氦气：历史，性质，结构，风险，用途 - 化学

该氦是象征他的化学元素。它是元素周期表中的第一稀有气体，通常位于其最右端。在正常条件下，它是一种惰性气体，因为很少有化合物是稳定的。它也非常迅速地膨胀，并且是所有沸点最低的物质。

从普遍的角度来看，它是一种众所周知的气体，因为在无数事件或儿童聚会中，通常会目睹气球如何升起直到它消失在天空中。然而，一旦气球爆炸或放空，释放出来的氦原子就会真正，永远丢失到太阳系的角落。

氦气气球，在日常情况下，您可以最接近此元素。资料来源：

实际上，有些人有充分的理由认为氦气球是这种气体的不当实践。幸运的是，由于它的物理和化学特性将其与其他化学元素区分开来，因此具有更重要和有趣的用途。

例如，液态氦太冷，以至于它可以冻结任何东西，例如金属合金，从而将其转变为超导材料。同样，它是一种表现出超流动性的液体，能够爬升玻璃容器的壁。

它的名字是由于它是在太阳而不是地球上首次被识别的事实。它是整个宇宙中第二丰富的元素，尽管它在地壳中的浓度可以忽略不计，但它可以从天然气储量以及铀和or的放射性矿物中获得。

这里的氦气表明了另一个奇怪的事实：地下气体中的气体比大气中的气体丰富得多，在那里它最终逃离了地球及其引力场。

历史

氦不是在地球上而是在太阳上发现的，事实上，它的名字来自希腊语“ helios”，意为太阳。元素的存在本身就与德米特里·门捷列夫的元素周期表形成了对比，因为其中没有新气体的位置。换句话说，到那时，绝对没有人怀疑稀有气体。

名称“ helium”用英语写成“ helium”，后缀-ium表示金属。正是因为不允许存在氧气，氢气，氟气，氯气和氮气以外的气体。

这个名字是由英国天文学家诺曼·洛克耶（Norman Lockyer）指定的，诺曼·洛克耶（Norman Lockyer）从英国学习了法国天文学家朱尔斯·詹森（Jules Janssen）在1868年日食期间在印度观察到的情况。

这是迄今未知的元素发出的黄色光谱线。洛克耶声称这是由于在太阳中发现了一种新的化学元素。

大约二十年后的1895年，苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士（Sir William Ramsay）在研究一种放射性矿物质—钙铝石时，从残余气体中识别出了相同的光谱。所以地球上也有氦。

物理和化学特性

出现

电击后，带有氦样品的安瓿发光。来源：化学元素的高分辨率图像

氦气是无色，无味的气体，没有味道，也是惰性的。但是，施加电击后，根据电压差，它会开始以灰紫色雾状发光（上图），然后以橙色发光。因此，氦灯是橙色的。

原子序数（Z）

二

摩尔质量

4.002克/摩尔

熔点

-272.2摄氏度

沸点

-268.92摄氏度

密度

-0.1786 g / L，在正常条件下，即在气相中。

-0.145 g / mL，在熔点，液态氦。

-0.125 g / mL，就像氦气开始沸腾一样。

-0.187 g / mL，在0 K和25 atm，即在那些特定的压力和温度条件下为固态氦。

三重点

2.177 K和5.043 kPa（0.04935 atm）

临界点

5.1953 K和0.22746 MPa（2.2448 atm）

熔化热

0.0138 kJ /摩尔

汽化热

0.0829 kJ /摩尔

摩尔热容

20.78 J /（摩尔K）

蒸汽压力

在4.21 K时为0.9869 atm。此值使您对氦在室温（接近298 K）时如何流逝以及如何容易逸出有一个想法。

电离能

-第一：2372.3 kJ / mol（He ⁺气态）

-第二：5250.5 kJ / mol（He ²⁺气态）

氦的电离能特别高，因为气态原子必须失去一个电子，该电子会经历强大的有效核电荷。还可以通过考虑原子的小尺寸以及两个电子与原子核（具有两个质子和两个中子）的接近程度来理解。

溶解度

在0℃下，水中每100毫升水溶解0.97毫升，这意味着它的溶解度很差。

反应性

氦是自然界中反应性第二小的化学元素。在正常情况下，可以说它是惰性气体是正确的。（似乎）在没有巨大压力的情况下，在房间或实验室中都无法操纵氦化合物；或可能是极高或极低的温度。

化合物Na ₂ He 就是一个例子，该化合物仅在300 GPa的压力下稳定，并在金刚石砧座中复制。

尽管Na ₂ He中的化学键是“奇异的”，因为它们的电子很好地位于晶体中，但它们远非简单的范德华尔相互作用，因此，它们不仅仅由分子聚集体捕获的氦原子组成。。正是在这里，在氦化合物是真实的与不是氦化合物之间出现了难题。

例如，高压下的氮分子可以捕获氦原子以形成一种笼形化合物He（N ₂）₁₁。

同样，也有富勒烯阳离子的C ₆₀ ^{+ n}和C ₇₀ ^{+ n}的内衬复合物，它们可以在腔中容纳氦原子。在非常遥远的星云中发现了分子阳离子HeH ⁺（He-H ⁺）。

氧化数

好奇心谁尝试来计算用于在任何及其化合物的氦氧化数将被发现，这是等于0以Na ₂具有，例如，可能会认为该公式对应于假想的Na ₂ ⁺我^2-; 但这是假定它具有纯离子特性，而实际上它的键远非如此。

此外，氦气不会获得电子，因为氦气无法将其容纳在能量上无法获得的2s轨道中。由于其原子的小尺寸和其原子核的巨大有效核电荷，它也不可能丢失它们。这就是为什么氦在理论上总是作为He ⁰原子参与其衍生化合物的原因。

结构和电子配置

像在宏观上观察到的所有气体一样，氦气占据了存储氦气的容器的体积，因此具有不确定的形状。但是，当温度下降并开始冷却至-269ºC以下时，气体凝结成无色液体。氦I，该元素的两个液相中的第一个。

氦在如此低的温度下凝结的原因是由于将原子结合在一起的散射力很低。无论考虑什么阶段。这可以从其电子配置中进行解释：

1秒²

其中两个电子占据1s原子轨道。氦原子可以看成一个几乎完美的球体，其均匀的电子外围不太可能被原子核中两个质子的有效核电荷极化。

因此，自发偶极矩和感应偶极矩很少见并且非常微弱。因此，温度必须接近绝对零，以使He原子足够缓慢地接近并实现其分散力来定义液体。甚至更好的是氦晶体。

二聚体

在气相中，分隔He原子的空间应使它们始终彼此分隔。如此之大，以至于在小容量的小瓶中，氦气看起来是无色的，直到进行放电，氦气才将其原子电离为浅灰色和昏暗的雾中。

但是，在液相中，即使原子之间的相互作用较弱，He原子也不再被“忽略”。现在，分散力使它们暂时连接在一起以形成二聚体：He-He或He ₂。因此，可以将氦I视为与汽相中的原子处于平衡状态的庞大的He ₂簇。

这就是为什么氦I很难从其蒸气中区分出来的原因。如果这种液体从其密闭的容器中溢出，它会发白发白。

氦II

当温度下降得更多时，达到2178 K（-270,972ºC），就会发生相变：I氦转化为II氦。

从这一点来看，已经引人入胜的氦气变成了超流体或量子流体。也就是说，它们的宏观特性表现为好像He ₂二聚体是单个原子（也许是）。它没有完全的粘度，因为没有表面可以在原子滑动或“爬升”期间阻止原子。

这就是为什么氦II可以克服重力而爬上玻璃容器的壁的原因。不管它们有多高，只要表面保持在相同的温度下，因此不会挥发。

因此，液态氦不能储存在玻璃容器中，因为它将以最小的裂纹或缝隙逸出。非常类似于气体的情况。取而代之的是，使用不锈钢来设计此类容器（杜瓦瓶）。

水晶

即使温度下降到0 K（绝对值为零），He原子之间的散射力也不会强大到足以使它们排列成晶体结构。为使固化发生，压力必须升至约25个大气压。然后出现紧凑的六方氦晶体（hcp）。

地球物理研究表明，无论压力增加多少（高达千兆帕斯卡，GPa），这种hcp结构都不会改变。但是，它们的压力-温度图中有一个狭窄的区域，这些hcp晶体在该区域中过渡到以体心立方相（bcc）转变。

在哪里找到和获得

宇宙和岩石

氦气是宇宙中第二大元素，占其质量的24％。资料来源：Pxhere。

氦是整个宇宙中第二大最丰富的元素，仅次于氢。通过在核合成过程中融合两个氢核，恒星不断产生不可估量的氦原子。

同样，任何发射α粒子的放射性过程，如果与环境中的电子相互作用，都是氦原子产生的来源。例如，在铀和radio的放射性矿物沉积物中的岩石体沉积物。从铀开始，这两个元素会发生放射性衰变：

铀在α粒子形成过程中的放射性衰变，随后在地下沉积物中转化为氦原子。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

因此，在这些放射性矿物集中的岩石中，氦原子将被捕获，一旦在酸性介质中被消化，氦原子就会被释放。

在这些矿物中，有钙锰矿，角铁矿和铀尿石，它们全部由铀氧化物（UO ₂或U ₃ O ₈）以及impurities，重金属和稀土元素的杂质组成。通过地下渠道灌溉的氦气最终会积聚在天然气储层，矿泉或流铁中。

据估计，由于铀和or的放射性衰变，每年在岩石圈中会产生相当于3000吨的氦气。

海陆空

氦在水中的溶解度不是很高，因此，它很快就会从深处（无论其起源于何处）开始上升，直到穿过大气层并最终到达外层空间。它的原子是如此之轻，以至于地球的引力场无法将其阻挡在大气中。

由于上述原因，空气（5.2 ppm）和海洋（4 ppt）中的氦气浓度都非常低。

如果随后要从这两种介质中的任何一种中提取它，则“最佳”选择将是空气，首先必须进行液化以冷凝其所有成分气体，同时氦气保持气态。

但是，从空气中获取氦不是切实可行的，而是从富含放射性矿物的岩石中获取氦。甚至更好的是，从天然气储量中，氦气可以占其总质量的7％。

天然气液化和蒸馏

与其液化空气，不如使用天然气，因为氦气的成分无疑要大得多。因此，用于获得氦气的卓越（商业）原材料是天然气，也可以进行分馏。

蒸馏的最终产物用活性炭完成纯化，非常纯的氦气穿过活性炭。最后，通过使用液态氦的低温工艺将氦气与氖气分离。

同位素

氦在自然界中主要以⁴ He 同位素的形式存在，其裸核是著名的α粒子。这个⁴ He 原子有两个中子和两个质子。同位素³ He的丰度较低，它只有一个中子。第一个比第二个重（原子质量更高）。

因此，同位素对³ He和⁴ He定义了可测量的性质以及我们对氦作为化学元素的理解。假设³ He更轻，则假定其原子具有较高的动能，因此，它们需要更低的温度才能聚结为超流体。

在³他被认为是地球上一种非常罕见的物种; 但是，在月球土壤中，它的含量更高（约2000倍）。这就是为什么月球一直是项目和故事的主题，是³ He 的可能来源，可以用作未来航天器的核燃料。

除其他同位素外，还可以提及氦的半衰期：⁵ He（t _1/2 = 7.6·10 ^-22 s），⁶ He（t _1/2 = 0.8 s）和⁸ He （t _1/2 = 0.119 s）。

风险性

氦气是一种惰性气体，因此不参与我们体内发生的任何反应。

实际上，它的原子进出时没有与生物分子的相互作用而产生别有用心的作用。除了声带发出的声音外，声越来越高。

从气球中吸入氦气的人（适度）说话时声音高昂，类似于松鼠（或鸭子）的声音。

问题是，如果该人吸入不适当量的氦气，他就有窒息的危险，因为氦气中的原子会取代氧气分子；因此，您必须先呼出所有氦气，然后才能呼吸，因为氦气的压力反过来会撕裂肺组织或引起气压伤。

据报道，由于吸入氦气而导致死亡的病例有所报道。

另一方面，尽管由于它与氧气（或另一种物质）缺乏反应性，并不代表着火危险，但如果在高压下储存并逸出，则其泄漏可能具有物理危险。

应用领域

氦的物理和化学特性不仅使其成为一种特殊的气体，而且对于需要极低温度的应用也非常有用。在本节中，将介绍其中的一些应用程序或用途。

压力和放气系统

在某些系统中，有必要增加压力（加压），为此，必须注入或供应一种不与其任何成分相互作用的气体。例如，使用对不良反应敏感的试剂或表面。

因此，氦气的体积可以增加压力，氦气的化学惰性使其非常适合此目的。在某些情况下，它提供的惰性气氛超过了氮气。

对于反向过程（即吹扫），也使用氦气，因为氦气能够夹带所有氧气，水蒸气或任何其他要去除的气体。这样，一旦氦气被清空，系统的压力就会降低。

泄漏检测

氦气可以通过最小的裂缝泄漏，因此它还可以检测管道，高真空容器或低温罐中的泄漏。

有时可以通过视觉或触摸来进行检测；但是，它主要是一个探测器，“发出信号”，指示氦气从被检系统中何处逸出以及逸出了多少氦。

载气

如吹扫系统中所述，氦原子可以随其携带的较重分子而携带。例如，该原理在气相色谱分析中每天都会使用，因为它可以将雾化的样品沿色谱柱拖动，在色谱柱中与固定相相互作用。

气球和飞艇

氦气用于飞艇的充气，比氢气安全得多，因为它不是易燃气体。资料来源：

由于与空气相比密度低，并且又缺乏与氧气的反应性，它已被用来在儿童聚会上给气球充气（与氧气混合，以致没有人会窒息而窒息），以及飞艇（上图），不代表着火危险。

潜水

氦气是潜水员呼吸的氧气罐的主要组成部分之一。资料来源：Pxhere。

当潜水员下降到更大的深度时，由于水施加的巨大压力，他们难以呼吸。这就是为什么将氦气添加到氧气罐中以降低潜水呼吸和呼气的气体的密度，因此可以减少工作量而将其呼出。

电弧焊

在焊接过程中，电弧为两种金属提供了足够的热量。如果在氦气气氛下进行，白炽金属将不会与空气中的氧气发生反应而成为其各自的氧化物。因此，氦气可以防止这种情况的发生。

超导体

液氦用于冷却核磁共振成像扫描仪中使用的磁体。资料来源：Jan Ainali

液态氦太冷了，它可以将金属冻结成超导体。因此，有可能制造出非常强大的磁体，该磁体用液氦冷却，已用于图像扫描仪或核磁共振波谱仪中。

参考文献

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