Гелий таблица менделеева номер

Helium, ₂He

Helium
Pronunciation	​(HEE-lee-əm)
Appearance	colorless gas, exhibiting a gray, cloudy glow (or reddish-orange if an especially high voltage is used) when placed in an electric field
Standard atomic weight Ar°(He)
	4.002602±0.000002 4.0026±0.0001 (abridged)[1]
Helium in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ He ↓ Ne hydrogen ← helium → lithium
Atomic number (Z)	2
Group	group 18 (noble gases)
Period	period 1
Block	s-block
Electron configuration	1s2
Electrons per shell	2
Physical properties
Phase at STP	gas
Melting point	0.95 K ​(−272.20 °C, ​−457.96 °F) (at 2.5 MPa)
Boiling point	4.222 K ​(−268.928 °C, ​−452.070 °F)
Density (at STP)	0.1786 g/L
when liquid (at m.p.)	0.145 g/cm3
when liquid (at b.p.)	0.125 g/cm3
Triple point	2.177 K, ​5.043 kPa
Critical point	5.1953 K, 0.22746 MPa
Heat of fusion	0.0138 kJ/mol
Heat of vaporization	0.0829 kJ/mol
Molar heat capacity	20.78 J/(mol·K)[2]
Vapor pressure (defined by ITS-90) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K)     1.23 1.67 2.48 4.21
Atomic properties
Oxidation states	0
Electronegativity	Pauling scale: no data
Ionization energies	1st: 2372.3 kJ/mol 2nd: 5250.5 kJ/mol
Covalent radius	28 pm
Van der Waals radius	140 pm
Spectral lines of helium
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​hexagonal close-packed (hcp)
Speed of sound	972 m/s
Thermal conductivity	0.1513 W/(m⋅K)
Magnetic ordering	diamagnetic[3]
Molar magnetic susceptibility	−1.88×10−6 cm3/mol (298 K)[4]
CAS Number	7440-59-7
History
Naming	after Helios, Greek god of the Sun
Discovery	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
First isolation	William Ramsay, Per Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Main isotopes of helium v e
Iso­tope Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 3He 0.0002% stable 4He 99.9998% stable
Category: Helium view talk edit | references

Helium (from Greek: ἥλιος, romanized: helios, lit. ‘sun’) is a chemical element with the symbol He and atomic number 2. It is a colorless, odorless, tasteless, non-toxic, inert, monatomic gas and the first in the noble gas group in the periodic table.^[a] Its boiling and melting point are the lowest among all the elements. It is the second lightest and second most abundant element in the observable universe, after hydrogen. It is present at about 24% of the total elemental mass, which is more than 12 times the mass of all the heavier elements combined. Its abundance is similar to this in both the Sun and in Jupiter, due to the very high nuclear binding energy (per nucleon) of helium-4, with respect to the next three elements after helium. This helium-4 binding energy also accounts for why it is a product of both nuclear fusion and radioactive decay. The most common isotope of helium in the universe is helium-4, the vast majority of which was formed during the Big Bang. Large amounts of new helium are created by nuclear fusion of hydrogen in stars.

Helium was first detected as an unknown, yellow spectral line signature in sunlight during a solar eclipse in 1868 by Georges Rayet,^[11] Captain C. T. Haig,^[12] Norman R. Pogson,^[13] and Lieutenant John Herschel,^[14] and was subsequently confirmed by French astronomer Jules Janssen.^[15] Janssen is often jointly credited with detecting the element, along with Norman Lockyer. Janssen recorded the helium spectral line during the solar eclipse of 1868, while Lockyer observed it from Britain. Lockyer was the first to propose that the line was due to a new element, which he named. The formal discovery of the element was made in 1895 by chemists Sir William Ramsay, Per Teodor Cleve, and Nils Abraham Langlet, who found helium emanating from the uranium ore, cleveite, which is now not regarded as a separate mineral species, but as a variety of uraninite.^[16][17] In 1903, large reserves of helium were found in natural gas fields in parts of the United States, by far the largest supplier of the gas today.

Liquid helium is used in cryogenics (its largest single use, absorbing about a quarter of production), and in the cooling of superconducting magnets, with its main commercial application in MRI scanners. Helium’s other industrial uses—as a pressurizing and purge gas, as a protective atmosphere for arc welding, and in processes such as growing crystals to make silicon wafers—account for half of the gas produced. A well-known but minor use is as a lifting gas in balloons and airships.^[18] As with any gas whose density differs from that of air, inhaling a small volume of helium temporarily changes the timbre and quality of the human voice. In scientific research, the behavior of the two fluid phases of helium-4 (helium I and helium II) is important to researchers studying quantum mechanics (in particular the property of superfluidity) and to those looking at the phenomena, such as superconductivity, produced in matter near absolute zero.

On Earth, it is relatively rare—5.2 ppm by volume in the atmosphere. Most terrestrial helium present today is created by the natural radioactive decay of heavy radioactive elements (thorium and uranium, although there are other examples), as the alpha particles emitted by such decays consist of helium-4 nuclei. This radiogenic helium is trapped with natural gas in concentrations as great as 7% by volume, from which it is extracted commercially by a low-temperature separation process called fractional distillation. Terrestrial helium is a non-renewable resource because once released into the atmosphere, it promptly escapes into space. Its supply is thought to be rapidly diminishing.^[19][20] However, some studies suggest that helium produced deep in the earth by radioactive decay can collect in natural gas reserves in larger than expected quantities,^[21] in some cases, having been released by volcanic activity.^[22]

History

Scientific discoveries

The first evidence of helium was observed on August 18, 1868, as a bright yellow line with a wavelength of 587.49 nanometers in the spectrum of the chromosphere of the Sun. The line was detected by French astronomer Jules Janssen during a total solar eclipse in Guntur, India.^[23][24] This line was initially assumed to be sodium. On October 20 of the same year, English astronomer, Norman Lockyer, observed a yellow line in the solar spectrum, which, he named the D₃ because it was near the known D₁ and D₂ Fraunhofer line lines of sodium.^[25][26] He concluded that it was caused by an element in the Sun unknown on Earth. Lockyer and English chemist Edward Frankland named the element with the Greek word for the Sun, ἥλιος (helios).^[27][28]

In 1881, Italian physicist Luigi Palmieri detected helium on Earth for the first time through its D₃ spectral line, when he analyzed a material that had been sublimated during a recent eruption of Mount Vesuvius.^[29]

On March 26, 1895, Scottish chemist Sir William Ramsay isolated helium on Earth by treating the mineral cleveite (a variety of uraninite with at least 10% rare-earth elements) with mineral acids. Ramsay was looking for argon but, after separating nitrogen and oxygen from the gas, liberated by sulfuric acid, he noticed a bright yellow line that matched the D₃ line observed in the spectrum of the Sun.^{[26][31][32][33]} These samples were identified as helium by Lockyer and British physicist William Crookes.^[34][35] It was independently isolated from cleveite, in the same year, by chemists, Per Teodor Cleve and Abraham Langlet, in Uppsala, Sweden, who collected enough of the gas to accurately determine its atomic weight.^{[36][37][24][38]} Helium was also isolated by the American geochemist, William Francis Hillebrand, prior to Ramsay’s discovery, when he noticed unusual spectral lines while testing a sample of the mineral uraninite. Hillebrand, however, attributed the lines to nitrogen.^[39] His letter of congratulations to Ramsay offers an interesting case of discovery, and near-discovery, in science.^[40]

In 1907, Ernest Rutherford and Thomas Royds demonstrated that alpha particles are helium nuclei, by allowing the particles to penetrate the thin, glass wall of an evacuated tube, then creating a discharge in the tube, to study the spectrum of the new gas inside.^[41] In 1908, helium was first liquefied by Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes by cooling the gas to less than 5 K (−268.15 °C; −450.67 °F).^[42][43] He tried to solidify it, by further reducing the temperature, but failed, because helium does not solidify at atmospheric pressure. Onnes’ student Willem Hendrik Keesom was eventually able to solidify 1 cm³ of helium in 1926 by applying additional external pressure.^[44][45]

In 1913, Niels Bohr published his «trilogy»^[46][47] on atomic structure that included a reconsideration of the Pickering–Fowler series as central evidence in support of his model of the atom.^[48][49] This series is named for Edward Charles Pickering, who in 1896 published observations of previously unknown lines in the spectrum of the star ζ Puppis^[50] (these are now known to occur with Wolf–Rayet and other hot stars).^[51] Pickering attributed the observation (lines at 4551, 5411, and 10123 Å) to a new form of hydrogen with half-integer transition levels.^[52][53] In 1912, Alfred Fowler^[54] managed to produce similar lines from a hydrogen-helium mixture, and supported Pickering’s conclusion as to their origin.^[55] Bohr’s model does not allow for half-integer transitions (nor does quantum mechanics) and Bohr concluded that Pickering and Fowler were wrong, and instead assigned these spectral lines to ionised helium, He⁺.^[56] Fowler was initially skeptical^[57] but was ultimately convinced^[58] that Bohr was correct,^[46] and by 1915 «spectroscopists had transferred [the Pickering–Fowler series] definitively [from hydrogen] to helium.»^[49][59] Bohr’s theoretical work on the Pickering series had demonstrated the need for «a re-examination of problems that seemed already to have been solved within classical theories» and provided important confirmation for his atomic theory.^[49]

In 1938, Russian physicist Pyotr Leonidovich Kapitsa discovered that helium-4 has almost no viscosity at temperatures near absolute zero, a phenomenon now called superfluidity.^[60] This phenomenon is related to Bose–Einstein condensation. In 1972, the same phenomenon was observed in helium-3, but at temperatures much closer to absolute zero, by American physicists Douglas D. Osheroff, David M. Lee, and Robert C. Richardson. The phenomenon in helium-3 is thought to be related to pairing of helium-3 fermions to make bosons, in analogy to Cooper pairs of electrons producing superconductivity.^[61]

Extraction and use

After an oil drilling operation in 1903 in Dexter, Kansas produced a gas geyser that would not burn, Kansas state geologist Erasmus Haworth collected samples of the escaping gas and took them back to the University of Kansas at Lawrence where, with the help of chemists Hamilton Cady and David McFarland, he discovered that the gas consisted of, by volume, 72% nitrogen, 15% methane (a combustible percentage only with sufficient oxygen), 1% hydrogen, and 12% an unidentifiable gas.^[24][62] With further analysis, Cady and McFarland discovered that 1.84% of the gas sample was helium.^[63][64] This showed that despite its overall rarity on Earth, helium was concentrated in large quantities under the American Great Plains, available for extraction as a byproduct of natural gas.^[65]

This enabled the United States to become the world’s leading supplier of helium. Following a suggestion by Sir Richard Threlfall, the United States Navy sponsored three small experimental helium plants during World War I. The goal was to supply barrage balloons with the non-flammable, lighter-than-air gas. A total of 5,700 m³ (200,000 cu ft) of 92% helium was produced in the program even though less than a cubic meter of the gas had previously been obtained.^[26] Some of this gas was used in the world’s first helium-filled airship, the U.S. Navy’s C-class blimp C-7, which flew its maiden voyage from Hampton Roads, Virginia, to Bolling Field in Washington, D.C., on December 1, 1921,^[66] nearly two years before the Navy’s first rigid helium-filled airship, the Naval Aircraft Factory-built USS Shenandoah, flew in September 1923.

Although the extraction process using low-temperature gas liquefaction was not developed in time to be significant during World War I, production continued. Helium was primarily used as a lifting gas in lighter-than-air craft. During World War II, the demand increased for helium for lifting gas and for shielded arc welding. The helium mass spectrometer was also vital in the atomic bomb Manhattan Project.^[67]

The government of the United States set up the National Helium Reserve in 1925 at Amarillo, Texas, with the goal of supplying military airships in time of war and commercial airships in peacetime.^[26] Because of the Helium Act of 1925, which banned the export of scarce helium on which the US then had a production monopoly, together with the prohibitive cost of the gas, the Hindenburg, like all German Zeppelins, was forced to use hydrogen as the lift gas. The helium market after World War II was depressed but the reserve was expanded in the 1950s to ensure a supply of liquid helium as a coolant to create oxygen/hydrogen rocket fuel (among other uses) during the Space Race and Cold War. Helium use in the United States in 1965 was more than eight times the peak wartime consumption.^[68]

After the «Helium Acts Amendments of 1960» (Public Law 86–777), the U.S. Bureau of Mines arranged for five private plants to recover helium from natural gas. For this helium conservation program, the Bureau built a 425-mile (684 km) pipeline from Bushton, Kansas, to connect those plants with the government’s partially depleted Cliffside gas field near Amarillo, Texas. This helium-nitrogen mixture was injected and stored in the Cliffside gas field until needed, at which time it was further purified.^[69]

By 1995, a billion cubic meters of the gas had been collected and the reserve was US$1.4 billion in debt, prompting the Congress of the United States in 1996 to phase out the reserve.^[24][70] The resulting Helium Privatization Act of 1996^[71] (Public Law 104–273) directed the United States Department of the Interior to empty the reserve, with sales starting by 2005.^[72]

Helium produced between 1930 and 1945 was about 98.3% pure (2% nitrogen), which was adequate for airships. In 1945, a small amount of 99.9% helium was produced for welding use. By 1949, commercial quantities of Grade A 99.95% helium were available.^[73]

For many years, the United States produced more than 90% of commercially usable helium in the world, while extraction plants in Canada, Poland, Russia, and other nations produced the remainder. In the mid-1990s, a new plant in Arzew, Algeria, producing 17 million cubic meters (600 million cubic feet) began operation, with enough production to cover all of Europe’s demand. Meanwhile, by 2000, the consumption of helium within the U.S. had risen to more than 15 million kg per year.^[74] In 2004–2006, additional plants in Ras Laffan, Qatar, and Skikda, Algeria were built. Algeria quickly became the second leading producer of helium.^[75] Through this time, both helium consumption and the costs of producing helium increased.^[76] From 2002 to 2007 helium prices doubled.^[77]

As of 2012, the United States National Helium Reserve accounted for 30 percent of the world’s helium.^[78] The reserve was expected to run out of helium in 2018.^[78] Despite that, a proposed bill in the United States Senate would allow the reserve to continue to sell the gas. Other large reserves were in the Hugoton in Kansas, United States, and nearby gas fields of Kansas and the panhandles of Texas and Oklahoma. New helium plants were scheduled to open in 2012 in Qatar, Russia, and the US state of Wyoming, but they were not expected to ease the shortage.^[78]

In 2013, Qatar started up the world’s largest helium unit,^[79] although the 2017 Qatar diplomatic crisis severely affected helium production there.^[80] 2014 was widely acknowledged to be a year of over-supply in the helium business, following years of renowned shortages.^[81] Nasdaq reported (2015) that for Air Products, an international corporation that sells gases for industrial use, helium volumes remain under economic pressure due to feedstock supply constraints.^[82]

Characteristics

Atom

In quantum mechanics

In the perspective of quantum mechanics, helium is the second simplest atom to model, following the hydrogen atom. Helium is composed of two electrons in atomic orbitals surrounding a nucleus containing two protons and (usually) two neutrons. As in Newtonian mechanics, no system that consists of more than two particles can be solved with an exact analytical mathematical approach (see 3-body problem) and helium is no exception. Thus, numerical mathematical methods are required, even to solve the system of one nucleus and two electrons. Such computational chemistry methods have been used to create a quantum mechanical picture of helium electron binding which is accurate to within < 2% of the correct value, in a few computational steps.^[83] Such models show that each electron in helium partly screens the nucleus from the other, so that the effective nuclear charge Z_eff which each electron sees is about 1.69 units, not the 2 charges of a classic «bare» helium nucleus.

Related stability of the helium-4 nucleus and electron shell

The nucleus of the helium-4 atom is identical with an alpha particle. High-energy electron-scattering experiments show its charge to decrease exponentially from a maximum at a central point, exactly as does the charge density of helium’s own electron cloud. This symmetry reflects similar underlying physics: the pair of neutrons and the pair of protons in helium’s nucleus obey the same quantum mechanical rules as do helium’s pair of electrons (although the nuclear particles are subject to a different nuclear binding potential), so that all these fermions fully occupy 1s orbitals in pairs, none of them possessing orbital angular momentum, and each cancelling the other’s intrinsic spin. Adding another of any of these particles would require angular momentum and would release substantially less energy (in fact, no nucleus with five nucleons is stable). This arrangement is thus energetically extremely stable for all these particles, and this stability accounts for many crucial facts regarding helium in nature.

For example, the stability and low energy of the electron cloud state in helium accounts for the element’s chemical inertness, and also the lack of interaction of helium atoms with each other, producing the lowest melting and boiling points of all the elements.

In a similar way, the particular energetic stability of the helium-4 nucleus, produced by similar effects, accounts for the ease of helium-4 production in atomic reactions that involve either heavy-particle emission or fusion. Some stable helium-3 (two protons and one neutron) is produced in fusion reactions from hydrogen, but it is a very small fraction compared to the highly favorable helium-4.

The unusual stability of the helium-4 nucleus is also important cosmologically: it explains the fact that in the first few minutes after the Big Bang, as the «soup» of free protons and neutrons which had initially been created in about 6:1 ratio cooled to the point that nuclear binding was possible, almost all first compound atomic nuclei to form were helium-4 nuclei. Owing to the relatively tight binding of helium-4 nuclei, its production consumed nearly all of the free neutrons in a few minutes, before they could beta-decay, and thus few neutrons were available to form heavier atoms such as lithium, beryllium, or boron. Helium-4 nuclear binding per nucleon is stronger than in any of these elements (see nucleogenesis and binding energy) and thus, once helium had been formed, no energetic drive was available to make elements 3, 4 and 5.^[84] It is barely energetically favorable for helium to fuse into the next element with a lower energy per nucleon, carbon. However, due to lack of intermediate elements, this process requires three helium nuclei striking each other nearly simultaneously (see triple alpha process). There was thus no time for significant carbon to be formed in the few minutes after the Big Bang, before the early expanding universe cooled to the temperature and pressure point where helium fusion to carbon was no longer possible. This left the early universe with a very similar ratio of hydrogen/helium as is observed today (3 parts hydrogen to 1 part helium-4 by mass), with nearly all the neutrons in the universe trapped in helium-4.

All heavier elements (including those necessary for rocky planets like the Earth, and for carbon-based or other life) have thus been created since the Big Bang in stars which were hot enough to fuse helium itself. All elements other than hydrogen and helium today account for only 2% of the mass of atomic matter in the universe. Helium-4, by contrast, makes up about 23% of the universe’s ordinary matter—nearly all the ordinary matter that is not hydrogen.

Gas and plasma phases

Helium is the second least reactive noble gas after neon, and thus the second least reactive of all elements.^[85] It is chemically inert and monatomic in all standard conditions. Because of helium’s relatively low molar (atomic) mass, its thermal conductivity, specific heat, and sound speed in the gas phase are all greater than any other gas except hydrogen. For these reasons and the small size of helium monatomic molecules, helium diffuses through solids at a rate three times that of air and around 65% that of hydrogen.^[26]

Helium is the least water-soluble monatomic gas,^[86] and one of the least water-soluble of any gas (CF₄, SF₆, and C₄F₈ have lower mole fraction solubilities: 0.3802, 0.4394, and 0.2372 x₂/10⁻⁵, respectively, versus helium’s 0.70797 x₂/10⁻⁵),^[87] and helium’s index of refraction is closer to unity than that of any other gas.^[88] Helium has a negative Joule–Thomson coefficient at normal ambient temperatures, meaning it heats up when allowed to freely expand. Only below its Joule–Thomson inversion temperature (of about 32 to 50 K at 1 atmosphere) does it cool upon free expansion.^[26] Once precooled below this temperature, helium can be liquefied through expansion cooling.

Most extraterrestrial helium is found in a plasma state, with properties quite different from those of atomic helium. In a plasma, helium’s electrons are not bound to its nucleus, resulting in very high electrical conductivity, even when the gas is only partially ionized. The charged particles are highly influenced by magnetic and electric fields. For example, in the solar wind together with ionized hydrogen, the particles interact with the Earth’s magnetosphere, giving rise to Birkeland currents and the aurora.^[89]

Liquid phase

Unlike any other element, helium will remain liquid down to absolute zero at normal pressures. This is a direct effect of quantum mechanics: specifically, the zero point energy of the system is too high to allow freezing. Solid helium requires a temperature of 1–1.5 K (about −272 °C or −457 °F) at about 25 bar (2.5 MPa) of pressure.^[90] It is often hard to distinguish solid from liquid helium since the refractive index of the two phases are nearly the same. The solid has a sharp melting point and has a crystalline structure, but it is highly compressible; applying pressure in a laboratory can decrease its volume by more than 30%.^[91] With a bulk modulus of about 27 MPa^[92] it is ~100 times more compressible than water. Solid helium has a density of 0.214±0.006 g/cm³ at 1.15 K and 66 atm; the projected density at 0 K and 25 bar (2.5 MPa) is 0.187±0.009 g/cm³.^[93] At higher temperatures, helium will solidify with sufficient pressure. At room temperature, this requires about 114,000 atm.^[94]

Helium I

Below its boiling point of 4.22 K (−268.93 °C; −452.07 °F) and above the lambda point of 2.1768 K (−270.9732 °C; −455.7518 °F), the isotope helium-4 exists in a normal colorless liquid state, called helium I.^[26] Like other cryogenic liquids, helium I boils when it is heated and contracts when its temperature is lowered. Below the lambda point, however, helium does not boil, and it expands as the temperature is lowered further.

Helium I has a gas-like index of refraction of 1.026 which makes its surface so hard to see that floats of Styrofoam are often used to show where the surface is.^[26] This colorless liquid has a very low viscosity and a density of 0.145–0.125 g/mL (between about 0 and 4 K),^[95] which is only one-fourth the value expected from classical physics.^[26] Quantum mechanics is needed to explain this property and thus both states of liquid helium (helium I and helium II) are called quantum fluids, meaning they display atomic properties on a macroscopic scale. This may be an effect of its boiling point being so close to absolute zero, preventing random molecular motion (thermal energy) from masking the atomic properties.^[26]

Helium II

Liquid helium below its lambda point (called helium II) exhibits very unusual characteristics. Due to its high thermal conductivity, when it boils, it does not bubble but rather evaporates directly from its surface. Helium-3 also has a superfluid phase, but only at much lower temperatures; as a result, less is known about the properties of the isotope.^[26]

Helium II is a superfluid, a quantum mechanical state (see: macroscopic quantum phenomena) of matter with strange properties. For example, when it flows through capillaries as thin as 10⁻⁷ to 10⁻⁸ m it has no measurable viscosity.^[24] However, when measurements were done between two moving discs, a viscosity comparable to that of gaseous helium was observed. Current theory explains this using the two-fluid model for helium II. In this model, liquid helium below the lambda point is viewed as containing a proportion of helium atoms in a ground state, which are superfluid and flow with exactly zero viscosity, and a proportion of helium atoms in an excited state, which behave more like an ordinary fluid.^[96]

In the fountain effect, a chamber is constructed which is connected to a reservoir of helium II by a sintered disc through which superfluid helium leaks easily but through which non-superfluid helium cannot pass. If the interior of the container is heated, the superfluid helium changes to non-superfluid helium. In order to maintain the equilibrium fraction of superfluid helium, superfluid helium leaks through and increases the pressure, causing liquid to fountain out of the container.^[97]

The thermal conductivity of helium II is greater than that of any other known substance, a million times that of helium I and several hundred times that of copper.^[26] This is because heat conduction occurs by an exceptional quantum mechanism. Most materials that conduct heat well have a valence band of free electrons which serve to transfer the heat. Helium II has no such valence band but nevertheless conducts heat well. The flow of heat is governed by equations that are similar to the wave equation used to characterize sound propagation in air. When heat is introduced, it moves at 20 meters per second at 1.8 K through helium II as waves in a phenomenon known as second sound.^[26]

Helium II also exhibits a creeping effect. When a surface extends past the level of helium II, the helium II moves along the surface, against the force of gravity. Helium II will escape from a vessel that is not sealed by creeping along the sides until it reaches a warmer region where it evaporates. It moves in a 30 nm-thick film regardless of surface material. This film is called a Rollin film and is named after the man who first characterized this trait, Bernard V. Rollin.^[26][98][99] As a result of this creeping behavior and helium II’s ability to leak rapidly through tiny openings, it is very difficult to confine. Unless the container is carefully constructed, the helium II will creep along the surfaces and through valves until it reaches somewhere warmer, where it will evaporate. Waves propagating across a Rollin film are governed by the same equation as gravity waves in shallow water, but rather than gravity, the restoring force is the van der Waals force.^[100] These waves are known as third sound.^[101]

Isotopes

There are nine known isotopes of helium, but only helium-3 and helium-4 are stable. In the Earth’s atmosphere, one atom is ³
He for every million that are ⁴
He.^[24] Unlike most elements, helium’s isotopic abundance varies greatly by origin, due to the different formation processes. The most common isotope, helium-4, is produced on Earth by alpha decay of heavier radioactive elements; the alpha particles that emerge are fully ionized helium-4 nuclei. Helium-4 is an unusually stable nucleus because its nucleons are arranged into complete shells. It was also formed in enormous quantities during Big Bang nucleosynthesis.^[102]

Helium-3 is present on Earth only in trace amounts. Most of it has been present since Earth’s formation, though some falls to Earth trapped in cosmic dust.^[103] Trace amounts are also produced by the beta decay of tritium.^[104] Rocks from the Earth’s crust have isotope ratios varying by as much as a factor of ten, and these ratios can be used to investigate the origin of rocks and the composition of the Earth’s mantle.^{[103] 3}
He is much more abundant in stars as a product of nuclear fusion. Thus in the interstellar medium, the proportion of ³
He to ⁴
He is about 100 times higher than on Earth.^[105] Extraplanetary material, such as lunar and asteroid regolith, have trace amounts of helium-3 from being bombarded by solar winds. The Moon’s surface contains helium-3 at concentrations on the order of 10 ppb, much higher than the approximately 5 ppt found in the Earth’s atmosphere.^[106][107] A number of people, starting with Gerald Kulcinski in 1986,^[108] have proposed to explore the moon, mine lunar regolith, and use the helium-3 for fusion.

Liquid helium-4 can be cooled to about 1 K (−272.15 °C; −457.87 °F) using evaporative cooling in a 1-K pot. Similar cooling of helium-3, which has a lower boiling point, can achieve about 0.2 kelvin in a helium-3 refrigerator. Equal mixtures of liquid ³
He and ⁴
He below 0.8 K separate into two immiscible phases due to their dissimilarity (they follow different quantum statistics: helium-4 atoms are bosons while helium-3 atoms are fermions).^[26] Dilution refrigerators use this immiscibility to achieve temperatures of a few millikelvins.^[109]

It is possible to produce exotic helium isotopes, which rapidly decay into other substances. The shortest-lived heavy helium isotope is the unbound helium-10 with a half-life of 2.6(4)×10⁻²² s.^[110] Helium-6 decays by emitting a beta particle and has a half-life of 0.8 second. Helium-7 also emits a beta particle as well as a gamma ray. Helium-7 and helium-8 are created in certain nuclear reactions.^[26] Helium-6 and helium-8 are known to exhibit a nuclear halo.^[26]

Properties

Table of thermal and physical properties of helium gas at atmospheric pressure:^[111][112]

Temperature (K)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg °C)	Dynamic viscosity (kg/m s)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Thermal conductivity (W/m °C)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number
100		5.193	9.63E-06	1.98E-05	0.073	2.89E-05	0.686
120	0.406	5.193	1.07E-05	2.64E-05	0.0819	3.88E-05	0.679
144	0.3379	5.193	1.26E-05	3.71E-05	0.0928	5.28E-05	0.7
200	0.2435	5.193	1.57E-05	6.44E-05	0.1177	9.29E-05	0.69
255	0.1906	5.193	1.82E-05	9.55E-05	0.1357	1.37E-04	0.7
366	0.1328	5.193	2.31E-05	1.74E-04	0.1691	2.45E-04	0.71
477	0.10204	5.193	2.75E-05	2.69E-04	0.197	3.72E-04	0.72
589	0.08282	5.193	3.11E-05	3.76E-04	0.225	5.22E-04	0.72
700	0.07032	5.193	3.48E-05	4.94E-04	0.251	6.66E-04	0.72
800	0.06023	5.193	3.82E-05	6.34E-04	0.275	8.77E-04	0.72
900	0.05451	5.193	4.14E-05	7.59E-04	0.33	1.14E-03	0.687
1000		5.193	4.46E-05	9.14E-04	0.354	1.40E-03	0.654

Compounds

Helium has a valence of zero and is chemically unreactive under all normal conditions.^[91] It is an electrical insulator unless ionized. As with the other noble gases, helium has metastable energy levels that allow it to remain ionized in an electrical discharge with a voltage below its ionization potential.^[26] Helium can form unstable compounds, known as excimers, with tungsten, iodine, fluorine, sulfur, and phosphorus when it is subjected to a glow discharge, to electron bombardment, or reduced to plasma by other means. The molecular compounds HeNe, HgHe₁₀, and WHe₂, and the molecular ions He⁺
₂, He²⁺
₂, HeH⁺
, and HeD⁺
have been created this way.^[113] HeH⁺ is also stable in its ground state, but is extremely reactive—it is the strongest Brønsted acid known, and therefore can exist only in isolation, as it will protonate any molecule or counteranion it contacts. This technique has also produced the neutral molecule He₂, which has a large number of band systems, and HgHe, which is apparently held together only by polarization forces.^[26]

Van der Waals compounds of helium can also be formed with cryogenic helium gas and atoms of some other substance, such as LiHe and He₂.^[114]

Theoretically, other true compounds may be possible, such as helium fluorohydride (HHeF) which would be analogous to HArF, discovered in 2000.^[115] Calculations show that two new compounds containing a helium-oxygen bond could be stable.^[116] Two new molecular species, predicted using theory, CsFHeO and N(CH₃)₄FHeO, are derivatives of a metastable FHeO⁻ anion first theorized in 2005 by a group from Taiwan. If confirmed by experiment, the only remaining element with no known stable compounds would be neon.^[117]

Helium atoms have been inserted into the hollow carbon cage molecules (the fullerenes) by heating under high pressure. The endohedral fullerene molecules formed are stable at high temperatures. When chemical derivatives of these fullerenes are formed, the helium stays inside.^[118] If helium-3 is used, it can be readily observed by helium nuclear magnetic resonance spectroscopy.^[119] Many fullerenes containing helium-3 have been reported. Although the helium atoms are not attached by covalent or ionic bonds, these substances have distinct properties and a definite composition, like all stoichiometric chemical compounds.

Under high pressures helium can form compounds with various other elements. Helium-nitrogen clathrate (He(N₂)₁₁) crystals have been grown at room temperature at pressures ca. 10 GPa in a diamond anvil cell.^[120] The insulating electride Na₂He has been shown to be thermodynamically stable at pressures above 113 GPa. It has a fluorite structure.^[121]

Occurrence and production

Natural abundance

Although it is rare on Earth, helium is the second most abundant element in the known Universe, constituting 23% of its baryonic mass. Only hydrogen is more abundant.^[24] The vast majority of helium was formed by Big Bang nucleosynthesis one to three minutes after the Big Bang. As such, measurements of its abundance contribute to cosmological models. In stars, it is formed by the nuclear fusion of hydrogen in proton–proton chain reactions and the CNO cycle, part of stellar nucleosynthesis.^[102]

In the Earth’s atmosphere, the concentration of helium by volume is only 5.2 parts per million.^[122][123] The concentration is low and fairly constant despite the continuous production of new helium because most helium in the Earth’s atmosphere escapes into space by several processes.^{[124][125][126]} In the Earth’s heterosphere, a part of the upper atmosphere, helium and other lighter gases are the most abundant elements.

Most helium on Earth is a result of radioactive decay. Helium is found in large amounts in minerals of uranium and thorium, including uraninite and its varieties cleveite and pitchblende,^[16][127] carnotite and monazite (a group name; «monazite» usually refers to monazite-(Ce)),^[128][129] because they emit alpha particles (helium nuclei, He²⁺) to which electrons immediately combine as soon as the particle is stopped by the rock. In this way an estimated 3000 metric tons of helium are generated per year throughout the lithosphere.^{[130][131][132]} In the Earth’s crust, the concentration of helium is 8 parts per billion. In seawater, the concentration is only 4 parts per trillion. There are also small amounts in mineral springs, volcanic gas, and meteoric iron. Because helium is trapped in the subsurface under conditions that also trap natural gas, the greatest natural concentrations of helium on the planet are found in natural gas, from which most commercial helium is extracted. The concentration varies in a broad range from a few ppm to more than 7% in a small gas field in San Juan County, New Mexico.^[133][134]

As of 2021 the world’s helium reserves were estimated at 31 billion cubic meters, with a third of that being in Qatar.^[135] In 2015 and 2016 additional probable reserves were announced to be under the Rocky Mountains in North America^[136] and in the East African Rift.^[137]

Modern extraction and distribution

For large-scale use, helium is extracted by fractional distillation from natural gas, which can contain as much as 7% helium.^[138] Since helium has a lower boiling point than any other element, low temperature and high pressure are used to liquefy nearly all the other gases (mostly nitrogen and methane). The resulting crude helium gas is purified by successive exposures to lowering temperatures, in which almost all of the remaining nitrogen and other gases are precipitated out of the gaseous mixture. Activated charcoal is used as a final purification step, usually resulting in 99.995% pure Grade-A helium.^[26] The principal impurity in Grade-A helium is neon. In a final production step, most of the helium that is produced is liquefied via a cryogenic process. This is necessary for applications requiring liquid helium and also allows helium suppliers to reduce the cost of long-distance transportation, as the largest liquid helium containers have more than five times the capacity of the largest gaseous helium tube trailers.^[75][139]

In 2008, approximately 169 million standard cubic meters (SCM) of helium were extracted from natural gas or withdrawn from helium reserves with approximately 78% from the United States, 10% from Algeria, and most of the remainder from Russia, Poland and Qatar.^[140] By 2013, increases in helium production in Qatar (under the company Qatargas managed by Air Liquide) had increased Qatar’s fraction of world helium production to 25%, and made it the second largest exporter after the United States.^[141]
An estimated 54 billion cubic feet (1.5×10⁹ m³) deposit of helium was found in Tanzania in 2016.^[142] A large-scale helium plant was opened in Ningxia, China in 2020.^[143]

In the United States, most helium is extracted from natural gas of the Hugoton and nearby gas fields in Kansas, Oklahoma, and the Panhandle Field in Texas.^[75][144] Much of this gas was once sent by pipeline to the National Helium Reserve, but since 2005 this reserve is being depleted and sold off, and is expected to be largely depleted by 2021,^[141] under the October 2013 Responsible Helium Administration and Stewardship Act (H.R. 527).^[145]

Diffusion of crude natural gas through special semipermeable membranes and other barriers is another method to recover and purify helium.^[146] In 1996, the U.S. had proven helium reserves, in such gas well complexes, of about 147 billion standard cubic feet (4.2 billion SCM).^[147] At rates of use at that time (72 million SCM per year in the U.S.; see pie chart below) this would have been enough helium for about 58 years of U.S. use, and less than this (perhaps 80% of the time) at world use rates, although factors in saving and processing impact effective reserve numbers.

Helium must be extracted from natural gas because it is present in air at only a fraction of that of neon, yet the demand for it is far higher. It is estimated that if all neon production were retooled to save helium, 0.1% of the world’s helium demands would be satisfied. Similarly, only 1% of the world’s helium demands could be satisfied by re-tooling all air distillation plants.^[148] Helium can be synthesized by bombardment of lithium or boron with high-velocity protons, or by bombardment of lithium with deuterons, but these processes are a completely uneconomical method of production.^[149]

Helium is commercially available in either liquid or gaseous form. As a liquid, it can be supplied in small insulated containers called dewars which hold as much as 1,000 liters of helium, or in large ISO containers which have nominal capacities as large as 42 m³ (around 11,000 U.S. gallons). In gaseous form, small quantities of helium are supplied in high-pressure cylinders holding as much as 8 m³ (approx. 282 standard cubic feet), while large quantities of high-pressure gas are supplied in tube trailers which have capacities of as much as 4,860 m³ (approx. 172,000 standard cubic feet).

Conservation advocates

According to helium conservationists like Nobel laureate physicist Robert Coleman Richardson, writing in 2010, the free market price of helium has contributed to «wasteful» usage (e.g. for helium balloons). Prices in the 2000s had been lowered by the decision of the U.S. Congress to sell off the country’s large helium stockpile by 2015.^[150] According to Richardson, the price needed to be multiplied by 20 to eliminate the excessive wasting of helium. In the paper Stop squandering helium published in 2012, it was also proposed to create an International Helium Agency that would build a sustainable market for «this precious commodity».^[151]

Applications

While balloons are perhaps the best known use of helium, they are a minor part of all helium use.^[70] Helium is used for many purposes that require some of its unique properties, such as its low boiling point, low density, low solubility, high thermal conductivity, or inertness. Of the 2014 world helium total production of about 32 million kg (180 million standard cubic meters) helium per year, the largest use (about 32% of the total in 2014) is in cryogenic applications, most of which involves cooling the superconducting magnets in medical MRI scanners and NMR spectrometers.^[153] Other major uses were pressurizing and purging systems, welding, maintenance of controlled atmospheres, and leak detection. Other uses by category were relatively minor fractions.^[152]

Controlled atmospheres

Helium is used as a protective gas in growing silicon and germanium crystals, in titanium and zirconium production, and in gas chromatography,^[91] because it is inert. Because of its inertness, thermally and calorically perfect nature, high speed of sound, and high value of the heat capacity ratio, it is also useful in supersonic wind tunnels^[154] and impulse facilities.^[155]

Gas tungsten arc welding

Helium is used as a shielding gas in arc welding processes on materials that at welding temperatures are contaminated and weakened by air or nitrogen.^[24] A number of inert shielding gases are used in gas tungsten arc welding, but helium is used instead of cheaper argon especially for welding materials that have higher heat conductivity, like aluminium or copper.

Minor uses

Industrial leak detection

One industrial application for helium is leak detection. Because helium diffuses through solids three times faster than air, it is used as a tracer gas to detect leaks in high-vacuum equipment (such as cryogenic tanks) and high-pressure containers.^[156] The tested object is placed in a chamber, which is then evacuated and filled with helium. The helium that escapes through the leaks is detected by a sensitive device (helium mass spectrometer), even at the leak rates as small as 10⁻⁹ mbar·L/s (10⁻¹⁰ Pa·m³/s). The measurement procedure is normally automatic and is called helium integral test. A simpler procedure is to fill the tested object with helium and to manually search for leaks with a hand-held device.^[157]

Helium leaks through cracks should not be confused with gas permeation through a bulk material. While helium has documented permeation constants (thus a calculable permeation rate) through glasses, ceramics, and synthetic materials, inert gases such as helium will not permeate most bulk metals.^[158]

Flight

Because it is lighter than air, airships and balloons are inflated with helium for lift. While hydrogen gas is more buoyant, and escapes permeating through a membrane at a lower rate, helium has the advantage of being non-flammable, and indeed fire-retardant. Another minor use is in rocketry, where helium is used as an ullage medium to displace fuel and oxidizers in storage tanks and to condense hydrogen and oxygen to make rocket fuel. It is also used to purge fuel and oxidizer from ground support equipment prior to launch and to pre-cool liquid hydrogen in space vehicles. For example, the Saturn V rocket used in the Apollo program needed about 370,000 m³ (13 million cubic feet) of helium to launch.^[91]

Minor commercial and recreational uses

Helium as a breathing gas has no narcotic properties, so helium mixtures such as trimix, heliox and heliair are used for deep diving to reduce the effects of narcosis, which worsen with increasing depth.^[159][160] As pressure increases with depth, the density of the breathing gas also increases, and the low molecular weight of helium is found to considerably reduce the effort of breathing by lowering the density of the mixture. This reduces the Reynolds number of flow, leading to a reduction of turbulent flow and an increase in laminar flow, which requires less work of breathing.^[161][162] At depths below 150 metres (490 ft) divers breathing helium–oxygen mixtures begin to experience tremors and a decrease in psychomotor function, symptoms of high-pressure nervous syndrome.^[163] This effect may be countered to some extent by adding an amount of narcotic gas such as hydrogen or nitrogen to a helium–oxygen mixture.^[164]

Helium–neon lasers, a type of low-powered gas laser producing a red beam, had various practical applications which included barcode readers and laser pointers, before they were almost universally replaced by cheaper diode lasers.^[24]

For its inertness and high thermal conductivity, neutron transparency, and because it does not form radioactive isotopes under reactor conditions, helium is used as a heat-transfer medium in some gas-cooled nuclear reactors.^[156]

Helium, mixed with a heavier gas such as xenon, is useful for thermoacoustic refrigeration due to the resulting high heat capacity ratio and low Prandtl number.^[165] The inertness of helium has environmental advantages over conventional refrigeration systems which contribute to ozone depletion or global warming.^[166]

Helium is also used in some hard disk drives.^[167]

Scientific uses

The use of helium reduces the distorting effects of temperature variations in the space between lenses in some telescopes, due to its extremely low index of refraction.^[26] This method is especially used in solar telescopes where a vacuum tight telescope tube would be too heavy.^[168][169]

Helium is a commonly used carrier gas for gas chromatography.

The age of rocks and minerals that contain uranium and thorium can be estimated by measuring the level of helium with a process known as helium dating.^[24][26]

Helium at low temperatures is used in cryogenics, and in certain cryogenics applications. As examples of applications, liquid helium is used to cool certain metals to the extremely low temperatures required for superconductivity, such as in superconducting magnets for magnetic resonance imaging. The Large Hadron Collider at CERN uses 96 metric tons of liquid helium to maintain the temperature at 1.9 K (−271.25 °C; −456.25 °F).^[170]

Medical uses

Helium was approved for medical use in the United States in April 2020 for humans and animals.^[171][172]

As a contaminant

While chemically inert, helium contamination impairs the operation of microelectromechanical systems (MEMS) such that iPhones may fail.^[173]

Inhalation and safety

Effects

Neutral helium at standard conditions is non-toxic, plays no biological role and is found in trace amounts in human blood.

The speed of sound in helium is nearly three times the speed of sound in air. Because the natural resonance frequency of a gas-filled cavity is proportional to the speed of sound in the gas, when helium is inhaled, a corresponding increase occurs in the resonant frequencies of the vocal tract, which is the amplifier of vocal sound.^[24][174] This increase in the resonant frequency of the amplifier (the vocal tract) gives an increased amplification to the high-frequency components of the sound wave produced by the direct vibration of the vocal folds, compared to the case when the voice box is filled with air. When a person speaks after inhaling helium gas, the muscles that control the voice box still move in the same way as when the voice box is filled with air, therefore the fundamental frequency (sometimes called pitch) produced by direct vibration of the vocal folds does not change.^[175] However, the high-frequency-preferred amplification causes a change in timbre of the amplified sound, resulting in a reedy, duck-like vocal quality. The opposite effect, lowering resonant frequencies, can be obtained by inhaling a dense gas such as sulfur hexafluoride or xenon.

Hazards

Inhaling helium can be dangerous if done to excess, since helium is a simple asphyxiant and so displaces oxygen needed for normal respiration.^[24][176] Fatalities have been recorded, including a youth who suffocated in Vancouver in 2003 and two adults who suffocated in South Florida in 2006.^[177][178] In 1998, an Australian girl from Victoria fell unconscious and temporarily turned blue after inhaling the entire contents of a party balloon.^{[179][180][181]}
Inhaling helium directly from pressurized cylinders or even balloon filling valves is extremely dangerous, as high flow rate and pressure can result in barotrauma, fatally rupturing lung tissue.^[176][182]

Death caused by helium is rare. The first media-recorded case was that of a 15-year-old girl from Texas who died in 1998 from helium inhalation at a friend’s party; the exact type of helium death is unidentified.^{[179][180][181]}

In the United States only two fatalities were reported between 2000 and 2004, including a man who died in North Carolina of barotrauma in 2002.^[177][182] A youth asphyxiated in Vancouver during 2003, and a 27-year-old man in Australia had an embolism after breathing from a cylinder in 2000.^[177] Since then two adults asphyxiated in South Florida in 2006,^{[177][178][183]} and there were cases in 2009 and 2010, one a Californian youth who was found with a bag over his head, attached to a helium tank,^[184] and another teenager in Northern Ireland died of asphyxiation.^[185] At Eagle Point, Oregon a teenage girl died in 2012 from barotrauma at a party.^{[186][187][188]} A girl from Michigan died from hypoxia later in the year.^[189]

On February 4, 2015, it was revealed that, during the recording of their main TV show on January 28, a 12-year-old member (name withheld) of Japanese all-girl singing group 3B Junior suffered from air embolism, losing consciousness and falling into a coma as a result of air bubbles blocking the flow of blood to the brain, after inhaling huge quantities of helium as part of a game. The incident was not made public until a week later.^[190][191] The staff of TV Asahi held an emergency press conference to communicate that the member had been taken to the hospital and is showing signs of rehabilitation such as moving eyes and limbs, but her consciousness has not yet been sufficiently recovered. Police have launched an investigation due to a neglect of safety measures.^[192][193]

The safety issues for cryogenic helium are similar to those of liquid nitrogen; its extremely low temperatures can result in cold burns, and the liquid-to-gas expansion ratio can cause explosions if no pressure-relief devices are installed. Containers of helium gas at 5 to 10 K should be handled as if they contain liquid helium due to the rapid and significant thermal expansion that occurs when helium gas at less than 10 K is warmed to room temperature.^[91]

At high pressures (more than about 20 atm or two MPa), a mixture of helium and oxygen (heliox) can lead to high-pressure nervous syndrome, a sort of reverse-anesthetic effect; adding a small amount of nitrogen to the mixture can alleviate the problem.^[194][163]

See also

Notes

References

Bibliography

External links

General

• U.S. Government’s Bureau of Land Management: Sources, Refinement, and Shortage. With some history of helium.
• U.S. Geological Survey publications on helium beginning 1996: Helium
• Where is all the helium? Aga website
• It’s Elemental – Helium
• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry’s Chemistry World: Helium
• International Chemical Safety Cards – Helium; includes health and safety information regarding accidental exposures to helium

More detail

• Helium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Helium at the Helsinki University of Technology; includes pressure-temperature phase diagrams for helium-3 and helium-4
• Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics – includes a summary of some low temperature techniques
• Video: Demonstration of superfluid helium (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)

Miscellaneous

• Physics in Speech with audio samples that demonstrate the unchanged voice pitch
• Article about helium and other noble gases

Helium shortage

• America’s Helium Supply: Options for Producing More Helium from Federal Land: Oversight Hearing before the Subcommittee on Energy and Mineral Resources of the Committee on Natural Resources, U.S. House Of Representatives, One Hundred Thirteenth Congress, First Session, Thursday, July 11, 2013
• Helium Program: Urgent Issues Facing BLM’s Storage and Sale of Helium Reserves: Testimony before the Committee on Natural Resources, House of Representatives Government Accountability Office
• Kramer, David (May 22, 2012). «Senate bill would preserve US helium reserve: Measure would give scientists first dibs on helium should a shortage develop. Physics Today web site». Archived from the original on October 27, 2012.
• Richardson, Robert C.; Chan, Moses (2009). «Helium, when will it run out?» (PDF). Archived from the original (PDF) on 2015-06-14.

Helium, ₂He

Helium
Pronunciation	​(HEE-lee-əm)
Appearance	colorless gas, exhibiting a gray, cloudy glow (or reddish-orange if an especially high voltage is used) when placed in an electric field
Standard atomic weight Ar°(He)
	4.002602±0.000002 4.0026±0.0001 (abridged)[1]
Helium in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ He ↓ Ne hydrogen ← helium → lithium
Atomic number (Z)	2
Group	group 18 (noble gases)
Period	period 1
Block	s-block
Electron configuration	1s2
Electrons per shell	2
Physical properties
Phase at STP	gas
Melting point	0.95 K ​(−272.20 °C, ​−457.96 °F) (at 2.5 MPa)
Boiling point	4.222 K ​(−268.928 °C, ​−452.070 °F)
Density (at STP)	0.1786 g/L
when liquid (at m.p.)	0.145 g/cm3
when liquid (at b.p.)	0.125 g/cm3
Triple point	2.177 K, ​5.043 kPa
Critical point	5.1953 K, 0.22746 MPa
Heat of fusion	0.0138 kJ/mol
Heat of vaporization	0.0829 kJ/mol
Molar heat capacity	20.78 J/(mol·K)[2]
Vapor pressure (defined by ITS-90) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K)     1.23 1.67 2.48 4.21
Atomic properties
Oxidation states	0
Electronegativity	Pauling scale: no data
Ionization energies	1st: 2372.3 kJ/mol 2nd: 5250.5 kJ/mol
Covalent radius	28 pm
Van der Waals radius	140 pm
Spectral lines of helium
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​hexagonal close-packed (hcp)
Speed of sound	972 m/s
Thermal conductivity	0.1513 W/(m⋅K)
Magnetic ordering	diamagnetic[3]
Molar magnetic susceptibility	−1.88×10−6 cm3/mol (298 K)[4]
CAS Number	7440-59-7
History
Naming	after Helios, Greek god of the Sun
Discovery	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
First isolation	William Ramsay, Per Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Main isotopes of helium v e
Iso­tope Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 3He 0.0002% stable 4He 99.9998% stable
Category: Helium view talk edit | references

Helium (from Greek: ἥλιος, romanized: helios, lit. ‘sun’) is a chemical element with the symbol He and atomic number 2. It is a colorless, odorless, tasteless, non-toxic, inert, monatomic gas and the first in the noble gas group in the periodic table.^[a] Its boiling and melting point are the lowest among all the elements. It is the second lightest and second most abundant element in the observable universe, after hydrogen. It is present at about 24% of the total elemental mass, which is more than 12 times the mass of all the heavier elements combined. Its abundance is similar to this in both the Sun and in Jupiter, due to the very high nuclear binding energy (per nucleon) of helium-4, with respect to the next three elements after helium. This helium-4 binding energy also accounts for why it is a product of both nuclear fusion and radioactive decay. The most common isotope of helium in the universe is helium-4, the vast majority of which was formed during the Big Bang. Large amounts of new helium are created by nuclear fusion of hydrogen in stars.

Helium was first detected as an unknown, yellow spectral line signature in sunlight during a solar eclipse in 1868 by Georges Rayet,^[11] Captain C. T. Haig,^[12] Norman R. Pogson,^[13] and Lieutenant John Herschel,^[14] and was subsequently confirmed by French astronomer Jules Janssen.^[15] Janssen is often jointly credited with detecting the element, along with Norman Lockyer. Janssen recorded the helium spectral line during the solar eclipse of 1868, while Lockyer observed it from Britain. Lockyer was the first to propose that the line was due to a new element, which he named. The formal discovery of the element was made in 1895 by chemists Sir William Ramsay, Per Teodor Cleve, and Nils Abraham Langlet, who found helium emanating from the uranium ore, cleveite, which is now not regarded as a separate mineral species, but as a variety of uraninite.^[16][17] In 1903, large reserves of helium were found in natural gas fields in parts of the United States, by far the largest supplier of the gas today.

Liquid helium is used in cryogenics (its largest single use, absorbing about a quarter of production), and in the cooling of superconducting magnets, with its main commercial application in MRI scanners. Helium’s other industrial uses—as a pressurizing and purge gas, as a protective atmosphere for arc welding, and in processes such as growing crystals to make silicon wafers—account for half of the gas produced. A well-known but minor use is as a lifting gas in balloons and airships.^[18] As with any gas whose density differs from that of air, inhaling a small volume of helium temporarily changes the timbre and quality of the human voice. In scientific research, the behavior of the two fluid phases of helium-4 (helium I and helium II) is important to researchers studying quantum mechanics (in particular the property of superfluidity) and to those looking at the phenomena, such as superconductivity, produced in matter near absolute zero.

On Earth, it is relatively rare—5.2 ppm by volume in the atmosphere. Most terrestrial helium present today is created by the natural radioactive decay of heavy radioactive elements (thorium and uranium, although there are other examples), as the alpha particles emitted by such decays consist of helium-4 nuclei. This radiogenic helium is trapped with natural gas in concentrations as great as 7% by volume, from which it is extracted commercially by a low-temperature separation process called fractional distillation. Terrestrial helium is a non-renewable resource because once released into the atmosphere, it promptly escapes into space. Its supply is thought to be rapidly diminishing.^[19][20] However, some studies suggest that helium produced deep in the earth by radioactive decay can collect in natural gas reserves in larger than expected quantities,^[21] in some cases, having been released by volcanic activity.^[22]

History

Scientific discoveries

The first evidence of helium was observed on August 18, 1868, as a bright yellow line with a wavelength of 587.49 nanometers in the spectrum of the chromosphere of the Sun. The line was detected by French astronomer Jules Janssen during a total solar eclipse in Guntur, India.^[23][24] This line was initially assumed to be sodium. On October 20 of the same year, English astronomer, Norman Lockyer, observed a yellow line in the solar spectrum, which, he named the D₃ because it was near the known D₁ and D₂ Fraunhofer line lines of sodium.^[25][26] He concluded that it was caused by an element in the Sun unknown on Earth. Lockyer and English chemist Edward Frankland named the element with the Greek word for the Sun, ἥλιος (helios).^[27][28]

In 1881, Italian physicist Luigi Palmieri detected helium on Earth for the first time through its D₃ spectral line, when he analyzed a material that had been sublimated during a recent eruption of Mount Vesuvius.^[29]

On March 26, 1895, Scottish chemist Sir William Ramsay isolated helium on Earth by treating the mineral cleveite (a variety of uraninite with at least 10% rare-earth elements) with mineral acids. Ramsay was looking for argon but, after separating nitrogen and oxygen from the gas, liberated by sulfuric acid, he noticed a bright yellow line that matched the D₃ line observed in the spectrum of the Sun.^{[26][31][32][33]} These samples were identified as helium by Lockyer and British physicist William Crookes.^[34][35] It was independently isolated from cleveite, in the same year, by chemists, Per Teodor Cleve and Abraham Langlet, in Uppsala, Sweden, who collected enough of the gas to accurately determine its atomic weight.^{[36][37][24][38]} Helium was also isolated by the American geochemist, William Francis Hillebrand, prior to Ramsay’s discovery, when he noticed unusual spectral lines while testing a sample of the mineral uraninite. Hillebrand, however, attributed the lines to nitrogen.^[39] His letter of congratulations to Ramsay offers an interesting case of discovery, and near-discovery, in science.^[40]

In 1907, Ernest Rutherford and Thomas Royds demonstrated that alpha particles are helium nuclei, by allowing the particles to penetrate the thin, glass wall of an evacuated tube, then creating a discharge in the tube, to study the spectrum of the new gas inside.^[41] In 1908, helium was first liquefied by Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes by cooling the gas to less than 5 K (−268.15 °C; −450.67 °F).^[42][43] He tried to solidify it, by further reducing the temperature, but failed, because helium does not solidify at atmospheric pressure. Onnes’ student Willem Hendrik Keesom was eventually able to solidify 1 cm³ of helium in 1926 by applying additional external pressure.^[44][45]

In 1913, Niels Bohr published his «trilogy»^[46][47] on atomic structure that included a reconsideration of the Pickering–Fowler series as central evidence in support of his model of the atom.^[48][49] This series is named for Edward Charles Pickering, who in 1896 published observations of previously unknown lines in the spectrum of the star ζ Puppis^[50] (these are now known to occur with Wolf–Rayet and other hot stars).^[51] Pickering attributed the observation (lines at 4551, 5411, and 10123 Å) to a new form of hydrogen with half-integer transition levels.^[52][53] In 1912, Alfred Fowler^[54] managed to produce similar lines from a hydrogen-helium mixture, and supported Pickering’s conclusion as to their origin.^[55] Bohr’s model does not allow for half-integer transitions (nor does quantum mechanics) and Bohr concluded that Pickering and Fowler were wrong, and instead assigned these spectral lines to ionised helium, He⁺.^[56] Fowler was initially skeptical^[57] but was ultimately convinced^[58] that Bohr was correct,^[46] and by 1915 «spectroscopists had transferred [the Pickering–Fowler series] definitively [from hydrogen] to helium.»^[49][59] Bohr’s theoretical work on the Pickering series had demonstrated the need for «a re-examination of problems that seemed already to have been solved within classical theories» and provided important confirmation for his atomic theory.^[49]

In 1938, Russian physicist Pyotr Leonidovich Kapitsa discovered that helium-4 has almost no viscosity at temperatures near absolute zero, a phenomenon now called superfluidity.^[60] This phenomenon is related to Bose–Einstein condensation. In 1972, the same phenomenon was observed in helium-3, but at temperatures much closer to absolute zero, by American physicists Douglas D. Osheroff, David M. Lee, and Robert C. Richardson. The phenomenon in helium-3 is thought to be related to pairing of helium-3 fermions to make bosons, in analogy to Cooper pairs of electrons producing superconductivity.^[61]

Extraction and use

After an oil drilling operation in 1903 in Dexter, Kansas produced a gas geyser that would not burn, Kansas state geologist Erasmus Haworth collected samples of the escaping gas and took them back to the University of Kansas at Lawrence where, with the help of chemists Hamilton Cady and David McFarland, he discovered that the gas consisted of, by volume, 72% nitrogen, 15% methane (a combustible percentage only with sufficient oxygen), 1% hydrogen, and 12% an unidentifiable gas.^[24][62] With further analysis, Cady and McFarland discovered that 1.84% of the gas sample was helium.^[63][64] This showed that despite its overall rarity on Earth, helium was concentrated in large quantities under the American Great Plains, available for extraction as a byproduct of natural gas.^[65]

This enabled the United States to become the world’s leading supplier of helium. Following a suggestion by Sir Richard Threlfall, the United States Navy sponsored three small experimental helium plants during World War I. The goal was to supply barrage balloons with the non-flammable, lighter-than-air gas. A total of 5,700 m³ (200,000 cu ft) of 92% helium was produced in the program even though less than a cubic meter of the gas had previously been obtained.^[26] Some of this gas was used in the world’s first helium-filled airship, the U.S. Navy’s C-class blimp C-7, which flew its maiden voyage from Hampton Roads, Virginia, to Bolling Field in Washington, D.C., on December 1, 1921,^[66] nearly two years before the Navy’s first rigid helium-filled airship, the Naval Aircraft Factory-built USS Shenandoah, flew in September 1923.

Although the extraction process using low-temperature gas liquefaction was not developed in time to be significant during World War I, production continued. Helium was primarily used as a lifting gas in lighter-than-air craft. During World War II, the demand increased for helium for lifting gas and for shielded arc welding. The helium mass spectrometer was also vital in the atomic bomb Manhattan Project.^[67]

The government of the United States set up the National Helium Reserve in 1925 at Amarillo, Texas, with the goal of supplying military airships in time of war and commercial airships in peacetime.^[26] Because of the Helium Act of 1925, which banned the export of scarce helium on which the US then had a production monopoly, together with the prohibitive cost of the gas, the Hindenburg, like all German Zeppelins, was forced to use hydrogen as the lift gas. The helium market after World War II was depressed but the reserve was expanded in the 1950s to ensure a supply of liquid helium as a coolant to create oxygen/hydrogen rocket fuel (among other uses) during the Space Race and Cold War. Helium use in the United States in 1965 was more than eight times the peak wartime consumption.^[68]

After the «Helium Acts Amendments of 1960» (Public Law 86–777), the U.S. Bureau of Mines arranged for five private plants to recover helium from natural gas. For this helium conservation program, the Bureau built a 425-mile (684 km) pipeline from Bushton, Kansas, to connect those plants with the government’s partially depleted Cliffside gas field near Amarillo, Texas. This helium-nitrogen mixture was injected and stored in the Cliffside gas field until needed, at which time it was further purified.^[69]

By 1995, a billion cubic meters of the gas had been collected and the reserve was US$1.4 billion in debt, prompting the Congress of the United States in 1996 to phase out the reserve.^[24][70] The resulting Helium Privatization Act of 1996^[71] (Public Law 104–273) directed the United States Department of the Interior to empty the reserve, with sales starting by 2005.^[72]

Helium produced between 1930 and 1945 was about 98.3% pure (2% nitrogen), which was adequate for airships. In 1945, a small amount of 99.9% helium was produced for welding use. By 1949, commercial quantities of Grade A 99.95% helium were available.^[73]

For many years, the United States produced more than 90% of commercially usable helium in the world, while extraction plants in Canada, Poland, Russia, and other nations produced the remainder. In the mid-1990s, a new plant in Arzew, Algeria, producing 17 million cubic meters (600 million cubic feet) began operation, with enough production to cover all of Europe’s demand. Meanwhile, by 2000, the consumption of helium within the U.S. had risen to more than 15 million kg per year.^[74] In 2004–2006, additional plants in Ras Laffan, Qatar, and Skikda, Algeria were built. Algeria quickly became the second leading producer of helium.^[75] Through this time, both helium consumption and the costs of producing helium increased.^[76] From 2002 to 2007 helium prices doubled.^[77]

As of 2012, the United States National Helium Reserve accounted for 30 percent of the world’s helium.^[78] The reserve was expected to run out of helium in 2018.^[78] Despite that, a proposed bill in the United States Senate would allow the reserve to continue to sell the gas. Other large reserves were in the Hugoton in Kansas, United States, and nearby gas fields of Kansas and the panhandles of Texas and Oklahoma. New helium plants were scheduled to open in 2012 in Qatar, Russia, and the US state of Wyoming, but they were not expected to ease the shortage.^[78]

In 2013, Qatar started up the world’s largest helium unit,^[79] although the 2017 Qatar diplomatic crisis severely affected helium production there.^[80] 2014 was widely acknowledged to be a year of over-supply in the helium business, following years of renowned shortages.^[81] Nasdaq reported (2015) that for Air Products, an international corporation that sells gases for industrial use, helium volumes remain under economic pressure due to feedstock supply constraints.^[82]

Characteristics

Atom

In quantum mechanics

In the perspective of quantum mechanics, helium is the second simplest atom to model, following the hydrogen atom. Helium is composed of two electrons in atomic orbitals surrounding a nucleus containing two protons and (usually) two neutrons. As in Newtonian mechanics, no system that consists of more than two particles can be solved with an exact analytical mathematical approach (see 3-body problem) and helium is no exception. Thus, numerical mathematical methods are required, even to solve the system of one nucleus and two electrons. Such computational chemistry methods have been used to create a quantum mechanical picture of helium electron binding which is accurate to within < 2% of the correct value, in a few computational steps.^[83] Such models show that each electron in helium partly screens the nucleus from the other, so that the effective nuclear charge Z_eff which each electron sees is about 1.69 units, not the 2 charges of a classic «bare» helium nucleus.

Related stability of the helium-4 nucleus and electron shell

The nucleus of the helium-4 atom is identical with an alpha particle. High-energy electron-scattering experiments show its charge to decrease exponentially from a maximum at a central point, exactly as does the charge density of helium’s own electron cloud. This symmetry reflects similar underlying physics: the pair of neutrons and the pair of protons in helium’s nucleus obey the same quantum mechanical rules as do helium’s pair of electrons (although the nuclear particles are subject to a different nuclear binding potential), so that all these fermions fully occupy 1s orbitals in pairs, none of them possessing orbital angular momentum, and each cancelling the other’s intrinsic spin. Adding another of any of these particles would require angular momentum and would release substantially less energy (in fact, no nucleus with five nucleons is stable). This arrangement is thus energetically extremely stable for all these particles, and this stability accounts for many crucial facts regarding helium in nature.

For example, the stability and low energy of the electron cloud state in helium accounts for the element’s chemical inertness, and also the lack of interaction of helium atoms with each other, producing the lowest melting and boiling points of all the elements.

In a similar way, the particular energetic stability of the helium-4 nucleus, produced by similar effects, accounts for the ease of helium-4 production in atomic reactions that involve either heavy-particle emission or fusion. Some stable helium-3 (two protons and one neutron) is produced in fusion reactions from hydrogen, but it is a very small fraction compared to the highly favorable helium-4.

The unusual stability of the helium-4 nucleus is also important cosmologically: it explains the fact that in the first few minutes after the Big Bang, as the «soup» of free protons and neutrons which had initially been created in about 6:1 ratio cooled to the point that nuclear binding was possible, almost all first compound atomic nuclei to form were helium-4 nuclei. Owing to the relatively tight binding of helium-4 nuclei, its production consumed nearly all of the free neutrons in a few minutes, before they could beta-decay, and thus few neutrons were available to form heavier atoms such as lithium, beryllium, or boron. Helium-4 nuclear binding per nucleon is stronger than in any of these elements (see nucleogenesis and binding energy) and thus, once helium had been formed, no energetic drive was available to make elements 3, 4 and 5.^[84] It is barely energetically favorable for helium to fuse into the next element with a lower energy per nucleon, carbon. However, due to lack of intermediate elements, this process requires three helium nuclei striking each other nearly simultaneously (see triple alpha process). There was thus no time for significant carbon to be formed in the few minutes after the Big Bang, before the early expanding universe cooled to the temperature and pressure point where helium fusion to carbon was no longer possible. This left the early universe with a very similar ratio of hydrogen/helium as is observed today (3 parts hydrogen to 1 part helium-4 by mass), with nearly all the neutrons in the universe trapped in helium-4.

All heavier elements (including those necessary for rocky planets like the Earth, and for carbon-based or other life) have thus been created since the Big Bang in stars which were hot enough to fuse helium itself. All elements other than hydrogen and helium today account for only 2% of the mass of atomic matter in the universe. Helium-4, by contrast, makes up about 23% of the universe’s ordinary matter—nearly all the ordinary matter that is not hydrogen.

Gas and plasma phases

Helium is the second least reactive noble gas after neon, and thus the second least reactive of all elements.^[85] It is chemically inert and monatomic in all standard conditions. Because of helium’s relatively low molar (atomic) mass, its thermal conductivity, specific heat, and sound speed in the gas phase are all greater than any other gas except hydrogen. For these reasons and the small size of helium monatomic molecules, helium diffuses through solids at a rate three times that of air and around 65% that of hydrogen.^[26]

Helium is the least water-soluble monatomic gas,^[86] and one of the least water-soluble of any gas (CF₄, SF₆, and C₄F₈ have lower mole fraction solubilities: 0.3802, 0.4394, and 0.2372 x₂/10⁻⁵, respectively, versus helium’s 0.70797 x₂/10⁻⁵),^[87] and helium’s index of refraction is closer to unity than that of any other gas.^[88] Helium has a negative Joule–Thomson coefficient at normal ambient temperatures, meaning it heats up when allowed to freely expand. Only below its Joule–Thomson inversion temperature (of about 32 to 50 K at 1 atmosphere) does it cool upon free expansion.^[26] Once precooled below this temperature, helium can be liquefied through expansion cooling.

Most extraterrestrial helium is found in a plasma state, with properties quite different from those of atomic helium. In a plasma, helium’s electrons are not bound to its nucleus, resulting in very high electrical conductivity, even when the gas is only partially ionized. The charged particles are highly influenced by magnetic and electric fields. For example, in the solar wind together with ionized hydrogen, the particles interact with the Earth’s magnetosphere, giving rise to Birkeland currents and the aurora.^[89]

Liquid phase

Unlike any other element, helium will remain liquid down to absolute zero at normal pressures. This is a direct effect of quantum mechanics: specifically, the zero point energy of the system is too high to allow freezing. Solid helium requires a temperature of 1–1.5 K (about −272 °C or −457 °F) at about 25 bar (2.5 MPa) of pressure.^[90] It is often hard to distinguish solid from liquid helium since the refractive index of the two phases are nearly the same. The solid has a sharp melting point and has a crystalline structure, but it is highly compressible; applying pressure in a laboratory can decrease its volume by more than 30%.^[91] With a bulk modulus of about 27 MPa^[92] it is ~100 times more compressible than water. Solid helium has a density of 0.214±0.006 g/cm³ at 1.15 K and 66 atm; the projected density at 0 K and 25 bar (2.5 MPa) is 0.187±0.009 g/cm³.^[93] At higher temperatures, helium will solidify with sufficient pressure. At room temperature, this requires about 114,000 atm.^[94]

Helium I

Below its boiling point of 4.22 K (−268.93 °C; −452.07 °F) and above the lambda point of 2.1768 K (−270.9732 °C; −455.7518 °F), the isotope helium-4 exists in a normal colorless liquid state, called helium I.^[26] Like other cryogenic liquids, helium I boils when it is heated and contracts when its temperature is lowered. Below the lambda point, however, helium does not boil, and it expands as the temperature is lowered further.

Helium I has a gas-like index of refraction of 1.026 which makes its surface so hard to see that floats of Styrofoam are often used to show where the surface is.^[26] This colorless liquid has a very low viscosity and a density of 0.145–0.125 g/mL (between about 0 and 4 K),^[95] which is only one-fourth the value expected from classical physics.^[26] Quantum mechanics is needed to explain this property and thus both states of liquid helium (helium I and helium II) are called quantum fluids, meaning they display atomic properties on a macroscopic scale. This may be an effect of its boiling point being so close to absolute zero, preventing random molecular motion (thermal energy) from masking the atomic properties.^[26]

Helium II

Liquid helium below its lambda point (called helium II) exhibits very unusual characteristics. Due to its high thermal conductivity, when it boils, it does not bubble but rather evaporates directly from its surface. Helium-3 also has a superfluid phase, but only at much lower temperatures; as a result, less is known about the properties of the isotope.^[26]

Helium II is a superfluid, a quantum mechanical state (see: macroscopic quantum phenomena) of matter with strange properties. For example, when it flows through capillaries as thin as 10⁻⁷ to 10⁻⁸ m it has no measurable viscosity.^[24] However, when measurements were done between two moving discs, a viscosity comparable to that of gaseous helium was observed. Current theory explains this using the two-fluid model for helium II. In this model, liquid helium below the lambda point is viewed as containing a proportion of helium atoms in a ground state, which are superfluid and flow with exactly zero viscosity, and a proportion of helium atoms in an excited state, which behave more like an ordinary fluid.^[96]

In the fountain effect, a chamber is constructed which is connected to a reservoir of helium II by a sintered disc through which superfluid helium leaks easily but through which non-superfluid helium cannot pass. If the interior of the container is heated, the superfluid helium changes to non-superfluid helium. In order to maintain the equilibrium fraction of superfluid helium, superfluid helium leaks through and increases the pressure, causing liquid to fountain out of the container.^[97]

The thermal conductivity of helium II is greater than that of any other known substance, a million times that of helium I and several hundred times that of copper.^[26] This is because heat conduction occurs by an exceptional quantum mechanism. Most materials that conduct heat well have a valence band of free electrons which serve to transfer the heat. Helium II has no such valence band but nevertheless conducts heat well. The flow of heat is governed by equations that are similar to the wave equation used to characterize sound propagation in air. When heat is introduced, it moves at 20 meters per second at 1.8 K through helium II as waves in a phenomenon known as second sound.^[26]

Helium II also exhibits a creeping effect. When a surface extends past the level of helium II, the helium II moves along the surface, against the force of gravity. Helium II will escape from a vessel that is not sealed by creeping along the sides until it reaches a warmer region where it evaporates. It moves in a 30 nm-thick film regardless of surface material. This film is called a Rollin film and is named after the man who first characterized this trait, Bernard V. Rollin.^[26][98][99] As a result of this creeping behavior and helium II’s ability to leak rapidly through tiny openings, it is very difficult to confine. Unless the container is carefully constructed, the helium II will creep along the surfaces and through valves until it reaches somewhere warmer, where it will evaporate. Waves propagating across a Rollin film are governed by the same equation as gravity waves in shallow water, but rather than gravity, the restoring force is the van der Waals force.^[100] These waves are known as third sound.^[101]

Isotopes

There are nine known isotopes of helium, but only helium-3 and helium-4 are stable. In the Earth’s atmosphere, one atom is ³
He for every million that are ⁴
He.^[24] Unlike most elements, helium’s isotopic abundance varies greatly by origin, due to the different formation processes. The most common isotope, helium-4, is produced on Earth by alpha decay of heavier radioactive elements; the alpha particles that emerge are fully ionized helium-4 nuclei. Helium-4 is an unusually stable nucleus because its nucleons are arranged into complete shells. It was also formed in enormous quantities during Big Bang nucleosynthesis.^[102]

Helium-3 is present on Earth only in trace amounts. Most of it has been present since Earth’s formation, though some falls to Earth trapped in cosmic dust.^[103] Trace amounts are also produced by the beta decay of tritium.^[104] Rocks from the Earth’s crust have isotope ratios varying by as much as a factor of ten, and these ratios can be used to investigate the origin of rocks and the composition of the Earth’s mantle.^{[103] 3}
He is much more abundant in stars as a product of nuclear fusion. Thus in the interstellar medium, the proportion of ³
He to ⁴
He is about 100 times higher than on Earth.^[105] Extraplanetary material, such as lunar and asteroid regolith, have trace amounts of helium-3 from being bombarded by solar winds. The Moon’s surface contains helium-3 at concentrations on the order of 10 ppb, much higher than the approximately 5 ppt found in the Earth’s atmosphere.^[106][107] A number of people, starting with Gerald Kulcinski in 1986,^[108] have proposed to explore the moon, mine lunar regolith, and use the helium-3 for fusion.

Liquid helium-4 can be cooled to about 1 K (−272.15 °C; −457.87 °F) using evaporative cooling in a 1-K pot. Similar cooling of helium-3, which has a lower boiling point, can achieve about 0.2 kelvin in a helium-3 refrigerator. Equal mixtures of liquid ³
He and ⁴
He below 0.8 K separate into two immiscible phases due to their dissimilarity (they follow different quantum statistics: helium-4 atoms are bosons while helium-3 atoms are fermions).^[26] Dilution refrigerators use this immiscibility to achieve temperatures of a few millikelvins.^[109]

It is possible to produce exotic helium isotopes, which rapidly decay into other substances. The shortest-lived heavy helium isotope is the unbound helium-10 with a half-life of 2.6(4)×10⁻²² s.^[110] Helium-6 decays by emitting a beta particle and has a half-life of 0.8 second. Helium-7 also emits a beta particle as well as a gamma ray. Helium-7 and helium-8 are created in certain nuclear reactions.^[26] Helium-6 and helium-8 are known to exhibit a nuclear halo.^[26]

Properties

Table of thermal and physical properties of helium gas at atmospheric pressure:^[111][112]

Temperature (K)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg °C)	Dynamic viscosity (kg/m s)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Thermal conductivity (W/m °C)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number
100		5.193	9.63E-06	1.98E-05	0.073	2.89E-05	0.686
120	0.406	5.193	1.07E-05	2.64E-05	0.0819	3.88E-05	0.679
144	0.3379	5.193	1.26E-05	3.71E-05	0.0928	5.28E-05	0.7
200	0.2435	5.193	1.57E-05	6.44E-05	0.1177	9.29E-05	0.69
255	0.1906	5.193	1.82E-05	9.55E-05	0.1357	1.37E-04	0.7
366	0.1328	5.193	2.31E-05	1.74E-04	0.1691	2.45E-04	0.71
477	0.10204	5.193	2.75E-05	2.69E-04	0.197	3.72E-04	0.72
589	0.08282	5.193	3.11E-05	3.76E-04	0.225	5.22E-04	0.72
700	0.07032	5.193	3.48E-05	4.94E-04	0.251	6.66E-04	0.72
800	0.06023	5.193	3.82E-05	6.34E-04	0.275	8.77E-04	0.72
900	0.05451	5.193	4.14E-05	7.59E-04	0.33	1.14E-03	0.687
1000		5.193	4.46E-05	9.14E-04	0.354	1.40E-03	0.654

Compounds

Helium has a valence of zero and is chemically unreactive under all normal conditions.^[91] It is an electrical insulator unless ionized. As with the other noble gases, helium has metastable energy levels that allow it to remain ionized in an electrical discharge with a voltage below its ionization potential.^[26] Helium can form unstable compounds, known as excimers, with tungsten, iodine, fluorine, sulfur, and phosphorus when it is subjected to a glow discharge, to electron bombardment, or reduced to plasma by other means. The molecular compounds HeNe, HgHe₁₀, and WHe₂, and the molecular ions He⁺
₂, He²⁺
₂, HeH⁺
, and HeD⁺
have been created this way.^[113] HeH⁺ is also stable in its ground state, but is extremely reactive—it is the strongest Brønsted acid known, and therefore can exist only in isolation, as it will protonate any molecule or counteranion it contacts. This technique has also produced the neutral molecule He₂, which has a large number of band systems, and HgHe, which is apparently held together only by polarization forces.^[26]

Van der Waals compounds of helium can also be formed with cryogenic helium gas and atoms of some other substance, such as LiHe and He₂.^[114]

Theoretically, other true compounds may be possible, such as helium fluorohydride (HHeF) which would be analogous to HArF, discovered in 2000.^[115] Calculations show that two new compounds containing a helium-oxygen bond could be stable.^[116] Two new molecular species, predicted using theory, CsFHeO and N(CH₃)₄FHeO, are derivatives of a metastable FHeO⁻ anion first theorized in 2005 by a group from Taiwan. If confirmed by experiment, the only remaining element with no known stable compounds would be neon.^[117]

Helium atoms have been inserted into the hollow carbon cage molecules (the fullerenes) by heating under high pressure. The endohedral fullerene molecules formed are stable at high temperatures. When chemical derivatives of these fullerenes are formed, the helium stays inside.^[118] If helium-3 is used, it can be readily observed by helium nuclear magnetic resonance spectroscopy.^[119] Many fullerenes containing helium-3 have been reported. Although the helium atoms are not attached by covalent or ionic bonds, these substances have distinct properties and a definite composition, like all stoichiometric chemical compounds.

Under high pressures helium can form compounds with various other elements. Helium-nitrogen clathrate (He(N₂)₁₁) crystals have been grown at room temperature at pressures ca. 10 GPa in a diamond anvil cell.^[120] The insulating electride Na₂He has been shown to be thermodynamically stable at pressures above 113 GPa. It has a fluorite structure.^[121]

Occurrence and production

Natural abundance

Although it is rare on Earth, helium is the second most abundant element in the known Universe, constituting 23% of its baryonic mass. Only hydrogen is more abundant.^[24] The vast majority of helium was formed by Big Bang nucleosynthesis one to three minutes after the Big Bang. As such, measurements of its abundance contribute to cosmological models. In stars, it is formed by the nuclear fusion of hydrogen in proton–proton chain reactions and the CNO cycle, part of stellar nucleosynthesis.^[102]

In the Earth’s atmosphere, the concentration of helium by volume is only 5.2 parts per million.^[122][123] The concentration is low and fairly constant despite the continuous production of new helium because most helium in the Earth’s atmosphere escapes into space by several processes.^{[124][125][126]} In the Earth’s heterosphere, a part of the upper atmosphere, helium and other lighter gases are the most abundant elements.

Most helium on Earth is a result of radioactive decay. Helium is found in large amounts in minerals of uranium and thorium, including uraninite and its varieties cleveite and pitchblende,^[16][127] carnotite and monazite (a group name; «monazite» usually refers to monazite-(Ce)),^[128][129] because they emit alpha particles (helium nuclei, He²⁺) to which electrons immediately combine as soon as the particle is stopped by the rock. In this way an estimated 3000 metric tons of helium are generated per year throughout the lithosphere.^{[130][131][132]} In the Earth’s crust, the concentration of helium is 8 parts per billion. In seawater, the concentration is only 4 parts per trillion. There are also small amounts in mineral springs, volcanic gas, and meteoric iron. Because helium is trapped in the subsurface under conditions that also trap natural gas, the greatest natural concentrations of helium on the planet are found in natural gas, from which most commercial helium is extracted. The concentration varies in a broad range from a few ppm to more than 7% in a small gas field in San Juan County, New Mexico.^[133][134]

As of 2021 the world’s helium reserves were estimated at 31 billion cubic meters, with a third of that being in Qatar.^[135] In 2015 and 2016 additional probable reserves were announced to be under the Rocky Mountains in North America^[136] and in the East African Rift.^[137]

Modern extraction and distribution

For large-scale use, helium is extracted by fractional distillation from natural gas, which can contain as much as 7% helium.^[138] Since helium has a lower boiling point than any other element, low temperature and high pressure are used to liquefy nearly all the other gases (mostly nitrogen and methane). The resulting crude helium gas is purified by successive exposures to lowering temperatures, in which almost all of the remaining nitrogen and other gases are precipitated out of the gaseous mixture. Activated charcoal is used as a final purification step, usually resulting in 99.995% pure Grade-A helium.^[26] The principal impurity in Grade-A helium is neon. In a final production step, most of the helium that is produced is liquefied via a cryogenic process. This is necessary for applications requiring liquid helium and also allows helium suppliers to reduce the cost of long-distance transportation, as the largest liquid helium containers have more than five times the capacity of the largest gaseous helium tube trailers.^[75][139]

In 2008, approximately 169 million standard cubic meters (SCM) of helium were extracted from natural gas or withdrawn from helium reserves with approximately 78% from the United States, 10% from Algeria, and most of the remainder from Russia, Poland and Qatar.^[140] By 2013, increases in helium production in Qatar (under the company Qatargas managed by Air Liquide) had increased Qatar’s fraction of world helium production to 25%, and made it the second largest exporter after the United States.^[141]
An estimated 54 billion cubic feet (1.5×10⁹ m³) deposit of helium was found in Tanzania in 2016.^[142] A large-scale helium plant was opened in Ningxia, China in 2020.^[143]

In the United States, most helium is extracted from natural gas of the Hugoton and nearby gas fields in Kansas, Oklahoma, and the Panhandle Field in Texas.^[75][144] Much of this gas was once sent by pipeline to the National Helium Reserve, but since 2005 this reserve is being depleted and sold off, and is expected to be largely depleted by 2021,^[141] under the October 2013 Responsible Helium Administration and Stewardship Act (H.R. 527).^[145]

Diffusion of crude natural gas through special semipermeable membranes and other barriers is another method to recover and purify helium.^[146] In 1996, the U.S. had proven helium reserves, in such gas well complexes, of about 147 billion standard cubic feet (4.2 billion SCM).^[147] At rates of use at that time (72 million SCM per year in the U.S.; see pie chart below) this would have been enough helium for about 58 years of U.S. use, and less than this (perhaps 80% of the time) at world use rates, although factors in saving and processing impact effective reserve numbers.

Helium must be extracted from natural gas because it is present in air at only a fraction of that of neon, yet the demand for it is far higher. It is estimated that if all neon production were retooled to save helium, 0.1% of the world’s helium demands would be satisfied. Similarly, only 1% of the world’s helium demands could be satisfied by re-tooling all air distillation plants.^[148] Helium can be synthesized by bombardment of lithium or boron with high-velocity protons, or by bombardment of lithium with deuterons, but these processes are a completely uneconomical method of production.^[149]

Helium is commercially available in either liquid or gaseous form. As a liquid, it can be supplied in small insulated containers called dewars which hold as much as 1,000 liters of helium, or in large ISO containers which have nominal capacities as large as 42 m³ (around 11,000 U.S. gallons). In gaseous form, small quantities of helium are supplied in high-pressure cylinders holding as much as 8 m³ (approx. 282 standard cubic feet), while large quantities of high-pressure gas are supplied in tube trailers which have capacities of as much as 4,860 m³ (approx. 172,000 standard cubic feet).

Conservation advocates

According to helium conservationists like Nobel laureate physicist Robert Coleman Richardson, writing in 2010, the free market price of helium has contributed to «wasteful» usage (e.g. for helium balloons). Prices in the 2000s had been lowered by the decision of the U.S. Congress to sell off the country’s large helium stockpile by 2015.^[150] According to Richardson, the price needed to be multiplied by 20 to eliminate the excessive wasting of helium. In the paper Stop squandering helium published in 2012, it was also proposed to create an International Helium Agency that would build a sustainable market for «this precious commodity».^[151]

Applications

While balloons are perhaps the best known use of helium, they are a minor part of all helium use.^[70] Helium is used for many purposes that require some of its unique properties, such as its low boiling point, low density, low solubility, high thermal conductivity, or inertness. Of the 2014 world helium total production of about 32 million kg (180 million standard cubic meters) helium per year, the largest use (about 32% of the total in 2014) is in cryogenic applications, most of which involves cooling the superconducting magnets in medical MRI scanners and NMR spectrometers.^[153] Other major uses were pressurizing and purging systems, welding, maintenance of controlled atmospheres, and leak detection. Other uses by category were relatively minor fractions.^[152]

Controlled atmospheres

Helium is used as a protective gas in growing silicon and germanium crystals, in titanium and zirconium production, and in gas chromatography,^[91] because it is inert. Because of its inertness, thermally and calorically perfect nature, high speed of sound, and high value of the heat capacity ratio, it is also useful in supersonic wind tunnels^[154] and impulse facilities.^[155]

Gas tungsten arc welding

Helium is used as a shielding gas in arc welding processes on materials that at welding temperatures are contaminated and weakened by air or nitrogen.^[24] A number of inert shielding gases are used in gas tungsten arc welding, but helium is used instead of cheaper argon especially for welding materials that have higher heat conductivity, like aluminium or copper.

Minor uses

Industrial leak detection

One industrial application for helium is leak detection. Because helium diffuses through solids three times faster than air, it is used as a tracer gas to detect leaks in high-vacuum equipment (such as cryogenic tanks) and high-pressure containers.^[156] The tested object is placed in a chamber, which is then evacuated and filled with helium. The helium that escapes through the leaks is detected by a sensitive device (helium mass spectrometer), even at the leak rates as small as 10⁻⁹ mbar·L/s (10⁻¹⁰ Pa·m³/s). The measurement procedure is normally automatic and is called helium integral test. A simpler procedure is to fill the tested object with helium and to manually search for leaks with a hand-held device.^[157]

Helium leaks through cracks should not be confused with gas permeation through a bulk material. While helium has documented permeation constants (thus a calculable permeation rate) through glasses, ceramics, and synthetic materials, inert gases such as helium will not permeate most bulk metals.^[158]

Flight

Because it is lighter than air, airships and balloons are inflated with helium for lift. While hydrogen gas is more buoyant, and escapes permeating through a membrane at a lower rate, helium has the advantage of being non-flammable, and indeed fire-retardant. Another minor use is in rocketry, where helium is used as an ullage medium to displace fuel and oxidizers in storage tanks and to condense hydrogen and oxygen to make rocket fuel. It is also used to purge fuel and oxidizer from ground support equipment prior to launch and to pre-cool liquid hydrogen in space vehicles. For example, the Saturn V rocket used in the Apollo program needed about 370,000 m³ (13 million cubic feet) of helium to launch.^[91]

Minor commercial and recreational uses

Helium as a breathing gas has no narcotic properties, so helium mixtures such as trimix, heliox and heliair are used for deep diving to reduce the effects of narcosis, which worsen with increasing depth.^[159][160] As pressure increases with depth, the density of the breathing gas also increases, and the low molecular weight of helium is found to considerably reduce the effort of breathing by lowering the density of the mixture. This reduces the Reynolds number of flow, leading to a reduction of turbulent flow and an increase in laminar flow, which requires less work of breathing.^[161][162] At depths below 150 metres (490 ft) divers breathing helium–oxygen mixtures begin to experience tremors and a decrease in psychomotor function, symptoms of high-pressure nervous syndrome.^[163] This effect may be countered to some extent by adding an amount of narcotic gas such as hydrogen or nitrogen to a helium–oxygen mixture.^[164]

Helium–neon lasers, a type of low-powered gas laser producing a red beam, had various practical applications which included barcode readers and laser pointers, before they were almost universally replaced by cheaper diode lasers.^[24]

For its inertness and high thermal conductivity, neutron transparency, and because it does not form radioactive isotopes under reactor conditions, helium is used as a heat-transfer medium in some gas-cooled nuclear reactors.^[156]

Helium, mixed with a heavier gas such as xenon, is useful for thermoacoustic refrigeration due to the resulting high heat capacity ratio and low Prandtl number.^[165] The inertness of helium has environmental advantages over conventional refrigeration systems which contribute to ozone depletion or global warming.^[166]

Helium is also used in some hard disk drives.^[167]

Scientific uses

The use of helium reduces the distorting effects of temperature variations in the space between lenses in some telescopes, due to its extremely low index of refraction.^[26] This method is especially used in solar telescopes where a vacuum tight telescope tube would be too heavy.^[168][169]

Helium is a commonly used carrier gas for gas chromatography.

The age of rocks and minerals that contain uranium and thorium can be estimated by measuring the level of helium with a process known as helium dating.^[24][26]

Helium at low temperatures is used in cryogenics, and in certain cryogenics applications. As examples of applications, liquid helium is used to cool certain metals to the extremely low temperatures required for superconductivity, such as in superconducting magnets for magnetic resonance imaging. The Large Hadron Collider at CERN uses 96 metric tons of liquid helium to maintain the temperature at 1.9 K (−271.25 °C; −456.25 °F).^[170]

Medical uses

Helium was approved for medical use in the United States in April 2020 for humans and animals.^[171][172]

As a contaminant

While chemically inert, helium contamination impairs the operation of microelectromechanical systems (MEMS) such that iPhones may fail.^[173]

Inhalation and safety

Effects

Neutral helium at standard conditions is non-toxic, plays no biological role and is found in trace amounts in human blood.

The speed of sound in helium is nearly three times the speed of sound in air. Because the natural resonance frequency of a gas-filled cavity is proportional to the speed of sound in the gas, when helium is inhaled, a corresponding increase occurs in the resonant frequencies of the vocal tract, which is the amplifier of vocal sound.^[24][174] This increase in the resonant frequency of the amplifier (the vocal tract) gives an increased amplification to the high-frequency components of the sound wave produced by the direct vibration of the vocal folds, compared to the case when the voice box is filled with air. When a person speaks after inhaling helium gas, the muscles that control the voice box still move in the same way as when the voice box is filled with air, therefore the fundamental frequency (sometimes called pitch) produced by direct vibration of the vocal folds does not change.^[175] However, the high-frequency-preferred amplification causes a change in timbre of the amplified sound, resulting in a reedy, duck-like vocal quality. The opposite effect, lowering resonant frequencies, can be obtained by inhaling a dense gas such as sulfur hexafluoride or xenon.

Hazards

Inhaling helium can be dangerous if done to excess, since helium is a simple asphyxiant and so displaces oxygen needed for normal respiration.^[24][176] Fatalities have been recorded, including a youth who suffocated in Vancouver in 2003 and two adults who suffocated in South Florida in 2006.^[177][178] In 1998, an Australian girl from Victoria fell unconscious and temporarily turned blue after inhaling the entire contents of a party balloon.^{[179][180][181]}
Inhaling helium directly from pressurized cylinders or even balloon filling valves is extremely dangerous, as high flow rate and pressure can result in barotrauma, fatally rupturing lung tissue.^[176][182]

Death caused by helium is rare. The first media-recorded case was that of a 15-year-old girl from Texas who died in 1998 from helium inhalation at a friend’s party; the exact type of helium death is unidentified.^{[179][180][181]}

In the United States only two fatalities were reported between 2000 and 2004, including a man who died in North Carolina of barotrauma in 2002.^[177][182] A youth asphyxiated in Vancouver during 2003, and a 27-year-old man in Australia had an embolism after breathing from a cylinder in 2000.^[177] Since then two adults asphyxiated in South Florida in 2006,^{[177][178][183]} and there were cases in 2009 and 2010, one a Californian youth who was found with a bag over his head, attached to a helium tank,^[184] and another teenager in Northern Ireland died of asphyxiation.^[185] At Eagle Point, Oregon a teenage girl died in 2012 from barotrauma at a party.^{[186][187][188]} A girl from Michigan died from hypoxia later in the year.^[189]

On February 4, 2015, it was revealed that, during the recording of their main TV show on January 28, a 12-year-old member (name withheld) of Japanese all-girl singing group 3B Junior suffered from air embolism, losing consciousness and falling into a coma as a result of air bubbles blocking the flow of blood to the brain, after inhaling huge quantities of helium as part of a game. The incident was not made public until a week later.^[190][191] The staff of TV Asahi held an emergency press conference to communicate that the member had been taken to the hospital and is showing signs of rehabilitation such as moving eyes and limbs, but her consciousness has not yet been sufficiently recovered. Police have launched an investigation due to a neglect of safety measures.^[192][193]

The safety issues for cryogenic helium are similar to those of liquid nitrogen; its extremely low temperatures can result in cold burns, and the liquid-to-gas expansion ratio can cause explosions if no pressure-relief devices are installed. Containers of helium gas at 5 to 10 K should be handled as if they contain liquid helium due to the rapid and significant thermal expansion that occurs when helium gas at less than 10 K is warmed to room temperature.^[91]

At high pressures (more than about 20 atm or two MPa), a mixture of helium and oxygen (heliox) can lead to high-pressure nervous syndrome, a sort of reverse-anesthetic effect; adding a small amount of nitrogen to the mixture can alleviate the problem.^[194][163]

See also

Notes

References

Bibliography

External links

General

• U.S. Government’s Bureau of Land Management: Sources, Refinement, and Shortage. With some history of helium.
• U.S. Geological Survey publications on helium beginning 1996: Helium
• Where is all the helium? Aga website
• It’s Elemental – Helium
• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry’s Chemistry World: Helium
• International Chemical Safety Cards – Helium; includes health and safety information regarding accidental exposures to helium

More detail

• Helium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Helium at the Helsinki University of Technology; includes pressure-temperature phase diagrams for helium-3 and helium-4
• Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics – includes a summary of some low temperature techniques
• Video: Demonstration of superfluid helium (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)

Miscellaneous

• Physics in Speech with audio samples that demonstrate the unchanged voice pitch
• Article about helium and other noble gases

Helium shortage

• America’s Helium Supply: Options for Producing More Helium from Federal Land: Oversight Hearing before the Subcommittee on Energy and Mineral Resources of the Committee on Natural Resources, U.S. House Of Representatives, One Hundred Thirteenth Congress, First Session, Thursday, July 11, 2013
• Helium Program: Urgent Issues Facing BLM’s Storage and Sale of Helium Reserves: Testimony before the Committee on Natural Resources, House of Representatives Government Accountability Office
• Kramer, David (May 22, 2012). «Senate bill would preserve US helium reserve: Measure would give scientists first dibs on helium should a shortage develop. Physics Today web site». Archived from the original on October 27, 2012.
• Richardson, Robert C.; Chan, Moses (2009). «Helium, when will it run out?» (PDF). Archived from the original (PDF) on 2015-06-14.

Гелий — второй порядковый элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2. Расположен в главной подгруппе восьмой группы, первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической таблице. Обозначается символом He (Helium). Простое вещество гелий (CAS-номер: 7440-59-7) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода. Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим элементом.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой (см. Фракционная дистилляция в статье Дистилляция).

История открытия Гелия

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.

Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D₃, так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D₁ (589,59 нм) и D₂ (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» ( ήλιος — «солнце»).

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной строне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D₃ гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента.

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а еще через два года Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере.

Еще до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд, однако он ошибочно полагал, что получил азот и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию. Но только значительно позже, в 1906 году, Резерфорд и Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия. Эти исследования положили начало современной теории строения атома.

Только в 1908 году нидерландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий дросселированием (Эффект Джоуля — Томсона), после того как как газ был предварительно охлажден в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий еще долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которых достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. Лишь в 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, ему удалось выделить кристаллы.

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ-точка». Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее — 2,172 K. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I, а ниже её — гелий-II.

В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения. Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления:
… такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим. …
… Если вязкость воды равняется 10⁻² П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …

Происхождение названия

От ἥλιος — «Солнце» (Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (по лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе . Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона).

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) — 5,27·10⁻⁴ % по объёму, 7,24·10⁻⁵ % по массе. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·10¹⁴ м³. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 — 16 %.

Среднее содержание гелия в земном веществе — 3 г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8 — 3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг.

Определение Гелия

Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии 587,56 нм и 388,86 нм), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.).

Физические свойства Гелия

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий — нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,215 K для ⁴He) наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

Свойства в газовой фазе

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Фактически при всех условиях гелий моноатомный. Плотность 0,17847 кг/м³. Он обладает теплопроводностью (0,1437 Вт/(м·К) при н.у.) большей, чем у других газов, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (с_р = 5,23 кДж/(кг·К) при н.у., для сравнения — 14,23 кДж/(кг·К) для Н₂).

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 — розового, оранжевого, жёлтого, ярко-жёлтого, жёлто-зелёного и зелёного. 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 большей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от инфракрасного к ультрафиолетовому краю.

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0 °C, 10,10 при 80 °C), в этаноле — 2,8 (15 °C), 3,2 (25 °C). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения. После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.

Свойства конденсированных фаз

В 1908 году Х.Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 (⁴He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия, однако интерпретация этого явления не до конца понятна.

Химические свойства Гелия

Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы (Инертные газы) таблицы Менделеева. Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He₂, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или УФ излучения на смесь гелия газа и фтора (хлора)).

Известно химическое соединение гелия LiHe. (возможно, имелось ввиду соединение LiHe₇)

Изотопы Гелия

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). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.

Получение Гелия

Промышленность — химический элемент гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его CO₂ и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Сырой гелий (70-90 % по объёму гелий) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением сырого гелий кипящим под вакуумом N₂ и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N₂. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %).

В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (от 0,15 до 1 %), что позволит намного снизить его себестоимость.

По производству гелия лидируют следующие страны мира: США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³. Крупные месторождения находятся в США(45 % от мировых ресурсов), далее идут Россия (32 %), Алжир (7 %), Канада (7 %) и Китай (4 %).

Транспортировка гелия

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Применение гелия

Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве:
— в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов
— в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939, в качестве пропеллента и упаковочного газа
— используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
— для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)
— в дыхательных смесях для глубоководного погружения (Баллон для дайвинга)
— для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов
— для заполнения газоразрядных трубок
— в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов
— в качестве носителя в газовой хроматографии
— для поиска утечек в трубопроводах и котлах (см. Гелиевый течеискатель)
— как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
— нуклид ³He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
— нуклид ³He является перспективным топливом для термоядерной энергетики
— для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично гексафториду серы)

Биологическая роль гелия

Гелий не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие

Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотическое воздействие гелия (и неона) при нормальном давлении в опытах не регистрируется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД)

Интересные факты

В 2000 г. цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах 1,5 — 1,8 $/м³
В 2009 году цены на газообразный гелий находились в пределах 1.800-2.500 рублей за 6 м³ (40-литровый баллон) (Санкт-Петербург).

Дополнительная информация по гелию

Гелий-3 — лёгкий, нерадиоактивный изотоп гелия.
Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия ³He

Гелий, Helium, Не (2)
В 1868 г. французский астроном Жансен наблюдал в Индии полное солнечное затмение и спектроскопически исследовал хромосферу солнца. Он обнаружил в спектре солнца яркую желтую линию, обозначенную им D3, которая не совпадала с желтой линией D натрия. Одновременно с ним эту же линию в спектре солнца увидел английский астроном Локьер, который понял, что она принадлежит неизвестному элементу. Локьер совместно с Франкландом, у которого он тогда работал, решил назвать новый элемент гелием (от греч.- гелиос, солнце). Затем новая желтая линия была обнаружена другими исследователями в спектрах «земных» продуктов; так, в 1881 г. итальянец Пальмиери обнаружил ее при исследовании пробы газа, отобранного в кратере Везувия.

Bсследуя урановые минералы химик Гиллебранд, установил, что они при действии крепкой серной кислоты выделяют газы. Сам Гиллебранд считал, что это азот. Рамзай, обративший внимание на сообщение Гиллебранда, подверг спектроскопическому анализу газы, выделяемые при обработке кислотой минерала клевеита. Он обнаружил, что в газах содержатся азот, аргон, а также неизвестный газ, дающий яркую желтую линию. Не имея в своем распоряжении достаточно хорошего спектроскопа, Рамзай послал пробы нового газа Круксу и Локьеру, которые вскоре идентифицировали газ как гелий. В том же 1895 г. Рамзай выделил гелий из смеси газов; он оказался химически инертным, подобно аргону. Вскоре после этого Локьер, Рунге и Пашен выступили с заявлением, что гелий состоит из смеси двух газов — ортогелий и парагелий; один из них дает желтую линию спектра, другой зеленую. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч.- звездный. Совместно с Траверсом Рамзай проверил это утверждение и доказал, что оно ошибочно, так как цвет линии гелия зависит от давления газа.

Энергия ионизации

Чем ближе электрон к центру атома — тем больше энергии необходимо, что бы его оторвать.
Энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома называется энергией ионизации и обозначается E_o.
Если не указано иное, то энергия ионизации — это энергия отрыва первого электрона, также существуют энергии
ионизации для каждого последующего электрона.

Энергия ионизации He:
E_o = 2373 кДж/моль

— Что такое ион читайте в статье.

---

Перейти к другим элементам таблицы менделеева

Где He в таблице менделеева?

Скачать таблицу менделеева в хорошем качестве

химический элемент с атомным номером 2 Химический элемент с атомным номером 2

Гелий, 2He

Гелий
Произведение	​()
Внешний вид	бесцветный газ с серым, мутным свечением (или красновато-оранжевым, если используется особенно высокое напряжение) при месте в электрическое поле
Стандартный атомный вес A r, std (He)	4.002602 (2)
Гелий в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттри й Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть (элемент) Таллий Свинец Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бор Калий Мейтнерий Дармштадций Рентгений ерни Копций Нихоний Флеровий Московий Ливерморий Теннесин Оганессон –. ↑. He. ↓. Ne водород ← гелий → литий
Атомный номер (Z)	2
Группа	группа 18 (благородные газы)
Период	период 1
Блок	s-блок
Категория элемента	Благородный газ
Конфигурация электронов	1s
Электронов на оболочка	2
Физические свойства
Фаза при STP	газ
Точка плавления	0,95 K (-272, 20 ° C, — 457,96 ° F) (при 2,5 МПа)
Точка кипения	4,222 K (-268,928 ° C, -452,070 ° F)
Плотность (при стандартном давлении)	0,1786 г / л
в жидком состоянии (при т.пл. )	0,145 г / см
в жидком состоянии (при bp )	0,125 г / см
Тройная точка	2,177 K, 5,043 кПа
Критическая точка	5,1953 K, 0,22746 МПа
Теплота плавления	0,0138 кДж / моль
Теплота испарения	0,0829 кДж / моль
Молярное тепло емкость	20,78 Дж / (моль · К)
Давление пара (определяется по ITS-90 ) P(Па) 1 10 <278 100 1 к 10 к 100 к при T (K) 1,23 1,67 2,48 4,21
Атомные свойства
состояния окисления	0
Электроотрицательность	Шкала Полинга: нет данных
Энергии ионизации	1-я: 2372, 3 кДж / моль 2-я: 5250,5 кДж / моль
Ковалентный радиус	28 pm
Ван радиус Ваальса	140 пм
Спектральные линии гелия
Другие
Естественное происхождение	основное
Кристаллическая структура	​гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
Скорост ь звука	972 м / с
Теплопроводность	0,1513 Вт / (м · К)
Магнитное упорядочение	диамагнитное
Магнитная восприимчивость	— 1,88 · 10 см / моль (298 K)
Номер CAS	7440-59-7
История
Обозначение	после Helios, греческое Титан Солнца
Открытие	Пьер Янссен, Норман Локьер (1868)
Первая изоляция	Уильям Рамзи, Пер Теодор Клив, Абрахам Ланглет (1895)
Основные изотопы гелия
Изотоп Содержание Период полураспада (t1/2) Режим распада Продукт He 0,0002% стабильный He 99,9998% стабильный
Категория: гелий. просмотреть обсуждение | ссылки

Гелий (от греч. : ἥλιος, романизированный : Гелиос, лит. ‘Солнце’) — это химический элемент с символом Heи атомным номером 2. Это бесцветный, без запаха, без вкуса, нетоксичный инертный, одноатомный газ, первая в группе благородных газов в таблица Менделеева. Его точка кипения является самой низкой среди всех элементов. Гелий является вторым по легкости и вторым по содержанию Номер в наблюдаемой вселенной (водород является самым легким и наиболее распространенным элементом). Он составляет около 24% от общей элементарной массы, чем в 12 размах всех более тяжелых элементов взятых вместе. Его численность аналогична этой как в Солнце, так и в Юпитере. Это происходит из-за очень высокой энергии связи ядра (на нуклон ) гелия-4 по отношению к следующему трем элементам после гелия. Эта энергия связи гелия-4 также объясняет, почему он является продуктом как ядерный синтез, так и радиоактивного распада. Большая часть гелия во Вселенной — это гелий-4, подавляющее большинство которого образовалось во время Большого взрыва. Большое количество нового гелия путем ядерного химического синтеза в звезда.

Гелий назван в честь греческого Титана Солнца, Гелиос. Впервые он был обнаружен как неизвестная желтая спектральная линия в солнечном свете во время солнечного затмения в 1868 Жоржем Райе, капитаном CT Хейгом, Норман Р. Погсон и лейтенант Джон Гершель, что подтвердил французский астроном Жюль Янссен. Янссену часто приписывают появление элемента вместе с Норманом Локьером. Янссен зарегистрировал спектральную линию гелия во время солнечного затмения 1868 года, а Локьер наблюдал ее из Великобритании. Локьер был первым, кто предположил, что эта линия связана с новым, который он назвал. Формальное открытие элемента было сделано в 1895 году двумя шведскими химиками, Пер Теодором Клеве и Нильсом Абрахамом Ланглетом, которые появились гелий. происходящий из урановой руды, клевеита, который теперь рассматривается как отдельный вид минералов, а как разновидность уранинита. В 1903 году большие запасы гелия были обнаружены на месторождения природного газа в некоторых частях США, которые сегодня являются крупнейшим поставщиком газа.

Жидкий гелий используется в криогенике (его самое крупное разовое применение, поглощающее около четверти продукции), особенно в охлаждении сверхпроводящих магнитов, при этом Основное коммерческое применение — сканеры МРТ. Другое промышленное использование гелия — в качестве газа для повышения давления и продувки, в качестве защитной атмосферы при дуговой сварке и в процессе такихах, как выращивание кристаллов для изготовления кремниевых пластин — составляет половину газа. произведено. Хорошо известное, но незначительное применение — подъемный газ в аэростатах и дирижаблях. Как и в случае с любым газом, плотность которого отличается от плотности воздуха, вдыхание небольшого количества гелия временно изменяет тембр и качество человеческие голоса. В научных исследованиях поведения двух жидких фаз гелия-4 (гелий I и гелий II) для исследователей, изучающих квантовую механику (в частности свойства сверхтекучести ) и для тех, кто изучает такие свойства, как сверхпроводимость, проявляющая в материи около абсолютного нуля.

На Земле это относительно редко — 5,2 ppm по объему в атмосфере. Большая часть земного гелия, присутствующего сегодня на Земле, образует в результате естественного радиоактивного распада тяжелых радиоактивных элементов (торий и уран, хотя есть и другие примеры), поскольку альфа-частицы, испускаемые такими распадами, состоят из ядер гелия-4 . Этот радиогенный гелий улавливается таким газом в способностих до 7% по объему, из он извлекается в промышленных масштабах с помощью процесса низкотемпературного разделения, называемого фракционной перегонкой. Раньше считалось, что земной гелий — не обновляемый ресурс, потому что, попав в атмосферу, он быстро улетает в космос — считался все более дефицитным. Недавние исследования показывают, что гелий, образовавшийся под землей в результате радиоактивного распада, может накапливаться в запасах природного газа в большем, чем ожидалось, количествах, в некоторых случаях из-за вулканической активности.

Содержание

• 1
  • 1.1 Научные открытия
  • 1.2 Добыча и использование
• 2 Характеристики
  • 2.1 Атом гелия
    • 2.1.1 Гелий в квантовой механике
    • 2.1.2 Связанная с этим стабильным ядром гелия-4 и электронной оболочки
  • 2.2 Газовая и плазменная фаза
  • 2.3 Жидкий гелий
    • 2.3.1 Гелий I
    • 2.3.2 Гелий II
  • 2.4 Изотопы
• 3 Соединения
• 4 Возникновение и образование
  • 4.1 Природное изобилие
  • 4.2 Современная добыча и распространение
  • 4.3 Защитники природы
• 5 Области применения
  • 5.1 Контролируемая атмосфера
  • 5.2 Сварка вольфрамовым электродом
  • 5.3 Незначительные области применения
    • 5.3.1 Промышленная утечка обнаружение
    • 5.3.2 Полет
    • 5.3.3 Незначительное коммерческое и развлекательное использование
    • 5.3.4 Научное использование
    • 5.3.5 Медицинское использование
• 6 В качестве конт. minant
• 7 Вдыхание и безопасность
  • 7.1 Воздействие
  • 7.2 Опасности
• 8 См. также
• 9 Примечания
• 10 Ссылки
• 11 Библиография
• 12 Внешние ссылки

История

Научные открытия

Первое свидетельство наличия гелия было обнаружено 18 августа 1868 года. в виде ярко-желтой линии с длиной волны , равной 587,49 нм, в спектре хромосферы Солнца. Линия была обнаружена французским астрономом Жюлем Янссеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре, Индия. Первоначально предполагалось, что эта линия — натрий. 20 октября того же года английский астроном Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которую он назвал D 3, потому что она находилась вблизи известного D 1 и D 2линия Фраунгофера линии натрия. Он пришел к выводу, что это было введено в систему Солнца, неизвестным на Земле. Локьер и английский химик Эдвард Франкленд назвали элемент греческим словом, обозначающим Солнце, λιος (helios ).

Спектральные линии гелия

В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмиери впервые обнаружил гелий на Земле по его спектральной линии D 3, когда он проанализировал материал, который был сублимирован во время недавнего извержения Везувия.

Сэр Уильям Рамзи, открывший земной гелий Образец клевеита, из которого Рамзи впервые очистил гелий.

26 марта 1895 года шотландский химик сэр Уильям Рамзи, выделил гелий на Земле путем обработки минерала клевеита (разновидность уранинита, содержащего не менее 10% редкоземельных элементов ) минеральными кислотами. Рамзи искал аргон, но после отделения азота и кислород от газа, выделенного серной кислотой, он заметил ярко-желтая линия, которая соответствует линии D 3, наблюдаемой i в спектре Солнца. Эти образцы были идентифицированы как гелий Локьер и британский физик Уильям Крукс. Он независимо был выделен из клевеита в том же году химиками Пер Теодором Клеве и Авраамом Ланглетом в Уппсале, Швеция, которые собрали достаточно газа, чтобы точно определить его атомный вес. Гелий был также изолирован американским геохимиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом до открытия Рамзи, когда он заметил необычные спектральные линии во время тестирования образца минерала уранинита. Однако Хиллебранд приписал эти линии азоту. Его поздравительное письмо Рамзи представляет собой интересный случай открытия и почти открытия в науке.

В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс действали, что альфа-частицы уступают ядро ​​гелия , позволяя частицам проникать через тонкую стеклянную стенку откачанной трубки, чтобы изучить новый спектр газа внутри. В 1908 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес впервые сжижил гелий путем охлаждения газа до менее 5 К (-268,15 ° C; -450,67 ° F). Он укрепил его, увеличив температуру, но ему это не удалось, потому что гелий не затвердевает при атмосферном давлении. Ученик Оннеса Виллем Хендрик Кизом в конце концов смог отвердить 1 см гелия в 1926 году, применив дополнительное внешнее давление.

В 1913 году Нильс Бор опубликовал свою «трилогию» «об атомной структуре, которая включает пересмотр ряда Пикеринга — Фаулера как центрального доказательства его поддержки модели атома. Эта серия названа в честь Эдварда Чарльза Пикеринга, который в 1896 году опубликовал наблюдения ранее неизвестных линий в спектре звезды ζ Puppis (теперь известно, что они встречаются у Wolf –Райет и другие горячие звезды). Пикеринг приписал наблюдение (линии 4551, 5411 и 10123 Å ) новой формы водорода с полуцелыми уровнями перехода. В 1912 году Альфреду Фаулеру не удалось получить соответствующие линии из водородно-гелиевой смеси, и он поддержал вывод Пикеринга об их происхождении. спектральные линии к ионизированному гелию, Он. «спектроскописты окончательно перевели [серию Пикеринга — Фаулера] [с водорода] на гелий». Теоретическая работа Бора над серией Пикеринга необходимость пересмотра проблем, которые, кажется, уже были решены в рамках классических теорий », и дала важное подтверждение его атомной теории.

В 1938 году русский физик Петр Леонидович Капица обнаружил, что гелий-4 почти не имеет вязкости при температурех около абсолютного нуля, это явление теперь называется сверхтекучестью.. Это явление связано с конденсацией Бозе — Эйнштейна. В 1972 году то же самое явление наблюдалось в гелии-3, но при температурех намного более близких к абсолютному нулю, американскими физиками Дугласом Д. Ошероффом, Дэвидом М. Ли и Роберт С. Ричардсон. Считается, что явление в гелии-3 связано со спариванием гелий-3 фермионов с образованием бозонов, по аналогии с куперовскими парами электронов, производящими сверхпроводимость.

Добыча и использование

, обозначающий массивную находку гелия около Декстера, Канзас

После бурения нефтяных скважин в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был обнаружен газовый гейзер, чтобы не гореть, геолог штата Канзас Эразм Хаворт собрал образцы выходящего газа и доставил их обратно в Канзасский университет в Лоуренсе, где с помощью химиков Гамильтон Кэди и Дэвид Макфарланд, он обнаружил, что газ состоит по объему из 72% азота, 15% метана (процент горючего только при достаточном количестве кислорода), 1% водород и 12% неидентифицируемый газ. При исследовании Кэди и Макфарланд обнаружено 1,84% пробы газа составлял гелий. Это показало, что, несмотря на его общую редкость на Земле, гелий был сконцентрирован в больших количествах под Американскими Великими равнинами, доступным для добычи в качестве побочного продукта природного газа.

. Это может стать Соединенным Штатам ведущий мировой мировой гелия. По предложению сэра Ричарда Трелфола, ВМС США спонсировали три небольших экспериментальных гелиевых заводов во время Первой мировой войны. Целью было поставить аэростатов заградительного огня с негорючий газ легче воздуха. Всего в рамках программы было произведено 5700 м3 (200000 куб. Футов) 92% гелия, хотя ранее было получено менее кубического метра газа. Часть этого газа была в первом в мире дирижабле, наполненном гелием, дирижабле C-класса C-7 ВМС США, который совершил свой первый рейс с Hampton Roads, штат Вирджиния, в Боллинг Филд в Вашингтоне, округ Колумбия, 1 декабря 1921 года, почти за два года до появления ВМФ первого жесткого дирижабля, наполненного гелием, Военно-морской авиазавод, построенный USS Shenandoah, полетел в сентябре 1923 года.

Хотя процесс экстракции с использованием низкотемпературного сжижения газа не был разработан вовремя, чтобы стать значимым во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа на кораблях легче воздуха. Во время Второй мировой войны спрос на гелий для подъемного газа и для сварки в среде защитной дуги увеличился. гелиевый масс-спектрометр также был жизненно необходим для создания атомной бомбы Манхэттенский проект.

Правительство Соединенных Штатов учредило Национальный гелиевый заповедник в 1925 г., г. Амарилло, Техас, с целью поставки военных дирижаблей во время войны и коммерческих дирижаблей вное время. Из-за Закона о гелии 1925 года, который в то время была монополия на производство США, вместе с непомерно высокой стоимостью газа, Гинденбург, например все немецкие цеппелины были вынуждены использовать водород в качестве подъемного газа. Рынок гелия после Второй мировой войны был в упадке, но в 1950-х годах его запас был расширен, чтобы обеспечить поставку жидкого гелия в качестве охлаждающей жидкости для создания кислородно-водородного ракетного топлива (среди прочего) во время космической гонки и холодной войны. Использование гелия в Соединенных Штатах в 1965 г. более чем в восемь раз превышало пиковое потребление во время войны.

После «поправок к законам о гелию 1960 г.» (публичный закон 86–777) США Горное бюро организовало пять частных заводов по извлечению гелия из природного газа. Для этой программы сохранения гелия Бюро построило трубопровод протяженностью 425 миль (684 км) от Буштона, штат Канзас, чтобы соединить эти заводы с частично истощенным государственным газовым месторождением Клиффсайд недалеко от Амарилло, штат Техас. Эта гелий-азотная смесь закачивалась и хранилась на газовом месторождении Клиффсайд до тех пор, пока не потребовалось, после чего она была подвергнута дальнейшей очистке.

К ​​1995 году было собрано миллиард кубометров газа, а резерв составил 1,4 доллара США. миллиардов долларов, что побудило Конгресс Соединенных Штатов в 1996 году постепенно ликвидировать резерв. В результате принятый Закон о приватизации гелия от 1996 года (публичный закон 104–273) предписал Министерству внутренних дел США опустошить запасы, начиная с 2005 года.

Гелий, произведенный между 1930 и 1945 годами, имел чистоту около 98,3% (2% азота), что было достаточно для дирижаблей. В 1945 году для сварки было произведено небольшое количество гелия 99,9%. К 1949 году коммерческие количества гелия Grade A 99,95% были доступны.

В течение многих лет Соединенные Штаты производили более 90% коммерческого гелия в мире, в то время как экстракционные заводыв Канаде, Польше, России производили а остальные произвели другие народы. В середине 1990-х годов начал работу новый завод в Арзеве, Алжир, производящий 17 миллионов кубических метров (600 миллионов кубических футов), с объемом производства, достаточным для удовлетворения всех потребностей Европы. Между тем, к 2000 году потребление гелия в США выросло до более чем 15 миллионов кг в год. В 2004–2006 годах были построены дополнительные заводы в Рас-Лаффан, Катар и Скикда, Алжир. Алжир быстро вторым по величине стал гелия. За это время увеличилось как потребление гелия, так и затраты на его производство. С 2002 по 2007 год цены на гелий выросли вдвое.

По состоянию на 2012 год на Национальный запас гелия США приходилось 30 процентов мирового гелия. Ожидалось, что в 2018 году в резерве закончится гелий. Несмотря на это, законопроект, внесенный в Сенат США, разрешит запасу продолжать продажу газа. Другие крупные запасы находились в Hugoton в Канзасе, США, а также в близлежащих газовых месторождениях Канзаса и panhandles в Техас и Оклахома. Новые заводы по производству гелия открылись в 2012 году в Катаре, России и американском штате Вайоминг, но не ожидалось, что они уменьшат дефицит.

В 2013 году в Катаре была запущена крупнейшая в мире установка по производству гелия, дипломатический кризис в Катаре в 2017 году серьезно повлиял на производство гелия. 2014 год был признан годом переизбытка гелиевого бизнеса после нескольких лет известного дефицита. Nasdaq сообщил (2015), что для Air Products, международная корпорация, которая продает газы для промышленного использования, объемы гелия остаются под экономическим давлением из-за ограничений, связанных с поставками сырья.

Характеристики

Атом гелия

Атом гелия. Изображены ро (розовый) и распределение ядра облака (черный). Ядро (вверху справа) в гелии-4 на самом деле сферически симметрично и очень похоже на электронное облако, хотя для более сложных ядер это не всегда так.

Гелий в квантовой механике

В перспективе Согласно квантовой механике, гелий — второй простейший атом для моделирования после атома водорода. Гелий состоит из двух электронов на атомных орбиталях, окружающих ядро, содержащихее два протона и (обычно) два нейтрона. Как и в механике Ньютона, никакая система, состоящая из более чем двух частиц, может быть решена с помощью точного аналитического математического подхода (см. задача трех тел ), и гелий не является исключением. Таким образом, требуются численно-математические методы даже для решения системы одного ядра и двух электронов. Такие методы вычислительной химии использовались для создания квантово-механической картины связывания электронов гелия, которая имеет точность в пределах < 2% of the correct value, in a few computational steps. Such models show that each electron in helium partly screens the nucleus from the other, so that the effective nuclear charge Z which each electron sees, is about 1.69 units, not the 2 charges of a classic «bare» helium nucleus.

истинного ядра гелия-4 и электронной оболочки

Ядро атома гелия -4 идентично альфа-частице. Эксперименты по высокоэнергетическому рассеянию электронов показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается от максимума в центральной точке, точно так же, как плотность заряда собственного электронного облака гелия. Эта симметрия отражает эти схожую физическую основу: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантово-механическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены другому потенциалу ядерной связи), так что все фермионы полностью занимают орбитали попарно, ни один из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый компенсирует собственный спин другой. Добавление еще одной из этих частиц потребовало бы углового момента и высвободило бы значительно меньше энергии (фактически, ни одно ядро ​​с пятью нуклонами не является стабильным). Таким образом, такое расположение энергетически устойчиво для всех этих частиц, и эта стабильность обеспечивает многие важные факты, касающиеся гелия в природе.

Например, приводит к самой низкой температуре плавления и кипения из всех, что приводит к самой низкой температуре плавления и кипения из всех. элементы.

Подобным образом особая энергетическая стабильность гелия-4, вызванная аналогичными эффектами, объясняет легкость образования гелия-4 в атомных реакциях, которые включают либо испускание тяжелых частиц, либо синтез. Некоторое количество стабильного гелия-3 (2 протона и 1 нейтрон) образуется в реакции синтеза водорода, но это очень малая часть по сравнению с очень подходящим гелием-4.

Энергия связи на нуклон обычных изотопов. Энергия связи, приходящаяся на одну частьцу гелия-4, значительно больше, чем у всех соседних нуклидов.

Необычная стабильность ядра гелия-4 также важна с космологической точки зрения : она объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого взрыва, когда «суп» из свободных протонов и нейтронов, который был установлен в ядерном ядре 6: 1, ядерное связывание стало возможным, почти все первые составные атомные ядра образовали новое ядро ​​гелия-4. Связывание гелия-4 было прочным, что образование гелия-4 потребляло почти все свободные нейтроны за несколько минут, прежде чем они могли бета-распадом, а также оставить мало для образования более тяжелых элементов, таких как литий, бериллий или бор. Ядерная связь гелия-4 на нуклон сильнее, чем в любом из этих элементов (см. нуклеогенез и энергия связи ), и, таким образом, после образования гелия не было доступной энергии для его создания. элементы 3, 4 и 5. Для гелия было ли энергетически выгодно сливаться в следующий элемент с более низкой энергией на нуклон, углерод. Однако из-за отсутствия промежуточных элементов этот процесс требует, чтобы три ядра гелия столкнулись друг с другом почти одновременно (см. процесс тройной альфа ). Таким образом, не было времени для образования значительного количества углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до температуры и давления, при которых синтез гелия с углеродом был невозможен. Это наблюдается сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), когда почти все нейтроны во Вселенной были захвачены гелием-4.

Все более тяжелые элементы (включая те, которые необходимы для каменистых планет, таких как Земля, а также для углеродной или другой жизни), были созданы после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы плавить сам гелий. Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют всего 2% от массы атомной материи во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычного вещества Вселенной — почти все обычное вещество, не являющееся водородом.

Газовая и плазменная фаза

Гелиевая газоразрядная трубка в атомном символе элемента

Гелий является вторым по названию химически активным благородным газом после неона и, следовательно, вторым вторым реактивным из всех элементов. Он химически инертен и одноатомен во всех стандартных условиях. Из-за относительно низкой молярной (атомной) массы гелия его теплопроводность, удельная теплоемкость и скорость звука в газовой фазе больше, чем у любого другого газа. кроме водорода. По этой причине одноатомные молекулы гелия гелий диффундирует через твердые тела со скоростью, в три раза превышающую скорость воздуха и примерно на 65% быстрее, чем водород.

Гелий является наименее водостойким. растворимый одноатомный газ и один из наименования растворимых в воде любого газа (CF4, SF6 и C4F8 имеют более низкую растворимость мольных долей: 0,3802, 0,4394 и 0,2372 x 2 / 10, соответственно, по сравнению с 0,70797 x 2 / 10 гелия), а показатель преломления гелия ближе к единице, чем у другого газа. Гелий имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре окружающей среды, что означает, что он нагревается, когда ему дают свободно расширяться. Только ниже его температуры инверсии Джоуля-Томсона (примерно от 32 до 50 К при 1 атмосфере) он охлаждается при свободном расширении. После предварительного охлаждения ниже этой температуры гелий может быть сжижен путем охлаждения расширением.

Большая часть внеземного гелия находится в состоянии плазмы со свойствами, совершенно отличными от свойств атомарного гелия. В плазме электроны гелия не связаны с его ядром, что приводит к очень высокой электропроводности, даже если газ ионизирован лишь частично. На заряженные влияние влияние магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре вместе с ионизированным водородом частицы взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая токи Биркеланда и полярное сияние.

Жидкий гелий

Сжиженный гелий. Этот гелий не только жидкий, но и охлажденный до сверхтекучести. Капля жидкости на дне стакана представляет собой гелий, самопроизвольно выходящий из емкости через край, чтобы опорожняться из емкости. Энергия для запуска этого потенциальной энергией падающего гелия.

В отличие от любого другого жидкого элемента, гелий будет оставаться прежним до абсолютного нуля при нормальном давлении. Это прямой эффект квантовой механики: в частности, энергия нулевой точки системы слишком высока, чтобы допустить замерзание. Для твердого гелия требуется температура 1–1,5 К (около –272 ° C или –457 ° F) при давлении около 25 бар (2,5 МПа). Часто трудно отличить твердое тело от жидкого гелия, поскольку показатели преломления двух фаз почти одинаковы. Твердое вещество имеет острую точку плавления и имеет кристаллическую потерю, но при этом обладает высокой сжимаемостью ; применение давления в лаборатории может уменьшить его объем более чем на 30%. При модуле объемной упругости около 27 МПа он в ~ 100 раз более сжимаем, чем вода. Твердый гелий имеет плотность 0,214 ± 0,006 г / см при 1,15 К и 66 атм; Расчетная плотность при 0 К и 25 бар (2,5 МПа) составляет 0,187 ± 0,009 г / см. При более высоких температурах гелий затвердевает под достаточным давлением. При комнатной температуре для этого требуется около 114000 атм.

Гелий I

Ниже его точки кипения 4,22 К (-268,93 ° C; -452,07 ° F) и выше лямбда- точка 2,1768 К (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F), изотоп гелий-4 существует в нормальном бесцветном жидком состоянии, называемом гелием I. Как и другие криогенные жидкости, гелий I кипит при нагревании и сжимается при понижении температуры. Однако ниже лямбда-точки гелий не кипит и расширяется при дальнейшем понижении температуры.

Гелий I имеет газообразный показатель преломления, равный 1,026, из-за чего его поверхность настолько трудно различима, что часто используются поплавки из пенополистирола, чтобы показать, где находится поверхность. является. Эта бесцветная жидкость имеет очень низкую вязкость и плотность 0,145–0,125 г / мл (примерно от 0 до 4 К), что составляет всего одну четверть значения, ожидаемого от классической физики. Квантовая механика необходима для объяснения этого свойства, поэтому оба состояния жидкого гелия (гелий I и гелий II) называются квантовыми жидкостями, что означает, что они демонстрируют атомные свойства в макроскопическом масштабе. Это может быть результатом того, что его точка кипения настолько близка к абсолютному нулю, что не позволяет случайному движению молекул (тепловая энергия ) маскировать атомные свойства.

Гелий II

Жидкий гелий ниже своей лямбда-точки (называемый гелием II) проявляет очень необычные характеристики. Благодаря своей высокой теплопроводности, при кипении он не пузырится, а испаряется прямо с поверхности. Гелий-3 также имеет сверхтекучую фазу, но только при гораздо более низких температурах; в результате о свойствах изотопа известно меньше.

В отличие от обычных жидкостей, гелий II будет ползать по поверхности, чтобы достичь того же уровня; через короткое время уровни в двух емкостях выровняются. Пленка Rollin также покрывает внутреннюю часть более крупного контейнера; если бы он не был запечатан, гелий II выполз бы наружу и улетел бы.

Гелий II — сверхтекучая, квантово-механическое состояние (см.: макроскопические квантовые явления ) материи со странными свойствами. Например, когда он протекает через капилляры толщиной от 10 до 10 мкм, он не имеет измеримой вязкости. Однако, когда измерения проводились между двумя движущимися дисками, наблюдалась вязкость, сопоставимая с вязкостью газообразного гелия. Текущая теория объясняет это, используя двухжидкостную модель гелия II. В этой модели жидкий гелий ниже лямбда-точки рассматривается как содержащий часть атомов гелия в основном состоянии, которые являются сверхтекучими и текут с точно нулевой вязкостью, и часть атомов гелия в возбужденном состоянии., которые ведут себя больше как обычная жидкость.

В эффекте фонтана создается камера, которая соединяется с резервуаром с гелием II с помощью спеченного диска, через который легко просачивается сверхтекучий гелий, но через который не может пройти несверхтекучий гелий. Если внутренняя часть контейнера нагревается, сверхтекучий гелий превращается в несверхтекучий гелий. Чтобы поддерживать равновесную долю сверхтекучего гелия, сверхтекучий гелий просачивается и увеличивает давление, заставляя жидкость фонтанировать из контейнера.

Теплопроводность гелия II выше, чем у любого другого известного вещества., в миллион раз больше, чем у гелия I, и в несколько сотен раз больше, чем у меди. Это потому, что теплопроводность происходит за счет исключительного квантового механизма. Большинство материалов, которые хорошо проводят тепло, имеют валентную зону свободных электронов, которые служат для передачи тепла. Гелий II ч

Как многие знают, самым распространенным и легким элементом на земле является водород, гелий же в нашем мире занимает второе место! Гелий – второй элемент периодической таблицы Менделеева является  инертным одноатомным газом, не имеющим ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Обладает самой низкой температурой кипения из всех веществ (-269 ^оС). Имеет 8 изотопов. Каждый из них уникален по своим свойствам.

История открытия

Первооткрывателем гелия по праву можно считать французского астронома, директора обсерватории в Медоне, Пьера Жюль Сезар Жансена. В 1868 году, при исследовании солнца, а именно хромосферы, астрономом была запечатлена линия ярко-желтого цвета, которую изначально и ошибочно отнесли к спектру натрия. Но, спустя несколько лет, в 1871 году Пьер, совместно с английским астрономом Джозефом Локьером, установили, что линия, найденная Жансеном, не принадлежит ни одному из известных на тот момент химических элементов. Название гелий получил, от слова “гелиос”, что в переводе с греческого означает – солнце! В первую очередь, ученые предположили, что найденный элемент является металлом, но в наши дни, с уверенностью можно сказать – это было ложное предположение

Как многие знают, абсолютно все газы можно привести в жидкое состояние, но для этого, конечно, потребуются определенные условия. Сжиженный открыли только в 1908 году. Нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес понижал давление газа с протеканием через дроссель, предварительно охладив гелий.

Твердый гелий, был получен только через 20 лет в 1926 году. Ученик Камерлинг-Оннеса, смог добиться получения кристаллов газа, увеличив давление гелия выше 35 атмосфер и охладив газ до предельно низкой температуры.

Интересные свойства гелия

Начнем с того, что гелий не может вступать в химические реакции вовсе, а так же не имеет степеней окисления. Гелий – одноатомный газ, и имеет всего лишь один электронный уровень (оболочку), являясь крайне устойчивым газом, так как имеет полностью заполненный электронами первый уровень, что говорит о сильном воздействии ядра на электроны. Атомы гелия, не то, что не реагируют с другими веществами, более того, они не соединяются даже друг с другом.

Жидкий гелий имеет ряд абсолютно уникальных свойств. В 30 годах 20-го века, при еще меньших температурах было замечено крайне странное и невероятное явление – когда гелий охлаждается до температуры всего на 2 градуса превышающей абсолютный ноль, происходит его неожиданная трансформация. Поверхность жидкости становится абсолютно спокойной и гладкой, ни единого пузырька, ни малейшего бурления жидкости.  Жидкий гелий превращается в сверхтекучую жидкость. Такой гелий может забраться по стенкам и «сбежать» из сосуда, в котором он хранится, это происходит из за нулевой вязкости сжиженного газа. Он может стать фонтаном, обладающим нулевым трением, а значит, такой фонтан может течь бесконечно. Несмотря на все теории, ученые установили, что сжиженный гелий это непросто жидкость. Например, начиная с 2He, оказалось, что сжиженный газ состоит из двух взаимопроникающих жидкостей:  нормальной (вязкой) и сверхтекучей (нулевая вязкость) компоненты. Сверхтекучая компонента является идеальной и обладает нулевым трением, при протекании в любых сосудах и капиллярах.

Что же касается твердого гелия, то на данный момент, ученые проводят многочисленные опыты и эксперименты. Твердый 4He обладает квантовым эффектом, таким как кристаллизационная волна. Этот эффект основан на колебании границы раздела фаз в системе – «кристалл – жидкость». Достаточно немного качнуть такой гелий, и граница фаз между жидкостью и твердым веществом будет схожа с границей двух жидкостей!

Использование гелия в промышленности

В основном, гелий необходим для получения крайне низких температур, а так же в металлургии для выплавки чистых металлов. Так же 2He – это не только один из лучших теплоносителей, но и хороший пропеллент (Е939) в пищевой индустрии.

С помощью гелия можно определять местонахождение разломов в толще Земли, так как он выделяется при распаде радиоактивных элементов, которыми насыщена земная кора. Концентрация гелия на выходе из трещины, в 50 -100 раз больше, чем нормальная.

Более того, гелием наполняют воздушные суда, такие как дирижабли. Гелий намного легче чем воздух, поэтому подъемная сила таких судов очень высока. Да, водород легче, чем гелий. Так почему бы не использовать его? Водород – это горючий элемент, и заправлять им дирижабли крайне опасно.

Опасность

Любое превышение концентрации газа может быть опасным для здоровья человека. Вдыхание воздуха с высокой концентрацией гелия может вызвать потерю сознания, сильные , рвоту и даже смерть. Смерть наступает в результате кислородного голодания, связанного с тем что в легкие не попадает кислород.

Гелий (He) – химический элемент 18 группы периодической системы. Инертный одноатомный газ. Вкуса, цвета и запаха не имеет. Во Вселенной является вторым по распространённости веществом после водорода.

Откуда такое название

Гелий был открыт в 1868 году во время спетрометрического исследования Солнца. Изучая линии излучения, учёные обнаружили неизвестную до того времени жёлтую линию, соответствующую новому элементу. Поскольку впервые элемент был обнаружен в составе солнца, название было дано «гелий» – от имени бога Солнца в древнегреческой мифологии.

В отличие от водорода, кислорода и многих других элементов, на русский язык название было не переведено, а протранскрибировано.

Роль в природе

Почти весь гелий во Вселенной образовался в первые минуты после Большого Взрыва в период первичного нуклеосинтеза. В космосе новые порции элемента образуются в ходе термоядерных реакций в недрах звёзд, на Земле – в результате распада тяжёлых элементов: альфа-частицы – это ядра гелия, которые затем, захватывая электроны, образуют атомы.

В атмосфере Земли гелий содержится в очень малых количествах: этот исключительно лёгкий газ быстро поднимается в верхние слои атмосферы и сдувается солнечным ветром. В недрах планеты запасы куда больше: образующиеся при альфа-распаде атомы гелия захватываются природным газом, в результате чего на некоторых месторождениях количество этого вещества может достигать до 16% по объёму (обычно всё же не больше 2%).

Химические и физические свойства

В нормальных условиях гелий – бесцветный газ без вкуса и запаха. Точка кипения у гелия – самая низкая среди любых веществ – всего 4,2 К, что на 4 градуса выше абсолютного нуля. В твёрдое состояние переходит лишь под давлением в 25 атмосфер.

В сжиженном состоянии гелий проявляет загадочные свойства сверхтекучести благодаря существованию двух фаз – гелия-I и гелия-II. Как установил советский учёный П.Л. Капица, у гелия-II вязкость отсутствует в принципе. В газообразном состоянии гелий легко проходит (диффундирует) через твёрдые материалы, что затрудняет его использование.

Будучи инертным газом, гелий практически не вступает в химические реакции. Соединения гелия удаётся получать лишь косвенным путём в ходе сложных реакций. При этом все такого рода соединения крайне нестабильны и способны существовать лишь в экстремальных условиях.

В жидкостях гелий растворяется слабее, чем любой другой известный науке газ. Любопытно, что из-за разницы скорости звука и разных условий резонанса в гелии и воздухе при вдыхании этого газа у человека резко меняется голос, становясь похожим на голос персонажей мультфильмов.

Изотопы гелия

Практически весь природный гелий состоит из изотопов с массой He4 и крайне редкого He3. Поскольку гелий-3 принципиально может считаться «топливом» для термоядерных реакторов, всерьёз обсуждаются перспективы его добычи из лунного реголита, где он накопился под воздействием миллиардов лет солнечного излучения. Кроме стабильных, учёные обнаружили 6 радиоактивных изотопов с разным атомным числом. Их время жизни крайне невелико.

Применение

Гелий используется:

• в воздухоплавании – как наполнитель для дирижаблей, аэростатов, аэрозондов и даже бытовых воздушных шариков: гелий тяжелее водорода, но зато абсолютно не горюч;
• как защитная газовая оболочка в металлургии при плавке сверхчистых металлов;
• как хладогент при экспериментах со сверхнизкими температурами и сверхпроводимостью: вещество, холоднее жидкого гелия, получить можно только при электромагнитном охлаждении;
• как элемент дыхательной смеси для сверхглубоких погружений, чтобы избежать кислородного отравления. Иногда приходится на батискафах и других подводных аппаратах использовать микрофоны специальной конструкции, чтобы на поверхности могли понимать «мультяшную» речь подводников;
• для заполнения гасосветных трубок (в газоразрядных устройствах гелий светится бело-красным светом);
• как инертный наполнитель в пищевой промышленности и в производстве сверхточных устройств (например, некоторых моделей магнитных дисков);
• как индикатор в геологической съёмке при поиске глубинных разломов земной коры или залежей урановых руд;
• в космонавтике и военном деле – для продувки баков ракетных двигателей на жидком топливе.

В целом гелий – достаточно дорогое вещество, потому что выделить его в чистом виде можно лишь при глубоком охлаждении газа.