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2He
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外觀
无色气体,高压电场下发橙红色光


氦的谱线
概況
名稱·符號·序數 氦(helium)·He·2
元素類別 稀有气体
·週期· 18·1·s
標準原子質量 4.002602(2)
電子排布

1s2
2

氦的电子層(2)
歷史
發現 皮埃尔·让森, 约瑟夫·诺曼·洛克耶英语Norman Lockyer(1868年)
分離 威廉·拉姆齐皮·特奥多尔·克利夫英语Per Teodor Cleve尼尔斯·朗勒特英语Abraham Langlet(1895年)
物理性質
物態 气态
密度 (0 °C, 101.325 kPa
0.1786 g/L
熔點時液體密度 0.145 g·cm−3
沸點時液體密度 0.125 g·cm−3
熔點 (at 2.5 MPa) 0.95 K,−272.20 °C,−457.96 °F
沸點 4.222 K,−268.928 °C,−452.070 °F
三相點 2.177 K(-271 °C),5.043 kPa
臨界點 5.1953 K,0.22746 MPa
熔化熱 0.0138 kJ·mol−1
汽化熱 0.0829 kJ·mol−1
比熱容 5R/2 = 20.786 J·mol−1·K−1

蒸汽壓((由ITS-90定义))

壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫(K)     1.23 1.67 2.48 4.21
原子性質
氧化態 0
電負性 N/A(鲍林标度)
電離能

第一:2372.3 kJ·mol−1

第二:5250.5 kJ·mol−1
共價半徑 28 pm
范德華半徑 140 pm
雜項
晶體結構

六方最密堆积

磁序 抗磁性[1]
熱導率 0.1513 W·m−1·K−1
聲速 972 m·s−1
CAS號 7440-59-7
最穩定同位素

主条目:氦的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
3He 0.000137%* 穩定,带1个中子
4He 99.999863%* 穩定,带2个中子
5He 人造 7×10-22 中子發射 - 4He
  • 为大气层中的数值;其它地方可能有所不同。

Helium,舊譯作)是一种化学元素,其化学符号He原子序数是2,是一种无色的惰性气体,放电时发深黄色的光。在常温下,氦是一种极轻的无色、无臭、无味的单原子气体。氦在空氣中含量較少,但在宇宙中是第二豐富的元素,在银河系佔24%。

发现[编辑]

首个证明氦存在的证据是太阳色球的发射光谱中的一条亮黄色谱线。1868年8月18日英语Solar eclipse of August 18, 1868,法国天文学家皮埃尔·让森印度貢土爾观测日全食时,发现了这条波长为587.49 nm的谱线。[2][3]起初人们推测这条谱线来自。同年10月20日,英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶英语Norman Lockyer在太阳光谱中发现了一条黄线。由于这条谱线的波长和夫朗和斐譜線产生的D1线和D2的波长相似,洛克耶将其命名为D3线。[4]他还提出这条谱线来自太阳上的一种尚未在地球上发现的元素。洛克耶和英国化学家爱德华·弗兰克兰英语Edward Frankland以希腊语中的ἥλιος(helios,意为“太阳”)一词,将这一元素命名为Helium.[5][6][7]

光谱图,特别标出了亮黄色、蓝色和紫色谱线。
氦的谱线

1882年,意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里英语Luigi Palmieri在分析维苏威火山岩浆时发现了氦的D3线,这是氦在地球上的首次发现记录。[8]

地层氦的发现者威廉·拉姆齐爵士

1895年3月26日,苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士将钇铀矿英语cleveite(一种瀝青鈾礦,其质量的10%为稀土元素)用处理,首次在地球上分离出氦。拉姆齐当时在寻找,他用硫酸处理矿物,分离释放出的气体中的。在剩下的气体中,他发现了一条和太阳光谱中的D3线吻合的黄色谱线。[4][9][10][11]洛克耶和英国物理学家威廉·克鲁克斯鉴定了这一气体样品,证明了它是氦气。同一年,两位化学家皮·特奥多尔·克利夫英语Per Teodor Cleve尼尔斯·朗勒特英语Abraham Langlet在瑞典乌普萨拉独立从钇铀矿中分离出氦;他们收集的氦足以测定这一元素的原子量[3][12][13]在拉姆齐分离氦之前,美国地质化学家威廉·弗朗西斯·希尔布兰德英语William Francis Hillebrand同样注意到一份沥青铀矿样品中的一条不寻常的谱线,并从中分离出氦;但他认为这些谱线来自氮气。他致拉姆齐的贺信是科学史上“发现”和“邻近发现”的一个有趣例子。[14]

1907年,欧内斯特·卢瑟福托马斯·罗伊兹英语Thomas Roydsα粒子穿透玻璃壁进入真空管,向管中放电后观察管内气体的发射光谱,证明α粒子就是氦。1908年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将氦冷却至不到1K的低温,从而首次制得液态氦。[15]他还试着将氦固化,但是氦没有固、液、气三相平衡的三相点,因此他的尝试没有成功。1926年,昂内斯的学生威廉·亨德里克·科索姆英语Willem Hendrik Keesom在低温下向氦加压,制得了1 cm3的固态氦。[16]

1938年,苏联物理学家彼得·列昂尼多维奇·卡皮察发现氦-4在接近绝对零度时几乎没有粘度,从而发现了今天所说的超流体[17]这一现象和玻色-爱因斯坦凝聚有关。1972年,美国物理学家道格拉斯·奥谢罗夫戴维·李、以及罗伯特·科尔曼·理查森发现氦-3也有超流体现象,但所需的温度比氦-4低得多。氦-3的超流体现象被认为和氦-3费米子配对形成玻色子有关,这种配对和超导体中电子形成的库珀对类似。[18]

名称由来[编辑]

在皮埃尔·让森从太阳光谱中发现氦时,英国人洛克耶(J. N. Lockyer)和弗兰克兰(E. F. Frankland)认为这种物质在地球上还没有发现,因此定名为“氦”(法文hélium英文helium),源自希腊语ήλιος,意为“太阳”。

在中文里,晚清时由传教士创办的益智书会译作“氜”(读作“日”),以表示从太阳光中发现的气态元素。在1915年,由民国教育部颁布的《无机化学命名草案》则采用发音与英文更为一 致的“氦”,并沿用至今。[19]

分布[编辑]

氦存在于整个宇宙中,按质量计占23%。但在自然界中主要存在于天然气或放射性矿石中。在地球大氣層中,氦的濃度十分低,只有5.2萬分之一。在地球上的放射性矿物中所含的氦是α衰变的产物。氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量,最高可以含有7%,在美国的天然气中氦大约有1%。在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦,大约占整个体积的0.0005%,密度只有空气的7.2分之一,是除了以外密度最小的气体。

性質[编辑]

氦气是所有气体中最难液化的,沸點僅為4.22K,這源於氦極低的極性。同時,氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质,也沒有三相點。基於類似的原因,氦在水中的溶解度也極小,20°C時每升水中僅能溶解8.61毫升。

液氦在温度降至2.178K时,性质会发生突变,粘度极小,能形成只有几个原子厚度的薄膜,发生无粘度流动,成为一种超流体,稱為氦(II),正常的液氦稱作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小,能沿容器壁向上流动,直到兩邊液面等高。此時的氦热传导性为的800倍,成為導熱性能極佳的熱導體。其比热容压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性質是能穿透許多常見材料,如PVC、橡膠與大部分玻璃,所以玻璃杜瓦瓶無法用於液氦的操作[20]

氦的化学性质非常不活泼,一般状态下不會和其他物质发生反应,目前檢測到的氦化合物僅痕量發現於質譜中,且不穩定[21]

制备[编辑]

  1. 天然气分离法:工业上,主要以含有氦的天然气为原料,反复进行液化分馏,然后利用活性炭进行吸附提纯,得到纯氦。
  2. 合成氨法:在合成中,从尾气经分离提纯可得氦。
  3. 空气分馏法:从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。
  4. 铀矿石法:将含氦的铀矿石经过焙烧,分离出气体,再经过化学方法,除去水蒸气、氢气和二氧化碳等杂质提纯出氦。

同位素[编辑]

現時已知的氦同位素有八種,包括氦3氦4氦5氦6氦8等,但只有氦3和氦4是穩定的,其餘的均帶有放射性。在自然界中,氦同位素中以氦4佔最多,多是從其他放射性物質的α衰變放出α粒子(氦4原子核)而來。氦3的含量在地球上極少,而在月球上储量巨大,它們均是由超重氫()的β衰變所產生。

用途[编辑]

充滿氦氣,形似氦化學符號(He)的充氣放电管

由于氦很轻,而且不易燃,因此它可用于填充飞艇、气球、温度计电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、冶炼和焊接时的保护气体,还可用来填充灯泡和霓虹灯管,也用来制造泡沫塑料。

由于氦在血液中的溶解度很低,因此可以加到氧气中防止减压病,作为潜水员的呼吸用气体,或用於治療氣喘和窒息。

液体氦的温度(-268.93 °C)接近绝对零度(-273℃),因此它在超导研究中用作超流体,制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。在医学中,用于氩氦刀以治疗癌症

它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。

氦气可以用于保存尸体毛泽东水晶棺内的气体即为氦气[22]

其他[编辑]

對聲音的影響[编辑]

因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍,这会改变人的声带的共振态,于是使得吸入氦氣的人說話的聲音的频率變高。這個有趣的現象使得吸入氦氣的人說話尖聲細氣,就好像舊時代的卡通人物一樣[23],與吸入六氟化硫後聲音變粗正好相反。这种现象经常被错误地解释为音速的提高直接导致声音频率的增加,或者氦气使得声带振动变快。

過度使用所產生的問題[编辑]

需要注意的是,如果大量吸入氦氣,會造成体内氧气被氦取代,因而发生缺氧(呼吸反射是受体内过量二氧化碳驱动,而对缺氧并不敏感),嚴重的甚至會死亡。 另外,如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣,那麼其高流速就會嚴重地破壞肺部組織。 大量而高壓的氦和氧會造成高壓緊張症候群英语High pressure nervous syndrome,不過少量的就能夠處理這個問題。

参考[编辑]

  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. ^ Kochhar, R. K. French astronomers in India during the 17th – 19th centuries. Journal of the British Astronomical Association. 1991, 101 (2): 95–100. Bibcode:1991JBAA..101...95K. 
  3. ^ 3.0 3.1 Emsley, John. Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. 2001: 175–179. ISBN 0-19-850341-5. 
  4. ^ 4.0 4.1 Clifford A. Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Van Nostrand Reinhold. 1968: 256–268. ISBN 0-442-15598-0. 
  5. ^ Sir Norman Lockyer – discovery of the element that he named helium" Balloon Professional Magazine, 7 August 2009.
  6. ^ Helium. Oxford English Dictionary. 2008 [2008-07-20]. 
  7. ^ Thomson, William. Inaugural Address of Sir William Thompson. Nature. Aug. 3, 1871, 4 (92): 261–278 [268]. Bibcode:1871Natur...4..261.. doi:10.1038/004261a0. "Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium" 
  8. ^ Stewart, Alfred Walter. Recent Advances in Physical and Inorganic Chemistry. BiblioBazaar, LLC. 2008: 201. ISBN 0-554-80513-8. 
  9. ^ Ramsay, William. On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3 , One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note. Proceedings of the Royal Society of London. 1895, 58 (347–352): 65–67. doi:10.1098/rspl.1895.0006. 
  10. ^ Ramsay, William. Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I. Proceedings of the Royal Society of London. 1895, 58 (347–352): 80–89. doi:10.1098/rspl.1895.0010. 
  11. ^ Ramsay, William. Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--. Proceedings of the Royal Society of London. 1895, 59 (1): 325–330. doi:10.1098/rspl.1895.0097. 
  12. ^ (德文) Langlet, N. A. Das Atomgewicht des Heliums. Zeitschrift für anorganische Chemie. 1895, 10 (1): 289–292. doi:10.1002/zaac.18950100130 (German). 
  13. ^ Weaver, E.R. Bibliography of Helium Literature. Industrial & Engineering Chemistry. 1919. 
  14. ^ Munday, Pat. John A. Garraty and Mark C. Carnes, 编. Biographical entry for W.F. Hillebrand(1853–1925), geochemist and U.S. Bureau of Standards administrator in American National Biography. Oxford University Press. 1999: 808–9; 227–8. 
  15. ^ van Delft, Dirk. Little cup of Helium, big Science (PDF). Physics Today. 2008: 36–42 [2008-07-20]. (原始内容存档于June 25, 2008). 
  16. ^ Coldest Cold. Time Inc. 1929-06-10 [2008-07-27]. 
  17. ^ Kapitza, P.. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point. Nature. 1938, 141 (3558): 74. Bibcode:1938Natur.141...74K. doi:10.1038/141074a0. 
  18. ^ Osheroff, D. D.; Richardson, R. C.; Lee, D. M. Evidence for a New Phase of Solid He3. Phys. Rev. Lett. 1972, 28 (14): 885–888. Bibcode:1972PhRvL..28..885O. doi:10.1103/PhysRevLett.28.885. 
  19. ^ 余恒. 被遗忘的元素用字. 中国科技术语. 2013, 15 (6): 53–55 [2014-03-20]. 
  20. ^ 高等教育出版社《無機化學》(第四版)北京師範大學無機化學教研室等編
  21. ^ 高等教育出版社《無機化學》(第二版)宋天佑等編
  22. ^ 毛泽东水晶棺造价不菲用35吨天然水晶制成. 新闻午报. 东方网. 2005-09-21 [2011-07-02]. 
  23. ^ 喝「笑氣調酒」變唐老鴨聲