Сторінка
1

Властивості гелію

План

1. Загальні властивості гелію. Гелій на Землі.

2. Особливості властивостей гелію. Надтекучість.

а) дворідинна модель;

б) фонтанний ефект;

в) квантові ефекти;

г) фазові переходи у надтекучої рідини.

3. Список використаної джерел

Загальні властивості гелію. Гелій на Землі.

Гелій - інертний газ. Змусити його вступити в які-небудь реакції поки не вдалося. Молекула гелію одноатомна.

По легкості цей газ поступається тільки водню, повітря в 7,25 рази важче гелію.

Гелій майже не розчинимо у воді й інших рідинах. І точно так само в рідкому гелії помітно не розчиняється жодна речовина.

Твердий гелій не можна одержати ні при яких температурах, якщо не підвищувати тиск.

В історії відкриття, дослідження й застосування цього елемента зустрічаються імена багатьох великих фізиків і хіміків різних країн. Гелієм цікавилися, з гелієм працювали: Жансен (Франція), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англія), Пальмієрі (Італія), Кеєзом, Камерлинг-Оннес (Голландія), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Радянський Союз) і багато інших великих учених.

Неповторність вигляду атома гелію визначається сполученням у ньому двох дивовижних природних конструкцій – абсолютних чемпіонів з компактності й міцності. У ядрі гелію, гелію-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки – і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що оточує це ядро, теж насичений. У цих конструкціях – ключ до розуміння властивостей гелію. Звідси виникають і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома.

Величезна роль ядра атома гелію – альфа частки в історії становлення й розвитку ядерної фізики. Саме вивчення розсіювання альфа часток привело Резерфорда до відкриття атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа частками було вперше здійснене взаємоперетворення елементів – те, про що століттями мріяли багато поколінь алхіміків. Правда, у цій реакції не ртуть перетворилася в золото, а азот у кисень, але це зробити майже так само важко. Ті ж альфа частки виявилися причетні до відкриття нейтрона й одержанню першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа часток були синтезовані кюрій, берклій, каліфорній.

Ми перелічили ці факти лише з однією метою – показати, що елемент №2 – елемент досить незвичайний.

Гелій – елемент незвичайний, і історія його незвичайна. Він був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж на Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони була відкрита яскраво-жовта лінія D, а що за нею ховалося, стало достеменно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи.

Гелій на Сонці відкрили француз Ж. Жансен, що проводив свої спостереження в Індії 19 серпня 1868 р., і англієць Дж. H. Локьер – 20 жовтня того ж року. Листи обох учених прийшли в Париж в один день і були зачитані на засіданні Паризької Академії наук 26 жовтня з інтервалом у кілька хвилин. Академіки, уражені настільки дивним збігом, постановили викарбувати на честь цієї події золоту медаль.

В 1881 р. Про відкриття гелію у вулканічних газах повідомив італійський учений Пальмієрі. Однак його повідомлення, згодом підтверджене, мало хто із учених прийняв всерйоз. Удруге земний гелій був відкритий Рамзаєм в 1895 р.

У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворяться альфа частки – високоактивні, що володіють великою енергією ядра атомів гелію.

В основному земний гелій утвориться при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію й нестабільних продуктів їхнього розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 і вісмуту. Всі ці елементи породжують тільки важкий ізотоп гелію – 4Не, чиї атоми можна розглядати як останки альфа часток, поховані в оболонці із двох спарених електронів – в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, імовірно, існували й інші, що вже зникли з лиця Землі, природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним з них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.

По кількості гелію, замкнутого в гірській породі або мінералі, можна судити про їхній абсолютний вік. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд. років перетворюється в гелій і свинець.

Гелій у земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урани й 10 г торію, за мільйон років продукує усього 0,09 мг гелію – половину кубічного сантиметра. У далеко не всіх багатих ураном і торієм мінералах зміст гелію досить великий – кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, тому що вони дуже рідкі.

Природні сполуки, у складі яких є альфа активні ізотопи, - це тільки першоджерело, але не сировина для промислового одержання гелію. Правда, деякі мінерали, що володіють щільною структурою – самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон й інші, - міцно втримують ув’язнений у них гелій. Однак більшість мінералів із часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації й т.д., і гелій з них іде.

Гелієві пухирці, що вивільнилися із кристалічних структур, відправляються в подорож по земній корі. Дуже незначна частина їх розчиняється в підземних водах. Для утворення більш-менш концентрованих розчинів гелію потрібні особливі умови, насамперед більші тиски. Інша частина гелію, що кочує, через пори й тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу попадають у підземні пастки, у яких нагромаджуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Пастками служать шари пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. Ложем для таких газових колекторів звичайно служать вода й нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід.

Тому що в земній корі мандрують й інші гази (головним чином метан, азот, вуглекислота), і притім у набагато більших кількостях, те чисто гелієвих скупчень не існує. Гелій у природних газах присутній як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко – десятих часток відсотка. Більша (1,5 .10%) геліємісність метано-азотних родовищ – явище вкрай рідке.

Природні гази виявилися практично єдиним джерелом сировини для промислового одержання гелію. Для відділення від інших газів використають виняткову летючість гелію, пов’язану з його низькою температурою скраплення. Після того як всі інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, газоподібний гелій відкачують. Потім його очищають від домішок. Чистота заводського гелію досягає 99,995%.

Запаси гелію на Землі оцінюються в 5·1014 м3; судячи ж з вирахунків, його накопичилось в земній корі за 2 млрд. Років в десятки разів більше. Таке розходження теорії з практикою можна пояснити. Гелій – легкий газ и, подібно водню (хоч і повільніше), не розлітається з атмосфери в світовий простір. Ймовірно, за час існування Землі гелій нашої планети неодноразово обновлювався – старий розсіювався в космос, а замість нього в атмосферу потрапляв свіжий – «той, що видихається» Землею.