氦氣、液態氦氣



氦(Helium,舊譯作氜)是一種化學元素,其化學符號是He,原子序數是2,是一種無色的惰性氣體,放電時發深黃色的光。在常溫下,氦是一種極輕的無色、無臭、無味的單原子氣體。氦在空氣中含量較少,但在宇宙中是第二豐富的元素,在銀河系佔24%。



發現


首個證明氦存在的證據是太陽色球的發射光譜中的一條亮黃色譜線。1868年8月18日(英語:Solar eclipse of August 18, 1868),法國天文學家皮埃爾•讓森在印度的貢土爾觀測日全食時,發現了這條波長為587.49 nm的譜線。起初人們推測這條譜線來自鈉。同年10月20日,英國天文學家約瑟夫•諾曼•洛克耶(英語:Norman Lockyer)在太陽光譜中發現了一條黃線。由於這條譜線的波長和夫朗和斐譜線中鈉產生的D1 線和 D2的波長相似,洛克耶將其命名為D3線。他還提出這條譜線來自太陽上的一種尚未在地球上發現的元素。洛克耶和英國化學家愛德華•弗蘭克蘭(英語:Edward Frankland)以希臘語中的ἥλιος (helios,意為「太陽」)一詞,將這一元素命名為Helium.


1882年,義大利物理學家路易吉•帕爾米耶里(英語:Luigi Palmieri)在分析維蘇威火山的岩漿時發現了氦的D3線,這是氦在地球上的首次發現記錄。


1895年3月26日,蘇格蘭化學家威廉•拉姆齊爵士將釔鈾礦(英語:cleveite)(一種瀝青鈾礦,其質量的10%為 稀土元素)用酸處理,首次在地球上分離出氦。拉姆齊當時在尋找氬,他用硫酸處理礦物,分離釋放出的氣體中的氮和氧。在剩下的氣體中,他發現了一條和太陽光譜中的 D3線吻合的黃色譜線。洛克耶和英國物理學家威廉•克魯克斯鑒定了這一氣體樣品,證明了它是氦氣。同一年,兩位化學家皮•特奧多爾•克利夫(英語:Per Teodor Cleve)和尼爾斯•朗勒特(英語:Abraham Langlet)在瑞典烏普薩拉獨立從釔鈾礦中分離出氦;他們收集的氦足以測定這一元素的原子量。在拉姆齊分離氦之前,美國地質化學家威廉•弗朗西斯•希爾布蘭德(英語:William Francis Hillebrand)同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線,並從中分離出氦;但他認為這些譜線來自氮氣。他致拉姆齊的賀信是科學史上「發現」和「鄰近發現」的一個有趣例子。


1907年,歐內斯特•盧瑟福與托馬斯•羅伊茲(英語:Thomas Royds)讓α粒子穿透玻璃壁進入真空管,向管中放電後觀察管內氣體的發射光譜,證明α粒子就是氦核。1908年,荷蘭物理學家海克•卡末林•昂內斯將氦冷卻至不到1K的低溫,從而首次製得液態氦。他還試著將氦固化,但是氦沒有固、液、氣三相平衡的三相點,因此他的嘗試沒有成功。1926年,昂內斯的學生威廉•亨德里克•科索姆(英語:Willem Hendrik Keesom)在低溫下向氦加壓,製得了1 cm3的固態氦。


1938年,蘇聯物理學家彼得•列昂尼多維奇•卡皮察發現氦-4在接近絕對零度時幾乎沒有粘度,從而發現了今天所說的超流體。這一現象和玻色-愛因斯坦凝聚有關。1972年,美國物理學家道格拉斯•奧謝羅夫、戴維•李、以及羅伯特•科爾曼•理查森發現氦-3也有超流體現象,但所需的溫度比氦-4低得多。氦-3的超流體現象被認為和氦-3費米子配對形成玻色子有關,這種配對和超導體中電子形成的庫珀對類似。



名稱由來


在皮埃爾•讓森從太陽光譜中發現氦時,英國人洛克耶(J. N. Lockyer)和弗蘭克蘭(E. F. Frankland)認為這種物質在地球上還沒有發現,因此定名為「氦」(法文為hélium,英文為helium),源自希臘語ήλιος,意為「太陽」。


在中文裡,晚清時由傳教士創辦的益智書會譯作「氜」(讀作「日」),以表示從太陽光中發現的氣態元素。在1915年,由民國教育部頒布的《無機化學命名草案》則採用發音與英文更為一 致的「氦」,並沿用至今。



分布


氦存在於整個宇宙中,按質量計佔23%。但在自然界中主要存在於天然氣或放射性礦石中。在地球大氣層中,氦的濃度十分低,只有5.2萬分之一。在地球上的放射性礦物中所含的氦是α衰變的產物。氦在某些天然氣中含有在經濟上值得提取的量,最高可以含有7%,在美國的天然氣中氦大約有1%。在地表的空氣中每立方米含有4.6立方厘米的氦,大約佔整個體積的0.0005%,密度只有空氣的7.2分之一,是除了氫以外密度最小的氣體。



性質


氦氣是所有氣體中最難液化的,沸點僅為4.22K,這源於氦極低的極性。同時,氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質,也沒有三相點。基於類似的原因,氦在水中的溶解度也極小,20°C時每升水中僅能溶解8.61毫升。


液氦在溫度降至2.18K時,性質會發生突變,粘度極小,成為一種超流體,稱為氦(II),正常的液氦稱作氦(I)。氦(II)能沿容器壁向上流動,直到兩邊液面等高。此時的氦熱傳導性為銅的800倍,成為導熱性能極佳的熱導體,其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。液氦的另一重要性質是能穿透許多常見材料,如PVC、橡膠與大部分玻璃,所以玻璃杜瓦瓶無法用於液氦的操作。


氦的化學性質非常不活潑,一般狀態下不會和其他物質發生反應,目前檢測到的氦化合物僅痕量發現於質譜中,且不穩定。



製備


  • 1.天然氣分離法:工業上,主要以含有氦的天然氣為原料,反覆進行液化分餾,然後利用活性炭進行吸附提純,得到純氦。
  • 2.合成氨法:在合成氨中,從尾氣經分離提純可得氦。
  • 3.空氣分餾法:從液態空氣中用分餾法從氖氦混合氣中提出。
  • 4.鈾礦石法:將含氦的鈾礦石經過焙燒,分離出氣體,再經過化學方法,除去水蒸氣、氫氣和二氧化碳等雜質提純出氦。


同位素


現時已知的氦同位素有八種,包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8等,但只有氦3和氦4是穩定的,其餘的均帶有放射性。在自然界中,氦同位素中以氦4佔最多,多是從其他放射性物質的α衰變放出α粒子(氦4原子核)而來。氦3的含量在地球上極少,而在月球上儲量巨大,它們均是由超重氫(氚)的β衰變所產生。



用途


充滿氦氣,形似氦化學符號(He)的充氣放電管


由於氦很輕,而且不易燃,因此它可用於填充飛艇、氣球、溫度計、電子管、潛水服等。也可用於原子反應爐和加速器、雷射器、冶煉和焊接時的保護氣體,還可用來填充燈泡和霓虹燈管,也用來製造泡沫塑料。


由於氦在血液中的溶解度很低,因此可以加到氧氣中防止減壓病,作為潛水員的呼吸用氣體,或用於治療氣喘和窒息。


液體氦的溫度(-268.93 °C)接近絕對零度(-273℃),因此它在超導研究中用作超流體,製造超導材料。液態氦還常用做冷卻劑和製冷劑。在醫學中,用於氬氦刀以治療癌症。


它還可以用作人造大氣層和鐳射媒體的組成部分。


氦氣可以用於保存屍體,毛澤東水晶棺內的氣體即為氦氣。



其他


對聲音的影響


因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍,這會改變人的聲帶的共振態,於是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高。這個有趣的現象使得吸入氦氣的人說話尖聲細氣,就好像舊時代的卡通人物一樣,與吸入六氟化硫後聲音變粗正好相反。這種現象經常被錯誤地解釋為音速的提高直接導致聲音頻率的增加,或者氦氣使得聲帶振動變快。


過度使用所產生的問題


需要注意的是,如果大量吸入氦氣,會造成體內氧氣被氦取代,因而發生缺氧(呼吸反射是受體內過量二氧化碳驅動,而對缺氧並不敏感),嚴重的甚至會死亡。 另外,如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣,那麼其高流速就會嚴重地破壞肺部組織。 大量而高壓的氦和氧會造成高壓緊張症候群(英語:High pressure nervous syndrome),不過少量的氮就能夠處理這個問題。



外觀
無色氣體,高壓電場下發橙紅色光
歷史
發現 皮埃爾•讓森, 約瑟夫•諾曼•洛克耶(英語:Norman Lockyer)(1868年)
分離 威廉•拉姆齊,皮•特奧多爾•克利夫(英語:Per Teodor Cleve),尼爾斯•朗勒特(英語:Abraham Langlet)(1895年)
概況
名稱•符號•序數 氦(helium)•He•2
元素類別 稀有氣體
族•週期•區 18•1•s
標準原子質量 4.002602(2)
電子排布

1s²

2

物理性質
物態 氣態
密度

(0 °C, 101.325 kPa)

0.1786 g/L

熔點時液體密度 0.145 g•cm⁻³
沸點時液體密度 0.125 g•cm⁻³
熔點 (at 2.5 MPa) 0.95 K,−272.20 °C,−457.96 °F
沸點 4.222 K,−268.928 °C,−452.070 °F
三相點 2.177 K(-271 °C),5.043 kPa
臨界點 5.1953 K,0.22746 MPa
熔化熱 0.0138 kJ•mol⁻¹
汽化熱 0.0829 kJ•mol⁻¹
比熱容

5R/2 = 20.786 J•mol⁻¹•K⁻¹

蒸汽壓((由ITS-90定義))

壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k

溫(K) 1.23 1.67 2.48 4.21

原子性質
氧化態 0
電負性 N/A(鮑林標度)
電離能

第一:2372.3 kJ•mol⁻¹

第二:5250.5 kJ•mol⁻¹

共價半徑 28 pm
范德華半徑 140 pm
雜項
晶體結構 六方最密堆積
磁序 抗磁性
熱導率 0.1513 W•m⁻¹•K⁻¹
聲速 972 m•s⁻¹
CAS號 7440-59-7
最穩定同位素
同位素 豐度 半衰期 方式 能量(MeV) 產物
³He 0.000137%*   穩定,帶1個中子    
⁴He 99.999863%*   穩定,帶2個中子    

•為大氣層中的數值;其它地方可能有所不同。