Где когда образовалась основное количество гелия во вселенной

• 1-я: 2372,3 кДж / моль
• 2-я: 5250,5 кДж / моль

Спектральные линии гелия

Гелий (от греческого : ἥλιος , латинизированный : helios , букв. «Солнце») — химический элемент с символом He и атомным числом 2. Это бесцветный, без запаха, вкуса, нетоксичный, инертный , одноатомный газ , первый в группе благородных газов в периодической таблице . Его температура кипения самая низкая среди всех элементов . Гелий — второй самый легкий и второй по распространенности элемент в наблюдаемой Вселенной ( водород — самый легкий и самый распространенный элемент ). Он составляет около 24% от общей элементарной массы, что более чем в 12 раз превышает массу всех более тяжелых элементов вместе взятых. Его обилие похоже как на Солнце, так и на Юпитере . Это связано с очень высокой ядерной энергией связи (на нуклон ) гелия-4 по отношению к следующим трем элементам после гелия. Эта энергия связи гелия-4 также объясняет, почему он является продуктом как ядерного синтеза, так и радиоактивного распада . Большая часть гелия во Вселенной — это гелий-4, подавляющее большинство которого образовалось во время Большого взрыва . Большое количество нового гелия создается путем ядерного синтеза водорода в звездах .

Гелий был впервые обнаружен как неизвестная сигнатура желтой спектральной линии в солнечном свете во время солнечного затмения в 1868 году Жоржем Райе , капитаном К. Т. Хейгом, Норманом Р. Погсоном и лейтенантом Джоном Гершелем, что впоследствии было подтверждено французским астрономом Жюлем Янссеном . Янссену часто приписывают обнаружение этого элемента вместе с Норманом Локером . Янссен зарегистрировал спектральную линию гелия во время солнечного затмения 1868 года, а Локьер наблюдал ее из Великобритании. Локьер был первым, кто предположил, что линия связана с новым элементом, который он назвал. Формальное открытие элемента было сделано в 1895 году двумя шведскими химиками, Пер Теодором Клеве и Нильсом Абрахамом Ланглетом , которые обнаружили гелий , выделяющийся из урановой руды , клевеита , который теперь не рассматривается как отдельный вид минералов, а как разновидность уранинита. . В 1903 году большие запасы гелия были обнаружены на месторождениях природного газа в некоторых частях Соединенных Штатов, которые сегодня являются крупнейшим поставщиком газа.

Жидкий гелий используется в криогенных (его самом большом одноразовом использовании, поглощая около четверти производства), особенно в охлаждении из сверхпроводящих магнитов , с главным коммерческим применением находится в МРТ сканеров. На другие виды промышленного использования гелия — в качестве газа для повышения давления и продувки, в качестве защитной атмосферы при дуговой сварке и в таких процессах, как выращивание кристаллов для изготовления кремниевых пластин — приходится половина производимого газа. Хорошо известное, но незначительное использование — в качестве подъемного газа в воздушных шарах и дирижаблях . Как и в случае с любым газом, плотность которого отличается от плотности воздуха, вдыхание небольшого количества гелия временно изменяет тембр и качество человеческого голоса . В научных исследованиях поведение двух жидких фаз гелия-4 (гелий I и гелий II) важно для исследователей, изучающих квантовую механику (в частности, свойство сверхтекучести ), а также для тех, кто изучает такие явления, как сверхпроводимость , возникающие при этом. в вопросе, близком к абсолютному нулю .

На Земле это относительно редко — в атмосфере 5,2 промилле по объему . Большая часть земного гелия, присутствующего сегодня, создается в результате естественного радиоактивного распада тяжелых радиоактивных элементов ( тория и урана , хотя есть и другие примеры), поскольку альфа-частицы, испускаемые такими распадами, состоят из ядер гелия-4 . Этот радиогенный гелий улавливается природным газом в концентрациях до 7% по объему, из которого он извлекается в промышленных масштабах с помощью процесса низкотемпературного разделения, называемого фракционной перегонкой . Раньше считалось , что земной гелий — невозобновляемый ресурс, потому что, попав в атмосферу, он быстро улетает в космос . Тем не менее, недавние исследования показывают, что гелий, образовавшийся глубоко под землей в результате радиоактивного распада, может накапливаться в запасах природного газа в количествах, превышающих ожидаемые, в некоторых случаях из-за вулканической активности.

СОДЕРЖАНИЕ

История

Научные открытия

Первое свидетельство гелия наблюдалось 18 августа 1868 г., в виде ярко — желтого цвета линии с длиной волны от 587.49 нм в спектре от хромосферы от Солнца . Линия была обнаружена французским астрономом Жюлем Янссеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре , Индия. Первоначально предполагалось, что эта линия является натриевой . 20 октября того же года английский астроном Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которую он назвал D _3, потому что она находилась рядом с известными линиями фраунгофера D ₁ и D ₂ натрия. Он пришел к выводу, что это было вызвано элементом Солнца, неизвестным на Земле. Локьер и английский химик Эдвард Франкланд назвали этот элемент греческим словом, обозначающим Солнце, ἥλιος ( гелиос ).

В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмиери впервые обнаружил гелий на Земле по спектральной линии D ₃ , когда он проанализировал материал, который был сублимирован во время недавнего извержения Везувия .

26 марта 1895 года шотландский химик сэр Уильям Рамзи выделил гелий на Земле, обработав минерал клевеит (разновидность уранинита, содержащего не менее 10% редкоземельных элементов ) минеральными кислотами . Рамзи искал аргон, но после отделения азота и кислорода от газа, выделяемого серной кислотой , он заметил ярко-желтую линию, которая соответствовала линии D _3, наблюдаемой в спектре Солнца. Эти образцы были идентифицированы как гелий Локьер и британский физик Уильям Крукс . Он был независимо выделен из клевеита в том же году химиками Пер Теодором Клеве и Абрахамом Ланглетом в Упсале , Швеция, которые собрали достаточно газа, чтобы точно определить его атомный вес . Гелий был также изолирован американским геохимиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом до открытия Рамзи, когда он заметил необычные спектральные линии во время тестирования образца минерала уранинита. Однако Хиллебранд приписал эти линии азоту. Его поздравительное письмо Рамзи представляет собой интересный случай открытия и почти открытия в науке.

В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс продемонстрировали, что альфа-частицы являются ядрами гелия , позволив частицам проникнуть через тонкую стеклянную стенку откачанной трубки, а затем создать разряд в трубке, чтобы изучить спектр нового газа внутри. В 1908 году гелий был впервые сжижен голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом путем охлаждения газа до температуры менее 5 К (-268,15 ° C; -450,67 ° F). Он попытался укрепить его, дополнительно снизив температуру, но ему это не удалось, потому что гелий не затвердевает при атмосферном давлении. Ученику Оннеса Виллему Хендрику Кизому в 1926 году удалось в конечном итоге отвердить 1 см 3 гелия, применив дополнительное внешнее давление.

В 1913 году Нильс Бор опубликовал свою «трилогию» об атомной структуре, которая включала пересмотр ряда Пикеринга – Фаулера в качестве центрального доказательства в поддержку его модели атома . Эта серия названа в честь Эдварда Чарльза Пикеринга , который в 1896 г. опубликовал наблюдения ранее неизвестных линий в спектре звезды ζ Puppis (теперь известно, что они встречаются у Вольфа – Райе и других горячих звезд). Пикеринг приписал наблюдение (линии 4551, 5411 и 10123 Å ) новой форме водорода с полуцелыми уровнями перехода. В 1912 году Альфреду Фаулеру удалось получить аналогичные линии из водородно-гелиевой смеси и поддержать вывод Пикеринга об их происхождении. Модель Бора не допускает полуцелых переходов (как и квантовая механика), и Бор пришел к выводу, что Пикеринг и Фаулер были неправы, и вместо этого отнес эти спектральные линии к ионизированному гелию, He + . Поначалу Фаулер был настроен скептически, но в конечном итоге был убежден, что Бор был прав, и к 1915 году «спектроскописты окончательно перевели [серию Пикеринга – Фаулера] [с водорода] на гелий». Теоретическая работа Бора над серией Пикеринга продемонстрировала необходимость «пересмотра проблем, которые, казалось, уже были решены в рамках классических теорий», и предоставила важное подтверждение его атомной теории.

В 1938 году русский физик Петр Леонидович Капица обнаружил, что гелий-4 почти не имеет вязкости при температурах, близких к абсолютному нулю , — явление, которое теперь называется сверхтекучестью . Это явление связано с конденсацией Бозе – Эйнштейна . В 1972 году то же явление наблюдалось в гелии-3 , но при температурах, намного близких к абсолютному нулю, американскими физиками Дугласом Д. Ошероффом , Дэвидом М. Ли и Робертом К. Ричардсоном . Считается, что явление в гелии-3 связано с спариванием фермионов гелия-3 с образованием бозонов по аналогии с куперовскими парами электронов, создающими сверхпроводимость .

Добыча и использование

После бурения нефтяных скважин в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен газовый гейзер, который не горел, государственный геолог Канзаса Эразмус Хаворт собрал образцы выходящего газа и отвез их обратно в Канзасский университет в Лоуренсе, где с помощью химиков Гамильтона Кэди и Дэвид Макфарланд, он обнаружил, что газ по объему состоит из 72% азота, 15% метана ( горючий процент только при достаточном количестве кислорода), 1% водорода и 12% неидентифицируемого газа. При дальнейшем анализе Кэди и Макфарланд обнаружили, что 1,84% пробы газа составлял гелий. Это показало, что, несмотря на его общую редкость на Земле, гелий был сконцентрирован в больших количествах под Великими равнинами Америки , доступными для добычи в качестве побочного продукта природного газа .

Это позволило США стать ведущим поставщиком гелия в мире. По предложению сэра Ричарда Threlfall , то ВМС США спонсировал три небольших экспериментальных гелиевых заводов в годы Первой мировой войны I. Цель состояла в том, чтобы поставить заградительные шары с негорючим, легче, чем воздух , газ. Всего в рамках программы было произведено 5700 м 3 (200 000 куб. Футов) 92% гелия, хотя ранее было получено менее кубического метра газа. Часть этого газа была использована в первом в мире дирижабле, наполненном гелием, дирижабле C-7 ВМС США , который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс, штат Вирджиния , в Боллинг-Филд в Вашингтоне, округ Колумбия, 1 декабря 1921 года. почти два года до первого военно — морского флота жесткого гелия дирижабля ВМС авиазавод -Встроенного USS Шенандоа , полет в сентябре 1923 года.

Хотя процесс экстракции с использованием низкотемпературного сжижения газа не был разработан вовремя, чтобы иметь важное значение во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа на самолетах легче воздуха. Во время Второй мировой войны спрос на гелий для подъемного газа и для сварки в среде защитной дуги увеличился . Гелия масс — спектрометр был также жизненно важное значение для атомной бомбы Manhattan Project .

Правительство Соединенных Штатов создали Национальный Гелий заповедник в 1925 году в Амарилло, штат Техас , с целью снабжения военных дирижаблей во время войны и коммерческих дирижаблей в мирное время. Из-за Закона о гелии 1925 года , который запрещал экспорт дефицитного гелия, на который в то время была монополия на производство США, а также из-за непомерно высокой стоимости газа, Гинденбург , как и все немецкие цеппелины , был вынужден использовать водород в качестве подъемника. газ. Рынок гелия после Второй мировой войны находился в упадке, но в 1950-х годах его запас был расширен, чтобы обеспечить поставку жидкого гелия в качестве хладагента для создания кислородно-водородного ракетного топлива (среди прочего) во время космической гонки и холодной войны . Использование гелия в Соединенных Штатах в 1965 году более чем в восемь раз превышало пиковое потребление военного времени.

После «поправок к законам о гелию 1960 года» (публичный закон 86–777) Горное управление США организовало пять частных заводов по извлечению гелия из природного газа. Для этой программы сохранения гелия Бюро построило трубопровод протяженностью 425 миль (684 км) от Буштона, штат Канзас , чтобы соединить эти заводы с частично истощенным государственным газовым месторождением Клиффсайд недалеко от Амарилло, штат Техас. Эту гелий-азотную смесь закачивали и хранили в газовом месторождении Клиффсайд до тех пор, пока она не потребовалась, после чего она была дополнительно очищена.

К 1995 году было собрано миллиард кубометров газа, а резерв составлял 1,4 миллиарда долларов США в виде долга, что побудило Конгресс США в 1996 году постепенно отказаться от резерва. В результате принятый в результате Закон о приватизации гелия от 1996 года (публичный закон 104–273) предписал Министерству внутренних дел Соединенных Штатов опустошить запасы, и продажи начнутся к 2005 году.

Гелий, произведенный между 1930 и 1945 годами, имел чистоту около 98,3% (2% азота), что было достаточно для дирижаблей. В 1945 году для сварки было произведено небольшое количество гелия 99,9%. К 1949 году коммерческие количества гелия Grade A 99,95% были доступны.

В течение многих лет Соединенные Штаты производили более 90% коммерческого гелия в мире, в то время как экстракционные заводы в Канаде, Польше, России и других странах производили остальное. В середине 1990-х годов начал работу новый завод в Арзеве , Алжир, производительностью 17 миллионов кубических метров (600 миллионов кубических футов), с объемом производства, достаточным для удовлетворения всех потребностей Европы. Между тем, к 2000 году потребление гелия в США выросло до более чем 15 миллионов кг в год. В 2004–2006 годах были построены дополнительные заводы в Рас-Лаффане , Катар , и Скикде , Алжир. Алжир быстро стал вторым по величине производителем гелия. За это время увеличилось как потребление гелия, так и затраты на его производство. С 2002 по 2007 год цены на гелий выросли вдвое.

По состоянию на 2012 год на долю Национального гелиевого резерва США приходилось 30 процентов мирового гелия. Ожидалось, что в 2018 году в резерве закончится гелий. Несмотря на это, предложенный в Сенате США законопроект позволит резерву продолжать продавать газ. Другие крупные резервы в Hugoton в Канзасе , США, и близлежащих газовых месторождений Канзаса и panhandles из Техаса и Оклахомы . Новые заводы по производству гелия планировалось открыть в 2012 году в Катаре , России и американском штате Вайоминг , но не ожидалось, что они уменьшат дефицит.

В 2013 году Катар запустил крупнейшую в мире гелиевую установку, хотя дипломатический кризис в Катаре в 2017 году серьезно повлиял на производство гелия там. 2014 год был признан годом переизбытка гелиевого бизнеса после многих лет известного дефицита. Nasdaq сообщил (2015), что для Air Products , международной корпорации, которая продает газы для промышленного использования, объемы гелия остаются под экономическим давлением из-за ограничений с поставками сырья.

Характеристики

Атом гелия

Гелий в квантовой механике

С точки зрения квантовой механики , гелий — второй самый простой атом для моделирования после атома водорода . Гелий состоит из двух электронов на атомных орбиталях, окружающих ядро, содержащее два протона и (обычно) два нейтрона. Как и в механике Ньютона, никакая система, состоящая из более чем двух частиц, не может быть решена с помощью точного аналитического математического подхода (см. Задачу трех тел ), и гелий не исключение. Таким образом, требуются численно-математические методы даже для решения системы из одного ядра и двух электронов. Такие методы вычислительной химии использовались для создания квантово-механической картины связывания электронов гелия с точностью до Связанная с этим стабильность ядра гелия-4 и электронной оболочки

Ядро атома гелия-4 идентично альфа-частице . Эксперименты по высокоэнергетическому рассеянию электронов показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается от максимума в центральной точке, точно так же, как плотность заряда собственного электронного облака гелия . Эта симметрия отражает схожую физическую основу: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантово-механическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены другому потенциалу ядерной связи), так что все эти фермионы полностью занимают 1s- орбитали попарно, ни одна из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый компенсирует собственный спин другого. Добавление еще одной из этих частиц потребовало бы углового момента и высвободило бы значительно меньше энергии (фактически, ни одно ядро ​​с пятью нуклонами не является стабильным). Таким образом, такое расположение энергетически чрезвычайно стабильно для всех этих частиц, и эта стабильность объясняет многие важные факты, касающиеся гелия в природе.

Например, стабильность и низкая энергия состояния электронного облака в гелии объясняют химическую инертность элемента, а также отсутствие взаимодействия атомов гелия друг с другом, что приводит к самым низким температурам плавления и кипения среди всех элементов.

Точно так же особая энергетическая стабильность ядра гелия-4, вызванная аналогичными эффектами, объясняет легкость образования гелия-4 в атомных реакциях, которые включают либо испускание тяжелых частиц, либо синтез. Некоторое количество стабильного гелия-3 (2 протона и 1 нейтрон) образуется в реакциях синтеза из водорода, но это очень небольшая часть по сравнению с очень подходящим гелием-4.

Необычная стабильность ядра гелия-4 также важна с космологической точки зрения : она объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого взрыва , как «суп» из свободных протонов и нейтронов, который первоначально был создан в соотношении примерно 6: 1 При охлаждении до такой степени, что ядерное связывание стало возможным, почти все первые составные атомные ядра, которые образовались, были ядрами гелия-4. Связывание гелия-4 было настолько прочным, что образование гелия-4 потребляло почти все свободные нейтроны за несколько минут, прежде чем они могли бета-распадом, а также оставляло мало для образования более тяжелых атомов, таких как литий, бериллий или бор. Ядерная связь гелия-4 на нуклон сильнее, чем у любого из этих элементов (см. Нуклеогенез и энергия связи ), и, таким образом, после образования гелия не было энергии, необходимой для создания элементов 3, 4 и 5. Это было едва ли выгодно с энергетической точки зрения. чтобы гелий сливался в следующий элемент с более низкой энергией на нуклон , углерод. Однако из-за отсутствия промежуточных элементов этот процесс требует, чтобы три ядра гелия столкнулись друг с другом почти одновременно (см. Процесс тройной альфа ). Таким образом, не было времени для образования значительного количества углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до температуры и давления, при которых синтез гелия с углеродом был невозможен. Это оставило раннюю Вселенную с очень похожим соотношением водорода / гелия, которое наблюдается сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), при этом почти все нейтроны во Вселенной были захвачены гелием-4.

Таким образом, все более тяжелые элементы (в том числе те, которые необходимы для каменистых планет, таких как Земля, а также для углеродной или другой жизни), были созданы после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы плавить сам гелий. Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют всего 2% от массы атомной материи во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычного вещества Вселенной — почти все обычное вещество, не являющееся водородом.

Газовая и плазменная фазы

Гелий является вторым наименее химически активным благородным газом после неона и, следовательно, вторым наименее химически активным из всех элементов. Он химически инертен и одноатомен во всех стандартных условиях. Из-за относительно низкой молярной (атомной) массы гелия его теплопроводность , удельная теплоемкость и скорость звука в газовой фазе больше, чем у любого другого газа, кроме водорода . По этим причинам и из-за небольшого размера одноатомных молекул гелия гелий диффундирует через твердые тела в три раза быстрее воздуха и примерно на 65% быстрее, чем водород.

Гелий является наименее водо- растворимы одноатомный газ, и один из наименее растворимые в воде любого газа ( CF ₄ , SF ₆ , и C ₄ F ₈ имеют более низкую растворимость мольной доли: 0.3802, 0,4394, 0,2372 и х ₂ /10 — 5 , соответственно, по сравнению с гелием в 0,70797 х ₂ /10 -5 ) и гелий в показателе преломления ближе к единице , чем у любого другого газа. Гелий имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре окружающей среды, что означает, что он нагревается, когда ему дают возможность свободно расширяться. Только ниже температуры инверсии Джоуля – Томсона (примерно от 32 до 50 К при 1 атмосфере) он охлаждается при свободном расширении. После предварительного охлаждения ниже этой температуры гелий может быть сжижен путем охлаждения расширением.

Большая часть внеземного гелия находится в плазменном состоянии, свойства которого сильно отличаются от свойств атомарного гелия. В плазме электроны гелия не связаны с его ядром, что приводит к очень высокой электропроводности, даже когда газ ионизирован лишь частично. На заряженные частицы сильно влияют магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре вместе с ионизированным водородом частицы взаимодействуют с магнитосферой Земли , вызывая токи Биркеланда и полярное сияние .

Жидкий гелий

В отличие от любого другого элемента, гелий остается жидким до абсолютного нуля при нормальном давлении. Это прямой эффект квантовой механики: в частности, энергия нулевой точки системы слишком высока, чтобы допустить замерзание. Для твердого гелия требуется температура 1–1,5 К (около –272 ° C или –457 ° F) при давлении около 25 бар (2,5 МПа). Часто трудно отличить твердый гелий от жидкого гелия, поскольку показатели преломления двух фаз почти одинаковы. Твердое вещество имеет высокую температуру плавления и кристаллическую структуру, но при этом обладает высокой сжимаемостью ; применение давления в лаборатории может уменьшить его объем более чем на 30%. При объемном модуле около 27 МПа он в 100 раз более сжимаем, чем вода. Твердый гелий имеет плотность 0,214 ± 0,006 г / см 3 при 1,15 К и 66 атм; расчетная плотность при 0 К и 25 бар (2,5 МПа) составляет 0,187 ± 0,009 г / см 3 . При более высоких температурах гелий затвердевает под достаточным давлением. При комнатной температуре для этого требуется около 114000 атм.

Гелий I

Ниже его точки кипения 4,22 К (−268,93 ° C; −452,07 ° F) и выше точки лямбда 2,1768 K (−270,9732 ° C; −455,7518 ° F) изотоп гелий-4 существует в нормальном бесцветном жидком состоянии. , называется гелий I . Как и другие криогенные жидкости, гелий I кипит при нагревании и сжимается при понижении температуры. Однако ниже лямбда-точки гелий не кипит и расширяется при дальнейшем понижении температуры.

Гелий I имеет газообразный показатель преломления 1,026, из-за чего его поверхность настолько трудно различима, что часто используются поплавки из пенополистирола , чтобы показать, где находится поверхность. Эта бесцветная жидкость имеет очень низкую вязкость и плотность 0,145–0,125 г / мл (примерно от 0 до 4 К), что составляет лишь четверть значения, ожидаемого от классической физики . Для объяснения этого свойства необходима квантовая механика, поэтому оба состояния жидкого гелия (гелий I и гелий II) называются квантовыми жидкостями , что означает, что они проявляют атомные свойства в макроскопическом масштабе. Это может быть следствием того, что его точка кипения настолько близка к абсолютному нулю, что не позволяет случайному движению молекул ( тепловой энергии ) маскировать атомные свойства.

Гелий II

Жидкий гелий ниже его лямбда-точки (называемый гелием II ) проявляет очень необычные характеристики. Благодаря высокой теплопроводности , при кипении он не пузырится, а испаряется прямо с поверхности. Гелий-3 также имеет сверхтекучую фазу, но только при гораздо более низких температурах; в результате о свойствах изотопа известно меньше.

Гелий II — сверхтекучее, квантово-механическое состояние (см. Макроскопические квантовые явления ) материи со странными свойствами. Например, когда он протекает через капилляры толщиной от 10-7 до 10-8 м, он не имеет измеримой вязкости . Однако, когда измерения проводились между двумя движущимися дисками, наблюдалась вязкость, сопоставимая с вязкостью газообразного гелия. Современная теория объясняет это с помощью двухжидкостной модели гелия II. В этой модели жидкий гелий ниже лямбда-точки рассматривается как содержащий часть атомов гелия в основном состоянии , которые являются сверхтекучими и текучими с точно нулевой вязкостью, и часть атомов гелия в возбужденном состоянии, которые ведут себя больше как обычная жидкость.

В эффекте фонтана создается камера, которая соединена с резервуаром с гелием II спеченным диском, через который легко протекает сверхтекучий гелий, но через который несверхтекучий гелий не может пройти. Если внутренняя часть контейнера нагревается, сверхтекучий гелий превращается в несверхтекучий гелий. Чтобы поддерживать равновесную долю сверхтекучего гелия, сверхтекучий гелий просачивается и увеличивает давление, заставляя жидкость фонтанировать из контейнера.

Теплопроводность гелия II выше, чем у любого другого известного вещества, в миллион раз больше, чем у гелия I, и в несколько сотен раз больше, чем у меди . Это связано с тем, что теплопроводность происходит благодаря исключительному квантовому механизму. Большинство материалов, которые хорошо проводят тепло, имеют валентную зону свободных электронов, которые служат для передачи тепла. Гелий II не имеет такой валентной зоны, но тем не менее хорошо проводит тепло. Поток тепла определяется уравнениями, которые похожи на волновое уравнение , используемой для характеристики распространения звука в воздухе. Когда вводится тепло, он движется со скоростью 20 метров в секунду при 1,8 К через гелий II в виде волн в явлении, известном как второй звук .

Гелий II также проявляет эффект ползучести. Когда поверхность выходит за пределы уровня гелия II, гелий II движется по поверхности против силы тяжести . Гелий II выйдет из незапертого сосуда, ползая по бокам, пока не достигнет более теплой области, где он испарится. Он движется в пленке толщиной 30 нм независимо от материала поверхности. Этот фильм называется фильмом Роллина и назван в честь человека, впервые охарактеризовавшего эту черту, — Бернарда В. Роллина . В результате такого ползучести и способности гелия II быстро просачиваться через крошечные отверстия очень трудно удерживать. Если контейнер не будет тщательно сконструирован, гелий II будет ползать по поверхностям и через клапаны, пока не достигнет более теплого места, где он испарится. Волны, распространяющиеся по пленке Роллина, управляются тем же уравнением, что и гравитационные волны на мелководье, но вместо силы тяжести восстанавливающей силой является сила Ван-дер-Ваальса . Эти волны известны как третий звук .

Изотопы

Есть девять известных изотопов гелия, но только гелий-3 и гелия-4 являются стабильным . В атмосфере Земли один атом 3
Он за каждый миллион 4
Он . В отличие от большинства элементов, изотопное содержание гелия сильно варьируется в зависимости от происхождения из-за различных процессов образования. Самый распространенный изотоп, гелий-4, производится на Земле в результате альфа-распада более тяжелых радиоактивных элементов; Возникающие альфа-частицы представляют собой полностью ионизированные ядра гелия-4. Гелий-4 — необычно стабильное ядро, потому что его нуклоны организованы в сплошные оболочки . Он также был образован в огромных количествах во время нуклеосинтеза Большого взрыва .

Гелий-3 присутствует на Земле только в следовых количествах. Большая его часть присутствует с момента образования Земли, хотя некоторые из них падают на Землю, захваченные космической пылью . Суммы Микроэлементы также производятся с помощью бета — распада от трития . Породы земной коры имеют изотопные отношения, изменяющиеся в десять раз, и эти отношения можно использовать для исследования происхождения горных пород и состава мантии Земли . 3
Его гораздо больше звезд как продукта ядерного синтеза. Таким образом, в межзвездной среде доля 3
Он к 4
Он примерно в 100 раз выше, чем на Земле. Внепланетный материал, такой как лунный реголит и реголит астероидов , имеет следовые количества гелия-3 от бомбардировки солнечными ветрами . Луны «s поверхность содержит гелий-3 при концентрациях порядка 10 частей на миллиард , намного выше , чем примерно на 5 п.п. найти в атмосфере Земли. Ряд людей, начиная с Джеральда Кульцински в 1986 году, предлагали исследовать Луну, добывать лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза .

Жидкий гелий-4 можно охладить примерно до 1 К (-272,15 ° C; -457,87 ° F) с помощью испарительного охлаждения в емкости 1-K . Подобное охлаждение гелия-3, имеющего более низкую температуру кипения, может достигать примерно 0,2 кельвина в холодильнике с гелием-3 . Равные смеси жидкости 3
Он и 4
Он ниже 0,8 К разделяются на две несмешивающиеся фазы из-за их несходства (они следуют разной квантовой статистике : атомы гелия-4 являются бозонами, а атомы гелия-3 — фермионами ). Холодильники для разбавления используют эту несмешиваемость для достижения температуры в несколько милликельвинов.

Можно производить экзотические изотопы гелия , которые быстро распадаются на другие вещества. Кратчайший сроком тяжелого изотопа гелия является гелий-5 с периодом полураспада от 7,6 × 10 −22 с . Гелий-6 распадается с испусканием бета-частицы и имеет период полураспада 0,8 секунды. Гелий-7 также излучает бета-частицы, а также гамма-лучи . Гелий-7 и гелий-8 образуются в определенных ядерных реакциях . Гелий-6 и гелий-8, как известно, обладают ядерным гало .

Соединения

Гелий имеет нулевую валентность и химически инертен при всех нормальных условиях. Это электрический изолятор, если он не ионизирован . Как и другие благородные газы, гелий имеет метастабильные уровни энергии, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде с напряжением ниже его потенциала ионизации . Гелий может образовывать нестабильные соединения , известные как эксимеры , с вольфрамом, йодом, фтором, серой и фосфором, когда он подвергается тлеющему разряду , электронной бомбардировке или восстанавливается до плазмы другими способами. Молекулярные соединения HeNe, HgHe ₁₀ и WHe ₂ , а также молекулярные ионы He +
2 , Он 2+
2 , HeH +
, и HeD +
были созданы таким образом. HeH + также стабилен в своем основном состоянии, но чрезвычайно реакционноспособен — это самая сильная из известных кислот Бренстеда , и поэтому может существовать только изолированно, поскольку он протонирует любую молекулу или противоанион, с которым контактирует. Этот метод также позволил получить нейтральную молекулу He ₂ , которая имеет большое количество зонных систем , и HgHe, который, по-видимому, удерживается вместе только силами поляризации.

Ван-дер-ваальсовые соединения гелия также могут образовываться из криогенного газообразного гелия и атомов какого-либо другого вещества, такого как LiHe и He ₂ .

Теоретически возможны и другие истинные соединения, такие как фторгидрид гелия (HHeF), который был бы аналогичен HArF , обнаруженному в 2000 году. Расчеты показывают, что два новых соединения, содержащие связь гелий-кислород, могут быть стабильными. Два новых молекулярных вида, предсказанные с использованием теории, CsFHeO и N (CH ₃ ) ₄ FHeO, являются производными метастабильного аниона FHeO -, впервые теоретизированного в 2005 году группой из Тайваня. Если это подтвердится экспериментально, единственным оставшимся элементом без известных стабильных соединений будет неон .

Атомы гелия были вставлены в молекулы полой углеродной клетки ( фуллерены ) путем нагревания под высоким давлением. Эти эндоэдральные молекулы фуллерена , образованные являются стабильными при высоких температурах. Когда образуются химические производные этих фуллеренов, гелий остается внутри. Если используется гелий-3 , его можно легко наблюдать с помощью гелиевой ядерной магниторезонансной спектроскопии . Сообщалось о многих фуллеренах, содержащих гелий-3. Хотя атомы гелия не связаны ковалентными или ионными связями, эти вещества обладают различными свойствами и определенным составом, как и все стехиометрические химические соединения.

Под высоким давлением гелий может образовывать соединения с различными другими элементами. Кристаллы гелий-азотного клатрата (He (N ₂ ) ₁₁ ) были выращены при комнатной температуре и давлении ок. 10 ГПа в ячейке с алмазной наковальней . Изолирующий электриды Na ₂ Он , как было показано , чтобы быть термодинамически стабильным при давлении выше 113 ГПа. Имеет структуру флюорита .

Возникновение и производство

Природное изобилие

Хотя гелий редко встречается на Земле, он является вторым по распространенности элементом в известной Вселенной, составляя 23% от ее барионной массы. Больше только водорода . Подавляющее большинство гелия образовалось в результате нуклеосинтеза Большого взрыва через одну-три минуты после Большого взрыва. Таким образом, измерения его распространенности вносят вклад в космологические модели. В звездах он образуется в результате ядерного синтеза водорода в протон-протонных цепных реакциях и в цикле CNO , который является частью звездного нуклеосинтеза .

В атмосфере Земли объемная концентрация гелия составляет всего 5,2 частей на миллион. Концентрация низкая и довольно постоянная, несмотря на непрерывное производство нового гелия, потому что большая часть гелия в атмосфере Земли уходит в космос в результате нескольких процессов. В гетеросфере Земли , части верхних слоев атмосферы, гелий и другие более легкие газы являются наиболее распространенными элементами.

Большая часть гелия на Земле образуется в результате радиоактивного распада . Гелий содержится в больших количествах в минералах урана и тория , в том числе уранинита и его разновидности клевеит и настураном , карнотита и монацита (имя группы; «монацит» обычно относится к monazite- (Ce) ), так как они излучают альфа — частицы (гелий ядер, He 2+ ), с которыми электроны немедленно соединяются, как только частица останавливается горной породой. Таким образом, по оценкам, в литосфере ежегодно образуется около 3000 метрических тонн гелия . В земной коре концентрация гелия составляет 8 частей на миллиард. В морской воде концентрация составляет всего 4 части на триллион. Также есть небольшие количества в минеральных источниках , вулканическом газе и метеорном железе . Поскольку гелий задерживается под землей в условиях, в которых также задерживается природный газ, наибольшие естественные концентрации гелия на планете обнаруживаются в природном газе, из которого извлекается большая часть коммерческого гелия. Концентрация варьируется в широком диапазоне от нескольких частей на миллион до более 7% на небольшом газовом месторождении в округе Сан-Хуан, штат Нью-Мексико .

По состоянию на 2011 год мировые запасы гелия оценивались в 40 миллиардов кубометров, четверть из которых приходилась на газоконденсатное месторождение Южный Парс / Северный Купол, совместно принадлежащее Катару и Ирану. В 2015 и 2016 годах было объявлено, что дополнительные вероятные запасы находятся под Скалистыми горами в Северной Америке и в Восточноафриканском рифте .

Современная добыча и распространение

Для крупномасштабного использования гелий извлекается путем фракционной перегонки из природного газа, который может содержать до 7% гелия. Поскольку гелий имеет более низкую точку кипения, чем любой другой элемент, низкая температура и высокое давление используются для сжижения почти всех других газов (в основном азота и метана ). Полученный неочищенный газообразный гелий очищают путем последовательного воздействия пониженных температур, при котором почти весь оставшийся азот и другие газы осаждаются из газовой смеси. Активированный уголь используется в качестве конечной стадии очистки, обычно приводящей к получению гелия Grade-A с чистотой 99,995%. Основная примесь в гелии Grade-A — неон . На заключительном этапе производства большая часть производимого гелия сжижается с помощью криогенного процесса. Это необходимо для приложений, требующих жидкого гелия, а также позволяет поставщикам гелия снизить стоимость транспортировки на большие расстояния, поскольку самые большие контейнеры с жидким гелием имеют вместимость более чем в пять раз больше, чем самые большие прицепы с газообразным гелием.

В 2008 году около 169 миллионов стандартных кубических метров (SCM) гелия было извлечено из природного газа или извлечено из запасов гелия, причем примерно 78% из США, 10% из Алжира и большая часть оставшейся части из России, Польши и Катара. К 2013 году увеличение производства гелия в Катаре (в рамках компании RasGas, управляемой Air Liquide ) увеличило долю Катара в мировом производстве гелия до 25% и сделало его вторым по величине экспортером после США. Примерно 54 миллиарда кубических футов (1,5 × 10 9 м 3 ) месторождения гелия было обнаружено в Танзании в 2016 году. В 2020 году в Нинся , Китай, был открыт крупномасштабный завод по производству гелия .

В Соединенных Штатах большая часть гелия добывается из природного газа на месторождении Хьюготон и близлежащих газовых месторождениях в Канзасе, Оклахома, и на месторождении Панхандл в Техасе. Большая часть этого газа когда-то отправлялась по трубопроводу в Национальный запас гелия , но с 2005 года этот запас истощается и продается, и ожидается, что он будет в значительной степени истощен к 2021 году в соответствии с Законом об ответственном управлении и хранении гелия от октября 2013 года (HR 527 ).

Еще одним методом извлечения и очистки гелия является диффузия сырого природного газа через специальные полупроницаемые мембраны и другие барьеры. В 1996 году доказанные запасы гелия в таких газовых скважинах в США составляли около 147 миллиардов стандартных кубических футов (4,2 миллиарда кубических футов ). При темпах использования в то время (72 миллиона SCM в год в США; см. Круговую диаграмму ниже) этого гелия было бы достаточно примерно на 58 лет использования в США, и меньше этого (возможно, 80% времени) в мире. коэффициенты использования, хотя факторы экономии и обработки влияют на эффективные резервные числа.

Гелий необходимо извлекать из природного газа, потому что он присутствует в воздухе в размере лишь доли неона, но потребность в нем намного выше. Подсчитано, что если бы все производство неона было переоборудовано для экономии гелия, 0,1% мировой потребности в гелии было бы удовлетворено. Точно так же только 1% мировой потребности в гелии может быть удовлетворен за счет переоснащения всех установок воздушной дистилляции. Гелий можно синтезировать путем бомбардировки лития или бора протонами с высокой скоростью или путем бомбардировки лития дейтронами , но эти процессы являются совершенно неэкономичным методом производства.

Гелий коммерчески доступен в жидкой или газообразной форме. В виде жидкости он может поставляться в небольших изотермических контейнерах, называемых дьюарами, которые вмещают до 1000 литров гелия, или в больших контейнерах ISO с номинальной емкостью до 42 м 3 (около 11 000 галлонов США ). В газообразной форме небольшие количества гелия поставляются в баллонах высокого давления объемом до 8 м 3 (примерно 282 стандартных кубических фута), в то время как большие количества газа высокого давления поставляются в трубчатых прицепах, которые имеют такую ​​же вместимость. как 4 860 м 3 (приблизительно 172 000 стандартных кубических футов).

Защитники сохранения

По словам защитников гелия, таких как лауреат Нобелевской премии по физике Роберт Коулман Ричардсон , писавший в 2010 году, свободные рыночные цены на гелий способствовали «расточительному» использованию (например, для гелиевых шаров ). Цены в 2000-х годах были снижены из-за решения Конгресса США продать большие запасы гелия в стране к 2015 году. По словам Ричардсона, цену нужно было умножить на 20, чтобы исключить чрезмерную трату гелия. В своей книге « Будущее гелия как природного ресурса» (Routledge, 2012) Наттолл, Кларк и Гловаки (2012) также предложили создать Международное агентство по гелию (IHA) для создания устойчивого рынка для этого драгоценного товара.

Источник