氦气的性质与用途

氦简写为He，是一种无色，无臭，无味，的惰性单原子气体。同时，在元素周期表上，它也是稀有气体的个元素。沸点为所有元素中最低的。继氢原子之后，氦是可观宇宙中第二轻且含量第二高的元素，在全宇宙的质量中大约占了24%，是其他较重双原子分子的12倍。它的总含量和太阳或木星内的比例十分相似。这是因为和接下来三个元素比较起来，氦-4有非常高的核结合能（每个核子中）。而它的高结合能也能解释为何它是核聚变与核衰变的产物。氦-4是宇宙中氦最主要的同位素，最广泛的来源形成于大爆炸时期。而新的氦形成于恒星内部的核聚变反应。

发现历史

氦是以希腊神话中泰坦族的太阳神-赫利奥斯命名。氦的首次发现是由乔治斯·雷页特、C. T. 海格上尉[3]、诺曼·R·波格森和约翰·赫歇尔中尉在1868年的日全食观测到一条未知的黄色光谱，后来被法国的天文学家侏尔斯·詹森证实有这条光谱，同时约瑟夫·诺曼·洛克耶也独力在英国发现一样的结果。人们认为发现氦是侏尔斯·詹森和约瑟夫·诺曼·洛克耶的功劳。而洛克耶也是个提出这条光谱是来自一种新的元素，并命名此元素。而正式的发现则是在1895年由瑞典的两位化学家皮·特奥多尔·克利夫和尼尔斯·朗勒特从沥青铀矿中分离出氦。在1903年，在美国发现大存量的天然氦气井，直到现在依旧为氦气的供应商。

而液态氦则用于低温（单用氦的宗，占了四分之一），特别是在超导磁体的冷却中，主要的商业应用是在MRI扫描仪中。 在工业上，氦气有许多用途。例如：作为加压和吹扫气体、电弧焊接时的保护气体、及参与制造晶体的化学反应过程(如制造硅晶圆时，氦气占所产生气体的一半)。日常生活中的小用途则是作为气球或飞艇上升所需的气体。与密度和空气密度不同的任何气体一样，吸入少量氦气会暂时改变人声的音调。在科研方面，氦(4He)两个流体相(He I & He II)的表现性，对于科学家在研究量子力学(特别是超流动性的性质)及观察如超导电性（产于近乎绝对零度）的现象是很重要的。

在地球上，它在大气中的浓度为5.2 ppm，较为稀少。今天陆地上大多数存在的为氦是由重放射性元素（例如钍和铀的天然放射性衰变）产生的，这种衰变会发射出由氦-4核组成的α粒子。该放射性氦被天然气捕获，其体积浓度可高达7％，而后再经过分馏的低温分离过程，以进行商业提取。先前，地球上的氦为不可再生资源，因为一旦释放到大气中，它很容易逃逸到太空，人们认为这种情况将会使氦日益短缺。然而，近来的研究指出，透过辐射衰变生成于地球深层的氦气，在某些情况下透过火山运动被释放，使得大气中能被收集的氦气量比预期的更多.

分布

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%。但在自然界中主要存在于天然气或放射性矿石中。在地球大气层中，氦的浓度十分低，只有体积比百万分之5.2。在地球上的放射性矿物中所含的氦是α衰变的产物。氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量，最高可以含有7%，在美国的天然气中氦大约有1%。在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦，大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的7.2分之一，是除了氢以外密度最小的气体。

性质

氦气是所有气体中最难液化的，沸点仅为4.22K，这源于氦极低的极性。同时，氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质，也没有固-液-气三相点。基于类似的原因，氦在水中的溶解度也极小，20°C时每升水中仅能溶解8.61毫升。

液氦在温度降至2.178 K（−271 ℃）时，性质会发生突变，粘度极小，能形成只有几个原子厚度的薄膜，发生无粘度流动，成为一种超流体，称为氦(II)，正常的液氦称作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小，能沿容器壁向上流动，直到两边液面等高。此时的氦热传导性为铜的800倍，成为导热性能极佳的热导体。其比热容、压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性质是能穿透许多常见材料，如PVC、橡胶与大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶无法用于液氦的操作。

氦的化学性质非常不活泼，一般状态下不会和其他物质发生反应，但目前已获得在高于113GPa压力下热力学稳定的Na2He，并且可能存在15GPa条件下结构类似的Na2HeO。

制备

天然气分离法：工业上，主要以含有氦的天然气为原料，反复进行液化分馏，然后利用活性炭进行吸附提纯，得到纯氦。

合成氨法：在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。

空气分馏法：从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。

铀矿石法：将含氦的铀矿石经过焙烧，分离出气体，再经过化学方法，除去水蒸气、氢气和二氧化碳等杂质提纯出氦。

用途

由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞船、气球、温度计、电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、冶炼和焊接时的保护气体，还可用来填充灯泡和霓虹灯管，也用来制造泡沫塑料。

由于氦在血液中的溶解度很低，因此可以加到氧气中防止减压病，作为潜水员的呼吸用气体，或用于治疗气喘和窒息。

液体氦的温度（-268.93 °C）接近绝对零度（-273.15℃），因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。在医学中，用于氩氦刀以治疗癌症。

它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。

由于化学性质极其稳定，一般不与其它物质发生反应，氦气也用于防腐，毛泽东水晶棺内的气体即为氦气。