На відміну від Азоту, Гелій практично...
Гелій - справді благородний газ. Змусити його вступити в будь-які реакції поки що не вдалося.
Молекула Гелія одноатомна. По легкості - поступається лише Гідрогену. Повітря в 7,25 рази важче за Гелію.
Гелій майже нерозчинний у воді та інших рідинах. І в рідкому Гелії помітно не розчиняється жодна речовина.
Твердий Гелій, без підвищення тиску отримати неможливо за жодних температур.
Неповторність образу атома Гелія визначається поєднанням у ньому двох дивовижних природних конструкцій - абсолютних чемпіонів з компактності та міцності. У ядрі Гелія, Гелія-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки - і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що обрамляє це ядро - теж насичений.
У цих конструкціях – ключ до розуміння властивостей Гелія. Звідси походить і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома.
Величезна роль альфа-частинки (ядра атомів Гелія) в історії становлення та розвитку ядерної фізики - саме альфа-вивчення привело Резерфорда до відкриття атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа частинками було вперше здійснено взаємоперетворення елементів. Щоправда, у цій реакції не ртуть перетворилася на золото (як мріяли століттями спраглих взаємоперетворення алхіміки), а азот на кисень.
Ті ж ядра атомів Гелія (альфа частки) виявилися причетними до відкриття нейтрону та отримання першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа частинок було синтезовано кюрій, берклій, каліфорній, менделевий.
Гелій був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж на Землі - у спектрі сонячної корони було відкрито яскраво-жовту лінію D, а що за нею ховалося, стало достовірно відомо лише після того, як Гелій витягли із земних мінералів, містять радіоактивніелементи.
У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворюються альфа частинки - високоактивні, що мають велику енергію ядра атомів Гелія.
В основному земний Гелій утворюється при радіоактивному розпаді Урана-238, Урана-235, Торія та нестабільних продуктів їхнього розпаду. Незрівнянно менші кількості Гелія дає повільний розпад Самарія-147 та Вісмута. Всі ці елементи породжують лише важкий ізотоп Гелія (4Не).
За кількістю Гелія, замкненого в гірській породі або мінералі, можна судити про їх абсолютний вік. У цих вимірювань лежать закони радіоактивного розпаду. Наприклад половина Урану-238 за 4 520 000 000 років перетворюється на Гелій та Свинець.
Природні сполуки, у складі яких є альфа-активні ізотопи - це лише першоджерело, але не сировина для промислового отримання Гелію. Щоправда, деякі мінерали, що мають щільну структуру - самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон та інші - міцно утримують ув'язнений у них Гелій. Однак більшість мінералів з часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації і т.д., і Гелій їх йде. Звільнені з породи Гелієві бульбашки відправляються в подорож земною корою. Дуже незначна частина їх розчиняється у підземних водах. Для утворення більш концентрованих розчинів Гелія, потрібні особливі умови – насамперед більші тиски.
Інша частина кочує Гелія, через пори та тріщини мінералів виходить в атмосферу.
Інші молекули газу потрапляють у підземні пастки, у яких накопичуються протягом багатьох років. Пастками служать пласти пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. А ложем для таких газових колекторів зазвичай є вода і нафта. Зверху ці газовіскупчення перекривають газонепроникні товщі щільних порід.
Так як в земній корі мандрують і інші гази (в основному Метан, Азот, Вуглекислота), і до того ж у набагато більших кількостях Гелій, то чисто Гелієвих скупчень не існує. В результаті змішувань, Гелій міститься в природних газах, але лише в тисячних, сотих, рідко - десятих частках відсотка. Велика (від 1,5 до 10%) Гелієносність Метано-Азотних родовищ – явище вкрай рідкісне.
Тим не менш, саме природні гази виявилися практично єдиним джерелом сировини для промислового отримання Гелія. Для відділення Гелія від інших газів використовують його виняткову леткість, пов'язану з його низькою температурою зрідження - після того, як усі інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, газоподібний Гелій відкачують. Потім його очищають від домішок.
Чистота заводського Гелія сягає 99,995%.
Однак у всесвіті, до 23% усієї космічної маси припадає на Гелій. Виключивши з цього абсолютного рекордсмена (Водень), на всі інші елементи космосу залишається лише 1%. Таким чином, світову матерію можна назвати Водородно-Гелієвою - ці два елементи панують у зірках, планетарних туманностях та міжзоряному газі.
Загалом найбільшу відносну поширеність у всесвіті мають елементи (і їх ізотопи), масове число яких ділиться на чотири.
Гелій рясно представлений, наприклад, в атмосфері Юпітера.
Ядра Гелія синтезуються при зоряних температурах з протонів в результаті термоядерних процесів, що вивільняють 175 мільйонів кіловат-годин енергії на кожен кілограм Гелія. Реакція синтезу Гелія - основа енергетичної діяльності зірок, їх свічення. Отже, синтез Гелія можна вважати праотцем усіхреакцій у природі.
Атом Гелія (він же молекула) - найміцніша з молекулярних конструкцій. Орбіти двох його електронів абсолютно однакові і проходять гранично близько від ядра. Щоб оголити ядро Гелія, потрібно витратити рекордно велику енергію – 78,61 МеВ. Звідси – феноменальна хімічна нейтральність Гелія. Хімікам вдалося отримати понад 150 хімічних сполук важких шляхетних газів. Однак інертність Гелія залишається, як і раніше, поза підозрою. Якщо б і був знайдений шлях отримання, наприклад фториду або оксиду Гелія, то при освіті вони поглинули б так багато енергії, що молекули, що виявилися, були б «вибухнули» цією енергією зсередини.
Молекули Гелія неполярні - сили міжмолекулярної взаємодії між ними менші, ніж у будь-якій іншій речовині. Звідси – найнижчі значення критичних величин – найнижча температура кипіння, найменші теплоти випаровування та плавлення. При тиску менше 25 атмосфер, температури плавлення у Гелія взагалі немає. Рідкий Гелій при будь-якій близькій до абсолютного нуля температурі не твердне, якщо крім температури, на нього не діє тиск в 25 або більше атмосфер. Другої такої речовини у природі немає.
Немає також іншого газу, настільки мізерно розчинного в рідинах, особливо полярних і так мало схильного до адсорбції, як Гелій.
Гелій - найкращий (серед газів) провідник електрики та другий, після Водню, провідник тепла. Його теплоємність дуже велика, а в'язкість мала.
Вражаюче швидко проникає Гелій крізь тонкі перегородки з деяких органічних полімерів, порцеляни, кварцового та боросилікатного скла. Крізь м'яке скло Гелій проникає (дифундує) у 100 разів повільніше, ніж крізь боросиликатне.
Гелій може проникати і через багатометали. Повністю непроникні йому лише Залізо і метали Платинової групи, навіть розпечені. На принципі виборчої проникності заснований і один із методів вилучення чистого Гелію з природного газу.
Рідкий Гелій - це найхолодніша рідина, в якій до того ж не розчиняється помітно жодна речовина. І це найлегша з рідин із мінімальною величиною поверхневого натягу.
При температурі 2,172°К відбувається стрибкоподібна зміна властивостей рідкого Гелію. Різновид, що утворюється (ізотоп), умовно названа Гелієм II. Гелій II не вирує при кипінні, поверхня його залишається зовсім спокійною. Гелій II проводить тепло у 300 000 000 разів краще, ніж звичайний рідкий Гелій (Гелій I). В'язкість Гелія II практично дорівнює нулю - вона в 1000 разів менша за в'язкість рідкого Гідрогену. Тому Гелій II має надплинність - здатність витікати без тертя через капіляри скільки завгодно малого діаметра.
Інший - стабільний - ізотоп Гелія (Гелій-3 або 3Не) переходить у надплинний стан при температурі, що віддаляється від абсолютного куля всього на соті частки градусів. Надплинні Гелій-4 і Гелій-3 називають квантовими рідинами - в них проявляються квантово-механічні ефекти ще до їх затвердіння. Цим пояснюється досить детальна вивченість рідкого гелію. Та й виробляють його чимало – сотні тисяч літрів на рік.
Твердий Гелій майже не вивчений - великі труднощі дослідження цього холодного тіла.
Як і будь-яке наукове відкриття, вперше Гелій був застосований для руйнування. Першими його почали застосовувати німці - в 1915 вони стали наповнювати їм свої дирижаблі. - бомбардували Лондон. Незабаром легкий, але негорючий Гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів.
Багатотехнологічні процеси та операції не можна вести у повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії речовини (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища. І немає для цього більш відповідного газу, ніж Гелій. Інертний, легкий, рухливий, добре проводить тепло Гелій - ідеальний засіб для передавлювання з однієї ємності в іншу легкозаймистих рідин і порошків - саме ці функції виконує він в ракетах і керованих снарядах.
У Гелієвому захисному середовищі проходять окремі стадії одержання ядерного пального. Також у заповнених Гелієм контейнерах зберігають і транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів. За допомогою особливих течешукачів, дія яких заснована на винятковій дифузійній здатності Гелія, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторах та інших системах, що знаходяться під тиском або вакуумом.
У ряді країн збудовані та будуються дирижаблі з Гелієвим наповненням, вантажопідйомністю від 100 до 3000 тонн. Вони економічні, надійні та зручні для транспортування великогабаритних вантажів, таких, як батоги газопроводів, нафтоочисні установки, опори ліній електропередач тощо. А підйомна сила, порівняно з суто Водневим (вибухонебезпечним) наповненням, знижується лише на 7%.
Діють високотемпературні ядерні реактори, у яких теплоносія служить Гелій.
У наукових дослідженнях та техніці широко застосовується рідкий Гелій - наднизькі температури, коли рух частинок речовини завмирає, сприяють поглибленому пізнанню речовини та її будови. При більш високих температурах тонкі деталі енергетичних спектрів маскуються рухом атомів.
Існують інадпровідні соленоїди з особливих сплавів, що створюють за температури рідкого Гелія сильні магнітні поля (до 300 000 ерстед) при мізерних витратах енергії. При температурі рідкого Гелія взагалі багато металів і сплавів стають надпровідниками.
Надпровідники, а з ними і рідкий Гелій входять до конструкцій детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.
З горючим природним газом, через апарати хімічного синтезу, топки та печі - проходять і йдуть в атмосферу набагато більші кількості Гелію, ніж ті, що видобуваються з Гелієносних джерел.
У природі існують 2 стабільні ізотопи Гелія: Гелій-3 і Гелій-4. Легкий ізотоп (Гелій-3) поширений Землі у мільйон разів менше, ніж важкий (Гелій-4). Це найрідкісніший із стабільних ізотопів, що існують на Землі.
Штучним шляхом отримано ще три – відповідно важчі – ізотопу Гелія: Гелій-5, Гелій-6, Гелій-8. Найважчий з них цікавий тим, що в його ядрах на один протон припадає три нейтрони.
У рідкий і твердий стан Гелій був переведений останнім з усіх газів. Особливі складності зрідження та затвердіння Гелія пояснюються будовою його атома та деякими особливостями фізичних властивостей. Зокрема він (як і Водень) за температури вище - 250°C, розширюючись, не охолоджується, а нагрівається! При цьому критична (коли відмінність властивостей рідкої та газоподібної фаз зникає) температура Гелію вкрай низька.
Повітря, в якому весь Азот або більша його частина замінена Гелієм, широко використовують на землі, під землею та під водою. Гелієве повітря втричі легше і набагато рухоміше звичайного повітря. Він активніше ведесебе у легенях – швидко підводить Кисень і швидко евакуює Вуглекислий газ. Тому Гелієве повітря дають хворим при розладах дихання та деяких операціях - воно знімає ядухи, лікує бронхіальну астму та захворювання гортані.
Дихання Гелієвим повітрям практично виключає Азотну емболію (кесонну хворобу), якій під час переходу від підвищеного тиску до нормального піддаються водолази та фахівці інших професій, робота яких проходить в умовах підвищеного тиску. Причина цієї хвороби – значна (особливо при підвищеному тиску) розчинність Азоту в крові. Принаймні зменшення тиску Азот виділяється як газових бульбашок, які можуть закупорити кровоносні судини, пошкодити нервові вузли.
На відміну від Азоту, Гелій практично нерозчинний у рідинах організму і, відповідно, не може бути причиною кесонної хвороби.
До того ж, Гелієве повітря виключає виникнення «Азотного наркозу» - зовні подібного до алкогольного сп'яніння. Власне саме на основі чистого Азоту пропонується здійснювати і виконання судових вироків про вищу міру покарання. Припускаючи, що «Азотний наркоз» - максимально гуманний спосіб.
Тривале дихання Гелієвим повітрям навпаки - не викликає негативних зрушень у людському організмі і не загрожує змінами в генетичному апараті. Гелієва атмосфера не впливає зокрема на розвиток клітин та частоту мутацій.