Гелий (He) — инертный газ, элемент VIII группы периодической системы, обладающий уникальными физическими свойствами. При нормальных условиях представляет собой бесцветный, без запаха и вкуса газ с очень низкой плотностью (0,1786 г/л при 0 °C и 1 атм), существенно меньшей, чем у воздуха. Температура плавления гелия составляет 0,95 К при давлении 2,5 МПа, а температура кипения — 4,22 К при нормальном давлении, что делает его самым низкокипящим веществом среди всех элементов. Гелий остаётся жидким при атмосферном давлении вплоть до абсолютного нуля, переходя в твёрдое состояние только под давлением выше 2,5 МПа.
Ключевой момент: гелий не замерзает при обычных давлениях, что обусловлено слабостью межатомных взаимодействий и крайне низкой атомной массой.
Гелий характеризуется высокой химической инертностью, обусловленной заполненной 1s-орбиталью (электронная конфигурация 1s²). Он не вступает в реакции окисления, восстановления, кислотно-основные реакции, а также в образование ковалентных или ионных соединений при стандартных условиях. Единственные известные соединения, в которых гелий может проявлять участие, образуются исключительно в экстремальных условиях высоких давлений или при взаимодействии с сильно электроотрицательными элементами в виде кластеров в лабораторных экспериментах.
Ключевой момент: стабильность электронной конфигурации He делает его полностью инертным при обычных условиях, что позволяет использовать гелий в качестве защитного газа.
Гелий имеет два стабильных изотопа: ³He и ⁴He.
Гелий извлекается главным образом из природного газа, содержащего до 7% He, путем криогенной сепарации. Основные этапы производства включают:
Малые количества ³He получают как побочный продукт распада трития или путем изотопной сепарации ⁴He.
Гелий применяется в различных областях благодаря уникальной комбинации физических и химических свойств:
Сверхтекучесть: жидкий ⁴He при температуре ниже 2,17 К переходит в сверхтекучее состояние, характеризующееся нулевой вязкостью, способностью к капиллярному эффекту и беспрепятственному прохождению через микропоры. Сверхтекучесть ³He проявляется при температуре около 0,0025 К, сопровождаясь явлениями квантовой жидкости и ферми-конденсации.
Квантовые эффекты: низкая масса атомов и слабые межатомные взаимодействия позволяют наблюдать проявления квантовой механики на макроскопическом уровне, включая эффекты Бозе-Эйнштейна для ⁴He и Ферми-жидкости для ³He.
Гелий не токсичен, не воспламеняется и не реагирует с большинством веществ, что делает его безопасным для использования в промышленности и медицине. Однако ограниченные природные запасы и невосполняемость требуют рационального использования и переработки. Основные месторождения расположены в США, Катаре, России и Алжире.
Ключевой момент: гелий — стратегически важный элемент для научных, медицинских и технологических целей, дефицит которого влияет на развитие передовых технологий.