Применение гелия

Гелий марки А и марка Б отличаются чистотой газа. Можно сказать, что гелий марки а – это первый сорт, а гелий марки Б – второй. Гелий марки А производится по более высоким требованиям, поэтому объемная доля чистого гелия составляет 99,995%. В случае с маркой “Б” это число ниже – 99,99%.
Так, современные эксперты называют цифру в 45,6 миллиарда метров кубических, притом что объемы производства перевалили за 110 миллионов еще в 2003 году.

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.

Теплофизические свойства гелия He: плотность гелия, его теплоемкость и теплопроводность

Теплофизические свойства гелия He в газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Теплофизические свойства и плотность гелия в таблице даны при температуре от 0 до 1000°С и давлении от 1 до 100 атмосфер.

Следует отметить, что такие свойства гелия, как температуропроводность и кинематическая вязкость существенно зависят от температуры, увеличивая свои значения на порядок при нагревании на 1000 градусов. При увеличении давления эти свойства гелия уменьшают свои значения, при этом существенно возрастает плотность гелия.

При нормальных условиях плотность гелия равна 0,173 кг/м3 (при температуре 0°С и нормальном атмосферном давлении). С увеличением давления гелия, его плотность увеличивается пропорционально, например при 10 атм. плотность гелия составит уже величину 1,719 кг/м3 (при этой же температуре). При дальнейшем сжатии этого газа до 100 атм. плотность гелия станет равной 16,45 кг/м3. Таким образом, имеет место почти стократное увеличении плотности гелия относительно первоначального значения (при атмосферном давлении).

Как известно, самой низкой плотностью обладает такой газ, как водород, а гелий занимает второе место среди газов по величине плотности. Гелий считается наиболее оптимальным газом для заполнения аэростатов, применяемых в воздухоплавании, поскольку в отличие от водорода, он не создает с воздухом взрывоопасную смесь.

Так как плотность гелия значительно меньше воздуха, то при одинаковых температурах шары и аэростаты, наполненные гелием, имеют хорошую подъемную силу. Достаточно малая плотность гелия позволяет создавать беспилотные высотные аэростаты для погодных и научных исследований.

На какую высоту может подняться шар с гелием? Плотность воздуха по мере набора высоты начинает снижаться и на высотах около 33…36 км сравняется с плотностью гелия, находящегося в аэростате, и его подъем прекратится.

В таблице даны следующие свойства гелия:

• плотность гелия γ, кг/м3;
• удельная теплоемкость С_р, кДж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·град);
• динамическая вязкость μ, Па·с;
• температуропроводность a, м2/с;
• кинематическая вязкость ν, м2/с;
• число Прандтля Pr.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100.

Использование в промышленности гелия и радона

Гелий получают из природных газов, которые предварительно очищаются от примесей и влаги.

Сухой газ, проходя несколько этапов, охлаждается до такой температуры, когда все его компоненты конденсируются в жидкость, лишь гелий остается газообразным. Через верхнюю часть разделительного аппарата он выводится наружу. Налажено производство и жидкого гелия. Он играет большую роль в современной физике и криогенной технике.

В газообразном виде легкий и инертный гелий — идеальный наполнитель для дирижаблей. Благодаря налаженному промышленному получению гелия, идея дирижаблестроения в стране возрождается.

Находят применение и радиоактивные изотопы благородных газов. Радиоизотопы ксенон-133 используется для исследования спинного мозга и кровотока головного мозга. Прибор, регистрирующий радиоактивность, определяет локализацию изотопа ксенона и помогает ставить правильный диагноз.

Радон — радиоактивный газ, он дочерний элемент изотопа радия-226. Используя хорошую растворимость радона в воде, медицина поставила его на службу человека. Растворенный радон диффундирует через кожу и оказывает благотворительное воздействие на центральную нервную систему, а через нее и на другие органы человека. Поэтому широко распространено лечение радоновыми ваннами.

В геологии изотопом аргон-40 определяют абсолютный возраст горных пород по методу советского ученого Герлинга. В основе метода лежит процесс распада радиоактивного изотопа калия-40 с образованием основного изотопа аргона-40.

В электровакуумной промышленности используют свойство инертных газов светиться, если через них пропускать электрический разряд. Промышленность выпускает очень широкий ассортимент газоразрядных источников света.

На основе изучения благородных газов складывался ряд фундаментальных научных законов. Все отчетливее выявляется их значение в познании Земли и космоса.

Применение

Гелий используют для упаковки продуктов питания по технологии MAP (так называемая модифицированная газовая среда или регулируемая атмосфера).

Гелиевая среда защищает продукты от окисления, подавляет жизнедеятельность болезнетворных бактерий.

Гелий может быть использован в качестве пропеллента в аэрозолях малого объема.

Жидкий гелий применяют для охлаждения деталей аппаратов магнитно-резонансной томографии.

Газообразное вещество в качестве пропеллента используют в медицинских аэрозолях.

Смесь гелия и кислорода — эффективное средство для облегчения состояния при астме. Гелий обладает высокой проникающей способностью. Вдыхание подогретого газа:

• ускоряет транспорт кислорода, улучшает газообмен в легких;
• разжижает мокроту;
• восстанавливает кислотно-щелочной баланс;
• расслабляет гладкую мускулатуру, облегчая дыхание.

Лечебная смесь восстанавливает силы после тяжелых физических нагрузок, улучшает питание клеток, повышает сопротивляемость организма.

Гелиево-кислородная смесь хорошо зарекомендовала себя в терапии острых отравлений наркотическими и химическими веществами.

Лазер на основе гелия и неона — популярный атрибут современных медицинских и косметологических клиник. С его помощью ускоряют заживление ран, улучшают мозговое кровообращение, облегчают состояние при остеохондрозе. Гелий-неоновый лазер применяют для разрушения раковых клеток.

В косметологии прибор используют для лечения угревой сыпи, рассасывания рубцов.

Уникальные свойства гелия нашли применение в различных технических сферах:

• космонавтике (смесь для атмосферы обитаемых космических станций);
• топливной системе ракет;
• машиностроении (сварка);
• низкотемпературной, термоядерной и ядерной энергетике;
• воздухоплавании: наполнение аэростатов, дирижаблей и подобных летательных аппаратов.

Во многих отраслях гелий невозможно заменить другими веществами.

Как был открыт Гелий

Открытие такого химического элемента как гелий произошло 18 августа 1868 года в Индии. Французский астроном Жуль Янссен, во время полного солнечного затмения в Гунтуре, заметил ярко-желтую линию исходящую от солнца. Во время изучения хромосферы солнца астроном выяснил, что длинна волны составляет 587.49 нм. Ученый изначально принял эту линию за ионы натрия. 20 октября, того же 1868 года, английский астроном Норман Локьер так же выделил эту линию в спектре излучения Солнца, но в отличии от Янссена, он предположил что эта линия вызвана каким-то элементом на Солнце, которого не существует на Земле. Норман Локьер и Эдвард Франкленд назвали этот неизвестный элемент греческим словом солнце( helios ).

В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмиери обнаружил Гелий на Земле изучав вещества после извержения Везувия. 26 марта 1895 года шотландский химик Уильям Рамсей впервые искуственно выделил гелий обработав минеральный клевеит минеральными кислотами. В этом же году два Шведских ученых Теодор Клив и Абрахам Ланглет смогли собрать достаточное количество газа, чтобы точно определить его атомный вес. В 1908 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес впервые провел сжиживание гелия. Удалось ему это благодаря понижению температуры до -5 кельвинов или -278 °С. В 1926 году ученику Оннеса Виллему Хендрику Кисому удалось отвердить 1 см3 гелия под высоким давлением. Затем русский физик Петр Леонидович Капица благодаря исследования изотопа гелия-4 ввел понятие сверхтекучести. Сверхтекучесть – представляет собой состояние при котором вещество почти не имеет вязкости. Ему удалось выявить это при температуре гелия близкой к 0 по Кельвину.

Читайте: Водород как химический элемент таблицы Менделеева

Интересные свойства гелия

Начнем с того, что гелий не может вступать в химические реакции вовсе, а так же не имеет степеней окисления. Гелий – одноатомный газ, и имеет всего лишь один электронный уровень (оболочку), являясь крайне устойчивым газом, так как имеет полностью заполненный электронами первый уровень, что говорит о сильном воздействии ядра на электроны. Атомы гелия, не то, что не реагируют с другими веществами, более того, они не соединяются даже друг с другом.

Жидкий гелий имеет ряд абсолютно уникальных свойств. В 30 годах 20-го века, при еще меньших температурах было замечено крайне странное и невероятное явление – когда гелий охлаждается до температуры всего на 2 градуса превышающей абсолютный ноль, происходит его неожиданная трансформация. Поверхность жидкости становится абсолютно спокойной и гладкой, ни единого пузырька, ни малейшего бурления жидкости.  Жидкий гелий превращается в сверхтекучую жидкость. Такой гелий может забраться по стенкам и «сбежать» из сосуда, в котором он хранится, это происходит из за нулевой вязкости сжиженного газа. Он может стать фонтаном, обладающим нулевым трением, а значит, такой фонтан может течь бесконечно. Несмотря на все теории, ученые установили, что сжиженный гелий это непросто жидкость. Например, начиная с 2He, оказалось, что сжиженный газ состоит из двух взаимопроникающих жидкостей:  нормальной (вязкой) и сверхтекучей (нулевая вязкость) компоненты. Сверхтекучая компонента является идеальной и обладает нулевым трением, при протекании в любых сосудах и капиллярах.

Что же касается твердого гелия, то на данный момент, ученые проводят многочисленные опыты и эксперименты. Твердый 4He обладает квантовым эффектом, таким как кристаллизационная волна. Этот эффект основан на колебании границы раздела фаз в системе – «кристалл – жидкость». Достаточно немного качнуть такой гелий, и граница фаз между жидкостью и твердым веществом будет схожа с границей двух жидкостей!

Об элементе

Ге́лий — второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Расположен в 18-й группе (по старой классификации — главной подгруппе восьмой группы), первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической системе. Обозначается символом He (лат. Helium).

Простое вещество гелий — 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 веществом. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой.

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 учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D₃ 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.

Происхождение названия. От греч. ἥλιος — «Солнце» (см. Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (на 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.

Физические свойства

Гелий — практически инертный химический элемент.Простое вещество гелий — нетоксичное, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,215 K для 4He) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы (инертные газы) и вообще всей 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 ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).Энергия связи молекулярного иона гелия He+2 составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние — 1,09 Å.Известно эксимерное химическое соединение гелия LiHe.