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氦
1868年發(fā)現(xiàn)的非金屬元素
基本信息
中文名
氦
英文名
Helium
元素符號
He
原子序數(shù)
2
原子質(zhì)量
4.00260
元素類別
稀有氣體元素
族
0
周期
第一周期
區(qū)
S
電子排布
1S
CAS編號
7440-59-7
物理性質(zhì)
外觀
無色氣體
氣味
無味
物態(tài)
氣
密度
0.0001785g/cm
熔點
-272.2℃（0.95K）
沸點
-268.93℃（4.22K）
臨界點
臨界溫度－267.9℃，臨界壓力約0.225MPa
熔化熱
5.72kJ/kg
汽化熱
1kJ/kg
水溶性
微溶于水
比熱容
1.25kJ/kg·℃
原子性質(zhì)
氧化態(tài)
0
原子半徑
140pm
相關(guān)歷史
1868年8月18日，法國天文學家皮埃爾·讓森（Pierre-Jules-César Janssen）在印度觀察日全食時，發(fā)現(xiàn)在太陽光譜中觀察到一條黃線D3（587.49nm）和鈉光譜的D1（589.6nm）和D2（589.0nm）兩條線不相同。1868年10月20日，英國天文學家約瑟夫·諾曼·洛克耶（Norman Lockyer）也觀測到這條黃線D3。洛克耶和英國科學家愛德華·弗蘭克蘭（E. F. Frankland）認為這條線只有太陽才有，并且還認為是一種金屬元素。所以把這個元素取名為Helium（元素符號為He，helio希臘文是太陽神的意思，后綴-ium是指金屬元素而言。中譯名為氦）。
1895年，蘇格蘭化學家威廉·拉姆塞（William Ramsay）將含氧化鈾(UO2)的礦 石放入硫酸中時，產(chǎn)生了一種神秘的氣體。 但是由于他沒有更精密的儀器測定譜線在光譜中的位置，于是將這種氣體樣品送給了英國倫敦物理學家威廉·克魯克斯（William Crookes）做進一步的鑒定，威廉·克魯克斯通過更精確的光譜實驗后，證實了這種氣體就是氦，并證實了氦元素也是一種稀有氣體。這也是首次在地球上分離出氦。
十九世紀、二十世紀之交，低溫研究在整個科壇中影響很大。1908年7月13日晚，荷蘭物理學家卡美林·奧涅斯（Heike Kamerlingh Onnes）和他的助手們第一次得到了320cm的液態(tài)氦，并且達到了4.3K的低溫。直到1934年，在英國盧瑟福那里學習的前蘇聯(lián)科學家卡比查發(fā)明了新型的液氦機。上世紀70年代初，美國康奈爾大學教授戴維·李和羅伯特·理查森，斯坦福大學教授道格拉斯·奧謝羅夫發(fā)現(xiàn)在0.002K的溫度時He能變成超流體，這與30年代發(fā)現(xiàn)的氦的另一同位素He有很大區(qū)別。這三人于1996年被授予了諾貝爾物理學獎，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了的同位素He的超流體現(xiàn)象。
2017年2月6日，南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者在《Nature Chemistry》上發(fā)表了有關(guān)在高壓條件下合成氦鈉化合物，結(jié)束了氦元素無穩(wěn)定化合物的歷史。
分布情況
氦元素在地球的含量并不多，但在宇宙是第二豐度的元素，僅次于氫。氦在整個宇宙按質(zhì)量計算占23%。氦在地球的主要來源并不是空氣，而是來自于天然氣。氦在天然氣中的含量是在空氣中含量的1.5萬倍，但是這種高氦的天然氣礦藏并不多，因為天然氣中的氦氣是鈾之類的放射性元素衰變的產(chǎn)物，一般認為天然氣中氦含量達到0.1%即可以被工業(yè)利用，一般只有在天然氣礦附近有鈾礦時，氦氣才能在天然氣中匯集。
同位素
氦共有8種同位素的同位素，He~He為壽命很短的人造放射性同位素，在自然界中最穩(wěn)定的是He和He。He在地球上集中于地球內(nèi)部，是地球形成時從宇宙星云中吸聚的氦，稱為原始氦、捕獲氦或地慢氦；He在宇宙中是宇宙射線轟擊大氣圈中的氮產(chǎn)H，由H轉(zhuǎn)化來的He稱為宇宙成因氦。He是由U和Th等元素放射性元素衰變而得到的。
由于在地球的各個端元中氦同位素之間的比值（He/He）具有不同的特征值，彼此間He/He比值相差較大，所以氦的同位素比值可以成為判斷流體來源較直觀的地球化學證據(jù)。研究表明氦同位素比值在各個地質(zhì)端元中相對穩(wěn)定，大氣中的He/He比值為1.4x10，地幔中的He/He比值為n×10，地殼中的He/He比值n×10。
氦同位素 | 質(zhì)量數(shù) | 半衰期 |
He | 3 | 穩(wěn)定 |
He | 4 | 穩(wěn)定 |
He | 5 | 602ys±22 |
He | 6 | 806.92ms±0.24 |
He | 7 | 2.51zs±0.07 |
He | 8 | 119.5 ms±1.5 |
He | 9 | 2.5 zs±2.3 |
He | 10 | 260 ys±40 |
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
氦氣（He）為元素周期表0族元素中的稀有氣體，原子序數(shù)為2，原子量4.00260，原子半徑為140pm。在自然界中穩(wěn)定存在的同位素為He和He。氦氣為無色氣體，是所有氣體中最難液化的氣體，其臨界溫度－267.9℃，臨界壓力約0.225MPa。氦氣的密度為0.0001785g/cm，熔點為-272.2℃（0.95K），沸點為-268.93℃（4.22K），沸點時的蒸發(fā)熱為1kJ/kg，熔點時的溶解熱熱為5.72kJ/kg、15℃定壓比熱容為1.25kJ/kg·℃。
液態(tài)氦在溫度下降至2.18K時，性質(zhì)發(fā)生突變，成為一種超流體，能沒有粘滯力地流動，熱導率變得非常高，約為銅的800倍；其比熱容、表面張力和壓縮性都變得反常。因此在元素單質(zhì)中，氦不僅是溫度最低的流體，也基本不參與其他元素的化學反應(yīng)。
氦原子光譜在可見光區(qū)域的分布
氦具有異常的穿透力，能迅速地穿透某些有機聚合物、陶瓷、石英玻璃和硼硅玻璃這些材料制的薄板。氦穿透磷硅玻璃漫射比穿過軟玻璃快99倍。氦能穿過多種金屬，但不能穿透鐵和鉑族金屬。從天然氣回收氦的方法之一就是根據(jù)選擇穿透性原理。
化學性質(zhì)
氦屬于最輕的惰性元素。在高壓下，氦能與其他物質(zhì)形成衍生物，如富勒烯；在極度的壓力之下，氦可以與其他元素形成化合物，如氦鈉化合物（Na2He）。
結(jié)構(gòu)
氦原子核外只有一個軌道，并且被兩個電子完全占據(jù)，沒有額外的電子可以參與成鍵。
氦原子的光譜比較復(fù)雜，但有著與堿金屬原子類似的光譜線系，其光譜都可以歸類到S、P、D等光譜線系。對光譜進行分析，發(fā)現(xiàn)每一個線系都有兩套，就是有兩套S線系、兩套P線系、兩套D線系等，其中的一套是單重的，而另一套是三重的。
氦有兩套不同的能級。一套是單層的，另一套是三層的。正是由于這個原因，起初認為有兩種氦：正氦和仲氦。正氦具有三重態(tài)能級，而仲氦具有單重態(tài)能級。在這兩套能級內(nèi)部的躍遷產(chǎn)生了兩套相互獨立的光譜。而且，這兩套能級之間沒有輻射躍遷。
除了能量最低的、比較穩(wěn)定的基態(tài)和能量較高的、不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)之外，氦原子中存在幾個亞穩(wěn)態(tài)，所謂亞穩(wěn)態(tài)是指這樣一些激發(fā)態(tài)，原子可以在這樣的狀態(tài)存在較長的時間，不容易很快退激發(fā)而躍遷到基態(tài)。氦原子的2S0、2S1等都是亞穩(wěn)態(tài)，實驗測得2S0的壽命為19.5ms。
氦原子的基態(tài)1S0與第一激發(fā)態(tài)2S1之間的能量差很大，達到了19.77eV；電離電勢也是所有元素中最大的，達到了25.48eV。
單重態(tài)中最低的能級是基態(tài)1S0，主量子數(shù)n=1；而三重態(tài)中，沒有主量子數(shù)n=1的能級，最低能級2S1的主量子數(shù)n=2。
屬于三重漫線系的D3線，所對應(yīng)的輻射躍遷為：
587.5963nm 3D1→2P0 相對強度1
587.5643 nm 3D1，2→2P1 相對強度3
587.5601nm 3D1，2，3→2P2 相對強度5
實際上，3D1，2，3態(tài)中三個能級的間隔很小，實驗上不容易測出，上述躍遷的結(jié)果是依據(jù)光譜線的強度合躍遷的選擇定則進行分析而得到的。
制備方法
天然氣分離法：
天然氣是最重要的氦資源，工業(yè)上生產(chǎn)的氦氣基本上是從天然氣中提取的，主要以含有氦的天然氣為原料，反復(fù)進行液化分餾，然后利用活性炭進行吸附提純，最后得到純氦。其提氦技術(shù)一般需經(jīng)過三個工藝步驟：
①含氦天然氣的預(yù)凈化。
②粗氦的制取。
③氦的精制。
合成氨法
①弛放氣凈化：主要是指脫除其所含的氨和水分。
③粗氦的精制：在工業(yè)上一般采用直接加氧燃燒法、純氦稀釋后加氧催化法除氫和低溫吸附法除氫等方法獲得90%以上氦氣；再通過加壓、冷卻至77K以下脫除其中大部分雜質(zhì)氣體，然后在低溫下用活性炭吸附脫除微量氖等雜質(zhì)，獲得99.99%以上的純氦。
空氣法
①粗氖氦混合氣的提取。
②純氖氦混合氣的制備。
③氖氦分離制備純氦。
其中，氖氦分離是以液氖為冷源、2.5MPa壓力和接近氖沸點的溫度下，使氖氦混合氣中大部分氖冷凝下來，然后在低于77K溫度下，用活性炭去除殘余的氖而獲得純氦。
鈾礦石法
應(yīng)用領(lǐng)域
氦氣
用作提升氣
氦氣的相對密度較空氣小，在標準狀態(tài)下1m氦氣的浮力為1.1kg，是氫氣浮力的93%，氦又是惰性氣體，因此是比氫氣更為可靠的提升氣，用于充氣球和飛艇。
合成呼吸氣
壓送和吹掃氣
由于氦氣的化學惰性和沸點低，在航天發(fā)射中用作燃燒系統(tǒng)吹掃氣和各種燃料及氧化劑（如液氫、液氧）等壓送。還可以給火箭助推器和宇宙飛船上氣動機構(gòu)加壓，給高空飛行器某些電子部件加壓。
焊接和保護氣
與通常氬弧焊相比較，氦弧或氦－氬弧焊具有熔深大、速度快、焊縫中氣孔少、熱影響區(qū)過熱現(xiàn)象輕、焊接部位低溫塑性好等優(yōu)點，已廣泛用于不銹鋼、銅、鎂、鋯、鈦等金屬或合金的焊接。氦氣還可用作半導體、光導纖維等生產(chǎn)過程的保護氣。
傳熱介質(zhì)
由于氦不與原子反應(yīng)堆的燃料和其他物質(zhì)起化學反應(yīng)，故氦氣可用作原子反應(yīng)堆冷卻和熱交換的傳熱介質(zhì)。
光學儀器填充氣
由于氦氣的性質(zhì)與理想氣體十分接近，折射率又小，因此可用作光學儀器的填充氣，使光學儀器獲得很高靈敏度。
人造空氣
將氦氣和氧氣按一定比例混合，便制成了特殊的空氣——“人造空氣”，并把這種空氣裝入鋼瓶中，可以供潛水員潛入深海作業(yè)呼吸時使用，以避免“潛水病”。其次，“人造空氣”使用氦氣代替了氮氣，其密度大幅度減小，僅有普通空氣密度的1/3，因此呼吸“人造空氣”比呼吸普通空氣要輕松得多，可以減輕潛水員的呼吸困難。
氣體激光器
在醫(yī)療上，通過氦氖激光治療，可以幫助機體清除炎癥，并且擴張局部血管，達到止痛的效果，如治療皮膚病、風濕性關(guān)節(jié)炎、肺炎、激光手術(shù)等。同時氦氖激光器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和教學等方面的應(yīng)用也很廣泛，尤其在流體的流速流量測量、精密計量、全息照相和準直導向等方面表現(xiàn)著主要作用。
泄露檢測
氦氣可以用于泄露檢測，它被用作示蹤氣體來檢測高真空設(shè)備和高壓容器中的是否有泄漏。采用氦氣為示蹤氣體的氦質(zhì)頻儀，借助質(zhì)譜的分析方法，通過測定真空系統(tǒng)中氦氣壓強的變化來檢查封裝結(jié)構(gòu)的細微漏孔。測試時首先向封裝焊好的器件內(nèi)壓入氦氣，然后在真空狀態(tài)下抽出氦氣，測定所抽出氦氣的量來判斷氣密性。
液氦
超導冷卻
液氦在超導冷卻方面廣泛應(yīng)用于核磁共振設(shè)備、超導量子干涉器、粒子加速器、磁懸浮列車、電能的存儲等，其中的最大消費群體是醫(yī)院的核磁共振設(shè)備。缺乏氦氣最嚴重的后果，是嚴重阻礙低溫技術(shù)的應(yīng)用，其中受到最大影響的就是低溫超導技術(shù)?，F(xiàn)在已知所有的超導材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現(xiàn)出超導特性，其中應(yīng)用最廣泛的幾種（如Nb3Sn）更是需要比液氫的沸點還低的轉(zhuǎn)變溫度，這時候只有液氦能比較簡便地實現(xiàn)這樣的極低溫。醫(yī)院的核磁共振成像儀的核心大都是超導磁體，只有在液氦的低溫下才能穩(wěn)定運行，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，保證高分辨率的成像。
超低溫冷卻
液氦在超低溫冷卻方面廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆的冷卻介質(zhì)和清洗劑，第一代氣冷裂變反應(yīng)堆利用僅400℃左右的冷媒溫度，采用價廉的二氧化碳作為冷媒氣體。為了改善熱效率，第二代反應(yīng)堆設(shè)計采用高達790℃的氣體冷媒溫度。在此溫度下，只有氦（He）具有必需的化學穩(wěn)定性、惰性、高傳熱速率、低動力學壓力損失和低中子有效截面，因此，只能用氦作為冷媒氣體。
同位素
安全事宜
安全標識
象形圖 |  壓縮氣體 |
GHS分類
GHS | 危險說明 | 危險等級 |
H280 | 含有加壓氣體;加熱可能會爆炸 | 壓力下的氣體 |
H281 | 含有冷凍氣體;可能導致低溫燒傷或損傷 | 壓力下的氣體 |
健康危害
氦本身無毒的，但它可以通過置換空氣中的氧氣而造成窒息危險。吸入純氦氣易出現(xiàn)疲倦無力、昏迷、惡心、煩躁不安、嘔吐、抽搐，以致死亡，所以在大量使用氣態(tài)氦或液氦時，應(yīng)在通風良好的地方進行，以避免形成缺氧空氣。
氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍，這會改變?nèi)说穆晭У墓舱駪B(tài)，于是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高，使得聲音發(fā)生變化。
貯存與運輸
氦可以用氣態(tài)和液態(tài)方式貯存，氣瓶應(yīng)貯存于陰涼、通風的倉庫內(nèi)，溫度不宜超過30℃，遠離火種和熱源，避免陽光直射，應(yīng)與易燃易爆、可燃物分開存放。既可用管道輸送也可用運輸式罐裝容器直接輸送，其罐裝容器為1L~30000L。液氦在工業(yè)上使用液氦運輸貯槽或固定貯罐來運輸和長期貯存，其容積一般100L~500L。
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