收藏本站   | English
您現在的位置:油氣百科 > 資源>維基百科:氦

維基百科:氦

來源:龐名立 供稿 日期:2019-10-09 瀏覽量:

本資料來自維基百科,后面附有地層氦的發現者威廉·拉姆齊爵士的資料。

 

氦(希臘語:?λιο?,轉寫:Helios,直譯:太陽;英語:Helium;舊譯作氜)簡寫為He,其原子序為2,原子量為4.002602。是一種無色,無臭,無味,的惰性單原子氣體。同時,在元素周期表上,它也是稀有氣體的第一個元素。沸點為所有元素中最低的。繼氫原子之后,氦是可觀宇宙中第二輕且含量第二高的元素,在全宇宙的質量中大約占了24%,是其他較重雙原子分子的12倍。它的總含量和太陽木星內的比例十分相似。這是因為和接下來三個元素比較起來,氦-4有非常高的核結合能(每個核子中)。而它的高結合能也能解釋為何它是核聚變核衰變的產物。-4是宇宙中氦最主要的同位素,最廣泛的來源形成于大霹靂時期。而新的氦形成于恒星內部的核聚變反應。

氦是以希臘神話中泰坦族的太陽神-赫利奧斯命名。氦的首次發現是由喬治斯·雷頁特, C. T. 海格上尉,諾曼 R.波格森和 約翰·赫歇爾中尉在1868年的日全食觀測到一條未知的黃色光譜,后來被法國的天文學家侏爾斯·詹森證實有這條光譜,同時約瑟夫·諾曼·洛克耶也獨力在英國發現一樣的結果。人們認為發現氦是侏爾斯·詹森和約瑟夫·諾曼·洛克耶的功勞。而洛克耶也是第一個提出這條光譜是來自一種新的元素,并命名此元素。而正式的發現則是在1895年由瑞典的兩位化學家·特奧多爾·克利夫尼爾斯·朗勒特從瀝青鈾礦中分離出氦。在1903年,在美國發現大存量的天然氦氣井,直到現在依舊為氦氣的最大供應商。

而液態氦則用于低溫(單用氦的最大宗,占了四分之一),特別是在超導磁體的冷卻中,主要的商業應用是在MRI掃描儀中。 在工業上,氦氣有許多用途。例如:作為加壓和吹掃氣體、電弧焊接時的保護氣體、及參與制造晶體的化學反應過程(如制造硅晶圓時,氦氣占所產生氣體的一半)。日常生活中的小用途則是作為氣球或飛艇上升所需的氣體。與密度和空氣密度不同的任何氣體一樣,吸入少量氦氣會暫時改變人聲的音調。在科研方面,氦(4He)兩個流體相(He I & He II)的表現性,對于科學家在研究量子力學(特別是超流動性的性質)及觀察如超導電性(產于近乎絕對零度)的現象是很重要的。

地球上,它在大氣中的濃度為5.2 ppm,較為稀少。今天陸地上大多數存在的為氦是由重放射性元素(例如的天然放射性衰變)產生的,這種衰變會發射出由氦-4核組成的α粒子。該放射性氦被天然氣捕獲,其體積濃度可高達7%,而后再經過分餾的低溫分離過程,以進行商業提取。先前,地球上的氦為不可再生資源,因為一旦釋放到大氣中,它很容易逃逸到太空,人們認為這種情況將會使氦日益短缺。[8][9][10]然而,近來的研究指出,透過輻射衰變生成于地球深層的氦氣,在某些情況下透過火山運動被釋放,使得大氣中能被收集的氦氣量比預期的更多。

目錄

·         1發現

·         2名稱由來

·         3分布

·         4性質

·         5制備

·         6同位素

·         7用途

·         8圖片

·         9其他

o    9.1對聲音的影響

o    9.2過度使用所產生的問題

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。1868818,法國天文學家皮埃爾·讓森印度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。同年10月20日,英國天文學家約瑟夫·諾曼·洛克耶在太陽光譜中發現了一條黃線。由于這條譜線的波長和夫朗和斐譜線產生的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金屬[來源請求]元素。洛克耶和英國化學家愛德華·弗蘭克蘭以希臘語中的?λιο?(helios,意為“太陽”)一詞,將這一元素命名為Helium。

1881年,意大利物理學家路易吉·帕爾米耶里在分析維蘇威火山巖漿時發現了氦的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(一種瀝青鈾礦,其質量的10%為稀土元素)用處理,首次在地球上分離出氦。拉姆齊當時在尋找,他用硫酸處理礦物,分離釋放出的氣體中的。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,且氦非金屬元素。同一年,兩位化學家·特奧多爾·克利夫尼爾斯·朗勒特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·希爾布蘭德同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線,并從中分離出氦;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·盧瑟福托馬斯·羅伊茲α粒子穿透玻璃壁進入真空管,向管中放電后觀察管內氣體的發射光譜,證明α粒子就是氦。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,從而首次制得液態氦。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·科索姆在低溫下向氦加壓,制得了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-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·、以及羅伯特·科爾曼·理查森發現-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。

1903年,在堪薩斯州的德克斯特鎮區的一場鉆油作業中,產生了一種不會燃燒的氣體間歇泉。堪薩斯州的地質學家伊拉斯謨斯·哈沃斯收集了這些溢出氣體的樣本,并帶回勞倫斯郡的堪薩斯大學,在化學家漢密爾頓·卡迪戴夫·麥可法蘭德的協助下,發現這種氣體是由72%、15%甲烷、1%、12%的不明氣體所組成。進一步的分析后,漢密爾頓·卡迪戴夫·麥可法蘭德發現樣本中1.84%是氦。這顯示了氦氣雖然在地球上很罕見,但大量集中在北美大平原地區,可視作天然氣副產品并從中萃取。

這項發現也使美國成為全世界氦氣的主要供應者。在理查德·特雷爾福爾理查德·特雷爾福爾爵士的建議下,第一次世界大戰中,美國海軍贊助了三座小型的氦氣實驗工廠。工廠的目標是提供比空氣輕的不可燃氣體供防空氣球使用。在這個計劃中,盡管先前已經獲得了不到一立方米天然氣,但該計劃共生產了5,700立方米(200,000立方英尺)的92%氦氣。某些部分也運用在全球首艘氦氣飛船──美國海軍的C-7飛船,在1921年12月1日[35]維吉尼亞漢普頓錨地首航至華盛頓哥倫比亞特區的博林地區。比起美國海軍飛機工廠制造,在1923年9月啟航的第一艘硬式氦氣飛艇─雪南多亞號─將近提早了兩年。

雖然萃取過程中運用的低溫氣體液化技術,在第一次世界大戰時期間沒有及時發展,但生產依然繼續進行。氦氣主要用于航空器中輕于空氣的舉升氣體。在第二次世界大戰中,因為舉升氣體與氦氣屏蔽電弧焊接的用途,氦氣的需求逐漸增加,而氦質譜儀在制作原子彈曼哈頓計劃中也非常重要。

1925年,為了供應戰爭時期軍事飛艇、和平時期商業飛艇,美國政府在德克薩斯州阿馬里洛啟用了國家氦儲備。1925年的氦氣法修正案,禁止出口氦氣,使美國得以獨占氦氣生產,隨著使用氦氣的巨額花費,興登堡飛船,如同所有的齊柏林飛船,被迫使用氫氣當作舉升氣體。氦氣市場在第第二次世界大戰之后開始消沉,但為了確保液態氦的供應,儲備在1950年代開始擴大,在太空競賽冷戰當作制作氫氧火箭推進劑(及其他用途)的冷卻液。在1965年在美國使用的氦氣是戰時高峰消耗量的八倍多。

在1960年的氦氣法修正案(美國公法86–777)通過后,美國礦業局安排了五間私人工廠從天然氣當中提取氦氣。因應氦氣保存計劃,當局在堪薩斯州的布什頓建造了425英里(684公里)的管線,將這些工廠與德克薩斯州阿馬里洛附近政府部分耗盡的克利夫塞天然氣田連接起來。這些氦-氮混合物被注入并儲存在克利夫塞天然氣田,直到需要時再進一步的純化。

到了1995年,收集與保存10億立方米的氣體花費了14億美元的債務,促使美國國會在1996年淘汰儲備。1996年的氦氣法修正案[40](美國公法104–273)便針對美國內政部,要求清空儲備,并于2005年開始銷售。[41]

氦氣生產純度在1930到1945年間大約為98.3%(2%氮氣),為飛艇提供充足的燃料。在1945年,少量的99.9%氦氣作為焊接用途。到了1949,就可取得商業量的A級99.5%氦氣。

多年以來,美國生產全球超過90%商業用氦氣,其余的是由在加拿大波蘭俄羅斯和其他國家的萃取工廠制造。在1990年代中期,位于阿爾及利亞阿爾澤的新工廠開始作業后,制造了1700萬立方米(6億立方英尺),足夠供應全歐洲的需求。同時,截至2000年,美國國內的氦氣消耗量每年已成長超過1500萬公斤。[43]在2004至2006年間,在拉斯拉凡、卡塔阿爾及利亞的斯基克達建立了更多的工廠。阿爾及利亞迅速成為氦氣制造的第二大國。[44]透過這次擴建,氦氣的消耗量與生產成本都向上提升。從2002到2007年,氦氣的價格翻了一倍。至2012年,美國國家氦儲備占了全球30%的氦氣,預估在2018年消耗殆盡。盡管如此,美國參議院所提議的法案仍允許繼續販售。其他大型儲備位于美國堪薩斯州的休哥頓和附近的天然氣田,以及德克薩斯州奧克拉荷馬州突出部。新的工廠預估在2012年于卡塔俄羅斯美國懷俄明州,但他們不被預期能緩解短缺。

在2013年,卡塔啟用了全球最大的氦氣工廠,雖然2017年卡達外交危機嚴重影響當地的氦氣生產。 2014年被廣泛認定為氦氣貿易供過于求的一年,但隨后幾年卻是明顯的短缺。那斯達克報導(2015年)三福氣體股份有限公司(Air Products)─一家銷售工業用氣體的國際公司─由于原料供應的限制,氦氣量仍然處于經濟壓力之下。

名稱由來[編輯]

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?λιο?,意為“太陽”。

中文里,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。1915年,由中華民國教育部頒布的《無機化學命名草案》則采用發音與英文更為一致的“氦”,并沿用至今。

分布[編輯]

氦存在于整個宇宙中,按質量計占23%。但在自然界中主要存在于天然氣或放射性礦石中。在地球大氣層中,氦的濃度十分低,只有體積比百萬分之5.2。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,大約占整個體積的0.0005%,密度只有空氣的7.2分之一,是除了以外密度最小的氣體。

性質[編輯]

氦氣是所有氣體中最難液化的,沸點僅為4.22K,這源于氦極低的極性。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。基于類似的原因,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2.178 K(?271 ℃)時,性質會發生突變,粘度極小,能形成只有幾個原子厚度的薄膜,發生無粘度流動,成為一種超流體,稱為氦(II),正常的液氦稱作氦(I)。這種氦(II)的表面張力很小,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的800倍,成為導熱性能極佳的熱導體。其比熱容壓縮性等都是反常的。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于液氦的操作[53]

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,但目前已獲得在高于113GPa壓力下熱力學穩定的Na2He,并且可能存在15GPa條件下結構類似的Na2HeO。

▲ 天然氣分離法:工業上,主要以含有氦的天然氣為原料,反復進行液化分餾,然后利用活性炭進行吸附提純,得到純氦。

合成氨法:在合成中,從尾氣經分離提純可得氦。

▲ 空氣分餾法:從液態空氣中用分餾法從氖氦混合氣中提出。

▲ 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34568等,但只有氦3和氦4是穩定的,其余的均帶有放射性。在自然界中,氦同位素中以氦4占最多,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()的β衰變所產生。

由于氦很輕,而且不易燃,因此它可用于填充飛船、氣球、溫度計電子管、潛水服等。也可用于原子反應堆和加速器、激光器、冶煉和焊接時的保護氣體,還可用來填充燈泡和霓虹燈管,也用來制造泡沫塑料。

由于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,或用于治療氣喘和窒息。

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,制造超導材料。液態氦還常用做冷卻劑和制冷劑。在醫學中,用于氬氦刀以治療癌癥

它還可以用作人造大氣層和鐳射媒體的組成部分。

由于化學性質極其穩定,一般不與其它物質發生反應,氦氣也用于防腐,毛澤東水晶棺內的氣體即為氦氣[55]

威廉·拉姆齊爵士,KCB(英語:Sir William Ramsay,1852年10月2日-1916年7月23日),英國化學家,1904年諾貝爾化學獎獲得者。[1]


目錄

·         1早期經歷

·         2學術研究

·         3生活

·         4參考文獻

·         5外部鏈接

早期經歷[編輯]

威廉·拉姆齊1852年出生于格拉斯哥。其舅父安德魯·拉姆齊是一位地質學家[2]

威廉·拉姆齊從格拉斯哥學院畢業后,進入格拉斯哥大學,期間師從化學家托馬斯·安德森。后來又到德國圖賓根大學,在另一位化學家威廉·魯道夫·菲蒂希的指導下完成博士論文(Investigations in the Toluic and Nitrotoluic Acids)。博士畢業后,他回到格拉斯哥,在安德森學院擔當托馬斯·安德森的助手。1879年,拉姆齊被布里斯托爾大學任命為化學教授。1881年,他與瑪格麗特·布坎南(Margaret Buchanan)結婚。[2]

學術研究[編輯]

1887年起,威廉·拉姆齊到倫敦大學學院擔任化學系主任。他一生最著名的研究成果正是出自這一時期。1885年至1890年間,他發表了幾篇關于氮氧化物的重要論文。這些研究為他后來更杰出的成果奠定了基礎。[2]

1894年4月19日傍晚,拉姆齊參加了瑞利舉辦的一個講座。瑞利此前發現用亞硝酸銨分解法得到的氮氣與從空氣中提取到的“氮氣”具有不同的密度。瑞利與拉姆齊討論后決定共同探索這一現象的原因。他們立即在各自的實驗室里對此展開研究,并幾乎每天保持聯絡,互相通報工作的進展情況。同年8月,拉姆齊和瑞利宣布發現元素[2][3]1895年,他從釔鈾礦中分離出,證明了這種之前僅被法國天文學家皮埃爾·讓森在太陽光譜中觀測到的元素在地球上也存在。[4]隨后的幾年,拉姆齊又相繼發現了[2]1903年,他與弗雷德里克·索迪合作在放射中探測到氦。[2]1910年,他與羅伯特·懷特洛-格雷一起分離出,并測定其密度為已知氣體中最高。[5]

1904年,因為“發現空氣中的惰性氣體元素,并確定它們在元素周期表中的位置”,威廉·拉姆齊被授予諾貝爾化學獎。[1]

生活[編輯]

威廉·拉姆齊居住在白金漢郡海威科姆,直至1916年7月23日因鼻癌去世。海威科姆有一所建于1976年的中學為紀念威廉·拉姆齊而被命名為“威廉·拉姆齊爵士中學

上一篇:頁巖氣下一篇:維基百科:天然氣水合物
彩种大厅一彩票_360彩票