氦气

编辑:各种网互动百科 时间:2020-02-23 12:00:44
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氦气,英文名为Helium,符号为He,无色无味,不可燃气体,空气中的含量约为百万分之5.2。化学性质不活泼,通常状态下不与其它元素化合物结合。1908年7月10日,荷兰物理学家昂尼斯首次液化了氦气。
中文名
氦气
英文名
Helium
化学式
He
分子量
4.003
CAS登录号
275-187-7
熔    点
1.0K(0.26MPa)
沸    点
4.3K(0.1MPa)
水溶性
难溶于水
密    度
0.1786g/L(0°C、0.1MPa)
外    观
无色
安全性描述
不可燃气体
含    量
空气中的含量约为百万分之5.2
类    型
稀有气体单质
临界温度
5.19K
临界压力
0.228MPa
蒸发热
20.4kJ/kg(沸点)

氦气历史沿革

早在1868年,法国天文学家简森(Janssen P J C,1824-1907)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(Lockyer J N,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,莱姆赛和另一位英国化学家特拉弗斯(Travers M W,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[1]  [2] 

氦气理化性质

氦气物理性质

室温大气压力下,氦是无色、无味的气体。它在干
氦气 氦气
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。它的为零,热导率极高,黏度几乎为零。
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。[3] 

氦气化学性质

氦是单原子气体,化学性质不活泼。氦气一般不生成化合物,在低压放电管中受激发可形成He+2、HeH等离子及分子。

氦气应用领域

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。[4] 
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。[1] 
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。[1] 
6、其他方面:氦气可用作高真空装置、原子核反应堆[5]  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。[5] 

氦气制备方法

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。[6] 
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。[6] 
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。[6] 
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。[4] 

氦气毒理

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。[7] 

氦气注意事项

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,应保留瓶内余压在0.5MPa,最小不得低于0.25MPa余压,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。[8] 

氦气应急处理

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。[9] 

氦气含量分析

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)。[4] 

氦气国内现状

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。[11-12] 

氦气氦气纯度

氦气工业氦

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℃

氦气纯氦

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

氦气高纯氦气

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;

氦气超纯氦气

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;
参考资料
词条标签:
中国化工学会 理学