氦
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 |
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無色氣體,高壓電場下發橙紅色光 |
歷史 | |
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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 | |
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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 | |
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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 | |
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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 | |
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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 | |||||
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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。