Гелий – второй по распространённости элемент во Вселенной. Но как это ни парадоксально, этот элемент был открыт относительно недавно. Поскольку его не очень легко найти на Земле. И нужно знать, где искать. Дело в том, что гелий ни с чем не реагирует и очень быстро улетучивается из атмосферы.
К середине 19 века астрономы, используя спектроскопию, обнаружили в солнечном спектре линии многих известных тогда элементов. Но одна из линий не подходила ни к одному из них. И тогда французский астроном Пьер Жансен, первый увидевший её, подумал, что это может быть… ммм… натрий? Но почему именно натрий? Просто Жансен любил натрий с детства. И даже собаку назвал таким странным именем. И жена у него была Натрий Петровна Жансен. Именно поэтому он решил, что эта неизвестная линия принадлежит натрию. Ну а что это ещё может быть? Не лавсановые волокна же, в конце концов (шутка)!
Мы назовём его гелий!
Однако английский астроном Норман Локьер не согласился с французом. И разместил в соцсетях сообщение, что «только сегодня ночью! Марс приблизится к Земле и будет размером с Луну!». Потом немного подумал и удалил пост за кликбейт и кинул свой аккаунт в бан (шутка).
Англичанин первым понял, что это линия какого-то неизвестного на Земле элемента. И выходило так, что учёные обнаружили его, даже не прикоснувшись к нему руками! Локьер позвал в гости химика Эдуарда Франкленда. Тот пришёл с огромным клубничным тортом. Друзья налили чаю и решили дать название новому элементу. Франкленд предложил название «гелик» в честь своего нового внедорожника. Локьер был в принципе не против, но тоже хотел поучаствовать в этом процессе и предложил заменить в названии одну букву, дабы отдать дань уважения Жансену, и добавить в конце слова «гелик» вместо буквы «к» букву «й». Чтобы было как у натрия (шутка).
На самом деле учёные назвали новый элемент «гелий» в честь греческого бога Солнца Гелиоса.
Гелий имеет два протона и, следовательно, два электрона (если только он не ионизирован). Как мы уже узнали в одной из предыдущих статей, количество нейтронов не слишком важно для свойств химического элемента. Но тем не менее стоит отметить, что самый распространённый изотоп гелия имеет два нейтрона. По этой причине атом гелия значительно тяжелее атома водорода. Примерно в четыре раза.
Однако на этом различия между элементами не заканчиваются.
Атомные луковицы
Вы все, друзья мои, прекрасно знаете, что электроны вокруг атомных ядер распределены в так называемых электронных оболочках.
Первая оболочка (ближайшая к ядру) может содержать два электрона. На второй может поместиться уже восемь электронов. И что очень важно, структура атома стабильна только в том случае, когда все его слои заполнены. Это если говорить очень упрощённо. Можно представить себе это так: атом подобен луковице. И по мере добавления электронов вокруг его центра образуются некие «слои». Атом стабилен, когда луковица имеет закрытые, полные и совершенные слои.
Поскольку электроны всегда «падают» на самый низкий доступный энергетический уровень (если не происходит нечто странное), все электронные оболочки будут заполнены, кроме, в большинстве случаев, последней. Но бывает и так, что заполнены все оболочки.
Наберите воздуха в грудь и представьте себе атом водорода: у него только один электрон, поэтому у него есть только первая оболочка, и даже она неполная. Но ведь на ней может поместиться еще один электрон! Именно поэтому атомарный водород нестабилен. И как только у него появляется возможность ассоциироваться с другими атомами, он это немедленно делает! Поскольку это позволяет ему заполнить электронную оболочку и стать стабильным. Именно поэтому водород очень легко реагирует с другими элементами. И очень хорошо горит.
Но как насчёт гелия? У него два электрона… и его оболочка заполнена. Гелий подобен мини-луковице с одним идеальным закрытым слоем. Или можно себе представить двухместное купе СВ. Вы резко дёргаете ручку двери вправо, а в купе две полки и на них сидят два пассажира. У них всё чётко, счастливые лица и они не хотят ни с кем реагировать. Купе заполнено.
Вот так же и гелий. Он энергетически стабилен, и ему не нужно вступать в реакцию с каким-либо другим атомом, чтобы достичь уже имеющегося у него покоя. По этой причине гелий ни с кем не вступает в реакцию (разве что в очень экстремальных условиях), как надменный дворянин (дон Румата), который не смешивается с толпой. Это благородный газ.
Неуловимый Джо
Поскольку гелий всё же очень лёгкий газ, как и водород, он быстро улетучивается из атмосферы. А так как с другими элементами он не реагирует, то и в каких-либо химических соединениях его найти нельзя. Вот почему потребовалось так много времени, чтобы понять, что гелий вообще существует. Даже несмотря на то, что 1 из 4 килограммов известного вещества во Вселенной – это гелий.
У гелия есть и другие интересные свойства: имея очень лёгкие атомы, он очень хорошо проводит тепло (для газа), а также звук (который в гелии распространяется в три раза быстрее, чем в воздухе). Гелий прозрачен, и не имеет вкуса и запаха. Он ни с чем не вступает в реакцию, не горюч, не токсичен, короче просто идеален во всех отношениях. И всё же гелий в некоторых случаях может быть опасен. И ниже мы поговорим об этом.
Увидеть жидкий гелий можно. Но для этого нужна очень низкая температура (при атмосферном давлении): около 269 градусов ниже нуля, всего на 4 градуса выше абсолютного нуля. На самом деле можно даже увидеть твёрдый гелий, но для этого нужна не только очень низкая температура (272 ниже нуля), но и огромное давление (примерно в 25 раз больше атмосферного). Да, Вы всё правильно прочитали: если взять гелий и охладить его при атмосферном давлении до температуры 0 К, он все равно останется жидким!
Твёрдый гелий несмотря на то, что он твёрдый, очень лёгкий: кусок такого материала будет плавать в воде. Но это, к сожалению, физически невозможно, поскольку жидкая вода при таких условиях не может существовать.
Где найти гелий?
Но откуда берётся гелий, который используют люди? Оказывается, помимо его основного источника во Вселенной (ядерный синтез в звёздах), ядра гелия (альфа-частицы) также образуются при спонтанном радиоактивном распаде таких элементов, как уран или торий. Поэтому приличное количество гелия остаётся в природных «ловушках» под землёй, обычно в резервуарах, которые также содержат природный газ.
И по этой причине при добыче природного газа к нему часто примешивается гелий. Иногда его содержание достигает 7%. Оттуда его извлекают путём селективной дистилляции.
В основном используются такие свойства гелия, как низкая плотность и инертность. Это очень безопасный газ для использования в воздушных шарах, дирижаблях и т. д. Также гелий используется в качестве хладагента, поскольку он остаётся жидким при температурах до 2K, и при этом очень хорошо проводит тепло. Считается, что гелий является оптимальным хладагентом, если нужно, чтобы что-то было очень-очень холодным. Например, сверхпроводящие магниты Большого Адронного Коллайдера охлаждаются с помощью жидкого гелия.
Трюк с вдыханием гелия и смешным голосом хорошо известен: голос получается очень высоким. Причина такого явления заключается в том, что при заполнении лёгких этим газом частота генерируемого звука (которая пропорциональна скорости звука в среде) увеличивается, становясь более высокой.
Будьте осторожны!
Однако в этом есть определённая опасность. Нет, не потому что гелий токсичен. А потому что, как было сказано выше, он ни с чем не реагирует. Дело тут вот в чём.
Наш мозг посылает сигнал «я умираю», в тот момент, когда концентрация углекислого газа выше, чем должна быть: если, например, засунуть голову в целлофановый пакет, СО2 будет становиться все больше, а кислорода все меньше. Мозг начнёт это понимать, и примется формировать соответствующие сигналы. Таким образом, он начинает что-то делать до того, как возникнет серьёзная опасность. То же самое происходит, если просто задержать дыхание: в лёгких начнёт увеличиваться концентрация углекислого газа.
Но когда Вы вдыхаете гелий, он вытесняет кислород из ваших лёгких, и Вы начинаете дышать уже не кислородом. Но также гелий вытесняет и углекислый газ. И мозг не понимает, что началось удушье. И это состояние может быть опасно, потому что Вы не осознаете нехватку кислорода, пока у вас не закружится голова. Это, конечно, не чрезвычайная опасность, но если Вы будете делать трюк с голосом, убедитесь, что не делаете это слишком долго. После окончания шутки выбросите весь гелий из лёгких и как можно скорее выйдете на свежий воздух.
Итак, давайте подведём итог: гелий – это инертный газ, он очень лёгкий. Это первый элемент, обнаруженный за пределами нашей планеты (несмотря на то, что он существует на ней). Гелий полезен, и при правильном обращении, абсолютно безопасен.
Всем добра!