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氦氣
無(wú)色無(wú)味的惰性稀有氣體
基本信息
| 中文名 | 氦氣 |
| 水溶性 | 微溶于水 |
| 化學(xué)式 | He |
| 分子量 | 4.0026 |
| 熔點(diǎn) | -272.2 ℃ |
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歷史沿革
氦氣
1895年，英國化學(xué)家拉姆齊（William Ramsay）爵士和另一位英國化學(xué)家特拉弗斯（TraversMW，1872-1961）合作，在用硫酸處理瀝青鈾礦時(shí)，產(chǎn)生一種不活潑的氣體，用光譜鑒定為氦氣，證實(shí)了氦氣也是一種稀有氣體，這種氣體地球上也有，并且氦元素是非金屬元素。
1903年，美國的天然氣油田中發(fā)現了大量的氦。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
氦氣
氦不能僅靠將飽和液體冷卻到絕對零度而固化。要使氦固化，必須施以相應壓力。在2.173K，氦將或多少從正常液體轉變成一種具有獨特性質(zhì)的流體。溫度高于2.173K的液體稱(chēng)為氦Ⅰ。低于此溫度的液體稱(chēng)為氦Ⅱ。氦Ⅱ為超流體。它的熵為零，熱導率極高，黏度幾乎為零。液化后溫度降至2.174K時(shí)，具有表面張力很小、導熱性很強、黏度極低等特殊性質(zhì)。利用液態(tài)氦可以得到接近絕對零度的低溫。
因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍，所以吸入氦氣的人說(shuō)話(huà)的聲音會(huì )變高頻率。這個(gè)有趣的現像，使得吸入氦氣的人說(shuō)話(huà)尖聲細氣，就好像舊時(shí)的卡通人物一樣。
化學(xué)性質(zhì)
氦是單原子氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑?；瘜W(xué)性能穩定，進(jìn)行低壓放電時(shí)顯深黃色。一般不生成化合物，在低壓放電管中受激發(fā)可形成He+、HeH等離子及分子。一般狀態(tài)下很難和其他物質(zhì)發(fā)生反應，在特定條件下和某些金屬可形成化合物。液態(tài)氦在溫度下降至2.18K時(shí)，性質(zhì)會(huì )發(fā)生突變，黏度極小，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動(dòng)，熱傳導性為銅的800倍，成為導熱性能極佳的熱導體，其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。這種異常的液體叫做液氦Ⅱ，正常的液態(tài)氦叫做液氦Ⅰ。
應用領(lǐng)域
氦氣氣球
1、低溫冷源：利用液氦的-268.9℃的低沸點(diǎn)，液氦可以用于超低溫冷卻。而超低溫冷卻技術(shù)在超導技術(shù)等領(lǐng)域有較廣泛的應用，超導材料需要在低溫（100K左右）中才能表現出超導特性，大多數情況下只有液氦能比較簡(jiǎn)便地實(shí)現這樣的極低溫。超導技術(shù)在交通行業(yè)的磁懸浮列車(chē)，醫療領(lǐng)域的核磁共振成像設備都有較大的應用。
2、氣球充氣：由于氦氣密度遠小于空氣（空氣的密度為1.29kg/m3，氦氣的密度為0.1786kg/m3），而且化學(xué)性質(zhì)極不活潑，較氫氣安全（氫氣可以在空氣中燃燒，可能會(huì )引起爆炸），氦氣常用于飛船或廣告氣球中的充入氣體。
4、保護氣：利用氦氣不活潑的化學(xué)性質(zhì)，氦氣常用于鎂、鋯、鋁、鈦等金屬焊接的保護氣。
5、氦氣可作為火箭液體燃料的壓送劑和增壓劑，大量用于導彈、宇宙飛船和超音速飛機上。
8、氦氣的質(zhì)量密度、重量密度都低，且不易燃，可用來(lái)填充燈泡、霓虹燈管，也是理想的氣球及飛艇用氣。
制備方法
毒理反應
如果大量吸入氦氣，會(huì )造成體內氧氣被氦取代，因而發(fā)生缺氧（呼吸反射是受體內過(guò)量二氧化碳驅動(dòng)，而對缺氧并不敏感），嚴重的甚至會(huì )死亡。另外，如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣，那么其高流速就會(huì )嚴重地破壞肺部組織。大量而高壓的氦和氧會(huì )造成高壓緊張癥狀Highpressurenervoussyndrome（HPNS），不過(guò)少量的氮就能夠處理這個(gè)問(wèn)題。大量及長(cháng)時(shí)間吸入氦氣可導致腦損傷甚至死亡。在大部分薯條類(lèi)包裝袋里也含有少量氦氣，不過(guò)不必擔心，沒(méi)有危害。
氦氣是無(wú)毒的，但它可以通過(guò)置換空氣中的氧而造成窒息危險。較長(cháng)時(shí)間吸入含氧<10%的空氣可導致腦組織損傷或死亡，最初的癥狀包括惡心、嘔吐和哮喘，暴露在這樣的大氣中的人不能自救或呼救。吸入純氦氣會(huì )立即失去知覺(jué)并且幾乎立即死亡。在大量使用氣態(tài)氦或液氦時(shí)，應在通風(fēng)良好的地方進(jìn)行，以避免形成缺氧空氣。
包裝與貯運
1、包裝
氦氣一般用高壓鋼瓶包裝，鋼瓶顏色為灰色，標綠色“氦”字，氣態(tài)氦的充裝應按照國標GB14194進(jìn)行，中國包裝貯運危險性分類(lèi)：第2.2類(lèi)不燃氣體，中國危險貨物包裝標志：5。
2、貯運
氦氣無(wú)腐蝕性，常溫下可使用任何通用材料貯存，低溫下主要采用銅、鋁和不銹鋼材質(zhì)?？捎脷鈶B(tài)和液態(tài)方式貯存，氣瓶應貯存于陰涼、通風(fēng)的倉庫內，溫度不宜超過(guò)30℃，遠離火種和熱源，防止陽(yáng)光直射，應與易燃易爆、可燃物分開(kāi)存放。
氦氣可用管道輸送也可用運輸式罐裝容器直接輸送，其罐裝容器為1L~30m。液氦在工業(yè)上使用液氦運輸貯槽或固定貯罐來(lái)運輸和長(cháng)期貯存，其容積一般100~500L。
注意事項
2、確保氦氣不泄露、工作場(chǎng)所保持通風(fēng)，當氦氣含量增加導致氧氣含量低于19.5%時(shí)，患者先出現呼吸加快、注意力不集中、共濟失調；繼之出現疲倦無(wú)力、煩躁不安、惡心、嘔吐、昏迷、抽搐，以致死亡。
3、每瓶氦氣在使用到尾氣時(shí)，應保留瓶?jì)肉艍涸?.5MPa，最小不得低于0.25MPa馀壓，應將瓶閥關(guān)閉，以保證氣體質(zhì)量和使用安全。
4、瓶裝氦氣在運輸儲存、使用時(shí)都應分類(lèi)堆放，不準靠近明火和熱源，應做到勿近火、勿沾油蠟、勿曝曬、勿重拋、勿撞擊，嚴禁在氣瓶身上進(jìn)行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸，短距離移動(dòng)氦氣鋼瓶應使用鋼瓶專(zhuān)用手推車(chē)，長(cháng)距離移動(dòng)鋼瓶應用危險品運輸車(chē)輛運輸。液氦的溫度為4.25K，與皮膚接觸能引起嚴重凍傷。
5、存貯氦氣的鋼瓶使用和檢驗遵照國家質(zhì)量技術(shù)監督局《氣瓶安全監察規程》的規定，氣瓶充氣壓力不得超過(guò)規定壓力。安全帽要隨時(shí)裝上，一保護氣閥，氣瓶每三年檢驗一次（特殊情況例外）做外表檢查及進(jìn)行水壓試驗，試驗合格后方可繼續使用，檢驗在充氣單位進(jìn)行。
氦氣在使用過(guò)程中應采取先進(jìn)先出原則，用合適的手推車(chē)來(lái)移動(dòng)容器，不能拉、滾動(dòng)或滑動(dòng)鋼瓶，不要試圖抓住氣瓶的蓋子來(lái)拎起它；應保證氣瓶在使用的全過(guò)程中為固定狀態(tài)，用一個(gè)減壓調節閥或獨立的控制閥安全地從氣瓶?jì)柔尫艢怏w，單向閥來(lái)防止倒流；不要加熱氣瓶以使壓力和排出量加大，如果使用者在操作氣瓶閥時(shí)有困難，需停止使用；應使用可調節的帶扳手來(lái)打開(kāi)過(guò)緊或生銹的閥蓋，不可將工具（如扳手，螺絲刀，撬棍等）插入閥蓋內，否則會(huì )損壞閥并引起泄漏；氦氣與所有的普通材料都是相容的，管線(xiàn)和設備的設計要滿(mǎn)足壓力的需要。
應急處理
若發(fā)生泄漏，應迅速撤離泄漏污染區人員至上風(fēng)處，并進(jìn)行隔離，嚴格限制出入。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器，穿一般作業(yè)工作服。盡可能切斷泄漏源。合理通風(fēng)，加速擴散。如有可能，即時(shí)使用。漏氣容器要妥善處理，修復、檢驗后再用。
含量分析
按氣相色譜法測定。條件：柱為不銹鋼柱，長(cháng)6m，內徑4mm。充填料為PoraPakQ，或類(lèi)似品。載氣為氫氣[99.99%（V/V）]，流量40ml/min。用環(huán)線(xiàn)進(jìn)樣器。檢測器為熱電導檢測器。柱溫為60℃。檢測器溫度130℃。操作：將標本氦經(jīng)氣體進(jìn)樣閥送入氣相色譜儀。選擇GC的操作條件，使標準峰信號相當于不低于滿(mǎn)刻度讀數的70%，這樣可使氮和氧完全從氦中分出（氮和氧彼此可能無(wú)法分清）。由供試樣本所得的峰響應值所顯示的滯留時(shí)間，應與由空氣一氦檢定標準樣本（由工業(yè)級氦中混入1.0%空氣，由廠(chǎng)商提供）所得的峰響應相當，并表示出不超過(guò)1.0%的空氣量（體積），而He的含量應不低于99.0%（體積）。
國內現狀
氦氣是國防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的稀有戰略性物資之一。含氦天然氣迄今仍是工業(yè)化生產(chǎn)氦氣的唯一來(lái)源。我國氦氣資源相當貧乏，含量很低，提取難度大，成本高。因此，在保護有限氦氣資源的同時(shí)，研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的天然氣提氦技術(shù)對于提高氦氣生產(chǎn)的經(jīng)濟性、保障國家用氦安全和促進(jìn)我國天然氣提氦工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。通過(guò)對提氦技術(shù)的分析介紹，低溫冷凝法較為成熟，但能耗、成本較高；吸附法、吸收法和膜滲透法等其他提氦技術(shù)各具特點(diǎn)，但限于適用條件尚不能規?；I(yè)應用。隨著(zhù)新材料、新技術(shù)的發(fā)展，天然氣提氦技術(shù)不斷改進(jìn)創(chuàng )新，吸附法、膜滲透法等提氦工藝發(fā)展迅速，聯(lián)產(chǎn)法、聯(lián)合法工藝有著(zhù)良好的應用前景，這些都為促進(jìn)天然氣提氦技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。
氦氣純度
純氦
項目名稱(chēng)指標
優(yōu)等品一等品合格品
氦氣純度，%≥99.99599.99399.99
氖含量，ppm≤152540
氫含量，ppm≤357
氧（氬）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
高純氦氣
氦氣純度>99.999%，
雜質(zhì)含量（ppm）：
O2≤0.5，
N2≤1.0，
CO≤0.5，
CO2≤0.5，
CH4≤0.5，
H2O≤0.5，
Ne≤8.0；
超純氦氣
氦氣純度>99.9999%，
雜質(zhì)含量（ppm）：
N2≤0.5，
O2≤0.5，
Ne≤0.5，
CO≤0.1，
CO2≤0.1，
THC≤0.1，
H2O≤0.2；
最新發(fā)現
礦藏類(lèi)型
含氦天然氣包括來(lái)自天然氣田的氣層、油氣田的氣層、油氣層中的天然氣，以及油層中的天然氣等。已知有工業(yè)價(jià)值的含氦天然氣，分布在從寒武紀到新近紀等不同地質(zhì)時(shí)代的地層中，主要產(chǎn)于古生界和中生界中，尤以古生界為最。此外，在溫泉分布區、礦化熱鹵水中及空氣中也含有氦。
參考資料
[1]
你不知道的這些神奇氣體，它們就在每天呼吸的空氣中2017-08-28T09:53:33+08:00[引用日期2022-05-17 20:24:13]
[2]
氦氣“玩具”竟是危險化學(xué)品2021-06-09T20:56:15+08:00[引用日期2022-05-17 20:53:35]
[3]
無(wú)色、無(wú)味、吸入致死！當心這種有毒氣體2021-02-18T19:55:07+08:00[引用日期2022-05-17 20:53:45]
[4]
衷心祝賀！中國的鐵哥們發(fā)現了足以改變世界游戲規則的寶藏！2016-06-29T20:06:17+08:00[引用日期2022-05-17 20:53:46]
[5]
這項技術(shù)中國幾代人奮斗終攻克 上天下水都離不開(kāi)2018-07-27T02:00:35+08:00[引用日期2022-05-17 20:54:43]
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