Открит първо в спектъра на Слънцето, преди да бъде намерен на Земята. Инертен, въздушен и единственият елемент, който не замръзва при нормално налягане.

Хелий (He) — химичен елемент №2

Хелий — He · №2

Хелий е единственият елемент, открит първо в космоса, а чак след това — на Земята. Кръстен е по името на гръцкия бог на Слънцето Хелиос, и тази митологична препратка не е случайна: спектралните линии на хелия са разкрити в слънчевата светлина цели 27 години, преди химиците да се усетят, че същият газ тихо се крие и под краката им. Днес той охлажда магнитите на ЯМР скенерите, пълни балоните на метеорологичните станции и прави гласовете ни смешни — но историята зад него е всичко друго, освен лека.

История на откриването

На 18 август 1868 г. французинът Пиер Жансен наблюдава пълно слънчево затъмнение от Гунтур, Индия. Насочвайки спектроскопа си към слънчевата хромосфера, той забелязва ярка жълта линия на дължина на вълната около 587.6 nm — толкова близо до натриевата D-линия, че отначало я бърка с нея. Само месеци по-късно британският астроном Норман Локиър изследва същото явление независимо и стига до смайващото заключение: линията не принадлежи на нито един познат земен елемент. Двамата учени предлагат ново название — helium, от гръцкото Helios. Нека отбележим, че хелий химичен елемент тогава съществува единствено като спектрална абстракция — нещо, наблюдавано в светлина на разстояние 150 милиона километра, но неопипаемо на Земята.

Чак през 1895 г. шотландецът Уилям Рамзи открива хелия физически, докато обработва минерала клевеит (уранов оксид) с разредена сярна киселина. Отделеният газ показва същата загадъчна жълта спектрална линия — доказателство, че елементът не е само слънчева екзотика, а се съдържа и в земната кора, захванат в кристалните решетки на урановите и ториевите минерали като продукт на алфа-разпад. Рамзи изпраща проба до Локиър и до шведа Пер Теодор Клеве — и тримата потвърждават самоличността на уловения газ. Уилям Рамзи по-късно получава Нобелова награда за химия (1904 г.) именно за откритията на благородните газове, включително хелия.

Паралелно с тези открития Дмитрий Менделеев първоначално не оставя място за благородни газове в своята периодична система — те просто не пасват в тогавашния модел на валентностите. Включването на хелия и другите инертни газове налага преосмислянето на цялата периодична таблица на елементите и довежда до по-дълбоко разбиране на електронната структура на атома.

Физични свойства

Хелий е вторият най-лек елемент след водорода и при стайна температура и атмосферно налягане е безцветен, без мирис и без вкус едноатомен газ. Плътността му е едва 0.000179 g/cm³ — около седем пъти по-малко от плътността на въздуха, което е причината за флуктуиращото движение на балони, пълни с него. Термичната му проводимост е необичайно висока за газ, а скоростта на звука в хелий е около три пъти по-голяма, отколкото във въздуха — именно оттук идва характерното фалцетно изкривяване на гласа.

Точката на кипене на хелия е −269 °C (около 4 K), което го прави най-трудно втечнявания от всички газове. Но истинската физична особеност идва при по-ниски температури: при около 2.17 K течният хелий претърпява фазов преход и се превръща в суперфлуид — хелий-II. В това свръхтечно състояние вискозитетът му е практически нула: течността се изкачва по стените на съда срещу гравитацията, просмуква се през микроскопични пори и извира навън без никакво съпротивление. Нито един друг елемент не проявява суперфлуидност при атмосферно налягане. Хелий не замръзва при нормално налягане дори при абсолютна нула — за да го втвърдите, са необходими около 25 атмосфери налягане.

Химични свойства

Хелий химичен елемент е химически инертен в почти абсолютна степен. Конфигурацията му 1s² представлява пълна и изключително стабилна електронна обвивка — двата електрона попълват единствената налична орбитала и образуват конфигурацията на благородния газ с най-ниска енергия. Йонизационната енергия на хелия е най-висока сред всички елементи: 2372 kJ/mol — почти двойно повече от тази на следващия елемент (неон). Това означава, че е изключително трудно да се отнеме електрон от хелиев атом.

За разлика от по-тежките благородни газове като ксенон и криптон, хелият не образува никакви химически съединения при нормални условия. Нито хелиеви флуориди, нито оксиди, нито клатрати от типа на тези, с които ксенонът образува структури с вода. Теоретичните изчисления предвиждат, че при изключително високо налягане (над 100 000 атмосфери) са мислими екзотични съединения като HeNe или HeO₂, но те нямат практическо значение. Окислителна степен на хелия: 0 — и само 0. He символ на елемента е едновременно символ на химическото му безразличие.

Благодарение на тази пълна инертност хелият е предпочитана атмосфера при химически реакции, изискващи отсъствие на кислород или азот — в металургията, лазерната техника и при отглеждане на кристали за полупроводниковата индустрия.

Къде го срещаме

Хелият е вторият най-разпространен елемент във Вселената след водорода — около 24% от масата на цялата видима материя е хелий, синтезиран предимно в Големия взрив и в звездните ядра. На Земята обаче картината е съвсем различна: хелият е относително рядък, защото лесно достига до горните слоеве на атмосферата и избягва в космоса. Земните запаси са концентрирани в природен газ, особено в полета в САЩ (Тексас, Канзас, Оклахома), Катар и Алжир, където хелий химичен елемент е уловен под непропускливи скални пластове в продължение на милиони години алфа-разпад на урана и тория.

Най-голямото потребление на хелий в технологичен контекст е криогенното охлаждане. Свръхпроводящите магнити в апарати за ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) и в ускорители на частици като LHC в ЦЕРН трябва да бъдат охладени до под 4 K — единствено течен хелий постига тези температури. Барометричните и метеорологичните балони използват хелий вместо водород заради пожарна безопасност. В заваряването на алуминий и магнезий хелиевата среда предпазва разтопения метал от окисляване. В оптичните кабели и в производството на полупроводникови чипове хелият служи като охлаждащ агент и чист носещ газ.

Самото разпределение на елементите в периодичната таблица на елементите показва защо хелият е толкова особен: атомен номер 2 го поставя непосредствено след водорода, но групата, в която попада (18-а, благородните газове), е диагонално противоположна по характеристики — инертна, стабилна, неметална.

Любопитни факти

• Роден в звезда, не на Земята. Хелият е единственият елемент, чието съществуване е потвърдено спектроскопски в Слънцето преди да бъде открит на Земята — прецедент, невъзможен за никой друг елемент в таблицата.
• Гласът на хелия. Когато вдишате хелий, гласовите ви струни вибрират при същата честота, но скоростта на звука в газа е ~970 m/s срещу ~340 m/s във въздуха. Резонансните честоти на гласовия ви тракт се покачват и звукът се чува по-пискляво. Важно: вдишването на чист хелий е опасно поради риск от хипоксия.
• Невъзможен лед. При атмосферно налягане хелият не може да замръзне дори при абсолютна нула (0 K). Квантовите нулеви трептения на атомите му са достатъчно силни, за да победят кристализацията — феномен, наречен квантова флуидност.
• Изчерпаем ресурс. За разлика от кислорода или азота, хелият не може да се рециклира лесно от атмосферата (там го има едва 5.2 ppm по обем). Щом веднъж се изпусне, молекулите му достигат екзосферата и напускат Земята завинаги. Геолозите предупреждават, че световните запаси под земята се изчерпват по-бързо, отколкото се попълват.
• Слънчева фабрика. Всяка секунда в ядрото на Слънцето около 600 милиона тона водород се синтезират в хелий чрез протон-протонна верига. Именно тази реакция освобождава енергията, която достига до Земята като светлина и топлина — хелий химичен елемент е в буквалния смисъл горивото на нашата звезда.

Разгледайте всички Химия в Uchitel.bg →