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维基百科:氦

来源:庞名立 供稿 日期:2019-10-09 浏览量:

本资料来自维基百科,后面附有地层氦的发现者威廉·拉姆齐爵士的资料。

 

氦(希腊语:ἥλιος,转写:Helios,直译:太阳;英语:Helium;旧译作氜)简写为He,其原子序为2,原子量为4.002602。是一种无色,无臭,无味,的惰性单原子气体。同时,在元素周期表上,它也是稀有气体的第一个元素。沸点为所有元素中最低的。继氢原子之后,氦是可观宇宙中第二轻且含量第二高的元素,在全宇宙的质量中大约占了24%,是其他较重双原子分子的12倍。它的总含量和太阳木星内的比例十分相似。这是因为和接下来三个元素比较起来,氦-4有非常高的核结合能(每个核子中)。而它的高结合能也能解释为何它是核聚变核衰变的产物。-4是宇宙中氦最主要的同位素,最广泛的来源形成于大霹雳时期。而新的氦形成于恒星内部的核聚变反应。

氦是以希腊神话中泰坦族的太阳神-赫利奥斯命名。氦的首次发现是由乔治斯·雷页特, C. T. 海格上尉,诺曼 R.波格森和 约翰·赫歇尔中尉在1868年的日全食观测到一条未知的黄色光谱,后来被法国的天文学家侏尔斯·詹森证实有这条光谱,同时约瑟夫·诺曼·洛克耶也独力在英国发现一样的结果。人们认为发现氦是侏尔斯·詹森和约瑟夫·诺曼·洛克耶的功劳。而洛克耶也是第一个提出这条光谱是来自一种新的元素,并命名此元素。而正式的发现则是在1895年由瑞典的两位化学家·特奥多尔·克利夫尼尔斯·朗勒特从沥青铀矿中分离出氦。在1903年,在美国发现大存量的天然氦气井,直到现在依旧为氦气的最大供应商。

而液态氦则用于低温(单用氦的最大宗,占了四分之一),特别是在超导磁体的冷却中,主要的商业应用是在MRI扫描仪中。 在工业上,氦气有许多用途。例如:作为加压和吹扫气体、电弧焊接时的保护气体、及参与制造晶体的化学反应过程(如制造硅晶圆时,氦气占所产生气体的一半)。日常生活中的小用途则是作为气球或飞艇上升所需的气体。与密度和空气密度不同的任何气体一样,吸入少量氦气会暂时改变人声的音调。在科研方面,氦(4He)两个流体相(He I & He II)的表现性,对于科学家在研究量子力学(特别是超流动性的性质)及观察如超导电性(产于近乎绝对零度)的现象是很重要的。

地球上,它在大气中的浓度为5.2 ppm,较为稀少。今天陆地上大多数存在的为氦是由重放射性元素(例如的天然放射性衰变)产生的,这种衰变会发射出由氦-4核组成的α粒子。该放射性氦被天然气捕获,其体积浓度可高达7%,而后再经过分馏的低温分离过程,以进行商业提取。先前,地球上的氦为不可再生资源,因为一旦释放到大气中,它很容易逃逸到太空,人们认为这种情况将会使氦日益短缺。[8][9][10]然而,近来的研究指出,透过辐射衰变生成于地球深层的氦气,在某些情况下透过火山运动被释放,使得大气中能被收集的氦气量比预期的更多。

目录

·         1发现

·         2名称由来

·         3分布

·         4性质

·         5制备

·         6同位素

·         7用途

·         8图片

·         9其他

o    9.1对声音的影响

o    9.2过度使用所产生的问题

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。1868818,法国天文学家皮埃尔·让森印度贡土尔观测日全食时,发现了这条波长为587.49 nm的谱线。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谱线产生的D1线和D2的波长相似,洛克耶将其命名为D3线。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金属[来源请求]元素。洛克耶和英国化学家爱德华·弗兰克兰以希腊语中的ἥλιος(helios,意为“太阳”)一词,将这一元素命名为Helium。

1881年,意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里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。

1895年3月26日,苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士将钇铀矿(一种沥青铀矿,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。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,且氦非金属元素。同一年,两位化学家·特奥多尔·克利夫尼尔斯·朗勒特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。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。

1907年,欧内斯特·卢瑟福托马斯·罗伊兹α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。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·科索姆在低温下向氦加压,制得了1 cm3的固态氦。

1938年,苏联物理学家彼得·列昂尼多维奇·卡皮察发现-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。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·、以及罗伯特·科尔曼·理查森发现-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。

1903年,在堪萨斯州的德克斯特镇区的一场钻油作业中,产生了一种不会燃烧的气体间歇泉。堪萨斯州的地质学家伊拉斯谟斯·哈沃斯收集了这些溢出气体的样本,并带回劳伦斯郡的堪萨斯大学,在化学家汉密尔顿·卡迪戴夫·麦可法兰德的协助下,发现这种气体是由72%、15%甲烷、1%、12%的不明气体所组成。进一步的分析后,汉密尔顿·卡迪戴夫·麦可法兰德发现样本中1.84%是氦。这显示了氦气虽然在地球上很罕见,但大量集中在北美大平原地区,可视作天然气副产品并从中萃取。

这项发现也使美国成为全世界氦气的主要供应者。在理查德·特雷尔福尔理查德·特雷尔福尔爵士的建议下,第一次世界大战中,美国海军赞助了三座小型的氦气实验工厂。工厂的目标是提供比空气轻的不可燃气体供防空气球使用。在这个计划中,尽管先前已经获得了不到一立方米天然气,但该计划共生产了5,700立方米(200,000立方英尺)的92%氦气。某些部分也运用在全球首艘氦气飞船──美国海军的C-7飞船,在1921年12月1日[35]维吉尼亚汉普顿锚地首航至华盛顿哥伦比亚特区的博林地区。比起美国海军飞机工厂制造,在1923年9月启航的第一艘硬式氦气飞艇─雪南多亚号─将近提早了两年。

虽然萃取过程中运用的低温气体液化技术,在第一次世界大战时期间没有及时发展,但生产依然继续进行。氦气主要用于航空器中轻于空气的举升气体。在第二次世界大战中,因为举升气体与氦气屏蔽电弧焊接的用途,氦气的需求逐渐增加,而氦质谱仪在制作原子弹曼哈顿计划中也非常重要。

1925年,为了供应战争时期军事飞艇、和平时期商业飞艇,美国政府在德克萨斯州阿马里洛启用了国家氦储备。1925年的氦气法修正案,禁止出口氦气,使美国得以独占氦气生产,随着使用氦气的巨额花费,兴登堡飞船,如同所有的齐柏林飞船,被迫使用氢气当作举升气体。氦气市场在第第二次世界大战之后开始消沉,但为了确保液态氦的供应,储备在1950年代开始扩大,在太空竞赛冷战当作制作氢氧火箭推进剂(及其他用途)的冷却液。在1965年在美国使用的氦气是战时高峰消耗量的八倍多。

在1960年的氦气法修正案(美国公法86–777)通过后,美国矿业局安排了五间私人工厂从天然气当中提取氦气。因应氦气保存计划,当局在堪萨斯州的布什顿建造了425英里(684公里)的管线,将这些工厂与德克萨斯州阿马里洛附近政府部分耗尽的克利夫塞天然气田连接起来。这些氦-氮混合物被注入并储存在克利夫塞天然气田,直到需要时再进一步的纯化。

到了1995年,收集与保存10亿立方米的气体花费了14亿美元的债务,促使美国国会在1996年淘汰储备。1996年的氦气法修正案[40](美国公法104–273)便针对美国内政部,要求清空储备,并于2005年开始销售。[41]

氦气生产纯度在1930到1945年间大约为98.3%(2%氮气),为飞艇提供充足的燃料。在1945年,少量的99.9%氦气作为焊接用途。到了1949,就可取得商业量的A级99.5%氦气。

多年以来,美国生产全球超过90%商业用氦气,其余的是由在加拿大波兰俄罗斯和其他国家的萃取工厂制造。在1990年代中期,位于阿尔及利亚阿尔泽的新工厂开始作业后,制造了1700万立方米(6亿立方英尺),足够供应全欧洲的需求。同时,截至2000年,美国国内的氦气消耗量每年已成长超过1500万公斤。[43]在2004至2006年间,在拉斯拉凡、卡塔阿尔及利亚的斯基克达建立了更多的工厂。阿尔及利亚迅速成为氦气制造的第二大国。[44]透过这次扩建,氦气的消耗量与生产成本都向上提升。从2002到2007年,氦气的价格翻了一倍。至2012年,美国国家氦储备占了全球30%的氦气,预估在2018年消耗殆尽。尽管如此,美国参议院所提议的法案仍允许继续贩售。其他大型储备位于美国堪萨斯州的休哥顿和附近的天然气田,以及德克萨斯州奥克拉荷马州突出部。新的工厂预估在2012年于卡塔俄罗斯美国怀俄明州,但他们不被预期能缓解短缺。

在2013年,卡塔启用了全球最大的氦气工厂,虽然2017年卡达外交危机严重影响当地的氦气生产。 2014年被广泛认定为氦气贸易供过于求的一年,但随后几年却是明显的短缺。那斯达克报导(2015年)三福气体股份有限公司(Air Products)─一家销售工业用气体的国际公司─由于原料供应的限制,氦气量仍然处于经济压力之下。

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”(法文为hélium,英文为helium),源自希腊语ήλιος,意为“太阳”。

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。1915年,由中华民国教育部颁布的《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。

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。在地球大气层中,氦的浓度十分低,只有体积比百万分之5.2。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。

性质[编辑]

氦气是所有气体中最难液化的,沸点仅为4.22K,这源于氦极低的极性。同时,氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质,也没有三相点。基于类似的原因,氦在水中的溶解度也极小,20°C时每升水中仅能溶解8.61毫升。

液氦在温度降至2.178 K(−271 ℃)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,称为氦(II),正常的液氦称作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小,能沿容器壁向上流动,直到两边液面等高。此时的氦热传导性为的800倍,成为导热性能极佳的热导体。其比热容压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性质是能穿透许多常见材料,如PVC、橡胶与大部分玻璃,所以玻璃杜瓦瓶无法用于液氦的操作[53]

氦的化学性质非常不活泼,一般状态下不会和其他物质发生反应,但目前已获得在高于113GPa压力下热力学稳定的Na2He,并且可能存在15GPa条件下结构类似的Na2HeO。

▲ 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。

合成氨法:在合成中,从尾气经分离提纯可得氦。

▲ 空气分馏法:从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。

▲ 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

现时已知的氦同位素有八种,包括34568等,但只有氦3和氦4是稳定的,其余的均带有放射性。在自然界中,氦同位素中以氦4占最多,多是从其他放射性物质的α衰变放出α粒子(氦4原子核)而来。氦3的含量在地球上极少,而在月球上储量巨大,它们均是由超重氢()的β衰变所产生。

由于氦很轻,而且不易燃,因此它可用于填充飞船、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,或用于治疗气喘和窒息。

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。

由于化学性质极其稳定,一般不与其它物质发生反应,氦气也用于防腐,毛泽东水晶棺内的气体即为氦气[55]

威廉·拉姆齐爵士,KCB(英语:Sir William Ramsay,1852年10月2日-1916年7月23日),英国化学家,1904年诺贝尔化学奖获得者。[1]


目录

·         1早期经历

·         2学术研究

·         3生活

·         4参考文献

·         5外部链接

早期经历[编辑]

威廉·拉姆齐1852年出生于格拉斯哥。其舅父安德鲁·拉姆齐是一位地质学家[2]

威廉·拉姆齐从格拉斯哥学院毕业后,进入格拉斯哥大学,期间师从化学家托马斯·安德森。后来又到德国图宾根大学,在另一位化学家威廉·鲁道夫·菲蒂希的指导下完成博士论文(Investigations in the Toluic and Nitrotoluic Acids)。博士毕业后,他回到格拉斯哥,在安德森学院担当托马斯·安德森的助手。1879年,拉姆齐被布里斯托尔大学任命为化学教授。1881年,他与玛格丽特·布坎南(Margaret Buchanan)结婚。[2]

学术研究[编辑]

1887年起,威廉·拉姆齐到伦敦大学学院担任化学系主任。他一生最著名的研究成果正是出自这一时期。1885年至1890年间,他发表了几篇关于氮氧化物的重要论文。这些研究为他后来更杰出的成果奠定了基础。[2]

1894年4月19日傍晚,拉姆齐参加了瑞利举办的一个讲座。瑞利此前发现用亚硝酸铵分解法得到的氮气与从空气中提取到的“氮气”具有不同的密度。瑞利与拉姆齐讨论后决定共同探索这一现象的原因。他们立即在各自的实验室里对此展开研究,并几乎每天保持联络,互相通报工作的进展情况。同年8月,拉姆齐和瑞利宣布发现元素[2][3]1895年,他从钇铀矿中分离出,证明了这种之前仅被法国天文学家皮埃尔·让森在太阳光谱中观测到的元素在地球上也存在。[4]随后的几年,拉姆齐又相继发现了[2]1903年,他与弗雷德里克·索迪合作在放射中探测到氦。[2]1910年,他与罗伯特·怀特洛-格雷一起分离出,并测定其密度为已知气体中最高。[5]

1904年,因为“发现空气中的惰性气体元素,并确定它们在元素周期表中的位置”,威廉·拉姆齐被授予诺贝尔化学奖。[1]

生活[编辑]

威廉·拉姆齐居住在白金汉郡海威科姆,直至1916年7月23日因鼻癌去世。海威科姆有一所建于1976年的中学为纪念威廉·拉姆齐而被命名为“威廉·拉姆齐爵士中学

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