Химия и Химики № 1 2011. Эксперименты с гелием

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Эксперименты с гелием. Вступление

Гелий - благородный газ, который практически не образует соединений с другими элементами в весомых количествах. Между собой атомы гелия также "не желают" образовывать химические связи. Если быть совсем точным, известны молекулы вроде HeF, HeCl, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ и некоторые другие. Известна также нейтральная молекула He₂ и молекулярные ионы, например: He₂⁺², HeH⁺ и HeD⁺. Однако все эти частицы (нейтральные молекулы и ионы) очень нестабильны. Они образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смеси газов. Упомянутые нейтральные молекулы способны существовать только в возбужденном состоянии, при переходе в основное состояние их ждет быстрый и неминуемый распад.

Таким образом, частицы, в которых гелий образует химические связи, очень неустойчивы и при нормальных условиях быстро распадаются. Однако это не означает, что с гелием нельзя проделать интересные эксперименты.

Гелий - во многих отношениях газ особенный. Подобно водороду гелий значительно легче воздуха, но в отличие от водорода гелий не горит. Гелий обладает высокой теплопроводностью. Если направить на руку струю гелия, чувствуется легкий холодок. Скорость звука в гелии почти в три раза выше, чем в воздухе, что приводит к весьма интересным последствиям. Гелий имеет самую низкую температуру кипения и замерзания среди всех известных веществ. Гелий способен переходить в твердое состояние только при повышенном давлении (25 атм). При атмосферном давлении жидкий гелий не замерзает даже при температурах, очень близких к абсолютному нулю. При охлаждении жидкого гелия он переходит в сверхтекучее состояние (гелий-II), в результате вязкость жидкости становится практически равной нулю. Благодаря этому жидкий гелий способен перетекать в сосуды, горлышко которых расположено выше его поверхности.

Сверхтекучий гелий способен перетекать в сосуды, отверстие которых расположено выше уровня жидкости

Гелий - первое вещество, которое сначала было открыто в спектре Солнца, а лишь потом обнаружено на Земле. Не лишним будет вспомнить, что явление сверхпроводимости было открыто благодаря охлаждению ртути жидким гелием.

К сожалению, эксперименты с жидким гелием нам пока недоступны, но другие интересные опыты с гелием мы обязательно проведем. Приступим.

Баллон с гелием

Гелий начинается с баллона. Водород, например, можно получить реакцией металлов с кислотами, алюминия со щелочами или электролизом воды. Промышленность выпускает специальные установки для лабораторного получения водорода электролизом - генераторы водорода.

Однако для гелия подобные методы не подходят, поскольку он практически не образует соединений. Фактически, единственным источником этого газа в лаборатории является баллон со сжатым гелием. Но почему со сжатым - не лучше ли хранить гелий в жидком виде? Оказывается - нет. При комнатной температуре гелий не переходит в жидкое состояние при любом - сколь угодно высоком давлении. Для каждой жидкости существует критическая температура, выше которой она переходит в газообразное состояние, а пар уже не способен снова превратиться в жидкость даже при очень высоком давлении [1]. Например, для воды критическая температура равна 374 °C (647 K), а для гелия - всего минус 268 °C (5.2 К). Другими словами, гелий существует в жидком состоянии только при температуре на пять градусов выше абсолютного нуля. Такие температуры сложно поддерживать даже в лабораторных условиях. Поэтому в лаборатории гелий хранят не в жидком, а в сжатом виде.

Чтобы в баллон поместилось больше гелия, его закачивают туда под высоким давлением. Например, сейчас слева от меня стоит баллон с гелием под давлением 150 атм. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр поверхности газ давит с силой в 150 кг. Если мы попробуем открыть такой баллон, газ вырвется из него с сильным свистом. Регулировать поток газа с помощью вентиля баллона практически невозможно: стоит чуть приоткрыть вентиль, и газ устремится мощным потоком. Чтобы расход газа можно было регулировать, к баллону присоединяют редуктор. Редуктор имеет специальный вентиль, с помощью которого выставляют заданный поток газа. Редуктор оснащен двумя манометрами, один из которых показывает давление газа в баллоне, второй - на выходе из редуктора.

Редукторы широко применяются в промышленности и лабораторной практике. Конструкция редукторов может отличаться. Сейчас недалеко от меня находится редуктор обратного действия. Такие редукторы часто стоят на газовых баллонах. При открученном вентиле редуктора обратного действия газ из баллона не выходит, а при закрученном вентиле достигается максимальный поток.

Строение редуктора кислородного баллона

Редукторы газовых баллонов бывают нескольких типов. Выходные патрубки вентилей баллонов с кислородом и с инертными газами (в том числе и на наш баллон с гелием) имеют правую резьбу. Баллоны с водородом, пропан-бутановой смесью и другими горючими газами имеют патрубки с левой резьбой. (Кроме того, патрубки баллонов с кислородом и инертными газами имеют больший диаметр, чем патрубки баллонов с водородом, пропан-бутановой смесью и другими восстановителями). Соответственно, к каждому из этих типов баллонов подходит свой тип редуктора. Например, редуктор от кислородного баллона не удастся прикрутить к водородному (и наоборот). Это делается с целью предотвращения несчастных случаев [2].

Итак, чтобы использовать газ из баллона с гелием к нему необходимо прикрутить редуктор. Поскольку газ в баллоне находится под высоким давлением, очень важно, чтобы все соединения были герметичны и не "травили". В противном случае баллон скоро окажется пустым. Особенно это относится к баллонам с гелием. Герметичность соединений проверяют, нанося на них мыльную пену. Если в месте соединения происходит утечка, это четко видно по образованию пузырьков.

Мы присоединили редуктор, нанесли мыльную пену и открыли вентиль баллона. Утечки не обнаружено, теперь можно закручивать вентиль редуктора, чтобы газ начал поступать в присоединенную к баллону трубку. Начнем эксперименты.

________________________________________________________
¹ Если быть более точным, выше критической температуры разница между жидким и газообразным состоянием исчезает.

² Сотрудник соседнего института таки умудрился присоединить кислородный редуктор к водородному баллону [видимо, он сделал переходник]. Затея закончилась трагически: незадачливому сотруднику оторвало руки.

Смотреть (15.8 Мб, .avi )

Мыльные пузыри с гелием

Молекулярная масса гелия - 4, средняя молекулярная масса воздуха - 29, следовательно, гелий в 29/4 = 7.2 раза легче воздуха. Воздушные шары или мыльные пузыри, заполненные гелием, быстро поднимаются вверх.

Для выдувания пузырей мы использовали смесь: вода - жидкое моющее средство для посуды Gala - глицерин. Объемное соотношение компонентов 3 : 2 : 1. Пузыри выдували с помощью стеклянной воронки (диаметр - 7.5 см), подсоединенной через трубку к газовому баллону. Воронку окунали в мыльный раствор, после чего держали вертикально, отверстием вверх. Образовывались довольно крупные мыльные пузыри, которые по мере роста приобретали овальную форму, после этого снизу образовывалась перемычка, пузырь отделялся и взлетал. Все это очень напоминало воду, которая капает из пипетки. Правда, в отличие от капель, мыльные пузыри устремлялись не вниз, а вверх, пока через несколько секунд не встречались с потолком. Нередко случалось, что после одного смачивания воронки мыльным раствором удавалось выдуть не один, а сразу несколько мыльных пузырей (до десяти). После отделения очередного пузыря на воронке снова образовывалась мыльная пленка, которая раздувалась, формируя новый мыльный пузырь.

Смотреть (23.7 Мб, .avi )