Гель

Гель (па-лацінску: Helium, ад стар.-грэц. ἥλιος hélios, «Сонца») — хімічны элемэнт. Гель адносіцца да групы высакародных газаў, парадкавая лічба 2, сымбаль элемэнту — He.

Вадарод ← Гель → Літ He ↓ Ne 2He Пэрыядычная сыстэма хімічных элемэнтаў
Выгляд
Бораўская мадэль атама гелю
Агульная інфармацыя
Назва, сымбаль, атамны нумар	Гель, He, 2
Катэгорыя элемэнту	Інэртныя газы
Група, пэрыяд, блёк	18 (VIIIA), 1, s
Адносная атамная маса	4,002602 г·моль−1
Канфігурацыя электронаў	1s²
Электронаў у абалонцы	2
Фізычныя ўласьцівасьці
Фаза	газ
Шчыльнасьць (пры п. т.)	0,0001785 г·см−3
Шчыльнасьць вадкасьці пры т. пл.	0,214 г·см−3
Тэмпэратура плаўленьня	(2,5 МПа) 0,95 K, -272 °C, -458 °F
Тэмпэратура кіпеньня	4,22 K, −268,93 °C, -452 °F
Патройны пункт	2.19 K (-271°C), 5,1 кПа
Крытычны пункт	5,19 K, 0,227 МПа
Удзельная цеплыня выпарваньня	0,0845 кДж·моль−1
Цеплаёмістасьць	(25 °C) 20,786 Дж·моль−1·K−1
Структура крышталічнай краты	hexagonal close-packed
Магнэтызм	дыямагнэтык
Цеплаправоднасьць	(300 K) 0,152 Вт·м−1·K−1
Хуткасьць гуку	(0 °C) 972 м/с
Хуткасьць гуку (лінейная)	(20 °C) 1007 м/с
Уласьцівасьці атама
Ступені затляненьня	0
Электраадмоўнасьць	5, 2
Энэргіі іянізацыі	1-я: 2372,3 кДж·моль−1
	2-я: 5250,5 кДж·моль−1
Атамны радыюс (разл.)	31 пм
Радыюс Ван дэр Ваальса	140 пм
Іншыя характарыстыкі
Нумар CAS	7440-59-7
Найбольш стабільныя ізатопы
Асн. артыкул: ізатопы гелю
іза % пэрыяд паўраспаду распад энэргія (МэВ) прадукты распаду ³He 0,000134% Стабільны ізатоп з 1 нэўтронам. 4He 99,999866% Стабільны ізатоп з 2 нэўтронамі. 5He {сын.} 7,618 • 10−22 с n 0,60 4He 6He {сын.} 806,7 мс β- 3,508 6Li 7He {сын.} 2,857 • 10−21 с n 0,60 6He 8He {сын.} 119 мс β− і n ? 7Li 9He {сын.} 1,5 • 10−21 с n ? 8He 10He {сын.} 2,7 • 10−21 с n ? 9He

Гель
Фізычныя якасьці
Малярны аб'ём	22,4 · 10−3 м³/моль
Цеплаёмістасьць	Удзельная цеплаёмістасьць cp = 5193 J/(kg•K)
NMR-якасьці
³He Сьпін ядра 1/2 гама 2,038 • 108 рад/ Т Адчувальнасьць 0,44 Лармафрэквентнасьць пры B = 4,7 Т 152 МГц
Па магчымасьці выкарыстоўваецца агульнапрынятая міжнародная сыстэма адзінак СІ. Пры адсутнасьці іншых заўваг, маюць сілу стандартныя ўмовы.

Гель — практычна інэртны хімічны элемэнт. Самы лёгкі інэртны газ у пэрыядычнай сыстэме элемэнтаў. Нетаксічны, ня мае колеру, паху і смаку. Пры нармальных умовах уяўляе сабою аднаатамны газ. Лягчэйшы за паветра. Яго пункт кіпеньня ($T=4,216K$) найменшы сярод усіх элемэнтаў; цьвёрды гель існуе толькі пры цісках вышэй 25 атм. Экстрэмальныя ўмовы неабходны для стварэньня нешматлікіх хімічных злучэньняў гелю, усе яны нестабільны пры стандартных тэмпэратуры і ціску. Прыродны гель складаецца з двух стабільных ізатопаў: ⁴He (ізатопная распаўсюджанасьць — 99,9999%) і ³Не (0,000134%). Ядро ізатопа ⁴H складаецца з двух пратонаў і двух нэўтронаў. Утрыманьне гелю-3 у розных прыродных крыніцах можа зьмяняцца ў даволі шырокіх межах. Ізатоп гель-3 утвараецца пры радыяактыўным распадзе трыту. Вядомы яшчэ шэсьць штучных радыеактыўных ізатопаў гелю. Атам гелю мае толькі адну арбіталь.

Гель займае другое месца па распаўсюджанасьці ў Сусьвеце і лёгкасьці (пасьля вадароду). Аднак на Зямлі гель сустракаецца рэдка. Практычна ўвесь гель у Сусьвеце ўтварыўся ў першыя некалькі хвілін пасьля Вялікага выбуху, у час першаснага нуклеасынтэзу. У сучасным Сусьвеце амаль увесь новы гель утвараецца ў выніку тэрмаядзернага сынтэзу з вадароду ў нетрах зорак. У Сонечнай сыстэме гель зьяўляецца другім паводле ўтрыманьня элемэнтам газавых плянэт (Юпітэра і Сатурна). На Зямлі ён утвараецца ў выніку альфа-распаду урану і тору (альфа-часьцінкі, якія выпраменьваюцца пры альфа-распадзе — гэта ядры гелю-4). Атамы гелю могуць пераадолець сілу прыцягненьня Зямлі. Частка гелю, які ўтварыўся пры альфа-распадзе і прасачыўся скрозь пароды зямной кары, захопліваецца прыродным газам, канцэнтрацыя гелю ў якім можа дасягаць 7% ад аб’ёму. Гель здабываецца з прыроднага газу фракцыйнай перагонкай.

Гісторыя

Выпрамяненьне гелю ўпершыню зарэгістравана ў 1868 годзе, калі 18 жніўня пры назіраньні поўнага сонечнага зацьменьня ў Індыі францускі астраном П. Ж. Жансэн заўважыў у спэктры выпрамяненьня сонечнай храмасфэры жоўтую лінію з даўжынёй хвалі 587,49 нанамэтраў. Першапачаткова лічылася, што гэта лінія належыць калю. 20 кастрычніка таго ж году ангельскі навуковец Д. Н. Лак’ер (па-ангельску: Joseph Norman Lockyer) прыкмеціў жоўтую лінію ў сонечным спэктры, якую ён назваў D3-лініяй. У 1871 годзе Лак’ер растлумачыў яе паходжаньне прысутнасьцю на Сонцы новага элемэнту. Ён і ангельскі хімік Эдвард Франклэнд (па-ангельску: Edward Frankland) далі гелю імя, зьвязанае з ягоным адкрыцьця (ад стар.-грэц. Ήλιο (Helio) — Сонца). Лак’ер лічыў, што адкрыты элемэнт — мэтал, таму ён выкарыстоўваў у лацінскай назьве элемэнту канчатак «-ium», якое звычайна ўжываецца ў назвах мэталаў.

26 сакавіка 1895 году ангелец сэр Ўільям Рамзай атрымаў гель узьдзеяньнем кіслот на прыродную радыеактыўную руду клевяіт. Рамзай шукаў аргон, але пасьля аддзяленьня азоту і тлену ад газу, заўважыў ярка-жоўтую лінію, што была падобна на D3-лінію спэктру Сонца. Лак’ер і брытанскі фізык Ўільям Крукс высьветлілі, што гэты газ быў гелем. Гель быў незалежна ад Рамзая выдзелены з клевяіту ў тым жа годзе хімікамі П’ерам Тэадорам Клівам і Аўраамам Ланглітам у Швэцыі, якія атрымалі дастатковую колькасьць газу для дакладнага вызначэньня атамнай масы. Гель таксама выдзяліў амэрыканскі геахімік Ўільям Фрэнсіс Хілебранд раней за адкрыцьцё Рамзая, калі ён заўважыў незвычайныя спэктральныя лініі, дасьледуючы мінэрал уранініт. Хілебранд, аднак, вырашыў, што гэтыя лініі належаць азоту.

У 1907 годзе Эрнэст Рэзэрфорд і Томас Ройдз паказалі, што альфа-часьцінкі зьяўляюцца ядрамі гелю.

Гель быў апошнім газам, які быў звадкаваны. У 1908 годзе галяндзкі фізык Гэйке Камэрлінг-Онэс звадкаваў гель, ахалоджваючы яго да тэмпэратуры ніжэй за 1К. Ён спрабаваў здабыць цьвёрды гель далейшым паніжэньнем тэмпэратуры, аднак гэта зрабіў толькі 1926 годзе яго студэнт Ўільям Хэндрык Кеесам пры ціску 25 атм.

У 1938 годзе расейскі фізык Пётар Капіца выявіў, што ў гелю-4 амаль адсутнічае вязкасьць — усяго 23 мікрапуазаў (зьява звышцякучасьці). У 1972 годзе гэтую ж зьяву для гелю-3 адкрылі амэрыканскія фізыкі Дуглас Д.Ашэраў, Дэвід М.Лі і Робэрт К.Рычардсан. У 2004 годзе зьявіліся зьвесткі аб адкрыцьці звышцякучасьці цьвёрдага гелю, аднак інтэпрэтацыя гэтай зьявы не да канца зразумела.

Атрыманьне

У цяперашні час гель выдзяляюць з прыродных гелезьмяшчальных газаў, карыстаючыся мэтадам глыбокага ахалоджваньня (гель звадкоўваецца цяжэй усіх астатніх газаў). Радовішчы такіх газаў знаходзяцца ў Расеі, ЗША, Канадзе, Кітаі, Альжыры, Польшчы і Катары. Гель утрымаліваецца ў некаторых мінэралах (манацыце, тарыяніце і іншых), пры гэтым з 1 кг мінэрала пры награваньні можна атрымаць да 10 л гелю.

Уласьцівасьці газавай фазы і плязмы гелю

Гель — найменш хімічна актыўны элемэнт восьмай групы пэрыядычнай сыстэмы элемэнтаў. Ён зьяўляецца негаручым газам. Большасьць злучэньняў гелю існуюць толькі ў газавай фазе ў выглядзе эксімерных малекул, у якіх устойлівы ўзбуджаныя электронныя станы і няўстойлівы асноўны стан. Гель утварае двухатамныя малекулы He₂, фтарыд HeF, хлярыд HeCl (эксімерныя малекулы ўтвараюцца пры дзеяньні электрычнага разраду або УФ выпраменьваньня на сумесь гелю і фтора (хлёра)). Пры стандартных тэмпэратуры і ціску гель паводзіць сябе як ідэальны газ. Фактычна пры ўсіх умовах гель монаатамны. Гель мае невялікую малекулярную масу, таму яму ўласьціва большая цеплаправоднасьць, чым у большасьці іншых газаў, акрамя вадарода, і яго ўдзельная цеплаёмістасьць надзвычай высокая. Гель таксама менш растваральны ў вадзе, чым іншыя газы. Хуткасьць яго дыфузіі скрозь цьвёрдыя матэрыялы ў тры разы вышэй, чым у паветра, і прыблізна на 65% вышэй, чым у вадарода. Прыблізны дыямэтр малекулы He₂ — 0,20 нм. Каэфіцыент праламленьня гелю бліжэй да адзінкі, чым у іншых газаў, — 1,000035 у газавай фазе. Гэты газ мае адмоўны каэфіцыент Джоўля-Томсана пры нармальнай тэмпэратуры асяродзьдзя: ён награваецца, калі яму даюць магчымасьць свабодна расшырацца ў аб’ёме. Толькі ніжэй тэмпэратуры інвэрсіі Джоўля-Томсана (прыблізна 40К пры нармальным ціску) ён астывае ў час свабоднага расшырэньня. Пасьля ахалоджваньня ніжэй гэтай тэмпэратуры, гель можа быць ператвораны ў вадкасьць пры расшыральным ахалоджваньні. Такое ахалоджваньне праводзіцца пры дапамозе дэтандэра.

У Сусьвеце гель пераважна сустракаецца ў выглядзе плязмы. У плязьме электроны і іёны ня зьвязаны паміж сабой, у выніку чаго плязма мае высокую электраправоднасьць, нават калі газ толькі часткова іянізаваны. На зараджаныя часьцінкі моцна ўзьдзейнічаюць магнітнае і электрычнае палі. Напрыклад, у сонечным ветры разам з іянізаваным вадародам, яны ўзьдзейнічаюць з магнітасфэрай Зямлі, што зьяўляецца прычынай паўночнага зьзяньня.

Уласьцівасьці кандэнсаваных фаз

Цьвёрды гель здабываецца толькі пад высокім ціскам. Бясколернае, амаль нябачнае цьвёрдае рэчыва лёгка сьціскаецца: пад высокім ціскам яно можа паменшыцца ў аб’ёме на 30%. У адрозьненьне ад іншых элемэнтаў, гель застаецца вадкім пры тэмпэратурах блізкіх да абсалютнага нуля пры нармальным ціску (гэта зьяўляецца эфэктам квантавай мэханікі: нулявы пункт тэмпэратуры занадта высокі для замярзаньня). Цьвёрды гель патрабуе тэмпэратуру 1-1,5К (каля −272 °C) і ціск 2,5 МПа. Цьвёрды гель мае крышталічную структуру.

Цьвёрды гель мае шчыльнасьць 214±0,006 кг/м³ (1,15К, 66 атм). Пры тэмпэратурах паміж 1,8К і 1,5К цьвёрды гель мае аднолькавую шчыльнасьць. Гэта можа сьведчыць аб тым, што пры тэмпэратуры 0К і пад ціскам 25 атмасфэр (мінімальны ціск для існаваньня цьвёрдага гелю) ён мае шчыльнасьць 187±9 г/м³.

Выкарыстаньне

Гель выкарыстоўваюць для стварэньня інэртнай і ахоўнай атмасфэры пры сынтэзе крэмневых і германевых крышталяў, у тытанавых і цырконавых вырабах, у якасьці атмасфэры для аховы гістарычных дакумэнтаў, пры зварцы, рэзцы і плаўцы мэталаў, якія лёгка забруджваюцца паветрам, пры перакачцы ракетнага паліва, у вытворчасьці цеплавыдзяляльных элемэнтаў, у якасьці ахалоджваючай вадкасьці ў некаторых ядзерных рэактарах, для запаўненьня дырыжабляў і аэрастатаў (гель бясьпечны для выбухаў), у якасьці кампанэнту актыўнага асяродзьдзя гель-нэонавых лазераў. Ізатоп гель-3 выкарыстоўваецца для запаўненьня газавых нэўтронных дэтэктараў, як рабочае цела гелевых цечашукальнікаў. Вадкі гель — самая халодная вадкасьць на Зямлі, што дазваляе выкарыстоўваць яго для ахалоджваньня мэталаў да звышнізкіх тэмпэратур з мэтай прыданьня ім якасьцяў звышправоднасьці. Вадкі гель выкарыстоўваецца ў ЦЭРНе для захаваньня звышнізкай тэмпэратуры у Вялікім Адронным Каляйдэры. Гель дрэнна раствараецца ў вадзе, якая зьяўляецца асноўнай часткай крыві чалавека, таму яго выкарыстоўваюць як частку газавай сумясі (80% гелю і 20% тлену), якую падаюць для дыханьня вадалазам, што дазваляе прадухіліць кесонную хваробу.