氦(Helium),最不活跃的元素,元素符号He是稀有气体的一种。
氦在通常情况下为无色、无味的气体,是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。此外,由于密度比空气小且性质稳定,氦还可以作为浮升气体。氦的元素名来源于希腊文,原意是“太阳” 。1868年法国的杨森利用分光镜观察太阳表面,发现一条新的黄色谱线,并认为是属于太阳上的某个未知元素,故名氦。
2017年2月6日,中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《Nature Chemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na₂He的论文 ,结束了氦元素无化合物的历史,这标志着中国在稀有气体化学领域走向了最前端。
1868年8月18日,法国天文学家让桑赴印度观察日全食,利用分光镜观察日珥,从黑色月盘背面突出的红色火焰,看见有彩色的彩条,是太阳喷射出来的炽热的光谱。他发现一条黄色谱线,接近钠光谱总的D1和D2线。日蚀后,他同样在太阳光谱中观察到这条黄线,称为D3线。1868年10月20日,英国天文学家洛克耶也发现了这样的一条黄线。
经过进一步研究,认识到是一条不属于任何已知元素的新线,是因一种新的元素产生的,把这个新元素命名为 helium,来自希腊文helios(太阳),元素符号定为He。这是第一个在地球以外,在宇宙中发现的元素。为了纪念这件事,当时铸造一块金质纪念牌,一面雕刻着驾着四匹马战车的传说中的太阳神阿波罗(Apollo)像,另一面雕刻着詹森和洛克耶的头像,下面写着:1868年8月18日太阳突出物分析。在詹逊从太阳光谱中发现氦时,英人J. N. Lockyer和E. F. Frankland认为这种物质在地球上还没有发现,因此定名为“氦”(法文为hélium,英文为helium),源自希腊语ήλιος,意为“太阳”。
过了20多年后,拉姆赛在研究钇铀矿时发现了一种神秘的气体。由于他研究了这种气体的光谱,发现可能是詹森和洛克耶发现的那条黄线D3线。但由于他没有仪器测定谱线在光谱中的位置,他只有求助于当时最优秀的光谱学家之一的伦敦物理学家克鲁克斯。克鲁克斯证明了,这种气体就是氦。这样氦在地球上也被发现了。
在二十世纪初的几十年里,世界各国都在寻找氦气资源,在当时主要是为了充飞艇。但是到了二十一世纪,氦不仅用在飞行上,尖端科学研究,现代化工业技术,都离不开氦,而且用的常常是液态的氦,而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。
英国物理学家杜瓦(Dewar)在1898年首先得到了液态氢。就在同一年,荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃,在这样低的温度下,其他各种气体不仅变成液体,而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。包括杜瓦和卡美林·奥涅斯在内的科学家们和决心把氦气也变成液体。
1908年7月13日晚,荷兰物理学家卡美林·奥涅斯(Heike Kamerlingh Onnes昂纳斯)和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功,氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。
要得到液态氦,必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氦气就变成了液体。液态氦是一种与众不同的液体,其沸点为零下269℃。在这样低的温度下,氢也变成了固体,与空气接触时,空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。
1934年,在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机,每小时可以制造4升液态氦。以后,液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。
含量分布
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氦存在于整个宇宙中,按质量计占23%,仅次于氢。但在自然界中主要存在于天然气体或放射性矿石中。在地球的大气层中,氦的浓度十分低,只有5.2万分之一。在地球上的放射性矿物中所含有的氦是α衰变的产物。氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量,最高可以含有7%,在美国的天然气中氦大约有1%,在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦,大约占整个体积的0.0005%,密度只有空气的7.2分之一,是除了氢以外密度最小的气体。
地壳中含量 | 0.008(ppm) |
元素在太阳中的含量 | 230000(ppm) |
元素在海水中的含量 | 0.000006(ppm) |
地球上的氦主要是放射性元素衰变的产物,α粒子就是氦的原子核。在工业中可由含氦达7%的天然气中提取。也可由液态空气中用分馏法从氦氖混合气体中制得。
物理性质
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基本信息
氦的原子光谱
元素符号He,原子序数2,原子量4.002602(氦-4),为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文,原意是“太阳”。
通电发光后的氦气
氦有两种天然同位素:氦-3、氦-4,自然界中存在的氦基本上是氦-4。相对原子质量为4.003。1868年有人利用分光镜观察太阳表面,发现一条新的黄色谱线,并认为是属于太阳上的某个未知元素,故名氦。氦在空气中的含量为0.0005%。
氦在通常情况下为无色、无味的气体;熔点-272.2℃(25个大气压),沸点-268.9℃;密度0.1785g/L,临界温度-267.8℃,临界压力2.26大气压;水中溶解度8.61厘米³/千克水。
氦是惰性元素之一,分子式为He,是一种稀有气体,无色、无臭、无味。它在水中的溶解度是已知气体中最小的,也是除氢气以外密度最小的气体。密度0.17847g/L,熔点-272.2℃(25个大气压)。沸点-268.9℃。它是最难液化的一种气体,其临界温度为-267.9℃。临界压力为2.25大气压。当液化后温度降到-270.98℃以下时,具有表面张力很小,导热性很强,几乎不呈现任何粘滞性。液体氦可以用来得到接近绝对零度(-273.15℃)的低温。化学性质十分不活泼,既不能燃烧,也不能助燃。氦也是最难液化的气体。
氦在通常情况下为无色、无味的气体。是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时,性质发生突变,成为一种超流体,能沿容器壁向上流动,热传导性为铜的800倍,并变成超导体;其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。
由于液氦的超低温,在此温度下出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验,都要在低温下进行。世界各国的物理学家都在研究液态氦,希望通过液态氦达到更低的温度,研究各种物质在低温下会发生什么变化,会有什么我们还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。
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