Гелий

Главная / Гелий

Гелий

Гелий (от греческого ἥλιος - солнце или солнечный, латинского - Helium), в периолической системе химических элементов обозначается как He, имеет атомный номер 2 и атомную массу 4,002602(2).

Гелий это простое вещество, а именно инертный газ, не имеет запаха, вкуса и цвета, является одноатомным.

Температура кипения гелия является самой низкой из всех веществ, во вслененной имеет второе место по распростронённости, первое почётно занимает водород.

История открытия

Учёный из Франции во врем наблюдения за солнечным затмением в городе Гунтур (Индия), 18 августа 1868 году одним из первых изучал солнечную хромосферу. Учёный настроил спектроскоп для изучения Солнца при затмении и обычные дни, ведь спектр короны Солнца до этого можно было увидить только при затмении.

Уже на следующий день спектроскопический анализ солнечных протуберанцев показал, помимо линий водорода — синей, зеленовато-голубой и красной, чрезвычайно яркую желтую линию. Первоначально эту линию приняли за линию D натрия Жансен и другие астрономы, проводившие наблюдения. Жансен сразу сообщил об открытии во Французскую академию наук. Позже выяснилось, что эта ярко-желтая линия в спектре Солнца не соответствует линии натрия и не относится ни к одному из уже известных химических элементов.

Через два месяца, 20 октября, британский астроном Норман Локьер, не будучи осведомленным о работе своего французского коллеги, также провел исследование солнечного спектра. Обнаружив неизвестную желтую линию с длиной волны 588 нм (точнее, 587,56 нм), он обозначил ее как D3, поскольку она находилась очень близко к фраунгоферовым линиям D1 (589,59 нм) и D2 (588,99 нм) натрия. Два года спустя Локьер вместе с британским химиком Эдуардом Франклендом, с которым он сотрудничал, предложили назвать новый элемент «гелий», производное от греческого слова «ἥλιος», означающего «солнце».

Забавно, что письма Жансена и Локьера поступили во Французскую Академию наук в один и тот же день — 24 октября 1868 года, хотя письмо Локьера, отправленное четырьмя днями ранее, прибыло на несколько часов раньше. Уже на следующий день оба письма были оглашены на заседании Академии. В знак признания нового метода изучения протуберанцев Французская академия приняла решение выпустить памятную медаль. С одной стороны медали были изображены профили Жансена и Локьера, окружённые переплетающимися лавровыми ветвями, а с другой — фигура древнегреческого бога света Аполлона, управляющего колесницей, запряжённой четверкой лошадей, мчащихся во всю прыть.

В 1881 году итальянский исследователь Луиджи Пальмьери объявил о своем открытии гелия в газах, исходящих из фумарол вулкана. Он изучал светлое желтое маслообразное вещество, которое осаждалось из газовых потоков на краях кратера Везувия. Пальмьери нагревал этот вулканический материал в пламени бунзенской горелки и фиксировал спектр выделяемых при этом газов. Научное сообщество восприняло его заявление с сомнением, потому что описание эксперимента было недостаточно ясным. Однако через много лет в составе газов фумарол действительно обнаружили незначительные концентрации гелия и аргона.

Прошло 27 лет после первого обнаружения гелия, когда он наконец был найден на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, изучая газ, полученный в результате разложения минерала клевеит, заметил в его спектре ту самую ярко-желтую линию, которую ранее выявили в спектре Солнца. Образец отправили для дальнейшего анализа известному английскому специалисту по спектроскопии Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца желтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай направил сообщение о находке земного гелия в Лондонское королевское общество, а также передал его во Французскую академию через знаменитого химика Марселена Бертло.

В 1896 году Генрих Кайзер и Зигберт Фридлендер, а двумя годами позже, в 1898-м, Эдвард Бэли окончательно подтвердили наличие гелия в земной атмосфере.

Шведские химики Пер Теодор Клеве и Нильс Ленгле сумели извлечь из клевеита достаточное количество газа, чтобы определить атомную массу вновь открытого элемента.

До Рамзая гелий также выделял американский химик Фрэнсис Хиллебранд, но он ошибочно считал, что получил азот, и впоследствии в письме признал первенство открытия за Рамзаем.

Изучая разнообразные вещества и минералы, Рамзай установил, что гелий часто присутствует рядом с ураном и торием. В 1906 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс доказали, что альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, являются ядрами гелия. Эти исследования стали основой для формирования современной теории атомной структуры.

В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий. Для этого он использовал метод дросселирования (эффект Джоуля-Томсона), предварительно охладив газ с помощью кипящего под вакуумом жидкого водорода. Многочисленные попытки получить твердый гелий долгое время оставались неудачными, даже несмотря на достижение температуры в 0,71 K немецким физиком Виллемом Хендриком Кеезомом, учеником Камерлинг-Оннеса. Лишь в 1926 году, используя давление свыше 35 атмосфер и охладив сжиженный гелий под низким давлением, Кеезом смог выделить кристаллические формы гелия.

В 1932 году Кеезом начал изучать изменение теплоемкости жидкого гелия в зависимости от температуры. Он отметил, что примерно при 2,19 K наблюдается резкое падение теплоемкости после постепенного подъема, причем график теплоемкости принимает форму греческой буквы λ (лямбды). Эта температура получила название «λ-точка». Позднее было уточнено, что ее точное значение составляет 2,172 K. В этой точке свойства жидкого гелия претерпевают значительные и мгновенные изменения — одна фаза гелия заменяется другой без выделения скрытого тепла, что свидетельствует о фазовом переходе второго рода. Выше температуры λ-точки находится состояние, называемое гелием-I, а ниже нее — гелием-II.

В 1938 году советский ученый Петр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести гелия-II, характеризующегося значительным снижением вязкости, благодаря чему гелий течет почти без трения.

пётр Леонодович писал в своём докладе 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⋅10−2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода…"

История названия

Название элемента происходит от древне-греческого слова "ἥλιος", что переводится как "Солнце" (в честь древнегреческого божества Гелиоса). Окончание "-ий" (на латыни "-um") было добавлено к названию, поскольку Локьер изначально считал, что обнаруженный им элемент является металлом. Исходя из общей номенклатуры благородных газов, логичным было бы назвать его "гелионом" ("Helion"). Однако сегодня термин "гелион" используется для обозначения ядра легкого изотопа гелия — гелия-3.

Общеизвестность

Вселенная

Во Вселенной первое место по распространению почётно занмиает водород, а уже второе гелий, составляя приблизительно 23% массы всех веществ. Тем не менее, на Земле этот элемент довольно редок. Основная масса гелия Вселенной возникла в течение первых нескольких минут после Большого Взрыва, в ходе процесса первичного нуклеосинтеза. В настоящее время большая часть нового гелия создается посредством термоядерной реакции из водорода внутри звезд (например, в рамках протон-протонного цикла или углеродного азота цикла). На Земле гелий образуется в результате альфа-распада тяжелых элементов (так называемые альфа-частицы, образующиеся при таком распаде, представляют собой ядра гелия-4). Часть гелия, появившегося в результате этого процесса и проникающего через породы земной коры, задерживается в природных газах, где его концентрация может достигать 7% объема и больше.

В земной коре

Среди элементов восемнадцатой группы периодической таблицы гелий по своему присутствию в земной коре уступает только аргону.

Концентрация гелия в атмосфере Земли, возникающая в результате распада тория, урана и их дочерних продуктов, составляет 5,27⋅10⁻⁴% по объему и 7,24⋅10⁻⁵% по массе. Общие запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере планеты оцениваются в 5⋅10¹⁴ м³. Природные газы, содержащие гелий, обычно включают его в объеме до 2%. Встречаются редкие случаи, когда содержание гелия в таких газах доходит до 8–16%.

Средняя концентрация гелия в земных породах составляет 0,003 мг/кг, или 0,003 г/т. Наиболее высокие уровни содержания гелия наблюдаются в минералах, включающих уран, торий и самарий, таких как клевеит, фергюссонит, самарскит, гадолинит, монацит (включая монацитовые пески в Индии и Бразилии) и торианит. Концентрация гелия в этих минералах варьируется от 0,8 до 3,5 литров на килограмм, тогда как в торианите она может достигать 10,5 литров на килограмм. Этот гелий образуется в результате радиоактивного распада урана, тория и их дочерних изотопов, а также других природных альфа-излучателей (например, самария и гадолиния), и состоит исключительно из изотопа 4He.

В 2016 году исследователи из Норвегии и Великобритании нашли значительные запасы гелия вблизи озера Виктория в Танзании. Эксперты оценивают объем этих месторождений в 1,5 миллиарда кубических метров.

Большие запасы гелия находятся также в восточных сибирских газовых месторождениях России. Например, в Ковыктинском месторождении запасы гелия составляют 2,3 миллиарда кубометров, а в Чаяндинском — 1,4 миллиарда кубометров.

Рынок гелия в мире

Гелий добывают из природного и нефтяного газов, общемировые запасы которого оцениваются в 45,6 миллиардов кубических метров.

Объем мирового потребления гелия составляет порядка 170—190 миллионов кубических метров в год. Лидирующие позиции в производстве гелия занимают США и Катар; начиная с 2015 года, доля Соединенных Штатов в глобальном производстве сократилась с 67% до примерно 56%, продолжая тенденцию снижения. Катар и Алжир контролируют около 28% и 9% мирового рынка гелия соответственно.

Гелий в России

Россия полностью покрывает собственные потребности в гелии; внутреннее потребление в 2020 году не превысило 5 миллионов кубических метров. До недавнего времени основной объем гелия производился на гелиевом заводе компании «Газпром добыча Оренбург» из газа с низкой концентрацией гелия (до 0,055% по объему), что приводило к высокой себестоимости продукта.

9 июня 2021 года неподалеку от города Свободный в Амурской области был запущен крупнейший в мире Амурский газоперерабатывающий завод, способный производить 60 миллионов кубических метров гелия ежегодно. Сырьем для предприятия служит газ Чаяндинского месторождения, содержание гелия в котором значительно выше — что позволяет существенно сократить производственные затраты. С 2021 года Россия планирует войти в число ведущих мировых экспортеров гелия.

Начиная с 2018 года, Иркутская нефтяная компания занимается строительством двух гелиевых заводов в Иркутской области. Планируемая производительность каждого из них составит 15-17 миллионов литров гелия в год, первый завод планируется ввести в эксплуатацию в 2022 году.

Важной задачей остается разработка и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири, которые характеризуются таким же высоким содержанием гелия, как и Чаяндинское месторождение (0,15—1% по объему).

Стоимость гелия

В 2010 году частные компании продавали газообразный гелий в пределах ~2,5—3 долл./м³

В 2020 году стоиомсть гелия выросла и составляла ~30-32 долл./м³

В 2025 году цена гелия снизилась до ~10 долл./м³

Производство гелия

Добычу гелия осуществляют из природного газа путем низкотемпературной сепарации — методами фракционной дистилляции или мембранного газоразделения.

Промышленная добыча гелия ведется из природных газов, содержащих более 0,1% гелия. Отделение гелия от прочих газов осуществляется методом глубокой заморозки, учитывая его уникальные свойства, делающие его самым трудно сжижаемым газом.

Процесс охлаждения проводят поэтапно, применяя дросселирование, одновременно удаляя углекислый газ и углеводороды. Результатом становится смесь гелия, неона и водорода, известная как сырой гелий (содержание гелия составляет 70—90%). Водород (4—5%) удаляют из этой смеси с использованием оксида меди (CuO) при температуре 650—800 K.

Заключительная стадия очистки включает охлаждение остаточной смеси кипящим азотом под вакуумом и адсорбцию примесей активным углем в специальных адсорберах, также охлажденных жидким азотом. Получаемый гелий делятся по чистоте: технической чистотой 99,80% по объему, используется в основном для шаров и высокой чистоты 99,995%, используетя для более сложных задач, неоновых лазерах например.

Определение гелия

Определение наличия гелия проводится путем анализа спектров его излучения (специфичные линии на длинах волн 587,56 нм и 388,86 нм), количественное определение выполняется с применением масс-спектрометрии, хроматографии, а также методов, основанных на измерениях физических характеристик (таких как плотность и теплопроводность).

Физические свойства гелия

Гелий — это практически полностью неактивный химически элемент.

В чистом виде гелий не токсичен, не имеет какого-либо цвета, запаха или вкуса. В обычных условиях он представлен в форме одноатомного газа. Температура его кипения (T = 4,215 K для 4He) является самой низкой среди всех существующих веществ; твердый гелий удается получить только при давлениях, превышающих 25 атмосфер — при нормальном атмосферном давлении он не превращается в твердое состояние даже при достижении абсолютного нуля.

У изотопов гелия 3He и 4He отсутствует основная тройная точка (где три состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное — находятся в состоянии равновесия); в обоих случаях линии равновесия между твердым состоянием и жидкостями (He I и He II) и между жидкостями и газом не пересекаются: твердая фаза может находиться в равновесии только с жидкостью. Других веществ с такими особенностями пока не обнаружено. Наличие на фазовой диаграмме гелия кривых, отображающих сосуществование твердых и жидких фаз, и отсутствие кривых, отражающих сосуществование твердых и газообразных фаз, указывает на то, что твердый гелий способен плавиться, но не способен испаряться.

Стандартная атомная масса гелия принята равной 4,002602(2) а.е.м., однако в разных природных источниках из-за различного соотношения изотопов гелия-3 атомная масса может колебаться в пределах 4,0026 ± 0,0002 а.е.м.

Свойства гелия в газовой фазе

При нормальных условиях гелий демонстрирует поведение, близкое к идеальному газу. Во всех возможных состояниях он остаётся моноатомным веществом. При стандартных условиях (температура 0°C, давление 105 Па) его плотность составляет 0,17847 кг/м³, теплопроводность — 0,1437 Вт/(м·К), а удельная теплоёмкость крайне велика: cp = 5,193 кДж/(кг·К); для сравнения, у водорода этот показатель равен 14,23 кДж/(кг·К). Удельная теплоёмкость при постоянном объёме cv = 3,116 кДж/(кг·К) (при стандартных условиях). Скорость распространения звука в гелии составляет 972,8 м/с (стандартные условия). Теплопроводность, удельная теплоёмкость, скорость звука и удельный объём (величина, обратная плотности) у гелия превосходят показатели всех других газов, кроме водорода.

Гелий наименее растворим в воде среди всех известных газов. В одном литре воды при температуре 20°C растворяется около 8,8 мл гелия (9,78 мл при 0°C и 10,10 мл при 80°C), в этиловом спирте — 2,8 мл/л при 15°C и 3,2 мл/л при 25°C.

Скорость диффузии гелия через твёрдые материалы, которая обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы, в три раза превышает аналогичный показатель для воздуха и составляет примерно 65% от скорости диффузии водорода.

Показатель преломления гелия при одинаковых условиях ближе к единице, чем у любых других газов. Например, для света с длиной волны 589,6 нм (линия натрия D) показатель преломления гелия (при стандартных условиях) равен nD = 1 + 35·10⁻⁶, в то время как у водорода он составляет 1 + 132·10⁻⁶, а у азота — 1 + 298·10⁻⁶.

Гелий характеризуется отрицательным коэффициентом Джоуля-Томсона при обычной температуре окружающей среды, что означает его нагревание при прохождении через пористые преграды или мелкие отверстия, хотя, подобно другим газам, он охлаждается при любом температурном режиме при адиабатическом расширении. Однако только при температурах ниже точки инверсии Джоуля-Томсона (примерно 40 К при нормальном давлении) гелий охлаждается в процессе дросселирования.

После понижения температуры ниже этой точки гелий может быть преобразован в жидкость при расширительном охлаждении. Такой процесс осуществляется с помощью детандера.

Спектр нейтрального гелия

Когда электрический ток проходит через трубку, заполненную гелием, возникают разряды различной окраски, зависящей в основном от давления газа в трубке. Свет, излучаемый гелием, обычно имеет желтый оттенок. При понижении давления цвет меняется на розовый, оранжевый, желтый, ярко-желтый, желто-зеленый и зеленый. Это объясняется наличием в спектре гелия множества серий линий, простирающихся от инфракрасной до ультрафиолетовой областей спектра. Основные линии гелия в видимом свете располагаются между 706,62 нм и 447,14 нм. Понижение давления увеличивает длину свободного пути электрона, повышая его энергию при столкновении с атомами гелия. Это вызывает переход атомов в возбужденное состояние с большей энергией, смещающее спектральные линии от красного края к фиолетовому участку видимого спектра.

Тщательно изученный спектр гелия показывает два отчетливо различимых набора серий линий — одиночных (1S0) и триплетных (3S1). В конце XIX века Локьер, Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов, один из которых имеет в спектре желтую линию 587,56 нм, а другой — зеленую линию 501,6 нм. Они назвали второй газ "астерием" (Asterium) от греческого слова "звездный". Однако Рамзай и Траверс продемонстрировали, что спектр гелия изменяется в зависимости от условий: при давлении газа 7—8 мм рт. ст. самая яркая линия — желтая, а при понижении давления усиливается интенсивность зеленой линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 году (см. Обменное взаимодействие). Спектр определяется ориентацией спинов электронов в атоме — атом с противоположно направленными спинами (излучающий зеленую линию в оптических спектрах) называется парагелием, а с сонаправленными спинами (желтая линия в спектре) — ортогелием. Линии парагелия одиночные, а линии ортогелия образуют плотные триплеты. В нормальных условиях атом гелия находится в одиночном (синглетном) состоянии. Для перевода атома гелия в триплетное состояние требуется энергия в 19,77 эВ. Самопроизвольный переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное происходит крайне редко. Такое состояние, из которого самопроизвольный переход в более устойчивое состояние маловероятен, называют метастабильным. Вывод атома из метастабильного состояния в стабильное можно осуществить внешним воздействием, например, электронным ударом или столкновением с другим атомом, передавшим ему энергию возбуждения. В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно, а общий спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов совпадают, и общий спиновый момент равен единице. Согласно принципу Паули, два электрона не могут находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в нижнем энергетическом состоянии ортогелия, имеющие одинаковые спины, обязаны занимать разные главные квантовые числа: один электрон находится на 1s-орбитали, а второй — на более удаленной от ядра 2s-орбитали (состояние оболочки 1s2s). В парагелии оба электрона находятся в 1s-состоянии (состояние оболочки 1s2).

Спонтанный переход между орто- и парагелием, сопровождаемый изменением общего спинового момента, сильно подавляется, но возможны безызлучательные переходы при воздействии налетающего электрона или столкновения с другим атомом.

В бесконтактной среде (например, в межзвездном газе) спонтанный переход из нижнего состояния ортогелия 23S1 в основное состояние парагелия 10S1 возможен через одновременное излучение двух фотонов или посредством одного магнитно-дипольного перехода (M1). В этих условиях расчетное время жизни атома ортогелия из-за двухфотонного распада 23S1 → 10S1 + 2γ составляет 2,49⋅108 секунд, или 7,9 лет. Первоначальные теоретические расчеты показывали, что время жизни из-за магнитно-дипольного перехода гораздо больше, следовательно, преобладает двухфотонный распад. Однако спустя три десятилетия, после неожиданного открытия запрещенных триплетно-синглетных переходов аналогичных ионов гелия в спектрах солнечной короны, было выявлено, что вероятность однофотонного магнитно-дипольного распада 23S1-состояния значительно выше; время жизни при таком распаде составляет всего 8⋅103 секунд.

Время жизни первого возбужденного состояния атома парагелия 20S1 также очень велико по атомным меркам. Правила отбора для данного состояния запрещают однофотонный переход 20S1 → 10S1 + γ, а для двухфотонного распада время жизни составляет 19,5 миллисекунд.

Жидкий гелий и Твёрдый гелий

Хейке Камерлинг-Оннес в 1908 году первым сумел получить жидкий гелий. Твердый гелий удалось синтезировать только под давлением в 25 атмосфер при температуре около 1 K, учёным Виллем Кеезом в 1926 году. Виллем Хендриком Кеезом также обнаружил фазовый переход гелия-4 при температуре 2,17 K, определив две фазы — гелий-I и гелий-II (ниже 2,17 K). В 1938 году Пётр Леонидович Капица обнаружил, что гелий-II проявляет свойство отсутствия вязкости, известное как сверхтекучесть. В случае гелия-3 сверхтекучесть проявляется только при температурах ниже 0,0026 K. Сверхтекучий гелий классифицируется как квантовая жидкость, поведение которой можно описать только с использованием квантовой механики.

В 2004 году было заявлено об обнаружении сверхтекучести в твердом гелии (так называемый эффект суперсолида) при изучении его поведения в торсионном осцилляторе. Однако многие исследователи считают, что эффекты, зафиксированные в 2004 году, не связаны со сверхтекучестью кристаллов. В настоящее время проводятся активные эксперименты и теоретические исследования, направленные на понимание настоящей природы этого феномена.

Изотопы гелия

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов:

Естественный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He (с изотопной распространенностью 99,99986%) и значительно более редкого 3He (0,00014%; содержание гелия-3 в различных природных источниках может существенно варьироваться). Помимо этого, известны еще шесть искусственно созданных радиоактивных изотопов гелия.

Интересным фактом является то, что в жидком состоянии изотопы гелия-4 и гелия-3 обладают ограниченной взаимной растворимостью при температурах ниже 0,88 K.

Химические свойства гелия

Гелий считается наименее химически активным элементом среди всех представителей 18-й группы (благородные газы) и всей Периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Создание химических соединений гелия требует особых условий. Все известные соединения гелия (как и аргона, неона) существуют только в виде эксимерных молекул (краткосрочных нестабильных форм) и ионов. Примером служат двухатомные молекулы He+2, а также эксимерные молекулы типа фторида HeF* и хлорида HeCl*, возникающие при воздействии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором.

Существует возможность образования связей атома гелия через силы Ван-дер-Ваальса, например, с молекулой фуллерена или атомом неона, однако такие взаимодействия не оказывают влияния на электронную структуру самого атома гелия.

В 2013 году международная группа ученых под руководством Артёма Романовича Оганова опубликовала результаты исследования, подтверждающие теоретическую возможность существования соединения гелия с натрием состава Na2He при давлениях свыше 113 ГПа (наиболее стабильная форма Na2He обнаружена при 300 ГПа, подтверждена механическая устойчивость этого соединения до 500 ГПа). На практике это соединение было получено с помощью алмазных наковален и оказалось представляющим собой электрид, где электронные пары, локализованные в междоузлиях, формируют восьмицентровые двухэлектронные связи внутри пустых кубов Na8. Также предсказывалось существование Na2HeO с аналогичной структурой при давлениях выше 15 ГПа. Существуют и другие соединения гелия, такие как Li5He2 и соединения гелия с азотом, которые стабильны только при сверхвысоких давлениях.

Теоретические работы предполагают возможное существование соединений гелия с железом (например, FeHe2) в недрах планет-гигантов и белых карликов, а учет стабильности соединений гелия с кремнием (HeSiO2) при давлениях 600—4000 ГПа будет полезен для построения сложных моделей внутренних структур планет-гигантов.

Энергия связи молекулярного иона гелия He+2 составляет 58 ккал/моль, а равновесное межъядерное расстояние равно 1,09А.

Транспортировка гелия

Газообразный гелий транспортируется в стальных баллонах (соответствующих ГОСТ 949-73) коричневого цвета, которые размещаются в специализированных контейнерах. Для перевозки допускается использование всех видов транспорта при условии соблюдения установленных правил транспортировки газов.

Жидкий гелий перевозится в специально предназначенных транспортных сосудах Дьюара типа СТГ-10, СТГ-25 и других светло-серого цвета объемом 10, 25, 40, 250 и 500 литров соответственно. Транспортировка возможна различными видами транспорта, соблюдая необходимые правила перевозки. Сосуды с жидким гелием должны располагаться строго вертикально.

Применение гелия

Гелий активно используется в различных промышленных и хозяйственных отраслях:

Металлургия: как защитный инертный газ при выплавке чистых металлов, таких как титан и цирконий, а также при выращивании монокристаллов кремния и германия и для дуговой сварки.

Пищевая промышленность: зарегистрирован как пищевая добавка E939, используется в качестве пропеллента и упаковочного газа.

Холодильные технологии: применяется как хладагент для достижения сверхнизких температур, необходимых для перевода металлов в сверхпроводящее состояние. Растворение гелия-3 в гелии-4 также используется для получения ультранизких температур.

Подводные работы: входит в состав дыхательных смесей для глубоководных погружений.

Аэростатика: используется для наполнения воздушных шаров и оболочек метеорологических зондов.

Осветительное оборудование: заполняются газоразрядные трубки.

Ядерная энергетика: применяется в качестве теплоносителя в определенных типах ядерных реакторов.

Анализ и диагностика: используется как носитель в газовой хроматографии.

Поиск утечек: применяется для выявления утечек в трубопроводах и котлах (гелиевые течеискатели).

Лазерные технологии: является компонентом рабочего тела в гелий-неоновых лазерах.

Компьютерная техника: наполняют некоторые современные модели жестких дисков для улучшения их производительности.

Светодиодные лампы: используется для эффективного отвода тепла от светодиодных нитей в филаментных лампах.

Кроме того, изотоп гелия-3 применяется как рабочее вещество в газовых нейтронных детекторах, включая позиционно-чувствительные, и в технике нейтронного рассеяния в роли поляризатора. Гелий-3 также рассматривается как перспективное топливо для термоядерной энергетики.

Применение гелия в геологии

Гелий играет важную роль в геологии, выступая в качестве удобного индикатора. Благодаря гелиевой съемке можно выявлять на поверхности Земли местоположение глубинных разломов. Поскольку гелий образуется в результате распада радиоактивных элементов, находящихся в верхнем слое земной коры, он проникает вверх по трещинам и попадает в атмосферу. Вокруг таких трещин, особенно в точках их пересечения, концентрация гелия заметно возрастает. Впервые это явление было замечено советским геофизиком Игорем Николаевичем Яницким во время поисков урановых руд. Эта закономерность используется для изучения внутреннего строения Земли и поиска месторождений цветных и редких металлов.

Помимо этого, гелий помогает в поиске геотермальных источников. Исследования показывают, что концентрации гелия в почвенном газе над геотермальными источниками могут превышать фоновые значения в 20—200 раз.

Высокий уровень гелия в почвенном газе также может свидетельствовать о наличии залежей урана. Однако против этого утверждения выступила Мария Склодовская-Кюри еще в 1911 году.

Применение гелия в военной промвшленности

Во время Первой мировой войны гелий использовался для заполнения воздухоплавательных аппаратов (дирижаблей и аэростатов), поскольку, несмотря на меньшую подъемную силу по сравнению с водородом, он абсолютно безопасен благодаря своей негорючести.

С начала 1950-х годов гелий стал применяться для создания рабочего давления в баках жидкостных ракетных двигателей.

Биологическая роль гелия

На момент написания статьи, гелий не несёт каких-либо биологических функции.

Физиологическое действие гелия

Несмотря на то, что инертные газы обладают наркотическим эффектом, у гелия и неона при обычном атмосферном давлении это воздействие не проявляется, в отличие от случаев повышенного давления, когда раньше развиваются признаки "нервного синдрома высокого давления".

При содержании гелия в высоких концентрациях (превышающих 80%) в дыхательной смеси возможно возникновение головокружения, тошноты, рвоты, потери сознания и смерти от асфиксии (вследствие кислородного голодания и газовой эмболии). Подобные последствия нередко наступают при однократном вдохе чистого гелия, например, из воздушного шара. Так же, как и при вдыхании других инертных газов, из-за отсутствия вкуса и запаха, потеря сознания может произойти неожиданно при попадании большого количества гелия в легкие.

Когда человек дышит гелием, тон его голоса становится высоким, напоминающим звук, издаваемый уткой. Высокая скорость звука в гелии по сравнению с воздухом при тех же условиях (например, температуре) увеличивает резонансную частоту голосового тракта, который действует как емкость, заполненная газом.

Опасность для здоровья

Вдыхание гелия может представлять опасность для здоровья, так как при этом в легкие не поступает кислород, однако смеси гелиокс и тримикс (состоящие из кислорода, азота и гелия) считаются сравнительно безопасными для дыхания.

Гелий в астрономии

В 1918 году был открыт астроид 895 и назван Гелио, в честь химического элемента гелия.