История открытия гелия, химические и физические свойства и его роль в природе

Гелий – уникальный в своем роде элемент, который является одним из самых распространенных во вселенной. Опережает его только водород. Относится к простым веществам. Уникальные свойства элемента обуславливают его широкое применение для самых различных целей.

История открытия

В 1868 г. произошло затмение Солнца. Астрономы для изучения атмосферы впервые применили спектроскоп. В ходе исследований ученые и открыли гелий, но только пока еще сами не знали об этом. Во внешнем слое атмосферы Солнца специалисты увидели желтую линию. Они не могли сопоставить вещество ни с одним (к тому времени уже известных) элементов, потому назвали свое “открытие” D3-линия.

В 1871 году английский астроном Д. Н. Локьер дал объяснение расположению на Солнце данной линии существованием нового элемента. В 1895 году англичанин У. Рамзай проводил исследования клевеита. Во время его работы из минерала выделился газ. В его составе просматривалась эта же линия.

Название новому веществу решили дать на основании первого тела, где его обнаружили. На греческом Helios означает солнце. Но базируясь на своих выводах, Рамзай решил, что новый элемент – это металл. Соответственно, окончание использовалось аналогичное как у других металлов – «lim». Но даже после получения доказательства, что это не металл, а газ, название не стали менять и оно так и осталось.

Согласно историческим данным, впервые гелий нашли в солнечной системе, а на Земле его обнаружили только спустя 27 лет. Дальнейшее изучение привело к тому, что его выявили в минералах, горных породах. При исследовании первой выпаренной группы жидкого воздуха нашли гелий и в атмосфере.

Гелий в таблице Менделеева

В основе периодической таблицы Менделеева лежит атомный вес элементов. Гелий занимает в ней 2 место. Моль гелия равен 4,002602. Обозначается газ латинской буквой Н (Helium).

Располагается во 1 периоде, 8 группе главной подгруппе. Является газом с низкой химической активностью. Бесцветен. Не имеет запаха, вкуса. У него нулевая валентность.

Строение атома гелия

Молекула имеет один атом. В состав входит ядро и оболочка. Ядро имеет положительный заряд, обладает 2 протонами и 2 нейтронами.

Оболочка состоит из 2 электронов. Ее электроны имеют отрицательный электрический заряд.

Гелий относится к s-семейству. Соответствует по величине положительному заряду протонов в ядре атома. Это говорит о том, что атом является электрически нейтральным. Электроны за счет противоположности зарядов способны удерживаться на своих орбиталях.

Физические свойства

Гелий относится к легким газам – он в 7,26 раза легче воздуха (это объясняет его применение при надувании шариков). Элемент с низкой химической активностью, не ядовит, бесцветен.

Вещество малорастворимо в воде и органических растворителях. Плотность гелия – 0,00017846 г/см3. Элемент, в отличие от аналогичных веществ, хорошо проводит тепло. Теплопроводность в 6,255 раз больше по сравнению с воздухом и составляет 0,1437 Вт/(м•К) при нормальных условиях.

Гелий не обладает свойством растворяться в металлах. Процесс проникновения молекул сквозь твердые вещества на 65% выше в отличие от водорода. Этот же показатель в 3 раза выше по сравнению с воздухом.

Расширению и нагреву газа способствует температура в -250 градусов, в отличие подобных веществ. Это уникальное свойство. Кипеть начинает при температуре – 268,928 градусов. Из всех простых веществ у него самая маленькая точка кипения.

Температура гелия для плавления составляет -272,2 градуса. Уникальность в том, что при нормальном давлении он не затвердевает даже при нулевой отметке температуры. В твердое состояние переходит при давлении свыше 25 атмосфер.

Коэффициент преломления ближе к 1. Все химические соединения гелия при нормальном давлении не стабильны.

Химические свойства

Гелий относится к элементам таблицы с низкой химической активностью. Все соединения вещества имеют вид газа. В этой форме образует эксимерные микрочастицы. Основное их положение неустойчиво. Устойчивость можно достичь с помощью возбуждения электричеством.

Газ имеет желтый оттенок. Но при воздействии на него током в замкнутом пространстве образуется радужное свечение. Сила свечения прямо зависима от давления.

Снижение атмосферного давления обусловливает изменение цветового излучения за счет нескольких линий спектра. Выделяют 2 основных спектра. Единичный свойственен атомам в нормальном состоянии. Триплетный спектр получается при использовании разряда не менее 19,77 эВ.

Вывести атом из нормального состояния можно с помощью создания искусственного столкновения с другими атомами вещества. Это достигается последовательной передачей энергии между ними.

Вернуть газ из триплетного состояния к обычному естественным путем невозможно. В этом случае необходимо прибегнуть к различным методам внешнего воздействия. Такое состояние называют «метастабильное».

Элемент способен образовывать двухатомные молекулы – хлорид и фторид, существуют которые всего несколько наносекунд.

Гелий не образует клатратов. Величина ковалентного радиуса равна 28 пм при радиусе иона. Равновесное расстояние между ядрами химически связанных элементов – 1,09 А.

Гелий в природе

На Земле газ встречается редко. Его получают вследствие альфа-деструкции тяжелых веществ. Среди всех элементов земной оболочки по распространенности занимает 2 место. В геосфере соотношения газа к другим химическим компонентам достаточно мало. Некоторые газы, находящиеся в природе содержат до 2% гелия по объему.

В земной материи присутствие газа – 3 г/т. В основном концентрируется в минералах, таких как:

клевеит;
самарскит;
монацит;
фергусонит;
гадолинит.

В природе встречается в 2 стабильных изотопах. Существует 6 искусственно созданных радиоактивных изотопов гелия.

После того, как был открыт элемент, начался поиск его в атмосфере. Но в ней чистый компонент не обнаружен до сегодняшнего дня. По мнению ученых, газ улетучился в открытое космическое пространство. Это теория подтверждается легкостью вещества.

Небольшое количество гелия содержится в воздушной массе. Но его концентрация настолько мала, что составляет всего несколько тысячных долей 1 процента от общей массы химических веществ в газовой оболочке Земли. Содержание элемента немного увеличивается только в экзосфере – самой верхней части атмосферы.

В гидросфере не содержится из-за не способности растворяться в воде. В природном газе его содержание также мало. Газ выделяют путем сжижения других составляющих. Условия получения:

низкие температуры;
высокое давление.

Гелий выявлен в порах горных пород. Их образование происходит в процессе разложения органических соединений, что позволяет получить чистое вещество в большем объеме, чем из других источников, используя перегонку фракций.

Перегонка заключается в низкотемпературном разделении природного газа на составляющие. Впоследствии термоядерного соединения, которое происходит в недрах звезд, из водорода получается гелий.

Применение

Гелий используют:

В виде холодильного агента для охлаждения магнитов в медицинских сканерах МРТ.
В пищевой промышленности – в качестве добавки к пище.
Для заполнения воздушных судов – дирижаблей. Единственный минус использования – наполненный гелием дирижабль не взлетает высоко. Но сейчас это малоиспользуемый вид судов.
Для газоразрядных трубок.
Как составляющая рабочего тела в лазерах.
Для упаковки.
В сварочном производстве – как защитное вещество.
Для заполнения воздушных шариков.
В некоторых типах реакционных аппаратов – в качестве теплоносителя.
Для поиска утечек в трубопроводах.
Для изменения звучания голоса.

Стратегическое значение гелия очень велико. Это обусловлено его уникальными свойствами. Гелий – непременный элемент высоких технологий. Но по прогнозам ученых, если не усилить добычу газа, то возникнет его дефицит. Добыча аналогов элемента в виде изотопа сейчас планируется на Луне. В дальнейшем это позволит его использовать как радиоактивное топливо.

А какие интересные факты о гелии знаете вы? Напишите в комментариях. Сохраните статью в закладках и поделитесь ею с друзьями в социальных сетях.

Физические и химические свойства гелия в познавательном видео ниже.