Гелий, второй элемент периодической системы, обладает атомным номером 2 и атомной массой 4,0026. Представляя собой инертный газ, лишен цвета, вкуса и запаха, отличается наивысшей температурой кипения среди известных веществ. Во Вселенной он занимает второе место по распространенности после водорода.
Процесс извлечения гелия из природного газа осуществляется методом низкотемпературной фракционной перегонки. Гелий не образует химических соединений при стандартных условиях, и его изотопный состав включает стабильные изотопы He и 4He, а также редкий изотоп "He". Химические соединения гелия нестабильны при стандартных условиях.
С точки зрения термодинамики, газ обладает наименьшей точкой кипения среди простых веществ. Под атмосферным давлением он не может пребывать в твердом состоянии, даже при абсолютном нуле. Его природное происхождение связано с первичным нуклеосинтезом в первые минуты после Большого взрыва.
На Земле гелий образуется в результате альфа-распада тяжелых элементов. Практически весь гелий, присутствующий во Вселенной, формируется в звездах через термоядерный синтез. Метод фракционной перегонки используется для выделения гелия из природного газа, который может содержать до 7% этого элемента.
История
В конце XIX века, в период активных научных открытий, астрономы Пьер Жансен и Джозеф Локьер независимо друг от друга обнаружили загадочную ярко-желтую линию в спектре излучения Солнца. Жансен, проводя наблюдения хромосферы Солнца в городе Гунтуре, Индия, во время солнечного затмения в августе 1868 года, воспользовался методом спектроскопии и первым обнаружил эту загадочную линию. В то же время, Локьер, работая в Англии, также отметил этот феномен, проводя свои исследования спектра Солнца.
Этот загадочный элемент, выделенный в спектре, не поддавался объяснению существующими на тот момент знаниями о химических элементах. Позднее, Локьер и Жансен совместно назвали этот элемент "гелий", происходящее от греческого слова "солнце", чтобы отразить его астрономическое происхождение.
Интересно, что открытие гелия произошло во время солнечного затмения, когда астрономы могли наблюдать явления, скрытые обычно за ярким светом Солнца. Именно эти наблюдения во время затмения позволили ученым обнаружить новый элемент и расширить наши знания о составе звезды, находящейся в центре нашей солнечной системы.
Нахождение в природе
Гелий, занимающий второе место по распространенности во Вселенной после водорода, составляет около 23% массы космоса. На Земле этот элемент относительно редок. Всеобщая представленность гелия в Вселенной объясняется его формированием в первые минуты после Большого взрыва в результате первичного нуклеосинтеза. В настоящее время, в современной Вселенной, этот газ образуется в процессе термоядерного синтеза из водорода в звездах. На Земле формируется в результате альфа-распада тяжелых элементов, а его часть, проникая сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, достигая концентрации в 7% и более.
Гелий входит в восемнадцатую группу химических элементов и, согласно содержанию в земной коре, занимает второе место после аргона. В атмосфере его содержание составляет 5,27⋅10−4% по объему и 7,24⋅10−5% по массе, образуясь в результате распада тория, урана и их дочерних радионуклидов. Гелионосные природные газы, как правило, содержат до 2% гелия по объему, иногда достигая 8—16%.
Содержание гелия в земных веществах варьирует, с наибольшей концентрацией в минералах, содержащих уран, торий и самарий, таких как клевеит, фергюсонит, самарскит, гадолинит и монациты. Этот радиогенный гелий образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов.
В 2016 году в районе озера Виктория в Танзании были обнаружены значительные залежи гелия, примерный объем которых оценивается в 1,5 млрд кубических метров. Крупные запасы также содержатся в восточносибирских газовых месторождениях России, таких как Ковыктинское и Чаяндинское месторождения.
Гелий добывается из природных и нефтяных газов, с мировыми запасами, оцениваемыми в 45,6 млрд м³. Мировой рынок гелия составляет 170—190 млн м³/год, при этом основную долю производства обеспечивают США и Катар. В последние годы доля США в этом рынке снизилась, а доли Катара и Алжира увеличились.
Физические свойства
Гелий, представляющий собой химический элемент с атомным номером 2 и обозначением He в периодической системе химических элементов, проявляет уникальные физические свойства, делающие его объектом широких исследований в различных областях науки и технологий. Этот газ, второй по легкости после водорода, отличается отсутствием цвета, вкуса и запаха, что является результатом его химической инертности.
Физические свойства гелия определяют его уникальные характеристики. Низкая критическая температура этого элемента, составляющая -267,97 °C, свидетельствует о его стабильности при различных условиях. Гелий не растворяется в воде, остается химически инертным и устойчивым к ионизации. Его высокая теплопроводность, превосходящая характеристики других газов, за исключением водорода, делает его ценным материалом для создания сверхчистых сред и сверхпроводящих материалов.
Одним из важных физических свойств гелия является его коэффициент преломления, который ближе к единице по сравнению с другими газами. Этот показатель указывает на особенности взаимодействия гелия с электромагнитным излучением. Скорость диффузии гелия через твёрдые материалы значительно превышает аналогичные характеристики воздуха, а также на 65% превышает скорость диффузии водорода.
Важным аспектом физических свойств гелия является его поведение при расширении и охлаждении. Гелий проявляет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре среды, что приводит к его нагреву при свободном увеличении объема. Однако, при достижении температуры инверсии Джоуля-Томсона (приблизительно 40 K при нормальном давлении), начинает остывать при свободном расширении. Дальнейшее охлаждение может привести к переходу гелия в жидкую фазу, осуществляемому с использованием расширительного охлаждения.
Более того, гелий является практически инертным химическим элементом, что означает его ограниченное образование стабильных химических соединений при нормальных условиях. Его точка кипения при минимальных температурах среди всех веществ делает его особенно интересным объектом для изучения фазовых переходов и поведения в экстремальных условиях.
Физические характеристики гелия также определяют его распространенность в различных средах. Нетоксичность, отсутствие цвета, запаха и вкуса делают гелий безопасным для использования в различных областях, включая научные исследования, технологические процессы, а также медицинскую диагностику и терапию.
Итак, гелий, обладая своими уникальными физическими свойствами, оставляет широкий простор для научных исследований и практического применения в различных областях.
Химические свойства
Гелий, с химическим атомным номером 2, представляет собой химический элемент, обладающий выдающимися физическими и химическими свойствами, делающими его объектом интенсивных исследований в научном сообществе. Известен своей уникальной инертностью и обладанием самой маленькой молекулой среди элементов Вселенной.
В газовой фазе гелий продемонстрировал способность образовывать химические соединения, такие как фториды и гидриды гелия. Однако природные условия для их формирования практически отсутствуют, и их синтез обычно осуществляется лишь в контролируемых лабораторных условиях. Эксимерные молекулы гелия, такие как двухатомные He2, фторид HeF и хлорид HeCl, представляют интересные объекты изучения, возникая при воздействии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на гелий, смешанный с фтором или хлором. При стандартных температурах и давлении газ ведет себя примерно как идеальный газ.
Химически гелий выступает как наименее активный элемент восьмой группы периодической системы и, в отличие от большинства газов, не образует клатратов, поскольку его маленькие атомы не могут полностью заполнять пространства в структуре воды. Однако в газовой фазе газ способен образовывать эксимерные молекулы. В 2013 году была опубликована работа, предполагающая теоретическую возможность образования соединения гелия с натрием при высоких давлениях, что открыло новые перспективы в исследовании необычных химических свойств гелия.
Энергия связи молекулярного иона гелия He2+ составляет 58 ккал/моль, а равновесное межъядерное расстояние составляет 1,09 Å. Эти данные свидетельствуют о стабильности этого соединения при экстремально высоких давлениях, что предоставляет интересные возможности для изучения в условиях высоких давлений и температур. Научные исследования также предвидят возможные соединения гелия с другими элементами, такими как азот, железо и кремний, что имеет существенное значение для расширения наших знаний о составе планет-гигантов и белых карликов в космических просторах.
Аллотропные модификации
Гелий не имеет аллотропных модификаций
Изотопы
Изотопы гелия представляют собой различные варианты атомов (и их ядер) химического элемента гелия, обладающие различным количеством нейтронов в ядре. На настоящий момент известно 9 изотопов, при этом только два из них обладают стабильностью. Природный состав гелия включает два стабильных изотопа: 4He (с распространенностью в изотопной структуре на уровне 99,99986%) и гораздо менее распространенный 3He (0,00014%; концентрация изотопа гелия-3 в различных естественных источниках может демонстрировать существенные вариации). Среди радиоизотопов гелия наиболее долгоживущим является 6He, обладающий периодом полураспада в 807 миллисекунд.
Получение
Гелий, второй элемент в периодической таблице, представляет значительный интерес с практической и научной точек зрения. Промышленное производство этого инертного газа осуществляется через низкотемпературный процесс фракционной перегонки, который эффективно разделяет компоненты природного газа. Важным аспектом в области гелиевого производства в России является работа завода ООО "Газпром добыча Оренбург", где осуществляется извлечение гелия из природного и нефтяного газа с низким содержанием этого газа, что, в свою очередь, влечет за собой повышенные эксплуатационные издержки и увеличение общей себестоимости гелия в России.
Гелий, как элемент с наименьшей химической активностью в своей группе, представляет собой инертный газ, не образующий стабильные химические соединения при обычных условиях. Гелиевые месторождения различаются по содержанию гелия, подразделяясь на богатые, рядовые и бедные. Существенные концентрации гелия обнаружены в месторождениях природного газа в Северной Америке, таких как Канада и США. Производство гелия по странам также отражает их долю в мировых запасах, где США занимают ведущую позицию с 45% ресурсов, а Россия следует после них с 32%.
Природные запасы гелия на Земле ограничены, несмотря на его широкое распространение во Вселенной. Добыча гелия требует тщательной обработки природного газа, поскольку его содержание может варьироваться от 0,055% до 0,5%. Очистка включает в себя двухэтапный процесс, начиная с извлечения гелиевого концентрата и заканчивая удалением примесей, таких как водород, аргон и метан. В настоящее время основным поставщиком гелия в России является завод "Газпром добыча Оренбург", который сталкивается с сокращением объемов производства газа. Это обстоятельство делает месторождения Восточной Сибири, такие как Ковыктинское газоконденсатное месторождение, ключевыми для удовлетворения потребности в гелии в будущем. Важно также отметить потенциал дальнейших исследований в области соединений гелия с другими элементами, что могло бы расширить наши знания о его химических свойствах.
Применение
Гелий, как химически инертный элемент, находит широкое и разностороннее применение в различных отраслях промышленности и научных областях. Уникальные свойства гелия, такие как отсутствие химической реактивности и низкая плотность, делают его ценным материалом для множества технических и медицинских задач.
Одним из важных применений гелия является создание инертной среды в дирижаблях с целью предотвращения окисления металлических сплавов в процессе их термообработки. В области хроматографии гелий находит применение в качестве газа-носителя, обеспечивая эффективное разделение компонентов веществ. Также применяется в водолазных баллонах и смесях для облегчения дыхания, поскольку его практически нерастворимость в человеческой крови делает его безопасным для дыхательных систем.
В области ядерной энергетики гелий используется в качестве отличного теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов. Его высокая теплопроводность делает его предпочтительным выбором для охлаждающих систем ядерных реакторов. Кроме того, широко применяется в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов, предотвращая окисление металла и образование шлаковых включений.
В пищевой промышленности гелий известен как пищевая добавка E939, используемая в качестве пропеллента и упаковочного газа. Его свойства хладагента позволяют использовать его для получения сверхнизких температур, что делает его незаменимым материалом в ряде высокотехнологичных устройств, включая ускорители заряженных частиц, детекторы инфракрасного высокочастотного излучения, сканирующие туннельные микроскопы и криогенные электрические машины.
Гелий также находит применение в оборонном производстве, медицине, научных исследованиях и даже в развлекательной сфере. Его использование в сварочных процессах в металлургии позволяет проводить работы без риска окисления металла и формирования шлаковых включений. Кроме того, его свойства легкости и отсутствия токсичности делают его идеальным для использования в воздушных шарах и дыхательных смесях. В области научных исследований газ используется в качестве индикатора утечек в атомных реакторах и системах высокого и низкого давления.
Все эти разнообразные применения гелия подчеркивают его уникальные характеристики и важность в различных сферах человеческой деятельности.
Исследования и современные перспективы
Перспективы использования гелия представляют собой объект научного исследования в свете его редкости и ограниченности воспроизводимых ресурсов. Информация, появившаяся несколько лет назад в западных СМИ, указывала на ограниченность подтвержденных запасов гелия, предполагая, что они могут быть достаточными лишь на период примерно 25-30 лет.
В настоящее время прогнозы экспертов более оптимистичны. В России осуществляются перспективные проекты по гелиевой добыче, учитывая, что нашей стране принадлежит значительная доля (примерно 34%) мировых ресурсов гелия. Ведутся активные поиски новых месторождений, и, согласно Лоле Огрель, руководителю отдела аналитики компании CREON Energy, потенциальные источники гелия в России могут включать свыше 170 месторождений природного газа из уже разведанных.
Одним из наиболее перспективных направлений в области гелиевой промышленности является строительство Амурского газоперерабатывающего завода. Предполагается, что к 2025 году завершится его строительство, а первые две технологические линии будут введены в эксплуатацию уже в 2021 году. Планируется, что к 2022 году завод сможет перерабатывать до 42 млрд кубометров природного газа в год, став тем самым крупнейшим производителем гелия в мире к 2025 году.
Тем не менее, следует отметить, что запасы гелия ограничены, и высокий спрос на данный элемент будет продолжать вызывать увеличение его цены. В развитых странах активно исследуются более эффективные методы использования этого природного ресурса, а также ищутся альтернативные варианты. К примеру, в медицинской сфере недавно стали применяться сверхпроводящие магниты с технологией нулевой потери гелия, не требующие регулярной заправки. Несмотря на более высокие затраты на приобретение и обслуживание таких магнитов, экономия на регулярных заправках гелия может сделать данное оборудование весьма перспективным в ближайшие десятилетия.
Биологическая роль
Гелий, как элемент, не проявляет биологическую активность и лишен биологически значимых функций. В контексте физиологического воздействия, хотя инертные газы обнаруживают наркотическую активность, отмечается, что у гелия и неона при атмосферном давлении такового не проявляется. Тем не менее, при увеличении давления возможны симптомы "нервного синдрома высокого давления".
Содержание гелия в вдыхаемой смеси в высоких концентрациях (превышающих 80%) может вызвать различные негативные эффекты, такие как головокружение, тошнота, рвота, потеря сознания и, в экстремальных случаях, асфиксия. Даже однократное вдыхание чистого гелия, например, из шара с гелием, может привести к подобным эффектам. Безвкусие и отсутствие запаха гелия часто сопровождают неожиданную потерю сознания при вдыхании высоких концентраций.
Вдобавок, воздействие гелия на голосовые свойства ощущается в виде изменения тембра, придавая голосу тонкость, сходную с кряканьем утки. Это объясняется более высокой скоростью звука в гелии по сравнению с воздухом при одинаковых условиях, что приводит к увеличению частоты резонанса голосового тракта.
Наконец, вдыхание гелия может представлять опасность для здоровья, так как в легкие поступает недостаточное количество кислорода. Однако использование гелиокса и тримикса (смеси кислорода, азота и гелия) считается более безопасным для дыхания.
Экономика
Динамика цен на гелий за последние десятилетия свидетельствует о заметном повышении стоимости этого элемента. Восходящий тренд объясняется не только естественной инфляцией, но и постоянным увеличением спроса на данный редкий химический элемент. Влияние на формирование цен также оказывают политические факторы, связанные с регионом добычи сырья. Например, кризис в Катаре в 2017 году привел к нарушениям в поставках гелия и вызвал рост цен на мировом рынке.
В России резкое увеличение стоимости гелия произошло в октябре 2018 года. Этот всплеск не объясняется только общемировой тенденцией, но и временным закрытием на ремонт ООО "Газпром добыча Оренбург". Например, если весной 2018 года цена на жидкий гелий составляла 600 рублей за литр, то в октябре 2018 года она достигла 2000 рублей за литр.
Эта динамика повлияла на множество областей применения гелия, включая медицину и науку. По мнению ректора СПбПУ Андрея Рудского, текущая ситуация в итоге приведет к увеличению цен на услуги по проведению МРТ, а затруднения в обслуживании дорогостоящего оборудования научных лабораторий приведут к приостановке ряда исследовательских проектов.
Опыт показывает, что подорожание гелия затронуло различные сферы, в том числе работу центров МРТ. Например, для заправки одного томографа в центре МРТ "Ами" потребовалось 3 сосуда Дьюара объемом 275 литров. Если весной 2018 года заправка обходилась примерно в 480 000 тысяч рублей, то осенью та же процедура стоила уже 1 630 000 тысяч рублей. Подобные тенденции отмечаются в большинстве центров МРТ по всей России.