно подниматься вверх по стенкам и перетекать внутрь до выравнивания уровней жидкости снаружи и внутри. Если сосуд приподнять, то процесс пойдет обратно до нового выравнивания уровней жидкостей. Это пленочное движение; оно характерно только для
4 HeII. Другое аномальное свойство
4 HeII способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких.
4 HeII обладает сверхтекучестью  свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей,
4 HeII 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
4 HeII существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий
4 HeII дается на основе представлений квантовой механики. Жидкие
3 He и
4 He называются квантовыми жидкостями.
4 He не имеет ядерного спина, а у
3 He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что
4 HeII сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0001К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть "электронной жидкости" . В
3 He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д. Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы).
   Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 09K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащенный
3 He и текущий над раствором, обогащенным
4 He. 6%
3
нe растворимы в
4 He, но
4 He не растворяется в
3 He при абсолютном нуле. Твердый гелий можно получить сжатием
4 He до 25 атм или
3 He до 34 атм при низких температурах. Твердый гелий кристаллическое прозрачное вещество, причем границу между твердым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции близки.



Получение.


  В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 01% 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, т. н. сырой гелий, (He — 7090% об.) очищают от водорода (45%) с помощью CuO при 650—800К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N 2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N 2 . Производят гелий технической чистоты (9980% по объёму гелий) и высокой чистоты (99985%).
   В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0055% об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0151% об.), что позволит намного снизить его себестоимость.



Применение.


  Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве: в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов,  в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939 в качестве пропеллента и упаковочного газа, используется 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 подъемной силе гелий в силу негорючести абсолютно безопасен, в дыхательных смесях для глубоководного погружения, 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, как компонент рабочего тела в гелийнеоновых лазерах. Нуклид
3 He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционночувствительных нейтронных детекторов, нуклид
3 He является перспективным топливом для термоядерной энергетики
  Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии. Смеси HeO 2 применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей. Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr.
   Другие применения гелия для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывного смешения
3 He и
4 He для создания и поддержания температур ниже 0005K. Гелий — удобный индикатор для геологов. При помощи гелиевой съёмки можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов.



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» .
  Вдыхание гелия вызывает кратковременное повышение тембра голоса (обратное эффекту вдыхания ксенона).
Полужирный Наклонный текст Подчёркнутый текст Зачёркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Введите код с картинки:*
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Авторизация