Как элемент, открытый на звезде, стал незаменимым на Земле
С гелием связаны простые, известные каждому развлечения: наполненный им шар стремится в небо, а после вдоха газа голос становится мультяшным. При этом элемент с его необычной историей и уникальными свойствами незаменим для науки и технологий.
Что такое гелий и из чего он состоит
Гелий (He, Helium) — второй элемент в таблице Менделеева. Его ядро состоит из двух протонов, а вокруг него вращаются два электрона. Такое строение делает электронную оболочку стабильной — атомы редко вступают в химические реакции. За это гелий называют благородным или инертным газом.
В природе атомы элемента существуют отдельно друг от друга. Вещество, которое они образуют, не имеет цвета, вкуса и запаха.
Солнечный газ
Helium был открыт в космосе, а уже потом — на Земле. В 1868 году астрономы Локьер и Жансен заметили в солнечном спектре необычную желтую линию и предположили, что это неизвестный элемент. Ученые назвали его в честь Солнца. Через 27 лет химик Уильям Рамзай выделил из минерала клевеита газ, который излучал такие же волны. Стало ясно, что новое вещество существует и на нашей планете. Позже обнаружили его источник — радиоактивный распад урана и тория в земной коре.
Гелий уникален: в таблице Менделеева нет другого элемента с похожими свойствами — температурой кипения, близкой к абсолютному нулю, высокой теплоемкостью и малой химической активностью.
Ольга Якубович
Профессор СПбГУ и специалист по геологии гелия
Особые свойства гелия делают его одним из самых необычных веществ во Вселенной:
Невесомость. Гелий — второй по легкости газ после водорода. Благодаря ему взлетают дирижабли и воздушные шары.
Безопасность в использовании. Вещество не горит и поэтому не взрывоопасно.
Вдыхание небольшого количества газа не вредит здоровью. Он расслабляет легкие и гортань, поэтому голос становится мультяшным. Однако нужно знать меру: слишком глубокий вдох вызывает головокружение и потерю сознания.
Высокая теплопроводность. Гелий находится на втором месте по способности передавать тепло. При переходе в сверхтекучее состояние он делает это лучше любого металла.
Устойчивость к заморозке. Поведение гелия в холоде уникально. При -269 °C он кипит. Это единственный элемент, который не застывает даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной). Затвердевание возможно только при давлении более 25 атмосфер.
Отсутствие вязкости. При охлаждении ниже -271°C жидкий гелий становится сверхтекучим. В этом состоянии он течет без трения и даже может подниматься по стенкам емкости против гравитации.
Высокая проницаемость. Атомы гелия просачиваются сквозь материалы, которые кажутся твердыми. Например, через стекло или резину. Они делают это в полтора раза быстрее водорода.
Где элемент существует в природе
Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной, но на Земле он довольно редкий. Малая часть его запасов образовалась в момент зарождения планеты и сохранилась в мантии — «прослойке» между земной корой и ядром. Большая часть появилась в результате распада тяжелых радиоактивных элементов в земной коре — урана и тория. Миллионы лет гелий накапливается в горных породах (ловушках) вместе с природным газом, а если попадает в атмосферу, то со временем просто улетучивается в космос.
Гелий — невозобновляемый и поэтому стратегически важный ресурс. Его добывают из недр планеты попутно с углеводородами. Самые крупные производители — США, Катар, Алжир и Австралия. Рекордсмены по потреблению — Азия, США и Европа. В России центры производства благородного газа постепенно смещаются на восток: из Оренбуржья к Восточной Сибири, где источники гораздо богаче.
По прогнозам Института нефтегазовой геологии и геофизики к 2030 году Россия сможет производить до 80 млн кубометров гелия в год и займет 35–45% мирового рынка — страна станет одним из главных поставщиков этого уникального вещества в Азию.
Попутно с газом
Почти невесомый элемент (гелий) извлекают из смеси природного газа. На первом этапе сырье замораживают при -190 °C. Метан, азот, этан и другие углеводороды превращаются в жидкость, а гелий не изменяется. Газ, насыщенный им до 70–90%, называют гелиевым концентратом, или «сырым» гелием.
Полученная фракция все еще содержит примеси — остатки азота, неон и водород. Чтобы избавиться от них, газ пропускают через серию фильтров. Водород «выжигают» в реакторах, а азот и неон впитывают, словно губками. В результате остается чистый гелий.
От медицины до космонавтики
Почти в каждой промышленной отрасли уникальные свойства благородного газа используются. К примеру, науке известно, что атомы гелия проникают в малейшие отверстия. Это свойство используют для проверки герметичности трубопроводов.
В медицине одни из крупных потребителей жидкого гелия — аппараты МРТ. Приборы с помощью сильного магнитного поля и радиоволн создают снимки внутренних органов и тканей человека. В процессе магниты сильно нагреваются, а криогенная жидкость их охлаждает.
Благородный газ также остужает магниты в исследовательских установках, например ускорителях частиц и высокоточных масс-спектрометрах. С помощью гелия создают идеально чистую среду при производстве полупроводников и оптоволокна. Гелий используют в качестве защитного газа при сварке легкоокисляемых металлов, например алюминия и титана.
В дыхательной смеси для водолазов — гелиоксе — азот воздуха заменяют гелием. Он хуже растворяется в крови, поэтому защищает человека от кессонной болезни при быстром подъеме с глубины. Этот химический элемент необходим для проверки топливных баков ракетных двигателей. Гелий легкий, инертный и остается газом даже при контакте со сверххолодным жидким топливом. Также им наполняют дирижабли и научные аэростаты.
Helium используется даже в пищевой промышленности — в качестве добавки E939 в упаковках он сохраняет свежесть продуктов.
