ГЕЛИЙ

ГЕЛИЙ

Номер КАС: 7440-59-7
Номер ЕС: 231-168-5

Гелий (от греческого: ἥλιος, латинизированный: helios, букв. «Солнце») — химический элемент с символом He и атомным номером 2.
Гелий - бесцветный, без запаха, без вкуса, нетоксичный, инертный, одноатомный газ и первый в группе благородных газов в периодической таблице.

Температура кипения и плавления гелия самая низкая среди всех элементов.
Гелий — второй самый легкий и второй по распространенности элемент в наблюдаемой Вселенной (водород — самый легкий и самый распространенный).

Гелий составляет около 24% от общей массы элемента, что более чем в 12 раз превышает массу всех более тяжелых элементов вместе взятых.
Содержание гелия аналогично этому как на Солнце, так и на Юпитере из-за очень высокой энергии связи ядра (на нуклон) гелия-4 по сравнению со следующими тремя элементами после гелия.

Эта энергия связи гелия-4 также объясняет, почему гелий 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 ядерным синтезом водорода в звездах.

Гелий был впервые обнаружен как неизвестная желтая спектральная линия в солнечном свете во время солнечного затмения в 1868 году Жоржем Райе, капитаном К. Т. Хейгом, Норманом Р. Погсоном и лейтенантом Джоном Гершелем, и впоследствии это было подтверждено французским астрономом Жюлем Янссеном.

Янссену часто приписывают обнаружение этого элемента вместе с Норманом Локьером.
Янссен зафиксировал спектральную линию гелия во время солнечного затмения 1868 года, а Локьер наблюдал гелий из Великобритании.
Локьер был первым, кто предположил, что линия возникла из-за нового элемента, который он назвал.

Официальное открытие этого элемента было сделано в 1895 году химиками сэром Уильямом Рамзи, Пером Теодором Кливом и Нильсом Абрахамом Лангле, которые обнаружили гелий, выделяющийся из урановой руды, клевеита, который сейчас рассматривается не как отдельный вид минерала, 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.

На Земле гелий относительно редок - 5,2 частей на миллион по объему в атмосфере.
Большая часть существующего сегодня земного гелия создается в результате естественного радиоактивного распада тяжелых радиоактивных элементов (тория и урана, хотя есть и другие примеры), поскольку альфа-частицы, испускаемые таким распадом, состоят из ядер гелия-4.

Этот радиогенный гелий улавливается природным газом в концентрациях до 7% по объему, из которого гелий извлекается в коммерческих целях с помощью процесса низкотемпературного разделения, называемого фракционной перегонкой.
Земной гелий является невозобновляемым ресурсом, потому что, попадая в атмосферу, гелий сразу же улетает в космос.

Считается, что запасы гелия быстро сокращаются.
Однако некоторые исследования показывают, что гелий, образовавшийся глубоко под землей в результате радиоактивного распада, может накапливаться в запасах природного газа в больших, чем ожидалось, количествах, в некоторых случаях высвобождаясь в результате вулканической активности.

Гелий получил свое название от «гелиос», греческого слова, обозначающего солнце.
Гелий был обнаружен на Солнце по его спектральным линиям за много лет до того, как он был обнаружен на Земле.
Бесцветный газ без запаха, абсолютно нереакционноспособный.

Ниже точки кипения гелия 4,22 К (-268,93 ° C; -452,07 ° F) и выше лямбда-точки 2,1768 К (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F) изотоп гелия-4 существует в нормальном бесцветном жидком состоянии. , названный гелием I.
Гелий-4 уникален тем, что имеет две жидкие формы.

Нормальная жидкая форма называется гелием I и существует при температурах от точки кипения гелия I 4,21 К (-268,9 ° C) до примерно 2,18 К (-271 ° C).
Ниже 2,18 К теплопроводность гелия-4 становится более чем в 1000 раз выше, чем у меди.

Эта жидкая форма называется гелием II, чтобы отличить ее от обычного жидкого гелия I.
Гелий II обладает свойством, называемым сверхтекучестью: его вязкость, или сопротивление течению, настолько мала, что ее не измеряли.

Эта жидкость растекается тонкой пленкой по поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.
Напротив, менее распространенный гелий-3 образует три различимые жидкие фазы, две из которых являются сверхтекучими.

Сверхтекучесть гелия-4 была открыта русским физиком Петром Леонидовичем Капицей в середине 1930-х годов, а такое же явление в гелии-3 впервые наблюдали Дуглас Д. Ошерофф, Дэвид М. Ли и Роберт К. Ричардсон из Соединенных Штатов Америки. Штаты в 1972 году.

Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и гелия-4 при температуре ниже примерно 0,8 К (-272,4 ° C или -458,2 ° F) разделяется на два слоя.
Один слой - практически чистый гелий-3; другой в основном состоит из гелия-4, но сохраняет около 6 процентов гелия-3 даже при самых низких достигнутых температурах.

Растворение гелия-3 в гелии-4 сопровождается охлаждающим эффектом, который использовался в конструкции криостатов (устройств для получения очень низких температур), которые могут достигать и поддерживать в течение нескольких дней такие низкие температуры, как 0,01 К ( -273,14 ° C или -459,65 ° F).

ГЕЛИЙ I
Ниже точки кипения гелия I 4,22 К (-268,93 ° C; -452,07 ° F) и выше лямбда-точки 2,1768 К (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F) изотоп гелия-4 существует в нормальной бесцветной жидкости. состояние, называемое гелием I.

Как и другие криогенные жидкости, гелий I кипит, когда гелий I нагревается, и сжимается, когда температура гелия I понижается.
Однако ниже лямбда-точки гелий не кипит, а при дальнейшем понижении температуры гелий расширяется.

Гелий I имеет подобный газу показатель преломления 1,026, что делает его поверхность настолько трудноразличимой, 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 одну четвертую от значения, ожидаемого в классической физике.

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 атомарные свойства в макроскопическом масштабе.
Это может быть следствием того, что его температура кипения настолько близка к абсолютному нулю, что не позволяет случайному молекулярному движению (тепловой энергии) маскировать атомные свойства.

ГЕЛИЙ II
Жидкий гелий ниже лямбда-точки жидкого гелия (называемый гелием II) проявляет очень необычные характеристики.
Из-за высокой теплопроводности жидкого гелия при кипении жидкий гелий 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 течет по капиллярам толщиной от 10-7 до 10-8 м, его вязкость не поддается измерению.

Однако при измерениях между двумя движущимися дисками наблюдалась вязкость, сравнимая с вязкостью газообразного гелия.
Текущая 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 текут с нулевой вязкостью, и часть атомов гелия в возбужденном состоянии, которые ведут себя скорее как обычная жидкость.

В эффекте фонтана создается камера, которая соединяется с резервуаром гелия II спеченным диском, через который легко просачивается сверхтекучий гелий, но через который не может пройти несверхтекучий гелий.

Если внутреннюю часть контейнера нагреть, сверхтекучий гелий превращается в несверхтекучий гелий.
Чтобы поддерживать равновесную долю сверхтекучего гелия, сверхтекучий гелий просачивается и увеличивает давление, в результате чего жидкость фонтанирует из контейнера.

Теплопроводность гелия II больше, 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 по исключительному квантовому механизму.

Большинство материалов, хорошо проводящих тепло, имеют валентную зону свободных электронов, которые служат для переноса тепла.
Гелий II не имеет такой валентной зоны, но тем не менее хорошо проводит тепло.
Поток тепла описывается уравнениями, подобными волновому уравнению, используемому для характеристики распространения звука в воздухе.

Когда вводится тепло, оно движется со скоростью 20 метров в секунду при температуре 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 уровень гелия II, гелий II движется вдоль поверхности против силы тяжести. Гелий II будет выходить из незапечатанного сосуда, ползая вдоль стенок, пока гелий II не достигнет более теплой области, где он испарится.

Гелий II 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. Роллена.
В результате этого ползучего поведения и способности гелия II быстро просачиваться через крошечные отверстия, гелий II очень трудно ограничить.

Если контейнер не будет тщательно сконструирован, гелий II будет ползти по поверхностям и через клапаны, пока гелий II не достигнет более теплого места, где гелий II испарится.

Волны, распространяющиеся по пленке Роллина, подчиняются тому же уравнению, что и гравитационные волны на мелководье, но вместо гравитации восстанавливающей силой является сила Ван-дер-Ваальса.
Эти волны известны как третий звук.

ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ:
Известно девять изотопов гелия, но стабильны только гелий-3 и гелий-4.
В атмосфере Земли один атом равен 3
Гелия на каждый миллион, равный 4 He.

В отличие от большинства элементов, изотопное содержание гелия сильно различается в зависимости от происхождения из-за разных 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 является необычайно стабильным ядром, потому что нуклоны гелия-4 организованы в полные оболочки.
Гелий-4 также образовался в огромных количествах во время нуклеосинтеза Большого взрыва.
Гелий-3 присутствует на Земле только в следовых количествах.

Большая часть гелия-4 присутствовала с момента образования Земли, хотя некоторое количество падает на Землю в ловушке космической пыли. Следовые количества также образуются в результате бета-распада трития.
Горные породы земной коры имеют соотношение изотопов, различающееся в десять раз, и эти отношения можно использовать для изучения происхождения горных пород и состава мантии Земли.

3 Гелий гораздо более распространен в звездах как продукт ядерного синтеза.
Таким образом, в межзвездной среде соотношение 3 гелия к 4 гелия примерно в 100 раз выше, чем на Земле.

Внепланетный материал, такой как лунный и астероидный реголит, содержит следовые количества гелия-3 из-за бомбардировки солнечными ветрами.
Поверхность Луны содержит гелий-3 в концентрациях порядка 10 частей на миллиард, что намного выше, чем примерно 5 частей на миллион в атмосфере Земли.

Ряд людей, начиная с Джеральда Кульчински 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 сосуде с температурой 1 К.

Аналогичное охлаждение гелия-3, имеющего более низкую температуру кипения, может достигать около 0,2 Кельвина в холодильнике с гелием-3.
Равные смеси жидких 3 Не и 4 Не при температуре 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 с разбавлением используют эту несмешиваемость для достижения температуры в несколько милликельвинов.
Можно производить экзотические изотопы гелия, которые быстро распадаются на другие вещества.
Самым короткоживущим тяжелым изотопом гелия является несвязанный гелий-10 с периодом полураспада 2,6 (4) × 10–22 с.

Гелий-6 распадается с испусканием бета-частицы и имеет период полураспада 0,8 секунды.
Гелий-7 также испускает бета-частицы, а также гамма-лучи.

Гелий-7 и гелий-8 создаются в некоторых ядерных реакциях.
Известно, что гелий-6 и гелий-8 имеют ядерное гало.

СОЕДИНЕНИЯ ГЕЛИЯ:
Гелий имеет нулевую валентность и химически неактивен при всех нормальных условиях.
Гелий является электрическим изолятором, если только он не ионизирован.
Как и другие благородные газы, гелий имеет метастабильные энергетические уровни, которые позволяют гелию оставаться ионизированным в электрическом разряде с напряжением ниже потенциала ионизации гелия.

Гелий может образовывать нестабильные соединения, известные как эксимеры, с вольфрамом, йодом, фтором, серой и фосфором, когда гелий подвергается тлеющему разряду, бомбардировке электронами или восстанавливается до плазмы другими способами.
Таким образом были созданы молекулярные соединения HeNe, HgHe10 и WHe2, а также молекулярные ионы He+ 2, He2+ 2, HeH+ и HeD+.

HeH + также стабилен в своем основном состоянии, но чрезвычайно реакционноспособен - это самая сильная из известных кислот Бренстеда и, следовательно, может существовать только изолированно, поскольку он будет протонировать любую молекулу или противоанион, с которым он контактирует.
Этот метод также позволил получить нейтральную молекулу Не2, имеющую большое количество систем полос, и HgHe, которая, по-видимому, удерживается вместе только силами поляризации.

Ван-дер-ваальсовы соединения гелия могут образовываться также с криогенным газообразным гелием и атомами некоторых других веществ, таких как LiHe и He2.
Теоретически возможны и другие истинные соединения, такие как фторгидрид гелия (HHeF), который будет аналогичен HArF, открытому в 2000 году.

Расчеты показывают, что два новых соединения, содержащих гелий-кислородную связь, могут быть стабильными.
Две новые молекулярные разновидности, предсказанные с помощью теории, CsFHeO и N(CH3)4FHeO, являются производными метастабильного аниона FHeO-, впервые теоретизированного в 2005 году группой из Тайваня.
Если это подтвердится экспериментом, единственным оставшимся элементом, у которого нет известных стабильных соединений, будет неон.

Атомы гелия были вставлены в молекулы полой углеродной клетки (фуллерены) путем нагревания под высоким давлением.
Образовавшиеся эндоэдральные молекулы фуллеренов устойчивы при высоких температурах.
При образовании химических производных этих фуллеренов гелий остается внутри.

Если используется гелий-3, его можно легко наблюдать с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса с гелием.
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(N2)11) были выращены при комнатной температуре при давлении ок. 10 ГПа в ячейке с алмазной наковальней.

Показано, что изолирующий электрид Na2He термодинамически стабилен при давлениях выше 113 ГПа.
Имеет флюоритовую структуру.

Гелий получил свое название от «гелиос», греческого слова, обозначающего солнце.
Гелий был обнаружен на Солнце по спектральным линиям гелия за много лет до того, как гелий был обнаружен на Земле.
Бесцветный газ без запаха, абсолютно нереакционноспособный.

Гелий в течение многих лет был дешевым ресурсом, что привело к неэффективному использованию гелия.
Гелий в настоящее время является дефицитным ресурсом, и цены на гелий значительно растут.
Поэтому необходимы решения по извлечению и очистке гелия.

Извлечение гелия само по себе не является решением этой проблемы, так как чистота гелия снижается с каждым технологическим циклом и его необходимо высвобождать при достижении минимального уровня чистоты.
Гелий (He), химический элемент, инертный газ группы 18 (благородные газы) периодической таблицы.

Второй по легкости элемент (легче только водород), гелий представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268,9 ° C (-452 ° F).
Температура кипения и замерзания гелия ниже, чем у любого другого известного вещества.

Гелий — единственный элемент, который не может затвердеть при достаточном охлаждении при нормальном атмосферном давлении; Гелий необходим для приложения давления 25 атмосфер при температуре 1 К (-272 ° C или -458 ° F), чтобы преобразовать гелий в его твердую форму.
Гелий — второй по легкости элемент.

Хотя гелий редко встречается на Земле, вы, вероятно, встречали его в воздушных шарах, наполненных гелием.
Помимо того, что гелий встречается редко, он (в основном) не является возобновляемым ресурсом.
Гелий, который у нас есть, был получен в результате радиоактивного распада горных пород давным-давно.

На протяжении сотен миллионов лет гелий накапливался и высвобождался в результате движения тектонических плит, где гелий нашел путь гелия в месторождения природного газа и в виде растворенного газа в подземных водах.

Как только газ просачивается в атмосферу, гелий становится достаточно легким, чтобы избежать гравитационного поля Земли, поэтому он истечет в космос, чтобы никогда не вернуться.
У нас может закончиться гелий в течение 25–30 лет, потому что гелий потребляется так свободно.

Все атомы гелия природного происхождения, кроме двух десятитысячных процента от запасов земного природного гелия, относятся к типу, известному как гелий-4.
Они содержат 2 протона и 2 нейтрона.
Но остальные 0,0002 процента известны как гелий-3.

Эти редкие образцы элемента содержат всего один нейтрон.
Гелий-3 может помочь охладить вещи выше предела гелия-4 в 4 Кельвина, что позволит ученым изучать фундаментальные свойства материалов с точностью до нескольких тысячных долей Кельвина выше абсолютного нуля.

Практически весь используемый сегодня гелий-3 производится в ядерных реакторах.
Гелий 3 не дешевый.
Ежегодно в США производится всего около 6000 литров или всего 1,5 фунта гелия-3.
Цена гелия достигает 2000 долларов за литр, что более чем в 400 раз превышает сегодняшнюю цену золота по весу.

Этот материал настолько ценен, что ученые предложили добывать его на Луне из месторождений, принесенных туда за миллиарды лет солнечным ветром.
Этот процесс был вымышленно изображен в фильме 2009 года «Луна».

Астронавт НАСА и геолог Харрисон Шмидт сам предложил разрабатывать лунные месторождения гелия-3; другие исследователи указали на Сатурн, Юпитер и далекие астероиды как на возможные дополнительные источники гелия-3.
Несколько стран, включая Китай и Индию, разрабатывают планы по отправке космического корабля на Луну для изучения возможностей добычи полезных ископаемых.

Но добыча гелия не обязательно является главным приоритетом для США.
«НАСА очень заинтересовано в том, чтобы вернуться на поверхность Луны», — сказал Ноа Петро, лунный геолог и научный сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.
«Но пока, — продолжил он, — добыча гелия-3 не является одной из основных целей нашего немедленного возвращения».

В 1908 году голландскому физику Хайке Камерлинг-Оннесу впервые удалось сжижить гелий.
Гелий также является первой открытой сверхтекучей жидкостью.
При охлаждении ниже 2,17 Кельвина его вязкость — параметр для измерения толщины жидкости — становится равной нулю.

Это придает гелию причудливые, сверхтекучие свойства, такие как способность вечно поддерживать вихрь, ползти вверх по поверхности чаши и стекать по ее стенкам.

«Это было прекрасное зрелище, когда впервые увидели жидкость, которая выглядела почти нереально.
Его не заметили, когда он влился.
Его присутствие не могло быть подтверждено, пока он не заполнил сосуд.
Его поверхность резко прилегала к сосуду, как лезвие ножа», — сказал Оннес во время лекции, которую он прочитал в 1913 году после получения Нобелевской премии по физике 1913 года.

Газообразный химический элемент, условное обозначение: He, атомный номер: 2 и атомная масса 4,0026 г/моль.
Гелий — один из благородных газов группы О в периодической таблице.
Гелий — второй по легкости элемент.
Основным источником гелия в мире является ряд месторождений природного газа в США.

Гелий — бесцветный, без запаха, безвкусный и нетоксичный газ.
Гелий менее растворим в воде, чем любой другой газ.
Гелий менее реактивный элемент и практически не образует химических соединений.

Плотность и вязкость паров гелия очень малы.
Теплопроводность и теплотворность исключительно высоки.
Гелий можно сжижать, но температура конденсации гелия самая низкая среди всех известных веществ.

Гелий — второй по распространенности элемент в известной Вселенной после водорода.
Гелий составляет 23% всей элементарной материи, измеренной по массе.
Гелий образуется на Земле в результате естественного радиоактивного распада более тяжелых элементов.

Большая часть этого гелия мигрирует на поверхность и попадает в атмосферу.
Гелий Логично было бы предположить, что концентрация гелия в атмосфере была выше, чем гелия (5,25 частей на миллион на уровне моря).
Тем не менее, низкая молекулярная масса гелия позволяет гелию улетать в космос с той же скоростью, что и при его образовании.

В гетеросфере на расстоянии 600 миль находится слой толщиной около 1000 км, где преобладающим газом является гелий (хотя общее давление очень низкое).
Природные газы содержат более высокие концентрации гелия, чем атмосфера.
Гелий является 71-м наиболее распространенным элементом в земной коре, где гелий содержится в количестве 8 частей на миллиард.

Атомы гелия имеют 2 электрона и оболочечную структуру 2.
Электронная конфигурация основного состояния нейтрального гелия равна 1s2, а терминальный символ гелия равен 1S0.
Гелий относится к так называемым благородным газам.
Газообразный гелий представляет собой нереакционноспособный, бесцветный и не имеющий запаха одноатомный газ.

Гелий доступен в резервуарах под давлением.
Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной после водорода. α-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия He2+.
Гелий используется в воздушных шарах легче воздуха, и, хотя он тяжелее водорода, он гораздо безопаснее, поскольку гелий не горит.

Разговор после вдыхания атмосферы, богатой гелием, приводит к писклявому голосу (не пытайтесь!).
Гелий присутствует в атмосфере в количестве около 0,0005% (1 часть на 200 000) по объему и является важным компонентом углеводородных газов в США.
Происхождение гелия в этих газах связано с распадом радиоактивных элементов в горных породах.

Изоляция: на Земле очень мало гелия, так как почти весь присутствующий во время и сразу после образования Земли давно потерян, так как гелий очень легкий.
Почти весь гелий, оставшийся на планете, является результатом радиоактивного распада.

Хотя в атмосфере есть некоторое количество гелия, в настоящее время его выделение из этого источника путем сжижения и разделения воздуха обычно экономически невыгодно.
Это потому, что гелий проще и дешевле изолировать от некоторых природных газов.

Концентрация гелия в природном газе в США достигает 7%, а другие хорошие источники включают природный газ из некоторых источников в Польше.
Гелий можно выделить из этих газов сжижением и отделением от природного газа.
Обычно это не проводится в лаборатории, и гелий коммерчески доступен в баллонах под давлением.

Гелий содержится в мельчайших количествах в атмосфере, менее 0,001% в воздухе.
Гелий можно найти и в ряде месторождений природного газа, где Гелий образуется в результате естественного радиоактивного распада тяжелых элементов земной коры, в частности урана и тория.

Именно гелий, добываемый из месторождений природного газа с концентрацией более 0,1%, продается сегодня в жидком и газообразном виде.
Газообразный гелий (чистота 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и под высоким давлением.

Адсорбция других газов на охлажденном активированном угле дает гелий чистотой 99,995%.
Некоторое количество гелия получают в результате крупномасштабного сжижения воздуха; количество гелия, получаемое из 1000 тонн (900 метрических тонн) воздуха, составляет около 112 кубических футов (3,17 кубических метра) при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении.

Основным источником гелия являются скважины природного газа.
Гелий получают сжижением и отгонкой.
Из-за нехватки гелия в мире во многих приложениях есть системы восстановления для восстановления гелия.

В 2008 году около 169 миллионов стандартных кубических метров (СКМ) гелия было извлечено из природного газа или изъято из запасов гелия, примерно 78% из США, 10% из Алжира и большая часть остатка из России, Польши и Катара.

К 2013 году увеличение производства гелия в Катаре увеличило долю Катара в мировом производстве гелия до 25% и сделало его вторым по величине экспортером после США.
В 2016 году в Танзании было обнаружено месторождение гелия объемом около 54 миллиардов кубических футов (1,5 × 109 м3).
В 2020 году в Нинся, Китай, был открыт крупный гелиевый завод.

В Соединенных Штатах большая часть гелия добывается из природного газа Хьюготона и близлежащих газовых месторождений в Канзасе, Оклахоме и месторождении Панхандл в Техасе.

Большая часть этого газа когда-то направлялась по трубопроводу в Национальный запас гелия, но с 2005 года этот запас истощается и распродается, и ожидается, что он будет в значительной степени истощен к 2021 году в соответствии с Законом об ответственном управлении и управлении гелием от октября 2013 года.

Диффузия сырого природного газа через специальные полупроницаемые мембраны и другие барьеры — еще один метод извлечения и очистки гелия.
В 1996 году подтвержденные запасы гелия в таких комплексах газовых скважин в США составляли около 147 миллиардов стандартных кубических футов (4,2 миллиарда кубических метров).

При уровне использования в то время (72 миллиона SCM в год в США; см. круговую диаграмму ниже) этого гелия хватило бы примерно на 58 лет использования в США и меньше (возможно, 80% времени) в мире. коэффициенты использования, хотя факторы сбережения и обработки влияют на количество эффективных резервов.

Гелий необходимо извлекать из природного газа, потому что гелий присутствует в воздухе лишь в несколько раз меньше, чем неон, а спрос на гелий намного выше.
Heliumis подсчитал, что если бы все производство неона было переоборудовано для экономии гелия, то можно было бы удовлетворить 0,1% мировых потребностей в гелии.

Точно так же только 1% мировых потребностей в гелии можно было бы удовлетворить за счет переоснащения всех установок по перегонке воздуха.
Гелий можно синтезировать бомбардировкой лития или бора высокоскоростными протонами или бомбардировкой лития дейтронами, но эти процессы являются совершенно неэкономичным методом производства.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ГЕЛИЯ:
- Жидкий гелий используется в криогенике (самое большое разовое использование гелия, поглощающее около четверти производства) и для охлаждения сверхпроводящих магнитов, при этом основное коммерческое применение гелия - в сканерах МРТ.
- Хотя воздушные шары, пожалуй, самое известное использование гелия, они составляют незначительную часть всего использования гелия.

- На другие виды промышленного использования гелия — в качестве газа для повышения давления и продувки, в качестве защитной атмосферы для дуговой сварки 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.

- В научных исследованиях поведение двух жидких фаз гелия-4 (гелия I и гелия II) важно для исследователей, изучающих квантовую механику (в частности, свойство сверхтекучести) и для тех, кто изучает такие явления, как сверхпроводимость, производится в веществе вблизи абсолютного нуля.

-Гелий используется в качестве охлаждающей среды для Большого адронного коллайдера (БАК) и сверхпроводящих магнитов в сканерах МРТ и ЯМР-спектрометрах.
-Гелий также используется для охлаждения спутниковых приборов и для охлаждения жидкого кислорода и водорода, питающих космические аппараты Аполлон.

- Из-за низкой плотности гелия гелий часто используется для наполнения декоративных воздушных шаров, метеозондов и дирижаблей.
Когда-то водород использовался для наполнения воздушных шаров.
-Поскольку гелий очень неактивен, гелий используется для создания инертной защитной атмосферы при изготовлении волоконной оптики и полупроводников, а также для дуговой сварки.

-Гелий также используется для обнаружения утечек, например, в автомобильных системах кондиционирования воздуха, а поскольку гелий быстро рассеивается, его используют для накачивания автомобильного воздуха.
-Гелий используется для многих целей, требующих некоторых уникальных свойств гелия, таких как низкая температура кипения гелия, низкая плотность, низкая растворимость, высокая теплопроводность или инертность.

- Из общего мирового производства гелия в 2014 году, составляющего около 32 миллионов кг (180 миллионов стандартных кубических метров) гелия в год, наибольшее использование (около 32% от общего объема в 2014 году) приходится на криогенные приложения, большая часть которых включает охлаждение сверхпроводящих магнитов. в медицинских сканерах МРТ и спектрометрах ЯМР.

-Контролируемая атмосфера:
Гелий используется в качестве защитного газа при выращивании кристаллов кремния и германия, в производстве титана и циркония, в газовой хроматографии, так как гелий инертен.
Из-за инертности гелия, идеальной термической и калорической природы, высокой скорости звука и высокого значения коэффициента теплоемкости гелий также полезен в сверхзвуковых аэродинамических трубах и импульсных установках.

-Газовая вольфрамовая дуговая сварка:
Гелий используется в качестве защитного газа в процессах дуговой сварки материалов, которые при температурах сварки загрязняются и ослабляются воздухом или азотом.
При дуговой сварке вольфрамовым электродом используется ряд инертных защитных газов, но гелий используется вместо более дешевого аргона, особенно для сварки материалов с более высокой теплопроводностью, таких как алюминий или медь.

-Незначительное использование:
Одним из промышленных применений гелия является обнаружение утечек.
Поскольку гелий диффундирует через твердые тела в три раза быстрее, чем воздух, гелий используется в качестве индикаторного газа для обнаружения утечек в высоковакуумном оборудовании (например, в криогенных резервуарах) и контейнерах высокого давления.

Испытуемый объект помещается в камеру, которая затем вакуумируется и заполняется гелием.
Гелий, просачивающийся через течи, обнаруживается чувствительным прибором (гелиевый масс-спектрометр) даже при таких малых скоростях течи, как 10-9 мбар•л/с (10-10 Па•м3/с).

Процедура измерения обычно является автоматической и называется гелиевым интегральным тестом.
Более простая процедура заключается в заполнении испытуемого объекта гелием и ручном поиске течи с помощью ручного прибора.

Утечки гелия через трещины не следует путать с просачиванием газа через сыпучий материал.
В то время как гелий задокументировал константы проникновения (таким образом, рассчитываемую скорость проникновения) через стекла, керамику и синтетические материалы, инертные газы, такие как гелий, не будут проникать в большинство объемных металлов.

-Полет:
Поскольку гелий легче воздуха, дирижабли и воздушные шары надувают гелием для подъема.
В то время как газообразный водород более плавучий и проникает через мембрану с меньшей скоростью, гелий имеет то преимущество, что он негорючий и действительно огнестойкий.

Еще одно незначительное применение - в ракетной технике, где гелий используется в качестве незаполненной среды для вытеснения топлива и окислителей в резервуарах для хранения и для конденсации водорода и кислорода для производства ракетного топлива.

Гелий также используется для очистки топлива и окислителя от наземного вспомогательного оборудования перед запуском и для предварительного охлаждения жидкого водорода в космических аппаратах.
Например, для запуска ракеты «Сатурн-5», используемой в программе «Аполлон», требовалось около 370 000 м3 (13 миллионов кубических футов) гелия.

- Незначительное коммерческое и рекреационное использование:
Гелий как газ для дыхания не имеет наркотических свойств, поэтому смеси гелия, такие как тримикс, гелиокс и гелиаир, используются при глубоководных погружениях для уменьшения эффектов наркоза, которые усиливаются с увеличением глубины.

По мере увеличения давления с глубиной плотность дыхательного газа также увеличивается, и обнаружено, что низкомолекулярный гелий значительно снижает усилие дыхания за счет снижения плотности смеси.

Это уменьшает число Рейнольдса потока, что приводит к уменьшению турбулентного потока и увеличению ламинарного потока, что требует меньшей работы дыхания.

- Гелий-неоновые лазеры, тип маломощного газового лазера, производящего красный луч, имели различные практические применения, включая считыватели штрих-кодов и лазерные указки, прежде чем они были почти повсеместно заменены более дешевыми диодными лазерами.
- Из-за инертности гелия и его высокой теплопроводности, нейтронной прозрачности, а также из-за того, что гелий не образует радиоактивных изотопов в реакторных условиях, гелий используется в качестве теплоносителя в некоторых газоохлаждаемых ядерных реакторах.

-Гелий, смешанный с более тяжелым газом, таким как ксенон, полезен для термоакустического охлаждения из-за высокого коэффициента теплоемкости и низкого числа Прандтля.
Инертность гелия имеет экологические преимущества по сравнению с обычными системами охлаждения, которые способствуют разрушению озонового слоя или глобальному потеплению.

-Гелий также используется в некоторых жестких дисках.
- Как и в случае любого газа, плотность которого отличается от плотности воздуха, вдыхание небольшого количества гелия временно изменяет тембр и качество человеческого голоса.

-Научное использование:
Использование гелия уменьшает искажающие эффекты колебаний температуры в пространстве между линзами в некоторых телескопах из-за чрезвычайно низкого показателя преломления гелия.
Этот метод особенно используется в солнечных телескопах, где герметичная труба телескопа была бы слишком тяжелой.

-Гелий является обычно используемым газом-носителем для газовой хроматографии.
- Возраст горных пород и минералов, содержащих уран и торий, можно определить путем измерения уровня гелия с помощью процесса, известного как гелиевое датирование.

-Гелий при низких температурах используется в криогенике и в некоторых криогенных приложениях.
В качестве примера применения жидкий гелий используется для охлаждения некоторых металлов до чрезвычайно низких температур, необходимых для сверхпроводимости, например, в сверхпроводящих магнитах для магнитно-резонансной томографии.

Большой адронный коллайдер в ЦЕРН использует 96 метрических тонн жидкого гелия для поддержания температуры на уровне 1,9 К (-271,25 ° C; -456,25 ° F).
- Другими основными областями применения были системы повышения давления и продувки, сварка, поддержание контролируемой атмосферы и обнаружение утечек. Другие виды использования по категориям составляли относительно небольшие доли.

-Гелий используется в качестве охлаждающей среды для Большого адронного коллайдера (БАК) и сверхпроводящих магнитов в сканерах МРТ и ЯМР-спектрометрах.
Гелий также используется для охлаждения спутниковых приборов и для охлаждения жидкого кислорода и водорода, питающих космические аппараты «Аполлон».

- Из-за низкой плотности гелия гелий часто используется для наполнения декоративных воздушных шаров, метеозондов и дирижаблей.
-Поскольку гелий очень неактивен, гелий используется для создания инертной защитной атмосферы при изготовлении волоконной оптики и полупроводников, а также для дуговой сварки.

-Гелий также используется для обнаружения утечек, например, в автомобильных системах кондиционирования воздуха, а поскольку гелий быстро рассеивается, гелий используется для надувания автомобильных подушек безопасности после удара.
-Медицинское использование:
Гелий был одобрен для медицинского применения в США в апреле 2020 года для людей и животных.

-Смесь 80% гелия и 20% кислорода используется в качестве искусственной атмосферы для глубоководных водолазов и других лиц, работающих в условиях повышенного давления.
-Гелий-неоновые газовые лазеры используются для сканирования штрих-кодов на кассах супермаркетов.
Новым применением гелия является гелий-ионный микроскоп, который дает лучшее разрешение изображения, чем сканирующий электронный микроскоп.

- Гелий является наиболее широко используемым инертным газом, применяемым при дуговой сварке, дайвинге, выращивании кристаллов кремния и в качестве хладагента в сканерах МРТ (магнитно-резонансной томографии).
-Гелий-3 также можно использовать для обнаружения нейтронов издалека.
Это может быть полезно для поимки контрабандистов, занимающихся незаконным оборотом радиоактивных материалов.

-Гелий также используется в некоторых видах медицинской визуализации легких и был предложен в качестве кандидата на топливо для ядерного синтеза.
- Сварочные защитные газовые смеси, содержащие гелий.
- Медицинские газовые баллоны поставляются в качестве дыхательных смесей только сертифицированными предприятиями.

-Для сверхпроводящих магнитов в МРТ и ЯМР продукт в жидкой фазе обеспечивает максимально низкие криогенные температуры.
- Специальные области применения разнообразны: смеси с воздухом для дыхания, охлаждение экструдированной волоконной оптики, обнаружение утечек в закрытых системах, метеозонды и многое другое.

- Имея температуру кипения всего на 4 градуса Кельвина выше абсолютного нуля, жидкий гелий используется для охлаждения всего, от новых материалов в исследовательских лабораториях до сверхпроводящих магнитов в МРТ-сканерах.
Фактически, это крупнейшее разовое использование гелия на сегодняшний день, на которое приходится около четверти всего производства.

-Используются лазерные приложения.
-Гелий выполняет такие разнообразные задачи, как охлаждение сверхпроводящих магнитов в сканерах МРТ, помощь в производстве полупроводниковых чипов и обнаружение утечек на кораблях.

-Гелий обладает многими уникальными свойствами: низкой температурой кипения, низкой плотностью, низкой растворимостью, высокой теплопроводностью и инертностью, поэтому гелий используется во всех областях, где можно использовать эти свойства.
- Гелий был первым газом, использованным для наполнения воздушных шаров и дирижаблей.
Это приложение продолжается в исследованиях высоты и для метеорологических аэростатов.

- Гелий — единственный охладитель, способный достигать температуры ниже 15 К (-434ºF).
Основное применение сверхнизкой температуры заключается в развитии состояния сверхпроводимости, при котором сопротивление потоку электричества практически равно нулю.

-Другие области применения: гелий используется в качестве нагнетающего газа в жидком топливе для ракет, в гелий-кислородных смесях для водолазов, в качестве рабочего тела в ядерных реакторах, охлаждаемых газом, и в качестве носителя газа при химическом анализе с помощью газовой хроматографии.

-Подушки безопасности:
Гелий также используется в качестве газа для наполнения подушек безопасности в капсулах высокого давления.
-Основное использование гелия в качестве инертного защитного газа при автогенной сварке.
- Самый большой потенциал гелия обнаруживается в приложениях при очень низких температурах.

-Калибровочный газ:
Гелий используется в качестве калибровочного газа и уравновешивающего газа в калибровочных смесях.
Гелий также используется в качестве газа-носителя в газовой хроматографии.
Гелий используется в качестве продувочного газа и нулевого (диапазонного) газа для аналитических приборов.

-Медицинский:
Жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в ЯМР (ядерном магнитном резонансе) в аналитических или медицинских целях, а также в исследованиях и разработках для изучения процессов вокруг абсолютного нуля.

-Ядерная реакция:
Гелий используется для охлаждения урановых стержней в ядерных реакторах.
-Оптоволокно:
Гелий используется в качестве комбинированной охлаждающей и экранирующей среды для протяжки оптических волокон.

-Полупроводники:
Гелий используется в качестве газа-носителя или продувочного газа для различных полупроводниковых процессов.
Гелий также используется для эпитаксиального роста кристаллов (инертная атмосфера).

-Туннельные работы:
Гелий используется в качестве топлива в «гелиевой пушке», используемой в туннелях для стрельбы моделей.
Гелий также находит применение в качестве рабочего газа в некоторых гиперзвуковых аэродинамических трубах.

-Атмосферные исследования:
Гелий используется для наполнения больших воздушных шаров для изучения верхних слоев атмосферы и космических лучей.
Небольшие гелиевые шары используются синоптиками для перевозки метеорологических приборов.

-Термическая обработка:
Гелий также используется для отключения вакуума в печах термообработки.
-Гелий также соединяется с кислородом для создания дыхательных газовых смесей для дайверов.

- Обладая самой низкой температурой кипения среди всех газов (4,2 Кельвина или -269° по Цельсию), жидкий гелий является самым холодным веществом на Земле.
Это делает его идеальным криогенным агентом для ряда передовых медицинских и физических приложений.
Например, гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитных катушек в медицинском оборудовании для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

- На самом деле гелий незаменим во многих отраслях промышленности.
Например, гелий используется для повышения давления ракетного топлива; создание инертной атмосферы для сварки, термообработки и эпитаксиального выращивания кристаллов; продувка полупроводниковых атмосфер; калибровать аналитические приборы; надувать авиашины и подушки безопасности; тест на герметичность; надувать большие воздушные шары для метеорологических исследований; и заполнить электронные лампы неоновыми вывесками.

- Невоспламеняющиеся свойства гелия с низкой плотностью делают гелий безопасным выбором для индустрии развлечений, где гелий используется для надувания воздушных шаров на вечеринках и специальных мероприятиях.
- Инертный газ для ваших криогенных, теплообменных, экранирующих, течеискательских, аналитических и грузоподъемных приложений.

- Газообразный гелий используется в качестве инертного защитного газа при дуговой и лазерной сварке.
Гелий также используется в качестве хладагента для эффективной передачи тепла благодаря его высокой теплопроводности в волоконной оптике и электронной промышленности.

- Будучи одновременно легче воздуха и негорючим, гелий используется для надувания как воздушных шаров, так и дирижаблей.
- Чрезвычайно низкая температура жидкого гелия используется для поддержания сверхпроводящих свойств магнитов в таких приложениях, как магнитно-резонансная томография (МРТ), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и исследования физики элементарных частиц.

-Гелий используется в качестве инертной газовой среды для сварки металлов, таких как алюминий; в ракетных двигателях (для герметизации топливных баков, особенно для жидкого водорода, потому что только гелий остается газом при температуре жидкого водорода); в метеорологии (в качестве подъемного газа для аппаратных аэростатов); в криогенике (в качестве теплоносителя, т.к. жидкий гелий самое холодное вещество); и при дыхательных операциях под высоким давлением (в смеси с кислородом, как при подводном плавании с аквалангом и работе в кессоне, особенно из-за его низкой растворимости в кровотоке).

-Гелий служит в качестве газа-носителя для газовой хроматографии (ГХ) в аналитических лабораториях и в качестве газа для обнаружения утечек в самых разных отраслях промышленности.
- Метеориты и горные породы были проанализированы на содержание гелия в качестве средства датировки.

-Гелий инертен и наименее растворим из всех газов в жидкостях и поэтому используется в качестве герметика.
- Будучи инертным, гелий используется в качестве компонента в нейтральных атмосферах, например, при термообработке, требующей защитной атмосферы.

-Гелий широко используется в сварочной промышленности в качестве инертного защитного газа для дуговой сварки.
-Гелий также используется в сочетании с гелиевыми детекторами («утечек») для проверки целостности изготовленных компонентов и систем.

ДОБЫЧА ГЕЛИЯ:
После бурения нефтяных скважин в 1903 году в Декстере, штат Канзас, образовался газовый гейзер, который не мог гореть, геолог из штата Канзас Эразм Хаворт собрал образцы выходящего газа и отвез их 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 и доступен для добычи в качестве побочного продукта природного газа.

Это позволило Соединенным Штатам стать ведущим мировым поставщиком гелия.
По предложению сэра Ричарда Трелфолла ВМС США спонсировали три небольших экспериментальных гелиевых завода во время Первой мировой войны.

Цель состояла в том, чтобы снабжать аэростаты заграждения негорючим газом легче воздуха.
Всего в рамках программы было произведено 5700 м3 (200 000 куб. Футов) 92% гелия, хотя ранее было получено менее кубометра газа.

Некоторое количество гелия было использовано в первом в мире наполненном гелием дирижабле, 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 за два года до того, как в сентябре 1923 года поднялся в воздух первый жесткий дирижабль, наполненный гелием, построенный на заводе военно-морских самолетов USS Shenandoah.

Хотя процесс добычи с использованием низкотемпературного сжижения газа не был разработан вовремя, чтобы стать значительным во время Первой мировой войны, производство продолжалось.
Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах легче воздуха.

Во время Второй мировой войны увеличился спрос на гелий для подъемного газа и для дуговой сварки в среде защитного газа.
Гелиевый масс-спектрометр также был жизненно важен в Манхэттенском проекте создания атомной бомбы.

В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью снабжения военных дирижаблей в военное время и коммерческих дирижаблей в мирное время.

Из-за Закона о гелии 1925 года, который запрещал экспорт дефицитного гелия, производство которого США тогда имели монополию, а также непомерно высокой стоимости газа, «Гинденбург», как и все немецкие цеппелины, был вынужден использовать водород в качестве подъемной силы. газ.

Рынок гелия после Второй мировой войны был в упадке, но в 1950-х годах запасы были увеличены, 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 во время войны.

После «Поправок к Закону о гелии 1960 года» (Публичный закон 86–777) Горнодобывающее 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) из Буштона, штат Канзас, чтобы соединить эти заводы с частично истощенным государственным газовым месторождением Клиффсайд недалеко от Амарилло, штат Техас.

Эта гелий-азотная смесь была закачана и хранилась на газовом месторождении Клиффсайд до тех пор, пока она не понадобится, после чего гелий подвергся дополнительной очистке.

К 1995 году был собран миллиард кубометров газа, а задолженность резерва составила 1,4 миллиарда долларов США, что побудило Конгресс США в 1996 году постепенно отказаться от резерва.

Принятый в результате Закон о приватизации гелия 1996 г. (Публичный закон 104–273) предписал Министерству внутренних дел США опустошить резерв, а продажи начались в 2005 г.

Гелий, произведенный в период с 1930 по 1945 год, имел чистоту около 98,3% (2% азота), что было достаточно для дирижаблей.
В 1945 году для сварки было произведено небольшое количество 99,9% гелия.
К 1949 году были доступны коммерческие количества гелия класса A 99,95%.

В течение многих лет Соединенные Штаты производили более 90% коммерческого гелия в мире, а оставшуюся часть производили экстракционные предприятия в Канаде, Польше, России и других странах.

В середине 1990-х годов начал работу новый завод в Арзеве, Алжир, производящий 17 миллионов кубических метров (600 миллионов кубических футов), при этом производства достаточно, чтобы покрыть весь спрос в Европе.

Между тем к 2000 г. потребление гелия в США возросло до более чем 15 млн кг в год. В 2004–2006 годах были построены дополнительные заводы в Рас-Лаффане, Катар, и Скикде, Алжир.

Алжир быстро стал вторым ведущим производителем гелия.
За это время увеличилось как потребление гелия, так и затраты на его производство.
С 2002 по 2007 год цены на гелий удвоились.

По состоянию на 2012 год на Национальный запас гелия США приходилось 30 процентов мировых запасов гелия.
Ожидалось, что запас гелия закончится в 2018 году.

Несмотря на это, законопроект, предложенный Сенатом США, позволит резерву продолжать продавать газ.
Другие крупные запасы находились в Хьюготоне в Канзасе, США, а также на близлежащих газовых месторождениях Канзаса и в ручьях Техаса и Оклахомы.

Новые заводы по производству гелия должны были открыться 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 установку по производству гелия, хотя дипломатический кризис Катара в 2017 году серьезно повлиял на производство гелия там.
2014 год был широко признан годом избыточного предложения в гелиевом бизнесе после нескольких лет известного дефицита.

Nasdaq сообщил (2015 г.), что для Air Products, международной корпорации, которая продает газы для промышленного использования, объемы гелия остаются под экономическим давлением из-за ограничений поставок сырья.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ГЕЛИЯ:
ЕСТЕСТВЕННОЕ ИЗОБИЛИЕ:
Хотя гелий редко встречается на Земле, гелий является вторым наиболее распространенным элементом в известной Вселенной, составляя 23% ее барионной массы.
Только водорода больше.
Подавляющее большинство гелия образовалось в результате нуклеосинтеза Большого взрыва через одну-три минуты после Большого взрыва.

Таким образом, измерения содержания гелия вносят вклад в космологические модели.
В звездах гелий образуется в результате ядерного синтеза водорода в цепных протон-протонных реакциях и цикле CNO, являющемся частью звездного нуклеосинтеза.

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

Большая часть гелия на Земле является результатом радиоактивного распада.
Гелий содержится в больших количествах в минералах урана и тория, в том числе в уранините и его разновидностях клевеите и настуране, карнотите и монаците (групповое название; «монацит» обычно относится к монациту-(Ce)), потому что они испускают альфа-частицы (гелий ядра, Не2+), к которым электроны немедленно присоединяются, как только частица останавливается камнем.

Таким образом, 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.
Есть также небольшие количества в минеральных источниках, вулканическом газе и метеоритном железе.

Поскольку гелий находится в недрах в условиях, которые также улавливают природный газ, самые большие 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 чем 7% на небольшом газовом месторождении в округе Сан-Хуан, штат Нью-Мексико.

По состоянию на 2021 год мировые запасы гелия оцениваются в 31 миллиард кубометров, треть из которых находится в Катаре.
В 2015 и 2016 годах было объявлено, что дополнительные вероятные запасы находятся под Скалистыми горами в Северной Америке и в Восточно-Африканском рифте.

СОВРЕМЕННАЯ ДОБЫЧА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕЛИЯ:
Для крупномасштабного использования гелий извлекают путем фракционной перегонки из природного газа, который может содержать до 7% гелия.
Поскольку гелий имеет более низкую температуру кипения, чем любой другой элемент, низкая температура и высокое давление используются для сжижения почти всех других газов (в основном азота и метана).

Полученный сырой газообразный гелий очищают последовательными воздействиями понижающихся температур, при которых почти весь оставшийся азот и другие газы осаждаются из газовой смеси.
Активированный уголь используется в качестве конечной стадии очистки, в результате чего обычно получается гелий класса А чистотой 99,995%.

Основной примесью гелия марки А является 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 вместимость самых больших контейнеров с жидким гелием более чем в пять раз больше, чем у самых больших прицепов с газообразным гелием.

Гелий коммерчески доступен в жидкой или газообразной форме. В виде жидкости он может поставляться в небольших изолированных контейнерах, называемых дьюарами, которые вмещают до 1000 литров гелия, или в больших контейнерах ISO с номинальной емкостью до 42 м3 (около 11 000 галлонов США).

В газообразном виде небольшие количества гелия поставляются в баллонах высокого давления вместимостью до 8 м3 (около 282 стандартных кубических футов), в то время как большие количества газа высокого давления поставляются в автоцистернах емкостью до 4 860 м3 (около 172 000 стандартных кубических футов).

ПРОИЗВОДСТВО ГЕЛИЯ:
Хотя гелий теперь был потенциально доступен в больших количествах, он оставался лабораторной редкостью в течение почти 10 лет, и все американские запасы покоились в трех стеклянных пробирках, пыльных и почти забытых на полке в Бейли-холле в Канзасском университете.

Когда Клиффорд В. Зибель приехал в Канзас, чтобы получить ученую степень, Кэди предложил ему пересмотреть содержание гелия в природном газе для исследования своей диссертации.

Зибель подошел к проблеме неохотно и без энтузиазма.
Когда он прочитал свои результаты перед научной аудиторией в Канзас-Сити в 1917 году, в заключение он выразил сожаление, что «работа не нашла практического применения».

Представитель Горного бюро США «немедленно не согласился с этим замечанием и ... прочитал часть письма [сэра] Уильяма Рамзи в Англии, в котором было сделано предложение о том, чтобы Соединенные Штаты производили достаточно гелия для надувания зажигалок. летательный аппарат для союзников».

Негорючий и нереакционноспособный гелий был желателен, потому что он имел почти такую же подъемную силу, как газообразный водород, с которым опасно обращаться, потому что он легко воспламеняется.

Зибель продавал скудное количество гелия по 2500 долларов за кубический фут. Он быстро подсчитал, что при такой ставке стоимость заполнения небольшого дирижабля составила более 100 миллионов долларов.

Десять лет спустя, после того как правительство США открыло заводы в Форт-Уэрте и Амарилло, штат Техас, стоимость упала до трех центов за кубический фут.

Крупномасштабное производство гелия началось слишком поздно, чтобы иметь большую ценность в Первой мировой войне, но оно сыграло важную роль во Второй мировой войне, когда заполненные гелием США

Патрульные дирижабли ВМФ благополучно сопровождали тысячи кораблей с войсками и припасами.
На дирижаблях использовались чувствительные подслушивающие устройства, которые при опускании в воду могли обнаруживать подводные лодки на расстоянии до пяти миль.

В то время у союзников была фактически монополия на гелий, потому что единственные известные газовые скважины, способные производить гелий в больших количествах, находились в Соединенных Штатах и Канаде.

Как только гелий стал доступен в больших количествах, быстро последовали и другие применения.
Сегодня Бюро по управлению земельными ресурсами США управляет запасами, арендой и хранением газообразного гелия.

По данным бюро, «гелий играет заметную роль в государственных космических, оборонных и энергетических программах, таких как наддув жидкого топлива, используемого космическими шаттлами, разработка оружия и эксперименты с ядерным термоядерным реактором.

Использование жидкого гелия включает охлаждение инфракрасных детекторов, космическое моделирование, испытания материалов, а также биологические исследования и исследования сверхпроводимости.

Использование газообразного гелия включает в себя различные виды деятельности легче воздуха, гелий-неоновые лазеры, обнаружение утечек газа, смесь гелия с кислородом для глубоководных погружений и высокоскоростную сварку специальных металлов».

Гелий также использовался для создания чрезвычайно высоких скоростей в аэродинамических трубах и больницах. Гелий служит криогенной жидкостью для магнитно-резонансной томографии.
Гелий до сих пор считается стратегическим запасным материалом.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ:
Гелий составляет около 23 процентов массы Вселенной и, таким образом, уступает по распространенности водороду в космосе. Гелий концентрируется в звездах, где он синтезируется из водорода путем ядерного синтеза.

Хотя гелий встречается в атмосфере Земли только в количестве 1 части на 200 000 (0,0005 процента) и небольшие количества встречаются в радиоактивных минералах, метеоритном железе и минеральных источниках, большие объемы гелия обнаруживаются как компонент (до 7,6 процента) в природные газы в США (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте).

Меньшие запасы были обнаружены в Алжире, Австралии, Польше, Катаре и России.
В обычном воздухе содержится около 5 частей на миллион гелия, а в земной коре всего около 8 частей на миллиард.

Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у всех элементов, существуют изотопы гелия.
Известные изотопы гелия содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа колеблются от трех до восьми.

Из этих шести изотопов стабильны только те с массовыми числами, равными трем (гелий-3, или 3Не) и четырем (гелий-4, или 4Не); все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества.

Гелий, присутствующий на Земле, не является первичным компонентом, а образовался в результате радиоактивного распада.
Альфа-частицы, вылетающие из ядер более тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа гелия-4.

Гелий не накапливается в атмосфере в больших количествах, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенный выход в космос.

След изотопа гелия-3 на Земле объясняется отрицательным бета-распадом редкого изотопа водорода-3 (трития).

Гелий-4, безусловно, самый распространенный из стабильных изотопов: атомы гелия-4 превосходят по численности атомы гелия-3 примерно на 700 000:1 в атмосферном гелии и примерно на 7 000 000:1 в некоторых гелийсодержащих минералах.

АТОМ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ ГЕЛИЯ:
С точки зрения квантовой механики гелий является вторым простейшим атомом 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 ньютоновской механике, ни одна система, состоящая из более чем двух частиц, не может быть решена с помощью точного аналитического математического подхода (см. Задача трех тел), и гелий не является исключением.

Таким образом, требуются численные математические методы даже для решения системы одного ядра и двух электронов.
Такие методы вычислительной химии использовались для создания квантово-механической картины связывания электронов гелия с точностью до <2% от правильного значения за несколько вычислительных шагов.

Такие модели показывают, что каждый электрон в гелии частично экранирует ядро от другого, так что эффективный ядерный заряд Z, который видит каждый электрон, составляет около 1,69 единицы, а не 2 заряда классического «голого» ядра гелия.

Родственная стабильность ядра гелия-4 и электронной оболочки
Ядро атома гелия-4 идентично альфа-частице.

Эксперименты по рассеянию электронов высоких энергий показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается от максимума в центральной точке, точно так же, как и плотность заряда собственного электронного облака гелия.

Эта симметрия отражает схожую лежащую в основе физику: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же законам квантовой механики, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подчиняются другому потенциалу ядерной связи), так что все эти фермионы полностью занимают 1s-орбитали попарно, ни один из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый нейтрализует собственный спин другого.

Добавление еще одной из этих частиц потребовало бы углового момента и высвободило бы значительно меньше энергии (на самом деле ни одно ядро с пятью нуклонами не является стабильным).

Таким образом, это 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) производится в реакциях синтеза водорода, но это очень малая доля по сравнению с очень выгодным гелием-4.

Необычная стабильность ядра гелия-4 важна и с космологической точки зрения: она объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого взрыва, как «суп» из свободных протонов и нейтронов, который изначально образовался в соотношении примерно 6:1 при охлаждении до такой степени, что стало возможным связывание ядер, почти все первые составные атомные ядра, которые образовались, были ядрами гелия-4.

Связывание гелия-4 было настолько прочным, что производство гелия-4 поглощало почти все свободные нейтроны за несколько минут, прежде чем они могли подвергнуться бета-распаду, а также оставляло небольшое количество для образования более тяжелых атомов, таких как литий, бериллий или бор.

Ядерное связывание гелия-4 на нуклон сильнее, чем в любом из этих элементов (см. Нуклеогенез и энергия связи), и, таким образом, после образования гелия не было энергетического стимула для создания элементов 3, 4 и 5.

Гелию было едва ли энергетически выгодно сливаться со следующим элементом с более низкой энергией на нуклон, углеродом.
Однако из-за отсутствия промежуточных элементов для этого процесса требуется почти одновременное столкновение трех ядер гелия.

Таким образом, не было времени для образования значительного количества углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до точки температуры и давления, при которой синтез гелия в углерод был уже невозможен.

Это оставило раннюю Вселенную с очень похожим соотношением водорода и гелия, которое наблюдается сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), при этом почти все нейтроны во Вселенной захвачены гелием-4.

Таким образом, все более тяжелые элементы (включая те, которые необходимы для каменистых планет, таких как Земля, и для углеродной или другой жизни) были созданы после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы расплавить сам гелий.

Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют лишь 2% массы атомной материи во Вселенной.
Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычной материи Вселенной — почти всю обычную материю, не являющуюся водородом.

ГАЗОВАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ФАЗЫ ГЕЛИЯ:
Гелий является вторым наименее реакционноспособным благородным газом после неона и, следовательно, вторым наименее реакционноспособным из всех элементов.
Гелий химически инертен и одноатомен во всех стандартных условиях.

Из-за относительно низкой молярной (атомной) массы гелия теплопроводность, удельная теплоемкость и скорость звука в газовой фазе выше, чем у любого другого газа, кроме водорода.

По этим причинам, а также из-за небольшого размера одноатомных молекул гелия гелий диффундирует через твердые тела со скоростью, в три раза превышающей скорость воздуха, и примерно на 65% больше, чем у водорода.

Гелий является наименее растворимым в воде одноатомным газом и одним из наименее растворимых в воде среди всех газов (CF4, SF6 и C4F8 имеют более низкую растворимость в мольных долях: 0,3802, 0,4394 и 0,2372 x2/10–5 соответственно по сравнению с растворимостью гелия). 0,70797 x2/10−5), а показатель преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа.

Гелий имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальных температурах окружающей среды, что означает, что гелий нагревается, когда ему позволяют свободно расширяться.

Только ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона гелия (примерно от 32 до 50 К при 1 атмосфере) гелий охлаждается при свободном расширении.
После предварительного охлаждения ниже этой температуры гелий может быть сжижен за счет охлаждения расширением.

Большая часть внеземного гелия находится в состоянии плазмы со свойствами, совершенно отличными от свойств атомарного гелия.
В плазме электроны гелия не связаны с ядром гелия, что приводит к очень высокой электропроводности, даже когда газ лишь частично ионизирован.

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 полярные сияния.

ЖИДКАЯ ФАЗА гелия:
В отличие от любого другого элемента, гелий остается жидким вплоть до абсолютного нуля при нормальном давлении.
Это прямое следствие квантовой механики: в частности, энергия нулевой точки системы слишком высока, чтобы допустить замораживание.

Для твердого гелия требуется температура 1–1,5 К (около -272 ° C или -457 ° F) при давлении около 25 бар (2,5 МПа).
Часто бывает трудно отличить твердый гелий от жидкого, поскольку показатель преломления двух фаз почти одинаков.

Твердый гелий имеет высокую температуру плавления и кристаллическую структуру, но гелий хорошо сжимается; применение давления в лаборатории может уменьшить ее объем более чем на 30%.

Имея объемный модуль около 27 МПа, он в 100 раз более сжимаем, чем вода.
Твердый гелий имеет плотность 0,214±0,006 г/см3 при 1,15 К и 66 атм; расчетная плотность при 0 К и 25 бар (2,5 МПа) составляет 0,187±0,009 г/см3.

При более высоких температурах гелий затвердевает при достаточном давлении.
При комнатной температуре для этого требуется около 114 000 атм.

ПОЧЕМУ МОЖЕТ КОНЧИТЬСЯ ГЕЛИЙ:
Почему такой ценный ресурс был растрачен впустую?
В основном гелий, потому что цена гелия не отражает его стоимости.

Большая часть мировых запасов гелия принадлежит Национальному резерву гелия США, которому было поручено продать все запасы гелия к 2015 году, независимо от цены.

Это было основано на законе 1996 года, Законе о приватизации гелия, который был призван помочь правительству возместить затраты на создание резерва.

Хотя использование гелия увеличилось, закон не был пересмотрен, поэтому к 2013 году большая часть запасов гелия на планете была продана по чрезвычайно низкой цене.

В 2013 году Конгресс США пересмотрел закон и в конечном итоге принял законопроект, Закон об управлении гелием, направленный на поддержание запасов гелия.

ГЕЛИЯ БОЛЬШЕ, ЧЕМ МЫ КОГДА-ТО ДУМАЛИ
Недавние исследования показывают, что гелия, особенно в грунтовых водах, больше, чем предполагалось ранее.
Кроме того, хотя этот процесс очень медленный, продолжающийся радиоактивный распад природного урана и других радиоизотопов приводит к образованию дополнительного количества гелия.

Это хорошая новость.
Плохая новость заключается в том, что для восстановления элемента потребуются дополнительные деньги и новые технологии.

Другая плохая новость заключается в том, что не будет гелия, который мы могли бы получить с ближайших к нам планет, потому что эти планеты также обладают слишком слабой гравитацией, чтобы удерживать газ.
Возможно, в какой-то момент мы найдем способ «добывать» этот элемент из газовых гигантов, расположенных дальше в Солнечной системе.

ПОЧЕМУ У НАС НЕ КОНЧАЕТСЯ ВОДОРОД
Если гелий настолько легкий, что ускользает от земного притяжения, вы можете задаться вопросом, не закончится ли у нас водород.
Несмотря на то, что водород образует химические связи с самим собой, образуя газообразный водород, он все же легче, чем даже один атом гелия.

Причина, по которой мы не иссякнем, заключается в том, что водород образует связи с другими атомами, помимо самого себя.
Элемент связан с молекулами воды и органическими соединениями.

Гелий, с другой стороны, представляет собой благородный газ со стабильной структурой электронной оболочки.
Поскольку гелий не образует химических связей, гелий не сохраняется в соединениях.

ОТКРЫТИЕ ГЕЛИЯ, ГАЗА, КОТОРЫЙ НЕ ГОРИТ
Вдали от крупных научных центров Европы в маленьком городке Декстер, штат Канзас, в мае 1903 года собралась ликующая толпа.
Расположенный на обширных Великих равнинах, Декстер связывал свои надежды на экономическое процветание с недавно пробуренной скважиной, из которой вырвался «воющий газ».

Поскольку каждый день до того, как было найдено оборудование для закрытия скважины, выбрасывалось девять миллионов кубических футов газа, буровая компания не теряла времени даром на продажу запасов и планирование дополнительных скважин.

Жители Декстера предполагали, что в их маленьком городке появятся новые отрасли промышленности, такие как плавильные заводы, кирпичные и стекольные заводы.
Чтобы отпраздновать свою удачу, жители Декстера запланировали грандиозный праздник с оркестровой музыкой, патриотическими речами и играми.

Подсветка выходящего газа была запланирована как захватывающая кульминация дневных событий.
Рекламные проспекты обещали, что «огромный столб пламени из горящего колодца будет освещать всю сельскую местность день и ночь».

После воодушевляющей речи мэра возбужденное собрание с нетерпением наблюдало, как горящий тюк сена медленно приближается к фонтану.
Однако вместо ожидаемого возгорания пламя горящего тюка быстро погасло.

Неустрашимый мэр повторил процесс несколько раз, но с теми же результатами.
Разочарованная и озадаченная толпа медленно расходилась, назвав это странное излучение из колодца «ветровым газом».
Другие говорили, что это был колодец «горячего воздуха». Понятно, что компания «не желала, чтобы ей придавали широкую огласку».

Тревога из-за отказа газовой скважины распространилась по всему Декстеру, но Эразмус Хаворт, официальный государственный геолог, был заинтригован этим необычным событием.

Хаворт, преподаватель геологии Канзасского университета в Лоуренсе, организовал заполнение большого стального цилиндра газом Декстера.

По возвращении в Лоуренс Хаворт обсудил газ с профессором химии Дэвидом Ф. Макфарландом, который начал обычный анализ содержимого цилиндра.
Результаты с готовностью дали научное объяснение загадке Декстера.

Газ содержал всего 15% горючего метана, который не мог гореть в присутствии почти 72% негорючего азота.
Хаворт и МакФарланд сообщили о своих результатах собранию Геологического общества Америки в Филадельфии 30 декабря 1904 года.

Они показали, что газ Декстера также содержит 12% «инертного остатка», и пообещали, что исследование этого остатка будет «проведено, как только позволит время».

Сегодня мы чтим гелий, этот благороднейший из газов, открытый 150 лет назад.
Вы можете знать второй элемент в периодической таблице как вещество, которое наполняет воздушные шары для вечеринок и заставляет ваш голос звучать как бурундук Элвин, но это не все забавы и игры для бесцветного газа без запаха.
Гелий — рабочая лошадка для науки и техники.

Несмотря на множество применений на земле, гелий на самом деле назван в честь греческого титана солнца — Гелиоса.
Это потому, что первые доказательства его существования были обнаружены в солнечном свете.

Во время солнечного затмения в Индии 18 августа 1868 года французский ученый Жюль Янссен наблюдал за солнечной атмосферой с помощью прибора, который разделял цвета света на спектр.

Позже он понял, что может наблюдать и без затмения, и обнаружил в данных загадочную желтую линию.
Английский ученый Норман Локьер, работая отдельно, несколько месяцев спустя также наблюдал ярко-желтую линию.

Именно Локьер предположил, что загадочная линия является свидетельством существования нового элемента, который он и химик Эдвард Франкленд окрестили гелием.

Прошло еще 27 лет, прежде чем гелий был обнаружен на Земле внутри минерала под названием клевеит.
Как это часто бывает в науке, открытие снова было сделано примерно в одно и то же время несколькими людьми, в данном случае шотландским химиком Уильямом Рамзи и шведскими химиками Пером Теодором Клеве и Нильсом Абрахамом Ланглетом.

В последующие 123 года ученые и любители продолжали исследовать и использовать уникальные свойства этого важного элемента.

ИСТОРИЯ ГЕЛИЯ:
Первое свидетельство наличия гелия наблюдалось 18 августа 1868 года в виде ярко-желтой линии с длиной волны 587,49 нм в спектре хромосферы Солнца.
Линия была обнаружена французским астрономом Жюлем Янссеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре, Индия.

Изначально предполагалось, что эта линия принадлежит натрию. 20 октября того же года английский астроном Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которую он назвал D3, потому что гелий находился рядом с известными линиями Фраунгофера D1 и D2 линий натрия.

Он пришел к выводу, что это было вызвано неизвестным на Земле элементом на Солнце. Локьер и английский химик Эдвард Франкленд назвали этот элемент греческим словом, обозначающим Солнце, ἥλιος (гелиос).

В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмьери впервые обнаружил гелий на Земле по его спектральной линии D3, когда он анализировал материал, сублимированный во время недавнего извержения вулкана Везувий.

26 марта 1895 года шотландский химик сэр Уильям Рамзи выделил гелий на Земле, обработав минеральный клевит (разновидность уранинита с содержанием редкоземельных элементов не менее 10%) минеральными кислотами.

Рамзи искал аргон, но, отделив азот и кислород от газа, высвобождаемого серной кислотой, заметил ярко-желтую линию, совпадающую с линией D3, наблюдаемой в спектре Солнца.

Эти образцы были идентифицированы как гелий Локьером и британским физиком Уильямом Круксом.
Гелий был независимо выделен из клевеита в том же году химиками Пером Теодором Клеве и Абрахамом Ланглетом в Уппсале, Швеция, которые собрали достаточно газа, чтобы точно определить его атомный вес.

Гелий также был выделен американским геохимиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом до открытия Рамзи, когда он заметил необычные спектральные линии при тестировании образца минерала уранинита.

Гиллебранд, однако, приписал 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 представляют собой ядра гелия, позволив частицам проникнуть через тонкую стеклянную стенку вакуумной трубки, а затем создав разряд в трубке для изучения спектра нового газа внутри.

В 1908 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес впервые сжижал гелий путем охлаждения газа до температуры менее 5 К (-268,15 ° C; -450,67 ° F).
Он попытался затвердеть, еще больше понизив температуру, но не смог, так как гелий не затвердевает при атмосферном давлении.

Ученик Оннеса Виллем Хендрик Кисом в конце концов смог затвердеть 1 см3 гелия в 1926 году, применив дополнительное внешнее давление.

В 1913 году Нильс Бор опубликовал свою «трилогию» о структуре атома, 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 Корма (сейчас 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 переходными уровнями.

В 1912 году Альфреду Фаулеру удалось получить аналогичные линии из смеси водорода и гелия, и он поддержал вывод Пикеринга об их происхождении.

Модель Бора не допускает полуцелых переходов (равно как и квантовая механика), и Бор пришел к выводу, что Пикеринг и Фаулер ошибались, и вместо этого приписал эти спектральные линии ионизированному гелию He+.

Первоначально Фаулер был настроен скептически, но в конечном итоге убедился, что Бор был прав, и к 1915 году «спектроскописты окончательно перенесли [ряд Пикеринга – Фаулера] [с водорода] на гелий.

Теоретическая работа Бора над рядом Пикеринга продемонстрировала необходимость «пересмотра проблем, которые, казалось, уже были решены в рамках классических теорий», и обеспечила 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 г. то же самое явление наблюдали в гелии-3, но при температурах, гораздо более близких к абсолютному нулю, американскими физиками Дугласом Д. Ошероффом, Дэвидом М. Ли и Робертом К. Ричардсоном.

Считается, что явление в гелии-3 связано с объединением фермионов гелия-3 в бозоны по аналогии с куперовскими парами электронов, создающими сверхпроводимость.

Гелий был открыт в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, обнаружившим яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы во время затмения 1868 г.; Первоначально предполагалось, что эта линия представляет собой элемент натрия.

В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям D1 и D2 натрия, и назвал ее линией D3.

Локьер пришел к выводу, что линия D3 была вызвана элементом на Солнце, неизвестным на Земле; он и химик Эдвард Франкленд использовали греческое слово, обозначающее солнце, гелиос, в названии элемента.
Британский химик сэр Уильям Рамсей в 1895 году обнаружил наличие гелия на Земле.

Рамзи получил образец урансодержащего минерала клевита и, исследуя газ, образующийся при нагревании образца, обнаружил, что уникальная ярко-желтая линия в его спектре соответствует линии D3, наблюдаемой в спектре Солнца; Таким образом, был окончательно идентифицирован новый элемент гелия.

В 1903 году Рамзи и Фредерик Содди определили, что гелий является продуктом самопроизвольного распада радиоактивных веществ.

Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной, был обнаружен на Солнце раньше, чем на Земле.
Пьер-Жюль-Сезар Янссен, французский астроном, заметил желтую линию в солнечном спектре, изучая полное солнечное затмение в 1868 году.

Сэр Норман Локьер, английский астроном, понял, что эта линия с длиной волны 587,49 нанометра не могла быть произведена ни одним известным в то время элементом.

Была выдвинута гипотеза, что за это загадочное желтое излучение ответственен новый элемент на Солнце.
Этот неизвестный элемент Локьер назвал гелием.

Охота за гелием на Земле закончилась в 1895 году.
Сэр Уильям Рамсей, шотландский химик, провел эксперимент с минералом, содержащим уран, под названием клевит.

Он подверг клевит воздействию минеральных кислот и собрал образовавшиеся газы.
Затем он отправил образец этих газов двум ученым, Локьеру и сэру Уильяму Круксу, которые смогли идентифицировать в нем гелий.

Два шведских химика, Нильс Ланглет и Пер Теодор Клив, независимо друг от друга обнаружили гелий в клевите примерно в то же время, что и Рамзи.

Гелий составляет около 0,0005% земной атмосферы.
Это следовое количество гелия не связано гравитацией с Землей и постоянно теряется в космосе.

Земной атмосферный гелий заменяется распадом радиоактивных элементов в земной коре.
Альфа-распад, один из видов радиоактивного распада, производит частицы, называемые альфа-частицами.

Альфа-частица может стать атомом гелия, если захватит два электрона из своего окружения.
Этот новообразованный гелий в конечном итоге может попасть в атмосферу через трещины в земной коре.

Гелий в промышленных масштабах извлекается из месторождений природного газа, в основном из Техаса, Оклахомы и Канзаса.
Газообразный гелий используется для надувания дирижаблей, научных шаров и шаров для вечеринок.

Гелий используется в качестве инертного щита при дуговой сварке, для герметизации топливных баков ракет на жидком топливе и в сверхзвуковых аэродинамических трубах.

Гелий в сочетании с кислородом создает безазотную атмосферу для глубоководных дайверов, чтобы они не страдали от состояния, известного как азотный наркоз.

Жидкий гелий является важным криогенным материалом и используется для изучения сверхпроводимости и создания сверхпроводящих магнитов.

Лаборатория Джефферсона Министерства энергетики использует большое количество жидкого гелия для работы сверхпроводящего ускорителя электронов Helium.

Гелий — инертный газ, и его трудно соединить с другими элементами.
Соединений, содержащих гелий, не известно, хотя предпринимаются попытки получить дифторид гелия (HeF2).

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕЛИЯ:
Молекулярный вес: 4,00260    
Количество доноров водородной связи: 0    
Количество акцепторов водородной связи: 0    
Количество вращающихся связей: 0    
Точная масса: 4,002603254    
Масса моноизотопа: 4,002603254    
Площадь топологической полярной поверхности: 0 Å ²    
Количество тяжелых атомов: 1    

Официальное обвинение: 0    
Сложность: 0    
Количество атомов изотопа: 0    
Определенное число стереоцентров атома: 0    
Количество стереоцентров неопределенного атома: 0    
Определенное число стереоцентров связи: 0    
Неопределенный счетчик стереоцентров связи: 0    
Количество ковалентно-связанных единиц: 1    
Соединение канонизировано: Да

Атомный номер: 2
Атомная масса: 4,00260 г.моль -1
Электроотрицательность по Полингу: неизвестно
Плотность: 0,178*10 -3 г.см -3 при 20 °С
Температура плавления: - 272,2 (26 атм) °С
Температура кипения: - 268,9 °С
Вандерваальсов радиус: 0,118 нм
Ионный радиус: неизвестен

Изотопы: 2
Электронная оболочка: 1с 2
Энергия первой ионизации: 2372 кДж.моль -1
Открыт: сэром Рэмси в 1895 г.
Название: гелий
Символ: Он
Атомный номер: 2
Относительная атомная масса (Ar): 4,002602
Стандартное состояние: газ при 298 К

Внешний вид: бесцветный
Классификация: Неметаллический
Группа в периодической таблице: 18
Название группы: Благородный газ
Период в периодической таблице: 1
Блок в периодической таблице: p
Структура оболочки: 2
Внешний вид Форма: сжатый газ

Запах: нет данных
Порог восприятия запаха: нет данных
pH: нет данных
Температура плавления/замерзания:
Точка плавления/диапазон: -272,19 °C при 26 гПа
Начальная точка кипения и интервал кипения: -268,89 °C при 1,013 гПа.
Температура вспышки: Не применимо

Скорость испарения: данные отсутствуют
Воспламеняемость (твердое вещество, газ): Данные отсутствуют.
Верхний/нижний пределы воспламеняемости или взрываемости: Данные отсутствуют.
Давление паров: данные отсутствуют
Плотность пара: 0,14 - (Воздух = 1,0)
Относительная плотность: данные отсутствуют
Растворимость в воде: 0,0015 г/л

Коэффициент распределения: н-октанол/вода: данные отсутствуют
Температура самовоспламенения: Данные отсутствуют.
Температура разложения: Данные отсутствуют.
Вязкость: нет данных
Взрывоопасные свойства: нет данных
Окислительные свойства: данные отсутствуют.
Другая информация по безопасности:
Относительная плотность пара: 0,14 - (Воздух = 1,0)

МЕРЫ ПЕРВОЙ ПОМОЩИ ГЕЛИЯ:
-Описание мер первой помощи:
*Общие рекомендации:
Проконсультируйтесь с врачом.
Покажите этот паспорт безопасности лечащему врачу.

*При вдыхании:
При вдыхании вывести пострадавшего на свежий воздух.
Проконсультируйтесь с врачом.

*При попадании на кожу:
Смыть большим количеством воды с мылом.
Проконсультируйтесь с врачом.

*При попадании в глаза:
В качестве меры предосторожности промойте глаза водой.

* При проглатывании:
Прополоскать рот водой.
Проконсультируйтесь с врачом.

- Указание на необходимость немедленной медицинской помощи и специального лечения:
Данные недоступны

МЕРЫ ПРИ АВАРИЙНОМ ВЫБРОСЕ ГЕЛИЯ:
- Индивидуальные меры предосторожности, защитное снаряжение и порядок действий в чрезвычайных ситуациях:
Обеспечьте достаточную вентиляцию.
Эвакуируйте персонал в безопасные зоны.

- Экологические меры предосторожности:
Не допускайте попадания продукта в канализацию.

-Методы и материалы для локализации и очистки:
Немедленно подметите или пропылесосьте.

ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ ГЕЛИЯ:
-Средства пожаротушения:
*Подходящие средства пожаротушения:
Используйте водяной спрей, спиртостойкую пену, сухой химикат или двуокись углерода.

-Дальнейшая информация:
Используйте водяной спрей для охлаждения закрытых контейнеров.

КОНТРОЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ/СРЕДСТВА ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ГЕЛИЯ:
-Параметры управления:
--Компоненты с параметрами контроля рабочего места:
-Средства контроля воздействия:
-- Надлежащие инженерные средства управления:
Обращайтесь в соответствии с правилами промышленной гигиены и техники безопасности.
Мойте руки перед перерывами и в конце рабочего дня.

--Средства индивидуальной защиты:
* Защита глаз/лица:
Используйте средства защиты глаз.

* Защита кожи:
Обращайтесь в перчатках.
Вымойте и высушите руки.

-Контроль воздействия окружающей среды:
Не допускайте попадания продукта в канализацию.

ОБРАЩЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ГЕЛИЯ:
-Условия для безопасного хранения, включая любые несовместимости:
Хранить в прохладном месте.
Хранить контейнер плотно закрытым в сухом и хорошо проветриваемом месте.
Содержимое под давлением.

СТАБИЛЬНОСТЬ и РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ГЕЛИЯ:
-Реактивность:
Данные недоступны

-Химическая стабильность:
Стабилен при соблюдении рекомендуемых условий хранения.

-Возможность опасных реакций:
Данные недоступны

-Условия, чтобы избежать:
Данные недоступны

-Опасные продукты разложения:
Другие продукты разложения - Нет данных

СИНОНИМЫ:
Он
гелий
Атомарный гелий
Гелий-4
п-гелий
O-гелий
гелио
[Он]
гелий(0)
УНИИ-206ГФ3ГБ41
Гелий (USP)
Гелий [USP]
Е939
ЧЕБИ:30217
206GF3GB41
E-939
ХДБ 553
ООН1046
ООН1963
атом гелия
Гелий, сжатый
Гелий сжатый [UN1046] [Невоспламеняющийся газ]
ИНС № 939
Гелий, >=99,995%
Гелий, >=99,999%
КЕМБЛ1796997
DTXSID7036402
ЧЕБИ:33681
ИНС-939
DB09155
71086-78-7
Гелий, Messer(R) CANGas, 99,999%
Е 939
D04420
Гелий охлажденный жидкий (криогенная жидкость)
Гелий сжатый [UN1046] [Невоспламеняющийся газ]
Гелий, охлажденная жидкость (криогенная жидкость) [UN1963] [Невоспламеняющийся газ]