| 词条 | 氦 |
| 释义 | 氦（Helium），为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文，原意是“太阳”。1868年有人利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦。氦在通常情况下为无色、无味的气体，氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦是最不活泼的元素，基本上不形成什么化合物。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。 汉字部首笔画 部首:气 部外笔画:6 总笔画:10 五笔86:RNYW 五笔98:RYNW 仓颉:ONYVO 笔顺编号:3115415334 四角号码:80817 Unicode:CJK 统一汉字 U+6C26 基本字义1. 一种气体元素，无色、无臭，可用来填充灯泡和霓虹灯管，亦用来制造泡沫塑料。液态氦常用做冷却剂。 详细字义 〈名〉 1. 化学元素名。一种极轻的无色惰性气态元素,是所有气体中最难液化的,存在于整个宇宙中,但只在某些天然气中含有在经济上值得提取的量,主要用于填充飞艇和气球 [helium]——元素符号He 常用词组 1. 氦氖激光器 hài-nǎi jīguāngqì [neon-helium laser] 一种用氦氖混合气体作为工作物质的连续波气体激光器,能输出6328埃红色光束 异体字:氜 汉字首尾分解:气亥 汉字部件分解:气亥 笔顺编号:3115415334 笔顺读写:撇横横折捺横折撇撇捺 概述拼音：hài 元素符号He，原子序数2，原子量4.002602（氦4），为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文。氦在空气中的含量为0.0005%。氦有两种天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上是氦4。相对原子质量为4.003 氦，原子序数2，原子量4.002602，为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文，原意是“太阳”。1868年有人利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦。后有人用无机酸处理沥青铀矿时得到一种不活泼气体，1895年英国科学家拉姆赛用光谱证明就是氦。以后又陆续从其他矿石、空气和天然气中发现了氦。氦在地壳中的含量极少，在整个宇宙中按质量计占23%，仅次于氢。氦在空气中的含量为0.0005%。氦有两种天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上全是氦4。 氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2°C(25个大气压)，沸点-268.9°C；密度0.1785克/升，临界温度-267.8°C，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61厘米3/千克水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时，性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍，并变成超导体；其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。 氦是所有元素中最不活泼的元素，基本上不形成什么化合物。因为氦的原子核到电子层距离很小，并且达到了稳定结构。它的性质便决定了用途，氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂等等。CAS号：7440-59-7 物理性质氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2℃(25个大气压)，沸点-268.9℃；密度0.1785克/升，临界温度-267.8℃，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61立方厘米/千克水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时，性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍，并变成超导体；其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。 化学结构外围电子排布：1s2 电子层：K 电离能(kJ/ mol) M - M+ 2372.3 M+ - M2+ 5250.4 核外电子排布:2 晶体结构：晶胞为六方晶胞。 热导率：151.3 W/(m·K) 常见化合价:0 元素类型：非金属 自然界含量地壳中含量：0.008（ppm） 原子体积：19.5(立方厘米/摩尔) 元素在太阳中的含量:230000(ppm) 元素在海水中的含量：0.000006 发现过程发现人：让桑、洛基尔 发现过程：1868年，法国的让桑（驻印度），英国的洛基尔，分别同时从日冕光谱内发现太阳中有新元素，即氦。后有人用无机酸处理沥青铀矿时得到一种不活泼气体，1895年英国科学家拉姆赛用光谱证明就是氦。以后又陆续从其他矿石、空气和天然气中发现了氦。氦在地壳中的含量极少，在整个宇宙中按质量计占23%，仅次于氢。 元素描述是惰性元素之一。其单质氦气，分子式为 He，是一种稀有气体，无色、无臭、无味。它在水中的溶解度是已知气体中最小的，也是除氢气以外密度最小的气体。密度0.17847克/升，熔点-272.2℃（25个大气压）。沸点-268.9℃。它是最难液化的一种气体，其临界温度为-267.9℃。临界压力为2.25大气压。当液化后温度降到-270.98℃以下时，具有表面张力很小，导热性很强，几乎不呈现任何粘滞性。液体氦可以用来得到接近绝对零度（-273.15℃）的低温。化学性质十分不活泼，既不能燃烧，也不能助燃。氦也是最难液化的气体。 来源地球上的氦主要是放射性元素衰变的产物，α粒子就是氦的原子核。在工业中可由含氦达7%的天然气中提取。也可由液态空气中用分馏法从氦氖混合气体中制得。 制备方法天然气分离法：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：在合成氨中，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。 元素用途用它填充电子管、气球、温度计和潜水服等。也用于原子核反应堆和加速器、冶炼、和焊接时的保护气体。还有飞艇制作。 发现过程1868年8月18日，法国天文学家让桑赴印度观察日全食，利用分光镜观察日珥，从黑色月盘背面如出的红色火焰，看见有彩色的彩条，是太阳喷射出来的帜热其他的光谱。他发现一条黄色谱线，接近钠光谱总的D1和D2线。日蚀后，他同样在太阳光谱中观察到这条黄线，称为D3线。1868年10月20日，英国天文学家洛克耶也发现了这样的一条黄线。 经过进一步研究，认识到是一条不属于任何已知元素的新线，是因一种新的元素产生的，把这个新元素命名为 helium，来自希腊文helios（太阳），元素符号定为He。这是第一个在地球以外，在宇宙中发现的元素。为了纪念这件事，当时铸造一块金质纪念牌，一面雕刻着驾着四匹马战车的传说中的太阳神阿波罗（Apollo）像，另一面雕刻着詹森和洛克耶的头像，下面写着：1868年8月18日太阳突出物分析。 过了20多年后，拉姆赛在研究钇铀矿时发现了一种神秘的气体。由于他研究了这种气体的光谱，发现可能是詹森和洛克耶发现的那条黄线D3线。但由于他没有仪器测定谱线在光谱中的位置，他只有求助于当时最优秀的光谱学家之一的伦敦物理学家克鲁克斯。克鲁克斯证明了，这种气体就是氦。这样氦在地球上也被发现了。 液氦概述在本世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。 前面已经讲过拉姆赛在空气中找氦气的故事。在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。 要冷到什么程度，氦才会变成液体呢？ 前面已说过，英国物理学家杜瓦（Dewar）在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。包括杜瓦和卡美林·奥涅斯在内的科学家们和决心把氦气也变成液体。 制取1908年7月13日晚，荷兰物理学家卡美林·奥涅斯（Heike Kamerlingh Onnes昂纳斯）和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。 要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气就变成了液体。 液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。 液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269℃就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。 多少年来，全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。 在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。 性质超流动性 液态氦的奇妙之处还不在于低温。 卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不满足，还想使温度进一步降低，以得到固态氦。他没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的），却得到了一个没有预料到的结果。 对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271℃的时候，怪事出现了，液态氦突然停止起泡，变成像水晶一样的透明，一动也不动，好像一潭死水，而密度突然又减小了。 这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦做氦Ⅱ。 把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是过了一会，杯底出现了液态氦，慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。 把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。看，玻璃杯底下出现了液氦，一滴，两滴，三滴……不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗？不，玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢？ 原来氦Ⅱ是能够倒流的，它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象，只有在低温世界才会发生。这种现象叫做“超流动性”，具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。 后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。 在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。 氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。 超导现象 大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧！各种物质放在液态氦里，情况就更奇妙了。 看！在液氦的温度下，一个铅环，环上有一个铅球。铅球好像失去了重量，会飘浮在环上，与环保持一定距离。 再看！在液氦的温度下，一个金属盘子，把细链子系着磁铁，慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，链子松了，磁铁浮在盘子上，怎样也不肯落下去。 真像是到了魔术世界！这一切，只能在液态氦的温度下发生。温度一升高，魔术就不灵了，铅球落在铅环上，磁铁也落在金属盘子里了。 这是低温下的超导现象。 原来，有些金属，在液态氦的温度下，电阻会消失；在金属环和金属盘中，电流会不停地流动而产生磁场。这时候，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。 在低温下，出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。 目前，世界各国的物理学家还在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化，会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。 氦，这个奇妙的物质，一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦，通过科学实验，不断地为氦写下一页又一页新的历史。 挑战极限物理学家不仅仅得到了液态氦，还得到了固态氦，他们正在向绝对零度进军（物理学把零下273.15℃叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标，用K表示。0K就是-273.15℃，而273.15K就是0℃）。从理论上讲，绝对零度是达不到的，但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2度，液态氦的沸点是绝对温标4.2度。在绝对温标2.19度的时候，氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年，利用“绝热去磁”法，使液态氦冷到绝对温标0.0034度；1957年，达到绝对温标0.00002度；目前已达到跟绝对零度只相差0.000001度了。 天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦，以后的命运又如何呢？他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星，中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心，氢原子核已经都变成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同时放出大量的能。这类恒星像心脏一样，一会儿膨胀，一会儿收缩，很有规律。为什么会这样？这也是因为氦在起作用。 天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值，有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。 氦的历史并没有完，人类认识氦的历史也没有完，而我们这本讲氦的故事的小册子，却不得不结束了。 要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢？是天文学家詹森和罗克耶吗？是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗？是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗？当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功劳。 很难说。在人类认识氦的历史上，他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素，但是发现它和认识它，是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利，决不是某一个人的力量能够完成的。 科学是没有平坦的道路可走的，只有不畏艰险不怕困难的人才能攀登科学的高峰。通过氦的发现的历史，我们看到许多科学家们正是这样勇于实践的人。他们有严谨的科学态度，对于实验中的一点细微现象——一个小气泡，第三位小数的细微差异，也不放过。他们不但爱问为什么，而且千方百计地去寻找答案。他们埋头苦干，几个月、一年、几年坚持不懈，终于由纷乱的谜团中找出头绪，得到了解答。他们永远不满足已有的成绩，而是深入一步、再深入一步地钻研。人们对氦的认识就是这样逐步深入的。到现在为止，谁也不敢这样说：“氦，我们已经完全认识清楚了。” 同位素现在已知的氦同位素有八种，包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8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，放出氦4原子核而来。而在地球上，氦3的含量极少，它们均是由超重氢（氚）的β衰变所产生。 主要同位素氦-4 下表为液氦（氦4）的一些基本物理性质（某些参数测定时的状态不详）： 正常沸点/K 4.224 密度/kg/m^3 124 96 蒸发热/kJ/kg 20.73 比热/kJ/(kg·K) 4.56 粘度/MPa·s 3.57 热导率/mW/(m·K) 2.72 介电常数 1.0492 临界温度/K 5.2O1 临界压力/MPa 0.227氦-3 氦3是自然界中氦的稳定同位素，原子量为3.016，原子核由2个质子和一个中子组成。通常情况下，氦3为无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体，在0℃及0.101325MPa下密度是0.1345kg/m。 下表为液氦（氦3）的一些基本物理性质： 正常沸点/K 3.191 密度/kg/m^3 82.3 蒸发热/J/mol 20.56 1.0K时的比热/J/(mol·K) 4.222 3.2K时的粘度/mPa·s 3.57 3.2K时的热导率/mW/(m·K) 20 临界温度/K 3.324 临界压力/MPa 0.115 其他同位素氦-2:它的原子核只有2个质子，到目前为止只是假想粒子，但如果强核力增强2%，它就有可能存在。 氦-5，是氦的同位素之一，元素符号为He。它的原子核由二颗质子和三颗中子所组成。并带有放射性，会放出中子，其半衰期为0.6 MeV。 氦-6:原子核包含2个质子和4个中子，非常不稳定。 氦-7:原子核包含2个质子和5个中子，会衰变成氦-6，非常不稳定。 氦-8:原子核包含2个质子和6个中子，非常不稳定。 氦-9:原子核包含2个质子和7个中子，非常不稳定。 氦-10:原子核包含2个质子和8个中子，非常不稳定。 表格数据符号 Z(p) N(n) 同位素质量(u) 半衰期 原子核自旋 相对丰度 相对丰度的变化量 HE2 2 0 2.02946 # 非常不稳定(假想粒子) # 0+ #（推测） 0 未知 HE3 2 1 3.0160293191(26) 稳定 1/2+ 0.00000134(3) 4.6×10-0.000041 HE4 2 2 4.00260325415(6) 稳定 0+ 0.99999866(3) 0.999959-1 He5 2 3 5.01222(5) 700(30)E-24 s [0.60(2) MeV] 3/2- He6 2 4 6.0188891(8) 806.7(15) ms 0+ He7 2 5 7.028021(18) 2.9(5)E-21 s [159(28) keV] (3/2)- HE8 2 6 8.033922(7) 119.0(15) ms 0+ He9 2 7 9.04395(3) 7(4)E-21 s [100(60) keV] 1/2(-#) He10 2 8 10.05240(8) 2.7(18)E-21 s [0.17(11) MeV] 0+ 由氦构成的离子离子化合物——氦合氢离子氦合氢离子，化学式为HeH，是一个带正电的离子。它首次发现于1925年，通过质子和氦原子在气相中反应制得。它是已知最强的酸，质子亲和能为177.8 kJ/mol。这种离子也被称为氦氢分子离子。有人认为，这种物质可以存在于自然星际物质中。这是最简单的异核离子，可以与同核的氢分子离子H2相比较。与H₂不同的是，它有一个永久的键偶极矩，使它更容易表现出光谱特征。 HHe不能在凝聚相中制备，因为这会使它与任何阴离子、分子、原子发生作用。但是，可以用盖斯定律预测它在水溶液中的酸性。 电离过程–360 kJ/mol的自由能变化相当于pKa为-63。 HeH中共价键的长度是0.772Å。 其他氦氢离子已经知道或者在理论上研究。HeH₂，已经被微波光谱观测到，科学家计算出它的亲和能为6 kcal/mol，而HeH3为0.1 kcal/mol。 中性分子不同于氦合氢离子，氢和氦构成的中性分子在一般情况下是很不稳定的。但是，它作为一个准分子在激发态是稳定的，于20世纪80年代中期首次在光谱中观测到。 pka：－63（推测），比氟锑酸强得多。 HHe(g) → H(g) + He(g) +178 kJ/mol HHe(aq) → HHe(g) +973 kJ/mol H(g) → H(aq) – 1530 kJ/mol He(g) → He(aq) +19 kJ/mol HHe(aq) → H(aq) + He(aq) – 360 kJ/mol
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