2 He Гелий 4,003
Благородный газ s-блок Период 1 Группа 18

Гелий

He · Элемент 2 · Благородный газ

Инертный, невесомый и постоянно улетающий: гелий — единственный элемент, который не замерзает при обычном давлении, как бы сильно вы его ни охлаждали.

Состояние при 20°C Газ
Атомная масса 4,003 u
Электронная конфигурация1s²

Строение

Атом гелий

Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.

Облако орбитали

Измеренные значения

Таблица свойств

Каждый столбец показывает положение гелий среди всех 118 элементов по этому свойству.

Физические

Плотность 1,78e-4 g/cm³ 1%
Температура плавления 1 K 0%
Температура кипения 4,2 K 0%
Удельная теплоёмкость 5,193 J/g·K
Теплопроводность 0,151 W/m·K 10%

Атомные

Атомный радиус 31 pm 0%
Ковалентный радиус 28 pm
Радиус Ван-дер-Ваальса 140 pm

Электронные

Электроотрицательность —
Энергия ионизации 2372,6 kJ/mol 100%
Сродство к электрону —

Распространённость

Распространённость в земной коре 0,52 mg/kg 48%

Идентификационные

СимволHe
Атомный номер2
Атомная масса4,0026 u
КатегорияБлагородный газ
Блокs
Кристаллическая структурагексагональная плотноупакованная
Степени окисления0
Открытие1868
Кем открытPierre Janssen & Norman Lockyer

Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.

Размер в масштабе

Каков размер атома гелий?

Радиус 31 pm — это 0,031 нм, поэтому около 16,13 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.

Тепловой диапазон

Твёрдое, жидкое, газ — и когда

Гелий находится в жидком состоянии в диапазоне 3 K — от 1 K до 4 K.

Положение

Положение в таблице

Гелий находится в периоде 1, группе 18. Все элементы группы 18 имеют одинаковое число внешних электронов, поэтому ведут себя очень похожим образом.

Другие Благородные газы

Все благородные газы

История

Что такое гелий и как его обнаружили

Элемент космической эры

Гелий, названный в честь Гелиоса, древнегреческого бога Солнца, уникален тем, что является единственным элементом, обнаруженным в космосе раньше, чем на Земле. Впервые обнаруженный в спектре Солнца во время солнечного затмения 1868 года, гелий является вторым по распространённости элементом во Вселенной, но одним из самых редких на Земле.

Необычные физические свойства

Гелий обладает удивительными свойствами, которые противоречат привычному опыту. Это единственный элемент, который невозможно заморозить в твёрдое состояние при нормальном давлении — даже при абсолютном нуле (-273.15°C) гелий остаётся жидким, если давление не превышает 25 атмосфер. При 2.17K гелий-4 становится сверхтекучим, имея нулевую вязкость и способность течь вверх и проходить через поры молекулярного размера.

Характеристики благородного газа

Как первый благородный газ в периодической таблице, гелий полностью химически инертен при всех известных условиях. Его электронная конфигурация (1s²) соответствует заполненной оболочке, что делает его самым стабильным элементом. В природе соединения гелия не существуют, хотя экзотические ионы гидрида гелия (HeH⁺) были созданы в лабораторных условиях.

Изотопные свойства

Гелий-4 (⁴He): распространённость 99.999863% — образуется при альфа-распаде радиоактивных элементов

Гелий-3 (³He): распространённость 0.000137% — чрезвычайно редок, потенциальное топливо для синтеза стоимостью $15,000 за грамм

Применение

Для чего используется гелий

Высокотехнологичное применение

🎈 Потребительское и развлекательное применение

  • Праздничные воздушные шары: обеспечивает подъёмную силу благодаря плотности, в 7 раз меньшей, чем у воздуха
  • Изменение голоса: вдыхание гелия изменяет резонанс голосовых связок, создавая высокий голос (Примечание: может быть опасно — может вызвать удушье)
  • Дирижабли и аэростаты: в дирижаблях Goodyear используется более 200,000 кубических футов гелия для безопасной, негорючей подъёмной силы

🧪 Научное и медицинское применение

  • Магниты МРТ: охлаждает сверхпроводящие магниты до 4.2K (-269°C) — для каждого аппарата МРТ требуется 1,500-1,700 литров
  • Дыхательные смеси: гелиокс (80% гелия, 20% кислорода) применяется для лечения тяжёлой астмы и декомпрессионной болезни
  • Глубоководное погружение: тримикс (гелий, азот, кислород) предотвращает азотный наркоз на глубинах более 30 метров
  • Обнаружение утечек: небольшой размер атома гелия делает его идеальным для поиска мельчайших утечек в вакуумных системах и трубопроводах
  • Хроматография: газ-носитель в газовой хроматографии благодаря химической инертности и теплопроводности

🚀 Аэрокосмическая отрасль и технологии

  • Охлаждение ракетных двигателей: SpaceX Falcon 9 использует гелий для наддува топливных баков и охлаждения двигателей
  • Управление ориентацией спутников: в двигателях на холодном газе используется сжатый гелий для точного маневрирования космических аппаратов
  • Охлаждение телескопов: приборы космического телескопа James Webb охлаждаются жидким гелием до 7K для обнаружения инфракрасного излучения
  • Производство полупроводников: создаёт инертную атмосферу при производстве кремниевых чипов и ионной имплантации

🔬 Исследовательское применение

  • Ускорители частиц: в Большом адронном коллайдере используется 130 тонн жидкого гелия для охлаждения сверхпроводящих магнитов
  • Ядерные исследования: гелий-3 используется для обнаружения нейтронов и в потенциальных термоядерных реакторах
  • Криогенные исследования: достижение температур, близких к абсолютному нулю, для квантовых экспериментов

Обращение

Безопасность

Информация по безопасности и обращению

⚠️ Основные опасности

ПРОСТОЙ АСФИКСИАНТ — ОПАСНОСТЬ ВЫТЕСНЕНИЯ КИСЛОРОДА

  • Риск удушья: концентрации более 20% могут вытеснять кислород
  • Отсутствие предупреждающих свойств: бесцветен, не имеет запаха — необнаружим без приборов
  • Быстрое рассеивание: будучи легче воздуха, гелий поднимается и может скапливаться в верхних зонах

🛡️ Руководящие требования OSHA

  • Установленный ПДК отсутствует: гелий физиологически инертен
  • Правила для замкнутых пространств: соблюдайте 29 CFR 1910.146 для замкнутых пространств
  • Контроль кислорода: поддерживайте содержание кислорода более 19.5% в рабочих зонах
  • Требования к вентиляции: обеспечьте достаточную вентиляцию для предотвращения накопления

🧤 Средства индивидуальной защиты

  • Защита органов дыхания: автономный дыхательный аппарат в средах с низким содержанием кислорода
  • Защита глаз: защитные очки при работе с системами под давлением
  • Криогенная защита: утеплённые перчатки и защитный щиток для лица при работе с жидким гелием
  • Одежда: длинные рукава и брюки для предотвращения контакта кожи с холодным газом или жидкостью

📦 Хранение и обращение

  • Газовые баллоны: хранить вертикально, закреплёнными, в хорошо проветриваемых местах
  • Давление: обычно хранится при 200-300 bar (3000-4500 psi)
  • Температура: поддерживать температуру баллонов ниже 50°C (122°F)
  • Жидкий гелий: хранить в специальных сосудах Дьюара с системами сброса давления
  • Обращение: использовать подходящее подъёмное оборудование — никогда не катить и не тащить баллоны

🚨 Аварийные процедуры

Утечка газа:

  • Немедленно эвакуироваться на свежий воздух
  • Проветрить помещение сверху вниз (гелий поднимается)
  • Проверить уровень кислорода перед повторным входом
  • Проверить наличие утечек с помощью мыльного раствора или ультразвукового детектора

Случай вдыхания:

  • Немедленно вынести пострадавшего на свежий воздух
  • Контролировать дыхание и сознание
  • Подать кислород, если он доступен и вы обучены его применению
  • Вызвать экстренные службы для пострадавших без сознания

Криогенное воздействие:

  • Немедленно удалить от источника холода
  • Постепенно согревать поражённые участки чуть тёплой водой
  • Не растирать и не массировать обмороженные ткани
  • При тяжёлом обморожении немедленно обратиться за медицинской помощью

⚠️ Особые меры предосторожности

  • Никогда не вдыхайте чистый гелий: может вызвать быструю потерю сознания
  • Предупреждение о воздушных шарах: вдыхание гелия из нескольких шаров может привести к смерти
  • Замкнутые пространства: используйте непрерывный контроль атмосферы
  • Системы под давлением: соблюдайте нормы ASME для сосудов под давлением

Краткие ответы

Гелий: часто задаваемые вопросы

Что такое Гелий?

Гелий (символ He) — элемент 2 в периодической таблице, представитель семейства Благородный газ в 1 периоде, 18 группе. Инертный, невесомый и постоянно улетающий: гелий — единственный элемент, который не замерзает при обычном давлении, как бы сильно вы его ни охлаждали. При комнатной температуре это газ.

Какова электронная конфигурация Гелий?

Электронная конфигурация Гелий в основном состоянии — 1s²; она включает 1 занятую электронную оболочку с распределением 2. На внешней оболочке находится 8 электронов, что определяет характер химических связей.

Каковы температуры плавления и кипения Гелий?

Гелий плавится при 1 K (-272.2 °C) и кипит при 4.2 K (-268.9 °C).

Какова атомная масса Гелий?

Стандартная атомная масса Гелий составляет 4.003 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.

Какова плотность Гелий?

Гелий при комнатной температуре — газ; его плотность при 0 °C и давлении 1 атм составляет около 0.178 г/л — он примерно легче воздуха.

Кто и когда открыл Гелий?

Гелий был открыт в 1868 году Pierre Janssen & Norman Lockyer. Назван в честь греческое helios, Солнце, — сначала его обнаружили там, а не на Земле.

Насколько распространён Гелий на Земле?

На долю Гелий приходится около 0.52 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.