(первый электрон)
Гелий — второй порядковый элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2. Расположен в главной подгруппе восьмой группы, первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической таблице. Обозначается символом He (Helium ). Простое вещество гелий (CAS-номер: 7440-59-7) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной , он занимает второе место после водорода . Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим элементом.
Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой (см. Фракционная дистилляция в статье Дистилляция).
История открытия Гелия
18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия . Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.
Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D 3 , так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D 1 (589,59 нм) и D 2 (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (ήλιος — «солнце»).
Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной строне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор
В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона
Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D 3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.
Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента.
В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере.
Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.
Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию . Но только значительно позже, в 1906 году, Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома .
График зависимости теплоёмкости жидкого гелия от температуры
Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (Эффект Джоуля — Томсона), после того как как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 , которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы.
В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ-точка». Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее — 2,172 . В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I , а ниже её — гелий-II .
В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II
, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения. Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления:
… такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим. …
… Если вязкость воды равняется 10 −2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …
Происхождение названия
От ἥλιος — «Солнце» (Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (по лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.
Распространённость
Во Вселенной
Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе. Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.
Земная кора
В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона).
Среднее содержание гелия в земном веществе — 3 г/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 0,8 — 3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг.
Определение Гелия
Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии 587,56 нм и 388,86 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.).
Физические свойства Гелия
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 = 4,215 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.
Свойства в газовой фазе
Спектральные линии гелия
При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Фактически при всех условиях гелий моноатомный. Плотность 0,17847 кг/м³. Он обладает теплопроводностью (0,1437 Вт/(м·К) при н.у.) большей, чем у других газов, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (с р = 5,23 кДж/(кг·К) при н.у., для сравнения — 14,23 кДж/(кг·К) для Н 2).
Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием
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, ярко-жёлтого, жёлто-зелёного 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 706,52 нм и 447,14 нм. 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 большей 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 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0 °C, 10,10 при 80 °C), в этаноле — 2,8 (15 °C), 3,2 (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 40 К 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.
Свойства конденсированных фаз
В 1908 году Х.Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 (4 He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К. 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, однако интерпретация этого явления не до конца понятна.
Химические свойства Гелия
Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы (Инертные газы) таблицы Менделеева . 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 УФ излучения на смесь гелия газа и фтора (хлора)).
Известно химическое соединение гелия LiHe. (возможно, имелось ввиду соединение LiHe 7)
Изотопы Гелия
Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов : 4 He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого 3 He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.
Получение Гелия
Промышленность — химический элемент гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % 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 CO 2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Сырой гелий (70-90 % по объёму гелий) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого гелий кипящим под вакуумом N 2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N 2 . Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).
В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (от 0,15 до 1 %), что позволит намного снизить его себестоимость.
Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.
Применение гелия
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)
— в дыхательных смесях для глубоководного погружения (Баллон для дайвинга)
— 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 (см. Гелиевый течеискатель)
— как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
— нуклид 3 He
активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
— нуклид 3 He
является перспективным топливом для термоядерной энергетики
— для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично гексафториду серы)
Биологическая роль гелия
Гелий не играет никакой биологической роли.
Физиологическое действие
Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотическое воздействие гелия (и неона) при нормальном давлении в опытах не регистрируется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД)
В 2000 г. цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 1,5 — 1,8 $/м³
В 2009 году цены на газообразный гелий находились в пределах 1.800-2.500 рублей за 6 м³ (40-литровый баллон) (Санкт-Петербург).
Дополнительная информация по гелию
Гелий-3 — лёгкий, нерадиоактивный изотоп гелия.
Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия 3 He
Гелий, Helium, Не (2)
В 1868 г. французский астроном Жансен наблюдал в Индии полное солнечное затмение и спектроскопически исследовал хромосферу солнца. Он обнаружил в спектре солнца яркую желтую линию, обозначенную им D3, которая не совпадала с желтой линией D натрия. Одновременно с ним эту же линию в спектре солнца увидел английский астроном Локьер, который понял, что она принадлежит неизвестному элементу. Локьер совместно с Франкландом, у которого он тогда работал, решил назвать новый элемент гелием (от греч.- гелиос, солнце). Затем новая желтая линия была обнаружена другими исследователями в спектрах «земных» продуктов; так, в 1881 г. итальянец Пальмиери обнаружил ее при исследовании пробы газа, отобранного в кратере Везувия.
Bсследуя урановые минералы химик Гиллебранд, установил, что они при действии крепкой серной кислоты выделяют газы. Сам Гиллебранд считал, что это азот. Рамзай, обративший внимание на сообщение Гиллебранда, подверг спектроскопическому анализу газы, выделяемые при обработке кислотой минерала клевеита. Он обнаружил, что в газах содержатся азот, аргон, а также неизвестный газ, дающий яркую желтую линию. Не имея в своем распоряжении достаточно хорошего спектроскопа, Рамзай послал пробы нового газа Круксу и Локьеру, которые вскоре идентифицировали газ как гелий. В том же 1895 г. Рамзай выделил гелий из смеси газов; он оказался химически инертным, подобно аргону. Вскоре после этого Локьер, Рунге и Пашен выступили с заявлением, что гелий состоит из смеси двух газов — ортогелий и парагелий; один из них дает желтую линию спектра, другой зеленую. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч.- звездный. Совместно с Траверсом Рамзай проверил это утверждение и доказал, что оно ошибочно, так как цвет линии гелия зависит от давления газа.
Гелий – химический элемент с атомным номером 2 в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Химическая формула Не. Гелий – инертный газ без цвета и запаха.
Гелий очень распространён во Вселенной. Он занимает второе место после водорода. Но на Земле гелия мало.
Гелий не вступает в реакцию ни с одним химическим элементом. Его атомы не соединяются даже между собой. Гелий не горит.
Открытие гелия
Открыли гелий в 1868 г. во время солнечного затмения. Причём, сделано это открытие одновременно двумя астрономами – французом Пьером Жюлем Жансеном и англичанином Джозефом Норманом Локьером. В спектре солнечной короны оба независимо друг от друга обнаружили жёлтую линию, которая не принадлежала ни одному их известных в то время элементов. Локьер в 1871 г. предположил, что на Солнце присутствует новый химический элемент. А в 1895 г. шотландский химик Уильям Рамзай впервые выделил газ из радиоактивного минерала клевеита . В спектре этого газа присутствовала точно такая же жёлтая линия. Новому элементу дали имя Helios – солнце.
Получение гелия
Гелий получают из природных гелионосных газов методом глубокого охлаждения. Выделение гелия осуществляется в два этапа. Первый этап – получение гелиевого концентрата конденсацией при низкой температуре. И второй этап – очистка гелиевого концентрата от метана, водорода, азота, неона, аргона.
Все основные мировые запасы гелия находятся в Алжире, Катаре, США и России. Крупнейший производитель гелия – США. В России гелия добывается немного, так как основные его месторождения расположены в малоосвоенных месторождениях Дальнего Востока и Восточной Сибири.
Применение гелия
Гелий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью. Кроме того, у него очень низкая температура кипения, минус 268,94 о С.
Область применения гелия очень широка.
Смесь газообразного гелия с кислородом применяют для снятия приступов астмы. Гелий гораздо хуже растворяется в крови, чем азот. Поэтому его используют в дыхательных смесях, подаваемых водолазам при глубоководных погружениях, для создания искусственной атмосферы космических кораблей и станций.
Многие технологические процессы в производстве невозможно проводить в воздушной среде из-за возможности вступления в реакцию с газами воздуха исходного сырья или получаемого продукта.И здесь на помощь приходит газообразный гелий, с помощью которого создают специальные защитные среды.
Отдельные стадии получения ядерного топлива проходят в гелиевой защитной среде. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов также транспортируют и хранят в контейнерах, заполненных гелем. Гелий применяется для выявления возможностей утечки в атомных реакторах. Используют гелий в газовых термометрах, переключателях высокого напряжения, в счётчиках нейтронов, для газовой смазки подшипников.
Как инертная среда гелий используется при дуговой сварке.
Гелием наполняют дирижабли и воздушные шарики.
Гелий не токсичен. И вдыхание небольшого количества гелия вместе с воздухом безвредно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Гелий - второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Hе от латинского «helium». Расположен в первом периоде, VIIIА группе. Относится к группе инертных (благородных) газов. Заряд ядра равен 2.
Гелий встречается на Земле в основном в атмосфере, однако некоторые его количества выделяются в определенных местах из недр Земли вместе с природными газами. Воды многих минеральных источников тоже выделяют гелий.
Гелий представляет собой бесцветный, трудносжижаемый газ (температура кипения -268,9 o С), затвердевающий только под избыточным давлением (схема строения атома представлена на рис. 1). Обладает сильной способностью проникать через стекло и металлическую фольгу. Плохо растворяется в воде, лучше - в бензоле, этаноле, толуоле.
Рис. 1. Строение атома гелия.
Атомная и молекулярная масса гелия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).
Поскольку в свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 4,003.
Изотопы гелия
Гелий - наиболее распространенный после водорода элемент космоса - состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Их массовые числа равны 4 и 3. Ядро атома гелия 4 He содержит два протона и два нейтрона, а атома 3 He - такое же число протонов и один нейтрон.
Спектральный анализ показывает присутствие его в атмосфере Солнца, звезд, в метеоритах. Накапливание ядер 4 He во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником солнечной и звездной энергии.
Ионы гелия
В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовывать молекулярные ионы He 2 + . В обычных условиях эти ионы неустойчивы; захватывая недостающий электрон, они распадаются на два нейтральных атома.
Молекула и атом гелия
В свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Углеводород содержит 92,3 % углерода (с). Выведите молекулярную (эмпирическую) формулу углеводорода (С х Н у), если плотность его паров по гелию (Не) равна 6,5. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов углерода в молекуле через «х», число атомов водорода через «у». Найдем процентное содержание водорода в составе углеводорода: ω (Н) = 100% — ω (С) =100% — 92,3% = 7,7%. Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов углерода и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(С) = 12 а.е.м.; Ar(Н) = 1 а.е.м. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y = m(Сa)/Ar(С) : m(Н)/Ar(Р); x:y = 92,3/12: 7,7/1; x:y:z = 7,7: 7,7 = 1: 1. Значит простейшая формула углеводорода СН. M(CH) = Ar(C) + Ar(H) = 12 + 1 =13 / моль. Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по гелию: M substance = M(Не) × D(Не) ; M substance = 4 × 6,5 = 26 г/моль. Чтобы найти истинную формулу углеводорода найдем отношение полученных молярных масс: M substance / M(CH) = 26 / 13 = 2. Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. молекулярная (эмпирическая) формула углеводорода имеет вид C 2 H 2 .Это ацетилен. |
| Ответ | C 2 H 2 .Это ацетилен. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В баллоне вместимостью 60 л при 20 o С и 40 атм находится гелий. Определите объем израсходованного гелия при н.у., если после 8 часов работы давление в баллоне понизилось до 32 атм, а температура возросла до 22 o С. |
| Решение | Сначала переведем градусы в Кельвины:
T 1 = 273 + 20 = 293 К; T 2 = 273 + 22 = 295 К. По объединенному газовому закону: PV / T = P 0 V 0 / T 0 ; V 0 = PVT 0 / P 0 T. Для исходного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил: V 0 initial = P 1 ×V 1 ×T 0 / P 0 ×T 1 . Для конечного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил: V 0 final = P 2 ×V 2 ×T 0 / P 0 ×T 2 . Выразим объем израсходованного гелия при н.у.: V x = V 0 initial — V 0 final ; V x = - ; V x = (T 0 / P 0) × [(P 1 ×V 1 / T 1) - (P 2 ×V 2 / T 2)]. Так как вместимость баллона постоянна, то V 1 = V 2 = V, тогда: V x = (T 0 ×V / P 0) × [(P 1 / T 1) - (P 2 / T 2)]; V x = (273× 60 / 1) × [(40 / 293) - (32 / 295)] = 459 л. |
| Ответ | 459 л. |
Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.
История открытия
Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».
В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.
Распространение в природе
Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.
Изотопы
Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.
Физические свойства гелия
Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.
Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.
Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.
Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.
Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.
Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.
Соединения
В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.
Плазма
Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.
Открытие месторождений в США
После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.
Промышленное производство
Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.
Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».
Национальный запас США
В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.
После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.
К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.
Чистота и объемы производства
Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.
На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.
Процесс получения
Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.
Сферы применения
Благородный газ нашел применение в разных областях.
- Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
- В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
- Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
- He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
- Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
- Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
- Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
- В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
- Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
- Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.
Гелий: свойства элемента
Основные физические свойства He следующие:
- Атомный номер: 2.
- Относительная масса атома гелия: 4,0026.
- Точка плавления: нет.
- Точка кипения: -268,9 °C.
- Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
- Состояния окисления: 0.
ГЕЛИЙ, He (лат. Helium, от греч. helios — Солнце, т. к. впервые был обнаружен в солнечном спектре * а. helium; н. Helium; ф. helium; и. helio), — элемент VIII группы периодической системы Менделеева, относится к инертным газам, атомный номер 2, атомная масса 4,0026. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов 3 He и 4 He. Открыт в 1868 французким астрономом Ж. Жансеном и английским астрономом Дж. Н. Локьером при спектроскопическом исследовании солнечных протуберанцев. На гелий впервые выделен в 1895 английским физиком У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита.
Свойства гелия
При нормальных условиях гелий — газ без цвета и запаха. 0,178 кг/м 3 , t кипения — 268,93° С. Гелий - единственный элемент, который в жидком состоянии не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. В 1938 советский физик П. Л. Капица открыл у 4 He сверхтекучесть — способность течь без вязкости. Наименьшее давление, необходимое для перевода жидкого гелия в твёрдый, 2,5 МПа, при этом t плавления — 272,1°С. (при 0°С) 2,1.10 -2 Вт/м.К. Молекула гелия состоит из одного атома, её радиус от 0,085 (нетинный) до 0,133 нм (Ван-дер-Ваальсов) (0,85-1,33 Е), В 1 литре воды при 20°С растворяется около 8,8 мл гелия Устойчивые химические соединения гелия не получены.
Гелий в природе
По распространённости во Вселенной гелий занимает 2-е место после . На Земле гелия мало: в 1 м 3 воздуха содержится 5,24 см 3 гелия, среднее содержание в 3.10 -7 %. В пластовых литосферы существуют 3 генетические составляющие гелия — радиогенный, первозданный и атмосферный гелий. Радиогенный гелий образуется повсеместно при радиоактивных превращениях тяжёлых элементов и различных ядерных реакциях, первозданный — поступает в литосферу как из глубинных пород , окклюдировавших первозданный гелий и сохранивших его со времени формирования планеты, так и из космоса вместе с космической пылью, метеоритами и т.п. Атмосферный гелий попадает в осадки из воздуха, при процессах седиментогенеза, а также с инфильтрующимися поверхностными водами.
Величина отношения 3 He/ 4 He в радиогенном гелии составляет п.10 -8 , в гелии мантии (смеси первозданного и радиогенного) (3±1).10 -5 , в космическом гелии 10 -3 -10 -4 , в атмосферном воздухе 1,4.10 -6 . В земном гелии абсолютно преобладает изотоп 4 He. Основное количество 4 He образовалось при а-распаде естественных радиоактивных элементов (радиоизотопы , актиноурана и ). Незначительные источники образования 4 He и 3 He в литосфере — ядерные реакции (нейтронное расщепление лития и т.п.), распад трития и др. На древних стабильных участках земной коры преобладает радиогенный 4 He 3 He/ 4 He = = (2±1).10 -8 . Для тектонически нарушенной земной коры (зон рифтов, глубинных разломов, эруптивных аппаратов, с тектономагматической или сейсмической активностью и т.п.) характерно повышенное количество 3 He 3 He/ 4 He = n.10 -5 . Для остальных геологических структур отношение 3 He/ 4 He в пластовых газах и флюидах изменяется в пределах 10 -8 -10 -7 . Различие в величинах изотопно-гелиевых отношений 3 He/ 4 He в мантийном и коровом гелии является индикатором современной связи глубинных флюидов с мантией. В силу лёгкости, инертности и высокой проницаемости гелия большинство породообразующих его не удерживает, и гелий мигрирует по трещинно-поровым пространствам пород, растворяясь в заполняющих их флюидах, иногда далеко отрываясь от основных зон образования.
Гелий — обязательная примесь во всех газах, образующих самостоятельные скопления в земной коре или выходящих наружу в виде естественных газовых струй. Обычно гелий составляет ничтожную примесь к другим газам; в редких случаях его количество доходит до нескольких % (по объёму); максимальные концентрации гелия выявлены в подземных газовых скоплениях (8-10%), газах урановых (10-13%) и водорастворённых газах (18-20%).
Получение гелия
В промышленности гелий получают из гелийсодержащих газов методом глубокого охлаждения (до -190°С), незначительное количество — при работе воздухоразделительных установок. Основные газовые компоненты при этом конденсируются (вымораживаются), а оставшийся гелиевый концентрат очищается от водорода и . Разрабатываются также диффузные методы извлечения гелия.
Транспортировка и хранение гелия — в высокогерметизированных ёмкостях. Гелий 1-2-го сортов обычно перевозят в стальных баллонах разной ёмкости, чаще до 40 л, под давлением до 15 МПа. Хранилища гелия устраивают также в подземных соляных камерах, а гелий-сырец (около 60% He и 40% N 2) хранят в выработанных подземных газовых структурах. На дальние расстояния гелий поставляется в сжатом и жидком виде с помощью специально оборудованного транспорта, а также газопроводом (например, в США).
Использование гелия
Применение гелия основано на таких его уникальных свойствах, как полная инертность (сварка в атмосфере гелия, производство сверхчистых и полупроводниковых материалов, добавка в дыхательные смеси и пр.), высокая проницаемость (течеискатели в аппаратах высокого и низкого давлений). гелий — единственный из химических элементов, который позволяет получать сверхнизкие температуры, необходимые для всех типов сверхпроводящих систем и установок (криоэнергетика). Жидкий гелий — хладоагент при проведении научных исследований.
Загрузка...
