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氦氣（無(wú)色無(wú)味的惰性稀有氣體）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

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氦氣

無(wú)色無(wú)味的惰性稀有氣體

氦氣，是一種稀有氣體，英文名為Helium，元素符號為He，原子序數2。為無(wú)色無(wú)味的惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，一般狀態(tài)下很難和其它物質(zhì)發(fā)生反應。

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 ℃

展開(kāi)

歷史沿革

氦氣

氦元素是僅次于氫元素的宇宙中含量第二的元素，占星系星體大約24%的質(zhì)量。早在1868年，法國天文學(xué)家簡(jiǎn)森（JanssenPJC，1824-1907）和洛克耶（Joseph Norman Lockyer）在觀(guān)察日全食時(shí)，就曾在太陽(yáng)光譜上觀(guān)察到一條黃線(xiàn)D，這和早已知道的鈉光譜的D1和D2兩條線(xiàn)不相同。同時(shí)，英國天文學(xué)家洛克耶爾（LockyerJN，1836-1920）也觀(guān)測到這條黃線(xiàn)D。當時(shí)天文學(xué)家認為這條線(xiàn)只有太陽(yáng)才有，并且還認為是一種金屬元素。所以洛克耶爾把這個(gè)元素取名為Helium，這是由兩個(gè)字拼起來(lái)的，helio是希臘文太陽(yáng)神的意思，后綴-ium是指金屬元素而言。中譯名為氦。

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

在室溫和大氣壓力下，氦是無(wú)色、無(wú)味的單原子氣體。它在干空氣中的體積含量為5.24×10-6。是人類(lèi)發(fā)現臨界溫度最低的物質(zhì)。進(jìn)行低壓放電時(shí)顯深黃色。

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。

由于液氦溫度低，用液氦冷卻某些金屬或金屬化合物，金屬或金屬化合物的電阻會(huì )完全消失，這種現象稱(chēng)為超導電性，此溫度稱(chēng)為臨界溫度。

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。化學(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

氦氣廣泛應用于軍工、科研、石化、制冷、醫療、半導體、管道檢漏、超導實(shí)驗、金屬制造、深海潛水、高精度焊接、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)等。

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。

3、檢驗分析：儀器分析中常用的核磁共振分析儀的超導磁體需要利用液氦降溫，氣相色譜分析中氦氣常作為載氣，利用氦氣滲透性好、不可燃的特點(diǎn)，氦氣還應用于真空檢漏，如氦質(zhì)譜檢漏儀等。

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。

6、氦氣有優(yōu)良的滲透性，用于核反應堆的冷卻，火箭和核反應堆的一些管道及電子和電氣裝置等的檢漏。

7、氦氣是具有理想氣體的氣體，是極低溫度下蒸氣壓溫度計的理想用氣。

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。

9、氦氣惰性氣體的一種，在血液中的溶解度較氮氣低，因而其麻醉性低于氮氣，所以常將氦氣與氧氣混合，作為潛水員的呼吸用氣體。

10、其他方面：氦氣可用作高真空裝置、原子核反應堆在火箭、宇宙飛船上用作輸送液氫、液氧等液體推進(jìn)劑的加壓氣體。氦氣還用作原子反應堆的清洗劑，在海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的呼吸用混合氣體中，氣體溫度計的填充氣等。

制備方法

氦氣

1.冷凝法：天然氣提氦在工業(yè)上采用冷凝法該法工藝包括天然氣的預處理凈化、粗氦制取及氦的精制等工序，制得99.99%的純氦氣。

2.空分法：一般采用分凝法從空氣裝置中提取粗氦、氖混合氣，由粗氦、氖混合氣制純氦、氖混合氣經(jīng)分離及純化，制得99.99%的純氦氣。

3.氫液化法：工業(yè)上采用氫液化法從合成氨尾氣中提氦。該法工藝是低溫吸附清除氮、精餾得到粗氦加氧催化除氫及氦的純化，制得99.99%的純氦氣。

4.高純氦法：將99.99%的純氦進(jìn)一步用活性炭吸附純化制得99.9999%的高純氦氣。

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)。可用氣態(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。

氦氣應在通風(fēng)良好、安全且不受天氣影響的地方直立存儲，存儲溫度不可高于52℃。存儲區域內不應有可燃性材料并遠離頻繁出入處和緊急出口，沒(méi)有鹽或其他腐蝕性材料存在。對于還未使用的氣瓶應保護好閥蓋和輸出閥的密封完好，將空瓶與滿(mǎn)瓶分開(kāi)存放。避免過(guò)量存儲和存儲時(shí)間過(guò)長(cháng)，保持良好的存儲記錄。

注意事項

1、壓力通常有15MPa，使用時(shí)應用YQY-12或152IN-125等減壓器減壓后使用，使用前應用肥皂水檢漏氣體管道，確保氣體管道不漏氣。

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模化工業(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

工業(yè)氦

項目名稱(chēng)指標

氦氣純度：≥99%

氖（氫）、氧（氬）、氮、甲烷總含量，%≤1

水分含量，露點(diǎn)，≤-43℃

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；

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