Гелий
Общие сведения
Гелий является вторым элементом периодической системы химических элементов и имеет атомный номер 2. В обычных условиях данное вещество представляет собой одноатомный инертный газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха. По распространенности во Вселенной гелий занимает второе место после водорода, составляя около 23 процентов ее массы. Основная масса гелия во Вселенной образовалась в процессе первичного нуклеосинтеза после Большого взрыва. В современной Вселенной этот элемент также синтезируется в недрах звезд в результате процессов термоядерного синтеза из водорода. Впервые гелий был открыт в 1868 году при спектроскопическом исследовании Солнца, когда была обнаружена новая ярко-желтая спектральная линия. Название элемента происходит от греческого слова «гелиос», что означает солнце. На Земле гелий был впервые выделен в 1895 году Уильямом Рамзаем при химическом разложении минерала клевеита. Впоследствии было установлено, что гелий выделяется при радиоактивном распаде тяжелых элементов, а альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия.
Свойства и характеристики
Гелий обладает уникальными физико-химическими свойствами, являясь наименее химически активным элементом. Он нетоксичен, абсолютно безопасен, не взрывоопасен и практически не вступает в химические реакции с другими веществами. Газ обладает самой низкой температурой кипения среди всех известных науке веществ. При атмосферном давлении гелий не способен перейти в твердое состояние даже при температуре абсолютного нуля; получение твердой фазы возможно исключительно при огромном давлении и крайне низких температурах. Жидкий гелий при температурах, близких к абсолютному нулю, переходит в состояние сверхтекучести — явление, открытое советским физиком Петром Капицей. В этом состоянии жидкость полностью теряет вязкость и течет без трения. Элемент обладает исключительно высокими показателями теплоемкости и теплопроводности. Растворимость гелия в воде и спирте крайне низка, однако газ обладает высокой способностью диффундировать сквозь твердые материалы. В обычных условиях молекулы гелия одноатомны. Химические соединения гелия (например, с натрием, литием или фтором) крайне неустойчивы и могут быть получены только в экстремальных лабораторных условиях при сверхвысоких давлениях и воздействии электрического разряда. При пропускании электрического тока через трубку, заполненную гелием, возникает свечение, цвет которого может меняться от типичного желтого до розового, оранжевого или зеленого в зависимости от уровня давления. Основным изотопом является гелий-4, наряду с которым существует крайне редкий изотоп гелий-3.
Нахождение в природе
В космическом пространстве гелий широко представлен в межзвездных газовых скоплениях и звездных структурах. В земной коре он является вторым по распространенности инертным газом после аргона. На Земле гелий постоянно образуется в результате радиоактивного альфа-распада тяжелых элементов, в первую очередь урана и тория. Элемент накапливается в радиоактивных минералах, таких как клевеит, фергюсонит, самарскит, монацит и торианит. Из земной коры гелий постепенно просачивается и скапливается в месторождениях природного газа, которые служат основным резервуаром и промышленным источником этого элемента на планете. В некоторых газовых месторождениях концентрация гелия может достигать 7 процентов.
Получение
Промышленное производство гелия базируется исключительно на его извлечении из природного газа. Основным методом получения является фракционная дистилляция, при которой природный газ подвергается глубокому замораживанию. Поскольку гелий обладает крайне низкой температурой кипения, другие компоненты газа переходят в твердое состояние и отделяются, в то время как гелий остается газообразным. Для окончательной очистки применяется метод пропускания через активированный уголь, на котором адсорбируются все примеси, тогда как химически инертный гелий остается в чистом виде. Основными мировыми производителями выступают США, Катар и Россия. В Российской Федерации производство осуществляется на Оренбургском гелиевом заводе, а также на Амурском газоперерабатывающем заводе, ресурсной базой для которого служит Чаяндинское месторождение, отличающееся высоким содержанием гелия. Кроме того, ведется строительство новых гелиевых заводов в Сибири.
Применение
Благодаря своей химической инертности и уникальным физическим свойствам гелий находит широкое применение в различных высокотехнологичных и промышленных отраслях. В пищевой промышленности он используется в качестве безопасного упаковочного газа, предотвращающего порчу продуктов. В металлургии гелий обеспечивает защитную инертную среду для выплавки чистых металлов. Способность оставаться в газообразном и жидком состоянии при экстремально низких температурах делает его незаменимым хладагентом для получения сверхнизких температур, а также надежным теплоносителем в ядерных реакторах. Гелий широко применяется для наполнения дирижаблей, аэростатов и метеорологических зондов, поскольку он значительно легче воздуха и не представляет опасности возгорания или взрыва. В медицине и водолазном деле дыхательные смеси на основе гелия и кислорода используются для глубоководных погружений, так как гелий не оказывает токсического воздействия на человеческий организм. Газ также востребован в газовой хроматографии и применяется в качестве наполнителя жестких магнитных дисков в компьютерной технике для повышения их емкости. Редкий изотоп гелий-3 используется в качестве рабочего вещества в газовых нейтронных детекторах и рассматривается как наиболее перспективное топливо для будущей термоядерной энергетики. Транспортировка гелия осуществляется в стальных баллонах или сосудах Дьюара, окрашенных в светло-серый цвет, которые необходимо хранить и перевозить в вертикальном положении из-за высокой проникающей способности газа. В геологии также обсуждается возможность использования утечек гелия в качестве индикатора для поиска скрытых залежей урановых руд и геотермальных источников.