Вода из огня! Это кажется невероятным, но это факт. И этот факт впервые установил (1781-1782) английский ученый Генри Кэвендиш. Он сжег в закрытом сосуде бесцветный, без вкуса и запаха газ, который в те времена называли "горючим воздухом", и обнаружил, что продуктом горения была вода. Вначале Кэвендиш не поверил полученному результату, но, проделав ряд точных опытов по сжиганию "горючего воздуха", он убедился, что продуктом горения была только вода, "которая не имела ни вкуса, ни запаха и при испарении досуха не оставляла ни малейшего заметного осадка".
Следует отметить, что еще до Кэвендиша выдающийся английский естествоиспытатель Д. Пристли наблюдал появление влаги при горении и взрыве смеси "горючего воздуха", но ... не обратил на это должного внимания.
Несмотря на то, что "горючий воздух" был известен еще средневековому немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу (XVI в.), а знаменитый английский химик, физик и философ Роберт Бойль в 1660 г. сумел не только получить "горючий воздух" из серной кислоты и железа, но и собрать его в сосуд, чего не умели делать до него, простая (элементарная) природа этого газа была установлена только в 1783 г.
В этом году французский ученый Антуан Лоран Лавуазье, желая проверить опыты Кэвендиша, провел точные исследования по изучению продукта горения "горючего воздуха". Они подтвердили опыты Кэвендиша - продуктом горения "горючего воздуха" была только вода. Это доказал Лавуазье не только путем сжигания "горючего воздуха", но и разлагая продукты его горения. Правда, поводом к анализу воды послужило отыскание дешевого способа получения водорода, предпринятое Лавуазье по заданию французской Академии наук в связи с начавшимся развитием воздухоплавания.
За способность производить воду "горючий воздух" стали впоследствии называть водородом. Научное название водорода - "хидрогениум" происходит от греческих слов "хидор" - вода и "генао" - рождаю, произвожу. Таким образом, в названии водорода отражено его основное свойство - способность при горении образовывать воду.
Атомы водорода имеют наименьший вес среди всех атомов других химических элементов, и поэтому водород занимает первое место в периодической системе Д. И. Менделеева.
Водород - один из наиболее распространенных элементов природы, он всюду обнаружен во Вселенной - на Солнце, звездах, в туманностях, в мировом пространстве. На Земле основная масса водорода находится в связанном состоянии в виде различных соединений, главным образом на поверхности земли в виде воды. Общее количество водорода в земной коре достигает 1% от веса земной коры.
В межзвездном пространстве атомы водорода встречаются в несколько сот раз чаще, чем атомы всех остальных элементов, вместе взятых. Водород преобладает над другими элементами в атмосферах звезд и является главной составной частью солнечной атмосферы.
Значение водорода во Вселенной исключительно велико, он играет особую роль, являясь "космическим топливом", дающим энергию звездам, а в их числе и Солнцу.
В недрах Солнца, где температура достигает 20 миллионов градусов и вещество находится под давлением восьми миллиардов атмосфер, атомы водорода теряют электроны и ядра таких атомов (протоны) приобретают скорости, при которых протекают ядерные реакции. Ядерные реакции, происходящие при очень высокой температуре, называются термоядерными. Термоядерная реакция, при которой из 4-х ядер водорода образуется ядро нового химического элемента - гелия, и является источником солнечной энергии.
Образование гелия из водорода, как показал немецкий ученый Бете, происходит на Солнце значительно сложнее, но конечный итог реакции дает тот же результат: вместо 4-х ядер водорода появляется ядро гелия. Энергия, освобождающаяся при этой реакции, обеспечивает излучение того огромного количества тепла и света, которое дает Солнце в течение уже многих миллиардов лет. Чтобы представить себе количество энергии, излучаемой Солнцем, достаточно сказать, что для выработки такой энергии понадобилось бы 180000000 миллиардов электростанций, обладающих мощностью Волжской ГЭС.
Водород в свободном состоянии встречается на земле в вулканических газах; небольшое количество водорода выделяется растениями. В атмосфере, даже в верхних ее слоях, водород содержится в незначительных количествах, не превышающих 0,00005% по объему.
В чистом виде водород представляет собой газ в 14,45 раз легче воздуха, не имеющий цвета, запаха и вкуса. Не ядовит. Водород диффундирует и эффундирует быстрее всех других газов и лучше всех их проводит тепло (теплопроводность водорода в 7 раз больше чем у воздуха).
В природе водород встречается в виде трех изотопов: обычный водород, тяжелый и сверхтяжелый водород. Тяжелый водород содержится в обычном водороде в небольших количествах. На 5 тыс. атомов обычного водорода приходится 1 атом тяжелого. От греческого слова "деутерос", что значит второй, тяжелый водород, как второй изотоп водорода, называется дейтерием. По аналогии с протоном ядро этого атома получило название дейтон; часто его называют дейтерон.
Обозначают дейтерий или латинской буквой D, или сохраняют химическое обозначение водорода и, указывая цифрой 2 его массовое число, пишут Н2.
Дейтерий отличается от обычного водорода строением ядра. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, поэтому масса атома дейтерия в 2 раза больше массы атома обычного водорода. Такое резкое расхождение в массах изотопов одного и того же химического элемента является единственным случаем среди известных изотопов различных элементов. Обычный водород, атомы которого являются простейшими (состоят из одного протона и одного электрона), от слова "протос" - простой - называется иногда протием.
Вода, в которой протий заменен дейтерием, называется тяжелой. Она отличает/pictures/fon/inxgrad2.jpg/pictures/fon/inxgrad2.jpgся от обычной своими свойствами. Так, тяжелая вода замерзает не при 0° С, как обычная, а при +3,8° С, кипит не при 100° С, а при 101,4° С, имеет большую плотность (1,1056), чем обычная; в тяжелой воде невозможна жизнь. В обычной воде всегда содержится примесь тяжелой. Количество ее невелико и составляет 0,02% от общей массы. Однако собранная со всего земного шара, она могла бы наполнить водоем, равный по величине объему Черного моря.
Тяжелая вода используется при получении атомной энергии в ядерных реакторах в качестве вещества, замедляющего нейтроны.
Получение тяжелой воды в чистом виде - длительный и дорогой процесс, основанный на электролизе (разложении электрическим током) воды, при котором в первую очередь разлагаются молекулы "обыкновенной" воды, тогда как тяжелая накапливается в остатке. В Западной Европе производство тяжелой воды в промышленном масштабе было впервые осуществлено немцами в годы второй мировой войны на территории оккупированной Норвегии, располагавшей дешевой энергией гидроэлектростанций. Тяжелая вода предназначалась для создания нового вида оружия (атомной бомбы), на которое командование фашистских армий возлагало последние надежды. 28 февраля 1943 г. норвежские патриоты совместно с английскими парашютистами взорвали цех тяжелой воды. Начавшиеся вслед за этим налеты на завод английской авиации вынудили фашистское командование перевезти оборудование и накопленный запас воды в Германию. Норвежские бойцы из армии сопротивления 20 февраля 1945 г. взорвали пароход уничтожив вместе с оборудованием и 16 куб. м тяжелой воды.
Известен и третий "сверхтяжелый" изотоп. Тритий - называют этот изотоп от латинского слова "тритиум" - третий. Он может быть получен искусственным путем в результате ядерных реакций, например, при "стрельбе" нейтронами в атомы легкого металла лития. В ядрах атомов трития имеется два нейтрона и один протон. В природе распространенность трития ничтожно мала. Один атом трития приходится на миллиард миллиардов атомов обычного водорода. Тритий является радиоактивным изотопом водорода. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп гелия с атомным весом 3. Период полураспада трития около 12,5 лет.
Группа итальянских физиков, изучив несколько тысяч снимков ядерных реакций, обнаружила четвертого "брата" в семействе атомов водорода (его атомный вес равен 4). Насколько трудной была задача обнаружения "сверхтяжелейшего" водорода, говорит время его существования, равное 0,00000000001 доли секунды.
Кроме обычных молекул водорода, состоящих из двух атомов, предполагается возможность получения трехатомной молекулы - гизония. Не исключено, что гизоний столь же недолговечен, как и "сверхтяжелейший" водород.
Практическое применение водорода разнообразно. Являясь наилегчайшим газом, он используется для наполнения оболочек воздушных шаров, метеорологических зондов, стратостатов и других воздухоплавательных аппаратов. История воздухоплавания, начиная с воздушного шара в 18 куб. м, созданного французским физиком Шарлем, до гигантских управляемых дирижаблей германского конструктора Цеппелина, неразрывно связана с водородом. Однако горючесть водорода при легкой его воспламеняемости от случайных и трудно устранимых причин (грозовые разряды, искры при электризации трением и др.) ограничивала возможности его использования в воздухоплавании.
...С ясного и безоблачного неба в самых неожиданных местах на территории США в годы второй мировой войны падали бомбы раздавались взрывы, пылали пожары. Но об этих таинственных налетах, без сигналов тревоги и вражеских самолетов в воздухе, хранила молчание даже падкая на сенсации американская печать. Лишь несколько лет назад было сообщено, что эти таинственные бомбардировки осуществлялись воздушными шарами, запущенными с японских островов. Таких шаров было запущено более тысячи.
В химической промышленности водород служит исходным материалом для получения различных веществ (аммиака, твердых жиров и т. д.). Высокая температура горения водорода (до 2500°С) в кислороде используется с помощью специальных горелок для плавления кварца, тугоплавких металлов, разрезания стальных плит и т. д.
Весьма заманчива своей дешевизной идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта сгорания воду.
Для получения водорода в качестве топлива нужна только...вода. Запасы воды - основного "сырья" для получения водорода - на земном шаре буквально неисчерпаемы и составляют 2 миллиарда миллиардов тонн. Так же неисчерпаема и энергия текучей веды крупных рек, которая, превращаясь на электростанциях в энергию электричества, может служить для получения водорода из воды разложением ее электрическим током.
Успехи атомной физики и химии открыли путь к возможности использования в практических целях изотопов водорода. К сожалению, эти возможности в первую очередь были использованы для целей военного характера, для создания водородной бомбы.
В водородной бомбе используется энергия термоядерной реакции (между дейтерием и тритием), ведущей к образованию гелия и выделению нейтронов. Чтобы между изотопами водорода началась реакция, надо нагреть их до сверхвысоких температур порядка не менее 10 млн. градусов. Такая температура возникает при взрыве атомной бомбы, которая играет роль запала в водородной бомбе.
Водородная бомба превосходит по своей силе атомную. Дело в том, что в атомной бомбе количество атомного взрывчатого материала ограничено и не может превышать определенной так называемой критической массы; в водородной бомбе количество взрывчатого вещества (смесь изотопов водорода) не ограничено.
Водоро́д (калька с латинского: лат. Hydrogenium — hydro = «вода», gen = «порождающий»; hydrogenium — «порождающий воду»; обозначается символом H) — первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H — протон. Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий (Н), 2H — дейтерий (D) и 3H — тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород — H2 — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, платине.
История
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — вода и γεννάω — рождаю) — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с «кислородом» М. В. Ломоносова .
Распространённость
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Земная кора и живые организмы
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.
Получение
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре:
СН4 + 2Н2O = CO2↑ + 4Н2 −165 кДж
Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
2. Гелий-Helium (He)
18 августа 1868 г. ожидалось полное солнечное затмение. Астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. Они надеялись разрешить тайну протуберанцев - светящихся выступов, видимых в момент полного солнечного затмения по краям солнечного диска. Одни астрономы полагали, что протуберанцы представляют собой высокие лунные горы, которые в момент полного солнечного затмения освещаются лучами Солнца; другие думали, что протуберанцы - это горы на самом Солнце; третьи видели в солнечных выступах огненные облака солнечной атмосферы. Большинство же считало, что протуберанцы - не больше, как оптический обман.
В 1851 г. во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Европе, немецкий астроном Шмидт не только увидел солнечные выступы, но и успел разглядеть, что очертания их меняются с течением времени. На основании своих наблюдений Шмидт заключил, что протуберанцы являются раскаленными газовыми облаками, выбрасываемыми в солнечную атмосферу гигантскими извержениями. Однако и после наблюдений Шмидта многие астрономы по-прежнему считали огненные выступы обманом зрения.
Только после полного затмения 18 июля 1860 г., которое наблюдалось в. Испании, когда многие астрономы увидели солнечные выступы собственными глазами, а астрономам- итальянцу Секки и французу Делларю удалось не только зарисовать, но и сфотографировать их, ни у кого уже не было сомнений в существовании протуберанцев.
К 1860 г. был уже изобретен спектроскоп - прибор, дающий возможность путем наблюдений видимой части оптического спектра определять качественный состав тела, от которого получается наблюдаемый спектр. Однако в день солнечного затмения никто из астрономов не воспользовался спектроскопом, чтобы рассмотреть спектр протуберанцев. О спектроскопе вспомнили, когда затмение уже закончилось.
Вот почему, готовясь к солнечному затмению 1868 г., каждый астроном в список инструментов для наблюдения включил и спектроскоп. Не забыл этот прибор и Жюль Жансен, известный французский ученый, отправляясь для наблюдения протуберанцев в Индию, где условия для наблюдения солнечного затмения по вычислениям астрономов были наилучшими.
В момент, когда сверкающий диск Солнца был полностью закрыт Луной, Жюль Жансен, исследуя с помощью спектроскопа оранжево-красные языки пламени, вырывавшиеся с поверхности Солнца, увидел в спектре, кроме трех знакомых линий водорода: красной, зелено-голубой и синей, новую, незнакомую - ярко-желтую. Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело такой линии в той части спектра, где ее обнаружил Жюль Жансен. Такое же открытие, но у себя дома, в Англии, сделал астроном Норман Локиер.
25 октября 1868 г. парижская Академия наук получила два письма. Одно, написанное на следующий день после солнечного затмения, пришло из Гунтура, маленького городка на восточном побережье Индии, от Жюля Жансена; другое письмо, от 20 октября 1868 г. было из Англии от Нормана Локиера.
Полученные письма были зачитаны на заседании профессоров парижской Академии наук. В них Жюль Жансен и Норман Локиер, независимо один от другого, сообщили об открытии одного и того же "солнечного вещества". Это новое вещество, найденное на поверхности Солнца с помощью спектроскопа, Локиер предлагал назвать гелием от греческого слова "солнце" - "гелиос".
Такое совпадение удивило ученое собрание профессоров Академий и в то же время свидетельствовало об объективном характере открытия нового химического вещества. В честь открытия вещества солнечных факелов (протуберанцев) была выбита медаль. На одной стороне этой медали выбиты портреты Жансена и Локиера, а на другой - изображение древнегреческого бога солнца Аполлона в колеснице, запряженной четверкой коней. Под колесницей красовалась надпись на французском языке: "Анализ солнечных выступов 18 августа 1868 г.".
В 1895 г. лондонский химик Генри Майерс обратил внимание Вильяма Рамзая, известного английского физика-химика, на тогда уже забытую статью геолога Хильдебранда. В этой статье Хильдебранд утверждал, что некоторые редкие минералы при нагревании их в серной кислоте выделяют газ, не горящий и не поддерживающий горения. В числе таких редких минералов был клевеит, найденный в Норвегии Норденшельдом, знаменитым шведским исследователем полярных областей.
Рамзай решил исследовать природу газа, содержащегося в клевеите. Во всех химических магазинах Лондона помощникам Рамзая удалось купить всего только... один грамм клевеита, заплатив за него всего 3,5 шиллинга. Выделив из полученного количества клевеита несколько кубических сантиметров газа и очистив от примесей, Рамзай исследовал его с помощью спектроскопа. Результат был неожиданным: выделенный газ из клевеита оказался ... гелием!
Не доверяя своему открытию, Рамзай обратился к Вильяму Круксу, крупнейшему в то время в Лондоне специалисту спектрального анализа, с просьбой исследовать выделенный из клевеита газ.
Крукс исследовал газ. Результат исследования подтвердил открытие Рамзая. Так, 23 марта 1895 г. на Земле было обнаружено вещество, 27 лет назад найденное на Солнце. В тот же день Рамзай опубликовал свое открытие, отправив одно сообщение в Лондонское Королевское общество, а другое - известному французскому химику академику Бертло. В письме к Бертло Рамзай просил сообщить о своем открытии ученому собранию профессоров парижской Академии.
Через 15 дней после Рамзая, независимо от него, шведский химик Ланглэ выделил гелий из клевеита и так же, как Рамзай, сообщил о своем открытии гелия химику Бертло.
В третий раз гелий был открыт в воздухе, куда, по мысли Рамзая, он должен был поступать из редких минералов (клевеита и др.) при разрушении и химических превращениях на земле.
В небольших количествах гелии был обнаружен и в воде некоторых минеральных источников. Так, например, он был найден Рамзаем в целебном источнике Котрэ в Пиренейских горах, английский физик Джон Вильям Рэлей нашел его в водах источников на известном курорте Бат, немецкий физик Кайзер открыл гелий в ключах, бьющих в горах Шварцвальда. Однако больше всего было обнаружено гелия в некоторых минералах. Он содержится в самарските, фергусоните, колумбите, монаците, уранините. В минерале торианите с острова Цейлон содержится особенно много гелия. Килограмм торианита при нагревании докрасна выделяет 10 л гелия.
Вскоре было установлено, что гелий встречается только в тех минералах, в составе которых находятся радиоактивные уран и торий. Альфа лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия, которые, присоединяя электроны, превращаются в атомы гелия.
Гелий - прозрачный газ, без вкуса и запаха, следующий по величине атомного веса после водорода элемент. Он абсолютно инертен, т. е. не вступает ни в какие реакции. Из всех веществ гелий имеет самую низкую температуру кипения -269°С. Жидкий гелий - самая голодная жидкость. "Замерзает" гелий при - 272° С. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля.
Гелий - лучший газ для воздухоплавательных аппаратов. Для их наполнения обычно используется смесь гелия (85%) с водородом (15%). Огромные количества гелия (до 200000 куб. м), в прошлом необходимые для наполнения дирижаблей, добывались в основном из природных газов.
Для бомбардировки крупных городов, главным образом, столиц Англии л Франции, немецкое командование в первую мировую войну использовало цеппелины. Для наполнения их употребляли водород. Поэтому борьба с цеппелинами была сравнительно простой: зажигательный снаряд, попадавший в оболочку цеппелина, поджигал водород, цеппелин мгновенно вспыхивал и сгорал. Из 123 цеппелинов построенных в Германии за время первой мировой войны, 40 сгорело от зажигательных снарядов, Но однажды генеральный штаб английской армии был удивлен сообщением особой важности. Прямые попадания зажигательных снарядов в немецкий цеппелин не дали результатов. Цеппелин не вспыхнул, а медленно, по-видимому истекая каким-то неизвестным газом, улетел обратно.
Военные специалисты недоумевали и, несмотря на экстренное и подробное обсуждение вопроса о невоспламеняемости цеппелина от зажигательных снарядов, не могли найти нужного объяснения. Загадку цеппелина разгадал английский химик Ричард Трелфолл. В письме в адрес Британского адмиралтейства он писал: "... полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием...".
Убедительность доводов Трелфолла, однако, снижалась фактом отсутствия в Гер мании значительные источников гелия. Правда, гелий содержится а воздухе, но его там мало: в одном кубическом метре воздуха содержится всего только 5 кубических сантиметров гелия. К тому же холодильная машина системы Линде, превращающая в жидкость несколько сот кубических метров воздуха в один час, могла дать за это время не более 3 л гелия.
3 литра гелия в час! А для наполнения цеппелина нужно 5-6 тыс. куб. м. Для получения такого количества гелия одна машина Линде должна бы работать без остановки около двухсот лет, двести таких машин дали бы нужное количество гелия в один год. Постройка 200 заводов по превращению воздуха в жидкость для получения гелия экономически весьма невыгодна, а практически бессмысленна.
Откуда же немецкие химики получали гелий?
Этот вопрос, как выяснилось позже, был решен сравнительно просто. Задолго до войны немецким пароходным компаниям, возившим товары в Индию и Бразилию, дано было указание грузить возвращающиеся пароходы не обычным балластом, а монацитовым песком, который содержит гелий. Так был создан запас "гелиевого сырья" - около 5 тыс. т монацитового песка, из которого и получался гелий для цеппелинов. Кроме того, гелий добывался из воды минерального источника Наугейм, дававшего до 70 куб. м гелия ежедневно.
Случай с несгораемым цеппелином явился толчком для новых поисков гелия. Гелий стали усиленно искать химики, физики, геологи. Он неожиданно приобрел огромную ценность. В 1916 г. 1 кубометр гелия стоил 200 000 рублей золотом, т. е. 200 рублей литр. Если учесть, что литр гелия весит 0,18 г, то 1 г его стоил свыше 1000 рублей.
Гелий сделался объектом охоты коммерсантов, спекулянтов, биржевых дельцов. Гелий в значительных количествах был обнаружен в природных газах, выходящих из недр земли в Америке, в штате Канзас, где после вступлений Америки в воину, близ города Форт-Уорс был построен гелиевый завод. Но война закончилась, запасы гелия остались неиспользованными, стоимость гелия резко упала и составляла в конце 1918 г. около четырех рублей за кубический метр.
Добытый с таким трудом гелий был использован американцами только в 1923 г. для наполнения теперь уже мирного дирижабля "Шенандоа". Он был первым и единственным в мире воздушным грузопассажирским кораблем, наполненным гелием. Однако "жизнь" его оказалась непродолжительной. Через два года после своего рождение "Шенандоа" был уничтожен бурей 55 тыс. куб. м, почти весь мировой запас гелия, собиравшийся в течение шести лет, бесследно рассеялся в атмосфере во время бури, длившейся всего 30 минут.
В водолазном деле гелий используется для получения искусственного воздуха. Искусственный воздух, в составе которого азот частично заменен гелием, применяется для облегчения дыхания водолазов, работающих под особенно большим давлением.
Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных условиях, 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, ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и 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 "гелиевым" воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании дыхательных мышц и некоторых других болезнях, связанных с актом дыхания. Поэтому "гелиевый" воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
Гелий применяется также в технике получения низких температур.
Ге́лий — второй порядковый элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2. Расположен в главной подгруппе восьмой группы, первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической таблице. Обозначается символом He (лат. Helium). Простое вещество гелий (CAS-номер: 7440-59-7) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода. Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим элементом.
Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой
18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.
Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D3, так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D1 (589,59 нм) и D2 (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце»).
Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор.
В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона.
Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.
В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере.
Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот[6] и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.
Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию. Но только значительно позже, в 1906 году, Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома.
Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы.
Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы.
В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ-точка». Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее — 2,172 K. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I, а ниже её — гелий-II.
В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения. Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления.
Происхождение названия
От греч. ἥλιος — «Солнце» (см. Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (по лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.
Распространённость
Во Вселенной
Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе. Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше..
Земная кора
В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона).
Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) — 5,27×10−4 % по объёму, 7,24×10−5 % по массе. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5×1014 м³. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 — 16 %.
Среднее содержание гелия в земном веществе — 3 г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8 — 3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг
Определение
Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии 587,56 нм и 388,86 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.
Химические свойства
Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы). Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He2+, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).
Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось ввиду соединение LiHe7
Получение
В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т. н. сырой гелий, (He — 70-90 % об.) 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 активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).
В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15-1 % об.), что позволит намного снизить его себестоимость.
По производству гелия лидируют США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³.
Источник: Википедия
|
