氦查看源代码讨论查看历史
| 氦 | |
|---|---|
氦，(Helium)，为稀有气体的一种。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。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。氦是最不活泼的元素。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
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，这标志着我国在稀有气体化学领域走向了最前端。
研究历史
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
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
基本信息
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"。
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0.1785克/升，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0.17847克/升，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。
熔点
-272.2℃(25个大气压);
沸点
-268.9℃;
密度 0.1785克/升 临界温度
-267.8℃
临界压力
2.26大气压
水中溶解度
8.61立方厘米/千克水
热导率 151.3W/(m·K) 晶体结构 晶胞为六方晶胞 氦-4
下表为液氦(氦4)的一些基本物理性质(某些参数测定时的状态不详):
正常沸点/K
4.224
密度/kg/m³
124.96
蒸发热/kJ/kg
20.73
比热/kJ/(kg·K)
4.56
粘度/MPa·s
3.57
热导率/mW/(m·K)
2.72
介电常数
1.0492
临界温度/K
5.201
临界压力/MPa
0.227
氦-3
氦3是自然界中氦的稳定同位素，原子量为3.016，原子核由2个质子和一个中子组成。通常情况下，氦3为无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体，在0℃及0.101325MPa下密度是0.1345kg/m。
下表为液氦(氦3)的一些基本物理性质:
正常沸点/K
3.191
密度/kg/m³
82.3
蒸发热/J/mol
20.56
1.0K时的比热/J/(mol·K)
4.222
3.2K时的粘度/mPa·s
3.57
3.2K时的热导率/mW/(m·K)
20
临界温度/K
3.324
临界压力/MPa
0.115
超流动性
卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他又将温度进一步降低，试图得到固态氦，却并没有成功(固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的)。
对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271℃的时候，液态氦突然停止起泡，同时密度也突然减小了。
这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦叫做氦Ⅱ。
把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的渐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空时，玻璃杯底下出现了液氦，不一会，杯中的液态氦就"漏"光了。
氦Ⅱ能够倒流，它会沿着玻璃杯的壁向高处倒流。此现象只能在低温状态下才会发生，名为"超流动性"，具有"超流动性"的氦Ⅱ叫做超流体。
后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。比如1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。
氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。
超导现象
在液氦的温度下，在一个铅环上放置一个铅球。铅球会好像失重而飘浮在环上，与环保持一定距离。在同样的温度下，用细链子系着磁铁，慢慢放到一个金属盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，可以观察到，链子松了，磁铁浮在盘子上，若此时轻轻拍打磁铁，它会自行旋转。这种现象只能在低温观察到，高温下不会产生。
这是低温下的超导现象。有些金属在液态氦的温度下，原子核的运动几乎停止，对电子的阻碍变得极小，因此电阻会消失，成为超导体;由于磁力线不可能穿过超导体 ，于是在超导体与磁体中间形成了较大的磁场，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。这就是迈斯纳效应(Meissner Effect)，这一效应可以被利用来制造磁悬浮列车。
化学性质
氦是所有元素中最不活泼的元素，极难形成化合物，这是因为氦的原子核到电子层距离很小，并且达到了稳定结构。它的性质便决定了用途，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等等。
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，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。
氟化物制取猜想
Pimental等根据HeF₂的电子排布同稳定的HF₂⁻相似，提出了利用核转变制备HeF₂的三种方法。
1.氚的β衰变法
氚经过β衰变后应变成氦。这样，氚的化合物经β衰变后，就有可能成为氦化合物。为了便于进行反应，首先通过氘和氢的同位素交还，将氘固定在KHF₂的固体晶格中。俘集在晶格中的TF₂⁻发生核反应后，便会生成HeF₂。
TF₂⁻ → HeF₂ +β⁻
氘在衰变过程中的反冲能量，不致使新生成的二氟化氦断链。氘衰变的半衰期为12.25年，估计¹⁰Ci的氚，经4~5个月，仅能生成10μmol的HeF₂ .
2.热中子辐照法
用热中子辐照LiF来产生核反应
₃⁶Li + ₀¹n → ₂⁴He + ₁³T
Li(n,α)反应后，生成的氦核同母体晶格中的F相结合而生成HeF₂.
3.直接用α粒子轰击固态氟来制备HeF₂
由此看来，这三种方法中，以第一种方法制成HeF₂的可能性最大，但至今还没有见到已制成的报告。Malm等认为HeF₂和HF₂⁻的电子排布虽然相似，但HF₂⁻是H⁻同两个F原子相作用而生成化合物，H⁻的电离势仅为0.7eV，而氦的电离势高达25eV，因此对HeF₂是否存在是值得怀疑的。[1] 离子化合物
氦合氢离子，化学式为HeH⁺，是一个带正电的离子。它首次发现于1925年，通过质子和氦原子在气相中反应制得。它是已知最强的酸，质子亲和能为177.8 kJ/mol。这种离子也被称为氦氢分子离子。有人认为，这种物质可以存在于自然星际物质中。这是最简单的异核离子，可以与同核的氢分子离子H₂相比较。与H₂不同的是，它有一个永久的键偶极矩，使它更容易表现出光谱特征。
HeH⁺不能在凝聚相中制备，因为这会使它与任何阴离子、分子、原子发生作用。但是，可以用盖斯定律预测它在水溶液中的酸性。
电离过程-360 kJ/mol的自由能变化相当于pKa为-63。
HeH中共价键的长度是0.772Å。[2] 其他氦氢离子已经知道或者在理论上研究。HeH₂，已经被微波光谱观测到，科学家计算出它的亲和能为6 kcal/mol，而HeH₃为0.1 kcal/mol。
中性分子
不同于氦合氢离子，氢和氦构成的中性分子在一般情况下是很不稳定的。但是，它作为一个准分子在激发态是稳定的，于20世纪80年代中期首次在光谱中观测到。
pka:-63(推测)，比氟锑酸强得多。
即便如此，这些离子或分子仅出现于"瞬间"，或者仅通过计算得出，故它们尚且难以认为是存在的"化合物"。
氦钠化合物
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，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。
此前，研究人员已经找到其他元素与氦进行配对的方法。但一直以来，都没有形成什么能够稳定存在的物质。最常见的例子就是氦与其他元素的范德华力，无需共价键或者离子键就可以存在。在极低的温度下，氦确实可以形成范德华力，但极其微弱，无法长久保持。
氦元素坚固的稳定力源于其闭壳层电子组态:其外壳层是完满的状态，没有空间和其他原子通过共用电子进行结合。不过这是地球表面环境中的情况。
作为宇宙中第二丰富的元素，氦在恒星和巨型气体行星的构成中起着重要作用。在外太空或者地球深处的极端条件下，它可能遵循着不同寻常的规律。如今，研究人员刚刚验证这种奇异的现象。
犹他州立大学的文章共同作者Alex Boldyrev说:"极高的压力，比如在地球的核心或者其他巨型星体中，能够完全改变氦的化学特性。"
研究人员通过"晶体结构预测"模型进行演算发现，在极度的压力之下，一种稳定的氦钠化合物能够形成。然后他们在金刚石压腔实验中真的创造出了前所未见的化合物:Na2He。实验可以为氦和钠原子提供相当于110万倍地球大气压的条件。
这一结果太出人意料，因此发表的时候遇到了巨大的困难，研究人员花了两年多的时间去说服审稿人和编辑。
基于这些结果，研究团队预测，如果压力达到他们实验水平的一千万倍，那么钠将可以很容易地和氦气反应生成稳定的Na2He。更为奇妙的是，这种化合物的构成并不需要任何化学键。
南开大学王慧田教授是本次研究的共同通讯作者，据他介绍:"所发现的化合物非常奇特:氦原子通常不会形成任何化学键，而新物质的存在从根本上改变了钠原子间的化学相互作用，迫使电子集中在该结构的立方空间内，同时具有绝缘能力。"
Na2He的晶体结构，由钠原子(紫色)和氦原子(绿色)交替，共用电子(红色)存在于其间的区域。
"这并不是真的化学键，"Popov说，"但是氦能够使这一结构稳定存在。如果你把氦原子挪走，该结构将无法保持稳定。"
下面是该化合物的其他表现形式，左图中粉色为钠，白色为氦;右图中钠和氦成立方体状，红色的点则是电子。
亚晶格分析表明，He的占位导致电子被局域到了原子缝隙中并在Na原子核的引力下形成多中心键，从而整个体系变成了电子盐体系。该过程中，孤立电子，Na的内层电子与He的内层1s电子和外层的2s，2p轨道产生强烈的交叠。受泡利不相容原理的影响，He的1s电子密度和外层电子轨道的分布被迫发生变化导致在Na2He形成过程中He得到了0.15个电子。该工作证实了高压下He会具有弱的化学活性能够与在高压下还原性显著增强的Na形成化合物。
虽然最近关于金属氢的突破研究遇到很大的质疑，但这篇文章的数据要扎实很多。来自伦敦帝国学院的物理学家Henry Rzepa在把这项研究和金属氢的发现对比时表示:"这是更为可靠的科学，氦化合物是一项重大突破。"
这一研究涉及中、美、俄、意、德五国学者。参与的中国研究单位还有北京高压科学研究中心、西北工业大学、中科院固态物理研究所和南京大学。特别值得一提的是，这一研究开始于南开大学研究生Xiao Dong在美国交换访问期间，根据作者贡献介绍，Xiao Dong设计了研究工作、并展开了相关计算。Xiao Dong已经在上海高压科学研究中心工作。
据了解，这一工作2013年就投稿Nature，但作者与评审人就Na2He成健性质无法达成一致，最后改投Nature Chemistry发表。当然，并不是所有人都被说服。爱丁堡大学Eugene Gregoryanz就认为XRD数据有待提高，最终还要看这一工作是否能被其他团队所重复。不过，具备条件的实验室全世界没有几家。
同位素
已知的氦同位素有八种，包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8等，但只有氦3和氦4是稳定的，其余的均带有放射性。在自然界中，氦同位素中以氦4占最多，多是从其他放射性物质的α衰变，放出氦4原子核而来。而在地球上，氦3的含量极少，它们均是由超重氢(氚)的β衰变所产生。
氦-2:它的原子核只有2个质子，只是假想粒子，但如果强核力增强2%，它就有可能存在。
氦-5，是氦的同位素之一，元素符号为He。它的原子核由二颗质子和三颗中子所组成。并带有放射性，会放出中子，其半衰期为0.6 MeV。
氦-6:原子核包含2个质子和4个中子，非常不稳定。
氦-7:原子核包含2个质子和5个中子，会衰变成氦-6，非常不稳定。
氦-8:原子核包含2个质子和6个中子，非常不稳定。
氦-9:原子核包含2个质子和7个中子，非常不稳定。
氦-10:原子核包含2个质子和8个中子，非常不稳定。
制取方法
天然气分离法:工业上，主要以含有氦的天然气为原料，反复进行液化分馏，然后利用活性炭进行吸附提纯，得到纯氦。合成氨法:在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。
空气分馏法:从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。
铀矿石法:将含氦的铀矿石经过焙烧，分离出气体，再经过化学方法，除去水蒸气、氢气和二氧化碳等杂质提纯出氦。
作用用途
由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞艇、气球、温度计、电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、火箭、冶炼和焊接时的保护气体，还可用来填充灯泡和霓虹灯管，也用来制造泡沫塑料。
由于氦在血液中的溶解度很低，因此可以加到氧气中防止减压病，作为潜水员的呼吸用气体，或用于治疗气喘和窒息。
液体氦的温度(-268.93 ℃)接近绝对零度(-273℃)，因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。在医学中，用于氩氦刀以治疗癌症。它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。
危险性
引起窒息
如果大量吸入氦气，会造成体内氧气被氦取代，因而发生缺氧(呼吸反射是受体内过量二氧化碳驱动，而对缺氧并不敏感)，严重的甚至会死亡。 另外，如果是由高压气瓶中直接吸入氦气，那么其高流速就会严重地破坏肺部组织。大量而高压的氦和氧会造成高压紧张症状High pressure nervous syndrome (HPNS)，不过少量的氮就能够处理这个问题。而空气中百分之七十八都是氮气，所以不用担心。据介绍，大量及长时间吸入氦气可导致脑损伤甚至死亡。在大部分薯条类包装袋里也含有少量氦气，不过不必担心，没有危害。
安全事项-氦气瓶
压力通常有15MPa，使用时应用YQY-12或152IN-125等减压器减压后使用，使用前应用肥皂水检漏气体管道，确保气体管道不漏气。 确保氦气不泄露、工作场所保持通风。 包装的气瓶上均应记上生产日期、包括使用年限，凡到期的气瓶必须送往有部门进行安全检验，方能继续使用。 每瓶氦气在使用到尾气时，应保留瓶内余压在0.5MPa，最小不得低于0.25MPa余压，应将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。 瓶装氦气在运输储存、使用时都应分类堆放。 不准靠近明火和热源，应做到勿近火、勿沾油腊、勿爆晒、勿重抛、勿撞击，严禁在气瓶身上进行引弧或电弧。 严禁野蛮装卸，短距离移动氦气钢瓶应使用钢瓶专用手推车，长距离移动钢瓶应用危险品运输车辆运输。 液氦的温度为-268.9℃，与皮肤接触能引起严重冻伤。
氦气对人体的不良反应
当身体内的氦气含量增加导致氧气含量低于19.5%时，患者先出现呼吸加快、注意力不集中、共济失调;继之出现疲倦无力、烦躁不安、恶心、呕吐、昏迷、抽搐,以致死亡。
元素周期表
主族元素 硼(5) 硅(14) 锗(32) 砷(33) 锑(51) 碲(52) 钋(84) 锂(3) 钠(11) 钾(19) 铷(37) 铯(55) 钫(87) 铍(4) 镁(12) 钙(20) 锶(38) 钡(56) 镭(88) 铝(13) 铟(49) 镓(31) 锡(50) 铊(81) 铅(82) 铋(83) Uut(113) Uuq(114) uup(115) Uuh(116) Uus(117) 氦(2) 氖(10) 氩(18) 氪(36) 氙(54) 氡(86) Uuo(118) 氟(9) 氯(17) 溴(35) 碘(53) 砹(85) 氢(1) 碳(6) 氮(7) 氧(8) 磷(15) 硫(16) 硒(34) 副族元素 镧(57) 铈(58) 镨(59) 钕(60) 钷(61) 钐(62) 铕(63) 钆(64) 铽(65) 镝(66) 钬(67) 铒(68) 铥(69) 镱(70) 镥(71) 锕(89) 钍(90) 镤(91) 铀(92) 镎(93) 钚(94) 镅(95) 锔(96) 锫(97) 锎(98) 锿(99) 镄(100) 钔(101) 锘(102) 铹(103) 钪(21) 钛(22) 钒(23) 铬(24) 锰(25) 铁(26) 钴(27) 镍(28) 铜(29) 锌(30) 钇(39) 锆(40) 铌(41) 钼(42) 锝(43) 钌(44) 铑(45) 钯(46) 银(47) 镉(48) 铪(72) 钽(73) 钨(74) 铼(75) 锇(76) 铱(77) 铂(78) 金(79) 钅卢(104) 钅杜(105) 钅喜(106) 钅波(107) 钅黑(108) 钅麦(109) 鐽(110) 錀(111) 鎶(112) 汞(80)