简介

      氦气（He）元素周期表中0族元素中的稀有气体，原子量4.003g/mol，其相对分子质量约为4.0026（通常简化为4），是无色、无味的惰性气体。氦气是所有气体中最难液化的气体，其临界温度－267.9℃，临界压力约0.225MPa（2.25atm）。熔点-272.2℃（约2.6MPa）。沸点-268.9℃。氦气是某些放射性元素分裂时的产物，α－质点就是氦的原子核。氦气十分不活泼，它不能燃烧，也不能助燃。只能用于填充气球、温度计、电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、火箭、以及在冶炼和焊接时作为特殊金属材料的保护性气体。液体氦气主要用于获得接近绝对零度（-273℃）的低温用以制造超导设备。氦气可通过空分法、冷凝法、氢液化法等方法获得。

氦气运输

发现历史

      1868年，P．勒J．C．詹森和N．洛克耶在太阳色球层中观察到一条黄色的亮线，且与任何已知地球物质均不同，所以应该是一种新元素，N．洛克耶将它命名为“氦”。经过进一步比较显示，在色球层中存在的某些其他特定光谱线总是伴随着该黄线，表明可能是氦的特征光谱。

      科学家不仅在太阳中观察到氦的光谱，而且在许多星星中观察到了氦的光谱；在一些类型的星星中，现在已知为氦星，氦的光谱占主导。直到1895年才发现地球上存在氦的证据。瑞利勋爵和W.拉姆塞爵士在大气中发现氩[yà]气后不久，有人便开始对各种矿物进行搜索以探究氩气是否可从矿物源中获得。1895年，迈耶斯在《自然》杂志发表了一篇文章，其中对美国地质调查局的希勒布兰德于1891年获得的结果表示了极大兴趣。在对许多含铀[yóu]矿物的详细分析中，希勒布兰德发现矿物溶液释放相当量的气体。当时他认为该气体可能为氮气，尽管也注意到与普通氮气相比这种气体表现一些特别性，尤其是克利维特铅青铜矿物在加热或溶解时释放出大量的气体。W.拉姆塞采购了一些该矿物以检验该气体是不是氩气。他将从克利维特铅青铜矿物释放的气体引人到真空管中后观察到了与氩气完全不同的光谱。N.洛克耶91对光谱进行仔细研究后发现，该光谱与他之前在太阳中发现的新元素氦的光谱完全相同。氦气为轻分子量气体，密度是氢气的两倍，除了氢外，氦原子比其他任何已知元素的原子都轻。与氩气一样，氦气不会与任何其他物质结合，因而必定归类为W.拉姆塞在大气中发现的化学情性气体一族。通过测量充满氦气的管中的声速计算出氦的两个比热容之比为1.66，双原子气体比如氢气和氧气该比值为1.41，这表明氦为单原子气体，即氦分子仅含一个原子，氦原子就是氦分子。

氦原子示意图

物质结构

      氦气为单原子气体，氦原子即为氦分子。有两套能级，一套能级是单层的，另一套能级是三层的。光谱实验中观测到的两套光谱线系，是由两套能级各自的跃迁产生的。实验中未发现两套能级之间的光谱跃迁。人们曾据此认为有两种氦，谱线有复杂结构的被称为正氦，谱线是单线结构的被称为仲氦。

      三重态的能级比相应的单重态的能级低。例如23S1态的能量比21S0态的低0.796eV。n=1的原子态不存在三重态。

      激发态23S1和21S0的寿命都很长，称为亚稳态，如21S0的寿命约为19.5ms。处在这两个状态的氮原子通过辐射跃迁回到基态的概率很小。另外，氦的基态11S0与第一激发态23S1之间能量相差很大（相对氢原子而言），有19.77电子伏；电离能也是所有元素中最大的，有24.58电子伏。

物化性质

      氦气为无色、无味、无臭的惰性气体，其化学结构稳定，不与其他物质发生化学反应。不可燃，也不助燃。是一种室息剂。沸点-268.9℃临界温度-267.9℃，临界压力227kPa。液氦是一种流动性极好的液体，无色，表面张力极小,仅1.3×10N/cm，折射率1.02。氦不存在三相点，单独降温不能固化，只有在降温的同时加压至2.5MPa以上才能获得固体氦。在2.19K时，液氦的密度、比热、导热系数等物理性质均发生突变，产生“超流动性”，使液氦能迅速通过直径小于10cm的毛细管。

制备方法

空分法

      由于空气中约含有5.24X10-6的氨气，在大型深冷空分装置中通过分离生产氧、氮或氩等后可副产纯氨。包括三个步骤：粗氖[nǎi]氦混合气的提取、纯氖氦混合气的制备和氛氨分离制备纯氦。其中，氖氦分离是以液氖为冷源、2.5MPa压力和接近氖沸点温度下，使氖氦混合气中大部分氖冷凝下来，再在低于77K温度下，用活性炭去除残余的氖而获得纯氦。

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、粗氨制取及氦的精制等工序，制得99.99%的纯氦气。

氢液化法

      以含氦的天然气为原料的合成氨装置中，合成循环气中逐步得到浓缩，粗氦提取主要是用化学燃烧法、冻结法、甲烷洗涤吸收法和变压吸附法等脱除大部分所含的氢、氮、氩和甲烷[wán]等杂质，获得浓度50%以上的粗氦气体：而粗氦精制在工业上一般采用直接加氧燃烧法、纯氦稀释后加氧催化法除氢和低温吸附法除氢等方法获得90%以上氦气；再通过加压、冷却至77K以下脱除其中大部分杂质气体，再在低温下用活性炭吸附脱除微量氖等杂质，获得99．99％以上的纯氦。

应用领域

焊接行业

      在熔化极气保焊中，纯氦有时用来焊接铝、铜及其合金；也可用于其他材料的深熔焊及快速焊。氦气的重量只有空气的14%，在焊接过程中用氦气作保护，更适合仰焊位焊接和爬坡立焊，可以避免合金元素的烧损及由此产生的焊接缺陷。氦气保护焊时采用了大的焊接热输入和高的焊接速度，不仅减少了焊接变形，同时也提高了焊缝金属的力学性能。

氦气保护焊接

冶金行业

      氦气可以单独使用，也可以与其他气体混合使用。氦气的热容量高于氩气，可以获得高热烩等离子体，导热性和温度更高，可以用于冶炼难熔金属（钨、钼[mù]、锯等）和高导热金属，例如铜。

军事领域

      氦作为火箭液体燃料的压送剂和增压剂，大量用于导弹、宇宙飞船和超音速飞机上。其次，氦还应用于氨保护电弧焊接，这在造船以及飞机、宇宙飞船、火箭和武器的制造等方面也很重要。

光纤领域

      在光纤拉丝生产中，通常使用感应炉作为光纤预制棒的加热源，其发热体由几部分石墨件组 成，在正常生产时拉丝炉内温度可以达到 2000℃左右，为防止高温的石墨件与空气中的氧气 接触发生氧化反应，避免烧炉影响正常生产。由于氦气优良的导热性能和稳定性，氦气常与氩气一起用做拉丝炉的保护工艺气，氦气的使用也有助于减小拉丝过程中裸光纤丝径的波动，达到较好的光纤工艺指标。

烽火通信新一代光纤制造

核电厂检漏

      氦气检漏法是使用氦气作为示踪气体,同时采用氦质谱检漏仪检查漏点方法的总称。根据现场设备的具体情况,典型的氦气检漏法分为真空检漏法、吸枪累积比对法和正压检漏法三种。

潜水

      氦气被广泛应用于潜水，因为其无麻醉作用，适用于深潜水；密度小，机体呼吸氦氧混合气时呼吸阻力比空气小，能减轻呼吸肌的负荷；扩散速度快，有利于含气腔室内外调压；饱和及脱饱和快，过饱和安全系数小。

医学领域

      研究发现，氦气能增加冠状动脉的侧枝循环，增加呼吸一氧化氮对肺脏血管的舒张作用。在

      健康男性中，氦气能改善运动耐受，降低乳酸水平，而对生命体征（如血压和心率）无影响。

安全事宜

GHS分类

​分类	简介​
​象形图	​ 象形图
​信号	​警告
​GHS危险说明	​H280 (70.93%)：含有压力气体；如果加热可能会爆炸 [ Warning Gas under pressure] H281 (30.12%)：含有冷冻气体；可能导致低温灼伤或伤害 [压力下的警告气体 ]