Хелият (Helium) е вторият най-разпространен химичен елемент във Вселената, след водорода, и един от най-леките, най-иновативните и научно значими газове, познати на човечеството. Той е безцветен, без мирис и без вкус благороден газ, който не реагира химически с други вещества.
| Хелий | |
 | |
| Информационна таблица | |
| Параметър | Информация |
|---|---|
| Име на елемента (български) | Хелий |
| Латинско / международно наименование | Helium |
| Химичен символ | He |
| Пореден номер (атомно число) | 2 |
| Период и група в таблицата | Период 1, група 18 |
| Блок (s, p, d, f) | s-блок |
| Категория / тип елемент | Благороден газ |
| Атомна маса | 4.002602 u |
| Изотопи | He-3, He-4 |
| Средна атомна маса | 4.0026 |
| Плътност (при 0°C и 1 atm) | 0.1785 g/L |
| Температура на топене | -272.2°C (при 25 atm) |
| Температура на кипене | -268.93°C |
| Кристална структура | Не образува твърдо тяло при нормални условия |
| Цвят / външен вид | Безцветен газ |
| Агрегатно състояние при 20°C | Газообразно |
| Откривател / година на откриване | Жул Янсен и Норман Локайър, 1868 г. |
| Място на откриване | Спектърът на Слънцето |
| Етимология на името | От гръцкото „Helios“ – Слънце |
| Химическа формула | He |
| Окислителни степени | 0 (инертен) |
| Електронна конфигурация | 1s² |
| Електроотрицателност | — (няма стойност) |
| Йонизационна енергия | 24.587 eV |
| Ковалентен радиус | 31 pm |
| Топлопроводимост | Висока за газ – 0.151 W/(m·K) |
| Електрическа проводимост | Непроводим |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Честота в земната кора | 0.008 ppm |
| Наличие във Вселената | ~24% от масата на видимата материя |
| Основни минерали и съединения | Не образува съединения |
| Разпространение в природата | В природен газ и атмосферата (0.00052%) |
| Начини за получаване / добив | Фракционна дестилация на природен газ |
| Основни производители в света | САЩ, Катар, Русия, Алжир |
| Основни приложения | Криогеника, медицина, въздухоплаване, електроника |
| Биологично значение | Няма |
| Токсичност и безопасност | Нетоксичен и инертен |
| Влияние върху човешкия организъм | Безопасен при вдишване в малки количества |
| Използване в индустрията | Като охлаждащ и инертен газ |
| Използване в медицината / фармацията | В дихателни смеси и MRI апарати |
| Ядрени свойства | Стабилен, използва се в изследвания и ядрена физика |
| Полуживот на радиоактивни изотопи | He-5 (много кратък) |
| Тип радиоактивен разпад | — |
| Енергия на връзката | 28.3 MeV (ядро He-4) |
| Наличие в атмосферата / океаните | ~0.00052% в атмосферата |
| Методи за рециклиране / повторна употреба | Възстановяване от MRI системи и промишлени процеси |
| Глобално годишно производство | ~160 милиона m³ |
| Основни вносители / износители | САЩ, Катар, Китай, Япония |
| Историческо значение | Вторият елемент, открит в космоса |
| Научна дисциплина | Химия, физика, астрофизика |
| CAS номер | 7440-59-7 |
| PubChem CID | 23987 |
| Състояние при стандартни условия (STP) | Газ |
| Класификация по IUPAC | Благороден газ |
| Символика и културно значение | Символ на лекота, чистота и космическа енергия |
Благодарение на уникалните си физични свойства – изключително ниска температура на втечняване, невъзпламенимост и малка плътност – хелият е незаменим в криогениката, медицината, въздухоплаването и квантовите изследвания.
Открит за първи път през 1868 г. в спектъра на Слънцето от френския астроном Жул Янсен и британския учен Норман Локайър, хелият първоначално бил смятан за „соларен елемент“, преди да бъде изолиран на Земята в края на XIX век. Днес този елемент има стратегическо значение, тъй като природните му запаси са ограничени и добивът му е свързан основно с природен газ.
Физични и химични свойства
Хелият принадлежи към групата на благородните газове, заедно с неона, аргона, криптона, ксенона и радона. Той има атомен номер 2 и химичен символ He. Ядрото на атома му съдържа два протона и обикновено два неутрона, което го прави изключително стабилен.
Сред най-интересните характеристики на хелия е фактът, че той е невъзможен за втърдяване при нормално налягане – дори при абсолютна нула (-273.15°C) остава в течно състояние. Това свойство е от изключителна важност за криогениката и свръхпроводимите технологии.
Хелият има изключително ниска точка на кипене (-268.93°C) и е вторият най-лек елемент след водорода. Той не гори и не поддържа горене, което го прави безопасен за използване в среди, където кислородът и водородът биха били опасни.
Произход и наличие
Хелият възниква предимно при ядрени реакции във вътрешността на звездите – в процеса на термоядрения синтез, при който водородът се превръща в хелий и се отделя огромно количество енергия. В земните условия той се образува при радиоактивното разпадане на уран и торий.
На Земята хелият е изключително рядък. Най-значимите му залежи са концентрирани в природния газ, особено в находища в САЩ, Катар, Русия, Алжир и Канада. Тъй като хелият е лек и не се свързва с други вещества, когато се освободи в атмосферата, той постепенно се издига и напуска планетата. Това означава, че ресурсите му са невъзобновяеми.
Начини за добив и производство
Хелият се извлича от природен газ чрез процес на фракционна дестилация при ниски температури. Тъй като неговата точка на втечняване е по-ниска от тази на метана и азота, той се отделя последен при охлаждането на газа. Полученият хелий след това се компресира и съхранява под високо налягане.
През последните години учените търсят алтернативни източници, включително извличане на хелий от лунния реголит, където има значителни количества хелий-3 – изотоп с потенциално приложение в ядрената енергетика на бъдещето.
Изотопи и ядрени свойства
Хелият има два стабилни изотопа – хелий-4 (⁴He) и хелий-3 (³He). Първият представлява над 99,999% от естествения хелий, докато вторият е изключително рядък и ценен за научни изследвания.
Хелий-3 е особено интересен поради своята роля в нискотемпературната физика и възможността за използване като гориво в бъдещи термоядрени реактори.
Приложения
Хелият има многобройни приложения, които обхващат науката, медицината и индустрията:
- Криогеника и свръхпроводимост: използва се за охлаждане на свръхпроводници и магнитни резонансни томографи (MRI).
- Медицина: служи като дихателен газ за пациенти с респираторни заболявания и в хирургични лазери.
- Въздушна и космическа индустрия: използва се за напомпване на балони, дирижабли и като охлаждаща среда в космически апарати.
- Ядрена и физическа лабораторна техника: хелий-3 се използва в изследвания по квантова механика и като неутронен детектор.
- Металургия и електроника: осигурява инертна атмосфера при производството на полупроводници и оптични влакна.
Значение в науката и бъдещето
Благодарение на уникалните си физически характеристики, хелият е незаменим за развитието на съвременната наука и високите технологии. В ерата на квантовите компютри и свръхпроводимите материали неговото значение нараства още повече.
Основното предизвикателство пред човечеството е ограниченото количество на планетата, което води до нуждата от внимателно управление, рециклиране и разработване на алтернативни източници.
Интересни факти
Хелият е открит първо на Слънцето, преди да бъде намерен на Земята. Гласът се променя при вдишване на хелий, защото звуковите вълни се движат по-бързо в този газ. При изключително ниски температури течният хелий проявява свръхтечност – тече без триене и може да преминава през микроскопични отвори. Хелият е единственият елемент, който не може да бъде синтезиран химически в лабораторни условия в значителни количества.