Гелий, свойства атома, химические и физические свойства

20.01.201405.08.2020 Виктор Потехин

Гелий, свойства атома, химические и физические свойства.

He 2 Гелий

4,002602(2) 1s²

Гелий — второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Расположен в 18-й группе (по старой классификации — главной подгруппе восьмой группы), первом периоде периодической системы.

Атом и молекула гелия. Формула гелия. Строение атома гелия

Изотопы и модификации гелия. Гелий-I и гелий-II Гелий-3

Свойства гелия (таблица): температура, плотность, давление и пр.

Физические свойства гелия

Химические свойства гелия. Взаимодействие гелия. Реакции с гелием

Получение гелия

Применение гелия

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

Атом и молекула гелия. Формула гелия. Строение атома гелия:

Гелий (He, лат. helium) – химический элемент VIII группы короткой формы (18-й группы длинной формы) периодической системы химических элементов первого периода системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2.

Гелий – неметалл. Гелий возглавляет группу инертных газов в периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева.

Как простое вещество гелий представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Молекула гелия одноатомна.

Химическая формула гелия He.

Электронная конфигурация атома гелия 1s². Потенциал ионизации (первый электрон) атома гелия равен 24,47 эВ (2361,3 кДж/моль).

Строение атома гелия. Атом гелия состоит из положительно заряженного ядра (+2), вокруг которого по атомной оболочке (s-орбитали) движутся два электрона. Поскольку гелий расположен в первом периоде, оболочка всего одна. В свою очередь ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Радиус атома гелия составляет 31 пм.

Атомная масса атома гелия 4,002602(2) а. е. м. (г/моль).

Гелий – практически инертный химический элемент.

Изотопы и модификации гелия. Гелий-I и гелий-II:

Изотопы гелия – разновидности атомов (и ядер) химического элемента гелия, имеющие разное содержание нейтронов в ядре.

Всего известно на данный момент времени 8 изотопов, но только два из них стабильны. Остальные представляют собой шесть искусственных радиоактивных изотопа.

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: ⁴He (изотопная распространённость – 99,99986 %) и гораздо более редкого ³He (0,00014 %, содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах).

Гелий в атмосфере, почти весь состоящий из тяжёлого нуклида ⁴He, является продуктом α-распада тяжёлых радиоактивных элементов (урана, тория, актиния), лишь незначительная его часть является реликтовой (то есть захваченной миллиарды лет назад уплотнявшейся космической пылью, из которой образовалась Земля). Ежегодно накапливается в доступных для изучения толщах Земли и вод (25-28)⋅10⁶ м³ гелия.

Содержание ³He в выделенном из атмосферы гелии ничтожно мало, отношение ³He/⁴He для воздуха равно 1,1⋅10⁻⁶, а для гелия из природных газов 1,4⋅10⁻⁷. Установлено, что ³He получается в результате β-распада тяжёлого нуклида водорода – трития, который образуется в ряде ядерных реакций в земной коре и верхних слоях атмосферы.

Звёздный гелий (гелий Вселенной) – продукт термоядерной реакции синтеза ядер водорода, протекающей на Солнце и звездах по протон-протонному и углеродно-азотному циклам.

Искусственно получены также другие – тяжёлые радиоактивные изотопы гелия с массовыми числами 5-10:

– ⁵He, состоящий из двух протонов и трех нейтронов,

– ⁶He, состоящий из двух протонов и четырех нейтронов,

– ⁷He, состоящий из двух протонов и пяти нейтронов,

– ⁸He, состоящий из двух протонов и шести нейтронов.

– ⁹He, состоящий из двух протонов и семи нейтронов.

– ¹⁰He, состоящий из двух протонов и восьми нейтронов.

Свойства гелия (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

Общие сведения
Название	Гелий
Прежнее название
Латинское название	Helium
Символ	Нe
Номер в таблице	2
Тип	Неметалл
Подтип	Инертный газ
Открыт	Норман Локьер, Англия, 1868 г., Пьер Жюль Сезар Жансен, Франция, 1868 г.
Внешний вид и пр.	Инертный газ без цвета, запаха и вкуса
Содержание в атмосфере и воздухе (по массе)	0,000073 %
Содержание в земной коре (по массе)	5,5×10^-10%
Содержание в морях и океанах (по массе)	7,2×10^-10%
Содержание во Вселенной и космосе (по массе)	23 %
Содержание в Солнце (по массе)	23 %
Содержание в организме человека (по массе)
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)*	4,002602(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	1s²
Радиус атома (вычисленный)	31 пм
Эмпирический радиус
Ковалентный радиус	28 пм
Радиус иона	93 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса	140 пм
Химические свойства
Степени окисления	0
Валентность	0
Электроотрицательность	4,5 (шкала Полинга)
Энергия ионизации (первый электрон)	2372,32 кДж/моль (24,58738880 (15) эВ)
Электродный потенциал	0
Физические свойства
Плотность	1,785×10^-4 г/см³(при 0 °C и нормальных условиях, состояние вещества – газ), 1,7846×10^-4 г/см³ (при 20 °C и нормальных условиях, состояние вещества – газ), 0,13 г/см³ (при –269 °C и нормальных условиях, состояние вещества – жидкость)
Температура плавления	-272,20 °C (0,95 К, -457,96 °F) (при 2,5 МПа)
Температура кипения	-268,928 °C (4,222 K, -452,070 °F)
Температура разложения
Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом
Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔH_пл)	0,0138 кДж/моль
Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔH_кип)	0,0829 кДж/моль
Удельная теплоемкость при постоянном давлении
Молярная теплоёмкость	20,78 Дж/(K·моль)
Молярный объём	31,81 см³/моль
Теплопроводность (при нормальных условиях)	0,1513 Вт/(м·К)
Теплопроводность (при 300 K)	0,152 Вт/(м·К)
Критическая температура	-267,95 °C (5,1953 К, -450,31 °F)
Критическое давление***	0,22746 МПа
Критическая плотность	0,0693 г/см³
Тройная точка	-259,35 (13,8033 К), 7,041 кПа
Давление паров	1 мм.рт.ст. (при -271,9°C), 10 мм.рт.ст. (при -271,4°C), 100 мм.рт.ст. (при -270,5°C)
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных
Взрывоопасные концентрации смеси газа с кислородом, % объёмных
Стандартная энтальпия образования ΔH	0 кДж/моль (при 298 К, для состояния вещества – газ)
Стандартная энергия Гиббса образования ΔG	0 кДж/моль (при 298 К, для состояния вещества – газ)
Стандартная энтропия вещества S	126,04 Дж/(моль·K) (при 298 К, для состояния вещества – газ)
Стандартная мольная теплоемкость C_p	20,79 Дж/(моль·K) (при 298 К, для состояния вещества – газ)
Энтальпия диссоциации ΔH_дисс
Диэлектрическая проницаемость	1,000068 (при 0°C), 1,0555 (при -271,095°C)
Магнетизм	диамагнитный материал
Магнитная восприимчивость	−1,88 ·10⁻⁶³/моль (при 298 K)
Электропроводность в твердой фазе
Удельное электрическое сопротивление
Сверхпроводимость при температуре
Твёрдость по Моосу
Твёрдость по Бринеллю
Твёрдость по Виккерсу
Скорость звука	1056 м/с (30 °C, состояние вещества – газ), 965 м/с (0 °C, состояние вещества – газ), 237,66 м/с (-272,165 °C, состояние среды – жидкость), 231,4 м/с (-271,39 °C, состояние вещества – жидкость), 221,7 м/с (-270,97 °C, состояние вещества – жидкость), 223,3 м/с (-270,65 °C, состояние вещества – жидкость), 179,8 м/с (-268,93 °C, состояние вещества – жидкость)
Поверхностное натяжение
Динамическая вязкость газов и жидкостей	0,0188 мПа·с (при 0 °C), 0,0229 мПа·с (при 100 °C), 0,0269 мПа·с (при 200 °C), 0,0342 мПа·с (при 400 °C), 0,0407 мПа·с (при 600 °C)
Коэффициент теплового расширения
Модуль Юнга
Модуль сдвига
Объемный модуль упругости
Коэффициент Пуассона
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a = 3,570 Å, c = 5,84 Å
Отношение c/a	1,633
Температура Дебая
Конденсат Бозе-Эйнштейна
Двумерные материалы

Примечание:

* Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов данного элемента в природе.

*** Критическое давление гелия согласно httpshttp://chemister.ru/Database/properties.php?dbid=1&id=212 [Россия] составляет 0,229 МПа.

Физические свойства гелия:

При стандартных температуре и давлении гелий – бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный, инертный одноатомный газ с химической формулой He.

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом.

Гелий – лёгкий газ. Гелий легче воздуха в 7,26 раза, но тяжелее водорода. Так, один кубический метр воздуха, который состоит из смеси разных газов, весит 1,293 кг, а один кубический метр гелия 0,178 кг. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные гелием, на воздухе стремятся вверх. Один кубический метр гелия может поднять предмет массой 1,115 кг.

Плотность гелия (Нe) составляет 0,00017846 г/см³ при 20 °C и нормальных условиях, а при –269 °C плотность жидкого гелия составляет 0,13 г/см³.

Теплопроводность гелия при 300 K составляет 0,152 Вт/(м·К). Гелий обладает большей теплопроводностью, чем у всех других газов, за исключением водорода. Теплопроводность гелия примерно в 6,255 раз выше теплопроводности воздуха – 0,0243 Вт/(м·К).

Гелий (Нe) почти не растворяется в воде и органических растворителях. Так, растворимость гелия в воде составляет 0,000179 г/100 г (при температуре 30 °C).

Гелий не растворяется в металлах, как, например, водород.

Скорость диффузии гелия сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.

При обычных условиях и выше −250 °С при расширении гелий разогревается, а не охлаждается как большинство газов (“нормально” он начинает себя вести ниже −250 ^оС).

Температура кипения гелия (Нe) составляет −268,928 °C.

Точка кипения гелия (T = 4,222 K для ⁴He) наименьшая среди всех веществ. При атмосферном давлении гелий не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле.

При 2,17 К и обычном давлении гелий претерпевает фазовый переход второго рода (от гелия I к гелию II), сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности. Для гелия II (ниже 2,17 K) характерна сверхтекучесть – способность протекать без трения через узкие щели (размером менее 100 нм). У гелия-II отсутствует вязкость. Гелий II также обладает огромной теплопроводностью. Поэтому в отличие от бурно кипящего гелия I, выглядит как спокойная жидкость с ясно видимым мениском. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики.

Наглядно сверхтекучесть жидкого гелия проявляется, например, в ходе следующего опыта. Если сверхтекучий жидкий гелий налить в сосуд, он начнет вытекать наружу через его края в направлении более высокой температуры, даже если уровень жидкости сильно ниже краев этого сосуда.

Жидкий гелий практически не растворяет другие вещества.

Гелий – единственное вещество не затвердевающее при обычном давлении даже вблизи 0 K, он кристаллизуется только под давлением выше 2,5 МПа. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

Температура плавления гелия (Нe) при давлении 2,5 МПа составляет −272,2 °C.

При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов на розовый, оранжевый, жёлтый, ярко-жёлтый, жёлто-зелёный и зелёный. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра. Важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 706,52 нм и 447,14 нм. Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от красного к фиолетовому краю видимого спектра.

Критические параметры гелия (Нe) очень низкие: критическая температура гелия − 267,95 °C и критическое давление гелия 0,22746 МПа. Этим объясняются трудности при сжижении гелия.

Скорость звука в гелии (Нe) составляет: 1056 м/с (при 30 °C, состояние вещества – газ), 965 м/с (при 0 °C, состояние вещества – газ), 237,66 м/с (при -272,165 °C, состояние вещества – жидкость), 231,4 м/с (при -271,39 °C, состояние вещества – жидкость), 221,7 м/с (при -270,97 °C, состояние вещества – жидкость), 223,3 м/с (при -270,65 °C, состояние вещества – жидкость), 179,8 м/с (при -268,93 °C, состояние вещества – жидкость).

Динамическая вязкость гелия (Нe) составляет: 0,0188 мПа·с (при 0°C, состояние вещества – газ), 0,0229 мПа·с (при 100°C, состояние вещества – газ), 0,0269 мПа·с (при 200°C, состояние вещества – газ), 0,0342 мПа·с (при 400°C, состояние вещества – газ),
0,0407 мПа·с (при 600°C, состояние вещества – газ).

Химические свойства гелия. Взаимодействие гелия. Реакции с гелием:

При нормальных условиях гелий химически инертен.

Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние.

Например, гелий образует двухатомные молекулы He⁺², фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).

Получение гелия:

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие более 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя его свойство сжижаться труднее всех остальных газов.

Жидкий гелий впервые получен в 1908 г., твердый – в 1926 г.

Применение гелия:

Гелий используется во многих областях промышленности и быту:

– в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов;

– в пищевой промышленности (зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939) как пропеллент и упаковочный газ;

– в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние);

– для наполнения воздухоплавающих судов (дирижаблей и аэростатов). В отличие от водорода гелий в силу негорючести абсолютно безопасен;

– в дыхательных смесях для глубоководного погружения;

– для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов;

– для заполнения газоразрядных трубок;

– как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах;

– в качестве носителя в газовой хроматографии;

– и пр.

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

Источник: https://de.wikipedia.org/wiki/Helium, https://de.wikipedia.org/wiki/Helium, https://ru.wikipedia.org/wiki/Гелий, http://chemister.ru/Database/properties.php?dbid=1&id=212

Найти что-нибудь еще?