Гелий во вселенной. Где находиться гелий

Через несколько поколений воздушные шары могут стать историей. Купите воздушный шарик. Отпустите его и смотрите, как он сжимается в крошечную точку и исчезает в стратосфере. Потом он или взлетит слишком далеко и треснет, или из него медленно выйдут компоненты, которые легче воздуха. Так или иначе, гелий улетучится из воздушного шарика и из атмосферы. Земной гелий буквально улетает в космос.

Это будущее мирового гелия в ближайшие сто лет, говорят ученые. Такова судьба газа, который легче воздуха: гравитация просто не может его удержать. Земная кора выделяет немного гелия, но он быстро уходит из атмосферы. Количество гелия в ней стабильно держится на 0,00052 объемного процента. Извлекать столь маленькое количество из воздуха было бы очень дорого. Гелий, который можно покупать и использовать, добывается из природных газовых резервов, в основном в США.

Использованный (в воздушных шариках, магнитно-резонансной томографии или ракетах) гелий поднимается вверх, вверх и прочь. Поскольку запасы гелия понемногу истощаются, цены на него уже начинают расти и воздушные шары уступают место более серьезным способам его применения. Через сотню лет воздушный шарик, возможно, обойдется дороже кольца из чистого золота. Несмотря на то, что ученые знали о надвигающемся дефиците гелия еще несколько десятилетий назад, это стало новостью только в последние пять лет.

Почему? Причины кроются в сложной политической истории гелия.

Как мы к этому пришли?

Гелиос на колеснице Солнца. Никола Бертен (Nicolas Bertin)

В 1868 гелий впервые был замечен как линия в спектре света во время солнечного затмения. Название «гелий» связано с греческим богом Гелиосом, который каждый день возил солнце по небу на золотой колеснице. В 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай впервые обнаружил этот газ на Земле. В том же году шведские химики Пер Теодор Клеве и Абрам Ленгле собрали достаточно газа, чтобы определить его атомный номер — 2.

Элемент присутствует в солнечной энергии, потому что Солнце — огромный шар из водорода и гелия. Притяжение Солнца настолько сильно, что в его центре атомы водорода (с одним протоном) сплавляются и становятся атомами гелия (с двумя протонами). Этот процесс называется термоядерной реакцией и высвобождает энергию — в количестве, достаточном, чтобы мы видели солнечный свет и чувствовали тепло на расстоянии 150 000 000 км. Но нам не достается солнечный гелий. Этот газ, впервые выделенный учеными, был побочным продуктом растворения настурана (наиболее распространенного минерала урана) в кислоте — процесса и радиоактивного, и дорогого.

В 1903 году нефтяная вышка в Канзасе обнаружила гейзер разочаровывающе негорючего газа. Этот газ отправился в лабораторию на анализ и оказался 1.8% гелием — намного более концентрированным, чем тот, который содержится в атмосфере. Инженеры начали изучать газ из других скважин в стране, и в результате в 1906 году ученые заявили: «Гелий — не редкий, а распространенный элемент, и нам предстоит найти применение его обширным запасам».

Почему гелий намного больше, чем водород, подходит для дирижаблей

Оказавшись распространенным веществом, гелий стал естественным решением для резиновых шаров и дирижаблей, которые раньше заполняли столь же легким, но огнеопасным водородом. Гелий менее распространен за пределами США, и правительство хотело сохранить это преимущество. В 1925 году Конгресс утвердил Федеральный запас гелия для военных и коммерческих дирижаблей, а принятый в 1927 году закон запрещал экспорт гелия. В результате дирижабли других стран, например, Гинденбург, по-прежнему заправлялись водородом, что и привело к известной катастрофе.

Вскоре были найдены и другие способы использования ресурса. У него самая низкая температура кипения среди всех известных веществ — минус 269 градусов Цельсия, поэтому в жидком состоянии гелий — идеальный хладагент. Кипящая жидкость сохраняет температуру, при которой кипит, до тех пор, пока остается жидкостью, — она не становится горячее. Вода не может быть горячее ста градусов, и жидкий гелий не может быть горячее -269. Ресурс начали использовать для изоляции сварочных дуг, а позже — в сверхпроводниках, ядерных реакторах и криогенике. Сейчас этот газ чаще всего используется именно как охладитель.

Со времен Манхэттенского проекта гелий используется для поиска утечек: это инертный газ, который не реагирует с другими веществами и проникает в отверстия очень быстро. Он используется для измерения радиации и в медицинской визуализации.

Температура магнитов в аппарате для магнитно-резонансной томографии поддерживается с помощью гелия.

Федеральный запас

Хотя использование дирижаблей, заполненных гелием, прекратилось, во второй половине двадцатого века Федеральный запас гелия продолжал существовать и расширяться, потому что газ был полезен для правительственных нужд, в основном для космической и оборонной промышленности.

В 1996 году Федеральный запас составил миллиард кубических метров, но перестал представлять интерес для американского правительства, отчасти из-за плохого финансового менеджмента. «Вашингтон пост» писала: «В 1996 году запас гелия выглядит транжирством. Дирижабли перестали быть жизненно важной частью военно-воздушного флота, и, главное, заплатив бурильщикам за извлечение гелия из природного газа, хранилище осталось должно $1 400 000 000».

И Рейган, и Клинтон обещали решить эту проблему, и в 1996 году Конгресс принял закон о приватизации гелия. С 2005 года запас следовало начать распродавать по фиксированной цене, а не по рыночной стоимости, а к 2015 году планировалось закончить продажи и закрыть хранилище.

Воздушный шар на Параде Дня благодарения Macy’s (Macy"s Thanksgiving Day Parade)

Поэтому рынок наполнился гелием, его цена резко упала, а потребление, по мнению защитников природы, резко возросло. «Из-за этого закона гелий слишком подешевел и не воспринимается как ценный ресурс. Его транжирят. [...] Гелий не удавалось распродать так быстро, как хотелось, и мировые цены на него смехотворно низки», — сказал в 2010 году нобелевский лауреат Роберт Ричардсон (Robert Richardson).

Профессор Ричардсон считает, что цены на гелий нужно увеличить в 20-50 раз, чтобы стимулировать его вторичное использование. Например, НАСА даже не пытается заново использовать гелий после чистки баков для ракетного топлива, на которую тратится очень много этого газа. Также профессор Ричардсон считает, что воздушные шарики, наполненные гелием, стоят слишком дешево. Каждый из них должен стоит около $100 — такова ценность газа, который в них находится.

Ричардсон считает, что, если нынешние темпы потребления сохранятся, то мировых запасов гелия хватит примерно на сто лет.

Вместо того, чтобы поощрять частный сектор в производстве гелия, распродажа запасов привела к прямо противоположному результату. Газ стал настолько дешевым, что никто не видел ни необходимости, ни выгоды в том, чтобы добывать его самостоятельно. В преддверии 2015 года ученые забили тревогу: если запасы будут распроданы согласно плану, их будет уже не восстановить. Соединенные Штаты, добывающие около 70% всего гелия на планете, остаются мировым лидером по его добыче, а значит, его дефицит в США может стать причиной проблем во всем мире.

В 2013 году был утвержден Закон о стратегическом контроле над гелием, разрешивший продавать его с аукциона до 2021 года, так что цена скоро приблизится к рыночной — после того, как огромная часть запасов разошлась за копейки.

Гелий сегодня

Даже если аукцион постепенно решит проблему с ценами, гелий — невозобновимый ресурс. Ожидается, что запасы истощатся к 2020 году, и даже если этого не произойдет, по нынешним законам хранилище данного газа должно быть закрыто к 2021 году. В то же время, во всем мире отчаянно ищут альтернативные хладагенты, левитаторы и источники гелия.

Геологическая служба США пишет: «К концу десятилетия международные установки по добыче гелия, скорее всего, станут главным его источником для мировых нужд. Такие установки уже созданы в Алжире и Катаре». Китай планирует добывать гелий-3, который сейчас в основном только производится, на Луне.

Многие потребители, глядя на растущие цены, начали искать способы вторичного использования гелия. В зависимости от того, к чему приведут эти усилия, мы, может быть, отсрочим тот день, когда связка воздушных шариков станет такой же безумной роскошью, как серебряные столовые приборы или облицованные слоновой костью клавиши фортепиано.

Подробности Категория: Просмотров: 698

ГЕЛИЙ (Не), одноатомный элемент, относится к семейству благородных газов, стоящих в нулевой группе менделеевской таблицы; атомный вес 3,99, плотность по отношению к воздуху 0,137; 1 м 3 химически чистого гелия при 0° и 760 мм весит 0,1785 кг (гелий в 7,2 раза легче воздуха и в 2 раза тяжелее водорода); подъемная сила 1м 3 гелия при тех же условиях 1,114 кг (т. е. 92,6% от подъемной силы водорода). Гелий - газ, без цвета и запаха, вполне инертен в химическом отношении, не горит и не поддерживает горения, не входит ни в одно из всех известных соединений и не принимает никакого участия в химических реакциях, мало растворим в воде, совершенно нерастворим в бензоле и алкоголе . Гелий с трудом превращается в жидкое состояние (впервые жидкий гелий был получен в 1908 г. Каммерлинг-Оннесом путем охлаждения гелия до температуры –258° жидким водородом, кипевшим под уменьшенным давлением); в этом виде гелий подвижен, бесцветен и является самой легкой после водорода жидкостью; температура кипения –268,75°, температура критическая –267,75°, критическое давление 2,3 Atm, поверхностное натяжение жидкого гелия слабое, наибольшая плотность 0,1459 при температуре –270,6°. Теплопроводность гелия при 0°, по опытам Шварца, 0,0003386. Из всех газов, после неона, гелий - лучший проводник электричества; его диэлектрическая крепость 18,3 (для неона 5,6, для воздуха 419).

Способность гелия диффундировать через прорезиненные ткани (оболочку аэростатов) в 1,47 раза менее чем водорода. Гелий, применяемый в воздухоплавании для наполнения дирижаблей, делает полет на них безопасным в пожарном отношении даже и в случае прибавления к гелию водорода в количестве 14% по объему (по опытам Американского бюро стандартов в 1918 году). Гелий был впервые открыт в 1868 г. в атмосфере солнца при изучении спектра во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Индии. Новая яркая линия желтого цвета, замеченная в спектре и близкая к линиям D 1 и D 2 натрия, была названа Жансеном D 3 ; Франкленд и Локиер нашли, что она принадлежит еще неизвестному элементу, который они и назвали гелием ( - солнце). В 1888 году Гиллебрандт в газах, выделяющихся из некоторых урановых минералов при нагревании, обнаружил новый инертный газ, принятый им за аллотропическую разновидность азота; Рамзай в 1895 г. определил, что этот новый элемент - гелий, и т. о. доказал присутствие гелия и на земле; тогда же Кайзером было установлено присутствие гелия в воздухе; затем он был найден во многих минералах (преимущественно радиоактивных), в газах некоторых минеральных источников, рудников, вулканов, гейзеров и в естественных газах, выходящих из почвы. Количество гелия в атмосферном воздухе незначительно, по опытам Рамзая - 0,00041% по объему, по последующим опытам ~0,0005% (считают, что в 1000 м 3 воздуха содержится 5 л гелия) и 0,00007% по весу.

Извлечение гелия из воздуха (обычно методами фракционировки жидкого воздуха), в виду малого процентного содержания его, а также в виду сложности отделения гелия от других газов, например, неона (неона в воздухе в 3 раза больше, чем гелия), имеет только лабораторный характер. В минералах гелий находится в окклюдированном состоянии, будучи заключен в мелких порах минерала. Гелий добывается из клевеита (из 1 г клевеита - 7,2 см 3 гелия), из монацита (2,4 см 3), фергусонита (2 см 3), брогерита (1 см 3), торианита (8-9 см 3), эшинита (1 см 3) и др. урановых и ториевых минералов; гелий находится также в калиевых минералах, в кварце, берилле и др. Количество гелия, содержащегося в радиоактивных минералах, зависит от геологического возраста, от плотности породы и от содержания в них урана или тория. В газах минеральных источников, выделяющихся с поверхности воды в виде пузырьков, иногда содержится сравнительно большой % гелия; по исследованиям Мурё, содержание гелия в газах источников Франции достигает 10% по объему (источник в Santenay); однако, годовой дебит их незначителен (не более 5-10 м 3 гелия в год). Рудничные газы иногда богаты гелием, но выход их нерегулярен и, обычно, кратковременен. Вулканические газы пока мало изучены. Добывание гелия перечисленными путями имеет лабораторный характер. Промышленное значение имеет только добыча гелия из естественных газов, выходящих из недр земли. Исследования природных газов на гелий ведутся в США, Франции, Бельгии, Германии, Италии, Румынии, Австрии, однако большинство из обследованных здесь источников, кроме США, содержит незначительный % гелия или обладает очень малым годовым дебитом, так что мировая монополия на гелий остается за США.

В отношении СССР есть все основания предполагать, что гелиевая промышленность может получить значительное развитие в виду наличия большого количества источников природного газа, несомненно содержащих гелий, в целом ряде местностей (Средне-Волжская область, Кавказ, Кубань, Апшеронский полуостров и др.).

Применение гелия в воздухоплавании, устраняя опасность возгорания газа в дирижаблях, дает также возможность помещать моторы не в подвесных гондолах, как обычно, а внутри оболочки, что значительно уменьшит лобовое сопротивление и, следовательно, увеличит скорость корабля. Благодаря более медленной, чем у водорода, диффузии гелия через оболочку, подъемная сила дирижабля сохраняется лучше. Большое преимущество гелия - возможность легкой очистки уже использованного газа от загрязняющих его примесей, что делается путем пропускания его через специальные очистительные аппараты. Помимо воздухоплавания, гелий применяется (в сравнительно небольших количествах) и в других областях техники, а также для научных исследований, особенно для изучения различных процессов и свойств тел при очень низких температурах (испарением жидкого гелия достигнута температура –272,1°). Целый ряд вопросов физики, химии, биологии, ботаники, для решения которых нужна очень низкая температура, м. б. выяснен с помощью жидкого гелия. Для научных исследований гелий широко пользуются в ряде лабораторий различных стран, особенно же в Криогеническом институте в Лейдене (Голландия), где профессором Каммерлинг-Оннесом был при помощи гелия сделан ряд ценных научных открытий; например, обнаружено, что электропроводимость некоторых металлов при очень низких температурах увеличивается в миллионы раз по сравнению с электропроводимостью при обыкновенной температуре. Гелий употребляется и в электротехнической промышленности для ламп накаливания и для других ламп с вольфрамовыми наконечниками. По мере изучения гелия открывается ряд новых областей его применения.

Добывание гелия из естественных газов.

Месторождения гелия . В 1903 г. близ Декстера в Канзасе (США) была открыта неглубокая естественная трещина, выделявшая газ. Газ был почти несгораем и этим резко отличался от обыкновенных естественных газов. Г. П. Кеди и Д. Ф. Макфарленд, которым были посланы образцы этого газа для анализа, сообщили, что он состоит из 15% углеводородов и 85% инертного газа, по-видимому, азота. Дальнейшее исследование этой фракции показало, что кроме азота она содержит в себе ничтожные количества неона и аргона и 1,84% гелия. Были подвергнуты анализу газы, выделяемые и в других местах южного Канзаса и смежных областей, и все они оказались содержащими небольшие количества гелия. Хотя Кеди и Макфарленд опубликовали результаты своих исследований, важность этого сообщения не была должным образом оценена до начала войны 1914-18 гг. К этому времени гелий добывался исключительно из минеральных источников или из радиоактивных минералов. Тогда как при сжигании естественных газов Канзаса и смежных с ним областей миллионы м 3 гелия выпускались на воздух, количество этого газа, которое ученые могли иметь в своем распоряжении, вероятно, не превосходило 0,25 м 3 . Стоимость этого ничтожного количества газа составляла не менее 15000 долл.

В 1915 г., узнав о работе Кеди и Макфарленда, британское правительство ассигновало средства на производство изысканий на гелий в Онтарио - единственном месте в пределах британских владений, где существовал естественный газ в значительном количестве, а в 1917 году, по вступлении в войну, США также предприняли исследование всех источников газа, пригодных для промышленного добывания гелия для нужд военного воздухоплавания.

Месторождения, содержащие газ с 0,25-0,5% гелия, были найдены в округе Винтон, Огайо. Количество выходящего газа было, однако, невелико. Проба из Геврской газовой скважины в Монтане показала содержание гелия в 0,27%. Так как большая газовая скважина в Петролии (северный Техас) отличалась весьма высоким содержанием азота, то были предприняты изыскания именно в этой местности. Присутствие газовых месторождений со столь же высоким содержанием гелия, как и в Канзасе и северной Оклахоме, тотчас подтвердилось. Месторождение, найденное в северном Техасе, простиралось от округа Браун к северу до пограничной линии между Техасом и Оклахомой. Процентное содержание гелия значительно колебалось, и хотя в нескольких скважинах газы содержали более чем 0,25% гелия, только в Петролии содержание гелия было настолько велико, что могла идти речь о попытках его извлечения. Один из анализов показал 1,18% гелия, а в среднем содержание его несколько превышало 0,9%.

В Канзасе были найдены месторождения с содержанием гелия от 0,1 (или немного менее) почти до 0,2%. Значительные количества были найдены в скважине Эльдорадо, в округе Бетлер, где оказался газ с содержанием 1,1% гелия и 40% азота. Другим важным центром является скважина Августа в том же округе. Здесь горизонт на глубине 360-420 м показал 1,03-1,14% гелия. Процентное содержание гелия в этом горизонте не было показательным для других горизонтов, и на глубине 460 м его оказалось только 0,43%. Это различие между отдельными горизонтами было констатировано во всех исследованных скважинах, и объяснение этого явления представляет весьма трудную задачу для науки. Наивысшее содержание гелия было найдено в Декстере и связанных с ним неглубоких скважинах округа Каулей в Канзасе. Содержание гелия в этой области составляло от 0,9 до 2,0% (приблизительно). Впоследствии, в 1917-18 гг., было открыто много нефтяных и газовых месторождений. Некоторые из них содержали значительные количества гелия; одно из них, скважина Нокона близ Петролии, содержит 1,2% гелия. В течение 1927 г. вблизи прежних месторождений в Декстере был пробурен ряд скважин, который дал почти такое же содержание гелия, какое было определено Кеди и Макфарлендом двадцать лет тому назад. Это месторождение разрабатывается частным заводом The Helium С°.

Наиболее важным дополнением к существующим в США ресурсам гелия были месторождения в округе Пангендль юго-западного Техаса и система Вудсайд на плоскогории Юта. Месторождение округа Пангендль обнимает более 5000 км 2 . Небольшие количества гелия найдены во многих пунктах этого участка, но только незначительная часть общей площади считается в настоящее время пригодной для промышленной разработки. Тем не менее, предполагается, что количество имеющегося здесь гелия может обеспечить работу завода с ежемесячной производительностью 60000 м 3 в течение 20 лет.

После США наиболее многообещающие месторождения находятся, по-видимому, в Канаде. Считается, что из скважины Формост в провинции Альберта м. б. получено ежегодно 60000 м 3 гелия. Но содержание гелия в газе здесь составляет лишь 0,2%. Точно также скважина Бау-Айленд в той же провинции, как полагают, может дать ежегодно 35000 м 3 гелия из газа со средним содержанием гелия в 0,3%. Наибольшее содержание гелия имеют газовые скважины Онтарио, в особенности в округе Пиль, где открыт газ с содержанием 0,8% гелия. Но общий размер возможной добычи здесь мал и может составить приблизительно 6000 м 3 в год.

Содержание гелия в газах . Неодинаковое содержание гелия на различных горизонтах одной и той же скважины уже было указано выше. Равным образом и содержание гелия в различных скважинах, получающих свой газ на одном и том же горизонте в различных частях данной геологической системы, может представлять большие колебания. Некоторые авторы высказали предположение, что содержание гелия в каждой скважине уменьшается по мере уменьшения давления, оказываемого горной породой. В подтверждение этого взгляда они ссылаются на анализы, доказывающие, что среднее содержание гелия в газе Петролии было в ноябре 1926 г. 0,8986%, тогда как в июле 1925 г. оно составляло 1,1039%. Но такая разница может быть вызвана другими причинами, - быть может, установлением сообщения с более бедными скважинами. Эти различия в содержании гелия в пределах одной и той же скважины и то обстоятельство, что нередко скважины, тесно связанные с богатыми месторождениями гелия, оказываются совершенно лишенными его, весьма затрудняют составление какой-либо рабочей гипотезы относительно происхождения и распределения гелия.

Кеди и Макфарленд пришли к заключению, что содержание гелия пропорционально количеству азота. Это, может быть, и верно, вообще говоря, но существует много источников газов с весьма большим содержанием азота при почти полном отсутствии гелия. Предположение, что только негорючие газы способны давать более или менее значительные количества гелия, также оказалось ошибочным после открытия гелия в газе Петролии. До открытия гелия в системе Вудсайда предполагали, что газы, содержащие гелий, принадлежат исключительно горизонтам палеозойской эры, так как все образования средней полосы Огайо и Онтарио имеют именно такое геологическое происхождение. Газ Вудсайда происходит из горизонта ранней мезозойской эры, который расположен непосредственно над горными породами пермского периода (поздняя палеозойская эра). Газы Монтаны и некоторых скважин Альберты находятся в образованиях мелового периода. Интересно отметить, что газы образований третичного периода несравненно беднее гелием, нежели палеозойские горизонты.

По общему взгляду, содержание гелия в естественных газах не зависит от условий отложения тех материальных остатков, от которых происходят горючие составные части этих газов. Все ученые согласны в том, что гелий должен был произойти совершенно из других источников, чем горючие вещества, и его происхождение обыкновенно приписывается существованию радиоактивного центра вблизи или ниже тех осадочных горизонтов, где сосредоточивается гелий. Связь выделения гелия с теми областями центральных штатов, где произошли громадные сбросы древних кристаллических пород, указывает на существование центров радиоактивности в местах сбросов. Но потребуется еще много исследований, чтобы можно было прийти к какому-либо окончательному заключению по этому вопросу и судить о других вероятных месторождениях гелия (см. табл.).

Промышленное получение гелия . Как только было установлено присутствие достаточного количества гелия в Петролии, была предпринята постройка двух экспериментальных заводов в форте Уорт (Fort Worth), и затем начата постройка третьего завода в самой Петролии. Последний завод принял способ Джефриза-Нортона; один из заводов форта Уорт был проектирован и руководим обществом Linde Air Products С°, другой - обществом Air Reduction С°. Оба последних завода были рассчитаны на добычу около 200 м 3 гелия в день. Через шесть недель после пуска в ход завода Линде он стал давать небольшое количество 50%-ного гелия; четыре месяца спустя ежедневная продукция завода возросла до 140 м 3 70%-ного гелия; при дальнейшей очистке содержание гелия могло быть повышено до 93%. Проект общества Air Reduction С° был основан на методе Клода, который в течение ряда лет применялся им при добывании других газов. Этот метод, однако, не мог быть так легко, как способ Линде, приспособлен к добыванию гелия. Способ Джефриза-Нортона основан на тех же самых принципах, что и способ Клода, и хотя теоретически он должен быть продуктивнее остальных, тем не менее, он не дал надлежащих результатов вследствие ряда механических затруднений.

Практическое превосходство способа Линде выяснилось к осени 1918 года, и тогда был разработан проект постройки завода производительностью 1000 м 3 гелия в день. Постройка была начата в 1919 г., а в 1921 г. завод начал функционировать. Сначала производительность завода была мала, но небольшие изменения в конструкции значительно повысили ее и в июне 1925 г. завод достиг максимальной производительности 35000 м 3 гелия. После того производительность его сильно упала, вследствие уменьшения подачи газа из Петролии.

Задача получения гелия из естественного газа осложняется тем обстоятельством, что, помимо своей химической инертности и крайне низкой точки кипения, гелий составляет лишь ничтожную долю в самых богатых естественных газах. Все конструкции основаны на удалении углеводородов и азота в виде жидкостей и на получении гелия как остаточного газа. Так как это сопряжено с применением чрезвычайно низких температур, то необходимым условием является возможно более раннее удаление углекислоты во избежание замерзания. Конструкция всех заводов в общих чертах одинакова. Главное различие заключается в способе окончательного охлаждения и сжижения газов. Конструкция Линде основана на эффекте Джоуля-Томсона. В этой конструкции необходимая низкая температура достигается путем расширения охлажденных под высоким давлением газов в испарителе или приемнике низкого давления. В конструкции Клода температура, необходимая для сжижения других газов, кроме гелия, т. е. температура в –200°, достигается пропусканием части весьма сильно сгущенного газа через расширительный аппарат. С теоретической точки зрения процесс Клода более продуктивен, нежели процесс Линде. Но применение расширительной машины сопряжено с механическими затруднениями, которые оказались непреодолимыми для завода Air Reduction С°. В процессе Джефриза-Нортона стремились достичь большей экономичности путем применения трех расширительных аппаратов, работающих при различных температурных пределах. Теоретическая продуктивность метода выше, но механические затруднения еще больше, нежели при способе Клода.

Способ Линде . В пробной установке и при первом проектировании заводского добывания гелия по системе Линде естественный газ приводился в соприкосновение с известковой водой в специальных скрубберах при низком давлении для удаления углекислоты. Хорошие результаты, полученные в скрубберах с каустической содой, примененной первоначально в системе Джефриза-Нортона, побудили ввести их также и в конструкцию Линде. После этой предварительной обработки газ вступает в первый, или сепараторный, цикл (фиг. 1).

Часть газа вводится в четырехстепенные компрессоры, подвергающие его давлению до 140 atm. Другая часть газа пропускается через регулирующий клапан в трубопровод низкого давления. Этот трубопровод, а равно трубопровод из компрессора, проходит в предварительный холодильник, где газы охлаждаются наружным циклом углекислоты, а равно газами, возвращающимися из предыдущей обработки. Температура еще более понижается путем пропускания обоих трубопроводов через поглотитель тепла навстречу возвращающимся газам. Оба трубопровода затем проходят в нижнюю часть испарителя или сепаратора, сообщаясь с ним через ряд сопел, причем газ высокого давления здесь расширяется и охлаждает смесь. Сепаратор разделяется на три агрегата, из которых каждый имеет в верхней части собственную очистительную колонку и конденсатор, а внизу - приемник. В каждом агрегате известная часть газа выделяется в виде жидкости, а остающийся газ переходит в вышестоящий агрегат. Жидкость, испаряясь, служит для охлаждения выше стоящего агрегата. Углеводороды вместе с небольшой примесью азота, обратившиеся т. о. снова в газообразное состояние и понизив температуру встречных газов, идущих к сепаратору, выходят из сепаратора и направляются через поглотитель тепла и предварительный холодильник в компрессор, где их давление повышается до уровня давления газа трубопровода городской сети. Чистый азот удаляется из верхней части сепаратора в виде газа, после того как он содействовал сжижению части азота в верхнем агрегате. Неочищенный гелий, т. е. газ, содержащий приблизительно 35-40% чистого гелия в смеси почти исключительно с азотом, выходит из верхнего агрегата в специальный газгольдер и потом поступает в очистительный цикл.

Во втором, очистительном, цикле (фиг. 2) неочищенный гелий подвергается давлению в 70 atm и направляется в предварительный холодильник и поглотитель тепла. В первом его температура понижается при помощи наружного цикла углекислоты и газа, возвращающегося из очистителя. Во втором охлаждающее действие достигается при помощи возвращающегося газа в соединении со змеевиками, через которые проходит гелий из очистителя. Окончательное охлаждение и сжижение всех газов, кроме гелия, происходит в очистителе, в котором низкая температура достигается при помощи наружного цикла азота. Последний получается из сепаратора предыдущего цикла. Получаемый из очистителя газ содержит 91-92%, и даже более, чистого гелия.

Другие способы получения гелия . Главное различие между процессом Линде и способом, применявшимся ранее на пробной установке, заключается в том, что в последней сжижение достигалось гл. обр. применением наружного охлаждающего цикла системы Клода. Основные принципы системы, применяемой заводом The Helium С°, в Декстере, почти ничем не отличаются от способа завода в форте Уорт. Главное различие состоит в способе утилизации низких температур жидкостей и газов, полученных во время процесса, для охлаждения вновь поступающих газов. Внешний охладительный цикл отсутствует; отделение гелия от других газов происходит в коллекторе сжиженного газа; сжижение азота, а равно и углеводородов, по-видимому, происходит в змеевиках поглотителя тепла и в трубах, ведущих к коллектору. Коллектор служит местом для выделения гелия из жидких углеводородов и азота.

Транспорт и хранение гелия . Обращение с этим чрезвычайно редким газом составляет само по себе отнюдь не простую задачу. До последнего времени гелий всегда перевозился в стальных цилиндрах, емкостью 0,04 м 3 , наподобие тех баллонов, которые употребляются и для других газов. Газ находился под давлением 130-140 atm, так что каждый такой цилиндр вмещал до 5,0 м 3 гелия, приведенного к атмосферному давлению. Емкость простого товарного вагона составляла 380 цилиндров. В настоящее время все количество гелия, вырабатываемое заводами, перевозится в специальных вагонах-цистернах, принадлежащих армии и флоту США. Эти цистерны вмещают 42,5 м 3 газа, т. е. приблизительно втрое больше против прежнего. Вагон-цистерна состоит из плоской платформы стальной конструкции и трех стальных бесшовных цилиндров. Цилиндры протянуты по всей длине вагона и имеют внутренний диаметр 137 см. Так как они д. б. рассчитаны на давление в 140 atm, то их конструкция должна быть весьма тяжела, и стальные стенки должны иметь 75 мм толщины. Тара вагона составляет около 100 т, а стоимость - 85000 долларов. Вес гелия на вагон составляет около 1 т. Высокая стоимость и чрезмерный вес этих вагонов побудили завод Chicago Bridge and Iron Works заняться вопросом о постройке более легкого вагона. Проектированный вагон будет состоять из 48 бесшовных стальных цилиндров с внутренним диаметром 35 мм и длиной, равной длине вагона. Вместимость его будет такова же, как трехцилиндрового. Пока, однако, на постройку этих вагонов никаких средств не отпущено. Утечка газа из цилиндров составляет 10% в год. Так как она происходит исключительно через клапаны, то весьма желательно употреблять большие цилиндры.

Повторная очистка гелия . Подъемная сила гелия считается равной 92% подъемной силы водорода, но это справедливо лишь для совершенно чистого гелия. Так, например, гелий, получавшийся из форта Уорт, лишь с трудом мог быть употребляем для дирижабля «Шенандоа», рассчитанного на водород. Когда содержание гелия благодаря диффузии доходит до 85%, необходима новая очистка.

Экспериментальные исследования Криогенической лаборатории Горного бюро США показали, что активированный уголь при низкой температуре способен адсорбировать почти все газы, содержащиеся в нечистом гелии. Бюро соорудило для армии небольшой передвижной аппарат для такой очистки гелия. Однако, стоимость очистки оказалась слишком высокой благодаря непостоянству действия «угольных горшков», применяющихся при этой операции, и этот способ не получил применения. Поэтому был установлен в Лекгерсте (Нью-Джерси) стационарный очистительный агрегат. Применяемый здесь способ в главных чертах совпадает с принципами очистительного цикла системы Линде форта Уорт. Нечистый газ вводится в скруббер, в котором он освобождается от углекислоты. Отсюда он переходит в компрессор, где давление доводится до 140 atm. Затем газ пропускается через батарею осушительных сосудов, наполненных силикатным гелем, для удаления влажности. Отсюда газ переводится в поглотитель тепла, где он охлаждается чистым гелием, идущим в хранилище. Из поглотителя газ поступает в первичный чиститель, где он еще более охлаждается и где конденсируется часть примесей. Окончательное сжижение происходит в змеевике и коллекторе вторичного чистителя. Последний окружен капельножидким воздухом, который образуется во внешнем цикле системы Клода. Конденсированные примеси, собирающиеся на дне коллектора, также идут в помощь жидкому воздуху для охлаждения агрегата. После этой очистки газ достигает обыкновенно чистоты 98%.

Стоимость и применение гелия . До настоящего времени в США добыто в общем около 1 млн. м 3 гелия. Стоимость производства гелия при возникновении его промышленной добычи в форте Уорт составляла около 23,6 долл. за 100 м 3 . Она постепенно уменьшалась и достигла в 1924 году 15,7 долл. Так как цена водорода равняется 1 доллару за 100 м 3 , то водород еще некоторое время будет находить применение для дирижаблей. Однако надо иметь в виду, что подвергать водород новой очистке нет расчета, и поэтому для снабжения дирижабля в течение года требуются весьма большие количества водорода. Повторная очистка гелия в Лекгерсте обходится лишь в 0,4-0,6 долл. за 100 м 3 . Если производить повторную очистку гелия по мере надобности, то, как показывает опыт, для функционирования дирижабля требуется ежегодно двойное против его емкости количество гелия; так, например, для функционирования дирижабля «Лос-Анжелес», емкостью 70000 м 3 , требуется в течение года 140000 м 3 гелия. Сооружение более мощных дирижаблей, предусмотренное Конгрессом США, соответственно увеличит потребность в гелии.

Гелия очень мало на Земле. Но это связано со специфическими свойствами этого элемента и с теми условиями, в которых формировалась и эволюционировала Земля. Гелий, будучи очень летучим и инертным газом, покинул вещество Земли. Однако астрономы видят его повсюду, хотя он и очень трудно наблюдаем обычными средствами спектрального анализа.

Его обнаруживают в горячих звездах, в больших газовых туманностях, которые окружают молодые горячие звезды, во внешних облочках Солнца, в космических лучах - потоках частиц большой энергии, приходящих к нам на Землю из космоса. Гелий оказался в самых далеких от нас объектах Вселенной - квазарах.

Весьма примечательно, что где бы его ни обнаруживали, почти всегда его по массе около 30 процентов, а стальные 70 процентов составляет водород. Примесь других химических элементов невелика. Доля их меняется от объекта к объекту, а доля гелия удивительно постоянна.

Вспомним, что именно эти 30 процентов гелия предсказываются в первичном веществе теорией горячей Вселенной. Если большая часть гелия была синтезирована в первые минуты расширения Вселенной, а другие, более тяжелые элементы синтезируются значительно позже в звездах, то именно так и должно быть - гелия везде около 30 процентов, а других элементов по-разному, в зависимости от местных условий их синтеза в звездах и последующего выбрасывания газа из звезд в космическое пространство.

Во время ядерных реакций в звездах гелий тоже синтезируется. Но доля таким образом образовавшегося гелия мала по сравнению с образовавшимся в начале расширения Вселенной.

А нельзя ли все же предположить, что все наблюдаемые 30 процентов гелия образовались тоже в звездах?

Нет, это решительно невозможно. Прежде всего при образовании гелия в звездах выделяется большая энергия, заставляющая звезды интенсивно светить. Если бы такое количество гелия было в прошлом образовано в звездах, излученный ими свет с высокой температурой должен был бы наблюдаться во Вселенной, чего на самом деле нет.

К этому можно добавить, что наблюдения самых старых звезд, которые заведомо формировались из первичного вещества, показывают, что в них гелия тоже 30 процентов . Значит, практически весь гелий Вселенной был синтезирован в самом начале расширения мира.

Так химический анализ вещества сегодняшней Вселенной дает прямое подтверждение правильности нашего понимания процессов, которые протекали в первые секунды и минуты после начала расширения всего вещества.

Новиков И.Д.

Гелий, как правило, образующийся при радиоактивном распаде урана-238 и урана-235, был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Этот газ обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее нет вообще. Второго такого вещества в природе не найти...

Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Как образуется гелий

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада . Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм.

Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т. д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Синтез гелия - начало жизни

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Природные газы являются практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5–10%) гелиеносность метано-азотных месторождений - явление крайне редкое. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой ожижения. После того, как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%. Жидкий гелий получают путем сжижения газообразного гелия.

Свойства гелия

Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м 3 .

Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.

Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.

Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.

Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…

Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.

Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий . Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками . Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота - подобно шампанскому при открывании бутылки.

Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге - к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.

При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

Еще не вечный, но уже безвредный

В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель , который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.

По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.

Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.

История открытия

Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».

В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.

Распространение в природе

Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.

Изотопы

Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.

Физические свойства гелия

Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.

Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.

Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.

Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.

Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.

Соединения

В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.

Плазма

Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.

Открытие месторождений в США

После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.

Промышленное производство

Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.

Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».

Национальный запас США

В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.

После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.

К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.

Чистота и объемы производства

Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.

На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.

Процесс получения

Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.

Сферы применения

Благородный газ нашел применение в разных областях.

Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.

Гелий: свойства элемента

Основные физические свойства He следующие:

Атомный номер: 2.
Относительная масса атома гелия: 4,0026.
Точка плавления: нет.
Точка кипения: -268,9 °C.
Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
Состояния окисления: 0.