氦 ＃3

氦（Helium），最不活泼的元素，元素符号He，为稀有气体的一种。氦在通常情况下为无色、无味的气体，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。此外，由于密度比空气小且性质稳定，氦还可以作为浮升气体。

氦的元素名来源于希腊文，原意是“太阳”[1]。1868年法国的杨森利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦。

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《Nature Chemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He的论文[2][3]，结束了氦元素无化合物的历史，这标志着中国在稀有气体化学领域走向了最前端。

中文名

氦

外文名

Helium

CAS登录号

7440-59-7

EINECS登录号

231-168-5

沸点

-268.60 ℃

研究历史

1868年8月18日，法国天文学家让桑赴印度观察日全食，利用分光镜观察日珥，从黑色月盘背面突出的红色火焰，看见有彩色的彩条，是太阳喷射出来的炽热的光谱。他发现一条黄色谱线，接近钠光谱总的D1和D2线。日蚀后，他同样在太阳光谱中观察到这条黄线，称为D3线。1868年10月20日，英国天文学家洛克耶也发现了这样的一条黄线。

经过进一步研究，认识到是一条不属于任何已知元素的新线，是因一种新的元素产生的，把这个新元素命名为 helium，来自希腊文helios（太阳），元素符号定为He。这是第一个在地球以外，在宇宙中发现的元素。为了纪念这件事，当时铸造一块金质纪念牌，一面雕刻着驾着四匹马战车的传说中的太阳神阿波罗（Apollo）像，另一面雕刻着詹森和洛克耶的头像，下面写着：1868年8月18日太阳突出物分析。在詹逊从太阳光谱中发现氦时，英人J. N. Lockyer和E. F. Frankland认为这种物质在地球上还没有发现，因此定名为“氦”（法文为hélium，英文为helium），源自希腊语ήλιος，意为“太阳”。

过了20多年后，拉姆赛在研究钇铀矿时发现了一种神秘的气体。由于他研究了这种气体的光谱，发现可能是詹森和洛克耶发现的那条黄线D3线。但由于他没有仪器测定谱线在光谱中的位置，他只有求助于当时最优秀的光谱学家之一的伦敦物理学家克鲁克斯。克鲁克斯证明了，这种气体就是氦。这样氦在地球上也被发现了。[4]

在二十世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了二十一世纪，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。

英国物理学家杜瓦（Dewar）在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。包括杜瓦和卡美林·奥涅斯在内的科学家们和决心把氦气也变成液体。

1908年7月13日晚，荷兰物理学家卡美林·奥涅斯（Heike Kamerlingh Onnes昂纳斯）和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。

要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气就变成了液体。液态氦是一种与众不同的液体，其沸点为零下269℃。在这样低的温度下，氢也变成了固体，与空气接触时，空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。

1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。

含量分布

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%，仅次于氢。但在自然界中主要存在于天然气体或放射性矿石中。在地球的大气层中，氦的浓度十分低，只有5.2万分之一。在地球上的放射性矿物中所含有的氦是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。

地壳中含量 

0.008（ppm）

元素在太阳中的含量 

230000(ppm)

元素在海水中的含量 

0.000006(ppm)

地球上的氦主要是放射性元素衰变的产物，α粒子就是氦的原子核。在工业中可由含氦达7%的天然气中提取。也可由液态空气中用分馏法从氦氖混合气体中制得。[4]

物理性质

基本信息

元素符号He，原子序数2，原子量4.002602（氦-4），为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文，原意是“太阳”。

氦的原子光谱

氦有两种天然同位素：氦-3、氦-4，自然界中存在的氦基本上是氦-4。相对原子质量为4.003。1868年有人利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦。氦在空气中的含量为0.0005%。

通电发光后的氦气

氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2℃（25个大气压），沸点-268.9℃；密度0.1785g/L，临界温度-267.8℃，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61厘米3/千克水。

氦是惰性元素之一，分子式为He，是一种稀有气体，无色、无臭、无味。它在水中的溶解度是已知气体中最小的，也是除氢气以外密度最小的气体。密度0.17847g/L，熔点-272.2℃（25个大气压）。沸点-268.9℃。它是最难液化的一种气体，其临界温度为-267.9℃。临界压力为2.25大气压。当液化后温度降到-270.98℃以下时，具有表面张力很小，导热性很强，几乎不呈现任何粘滞性。液体氦可以用来得到接近绝对零度（-273.15℃）的低温。化学性质十分不活泼，既不能燃烧，也不能助燃。氦也是最难液化的气体。

氦在通常情况下为无色、无味的气体。是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时，性质发生突变，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，并变成超导体；其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。[4]

由于液氦的超低温，在此温度下出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。世界各国的物理学家都在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么变化，会有什么我们还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。[5]

熔点 

-272.2℃(25个大气压)；

沸点 

-268.9℃；

密度 

0.1785g/L

临界温度 

-267.8℃

临界压力 

2.26大气压

热导率 

151.3W/(m·K)

氦-4

下表为液氦（氦4）的一些基本物理性质（某些参数测定时的状态不详）：

蒸发热/kJ/kg 

20.73

比热/kJ/(kg·K) 

4.56

粘度/MPa·s 

3.57

介电常数 

1.0492

氦-3

氦-3是自然界中氦的稳定同位素，原子量为3.016，原子核由2个质子和一个中子组成。通常情况下，氦-3为无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体。

下表为液氦（氦3）的一些基本物理性质：

正常沸点/K 

3.191

密度/kg/m3 

82.3

蒸发热/J/mol 

20.56

1.0K时的比热/J/(mol·K) 

4.222

超流动性

卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他又将温度进一步降低，试图得到固态氦，却并没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的）。

对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271℃的时候，液态氦突然停止起泡，同时密度也突然减小了。

这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦叫做氦Ⅱ。

把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的渐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空时，玻璃杯底下出现了液氦，不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。

氦Ⅱ能够倒流，它会沿着玻璃杯的壁向高处倒流。此现象只能在低温状态下才会发生，名为“超流动性”，具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。

后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。比如1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。

氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。[4]

超导现象

在液氦的温度下，在一个铅环上放置一个铅球。铅球会好像失重而飘浮在环上，与环保持一定距离。在同样的温度下，用细链子系着磁铁，慢慢放到一个金属盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，可以观察到，链子松了，磁铁浮在盘子上，若此时轻轻拍打磁铁，它会自行旋转。这种现象只能在低温观察到，高温下不会产生。

这是低温下的超导现象。有些金属在液态氦的温度下，原子核的运动几乎停止，对电子的阻碍变得极小，因此电阻会消失，成为超导体；由于磁力线不可能穿过超导体[6]，于是在超导体与磁体中间形成了较大的磁场，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。这就是迈斯纳效应(Meissner Effect)，这一效应可以被利用来制造磁悬浮列车。

化学性质

氦是所有元素中最不活泼的元素，极难形成化合物，这是因为氦的原子核到电子层距离很小，并且达到了稳定结构。它的性质便决定了用途，氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂等等。

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《Nature Chemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He的论文[2][3]，结束了氦元素无化合物的历史，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。

氟化物制取猜想

Pimental等根据HeF2的电子排布同稳定的HF2-相似，提出了利用核转变制备HeF2的三种方法。

1.氚的β衰变法

氚经过β衰变后应变成氦。这样，氚的化合物经β衰变后，就有可能成为氦化合物。为了便于进行反应，首先通过氘和氢的同位素交还，将氘固定在KHF2的固体晶格中。俘集在晶格中的TF2-发生核反应后，便会生成HeF2。

TF2- → HeF2 +β-

氘在衰变过程中的反冲能量，不致使新生成的二氟化氦断链。氘衰变的半衰期为12.25年，估计10Ci的氚，经4～5个月，仅能生成10μmol的HeF2。

2.热中子辐照法

用热中子辐照LiF来产生核反应： 

Li（n,α）反应后，生成的氦核同母体晶格中的F-相结合而生成HeF2。

3.直接用α粒子轰击固态氟来制备HeF2

由此看来，这三种方法中，以第一种方法制成HeF2的可能性最大，但至今还没有见到已制成的报告。Malm等认为HeF2和HF2-的电子排布虽然相似，但HF2-是H-同两个F原子相作用而生成化合物，H-的电离势仅为0.7eV，而氦的电离势高达25eV，因此对HeF2是否存在是值得怀疑的。[4]

离子化合物

氦合氢离子，化学式为HeH+，是一个带正电的离子。它首次发现于1925年，通过质子和氦原子在气相中反应制得。它是已知最强的酸，质子亲和能为177.8 kJ/mol。这种离子也被称为氦氢分子离子。有人认为，这种物质可以存在于自然星际物质中。这是最简单的异核离子，可以与同核的氢分子离子H2相比较。与H2不同的是，它有一个永久的键偶极矩，使它更容易表现出光谱特征。

HeH+不能在凝聚相中制备，因为这会使它与任何阴离子、分子、原子发生作用。但是，可以用盖斯定律预测它在水溶液中的酸性。

电离过程-360 kJ/mol的自由能变化相当于pKa为-63。

HeH中共价键的长度是0.772Å。

其他氦氢离子已经知道或者在理论上研究。HeH2，已经被微波光谱观测到，科学家计算出它的亲和能为6 kcal/mol，而HeH3为0.1 kcal/mol。[5]