Химический элемент гелий (He) - строение, свойства и общая характеристика инертного газа

Основная информация об элементе

Уникальное в своем роде вещество считается одним из самых распространенных во всей Вселенной, уступая пальму первенства в своем объеме только водороду, ведь его доля составляет около 23 процентов от общей массы этого безграничного пространства. Близкие к рекордным показатели демонстрируют и другие физические свойства гелия, которые стоит рассмотреть более подробно.

Физические особенности

Химический элемент относят к практически полностью инертным газам, он не является токсичным и не имеет вкуса и запаха. Одиночное строение атома гелия остается таковым при любых условиях, чего не скажешь о других его характеристиках, зависящих от атмосферного давления, температурного режима и многих других параметров. Самый легкий идеальный газ после водорода, гелий обладает следующими физическими свойствами:

• Молярная масса атома газа составляет 4,002601 грамма на моль. Что касается молярного объема, то этот показатель равен 31,81 сантиметра кубических на моль, тогда как молярная теплоемкость составляет 20,79 Дж/Кмоль.
• Плотность вещества напрямую зависит от температурного режима, соответствуя 0,147 грамма на сантиметр кубический при падении столбика термометра ниже отметки в минус 270 градусов Цельсия и 0,000117846 градуса при нагревании до плюс 20 градусов и выше.
• Температура кипения у гелия является наиболее низкой, если сравнивать его с любым другим химическим элементом. Так, вещество имеет свойство закипать при температуре, равной 4,2152 Кельвина, что эквивалентно минус 268,94 градуса Цельсия.
• Температурный режим плавления соответствует 0,95 Кельвина или минус 272,2 градуса Цельсия при давлении, равном 2,5 МПа. При этом удельная теплота плавления составляет 0,0138 килоДжоуля на моль при удельной теплоте испарения 0, 0829 кДж/моль.
• Получение вещества в твердом виде становится возможным только при атмосферном давлении выше 25 атмосфер, тогда как при любых других показателях (даже нулевых) он не переходит в эту фазу.
• Гелий, найденный в природных условиях, всегда состоит из двух изотопов стабильного типа, один из которых имеет высокий процент распространения, близком к сотне, тогда как другой встречается гораздо реже, причем в совершенно разных естественных источниках (до 0,00014%). Помимо прочего, науке известны еще как минимум 6 радиоактивных гелиевых изотопов искусственного происхождения.

Стоит отметить, что для качественного определения вещества сегодня используется анализ эмиссионного спектра излучения, тогда как для количества применимым остается хроматографическое и масс-спектрометрическое тестирование. Кроме того, актуальными являются простейшие методы идентификации, подразумевающие измерение таких основных параметров, как плотность, молярная масса и теплопроводность.

Гелий в своем газообразном состоянии очень тяжело растворяется в воде (гораздо сложнее, чем любой другой газ). Так, в литре воды, температура которой составляет 20 градусов Цельсия, объем растворимого газа составляет не более 8,8 миллилитра из 100. Еще худшую растворимость можно наблюдать в этиловом спирте, так как ее показатель не превышает 2,8 мл/л при 15-градусной температуре и 3,2 мл при нагревании этанола до 25 градусов Цельсия.

А вот скорость диффузии гелия превышает актуальный для воздуха показатель в три раза, опережая даже водород, у которого коэффициент проникаемости ниже на 65%. Абсолютным рекордсменом гелий является и по коэффициенту преломления, максимально приближаясь к единице. Эффект Джоуля — Томсона у гелия имеет отрицательное значение в нормальной среде из-за его слишком быстрого охлаждения.

Что касается остывания в процессе дросселирования, то оно становится возможным только при 40 К и нормальном атмосферном давлении. Если же температура продолжит опускаться, то становится возможным переход гелия из газообразного в жидкое состояние, но только при условии применения охлаждения расширительного типа, обеспечить которое реально только с помощью специального преобразователя относительной потенциальной энергии в механическую.

Химические свойства

Гелий является наименее активным элементом из всех известных, относясь к 18-й группе периодической таблицы и имея общепринятое обозначение He. Такой же является и химическая формула гелия (электронная состоит из двух протонов и такого же количества нейтронов, дающих массовое число 4), который имеет в своей основе кристаллическую решетку гексагонального типа с параметрами 3,570 для показателя a и 5,84 для c, дающих соотношение 1,633. Что касается других химических характеристик вещества, то среди них стоит выделить:

• Величина ковалентного радиуса равна 28 пм при радиусе иона, соответствующем 93 пм.
• Уровень электроотрицательности по шкале Полинга соответствует 4,5 баллам.
• Электродный потенциал, как степени окисления, а следовательно, и валентность элемента имеют нулевые значения.
• Энергия ионизации первого электрона равна 2361,3 кДж/моль.
• Показатель теплопроводности элемента соответствует 300 К.
• Молекулярная ионная энергия равна 58 ккал/моль.
• Равновесное расстояние между ядрами химически связанных элементов соответствует 1,09 А.

Что касается соединений вещества, то сегодня известной является его связь LiHe. Сам элемент имеет свойство образовывать двухатомные молекулы фторида и хлорида, обозначение первого из которых HeF, а второго HeCl, притом что их получение становится возможным только при воздействии электрического разряда или УФ-излучения на смесь описываемого элемента с фтором или хлором, соответственно.

Совершенно другими свойствами обладает гелий в газообразном состоянии. Не последнюю роль в этом вопросе играет воздействие на газ различного рода физических и химических процессов. К примеру, если пропустить ток через трубочку с гелием, то можно наблюдать его радужное свечение, сила которого будет зависеть от создаваемого давления в закрытом пространстве. Если же не прибегать к подобным приемам, то останется один только желтый спектр, считающийся привычным для гелия в его нормальном состоянии.

Ввиду содержания в веществе нескольких линий спектра по мере уменьшения атмосферного давления происходит изменение его цветового излучения, которое начинает меняться от желтого к оранжевому, розовому и зеленому. Всего же учеными принято выделять два основных спектра — единичный и триплетный, первый из которых свойственен атомам в их нормальном состоянии. Что касается перехода в триплетное состояние, то он становится возможным только при использовании разряда в 19,77 эВ.

Вывести атом из его привычного состояния можно и другими методами воздействия, один из которых заключается в искусственно созданном столкновении с другими атомами вещества с последовательной передачей энергии между ними. А вот обратный переход из триплетного состояния в синглетное естественным путем практически невозможен. Такое состояние называется метастабильным и для того, чтобы перевести газ в стандартное положение вновь, приходится прибегать к различным методам внешнего воздействия.

Интересные факты о гелии

Название элемента происходит от греческого «Гелиос», что означает «Солнце» и латинского «гелиум», притом что второе наименование было выбрано отнюдь не случайно. Так, не секрет, что окончание «ум» применяется по отношению к металлам, к которым и относился гелий на момент своего открытия. И хотя на самом деле вещество является неметаллом, иногда его так и называют по-латыни, что не является ошибкой.

Немного истории

Сегодня уже мало кто вспомнит, что открытие элемента произошло еще 18 августа 1868 года, когда известный французский ученый решил исследовать солнечную хромосферу в момент полного затмения звезды в одном из индийских городов. Примечательно, что всего лишь через 3 месяца такое же открытие было сделано в Англии, правда, тогда о его неактуальности еще никто не знал, ввиду более сложной корреспонденции научных данных.

В 1881 году итальянский вулканолог Луиджи Пальмери, исследовавший Везувий, также идентифицировал это вещество, поспешив сообщить о своей находке общественности. Но самое важное событие в области открытия гелия произошло 27 годами позже, когда он был впервые выявлен в недрах планеты. Тогда газ удалось добыть из такого распространенного минерала, как клевеит, и со временем именно он использовался учеными для того, чтобы установить величину его удельного веса и других физических параметров.

Со временем исследователи научились получать гелий в жидком виде, для чего впервые довелось применить процедуру дросселирования. В отличие от этого попытки добывать твердый гелий долгое время не увенчивались успехом. Ситуация изменилась только в 1926 году, когда вдобавок к охлаждению было применено и критическое понижение атмосферного давления до 35 атм, в результате чего удалось выделить кристаллическую решетку вещества.

Получение и применение

Удивительно, но, несмотря на свое внушительное распространение во всей Вселенной, гелий довольно редко встречается на Земле. Разной является и природа образования этого элемента на Земле и в космосе, так как в первом случае его выделение происходит за счет распада альфа-частиц тяжелых элементов. В итоге часть вещества проходит через земные породы, сливаясь с природным газом и демонстрируя концентрацию от 7 процентов от общего объема и выше.

В настоящее время месторождения, в которых наблюдаются большие залежи гелия, имеются на территории таких стран, как Индия, Бразилия, Россия и Танзания. Естественно, речь идет о гелийсодержащих газах, которые используются в промышленности для выведения чистого элемента или его производных. Для этого применяется процедура охлаждения посредством дросселирования, и в этом случае сложность разжижения элемента в значительной мере облегчает процесс.

На выходе удается получить смесь, состоящую не только из гелия, но и из водорода и неона, после чего производится очистка. В итоге доля сырого гелия будет составлять около 70−90 процентов от общего объема. После финишной фильтрации продукт, который, как известно, не может гореть, а следовательно, и не представляет никакой угрозы, транспортируясь в металлических баллонах, изготовленных в соответствии с ГОСТ 949–73 . Если же стоит вопрос о перевозке сжиженного газа, то в ход идут специальные сосуды марки СТГ-10 и СТГ-25.

Что касается применения, то гелий используется в следующих сферах:

• Металлургия.
• Пищевая промышленность.
• Для изготовления хладагентов для различных агрегатов и рабочих установок.
• Для наполнения различных судов воздухоплавания и шариков.
• В дайвинге для приготовления дыхательных смесей, необходимых для погружения.
• В ракетных установках в качестве одной из составляющих теплоносителя.
• Для наполнения трубок газорезного типа.
• В сфере газовой хроматографии.
• Для поиска утечек в трубопроводах и всевозможных инфраструктурных установках.

Естественно, на этом применение элемента не заканчивается, ввиду чего производство гелия является очень развитым и востребованным в настоящее время.

Среди прочих преимуществ газа — его высокие перспективы в сфере термоядерной энергетики, благо, мировые запасы гелийсодержащих веществ не позволяют отнести его в разряд дефицитного.

Так, современные эксперты называют цифру в 45,6 миллиарда метров кубических, притом что объемы производства перевалили за 110 миллионов еще в 2003 году.