Hēlijs ķīmisko elementu periodiskajā tabulā tiek apzīmēts ar simbolu He un atrodas 1. perioda 8A. grupā (cēlgāzes). Hēlija atoms sastāv no diviem protoniem, diviem neitroniem un diviem elektroniem (elektronu konfigurācija 1s2). Tas ir viens no inertākajiem elementiem visā periodiskajā tabulā, jo praktiski neveido nevienu ķīmisko savienojumu. Tas ir arī otrs vieglākais (He relatīvā atommasa ir 4,00260 g/mol) un otrs izplatītākais elements Visumā pēc ūdeņraža. Hēlijs ir netoksiska vienatoma gāze bez smaržas, krāsas un garšas. Hēlijs ir arī nedegoša un grūti sašķidrināma gāze, izņemot ekstrēmus vai nestandarta apstākļus. Rūpnieciski hēliju iegūst, veicot dabasgāzes frakcionēto destilāciju, kur hēlijs (pateicoties tā zemajai viršanas temperatūrai) paliek gāzveida stāvoklī, kamēr pārējās dabasgāzes sastāvdaļas tiek sašķidrinātas.
Saistītie šķirkļi
Hēlijs
Satura rādītājs
Hēliju pirmo reizi atklāja 1868. gadā, kad franču astronoms Pjērs Žansāns (Pierre Jules César Janssen) Indijā Saules apstumsuma laikā Saules hromosfēras spektroskopiskajos pētījumos spektrā novēroja spoži dzeltenu līniju. Sākotnēji to uzskatīja par citu elementu – nātriju, bet tā paša gada oktobrī angļu astronoms Normans Lokjers (Joseph Norman Lockyer), pētot saules spektra dzelteno līniju, secināja, ka tā nesakrīt ar zināmajām D1 un D2 nātrija spektra līnijām, tādēļ to nosauca par D3. N. Lokjers uzskatīja, ka D3 dzeltenā līnija atbilst elementam, kas nevis eksistē uz Zemes, bet gan uz Saules, tādēļ N. Lokjers un angļu ķīmiķis Edvards Franklands (Edward Frankland) šim elementam atvasināja nosaukumu no grieķu vārda ἥλιος, hēlios ‘saule’. 1895. gadā britu ķīmiķis Viljams Remzijs (William Ramsay) atklāja hēliju uz Zemes, to izolējot no kleveīta minerāļiem. Šis gads tiek uzskatīts par hēlija oficiālo atklāšanas gadu.
Hēlijs ir otrs izplatītākais elements Visumā aiz ūdeņraža. Savukārt Zemes atmosfērā hēlijs ir samērā rets elements – pēc tilpuma He koncentrācija ir vien 5,2 miljonās daļas (Zemes garozā – 8 miljonās daļas). Hēlija koncentrācija uz Zemes pārsvarā ir zema un nemainīga, jo vieglie hēlija atomi nepārtraukti pāriet no Zemes atmosfēras uz heterosfēru (100 km augstumā virs Zemes atmosfēras), bet Zemes dzīlēs hēlijs veidojas urānu un toriju saturošu minerāļu radioaktīvās alfa sabrukšanas ceļā. Hēlijs nonāk Zemes virspusē kopā ar dabasgāzi, kura parasti satur līdz 7 % hēlija.
Hēlijam kopumā ir zināmi deviņi izotopi, no kuriem stabili ir vienīgi hēlijs-4 un hēlijs-3. Dabiskais hēlijs sastāv galvenokārt no hēlija-4, kura atomā ir divi protoni un divi neitroni, un otrs hēlija stabilais izotops hēlijs-3 (divi protoni un viens neitrons) ir vien 0,00014 % no dabiskā hēlija sastāva. Hēlijs-3 uz Zemes praktiski neveidojas, bet niecīgos daudzumos tas var veidoties tritija beta sabrukšanas rezultātā. Lielākā daļa hēlija-3 izotopa ir saglabājusies jau kopš Zemes veidošanās laikiem. Mākslīgi ir iegūti arī citi dabā neeksistējoši hēlija izotopi (hēlijs-2, hēlijs-5, hēlijs-10), taču tie ir ļoti nestabili.
Hēlija valences elektronu čaula ir pilnībā aizpildīta ar 2 elektroniem (1s2), tādēļ tā struktūra ir īpaši stabila. Starp visiem zināmajiem elementiem hēlijam piemīt viszemākā kušanas temperatūra (–273 oC <) un viršanas temperatūra (–268,93 oC; dati no “CRC Ķīmijas un fizikas rokasgrāmatas, 94. izdevuma” (CRC Handbook of Chemistry and Physics. 94th Edition, 2016) Viljama Heinsa (William Mickey Haynes) redakcijā). Jāpieblist, ka hēlija kušanas temperatūra nav nosakāma atmosfēras spiedienā, jo tā ir zemāka par aboslūto nulli. Tomēr ciets hēlijs ir iegūstams, paaugstinot spiedienu, un tam ir heksagonāla kristālrežģa uzbūve. Hēlija blīvums ir 0,164 g/L (dati no “CRC Ķīmijas un fizikas rokasgrāmatas, 94. izdevuma”), bet vienīgā oksidēšanās pakāpe ir 0. Interesanti, ka hēlijam-4 ir divas dažādas šķidrās formas, no kurām vienai piemīt tāda īpatnēja parādība kā superplūstamība – šķīdumam nav viskozitātes.
Hēlija atoma stabilitāte ir tik liela, ka hēlijs praktiski neveido nevienu ķīmisko savienojumu normālos apstākļos, taču ir iespējama savienojumu veidošanās ekstremālos apstākļos – paaugstinātā temperatūrā, spiedienā un tā tālāk. Piemēram, jonizēts hēlija dimērs He2+ var rasties elektriskās izlādes procesā, taču tas ātri vien standarta apstākļos var piesaistīt iztrūkstošo elektronu un sadalīties par diviem hēlija atomiem. Ir novērota arī citu molekulāro jonu veidošanās – savienojums ar ūdeņradi jeb hēlija hidrīda jons (HeH+) vai metāla-hēlija jons, kas sastāv pārsvarā no sārmu metāliem. Paaugstinātā elektriskajā laukā var veidoties arī citi metāla-hēlija jonu savienojumi – Cr+He, Co+He, Ni+He vai pat PtHe2+.
Viena no plašāk zināmajām hēlija izmantošanas jomām ir balonu, gaisa balonu, dirižabļu uzpildīšana, jo hēlijs ir nedegoša gāze ar labu celtspēju. Pateicoties hēlija zemajai viršanas temperatūrai, procentuāli lielākais hēlija patēriņš (aptuveni 1/3) ir kriogēnajā tehnikā (kodolreaktoru dzesēšanai un magnētu dzesēšanai magnētiskās rezonanses skeneros vai kodolu magnētiskās rezonanses spektrometros). Hēliju plaši izmanto arī inertas vides radīšanai, kausējot vai metinot dažādus metālus (alumīniju, varu, magniju). Mazāk zināma, bet tomēr būtiska hēlija izmantošana ir elektronisko detaļu un optisko šķiedru ražošanā, zemūdens niršanas iekārtu ražošanā, kā arī plaisu detektēšanai augstspiediena sistēmās.
Multivide
Hēlijs