氦气（无色无味的惰性稀有气体）

VLoG
VLoG
次浏览
更新时间：2023-05-22
氦气
无色无味的惰性稀有气体
氦气，是一种稀有气体，英文名为Helium，元素符号为He，原子序数2。为无色无味的惰性气体，化学性质不活泼，一般状态下很难和其它物质发生反应。
基本信息
中文名
氦气
水溶性
微溶于水
化学式
He
分子量
4.0026
熔点
-272.2 ℃
展开
历史沿革
氦气
氦元素是仅次于氢元素的宇宙中含量第二的元素，占星系星体大约24%的质量。早在1868年，法国天文学家简森（JanssenPJC，1824-1907）和洛克耶（Joseph Norman Lockyer）在观察日全食时，就曾在太阳光谱上观察到一条黄线D，这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时，英国天文学家洛克耶尔（LockyerJN，1836-1920）也观测到这条黄线D。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium，这是由两个字拼起来的，helio是希腊文太阳神的意思，后缀-ium是指金属元素而言。中译名为氦。
1895年，英国化学家拉姆齐（William Ramsay）爵士和另一位英国化学家特拉弗斯（TraversMW，1872-1961）合作，在用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的气体，用光谱鉴定为氦气，证实了氦气也是一种稀有气体，这种气体地球上也有，并且氦元素是非金属元素。
1903年，美国的天然气油田中发现了大量的氦。
理化性质
物理性质
氦气
在室温和大气压力下，氦是无色、无味的单原子气体。它在干空气中的体积含量为5.24×10-6。是人类发现临界温度最低的物质。进行低压放电时显深黄色。
氦不能仅靠将饱和液体冷却到绝对零度而固化。要使氦固化，必须施以相应压力。在2.173K，氦将或多少从正常液体转变成一种具有独特性质的流体。温度高于2.173K的液体称为氦Ⅰ。低于此温度的液体称为氦Ⅱ。氦Ⅱ为超流体。它的熵为零，热导率极高，黏度几乎为零。液化后温度降至2.174K时，具有表面张力很小、导热性很强、黏度极低等特殊性质。利用液态氦可以得到接近绝对零度的低温。
由于液氦温度低，用液氦冷却某些金属或金属化合物，金属或金属化合物的电阻会完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。
因为氦气传播声音的速度差不多为空气的三倍，所以吸入氦气的人说话的声音会变高频率。这个有趣的现像，使得吸入氦气的人说话尖声细气，就好像旧时的卡通人物一样。
化学性质
氦是单原子气体，化学性质不活泼。化学性能稳定，进行低压放电时显深黄色。一般不生成化合物，在低压放电管中受激发可形成He+、HeH等离子及分子。一般状态下很难和其他物质发生反应，在特定条件下和某些金属可形成化合物。液态氦在温度下降至2.18K时，性质会发生突变，黏度极小，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，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、表面张力、压缩性都是反常的。这种异常的液体叫做液氦Ⅱ，正常的液态氦叫做液氦Ⅰ。
应用领域
氦气气球
氦气广泛应用于军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等。
1、低温冷源：利用液氦的-268.9℃的低沸点，液氦可以用于超低温冷却。而超低温冷却技术在超导技术等领域有较广泛的应用，超导材料需要在低温（100K左右）中才能表现出超导特性，大多数情况下只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。超导技术在交通行业的磁悬浮列车，医疗领域的核磁共振成像设备都有较大的应用。
2、气球充气：由于氦气密度远小于空气（空气的密度为1.29kg/m3，氦气的密度为0.1786kg/m3），而且化学性质极不活泼，较氢气安全（氢气可以在空气中燃烧，可能会引起爆炸），氦气常用于飞船或广告气球中的充入气体。
3、检验分析：仪器分析中常用的核磁共振分析仪的超导磁体需要利用液氦降温，气相色谱分析中氦气常作为载气，利用氦气渗透性好、不可燃的特点，氦气还应用于真空检漏，如氦质谱检漏仪等。
4、保护气：利用氦气不活泼的化学性质，氦气常用于镁、锆、铝、钛等金属焊接的保护气。
5、氦气可作为火箭液体燃料的压送剂和增压剂，大量用于导弹、宇宙飞船和超音速飞机上。
6、氦气有优良的渗透性，用于核反应堆的冷却，火箭和核反应堆的一些管道及电子和电气装置等的检漏。
7、氦气是具有理想气体的气体，是极低温度下蒸气压温度计的理想用气。
8、氦气的质量密度、重量密度都低，且不易燃，可用来填充灯泡、霓虹灯管，也是理想的气球及飞艇用气。
9、氦气惰性气体的一种，在血液中的溶解度较氮气低，因而其麻醉性低于氮气，所以常将氦气与氧气混合，作为潜水员的呼吸用气体。
10、其他方面：氦气可用作高真空装置、原子核反应堆在火箭、宇宙飞船上用作输送液氢、液氧等液体推进剂的加压气体。氦气还用作原子反应堆的清洗剂，在海洋开发领域的呼吸用混合气体中，气体温度计的填充气等。
制备方法
氦气
1.冷凝法：天然气提氦在工业上采用冷凝法该法工艺包括天然气的预处理净化、粗氦制取及氦的精制等工序，制得99.99%的纯氦气。
2.空分法：一般采用分凝法从空气装置中提取粗氦、氖混合气，由粗氦、氖混合气制纯氦、氖混合气经分离及纯化，制得99.99%的纯氦气。
3.氢液化法：工业上采用氢液化法从合成氨尾气中提氦。该法工艺是低温吸附清除氮、精馏得到粗氦加氧催化除氢及氦的纯化，制得99.99%的纯氦气。
4.高纯氦法：将99.99%的纯氦进一步用活性炭吸附纯化制得99.9999%的高纯氦气。
毒理反应
如果大量吸入氦气，会造成体内氧气被氦取代，因而发生缺氧（呼吸反射是受体内过量二氧化碳驱动，而对缺氧并不敏感），严重的甚至会死亡。另外，如果是由高压气瓶中直接吸入氦气，那么其高流速就会严重地破坏肺部组织。大量而高压的氦和氧会造成高压紧张症状Highpressurenervoussyndrome（HPNS），不过少量的氮就能够处理这个问题。大量及长时间吸入氦气可导致脑损伤甚至死亡。在大部分薯条类包装袋里也含有少量氦气，不过不必担心，没有危害。
氦气是无毒的，但它可以通过置换空气中的氧而造成窒息危险。较长时间吸入含氧<10%的空气可导致脑组织损伤或死亡，最初的症状包括恶心、呕吐和哮喘，暴露在这样的大气中的人不能自救或呼救。吸入纯氦气会立即失去知觉并且几乎立即死亡。在大量使用气态氦或液氦时，应在通风良好的地方进行，以避免形成缺氧空气。
包装与贮运
1、包装
氦气一般用高压钢瓶包装，钢瓶颜色为灰色，标绿色“氦”字，气态氦的充装应按照国标GB14194进行，中国包装贮运危险性分类：第2.2类不燃气体，中国危险货物包装标志：5。
2、贮运
氦气无腐蚀性，常温下可使用任何通用材料贮存，低温下主要采用铜、铝和不锈钢材质。可用气态和液态方式贮存，气瓶应贮存于阴凉、通风的仓库内，温度不宜超过30℃，远离火种和热源，防止阳光直射，应与易燃易爆、可燃物分开存放。
氦气可用管道输送也可用运输式罐装容器直接输送，其罐装容器为1L~30m。液氦在工业上使用液氦运输贮槽或固定贮罐来运输和长期贮存，其容积一般100~500L。
氦气应在通风良好、安全且不受天气影响的地方直立存储，存储温度不可高于52℃。存储区域内不应有可燃性材料并远离频繁出入处和紧急出口，没有盐或其他腐蚀性材料存在。对于还未使用的气瓶应保护好阀盖和输出阀的密封完好，将空瓶与满瓶分开存放。避免过量存储和存储时间过长，保持良好的存储记录。
注意事项
1、压力通常有15MPa，使用时应用YQY-12或152IN-125等减压器减压后使用，使用前应用肥皂水检漏气体管道，确保气体管道不漏气。
2、确保氦气不泄露、工作场所保持通风，当氦气含量增加导致氧气含量低于19.5%时，患者先出现呼吸加快、注意力不集中、共济失调；继之出现疲倦无力、烦躁不安、恶心、呕吐、昏迷、抽搐，以致死亡。
3、每瓶氦气在使用到尾气时，应保留瓶内馀压在0.5MPa，最小不得低于0.25MPa馀压，应将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。
4、瓶装氦气在运输储存、使用时都应分类堆放，不准靠近明火和热源，应做到勿近火、勿沾油蜡、勿曝晒、勿重抛、勿撞击，严禁在气瓶身上进行引弧或电弧，严禁野蛮装卸，短距离移动氦气钢瓶应使用钢瓶专用手推车，长距离移动钢瓶应用危险品运输车辆运输。液氦的温度为4.25K，与皮肤接触能引起严重冻伤。
5、存贮氦气的钢瓶使用和检验遵照国家质量技术监督局《气瓶安全监察规程》的规定，气瓶充气压力不得超过规定压力。安全帽要随时装上，一保护气阀，气瓶每三年检验一次（特殊情况例外）做外表检查及进行水压试验，试验合格后方可继续使用，检验在充气单位进行。
氦气在使用过程中应采取先进先出原则，用合适的手推车来移动容器，不能拉、滚动或滑动钢瓶，不要试图抓住气瓶的盖子来拎起它；应保证气瓶在使用的全过程中为固定状态，用一个减压调节阀或独立的控制阀安全地从气瓶内释放气体，单向阀来防止倒流；不要加热气瓶以使压力和排出量加大，如果使用者在操作气瓶阀时有困难，需停止使用；应使用可调节的带扳手来打开过紧或生锈的阀盖，不可将工具（如扳手，螺丝刀，撬棍等）插入阀盖内，否则会损坏阀并引起泄漏；氦气与所有的普通材料都是相容的，管线和设备的设计要满足压力的需要。
应急处理
若发生泄漏，应迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。如有可能，即时使用。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。
含量分析
按气相色谱法测定。条件：柱为不锈钢柱，长6m，内径4mm。充填料为PoraPakQ，或类似品。载气为氢气[99.99%（V/V）]，流量40ml/min。用环线进样器。检测器为热电导检测器。柱温为60℃。检测器温度130℃。操作：将标本氦经气体进样阀送入气相色谱仪。选择GC的操作条件，使标准峰信号相当于不低于满刻度读数的70%，这样可使氮和氧完全从氦中分出（氮和氧彼此可能无法分清）。由供试样本所得的峰响应值所显示的滞留时间，应与由空气一氦检定标准样本（由工业级氦中混入1.0%空气，由厂商提供）所得的峰响应相当，并表示出不超过1.0%的空气量（体积），而He的含量应不低于99.0%（体积）。
国内现状
氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一。含氦天然气迄今仍是工业化生产氦气的唯一来源。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大，成本高。因此，在保护有限氦气资源的同时，研究开发先进的天然气提氦技术对于提高氦气生产的经济性、保障国家用氦安全和促进我国天然气提氦工业的发展具有重要意义。通过对提氦技术的分析介绍，低温冷凝法较为成熟，但能耗、成本较高；吸附法、吸收法和膜渗透法等其他提氦技术各具特点，但限于适用条件尚不能规模化工业应用。随着新材料、新技术的发展，天然气提氦技术不断改进创新，吸附法、膜渗透法等提氦工艺发展迅速，联产法、联合法工艺有着良好的应用前景，这些都为促进天然气提氦技术的发展提供了新的思路。
氦气纯度
工业氦
项目名称指标
氦气纯度：≥99%
氖（氢）、氧（氩）、氮、甲烷总含量，%≤1
水分含量，露点，≤-43℃
纯氦
项目名称指标
优等品一等品合格品
氦气纯度，%≥99.99599.99399.99
氖含量，ppm≤152540
氢含量，ppm≤357
氧（氩）含量，ppm≤355
氮含量，ppm≤101725
一氧化碳，ppm≤111
二氧化碳，ppm≤111
甲烷量，ppm≤111
水分含量，ppm≤101520
高纯氦气
氦气纯度>99.999%，
杂质含量（ppm）：
O2≤0.5，
N2≤1.0，
CO≤0.5，
CO2≤0.5，
CH4≤0.5，
H2O≤0.5，
Ne≤8.0；
超纯氦气
氦气纯度>99.9999%，
杂质含量（ppm）：
N2≤0.5，
O2≤0.5，
Ne≤0.5，
CO≤0.1，
CO2≤0.1，
THC≤0.1，
H2O≤0.2；
最新发现
2016年6月28日，牛津大学和杜伦大学的研究人员在坦桑尼亚的东非大裂谷发现了巨量的氦气田。这一发现很可能改变全球氦气资源的“游戏规则”。
牛津大学和杜伦大学同挪威的一家氦气勘探公司合作，在坦桑尼亚这一“不可能”的地点发现了这一氦气田。
牛津大学声明，这一位于东非大裂谷的氦气田是经火山活动从较深底层的远古岩石中带出，并在较浅的位置形成了这样一个气田。杜伦大学的研究人员称，具体调查结果将在今年的国际地球化学年会上公开。
矿藏类型
含氦天然气包括来自天然气田的气层、油气田的气层、油气层中的天然气，以及油层中的天然气等。已知有工业价值的含氦天然气，分布在从寒武纪到新近纪等不同地质时代的地层中，主要产于古生界和中生界中，尤以古生界为最。此外，在温泉分布区、矿化热卤水中及空气中也含有氦。
参考资料
[1]
你不知道的这些神奇气体，它们就在每天呼吸的空气中2017-08-28T09:53:33+08:00[引用日期2022-05-17 20:24:13]
[2]
氦气“玩具”竟是危险化学品2021-06-09T20:56:15+08:00[引用日期2022-05-17 20:53:35]
[3]
无色、无味、吸入致死！当心这种有毒气体2021-02-18T19:55:07+08:00[引用日期2022-05-17 20:53:45]
[4]
衷心祝贺！中国的铁哥们发现了足以改变世界游戏规则的宝藏！2016-06-29T20:06:17+08:00[引用日期2022-05-17 20:53:46]
[5]
这项技术中国几代人奋斗终攻克 上天下水都离不开2018-07-27T02:00:35+08:00[引用日期2022-05-17 20:54:43]
展开
相关合集
医疗气体分类
共4个词条1553阅读
氮气
氮元素形成的一种单质
氦气
无色无味的惰性稀有气体
二氧化碳
空气中常见的化合物
查看更多
相关视频
全部
独家
1228次播放01:09
氦气——原子序数2的稀有气体
简介
6.2万次播放05:06
化学元素控 氦He 宇宙中最常见的稀有气体元素 最不活泼的元素
合集
物理性质
2个视频