ТеорФизика
Стерлитамакский филиал БашГУ

Главная » Статьи » Химические элементы

Гелий - Helium (He)

08.02.2008 2346 0.0 Pioneer
   
   18 августа 1868 г. ожидалось полное солнечное затмение. Астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. Они надеялись разрешить тайну протуберанцев— светящихся выступов, видимых в момент полного солнечнего затмения на краях солнечного диска. Одни астрономы полагали, что протуберанцы представляют собой высокие лунные горы, которые в момент полного солнечного затмения освещаются лучами Солнца; другие думали, что протуберанцы — это горы на самом Солнце; третьи видели в солнечных выступах огненные облака солнечной атмосферы. Большинство же считало, что протуберанцы не больше, как оптический обман.
   В 1851 г., во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Европе, немецкий астроном Шмидт не только увидел солнечные выступы, но и успел разглядеть, что очертания их меняются с течением времени. На основании своих наблюдений Шмидт заключил, что протуберанцы являются раскаленными газовыми облаками, выбрасываемыми в солнечную атмосферу гигантскими извержениями. Однако и после наблюдений Шмидта многие астрономы по-прежнему считали огненные выступы обманом зрения.
   Только после затмения 18 июля 1860 г., которое наблюдалось в Испании, когда многие астрономы увидели солнечные выступы собственными глазами, а астрономам— итальянцу Секки и французу Делларю удалось не только зарисовать, но и сфотографировать их, ни у кого уже не было сомнений в существовании протуберанцев.
   К I860 г. был уже изобретен спектроскоп — прибор, дающий возможность путем наблюдений видимой части оптического спектра определять качественный состав тела, от которого получается наблюдаемый спектр. Однако в день солнечного затмения никто из астрономов не воспользовался спектроскопом, чтобы рассмотреть спектр протуберанцев. О спектроскопе вспомнили, когда затмение уже закончилось.
   Вот почему, готовясь к солнечному затмению 1868 г., каждый астроном в список инструментов для наблюдения включил и спектроскоп. Не забыл этот прибор и Жюль Жансен, известный французский солнцевед, отправляясь для наблюдения протуберанцев в Индию, где условия для наблюдения солнечного затмения по вычислениям астрономов были наилучшими.
   В момент, когда сверкающий диск Солнца был полностью закрыт Луной, Жюль Жансен, исследуя с помощью спектроскопа оранжево-красные языки пламени, вырывавшиеся с поверхности Солнца, увидел в спектре, кроме трех знакомых линий водорода: красной, зелено-голубой и синей, новую, незнакомую — ярко-желтую. Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело такой линии в той части спектра, где ее обнаружил Жюль Жан-сен. Такое же открытие, но у себя дома, в Англии, сделал астроном Норман Локиер.
   25 октября 1868 г. парижская Академия наук получиладва письма. Одно, написанное на следующий день после солнечного затмения, пришло из Гунтура, маленького городка на восточном побережье Индии, от Жюля Жансена; другое письмо, от 20 октября 1868 года, было из Англии от Нормана Лакиера.
   Полученные письма были зачитаны на заседании профессоров парижской Академии наук. В них Жюль Жансен и Норман Локиер, независимо один от другого, сообщили об открытии одного и того же «солнечного вещества». Это новое вещество, найденное на поверхности Солнца с помощью спектроскопа, Локиер предлагал, от греческого слова Солнце» — «гелиос», назвать гелием.
   Странное совпадение удивило ученое собрание профессоров Академии и в то же время подчеркивало факт открытия нового химического вещества. В честь открытия вещества солнечных факелов (протуберанцев) была выбита медаль. На одной стороне этой медали были выбиты портреты Жансена и Локиера, а на другой — изображение древнегреческого бога солнца Аполлона в колеснице, запряженной четверкой коней.. Под колесницей красовалась надпись на французском языке: «Анализ солнечных выступов 18 августа 1868 года».
   В 1895 г. лондонский химик Генри Майерс обратил внимание Вильяма Рамзая, известного английского физика-химнка, на тогда уже забытую статью геолога Хильдебранда. В этой статье ХильдебранД утверждал, что некоторые редкие минералы при нагревании их в серной кислоте выделяют газ, не горящий и не поддерживающий горения. В числе таких редких минералов был клевеит, найденный в Норвегии Норденшельдом, знаменитым шведским исследователем полярных областей.
   Рамзай решил исследовать природу газа, содержащегося в клевеите. Во всех химических магазинах Лондона помощникам Рамзая удалось купить всего только ... один грамм клевеита, заплатив за него 3,5 шиллинга1. Выделив из полученного количества клевеита несколько кубических сантиметров газа и очистив от примесей, Рамзай исследовал его с помощью спектроскопа. Результат был неожиданным: выделенный газ из клевеита оказался ... гелием!
   Не доверяя своему открытию, Рамзай обратился к Вильяму Круксу, крупнейшему в то время в Лондоне специалисту спектрального анализа, с просьбой исследовать выделенный из клевеита газ.
   Крукс исследовал газ. Результат исследования подтвердил открытие Рамзая. Так, 23 марта 1896 г. на Земле было обнаружено вещество, 27 лет назад найденное на Солнце. В тот же день Рамзай опубликовал свое открытие, отправив одно сообщение в Лондонское Королевское общество, а другое — известному французскому химику академику Бертло. В письме к Бертло Рамзай просил сообщить о своем открытии ученому собранию профессоров парижской Академии.
   Через 15 дней после Рамзая, независимо от него, шведский химик Ланглэ выделил гелий из клевеита и так же, как Рамзай, сообщил о своем открытии гелия химику Бертло.
   В третий раз гелий был открыт в воздухе, куда, помысли Рамзая, он должен был поступать из редких минералов (клевеита и др.) при разрушении и химических превращениях на земле.
   В небольших количествах гелий был найден и в воде некоторых минеральных источников. Так, например, он был найден Рамзаем в целебном источнике Котрэ в Пиренейских горах, английский физик Джон Вильям Рэлей нашел его в водах источников на известном курорте Бат, немецкий физик Кайзер обнаружил гелий в ключах, бьющих в горах Шварцвальда. Однако больше всего было обнаружено гелия в некоторых минералах. Он содержится в самарските, фергусоните, колумбите, монаците, уранините. В минерале торианите с острова Цейлон содержится особенно много гелия. Килограмм торианита при нагревании докрасна выделяет 10 литров гелия.
   Вскоре было установлено, что гелий встречается только в тех минералах, в составе которых находятся радиоактивные уран и торий. Альфа-лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия, которые присоединяя электроны, превращаются в атомы гелия.
   Гелий — прозрачный газ, без вкуса и запаха, следующий по величине атомного веса после водорода. Гелий абсолютно инертен, т.' е. не вступает ни в какие реакции. Из всех веществ гелий имеет самую низкую температуру кипения — 269°. Жидкий гелий является, таким образом, самой холодной жидкостью. «Замерзает» гелий при —272°. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля.
   Гелий — лучший газ для воздухоплавательных аппаратов. Для их наполнения обычно используется смесь гелия (85%) с водородом (15%). Огромные количества гелия (до 200 000 куб. м), в прошлом необходимые для наполнения дирижаблей, добывались, в основном, из природных газов. Сейчас дирижаблей не строят.
   Для бомбардировки крупных городов, главным образом, столиц Англии и Франции, немецкое командование в первую мировую войну использовало цеппелины. Для наполнения их употребляли водород. Поэтому борьба с цеппелинами была сравнительно простой: зажигательный снаряд, попадавший в оболочку цеппелина, поджигал водород, цеппелин мгновенно вспыхивал и сгорал. Из 123 цеппелинов, построенных в Германии за время первой мировой войны, 40 сгорело от зажигательных снарядов.
   Но однажды генеральный штаб английской армии был удивлен сообщением особой важности. Прямые попадания зажигательных снарядов в немецкий цеппелин не дали результатов. Цеппелин не вспыхнул, а медленно, по-видимому, истекая каким-то неизвестным газом, улетел обратно.
   Военные специалисты недоумевали и, несмотря на экстренное и подробное обсуждение вопроса о невоспламеняемости цеппелина от зажигательных снарядов, не могли найти нужного объяснения. Загадку цеппелина разгадал английский химик Ричард Трелфолл. В письме в адрес Британского адмиралтейства он писал: «... полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием...».
   Убедительность доводов Трелфолла, однако, снижалась фактом отсутствия в Германии значительных источников гелия. Правда, гелий содержится в воздухе, но его там мало: в одном кубическом метре воздуха содержится всего только 5 кубических сантиметров гелия. К тому же холодильная машина системы Линде, превращающая в жидкость несколько сот кубических метров воздуха в один час, могла дать за это время не более 3 литров гелия.
   3 литра гелия в час! А для наполнения цеппелина нужно 5—6 тысяч кубических метров. Для получения такого количества гелия одна машина Линде должна бы работать без остановки около двухсот лет, двести таких машин дали бы нужное количество гелия в один год. Постройка 200 заводов по превращению воздуха в жидкость для получения гелия экономически весьма невыгодна, а практически бессмысленна.
   Откуда же немецкие химики получали гелий?
   Этот вопрос, как выяснилось позже, был решен германским империализмом сравнительно просто. Задолго до войны, немецким пароходным компаниям, возившим товары в Индию и Бразилию, дано было указание грузить возвращающиеся пароходы не обычным балластом, а мо-нацитовым песком, который содержит гелий. Так был создан запас «гелиевого сырья» — около 5 тысяч тонн мона-цитового песка, из которого и получался гелий для цеппелинов. Кроме того, гелий добывался из воды минерального источника Наугейм, дававшего до 70 кубических мет¬ров гелия ежедневно.
   Случай с несгораемым цеппелином явился толчком для новых поисков гелия. Гелий стали усиленно искать химики, физики, геологи. Он неожиданно приобрел огромную ценность. В 1916 г. 1 кубометр гелия стоил 200 000 рублей золотом, т. е. 200 рублей литр. Если учесть, что литр гелия весит 0,18 грамма, то 1 грамм его стоил свыше 1000 рублей.
   Гелий сделался объектом охоты коммерсантов, спекулянтов, биржевых дельцов. Гелий в значительных количествах был обнаружен в природных газах, выходящих из недр Земли в Америке, в штате Канзас, где после вступления Америки в войну, близ города Форт-Уорс был построен гелиевый завод. Но война закончилась, запасы гелия остались неиспользованными, стоимость гелия резко упала и составляла в конце 1918 г. около четырех рублей за кубический метр.
   Добытый с таким трудом гелий был использован только в 1923 г. для наполнения теперь уже мирного дирижабля «Шенандоа». Он был первым и единственным в мире воздушным грузопассажирским кораблем, наполненным гелием. Однако «жизнь» его была непродолжительна. Через два года после своего рождения «Шенандоа» был уничтожен бурей. 55 тысяч кубических метров, почти весь мировой запас гелия, собиравшийся в течение шести лет, бесследно рассеялся в атмосфере во время бури, длившейся всего 30 минут.
   В водолазном деле гелий используется для получения искусственного воздуха. Искусственный воздух, в составе которого азот частично заменен гелием, применяется для облегчения дыхания водолазов, работающих под особенно большим давлением.
   Как известно, растворимость газов в жидкостях при прочих равных условиях прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, подобно шампанскому при открывании бутылки, вспениваются от массы пузырьков азота. Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессоновой болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма постепенно, медленно. При этом избыток растворенных газов выделяется также медленно, постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит.
   С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину спускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания их под водой.
   «Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать «гелиевым» воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании дыхательных мышц и некоторых других болезнях, связанных с актом дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
   Гелий применяется также в технике получения низких температур.