2 He 4.003
稀有气体 s-block Period 1 Group 18

He · Element 2 · Noble gases

Inert, weightless and permanently escaping: helium is the only element that will not freeze at ordinary pressure, no matter how cold you make it.

20°C时的状态 气态
原子量 4.003 u
ELECTRON CONFIGURATION 1s²

结构

氦 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示氦在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 1.78e-4 g/cm³ 1%
熔点 1 K 0%
沸点 4.2 K 0%
比热容 5.193 J/g·K
热导率 0.15 W/m·K 10%

原子

原子半径 31 pm 0%
共价半径 28 pm
范德华半径 140 pm

电子

电负性
电离能 2372.6 kJ/mol 100%
电子亲和能

存在

地壳中的丰度 0.52 mg/kg 48%

身份

符号He
原子序数2
原子量4.003 u
类别稀有气体
s
晶体结构六方密堆积
氧化态0
发现时间1868
发现者Pierre Janssen & Norman Lockyer

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 氦 atom?

Radius 31 pm — that is 0.031 nm, so about 16129 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

氦 is liquid over a 3 K window, from 1 K to 4 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 1, group 18. Everything in group 18 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 稀有气态

All 稀有气态

故事

氦 是什么,以及我们如何发现它

太空时代的元素

氦以希腊太阳神赫利俄斯命名,是唯一一种先在太空中、后在地球上发现的元素。1868年日食期间,人们首次在太阳光谱中探测到氦。氦是宇宙中丰度第二高的元素,却是地球上最稀有的元素之一。

非凡的物理性质

氦具有令人惊叹、超出日常经验的性质。在正常压力下,氦是唯一无法冻结成固态的元素——即使在绝对零度(-273.15°C)下,除非压力超过25个大气压,氦仍保持液态。在2.17K时,氦-4变成黏度为零的超流体,能够向上流动并穿过分子大小的孔隙。

稀有气体特性

作为元素周期表中的第一种稀有气体,氦在所有已知条件下都完全化学惰性。其电子排布(1s²)代表一个已填满的电子层,使其成为最稳定的元素。自然界中不存在氦化合物,不过人们已在实验室条件下制备出奇特的氦氢化物离子(HeH⁺)。

同位素性质

氦-4(⁴He):丰度为99.999863%——由放射性元素的α衰变产生

氦-3(³He):丰度为0.000137%——极其稀有,具有潜力的聚变燃料,每克价值$15,000

应用

氦的用途

高科技应用与用途

🎈 消费与娱乐

  • 派对气球:由于密度比空气低7倍,能够提供升力
  • 声音改变:吸入氦会改变声带共鸣,产生高音(注意:可能很危险——会导致窒息)
  • 飞艇与小型飞艇:Goodyear飞艇使用超过200,000立方英尺的氦,提供安全且不易燃的升力

🧪 科学与医学应用

  • MRI磁体:将超导磁体冷却至4.2K(-269°C)——每台MRI设备需要1,500-1,700升
  • 呼吸混合气体:氦氧混合气(80%氦、20%氧)用于治疗重度哮喘和减压病
  • 深海潜水:Trimix(三气混合气:氦、氮、氧)可防止在超过30米深度处发生氮麻醉
  • 检漏:氦的原子尺寸较小,非常适合查找真空系统和管道中的微小泄漏
  • 色谱法:由于化学惰性和热导率,氦可用作气相色谱中的载气

🚀 航空航天与技术

  • 火箭发动机冷却:SpaceX Falcon 9使用氦为燃料箱加压并冷却发动机
  • 卫星姿态控制:冷气推进器使用加压氦实现航天器的精确机动
  • 望远镜冷却:James Webb Space Telescope的仪器使用液氦冷却至7K,以进行红外探测
  • 半导体制造:在硅芯片生产和离子注入过程中形成惰性气氛

🔬 研究应用

  • 粒子加速器:Large Hadron Collider使用130吨液氦冷却超导磁体
  • 核研究:氦-3用于中子探测和潜在的聚变反应堆
  • 低温学研究:为量子实验实现接近绝对零度的温度

处理

安全

安全信息与操作

⚠️ 主要危害

单纯窒息性气体——氧气置换危害

  • 窒息风险:浓度超过20%时可能置换氧气
  • 无警示特性:无色、无味,无法在没有仪器的情况下察觉
  • 快速扩散:氦比空气轻,会向上升并可能在高处聚集

🛡️ OSHA指南

  • 无既定PEL:氦在生理上呈惰性
  • 受限空间规定:对受限空间遵守29 CFR 1910.146
  • 氧气监测:工作区域内氧气浓度保持在19.5%以上
  • 通风要求:确保充分通风,防止气体聚集

🧤 个人防护装备

  • 呼吸防护:在低氧环境中使用自给式呼吸器
  • 眼部防护:操作加压系统时佩戴护目镜
  • 低温防护:操作液氦时佩戴隔热手套和面罩
  • 衣着:穿长袖衣物和长裤,防止皮肤接触低温气体或液体

📦 储存与操作

  • 气瓶:直立存放并固定在通风良好的区域
  • 压力:通常以200-300 bar(3000-4500 psi)储存
  • 温度:气瓶保持在50°C(122°F)以下
  • 液氦:储存在带有泄压系统的专用杜瓦瓶中
  • 操作:使用适当的起重设备——绝不要滚动或拖拽气瓶

🚨 应急程序

气体泄漏

  • 立即撤离到新鲜空气处
  • 从上到下对区域进行通风(氦会上升)
  • 重新进入前监测氧气浓度
  • 使用肥皂溶液或超声波探测器检查泄漏

吸入事故

  • 立即将受害者转移到新鲜空气处
  • 监测呼吸和意识状态
  • 在具备条件且受过培训的情况下供氧
  • 受害者失去意识时呼叫急救服务

低温暴露

  • 立即使其脱离低温源
  • 用温水逐渐温暖受影响部位
  • 不要揉搓或按摩冻伤组织
  • 严重冻伤应立即就医

⚠️ 特别注意事项

  • 绝不要吸入纯氦:可能导致迅速失去意识
  • 气球警告:多次吸入气球中的氦可能致命
  • 受限空间:使用连续大气监测
  • 压力系统:遵守ASME压力容器规范

快速回答

氦:常见问题

What is 氦?

氦 (symbol He) is element 2 on the periodic table, a 稀有气体 in period 1, group 18. Inert, weightless and permanently escaping: helium is the only element that will not freeze at ordinary pressure, no matter how cold you make it. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of 氦?

氦's ground-state electron configuration is 1s², giving 1 occupied shell holding 2 electrons respectively. Its outer shell holds 8 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 氦?

氦 melts at 1 K (-272.2 °C) and boils at 4.2 K (-268.9 °C).

What is the atomic mass of 氦?

The standard atomic weight of 氦 is 4.003 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 氦?

氦 is a gas at room temperature; its density is about 0.178 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.

Who discovered 氦, and when?

氦 was discovered in 1868 by Pierre Janssen & Norman Lockyer. It is named after greek helios, the Sun — found there before Earth.

How common is 氦 on Earth?

氦 makes up about 0.52 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.