Гелій

Ге́лій (хімічний символ — , ) — хімічний елемент з атомним номером 2, який належить до 18-ї групи (за старою класифікацією — головної підгрупи 8-ї групи), 1-го періоду періодичної системи хімічних елементів, та є першим представником благородних газів.

Також, ге́лій () — проста речовина, яку утворює хімічний елемент гелій — (за нормальних умов) легкий, хімічноінертний (найінертніший) одноатомний газ без запаху, кольору та смаку.

Також гелій є другою за легкістю (після водню) хімічною речовиною. Його температура кипіння — найнижча серед усіх відомих речовин.

Загальний опис Гелій нетоксичний, не має кольору, запаху і смаку. За нормальних умов є одноатомним газом. Його точка кипіння (T = 4,216 K) найменша серед всіх елементів. При атмосферному тиску він не переходить у тверду фазу навіть при абсолютному нулі. Твердий гелій отриманий лише при тиску понад 25 атмосфер. Екстремальні умови також необхідні для створення нечисленних хімічних сполук гелію, всі вони нестабільні при стандартній температурі й тиску.

Гелій займає друге місце за поширеністю у Всесвіті й легкістю (після водню). Проте на Землі гелій є рідкісним елементом. У сучасному Всесвіті майже весь новий гелій створюється в результаті термоядерного синтезу із водню в зірках. На Землі він створюється в результаті альфа-розпаду важких елементів (альфа-частинки, випромінювані при альфа-розпаді — це ядра гелію-4). Частина гелію, що виник при альфі-розпаді й просочувався крізь породи земної кори, захоплюється природним газом, концентрація гелію в якому може досягати 7 % від об'єму. Гелій здобувається з природного газу процесом низькотемпературного розділення, що називається фракційною перегонкою.

Історія

18 серпня 1868 французький вчений П'єр Жансан, перебуваючи під час повного сонячного затемнення в індійському місті Гунтур, вперше досліджував хромосферу Сонця. Жансену вдалося налаштувати спектроскоп таким чином, щоб спектр корони Сонця можна було спостерігати не тільки під час затемнення, а й у звичайні дні. На наступний же день спектроскопія сонячних протуберанців розом із лініями водню — синьою, зелено-блакитною і червоною — виявила дуже яскраву жовту лінію, спочатку прийняту Жансеном та іншими астрономами, які спостерігали її, за лінію D натрію. Жансен негайно написав про це до Французької Академії наук. Згодом було встановлено, що яскраво-жовта лінія в сонячному спектрі не збігається з лінією натрію і не належить жодному з раніше відомих хімічних елементів.

Через два місяці, 20 жовтня, англійський астроном Норман Лок'єр, не знаючи про досліди французького колеги, також провів дослідження сонячного спектра. Виявивши невідому жовту лінію з довжиною хвилі 588 нм (більш точно 587,56 нм), він позначив її D3, оскільки вона була дуже близько розташована до фраунгоферових ліній D1 (589,59 нм) і D2 (588,99 нм) натрію. Через два роки Лок'єр пояснив її походження присутністю на Сонці нового елементу та спільно з англійським хіміком Едвардом Франкландом, з яким він співпрацював, запропонував дати новому елементу назву «гелій» (від  — «сонце»).

Цікаво, що листи Жансена і Лок'єра прийшли до Французької Академії наук в один день — 24 жовтня 1868, однак лист Лок'єра, написаний ним чотирма днями раніше, прийшов на кілька годин раніше. Наступного дня обидва листи були зачитані на засіданні Академії. На честь нового методу дослідження протуберанців Французька академія вирішила викарбувати медаль. На одному боці медалі були вибиті портрети Жансена і Лок'єра над схрещеними гілками лавра, а на іншій — зображення міфологічного бога Сонця Аполлона, на колісниці, запряженій четвіркою коней.

У 1881 році італієць Луїджі Пальм'єрі опублікував повідомлення про відкриття ним гелію у вулканічних газах фумароли. Він досліджував світло-жовту маслянисту речовину, що осідала з газових струменів на краях кратера Везувію. Пальм'єрі прожарював цей вулканічний продукт у полум'ї бунзенівського пальника і спостерігав спектр газів, що при цьому виділяються. Вчені-колеги зустріли це повідомлення з недовірою, оскільки свої досліди Пальм'єрі описав неясно. Через багато років у складі фумарольних газів дійсно були знайдені невеликі кількості гелію і аргону.

Тільки через 27 років після свого первинного відкриття гелій був виявлений на Землі — в 1895 році шотландський хімік Вільям Рамзі, досліджуючи зразок газу, отриманого при розкладанні мінералу клевеїту, виявив у його спектрі ту ж яскраво-жовту лінію, знайдену раніше в сонячному спектрі. Зразок був направлений для додаткового дослідження відомому англійському вченому-спектроскопісту Вільяму Круксу, який підтвердив, що спостережувана в спектрі зразка жовта лінія збігається з лінією D3 гелію. 23 березня 1895 Рамзай надіслав повідомлення про відкриття ним гелію на Землі в Лондонське королівське товариство, а також у Французьку академію через відомого хіміка Марселена Бертло.

Шведські хіміки Пер Теодор Клеве і Нільс Абрахам Ленгле змогли виділити з клевеїту достатньо газу, щоб встановити атомну масу нового елемента.

У 1896 році Генріх Кайзер, Зігберт Фрідлендер, а ще через два роки Едвард Белі остаточно довели присутність гелію в атмосфері.

Ще до Рамзая гелій виділив також американський хімік Френсіс Хіллебранд, однак він помилково вважав, що отримав азот, і в листі Рамзаю визнав за ним пріоритет відкриття.

Досліджуючи різні речовини і мінерали, Рамзай виявив, що гелій у них супроводжує уран і торій. Але тільки значно пізніше, в 1906 році, Ернест Резерфорд і Ройдс встановили, що альфа-частинки радіоактивних елементів являють собою ядра гелію. Ці дослідження поклали початок сучасної теорії будови атома.

Тільки в 1908 році нідерландському фізику Гейке Камерлінг-Оннесу вдалося отримати рідкий гелій. Він використовував дроселювання (див. ефект Джоуля — Томсона), після того як газ був попередньо охолоджений у киплячому під вакуумом рідкому водні. Спроби отримати твердий гелій ще довго залишалися безуспішними навіть при температурі в , якої досяг учень Камерлінг-Оннеса — німецький фізик Віллем Хендрік Кеєзом. Лише в 1926 році, застосувавши тиск вище 35 атм і охолодивши стиснений гелій у киплячому під розрідженням рідкому гелії, йому вдалося виділити кристали.

У 1932 році Кеєзом досліджував характер зміни теплоємності рідкого гелію з температурою. Він виявив, що близько 2,19 K повільний і плавний підйом теплоємності змінюється різким падінням, і крива теплоємності набуває форму грецької букви λ (лямбда). Звідси температурі, при якій відбувається стрибок теплоємності, присвоєно умовну назву «λ-точка». Точніше значення температури в цій точці, встановлене пізніше, — 2,172 K. У λ-точці відбуваються глибокі і стрибкоподібні зміни фундаментальних властивостей рідкого гелію — одна фаза рідкого гелію змінюється в цій точці на іншу, причому без виділення прихованої теплоти; відбувається фазовий перехід II роду. Вище температури λ-точки існує так званий гелій-I, а нижче неї — гелій-II.

У 1938 році радянський фізик Капиця Петро Леонідович відкрив явище надплинності рідкого гелію-II, яке полягає в різкому зниженні коефіцієнту в'язкості, внаслідок чого гелій тече практично без тертя. Ось що він писав в одній зі своїх доповідей про відкриття цього явища«Свойства жидкого гелия» (П. Л. Капица) :

… така кількість тепла, яке фактично переносилося, лежить за межами фізичних можливостей, що тіло ні за якими фізичними законами не може переносити більше тепла, ніж його теплова енергія, помножена на швидкість звуку. З допомогою звичайного механізму теплопровідності тепло не могло переноситися в такому масштабі, як це спостерігалося. Треба було шукати інше пояснення. І замість того, щоб пояснити перенесення тепла теплопровідністю, тобто передачею енергії від одного атома до іншого, можна було пояснити його більш тривіально — конвекцією, перенесенням тепла в самій матерії. Чи може справа в тому, що нагрітий гелій рухається вгору, а холодний опускається вниз, завдяки різниці швидкостей виникають конвекційні струми, і таким чином відбувається перенесення тепла. Але для цього треба було припустити, що гелій при своєму русі тече без жодного опору. У нас вже був випадок, коли електрика рухалося без жодного опору по провіднику. І я вирішив, що гелій так само рухається без жодного опору, що він є не надпровідною речовиною, а надплинним. … … Гелій виявився … ідеальною рідиною. Можна було виявити лише межу в'язкості Якщо в'язкість води дорівнює , то це в мільярд разів більш текуча рідина, ніж вода …

Походження назви Лок'єр дав гелію назву, що відображає історію його відкриття (від  — сонце). Оскільки Лок'єр вважав, що виявлений елемент — метал, він використовував у латинській назві елементу закінчення «ium» (відповідає українському закінченню «ій»), яке зазвичай уживається в назвах металів. Таким чином, гелій задовго до свого відкриття на Землі отримав назву, яка закінченням відрізняє його від назв решти інертних газів. За аналогією з іншими благородними газами логічно було б дати йому ім'я «геліон» («Helion»). У сучасній науці назва «геліон» закріпилася за ядром легкого ізотопу гелію — гелію-3.

Поширення

У Всесвіті Серед усіх елементів гелій посідає друге місце за поширеністю у Всесвіті після водню — близько 23 % за масою. Проте на планетах земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) гелію мало. Практично весь гелій Всесвіту утворився в перші кілька хвилин після Великого вибуху в ході реакцій первинного нуклеосинтезу. У сучасному Всесвіті майже весь новий гелій утворюється в результаті термоядерного синтезу з водню в надрах зірок (див. протон-протонний цикл, вуглецево-азотний цикл). На Землі він утворюється в результаті альфа-розпаду важких елементів — урану і торію. Частина гелію, що виникла у результаті альфа-розпаду і мігрує крізь породи земної кори, захоплюється природним газом, концентрація гелію в якому може сягати до 8—16 % об.

У земній корі Серед елементів восьмої групи гелій за кларком у земній корі посідає друге місце (після аргону). Вміст гелію в атмосфері Землі (утворюється в результаті радіоактивного розпаду Ac, Th, U) — 5,27×10−4 % об. і 7,24×10−5 % за масою. Запаси гелію в атмосфері, літосфері і гідросфері Землі оцінюються у 5×1014 м³.

Гелій у природному газі міститься в концентраціях як правило до 2 % об. Дуже рідко зустрічаються скупчення природних газів, у яких вміст гелію сягає 8—16 % об. Максимальна концентрація гелію відмічається в уран- і торійвмісних мінералах: клевеїті, фергусоніті, самарськіті, гадолініті, монациті (монацитові піски в Індії і Бразилії), торіаніті — від 0,8 до 10,5 л/кг. Усі природні гази, які містять гелій у концентраціях більших за 0,02 %, поділяються на чотири групи: а) бідні — концентрація гелію 0,02—0,05 %; б) багаті — 0,05—0,30 %; в) дуже багаті — 0,30—1,0 %; г) унікально багаті — >1,0 %.

Часто при оцінці запасів і ресурсів гелію групи «В» і «Г» об'єднують в одну. В Україні, Росії, Казахстані та інших країнах колишнього СРСР запаси гелію класифікують за категоріями А, B, C1, С2, а ресурси — за категоріями С3, Д1 та Д2.

Ізотопи

Природний гелій складається з двох стабільних ізотопів: 4He (ізотопна поширеність — 99,999863 %) та набагато рідкіснішого 3He (0,000137 %; вміст гелію-3 в різних природних джерелах може варіюватися в досить широких межах). Також відомі ще шість штучних радіоактивних ізотопів гелію, всі вони дуже короткоживучі.

Визначення Якісно гелій визначають за допомогою емісійного спектрального аналізу, основні характеристичні лінії 587,56 та 388,56 нм. Для кількісного визначення користуються мас-спекрометрією та газовою хроматографією, а також методами, заснованими на вимірюванні фізичних властивостей (щільності, теплопровідності та ін.).

Хімічні властивості