Применение гелия.
В конце 19 века английский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человечком – жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?»
И это не просто шутка, так как прошло практически 34 года с момента первого сообщения в 1881году об открытии гелия. И только к началу второго десятилетия двадцатого века он дождался своего трудоустройства.
Гелий — бесцветный инертный газ, без вкуса и запаха, в два раза тяжелее водорода. Из всех веществ гелий имеет самую низкую температуру кипения –269 °C. Жидкий гелий — самая холодная жидкость, «замерзающая» при –272 °C. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля.
Гелий — лучший газ для воздухоплавательных аппаратов, т.е. дирижаблей, для наполнения которых обычно используется смесь гелия (85 %) с водородом (15 %). Огромные количества гелия (до 200 000 куб. м) добывались в основном из природных газов.
Первыми гелий для дирижаблей применили немцы. Для бомбардировки крупных городов, главным образом, столиц Англии и Франции, немецкое командование в первую мировую войну использовало цеппелины. Тогда для их наполнения использовали водород. Поэтому борьба с цеппелинами была сравнительно простой: зажигательный снаряд, попадавший в оболочку цеппелина, поджигал водород, дирижабль мгновенно вспыхивал и сгорал. Из 123 воздухоплавательных аппаратов, построенных в Германии за период первой мировой войны, треть сгорела от зажигательных снарядов.
Но однажды генеральный штаб английской армии был удивлен сообщением особой важности. Прямые попадания зажигательных снарядов в немецкий цеппелин не дали результатов. Цеппелин не вспыхнул, а медленно, по-видимому, истекая каким-то неизвестным газом, улетел обратно. Военные специалисты недоумевали и, несмотря на экстренное и подробное обсуждение вопроса о невоспламеняемости цеппелина при обстреле, не могли найти нужного объяснения. Загадку цеппелина разгадал английский химик Ричард Трелфолл. В письме в адрес Британского адмиралтейства он писал: «…полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием…».
Убедительность доводов Трелфолла, однако, снижалась фактом отсутствия в Германии значительных источников гелия. Правда, гелий есть в воздухе, но его там мало: в одном кубическом метре воздуха содержится всего 5 кубических сантиметров гелия. К тому же холодильная машина системы Линде, превращающая в жидкость несколько сот кубических метров воздуха в один час, могла дать за это время не более 3 л гелия.
3 литра гелия в час! А для полного наполнения цеппелина необходимо около 6 тыс. куб. м. Для получения такого объема гелия одна машина Линде должна бы работать без остановки около двухсот лет, двести таких машин дали бы нужное количество газа за год. Постройка 200 заводов по превращению воздуха в жидкость для получения гелия экономически весьма невыгодна, а практически бессмысленна.
Откуда же немецкие химики получали гелий?
Позже выяснилось, что германское государство решило проблему просто. Задолго до войны немецким пароходным компаниям, возившим товары в Индию и Бразилию, было дано указание грузить возвращающиеся пароходы монацитовым песком, содержащим гелий. Так удалось создать запас «гелиевого сырья» — около 5 тыс. т монацитового песка,из которого и получался гелий для цеппелинов. Кроме того, гелий добывался из воды минерального источника Наугейм, дававшего до 70 куб. м газа ежедневно.
Случай с несгораемым цеппелином явился толчком для новых поисков гелия, его стали усиленно искать химики, физики, геологи, он неожиданно приобрел огромную ценность. В 1916 г. 1 кубометр гелия стоил 200 000 рублей золотом, т. е. 200 рублей за литр. Если учесть, что литр этого газа весит 0,18 г, то 1 г его стоил свыше 1000 рублей.
Гелий стал объектом охоты коммерсантов, спекулянтов, биржевых дельцов. Результатом отчаянных поисков ученых и специалистов было обнаружение гелия в значительных количествах в природных газах, выходящих из недр земли в американском штате Канзас. После вступления Америки в войну, близ города Форт-Уорс был построен гелиевый завод. Но война закончилась, запасы газа остались неиспользованными, его стоимость резко упала.
Добытый с таким трудом гелий был использован американцами только в 1923 г. для наполнения теперь уже мирного дирижабля «Шенандоа». Он оказался первым и единственным в мире воздушным грузопассажирским кораблем, работавшим на гелии, правда, не долго. Спустя два года после его запуска «Шенандоа» был уничтожен бурей, а 55 тыс. куб. м, почти весь мировой запас гелия, собиравшийся в течение шести лет, бесследно рассеялся в атмосфере благодаря урагану, длившемуся около получаса.
Во второй половине 20 столетия наблюдается повторный подъем дирижаблестроения, но на более высоком научно-техническом уровне. В ряде стран построены дирижабли с гелиевым наполнением грузоподъемностью от 100 до 3000 т. Они экономичны, надежны и удобны для транспортировки крупногабаритных грузов, таких, как плети газопроводов, т.е. заранее собранные участки трубопроводов, длина которых может быть от десятков до сотен метров. Дирижабли могут перевозить и нефтеочистительные установки, опоры линий электропередач и многое другое. Наполнение из 85% гелия и 15% водорода огнебезопасно и только на 7% снижает подъемную силу в сравнении с водородным наполнением.
В водолазном деле гелий используется для получения искусственного воздуха, в составе которого азот частично заменен гелием. Такая воздушная смесь применяется для облегчения дыхания водолазов, работающих под большим давлением.
Как известно, растворимость газов в жидкостях, зависит от давления. Чем выше давление, тем больше растворимость газов. У водолазов, работающих на больших глубинах, содержание азота в крови гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота подобно шампанскому при открывании бутылки. Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, мозговые функции, ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в конечном итоге может привести к необратимым последствиям. Это явление называется «кессоновой болезнью» и для ее предупреждения подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится медленно. При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит.
С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.
«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать «гелиевым» воздухом легче, так как уменьшается работа дыхательных мышц. Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании дыхательных путей. Поэтому «гелиевый» воздух применяется в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле – криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
Конечно, этими примерами не исчерпывается роль гелия в современной технике и жизни. Но природные ресурсы этого газа ограничены, и если бы не его крайняя рассеянность , он нашел бы еще множество применений. Известно, например, что при консервировании в среде гелия пищевые продукты сохраняют свой первоначальный вкус и аромат. Но «гелиевые» консервы пока просто мечта, потому что гелия не хватает и применяют его лишь в самых важных отраслях промышленности и там, где без него никак не обойтись.
Петр Рейнгольдович Таубе, Евгений Иванович Руденко «От водорода до … ?» Москва 1964г
Популярная библиотека химических элементов. Гелий.
