Гелий – газ для контроля герметичности

Гелий – р-элемент VIII группы главной подгруппы I периода, порядковый номер 2, атомная масса 4, химический знак Не (лат. Helium). Содержание Не на Земле невелико, однако он очень распространен в космосе (занимает второе место после водорода). Впервые этот элемент был обнаружен на Солнце методом спектрального анализа 9 августа 1868 г. французским учёным Пьером Жансеном, а спустя ещё два месяца, а именно 20 октября его наличие в спектре солнца также установил английский астроном Норман Локьер. Он же совместно с английским химиком Эдуардом Франклендом через два года предложили назвать его «гелием», что означает с греч. helios – Солнце. Через 27 лет, а точнее в 1895 г. его обнаружил на Земле шотландский химик Уильям Рамзай при исследовании образца газа, выделенного при разложении минерала клевеита. Чуть позже его коллегам П. Клеве и Н. Ленге удалось получить при разложении этого минерала большое количество неизвестного газа, чтобы определить его атомный вес. В 1896 г. Г. Кайзером и З. Фридлендером, а ещё через два года Э. Бели было полностью доказано присутствие гелия в атмосфере Земли. Исследуя различные химические соединения и минералы, Рамзай установил, что в некоторых гелий сопутствует урану и торию. Однако лишь в 1906 г. Резерфорд и Ройдс доказали, что a-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра Не.

Гелий – это наиболее распространенный после водорода элемент космоса, он присутствует также в атмосфере звезд и метеоритах, среднее количество в земной коре составляет 0,003 мг/т (второе место после аргона). Он состоит из двух стабильных изотопов: 4 Не и 3 Не. Накапливание ядер 4 Не во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией распада ядер водорода, служащей источником солнечной и звездной энергии. В земной коре гелий формируется в процессе альфа-распада радиоактивных элементов, содержится растворенным в минералах, в самородных металлах. Изотоп 3 Не образуется за счет реакций распада ядер азота, вызываемых космическим излучением. Максимальная концентрация Не наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците и торианите.

В промышленности гелий в основном выделяют из природных газов методом глубокого охлаждения, так называемой фракционной перегонкой. При этом он, как самое низкокипящее вещество, остается в виде газа, тогда как все другие замораживаются. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий, очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия (70 – 90 % Не по объёму), неона и водорода, называемая сырым газом. Её очищают от водорода (4 – 5 %) с помощью CuO при 650 – 800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2 и адсорбцией примесей на активированном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % Не по объёму) и высокой чистоты (99,985 %).

В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов. Транспортировку жидкого гелия осуществляют в специальных сосудах Дьюара типа СТГ-10, СТГ-25 и т.п. светло-серого цвета объёмом 10, 25, 40, 250 и 500 литров, соответственно. При выполнении определённых правил перевозки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Гомоядерное соединение Не – одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха, не токсичен. Гелий самый лёгкий из всех инертных газов (его плотность примерно в восемь раз ниже таковой для воды при нормальной температуре, но несколько выше, чем у водорода и равна 0,147 г/см3.

Его температура кипения – самая низкая среди всех известных веществ – 4,215 К или –268,95 °С; удельная теплота испарения – 0,08 кДж/моль; молярная теплоёмкость – 20,79 Дж/К•моль; теплопроводность – 0,152 Вт/м•К, его молярный объём – 31,8 см3/моль. Он не горит,не поддерживает горение. При комнатной температуре обыкновенное стекло, железо, палладий и платина непроницаемы для Не, однако он проходит через кварцевое стекло, а при высокой температуре – через фосфор. Гелий обладает уникальными свойствами. Так он имеет достаточно низкую электрическую прочность (примерно в 3 раза меньшую, чем у воздуха), наименьшую по сравнению со всеми газами температуру сжижения (4,216 К при атмосферном давлении); диэлектрическая проницаемость жидкого и газообразного гелия практически равны, коэффициент термического расширения Не в обоих состояниях одного порядка. При –271 °С жидкий гелий приобретает кристальную прозрачность и теряет вязкость, он переходит в высокотекущее состояние, характеризуемое тем, что любое его количество вытекает мгновенно из сосуда, в котором имеется даже самое крохотное отверстие, например, с булавочную головку. Это явление было открыто в 1938 г. советским физиком П.Л. Капицей. При этой же температуре жидкий гелий обладает сверхпроводниковыми свойствами. В жидком состоянии Не был впервые получен в 1908 г. Х. Камерлинг-Оннесом. При давлениях выше 25 атмосфер и температуре в 1 К Не переходит в твёрдое состояние. Это удалось осуществить впервые в 1926 г. В. Кеёзому. Твёрдый гелий обладает гексагональной кристаллической решёткой с параметрами а = 3,57 Å и с = 5,84 Å, плавится при 0,95 или –272,2 °С.

Благодаря чрезвычайно низкой теплоте испарения сжиженный Не применяют в качестве низкотемпературного хладагента. При испарении жидкого гелия была получена самая низкая температура, всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля. В микроэлектронике гелий применяют в качестве индикаторного газа при контроле герметичности микросхем. Ядра Не (a-частицы) чрезвычайно устойчивы и широко используются для проведения различных ядерных реакций.

Газообразный гелий применяется для создания инертной атмосферы при сварке металлов, в металлургии в качестве защитного газа в процессе выплавки чистых металлов; для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли и аэростаты) – при незначительной по сравнению с водородом потере в подъёмной силе гелий в силу негорючести абсолютно безопасен; в дыхательных смесях для глубоководного погружения; для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов; заполнения газоразрядных трубок; в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов; как носитель в газовой хроматографии; для поиска утечек в трубопроводах и котлах (гелиевый течеискатель); как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах, при консервации пищевых продуктов, как пищевая добавка Е939, пропеллент, упаковочный газ и др. Жидкий Не применяется в лаборатории в качестве хладоагента при работах по физике низких температур; для перевода металлов в сверхпроводящее состояние. 

Кроме того, нуклид 3 используется как рабочее вещество газовых нейтронных детекторов, в том числе позиционно-чувствительных, в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора. Гелий-3 является также перспективным топливом для термоядерной энергетики.

Гелий используется для получения сверхнизких температур. Гелий – удобный индикатор для геологов. При помощи гелиевой съёмки можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов. Гелий как продукт распада радиоактивных элементов, насыщающих верхний слой земной коры, просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Это явление было впервые установлено советским геофизиком И.Н. Яницким во время поисков урановых руд. Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов. Во время первой мировой войны в США и Германии гелием осуществляли заправку военных дирижаблей, со второй половины 20 в. Гелием продувают топливные баки жидкостных ракет.