Будова атома Гелію
Гелій (He) — другий елемент періодичної системи та інертний (благородний) газ. Атом Гелію складається з ядра з 2 протонів і 2 нейтронів, навколо якого на єдиній заповненій електронній оболонці обертаються 2 електрони. Заповнена перша оболонка робить Гелій хімічно повністю інертним.
Основні характеристики
| Символ | He |
|---|---|
| Атомний номер (кількість протонів) | 2 |
| Кількість нейтронів (основний ізотоп He-4) | 2 |
| Кількість електронів | 2 |
| Електронна конфігурація | 1 оболонка: 2 електрони (1s²) |
| Атомна маса | 4,0026 а.о.м. |
| Категорія | інертний (благородний) газ |
| Відкриття | П'єр Жансен та Норман Локьєр, 1868 рік (за спектром Сонця) |
Ізотопи
Природний гелій складається переважно з ізотопу Гелій-4 (2 нейтрони, 99,99966%) та невеликої частки рідкісного Гелію-3 (1 нейтрон). У панелі керування 3D-моделі можна перемкнути ізотоп — ядро одразу перебудується.
Застосування та цікаві факти
- Другий за поширеністю елемент у Всесвіті після Гідрогену.
- Хімічно повністю інертний — не утворює сполук за звичайних умов.
- Використовується для охолодження надпровідних магнітів у томографах МРТ.
- Наповнює повітряні кулі й дирижаблі завдяки низькій густині та негорючості.
- Має найнижчу температуру кипіння серед усіх речовин (-269°C) і не замерзає за нормального тиску.
Місце в періодичній системі
Гелій — єдиний елемент інертних газів (Групи 18), що розташований у Періоді 1. Його перша й водночас остання електронна оболонка заповнена повністю лише двома електронами (на відміну від решти благородних газів, яким для заповнення зовнішньої оболонки потрібно вісім електронів) — саме тому Гелій хімічно ще інертніший за своїх "родичів" по групі.
Як читати цю 3D-модель
Модель вище — це спрощена модель Бора: електрони показані кульками, що рухаються по чітких колових оболонках навколо ядра. У реальності електрон не має траєкторії в класичному розумінні — квантова механіка описує його "хмарою ймовірності" (орбіталлю) певної форми, а не точкою на орбіті. Модель Бора зручна для навчання й правильно передає кількість електронів на кожному рівні енергії, але не показує форму орбіталей. Також масштаб умовний: реальне ядро атома в десятки тисяч разів менше за розмір електронної оболонки, ніж це показано на екрані — інакше воно було б непомітною точкою.
Незвичайні фізичні властивості
Рідкий Гелій-4, охолоджений нижче 2,17 К (майже абсолютний нуль), переходить у стан надплинності — втрачає в'язкість і здатен "виповзати" по стінках посудини всупереч гравітації. Гелій — єдина відома речовина, яка не твердне за нормального атмосферного тиску навіть при температурі, близькій до абсолютного нуля; для отримання твердого Гелію потрібен додатковий тиск у десятки атмосфер.
Дані у графіках
Заповненість електронних оболонок
Єдина оболонка Гелію заповнена повністю — саме це і робить його хімічно інертним.
Поширеність ізотопів у природі
Гелій-3 настільки рідкісний, що більшість промислових запасів отримують не з природних джерел, а як побічний продукт розпаду тритію.
Часті запитання
Скільки протонів, нейтронів і електронів в атомі Гелію?
2 протони, 2 нейтрони (у ізотопу Гелій-4) та 2 електрони на єдиній повністю заповненій оболонці. Ця заповненість робить електронну конфігурацію Гелію однією з найстабільніших у всій періодичній системі, поряд з іншими благородними газами.
Чому Гелій не реагує з іншими елементами?
Гелій має найвищу енергію іонізації серед усіх елементів (близько 24,6 еВ), тому «відірвати» від нього електрон надзвичайно важко, а утворити хімічний зв'язок — практично неможливо за звичайних умов.
Звідки походить назва Гелій?
Від грецького слова helios — сонце. Гелій уперше виявили не на Землі, а в спектрі Сонця у 1868 році під час сонячного затемнення, і лише через 27 років, у 1895-му, шотландський хімік Вільям Рамзай виявив цей самий елемент у земному мінералі клевеїті.
Чи небезпечний Гелій?
Сам по собі нетоксичний, але у закритих приміщеннях може витісняти кисень і викликати задуху; вдихання з балонів для зміни голосу небезпечне для здоров'я, оскільки може призвести до гіпоксії.
Де застосовується Гелій?
Окрім МРТ і повітряних куль, Гелій критично важливий для охолодження надпровідних магнітів прискорювачів частинок (наприклад, Великого адронного колайдера) та ракетних систем; при цьому світові запаси гелію обмежені, оскільки він єдиний елемент, що постійно «витікає» в космос через невелику масу атома.
Чому Гелій майже не замерзає?
Через слабкі міжатомні сили Гелій не твердне за нормального атмосферного тиску навіть при температурі, близькій до абсолютного нуля — для цього потрібен додатковий тиск у десятки атмосфер.
Чому Гелій має два стабільних ізотопи з дуже різними властивостями?
Гелій-4 (2 нейтрони) становить понад 99,999% природного гелію і має «парне-парне» ядро, що робить його надзвичайно стабільним; Гелій-3 (1 нейтрон) — рідкісний ізотоп, важливий для кріогеніки та детекторів нейтронів, який здебільшого отримують як побічний продукт розпаду тритію.
Чи можна дихати чистим Гелієм?
Ні — хоча Гелій нетоксичний, дихання чистим гелієм витісняє кисень з легенів і може призвести до задухи (гіпоксії) за лічені хвилини; саме тому балони для надування куль забороняється використовувати для тривалого вдихання заради розваги у великих кількостях.
Чому голос стає «мультяшним» після вдихання Гелію?
Швидкість звуку в гелії майже втричі вища, ніж у повітрі, через малу молекулярну масу газу; це змінює резонансні частоти голосових зв'язок і надає голосу характерного високого, «писклявого» тембру, хоча сама висота вібрації зв'язок не змінюється.
Чи вичерпуються запаси Гелію на Землі?
Так, Гелій утворюється в надрах Землі внаслідок радіоактивного розпаду важких елементів (урану, торію) і накопичується в природному газі, звідки його добувають; оскільки атом гелію легко покидає атмосферу й летить у космос, це один з небагатьох ресурсів, які вважають практично невідновлюваними в масштабах людства.