Значение гелия в жизни человека
Гелий – второй по распространённости элемент во Вселенной. Он не имеет цвета, запаха и вкуса. Его температура кипения и плавления составляет -268,9 °C и -2562 °C соответственно. Не поддерживает горение. Это легчайший и самый инертный из благородных газов. Гелий на 86% менее плотен, чем комнатный воздух, и в 8 раз меньше по плотности, чем кислород. Такое свойство гелия делает его уникальным.
После водорода гелий является вторым по лёгкости элементом и вторым по распространённости элементом во Вселенной, созданным в ходе нуклеосинтеза Большого взрыва (1) и, в меньшей степени, в результате ядерного синтеза водорода в звёздах (2). На Земле гелий в первую очередь является продуктом радиоактивного распада гораздо более тяжелых элементов, которые испускают ядра гелия и называются альфа-частицами (3); в значительных количествах он содержится только в природном газе, из которого он извлекается при низких температурах путём фракционной перегонки (4).
Свидетельства гелия были впервые обнаружены 18 августа 1868 года в виде ярко-жёлтой линии с длиной волны 587,49 нм в спектре хромосферы Солнца (5) французским астрономом Пьером Янсеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре, Индия. Первоначально предполагалось, что эта линия является натриевой. Двадцатого октября того же года английский астроном Норман Локьер наблюдал жёлтую линию в солнечном спектре, которую он назвал линией D3, поскольку она находилась рядом с известными линиями натрия D1 и D2 (6), и пришёл к выводу, что это вызвано элементом в неизвестном на Земле Солнце. Он и английский химик Эдвард Франкланд назвали элемент греческим словом, обозначающим Солнце – ἥλιος (гелиос).
Свойства газовой и плазменной фазы гелия
- Теплопроводность гелия выше, чем у любого другого газа, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость необычно высока;
- Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ;
- Его скорость диффузии через твёрдые тела в три раза выше, чем у воздуха, и примерно на 65% выше, чем у водорода.
По всей Вселенной гелий находится в основном в плазменном состоянии, свойства которого сильно отличаются от молекулярного гелия. В плазме электроны (отрицательно заряженные частицы) и протоны (положительно заряженные частицы) гелия не связаны друг с другом, что приводит к очень высокой электропроводности, даже когда газ только частично ионизирован (7). На такие заряженные частицы сильно влияют магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре (8) вместе с ионизированным водородом они взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая токи Биркеланда (9) и полярное сияние.
Гелий затвердевает только под большим давлением. Образовавшееся бесцветное, почти невидимое твёрдое вещество хорошо сжимается; применение давления в лаборатории может уменьшить его объём более чем на 30%. Для твёрдого гелия требуется температура около –272 ° C и давление около 26 стандартных атмосфер (2,6 МПа). Часто трудно отличить твёрдое тело от жидкого гелия, поскольку показатели преломления (10) двух фаз почти одинаковы. Твёрдое вещество имеет высокую температуру плавления и кристаллическую структуру.
В атмосфере Земли концентрация гелия по объёму составляет всего 5,2 частей на миллион, в основном потому, что большая часть гелия в атмосфере Земли уходит в космос из-за его инертности и малой массы. В гетеросфере Земли (11), части верхних слоёв атмосферы, гелий и другие лёгкие газы являются наиболее распространёнными элементами.
Почти весь гелий на Земле является результатом радиоактивного распада. Продукт распада в основном содержится в минералах урана (U) и тория (Th), включая клевеиты, настуран, карнотит, монацит и берилл, поскольку они испускают альфа-частицы, которые состоят из ядер гелия (He 2+), с которыми легко соединяются электроны. Таким образом, по оценкам, на кубический километр земной коры образуется примерно 3,4 литра гелия в год. В земной коре концентрация гелия составляет 8 частей на миллиард. В морской воде концентрация составляет всего 4 части на триллион. Также есть небольшие количества в минеральных источниках, вулканическом газе и метеоритном железе.
Хотя известно восемь изотопов гелия, стабильными являются только гелий-3 и гелий-4. В атмосфере Земли на каждый миллион атомов He-4 приходится один атом He-3. Однако гелий необычен тем, что его изотопное содержание сильно варьируется в зависимости от его происхождения. В межзвёздной среде доля He-3 примерно в 100 раз выше.
Самый распространённый изотоп, гелий-4, образуется на Земле в результате альфа-распада более тяжелых радиоактивных элементов; возникающие альфа-частицы представляют собой полностью ионизированные ядра гелия-4. Гелий-4 – необычно стабильное ядро, потому что его нуклоны (12) закрыты в сплошные оболочки. И именно большое количество изотопа гелия-4 было образовано во время нуклеосинтеза Большого взрыва.
Различные процессы образования двух стабильных изотопов гелия приводят к разному содержанию изотопов. Это различное содержание изотопов можно использовать для исследования происхождения горных пород и состава мантии Земли.
Нейтральный гелий при стандартных условиях не токсичен, не играет особой биологической роли и в следовых количествах содержится в крови человека.
Гелий используется в криогенике, в качестве газа для дыхания в открытом море, для надувания воздушных шаров и дирижаблей (в дирижаблях гелий предпочтительнее, чем водород, потому что он негорючий и имеет 92,64% подъёмной силы альтернативного водорода) а также в качестве защитного газа для многих промышленных целей, таких как дуговая сварка чувствительных к воздуху металлов (13).
Вдыхание небольшого количества газа временно изменяет частоту голоса человека, так как скорость звука в гелии в 3 раза быстрее, чем в воздухе; однако следует проявлять осторожность, поскольку гелий обладает удушающим действием, так как вытесняет кислород, необходимый для дыхания.
Гелий также используется в тех целях, для которых требуются некоторые из его уникальных свойств, таких как низкая температура кипения, низкая плотность, низкая растворимость, высокая теплопроводность или инертность.
При чрезвычайно низких температурах жидкий гелий используется для охлаждения некоторых металлов с целью создания сверхпроводимости, например, в сверхпроводящих магнитах, используемых в магнитно-резонансной томографии.
Поскольку гелий инертен, он используется в качестве защитного газа при выращивании кристаллов кремния и германия, при производстве титана и циркония, в газовой хроматографии (14) и в качестве атмосферы для защиты исторических документов.
В ракетной технике 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.
Не менее занятным фактом является то, что возраст горных пород и минералов, содержащих уран и торий, радиоактивные элементы, испускающие ядра гелия, называемые альфа-частицами, можно определить по уровню гелия в них.
(1) Нуклеосинтез Большого взрыва - самое раннее образование ядер, отличных от ядер легчайшего изотопа водорода, на ранних этапах развития Вселенной.
(2) Ядерный синтез водорода в звёздах, также известный как протон-протонный цикл - совокупность термоядерных реакций, в процессе которых водород превращается в гелий в звёздах, находящихся на главной звёздной последовательности.
(3) Альфа-частицы - положительно заряженные частицы, образованные двумя протонами и двумя нейтронами.
(4) Фракционная перегонка - способ разделения смеси жидких веществ, основанный на различной температуре кипения компонентов смеси.
(5) Хромосфера Солнца - неоднородный по структуре слой солнечной атмосферы, расположенный над фотосферой.
(6) Линии натрия D1 и D2 - "натриевый дублет", т.е. пара хорошо различимых солнечных линий.
(7) Ионизация - проще говоря, образование каких-либо ионов - положительно и отрицательно заряженных частиц.
(8) Солнечный ветер - поток ионизированных частиц, причём в основном гелиево-водородной плазмы, истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 километров в секунду в окружающее космическое пространство.
(9) Токи Биркеланда - огромные токи электроэнергии, образующиеся в результате взаимодействия солнечного ветра и магнитного поля Земли. Кристиан Биркеланд, норвежский учёный, выдвинул данную теорию.
(10) Преломление - изменение направления луча, возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит.
(11) Гетеросфера Земли - слой атмосферы, характеризующийся изменением газового состава воздуха. Располагается на высотах более 90-95 км от поверхности Земли.
(13) Дуговая сварка - процесс сплавления материалов, при котором нагрев осуществляется при помощи электрической дуги. Электрическая дуга образуется между рабочим изделием и электродом (в виде стержня или сварочной проволоки), которую вручную или механически направляют в сварочную ванну.
(14) Газовая хроматография - физико-химический метод разделения веществ, в котором подвижная фаза находится в состоянии газа, движущегося через колонку, заполненную неподвижной фазой - сорбентом или жидкостью.