Гелий

Гелий - бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л. Альваресом и Р. Кернегом. Содержание 3He составляет 10 - 5 % гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H - изотоп водорода).  

Гелий - необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.
Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

    Как образуется гелий

    В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико — несколько кубических сантиметров гелия на грамм.
    Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

    Синтез гелия — начало жизни

    Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.
    В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т.н. сырой гелий, (He - 70-90 % об.) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).
    В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15-1 % об.), что позволит намного снизить его себестоимость.
    По производству гелия лидируют США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³. Крупные месторождения находятся в США (45 % от мировых ресурсов), далее идут Россия (32 %), Алжир (7 %), Канада (7 %) и Китай (4 %)

    Транспортировка

    Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать автотранспорт, воздушный и железнодорожный транспорт при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.
    Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

    Свойства гелия

    Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м3. 
    Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
    Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.
    Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики — меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.

    Применение

  • Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве
  • в металлургии, гелий используется в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов
  •  в пищевой промышленности гелий зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939, в качестве пропеллента и упаковочного газа
  • гелий используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
  • гелий используется для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)
  • в дыхательных смесях, гелий используют для глубоководного погружения (Баллон для дайвинга)
  • гелий применяют для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов для заполнения газоразрядных трубок
  • гелий применяют в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов
  • гелий испльзуют в качестве носителя в газовой хроматографии
  • гелий применяют для поиска утечек в трубопроводах и котлах (Гелиевый течеискатель)
  • гелий применяют как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
  • нуклид 3He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
  • нуклид 3He является перспективным топливом для термоядерной энергетики
  • гелий используют для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично гексафториду серы)

    Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…

    В 1918 г. впервые для наполнения оболочек дирижаблей был применен гелий. Это, естественно, был американский дирижабль под названием «С-7», произведенный фирмой «Гудиир». Позже гелий стал довольно широко использоваться на американских воздушных кораблях – например, на «ZR-1 Шенандоа». Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
    Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.
    В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.
    В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
    Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
    Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота — подобно шампанскому при открывании бутылки.
    Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге — к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно. 
    При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.
    «Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

    Еще не вечный, но уже безвредный

    В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель, который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.
    По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.