氦 氦(英文名稱:Helium),稀有氣體元素,位于 元素周期表 的第一周期零族,元素符號(hào)為He,原子序數(shù)為2, 摩爾質(zhì)量 為4.00260g/mol,是一種無色無味的氣體。 氦元素在 地球 的含量并不多,但是在 宇宙 是第二豐度的元素,僅次于 氫 元素。 氦屬于最輕的惰性元素,在自然界中有最穩(wěn)定的 He和 He兩種 同位素 ,還有壽命很短的人造放射性同位素 He~ He。氦氣常壓下的沸點(diǎn)為-268.93℃,熔點(diǎn)為-272.2℃,是最難液化的氣體。 氦氣在低溫超導(dǎo)、醫(yī)學(xué)成像、 半導(dǎo)體 、設(shè)備檢漏以及焊接等領(lǐng)域被廣泛使用。
基本信息
物理性質(zhì)
臨界點(diǎn)
臨界溫度-267.9℃,臨界壓力約0.225MPa
原子性質(zhì)
相關(guān)歷史 1868年8月18日, 法國 天文學(xué)家 皮埃爾·讓森 (Pierre-Jules-César Janssen)在 印度 觀察 日全食 時(shí),發(fā)現(xiàn)在太陽光譜中觀察到一條黃線D3(587.49nm)和鈉光譜的D1(589.6nm)和D2(589.0nm)兩條線不相同。1868年10月20日, 英國 天文學(xué)家 約瑟夫·諾曼·洛克耶 (Norman Lockyer)也觀測到這條黃線D3。 洛克耶 和英國 科學(xué)家 愛德華·弗蘭克蘭 (E. F. Frankland)認(rèn)為這條線只有太陽才有,并且還認(rèn)為是一種金屬元素。所以把這個(gè)元素取名為Helium(元素符號(hào)為He,helio希臘文是 太陽神 的意思,后綴-ium是指金屬元素而言。中譯名為氦)。 1881年,意大利物理學(xué)家路易吉·帕爾米耶里(Luigi Palmieri)在分析 維蘇威火山 的巖漿時(shí)發(fā)現(xiàn)了氦的D3線,這是氦在地球上的首次發(fā)現(xiàn)記錄。 1895年, 蘇格蘭 化學(xué)家 威廉·拉姆塞 (William Ramsay)將含 氧化鈾 (UO 2 )的礦 石放入 硫酸 中時(shí),產(chǎn)生了一種神秘的氣體。 但是由于他沒有更精密的儀器測定譜線在光譜中的位置,于是將這種氣體樣品送給了英國 倫敦 物理學(xué)家 威廉·克魯克斯 (William Crookes)做進(jìn)一步的鑒定,威廉·克魯克斯通過更精確的光譜實(shí)驗(yàn)后,證實(shí)了這種氣體就是氦,并證實(shí)了氦元素也是一種稀有氣體。這也是首次在地球上分離出氦。 十九世紀(jì)、二十世紀(jì)之交,低溫研究在整個(gè)科壇中影響很大。1908年7月13日晚,荷蘭物理學(xué)家卡美林·奧涅斯(Heike Kamerlingh Onnes)和他的助手們第一次得到了320cm 的液態(tài)氦,并且達(dá)到了 4.3K的低溫。直到1934年,在英國盧瑟福那里學(xué)習(xí)的前 蘇聯(lián) 科學(xué)家卡比查發(fā)明了新型的液氦機(jī)。 上世紀(jì)70年代初,美國康奈爾大學(xué)教授戴維·李和 羅伯特·理查森 , 斯坦福大學(xué) 教授 道格拉斯·奧謝羅夫 發(fā)現(xiàn)在0.002K的溫度時(shí) He能變成超流體,這與30年代發(fā)現(xiàn)的氦的另一同位素 He有很大區(qū)別。這三人于1996年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),以表彰他們發(fā)現(xiàn)了的同位素 He的超流體現(xiàn)象。
分布情況 氦元素在地球的含量并不多,但在宇宙是第二豐度的元素,僅次于氫。氦在整個(gè)宇宙按質(zhì)量計(jì)算占23%。氦在地球的主要來源并不是空氣,而是來自于天然氣。氦在天然氣中的含量是在空氣中含量的1.5萬倍,但是這種高氦的天然氣礦藏并不多,因?yàn)樘烊粴庵械暮馐氢欀惖姆派湫栽厮プ兊漠a(chǎn)物,一般認(rèn)為天然氣中氦含量達(dá)到0.1%即可以被工業(yè)利用,一般只有在天然氣礦附近有鈾礦時(shí),氦氣才能在天然氣中匯集。
同位素 氦共有8種同位素的同位素, He~ He為壽命很短的人造放射性同位素,在自然界中最穩(wěn)定的是 He和 He。 He在地球上集中 于地球內(nèi)部,是地球形成時(shí)從宇宙星云中吸聚的氦,稱為原始氦、捕獲氦或地慢氦; He在宇宙中是宇宙射線轟擊大氣圈中的氮產(chǎn) H,由 H轉(zhuǎn)化來的 He稱為宇宙成因氦。 He是由U和Th等元素放射性元素衰變而得到的。 由于在地球的各個(gè)端元中氦同位素之間的比值( He/ He)具有不同的特征值,彼此間 He/ He比值相差較大,所以氦的同位素比值可以成為判斷流體來源較直觀的地球化學(xué)證據(jù)。研究表明氦同位素比值在各個(gè)地質(zhì)端元中相對穩(wěn)定, 大氣 中的 He/ He比值為1.4x10 , 地幔 中的 He/ He比值為n×10 , 地殼 中的 He/ He比值n×10 。 氦同位素
質(zhì)量數(shù)
半衰期
He
3
穩(wěn)定
He
4
穩(wěn)定
He
5
602ys±22
He
6
806.92ms±0.24
He
7
2.51zs±0.07
He
8
119.5 ms±1.5
He
9
2.5 zs±2.3
He
10
260 ys±40
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 氦氣(He)為元素周期表0族元素中的 稀有氣體 ,原子序數(shù)為2,原子量4.00260,原子半徑為140pm。在自然界中穩(wěn)定存在的同位素為 He和 He。氦氣為無色氣體,是所有氣體中最難液化的氣體,其臨界溫度-267.9℃,臨界壓力約0.225MPa。氦氣的密度為0.0001785g/cm ,熔點(diǎn)為-272.2℃(0.95K),沸點(diǎn)為-268.93℃(4.22K),沸點(diǎn)時(shí)的蒸發(fā)熱為1kJ/kg,熔點(diǎn)時(shí)的溶解熱熱為5.72kJ/kg、15℃ 定壓比熱容 為1.25kJ/kg·℃。 液態(tài)氦在溫度下降 至2.18K時(shí),性質(zhì)發(fā)生突變,成為一種 超流體 ,能沒有粘滯力地流動(dòng),熱導(dǎo)率變得非常高,約為 銅 的800倍;其比熱容、表面張力和壓縮性都變得反常。因此在元素單質(zhì)中,氦不僅是溫度最低的流體,也基本不參與其他元素的化學(xué)反應(yīng)。 氦具有異常的穿透力,能迅速地穿透某些有機(jī)聚合物、 陶瓷 、 石英 玻璃和 硼 硅 玻璃這些材料制的薄板。氦穿透 磷 硅玻璃漫射比穿過軟玻璃快99倍。氦能穿過多種金屬,但不能穿透 鐵 和 鉑 族金屬。從天然氣回收氦的方法之一就是根據(jù)選擇 穿透性原理。
化學(xué)性質(zhì) 氦屬于最輕的惰性元素。在高壓下,氦能與其他物質(zhì)形成衍生物,如富勒烯;在極度的壓力之下,氦可以與其他元素形成化合物,如氦鈉化合物(Na 2 He)。
結(jié)構(gòu) 氦原子核外只有一個(gè)軌道,并且被兩個(gè)電子完全占據(jù),沒有額外的電子可以參與成鍵。
氦原子 的光譜比較復(fù)雜,但有著與堿金屬原子類似的光譜線系,其光譜都可以歸類到S、P、D等光譜線系。對光譜進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)每一個(gè)線系都有兩套,就是有兩套S線系、兩套P線系、兩套D線系等,其中的一套是單重的,而另一套是三重的。 氦有兩套不同的能級(jí)。一套是單層的,另一套是三層的。正是由于這個(gè)原因,起初認(rèn)為有兩種氦:正氦和仲氦。正氦具有三重態(tài)能級(jí),而仲氦具有單重態(tài)能級(jí)。在這兩套能級(jí)內(nèi)部的躍遷產(chǎn)生了兩套相互獨(dú)立的光譜。而且,這兩套能級(jí)之間沒有輻射躍遷。
除了能量最低的、比較穩(wěn)定的基態(tài)和能量較高的、不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)之外, 氦原子 中存在幾個(gè)亞穩(wěn)態(tài),所謂亞穩(wěn)態(tài)是指這樣一些激發(fā)態(tài),原子可以在這樣的狀態(tài)存在較長的時(shí)間,不容易很快退激發(fā)而躍遷到基態(tài)。氦原子的2 S 0 、2 S 1 等都是亞穩(wěn)態(tài),實(shí)驗(yàn)測得2 S 0 的壽命為19.5ms。
氦原子的基態(tài)1 S 0 與第一激發(fā)態(tài)2 S 1 之間的能量差很大,達(dá)到了19.77eV;電離電勢也是所有元素中最大的,達(dá)到了25.48eV。
單重態(tài)中最低的能級(jí)是基態(tài)1 S 0 ,主量子數(shù)n=1;而三重態(tài)中,沒有主量子數(shù)n=1的能級(jí),最低能級(jí)2 S 1 的主量子數(shù)n=2。
屬于三重漫線系的D 3 線,所對應(yīng)的輻射躍遷為:
587.5963nm 3 D 1 →2 P 0 相對強(qiáng)度1
587.5643 nm 3 D 1,2 →2 P 1 相對強(qiáng)度3
587.5601nm 3 D 1,2,3 →2 P 2 相對強(qiáng)度5
實(shí)際上,3 D 1,2,3 態(tài)中三個(gè)能級(jí)的間隔很小,實(shí)驗(yàn)上不容易測出,上述躍遷的結(jié)果是依據(jù)光譜線的強(qiáng)度合躍遷的選擇定則進(jìn)行分析而得到的。
制備方法
天然氣分離法: 天然氣是最重要的氦資源,工業(yè)上生產(chǎn)的氦氣基本上是從天然氣中提取的,主要以含有氦的天然氣為原料,反復(fù)進(jìn)行液化分餾,然后利用 活性炭 進(jìn)行吸附提純,最后得到純氦。其提氦技術(shù)一般需經(jīng)過三個(gè)工藝步驟: ①含氦天然氣的預(yù)凈化。
②粗氦的制取。
③氦的精制。
合成氨法 以含氦的天然氣為原料的合成 氨 裝置中,合成循環(huán)氣中逐步得到濃縮,在其弛放氣中氦的含量是天然氣中十倍左右,其提氦包括三個(gè)步驟: ①弛放氣凈化:主要是指脫除其所含的氨和水分。
②粗氦的提取:主要是用化學(xué)燃燒法、凍結(jié)法、甲烷洗滌吸收法和變壓吸附法等脫除大部分所含的 氫 、 氮 、 氬 和 甲烷 等雜質(zhì),獲得濃度50%以上的粗氦氣體。 ③粗氦的精制:在工業(yè)上一般采用直接加氧燃燒法、純氦稀釋后加氧催化法除氫和低溫吸附法除氫等方法獲得90%以上氦氣;再通過加壓、冷卻至77K以下脫除其中大部分雜質(zhì)氣體,然后在低溫下用活性炭吸附脫除微量 氖 等雜質(zhì),獲得99.99%以上的純氦。
空氣法 由于空氣中約含有5.24×10 的氦氣,可以通過大型深冷空分裝置分離 氧 、氮和氬等后得到副產(chǎn)物純氦。主要包括以下三個(gè)步驟: ①粗氖氦混合氣的提取。
②純氖氦混合氣的制備。
③氖氦分離制備純氦。
其中,氖氦分離是以液氖為冷源、2.5MPa壓力和接近氖沸點(diǎn)的溫度下,使氖氦混合氣中大部分氖冷凝下來,然后在低于77K溫度下,用活性炭去除殘余的氖而獲得純氦。
鈾礦石法 將含氦的鈾礦石經(jīng)過焙燒,分離出氣體,再經(jīng)過化學(xué)方法,除去水蒸氣、 氫氣 和 二氧化碳 等雜質(zhì)提純出氦。
應(yīng)用領(lǐng)域
氦氣
用作提升氣 氦氣的相對密度較空氣小,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m 氦氣的浮力為1.1kg,是氫氣浮力的93%,氦又是惰性氣體,因此是比氫氣更為可靠的提升氣,用于充氣球和飛艇。
合成呼吸氣 由于氦在血液和細(xì)胞組織中溶解度很小, 氧氣 和氦氣可以以1:4的比例混合成呼吸氣,代替空氣供深水潛水員呼吸用,還可以縮短潛水后減壓時(shí)間。氦氣滲透性很強(qiáng),可以較快的滲透肺部。
壓送和吹掃氣 由于氦氣的化學(xué)惰性和沸點(diǎn)低,在航天發(fā)射中用作燃燒系統(tǒng)吹掃氣和各種燃料及 氧化劑 (如 液氫 、液氧)等壓送。還可以給火箭助推器和宇宙飛船 上氣動(dòng)機(jī)構(gòu)加壓,給高空飛行器某些電子部件加壓。
焊接和保護(hù)氣 與通常 氬 弧焊相比較,氦弧或氦-氬弧焊具有熔深大、速度快、焊縫中氣孔少、熱影響區(qū)過熱現(xiàn)象輕、焊接部位低溫塑性好等優(yōu)點(diǎn),已廣泛用于 不銹鋼 、銅、 鎂 、 鋯 、 鈦 等金屬或合金的焊接。氦氣還可用作半導(dǎo)體、 光導(dǎo)纖維 等生產(chǎn)過程的保護(hù)氣。
傳熱介質(zhì) 由于氦不與 原子反應(yīng)堆 的燃料和其他物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng),故氦氣可用作原子反應(yīng)堆冷卻和熱交換的傳熱介質(zhì)。
光學(xué)儀器填充氣 由于氦氣的性質(zhì)與理想氣體十分接近,折射率又小,因此可用作光學(xué)儀器的填充氣,使光學(xué)儀器獲得很高靈敏度。
人造空氣
氣體激光器 在醫(yī)療 上,通過氦氖激光治療,可以幫助 機(jī)體清除炎癥,并且擴(kuò)張局部血管,達(dá)到止痛的效果,如治療皮膚病、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、肺炎、激光手術(shù)等。同時(shí) 氦氖激光器 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和教學(xué)等方面的應(yīng)用也很廣泛,尤其在流體的流速流量測量、精密計(jì)量、全息照相和準(zhǔn)直導(dǎo)向等方面表現(xiàn)著主要作用。
泄露檢測 氦氣可以用于泄露檢測,它被用作示蹤氣體來檢測高真空設(shè)備和高壓容器中的是否有泄漏。采用氦氣為示蹤氣體的氦質(zhì)頻儀,借助質(zhì)譜的分析方法,通過測定真空系統(tǒng)中氦氣壓強(qiáng)的變化來檢查封裝結(jié)構(gòu)的細(xì)微漏孔。測試時(shí)首先向封裝焊好的器件內(nèi)壓入氦氣,然后在真空狀態(tài)下抽出氦氣,測定所抽出氦氣的量來判斷氣密性。
液氦
超導(dǎo)冷卻 液氦在超導(dǎo)冷卻方面廣泛應(yīng)用于 核磁共振 設(shè)備、 超導(dǎo)量子干涉器 、 粒子加速器 、 磁懸浮列車 、電能的存儲(chǔ)等,其中的最大消費(fèi)群體是醫(yī)院的核磁共振設(shè)備。缺乏氦氣最嚴(yán)重的后果,是嚴(yán)重阻礙低溫技術(shù)的應(yīng)用,其中受到最大影響的就是低溫超導(dǎo)技術(shù)?,F(xiàn)在已知所有的超導(dǎo)材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性,其中應(yīng)用最廣泛的幾種(如Nb 3 Sn)更是需要比液氫的沸點(diǎn)還低的轉(zhuǎn)變溫度,這時(shí)候只有液氦能比較簡便地實(shí)現(xiàn)這樣的極低溫。醫(yī)院的核磁共振成像儀的核心大都是超導(dǎo)磁體,只有在液氦的低溫下才能穩(wěn)定運(yùn)行,產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,保證高分辨率的成像。
超低溫冷卻 液氦在超低溫冷卻方面廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆的冷卻介質(zhì)和清洗劑,第一代氣冷裂變反應(yīng)堆利用僅400℃左右的冷媒溫度,采用價(jià)廉的二氧化碳作為冷媒氣體。為了改善熱效率,第二代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)采用高達(dá)790℃的氣體冷媒溫度。在此溫度下,只有氦( He)具有必需的化學(xué)穩(wěn)定性、惰性、高傳熱速率、低動(dòng)力學(xué)壓力損失和低中子有效截面,因此,只能用氦作為冷媒氣體。
同位素 He可以作為非常理想的 聚變反應(yīng) 材料。以D- He為燃料的聚變反應(yīng)堆可以產(chǎn)生潔凈和安全的聚變能,該反應(yīng)的過程為:
安全事宜
安全標(biāo)識(shí) GHS分類
GHS
危險(xiǎn)說明
危險(xiǎn)等級(jí)
H280
含有加壓氣體;加熱可能會(huì)爆炸
壓力下的氣體
H281
含有冷凍氣體;可能導(dǎo)致低溫?zé)齻驌p傷
壓力下的氣體
健康危害 氦本身無毒的,但它可以通過置換空氣中的氧氣而造成窒息危險(xiǎn)。吸入純氦氣易出現(xiàn)疲倦無力、昏迷、惡心、煩躁不安、嘔吐、抽搐,以致死亡,所以在大量使用氣態(tài)氦或液氦時(shí),應(yīng)在通風(fēng)良好的地方進(jìn)行,以避免形成缺氧空氣。
氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍,這會(huì)改變?nèi)说穆晭У墓舱駪B(tài),于是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高,使得聲音發(fā)生變化。
貯存與運(yùn)輸 氦可以用氣態(tài)和液態(tài)方式貯存,氣瓶應(yīng)貯存于陰涼、通風(fēng)的倉庫內(nèi),溫度不宜超過30℃,遠(yuǎn)離火種和熱源,避免陽光直射,應(yīng)與易燃易爆、可燃物分開存放。既可用管道輸送也可用運(yùn)輸式罐裝容器直接輸送,其罐裝容器為1L~30000L。液氦在工業(yè)上使用液氦運(yùn)輸貯槽或固定貯罐來運(yùn)輸和長期貯存,其容積一般100L~500L。