Воздух глазами химика

Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому весьма редки случаи гибели людей от вдыхания смеси метана с воздухом, от асфиксии.

Первая помощь при тяжелой асфиксии: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца.

Хроническое действие метана

У людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

 

Ге́лий

2	Гелий
He 4,0026
1s2

Ге́лий — второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Расположен в главной подгруппе восьмой группы, первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической системе Менделеева. Обозначается символом He(лат. Helium). Простое вещество гелий (CAS-номер: 7440-59-7) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода. Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим веществом.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой

 

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе. Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восьмой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона).

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) — 5,27·10−4 % по объёму, 7,24·10−5 % по массе. Запасы гелия в атмосфере,литосфере и гидросфере оцениваются в 5·1014 м³. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8 — 16 %.

Среднее содержание гелия в земном веществе — 0,003 мг/кг или 0,003 г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8 — 3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг. Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп 4He, он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов.

 

Физические свойства

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий — нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,215 K для 4He) наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

 

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент восьмой группы таблицы Менделеева (инертные газы). Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He2+, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).

Энергия связи молекулярного иона гелия He2+ составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние 1,09 Å. Известно химическое соединение гелия LiHe (возможно, имелось в виду соединение LiHe7).

 

Свойства в газовой фазе

 

Спектральные линии гелия

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При нормальных условиях, плотность составляет 0,17847 кг/м³, обладает теплопроводностью 0,1437 Вт⁄(м·К) — бо́льшей, чем у всех других газов за исключением водорода, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока (ср = 5,23 кДж⁄(кг·К), для сравнения — 14,23 кДж⁄(кг·К) для Н2).

 

Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием

При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов — розового, оранжевого, жёлтого, ярко-жёлтого, жёлто-зелёного и зелёного. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра, важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 706,52 нм и 447,14 нм. Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от инфракрасного к ультрафиолетовому краю.

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных (1S0) и триплетных (3S1), поэтому в конце 19 века Локьер, Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них имел в спектре жёлтую линию 587,56 нм, другой — зелёную 501,6 нм. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч. звёздный. Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа7—8 мм рт.ст. наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 г. Спектр зависит от взаимного направления спинов электронов в атоме — атом с противоположно направленными спинами (дающий зелёную линию в оптических спектрах) получил название парагелия, с сонаправленными спинами (с жёлтой линией в спектре) назван ортогелием. Линия парагелия — одиночки, линии ортогелия — весьма узкие триплеты. Атом гелия в нормальных условиях находится в одиночном (синглетном) состоянии. Чтобы атом гелия перевести в триплетное состояние, нужно затратить работу в 19,77 эВ. Переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное сам по себе осуществляется чрезвычайно редко. Такое состояние, из которого переход в более глубокое сам по себе маловероятен, носит название метастабильного. Вывести атом из метастабильного состояния в стабильное можно, подвергая атом внешнему воздействию, например, электронным ударом или при столкновении с другим атомом с передачей последнему непосредственно энергии возбуждения. В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно, и суммарный спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов сонаправлены, суммарный спиновый момент равен единице. Принцип Паули запрещает двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в низшем энергетическом состоянии ортогелия, имея одинаковые спины, вынуждены иметь различные главные квантовые числа: один электрон находится на 1s-орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2s-орбитали (состояние оболочки 1s2s). У парагелия оба электрона находятся в 1s-состоянии (состояние оболочки 1s2).

Спонтанный интеркомбинационный (то есть сопровождающийся изменением суммарного спина) переход с излучением фотона между орто- и парагелием чрезвычайно сильно подавлен, однако возможны безызлучательные переходы при взаимодействии с налетающим электроном или другим атомом.

В бесстолкновительной среде (например, в межзвёздном газе) спонтанный переход из нижнего состояния ортогелия 23S1 в основное состояние парагелия 10S1возможен путём излучения одновременно двух фотонов или в результате однофотонного магнитно-дипольного перехода (M1). В этих условиях расчётное время жизни атома ортогелия за счёт двухфотонного распада 23S1 → 10S1 + 2γ составляет 2,49·108 с, или 7,9 года. Первые теоретические оценки показывали, что время жизни за счёт магнитно-дипольного перехода на порядки больше, то есть что доминирует двухфотонный распад. Лишь через три десятилетия, после неожиданного открытия запрещённых триплетно-синглетных переходов некоторых гелиеподобных ионов в спектрах солнечной короны было обнаружено, что однофотонный магнитно-дипольный распад 23S1-состояния значительно более вероятен; время жизни при распаде по этому каналу составляет «всего» 8·103 с.

Следует отметить, что время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 20S1 также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход 20S1 → 10S1 + γ, а для двухфотонного распада время жизни составляет 19,5 мс.

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В 1 л воды при 20 °C растворяется около 8,8 мл (9,78 при 0 °C, 10,10 при 80 °C), в этаноле —2,8 мл/л (15 °C), 3,2 мл/л (25 °C). Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода.

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля — Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения. После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.

 

Свойства конденсированных фаз

В 1908 году Х.Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около1 К (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 (4He) при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17 K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже0,0026 К. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия (т. н. эффект суперсолид) при исследовании его в торсионном осцилляторе. Однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления.

 

 

Крипто́н

36	Криптон
Kr 83,80
3d104s24p6

 

Крипто́н — элемент главной подгруппы восьмой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 36. Обозначается символом Kr(лат. Krypton). Простое вещество криптон (CAS-номер: 7439-90-9) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Физические свойства

Криптон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. В 3 раза тяжелее воздуха.

 

Заполненная криптоном газоразрядная трубка

Химические свойства

Криптон химически инертен. В жёстких условиях реагирует со фтором, образуя дифторид криптона. Относительно недавно было получено первое соединение со связями Kr-O (Kr(OTeF5)2).

В 1965 году было заявлено о получении соединений состава KrF4, KrO3·H2O и BaKrO4. Позже их существование было опровергнуто.

В 2003 году в Финляндии было получено первое соединение со связью C-Kr (HKrC≡CH — гидрокриптоацетилен) путём фотолиза криптона и ацетилена на криптонной матрице.

Биологическая роль

Воздействие криптона на живые организмы изучено плохо. Исследуются возможности его использования в водолазном деле в составе дыхательных смесей и при повышенном давлении как средство для анестезии.

Ксено́н

54	Ксенон
Xe 131,29
4d105s25p6

 

Ксено́н — элемент главной подгруппы восьмой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 54. Обозначается символом Xe (лат. Xenon). Простое вещество ксенон (CAS-номер: 7440-63-3) — благородный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Распространённость

В солнечной системе

Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0.08 миллионной доли, хотя содержание 129Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада, полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере — почти в два раза выше, чем у Солнца.

Земная кора