氦 -化學物質

氦(Helium),為稀有氣體的一種。元素名來源于希臘文,原意是“太陽”。1868年8月18日有人利用分光鏡觀察太陽表面,發現一條新的黃色譜線,並認為是屬于太陽上的某個未知元素,故名氦。氦在通常情況下為無色、無味的氣體,氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。氦是最不活潑的元素,基本上不形成什麽化合物。氦的套用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑

  • 中文名稱
  • 外文名稱
    Helium
  • 元素符號
    He
  • 原子量
    4.002602
  • 元素類型
    非金屬單質
  • 原子序數
    2
  • 發現人
    拉姆賽

​基本介紹

he和氦是同義詞。

氦(Helium),為稀有氣體的一種。元素名來源于希臘文,原意是“太陽”。1868年有人利用分光鏡觀察太陽表面,發現一條新的黃色譜線,並認為是屬于太陽上的某個未知元素,故名氦。氦在通常情況下為無色、無味的氣體,氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。氦是最不活潑的元素,基本上不形成什麽化合物。氦的套用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑。

太陽上的氦太陽上的氦

中文名:氦

外文名:Helium

元素符號:He

原子量:4.002602

元素類型:非金屬單質

原子序數:2

發現人:拉姆賽

漢字解釋

拼音:hài

部首:氣 部外筆畫:6 總筆畫:10

五筆86:RNYW

五筆98:RYNW

倉頡:ONYVO

筆順編號:3115415334 四角號碼:80817 Unicode:CJK 統一漢字 U+6C26

基本字義

1. 一種氣體元素,無色、無臭,可用來填充燈泡和霓虹燈管,亦用來製造泡沫塑膠。液態氦常用做冷卻劑

詳細字義

〈名〉

1.化學元素名。一種極輕的無色惰性氣態元素,是所有氣體中最難液化的,存在于整個宇宙中,但隻在某些天然氣中含有在經濟上值得提取的量,主要用于填充飛艇和氣球 [helium]——元素符號He

常用片語

1. 氦氖雷射器 hài-nǎi jīguāngqì

[neon-helium laser] 一種用氦氖混合氣體作為工作物質的連續波氣體雷射器,能輸出6328埃紅色光束

異體字:氜

漢字首尾分解:氣亥 漢字部件分解:氣亥

筆順編號:3115415334

筆順讀寫:撇橫橫折捺橫折撇撇捺

基本概述

拼音:hài

元素符號He,原子序數2,原子量4.002602(氦4),為稀有氣體的一種。元素名來源于希臘文。用途氦在空氣中的含量為0.0005%。氦有兩種天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上是氦4。相對原子質量為4.003

氦,原子序數2,原子量4.002602,為稀有氣體的一種。元素名來源于希臘文,原意是“太陽”。1868年有人利用分光鏡觀察太陽表面,發現一條新的黃色譜線,並認為是屬于太陽上的某個未知元素,故名氦。氦在空氣中的含量為0.0005%。氦有兩種天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上全是氦4。  氦在通常情況下為無色、無味的氣體;熔點-272.2°C(25個大氣壓),沸點-268.9°C;密度0.1785克/升,臨界溫度-267.8°C,臨界壓力2.26大氣壓;水中溶解度8.61釐米3/千克水。

氦是所有元素中最不活潑的元素,基本上不形成什麽化合物。因為氦的原子核到電子層距離很小,並且達到了穩定結構。它的性質便決定了用途,氦的套用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑等等。CAS號:7440-59-7[1]

物理性質

氦在通常情況下為無色、無味的氣體。是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。液態氦在溫度下降至2.18K時,性質發生突變,成為一種超流體,能沿容器壁向上流動,熱傳導性為銅的800倍,並變成超導體;其比熱容表面張力、壓縮性都是反常的。

熔點:-272.2℃(25個大氣壓);

沸點-268.9℃;密度0.1785克/升;

臨界溫度:-267.8℃;

臨界壓力:2.26大氣壓;

水中溶解度:8.61立方釐米/千克水。

化學結構

元素周期性質外圍電子排布:1s²

電子層:K

電離能(kJ/ mol)

M - M+ 2372.3

M+ - M2+ 5250.4

核外電子排布:2

晶體結構:晶胞為六方晶胞。

熱導率:151.3 W/(m·K)

常見化合價:0

元素類型:非金屬

自然含量

地殼中含量:0.008(ppm)

原子體積:19.5(立方釐米/摩爾)

元素在太陽中的含量:230000(ppm)

元素在海水中的含量:0.000006

發現過程

發現人:讓桑、洛克耶

發現過程:

1868年8月18日,法國天文學家讓桑赴印度觀察日全食,利用分光鏡觀察日珥,從黑色月盤背面如出的紅色火焰,看見有彩色的彩條,是太陽噴射出來的幟熱其他的光譜。他發現一條黃色譜線,接近鈉光譜總的D1和D2線。日蝕後,他同樣在太陽光譜中觀察到這條黃線,稱為D3線。1868年10月20日,英國天文學家洛克耶也發現了這樣的一條黃線。

經過進一步研究,認識到是一條不屬于任何已知元素的新線,是因一種新的元素產生的,把這個新元素命名為 helium,來自希臘文helios(太陽),元素符號定為He。這是第一個在地球以外,在宇宙中發現的元素。為了紀念這件事,當時鑄造一塊金質紀念牌,一面雕刻著駕著四匹馬戰車的傳說中的太陽神阿波羅(Apollo)像,另一面雕刻著詹森和洛克耶的頭像,下面寫著:1868年8月18日太陽突出物分析。

過了20多年後,拉姆賽在研究釔鈾礦時發現了一種神秘的氣體。由于他研究了這種氣體的光譜,發現可能是詹森和洛克耶發現的那條黃線D3線。但由于他沒有儀器測定譜線在光譜中的位置,他隻有求助于當時最優秀的光譜學家之一的倫敦物理學家克魯克斯。克魯克斯證明了,這種氣體就是氦。這樣氦在地球上也被發現了。

元素描述

是惰性元素之一。其單質氦氣,分子式為 He,是一種稀有氣體,無色、無臭、無味。它在水中的溶解度是已知氣體中最小的,也是除氫氣以外密度最小的氣體。密度0.17847克/升,熔點-272.2℃(25個大氣壓)。沸點-268.9℃。它是最難液化的一種氣體,其臨界溫度為-267.9℃。臨界壓力為2.25大氣壓。當液化後溫度降到-270.98℃以下時,具有表面張力很小,導熱性很強,幾乎不呈現任何粘滯性。液體氦可以用來得到接近絕對零度(-273.15℃)的低溫。化學性質十分不活潑,既不能燃燒,也不能助燃。

原子來源

地球上的氦主要是放射性元素衰變的產物,α粒子就是氦的原子核。在工業中可由含氦達7%的天然氣中提取。也可由液態空氣中用分餾法從氦氖混合氣體中製得。

製備方法

天然氣分離法:工業上,主要以含有氦的天然氣為原料,反復進行液化分餾,然後利用活性炭進行吸附提純,得到純氦。合成氨法:在合成氨中,從尾氣經分離提純可得氦。空氣分餾法:從液態空氣中用分餾法從氖氦混合氣中提出。鈾礦石法:將含氦的鈾礦石經過焙燒,分離出氣體,再經過化學方法,除去水蒸氣、氫氣和二氧化碳等雜質提純出氦。

液氦概述

在氦氖雷射治療儀本世紀初的幾十年裏,世界各國都在尋找氦氣資源,在當時主要是為了充飛艇。但是到了今天,氦不僅用在飛行上,尖端科學研究,現代化工業技術,都離不開氦,而且用的常常是液態的氦,而不是氣態的氦。液態氦把人們引到一個新的領域——低溫世界。

前面已經講過拉姆賽在空氣中找氦氣的故事。在液態空氣的溫度下,氦和氖仍然是氣體;在液態氫的溫度下,氖變成了固體,可是氦仍然是氣體。

氦

要冷到什麽程度,氦才會變成液體呢?

前面已說過,英國物理學家杜瓦(Dewar)在1898年首先得到了液態氫。就在同一年,荷蘭的物理學家卡美林·奧涅斯也得到了液態氫。液態氫的沸點是零下253℃,在這樣低的溫度下,其他各種氣體不僅變成液體,而且都變成了固體。隻有氦是最後一個不肯變成液體的氣體。包括杜瓦和卡美林·奧涅斯在內的科學家們和決心把氦氣也變成液體。

製取時間

1908年7月13日晚,荷蘭物理學家卡美林·奧涅斯(Heike Kamerlingh Onnes昂納斯)和他的助手們在著名的萊頓實驗室取得成功,氦氣變成了液體。他第一次得到了320立方釐米的液態氦。

要得到液態氦,必須先把氦氣壓縮並且冷卻到液態空氣的溫度,然後讓它膨脹,使溫度進一步下降,氦氣就變成了液體。

液態氦是透明的容易流動的液體,就像開啟了瓶塞的汽水一樣,不斷飛濺著小氣泡。

液態氦是一種與眾不同的液體,它在零下269℃就沸騰了。在這樣低的溫度下,氫也變成了固體,千萬不要使液態氦和空氣接觸,因為空氣會立刻在液態氦的表面上凍結成一層堅硬的蓋子。

多少年來,全世界隻有荷蘭卡美林·奧涅斯的實驗室能製造液態氦。直到1934年,在英國盧瑟福那裏學習的前蘇聯科學家卡比查發明了新型的液氦機,每小時可以製造4升液態氦。以後,液態氦才在各國的實驗室中得到廣泛的研究和套用。

在今天,液態氦在現代技術上得到了重要的套用。例如要接收宇宙飛船發來的傳真照片或接收衛星轉播的電視信號,就必須用液態氦。接收天線末端的參量放大器要保持在液氦的低溫下,否則就不能收到圖像。

挑戰極限

物理學家不僅僅得到了液態氦,還得到了固態氦,他們正在向絕對零度進軍(物理學把零下273.15℃叫做絕對零度。這個溫度標叫做絕對溫標,用K表示。0K就是-273.15℃,而273.15K就是0℃)。從理論上講,絕對零度是達不到的,但是可以不斷接近它。液態氫的沸點是絕對溫標20.2度,液態氦的沸點是絕對溫標4.2度。在絕對溫標2.19度的時候,氦Ⅰ變為氦Ⅱ。1935年,利用“絕熱去磁”法,使液態氦冷到絕對溫標0.0034度;1957年,達到絕對溫標0.00002度;已達到跟絕對零度隻相差0.000001度了。

天文學家也繼續研究著太陽元素。太陽上的氫“燃燒”變成了氦,以後的命運又如何呢?他們發現宇宙間有一些比太陽更熾熱的恆星,中心溫度達到幾億度。在這些恆星的核心,氫原子核已經都變成了氦原子核,氦原子核又相互碰撞,正在生成著碳原子核和氧原子核,同時放出大量的能。這類恆星像心髒一樣,一會兒膨脹,一會兒收縮,很有規律。為什麽會這樣?這也是因為氦在起作用。

天文學家還研究了銀河系內氫的含量和氦的含量的比值。根據這個比值,有人估算了銀河系的年齡有一二百億年。

要問在發現氦和研究氦的歷史上誰的功勞最大呢?是天文學家詹森和羅克耶嗎?是化學家拉姆賽和物理學家克魯克斯嗎?是發明分光鏡的本生與基爾霍夫嗎?當然還要考慮把空氣、氫氣以及氦氣液化的漢普松、卡美林·奧涅斯等人的功勞。

很難說。在人類認識氦的歷史上,他們都有著自己的貢獻。氦僅僅是一種元素,但是發現它和認識它,是許多門科學——物理學、天文學、化學、地質學等的共同勝利,決不是某一個人的力量能夠完成的。

科學是沒有平坦的道路可走的,隻有不畏艱險不怕困難的人才能攀登科學的高峰。通過氦的發現的歷史,我們看到許多科學家們正是這樣勇于實踐的人。他們有嚴謹的科學態度,對于實驗中的一點細微現象——一個小氣泡,第三位小數的細微差異,也不放過。他們不但愛問為什麽,而且千方百計地去尋找答案。他們埋頭苦幹,幾個月、一年、幾年堅持不懈,終于由紛亂的謎團中找出頭緒,得到了解答。他們永遠不滿足已有的成績,而是深入一步、再深入一步地鑽研。人們對氦的認識就是這樣逐步深入的。誰也不敢這樣說:“氦,我們已經完全認識清楚了。”

性質概況

超流動性

液態氦的奇妙之處還不在于低溫。

卡美林·奧涅斯是第一個得到液氦的科學家。他並不滿足,還想使溫度進一步降低,以得到固態氦。他沒有成功(固態氦是1926年基索姆用降低溫度和增大壓力的方法首先得到的),卻得到了一個沒有預料到的結果。

對于一般液體來說,隨著溫度降低,密度會逐漸增加。卡美林·奧涅斯使液態氦的溫度下降,果然,液氦的密度增大了。但是,當溫度下降到零下271℃的時候,怪事出現了,液態氦突然停止起泡,變成像水晶一樣的透明,一動也不動,好像一潭死水,而密度突然又減小了。

這是另一種液態氦。卡美林·奧涅斯把前一種冒泡的液態氦叫做氦Ⅰ,而把後一種靜止的液態氦做氦Ⅱ。

把一個小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的,但是過了一會,杯底出現了液態氦,慢慢地漲到跟杯子外面的液態氦一樣平為止。

把這個盛著液態氦的小玻璃杯提出來,掛在半空。看,玻璃杯底下出現了液氦,一滴,兩滴,三滴……不一會,杯中的液態氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎?不,玻璃杯一點也不漏。這是怎麽回事呢?

原來氦Ⅱ是能夠倒流的,它會沿著玻璃杯的壁爬進去又爬出來。這是在我們日常生活中沒有碰到過的現象,隻有在低溫世界才會發生。這種現象叫做“超流動性”,具有“超流動性”的氦Ⅱ叫做超流體。

後來,許多科學家研究了這種怪現象,又有了許多新的發現。其中最有趣的是1938年阿蘭等人發現的氦刀噴泉。

在一根玻璃管裏,裝著很細的金剛砂,上端接出來一根細的噴嘴。將這玻璃管浸到氦Ⅱ中,用光照玻璃管粗的下部,細噴嘴就會噴出氦Ⅱ的噴泉,光越強噴得越高,可以高達數釐米。

氦Ⅱ噴泉也是超流體的特殊性質。在這個實驗中,光能直接變成了機械能

性質介紹

超導現象

大家還記得拉姆賽把各種物質放到液態空氣中的各種奇妙的實驗吧!各種物質放在液態氦裏,情況就更奇妙了。

看!在液氦的溫度下,一個鉛環,環上有一個鉛球。鉛球好像失去了重量,會飄浮在環上,與環保持一定距離。

再看!在液氦的溫度下,一個金屬盤子,把細鏈子系著磁鐵,慢慢放到盤子裏去。當磁鐵快要碰到盤子的時候,鏈子松了,磁鐵浮在盤子上,怎樣也不肯落下去。

真像是到了魔術世界!這一切,隻能在液態氦的溫度下發生。溫度一升高,魔術就不靈了,鉛球落在鉛環上,磁鐵也落在金屬盤子裏了。

這是低溫下的超導現象。

原來,有些金屬,在液態氦的溫度下,電阻會消失;在金屬環和金屬盤中,電流會不停地流動而產生磁場。這時候,磁場的斥力托住了鉛球和磁鐵,使它們浮在半空中。

在低溫下,出現了許多奇妙的物理現象。許多重要的物理實驗,都要在低溫下進行。

世界各國的物理學家還在研究液態氦,希望通過液態氦達到更低的溫度,研究各種物質在低溫下會發生什麽奇妙的變化,會有什麽我們還不知道的性質。這就產生了物理學的一個新的分支——低溫物理學。

氦,這個奇妙的物質,一直在引起科學家們的註意。科學家們繼續研究氦,通過科學實驗,不斷地為氦寫下一頁又一

同位素種

已知的氦同位素有八種,包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8等,但隻有氦3和氦4是穩定的,其餘的均帶有放射性。在自然界中,氦同位素中以氦4佔最多,多是從其他放射性物質的α衰變,放出氦4原子核而來。而在地球上,氦3的含量極少,它們均是由超重氫(氚)的β衰變所產生。

主同位素

氦-4

下表為液氦(氦4)的一些基本物理性質(某些參數測定時的狀態不詳):

正常沸點/K   4.224  

密度/kg/m^3   124 96  

蒸發熱/kJ/kg   20.73  

比熱/kJ/(kg·K)   4.56  

粘度/MPa·s   3.57  

熱導率/mW/(m·K)   2.72  

介電常數   1.0492  

臨界溫度/K   5.2O1  

臨界壓力/MPa   0.227  

氦-3

氦3是自然界中氦的穩定同位素,原子量為3.016,原子核由2個質子和一個中子組成。通常情況下,氦3為無色、無味、無毒、不燃燒的惰性氣體,在0℃及0.101325MPa下密度是0.1345kg/m。

下表為液氦(氦3)的一些基本物理性質:

正常沸點/K   3.191  

密度/kg/m^3   82.3  

蒸發熱/J/mol   20.56  

1.0K時的比熱/J/(mol·K)   4.222  

3.2K時的粘度/mPa·s   3.57  

3.2K時的熱導率/mW/(m·K)   20  

臨界溫度/K   3.324  

臨界壓力/MPa   0.115  

其他同位

氦-2:它的原子核隻有2個質子,到目前為止隻是假想粒子,但如果強核力增強2%,它就有可能存在。

氦-5,是氦的同位素之一,元素符號為He。它的原子核由二顆質子和三顆中子所組成。並帶有放射性,會放出中子,其半衰期為0.6 MeV。

氦-6:原子核包含2個質子和4個中子,非常不穩定。

氦-7:原子核包含2個質子和5個中子,會衰變成氦-6,非常不穩定。

氦-8:原子核包含2個質子和6個中子,非常不穩定。

氦-9:原子核包含2個質子和7個中子,非常不穩定。

氦-10:原子核包含2個質子和8個中子,非常不穩定。

表格資料

符號Z(p)N(n)同位貭素量(u)半衰期原子核自旋相對豐度相對豐度的變化量

HE2   2   0   2.02946 #   非常不穩定(假想粒子) #   0+ #(推測)   0   未知  

HE3   2   1   3.0160293191(26)   穩定   1/2+   0.00000134(3)   4.6×10-0.000041  

HE4   2   2   4.00260325415(6)   穩定   0+   0.99999866(3)   0.999959-1  

He5   2   3   5.01222(5)   700(30)E-24 s [0.60(2) MeV]   3/2-        

He6   2   4   6.0188891(8)   806.7(15) ms   0+        

He7   2   5   7.028021(18)   2.9(5)E-21 s [159(28) keV]   (3/2)-        

HE8   2   6   8.033922(7)   119.0(15) ms   0+        

He9   2   7   9.04395(3)   7(4)E-21 s [100(60) keV]   1/2(-#)        

He10   2   8   10.05240(8)   2.7(18)E-21 s [0.17(11) MeV]   0+        

備註:畫上#號的資料代表沒有經過實驗的證明,隻是理論推測而已,而用括弧括起來的代表資料不確定性。

對應離子

氦合氫離

氦合氫離子,化學式為HeH,是一個帶正電的離子。它首次發現于1925年,通過質子和氦原子在氣相中反應製得。它是已知最強的酸,質子親和能為177.8 kJ/mol。這種離子也被稱為氦氫分子離子。有人認為,這種物質可以存在于自然星際物質中。這是最簡單的異核離子,可以與同核的氫分子離子H2相比較。與H₂不同的是,它有一個永久的鍵偶極矩,使它更容易表現出光譜特征。

HHe不能在凝聚相中製備,因為這會使它與任何陰離子、分子、原子發生作用。但是,可以用蓋斯定律預測它在水溶液中的酸性。

電離過程–360 kJ/mol的自由能變化相當于pKa為-63。

HeH中共價鍵的長度是0.772Å。

其他氦氫離子已經知道或者在理論上研究。HeH₂,已經被微波光譜觀測到,科學家計算出它的親和能為6 kcal/mol,而HeH3為0.1 kcal/mol。

中性分子

不同于氦合氫離子,氫和氦構成的中性分子在一般情況下是很不穩定的。但是,它作為一個準分子在激發態是穩定的,于20世紀80年代中期首次在光譜中觀測到。

pka:-63(推測),比氟銻酸強得多。

HHe(g)   →   H(g)   + He(g)   +178 kJ/mol      

HHe(aq)   →   HHe(g)      +973 kJ/mol      

H(g)   →   H(aq)      – 1530 kJ/mol      

He(g)   →   He(aq)      +19 kJ/mol      

HHe(aq)   →   H(aq)   + He(aq)   – 360 kJ/mol      

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