氦氣（He）元素周期表中0族元素中的稀有氣體，原子量4.003g/摩爾，其相對(duì)分子質(zhì)量約為4.0026（通常簡(jiǎn)化為4），是無色、無味的惰性氣體。氦氣是所有氣體中最難液化的氣體，其臨界溫度267.9℃，臨界壓力約0.225MPa（2.25atm）。熔點(diǎn)272.2℃（約2.6MPa）。沸點(diǎn)268.9℃。氦氣是某些放射性元素分裂時(shí)的產(chǎn)物，α－質(zhì)點(diǎn)就是氦的原子核。氦氣十分不活潑，它不能燃燒，也不能助燃。只能用于填充氣球、溫度計(jì)、電子管、潛水服等。也可用于原子反應(yīng)堆和加速器、激光器、火箭、以及在冶煉和焊接時(shí)作為特殊金屬材料的保護(hù)性氣體。液體氦氣主要用于獲得接近絕對(duì)零度（-273℃）的低溫用以制造超導(dǎo)設(shè)備。氦氣可通過空分法、冷凝法、氫液化法等方法獲得。
發(fā)現(xiàn)歷史
1868年，P．勒J(rèn)．C．詹森和N．約瑟夫·洛克耶在太陽色球?qū)又杏^察到一條黃色的亮線，且與任何已知地球物質(zhì)均不同，所以應(yīng)該是一種新元素，N．洛克耶將它命名為“氦”。經(jīng)過進(jìn)一步比較顯示，在色球層中存在的某些其他特定光譜線總是伴隨著該黃線，表明可能是氦的特征光譜。
科學(xué)家不僅在太陽中觀察到氦的光譜，而且在許多星星中觀察到了氦的光譜；在一些類型的星星中，現(xiàn)在已知為氦星，氦的光譜占主導(dǎo)。直到1895年才發(fā)現(xiàn)地球上存在氦的證據(jù)。瑞利勛爵和W.拉姆塞爵士在大氣中發(fā)現(xiàn)氣后不久，有人便開始對(duì)各種礦物進(jìn)行搜索以探究氬氣是否可從礦物源中獲得。1895年，邁耶斯在《自然》雜志發(fā)表了一篇文章，其中對(duì)美國地質(zhì)調(diào)查局的希勒布蘭德于1891年獲得的結(jié)果表示了極大興趣。在對(duì)許多含礦物的詳細(xì)分析中，希勒布蘭德發(fā)現(xiàn)礦物溶液釋放相當(dāng)量的氣體。當(dāng)時(shí)他認(rèn)為該氣體可能為氮?dú)?/a>，盡管也注意到與普通氮?dú)庀啾冗@種氣體表現(xiàn)一些特別性，尤其是克利維特鉛青銅礦物在加熱或溶解時(shí)釋放出大量的氣體。W.威廉·拉姆齊采購了一些該礦物以檢驗(yàn)該氣體是不是氬。他將從克利維特鉛青銅礦物釋放的氣體引人到真空管中后觀察到了與氬氣完全不同的光譜。N.洛克耶91對(duì)光譜進(jìn)行仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)，該光譜與他之前在太陽中發(fā)現(xiàn)的新元素氦的光譜完全相同。氦氣為輕分子量氣體，密度是氫氣的兩倍，除了氫外，氦原子比其他任何已知元素的原子都輕。與氬氣一樣，氦氣不會(huì)與任何其他物質(zhì)結(jié)合，因而必定歸類為W.拉姆塞在大氣中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)情性氣體一族。通過測(cè)量充滿氦氣的管中的音速計(jì)算出氦的兩個(gè)比熱容之比為1.66，雙原子氣體比如氫氣和氧氣該比值為1.41，這表明氦為單原子氣體，即氦分子僅含一個(gè)原子，氦原子就是氦分子。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
氦氣為單原子氣體，氦原子即為氦分子。有兩套能級(jí)，一套能級(jí)是單層的，另一套能級(jí)是三層的。光譜實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的兩套光譜線系，是由兩套能級(jí)各自的躍遷產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)兩套能級(jí)之間的光譜躍遷。人們?cè)鴵?jù)此認(rèn)為有兩種氦，譜線有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的被稱為正氦，譜線是單線結(jié)構(gòu)的被稱為仲氦。
三重態(tài)的能級(jí)比相應(yīng)的單重態(tài)的能級(jí)低。例如23S1態(tài)的能量比21S0態(tài)的低0.796eV。n=1的原子態(tài)不存在三重態(tài)。
激發(fā)態(tài)23S1和21S0的壽命都很長(zhǎng)，稱為亞穩(wěn)態(tài)，如21S0的壽命約為19.5ms。處在這兩個(gè)狀態(tài)的氮通過輻射躍遷回到基態(tài)的概率很小。另外，氦的基態(tài)11S0與第一激發(fā)態(tài)23S1之間能量相差很大（相對(duì)氫原子而言），有19.77電子伏；電離能也是所有元素中最大的，有24.58電子伏。
物化性質(zhì)
氦氣為無色、無味、無臭的惰性氣體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。不可燃，也不助燃，具有窒息性。在標(biāo)準(zhǔn)狀況（溫度0攝氏度、壓力101.325千帕）下，氦氣的密度約為0.1786千克/立方米（0.1786克/升）。沸點(diǎn)-268.9℃臨界溫度-267.9℃，臨界壓力227kPa。液氦是一種流動(dòng)性極好的液體，無色，表面張力極小,僅1.3×10N/cm，折射率1.02。氦不存在三相點(diǎn)，單獨(dú)降溫不能固化，只有在降溫的同時(shí)加壓至2.5MPa以上才能獲得固體氦。在2.19K時(shí)，液氦的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性質(zhì)均發(fā)生突變，產(chǎn)生“超流動(dòng)性”，使液氦能迅速通過直徑小于10cm的毛細(xì)管。
制備方法
空分法
由于空氣中約含有5.24X10-6的氨氣，在大型深冷空分裝置中通過分離生產(chǎn)氧、氮或氬等后可副產(chǎn)純氨。包括三個(gè)步驟：粗氦混合氣的提取、純氖氦混合氣的制備和氛氨分離制備純氦。其中，氖氦分離是以液氖為冷源、2.5MPa壓力和接近氖沸點(diǎn)溫度下，使氖氦混合氣中大部分氖冷凝下來，再在低于77K溫度下，用活性炭去除殘余的氖而獲得純氦。
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(yù)處理凈化、粗氨制取及氦的精制等工序，制得99.99%的純氦氣。
氫液化法
以含氦的天然氣為原料的合成氨裝置中，合成循環(huán)氣中逐步得到濃縮，粗氦提取主要是用化學(xué)燃燒法、凍結(jié)法、甲烷洗滌吸收法和變壓吸附法等脫除大部分所含的氫、氮、氬和甲等雜質(zhì)，獲得濃度50%以上的粗氦氣體：而粗氦精制在工業(yè)上一般采用直接加氧燃燒法、純氦稀釋后加氧催化法除氫和低溫吸附法除氫等方法獲得90%以上氦氣；再通過加壓、冷卻至77K以下脫除其中大部分雜質(zhì)氣體，再在低溫下用活性炭吸附脫除微量氖等雜質(zhì)，獲得99．99％以上的純氦。
應(yīng)用領(lǐng)域
焊接行業(yè)
在熔化極氣保焊中，純氦有時(shí)用來焊接鋁、銅及其合金；也可用于其他材料的深熔焊及快速焊。氦氣的重量只有空氣的14%，在焊接過程中用氦氣作保護(hù)，更適合仰焊位焊接和爬坡立焊，可以避免合金元素的燒損及由此產(chǎn)生的焊接缺陷。氦氣保護(hù)焊時(shí)采用了大的焊接熱輸入和高的焊接速度，不僅減少了焊接變形，同時(shí)也提高了焊縫金屬的力學(xué)性能。
冶金行業(yè)
氦氣可以單獨(dú)使用，也可以與其他氣體混合使用。氦氣的熱容量高于氬氣，可以獲得高熱燴等離子體，導(dǎo)熱性和溫度更高，可以用于冶煉難熔金屬（鎢、、鋸等）和高導(dǎo)熱金屬，例如銅。
軍事領(lǐng)域
氦作為火箭液體燃料的壓送劑和增壓劑，大量用于導(dǎo)彈、載人飛船和超音速飛機(jī)上。其次，氦還應(yīng)用于氨保護(hù)電弧焊接，這在造船以及飛機(jī)、宇宙飛船、火箭和武器的制造等方面也很重要。
光纖領(lǐng)域
在光纖拉絲生產(chǎn)中，通常使用感應(yīng)爐作為光纖預(yù)制棒的加熱源，其發(fā)熱體由幾部分石墨件組 成，在正常生產(chǎn)時(shí)拉絲爐內(nèi)溫度可以達(dá)到 2000℃左右，為防止高溫的石墨件與空氣中的氧氣 接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，避免燒爐影響正常生產(chǎn)。由于氦氣優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和穩(wěn)定性，氦氣常與氬氣一起用做拉絲爐的保護(hù)工藝氣，氦氣的使用也有助于減小拉絲過程中裸光纖絲徑的波動(dòng)，達(dá)到較好的光纖工藝指標(biāo)。
核電廠檢漏
氦氣檢漏法是使用氦氣作為示蹤氣體,同時(shí)采用氦質(zhì)譜檢漏儀檢查漏點(diǎn)方法的總稱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體情況,典型的氦氣檢漏法分為真空檢漏法、吸槍累積比對(duì)法和正壓檢漏法三種。
潛水
氦氣被廣泛應(yīng)用于潛水，因?yàn)槠錈o麻醉作用，適用于深潛水；密度小，機(jī)體呼吸氦氧混合氣時(shí)呼吸阻力比空氣小，能減輕呼吸肌的負(fù)荷；擴(kuò)散速度快，有利于含氣腔室內(nèi)外調(diào)壓；飽和及脫飽和快，過飽和安全系數(shù)小。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
研究發(fā)現(xiàn)，氦氣能增加冠狀動(dòng)脈的側(cè)枝循環(huán)，增加呼吸一氧化氮對(duì)肺臟血管的舒張作用。在
健康男性中，氦氣能改善運(yùn)動(dòng)耐受，降低乳酸水平，而對(duì)生命體征（如血壓和心率）無影響。
安全事宜
GHS分類
危險(xiǎn)性
氦氣可通過吸入進(jìn)入人體。當(dāng)容器發(fā)生泄漏時(shí)，氦氣會(huì)降低封閉空間內(nèi)的氧含量，可能導(dǎo)致窒息風(fēng)險(xiǎn)。液氦蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣初始密度大于空氣，會(huì)沿地面擴(kuò)散。接觸氦氣氣體或液氦可能導(dǎo)致凍傷或其他損傷。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，氦氣球遇火時(shí)僅發(fā)生普通破裂，無燃燒或火光現(xiàn)象。過量吸入氦氣（例如直接從氣罐吸入或大量吸入氣球內(nèi)的氦氣）時(shí)，氦氣會(huì)快速置換肺部氧氣，引發(fā)低氧血癥，表現(xiàn)為頭暈、頭痛、語言障礙等癥狀；嚴(yán)重情況下可能迅速導(dǎo)致意識(shí)喪失，甚至危及生命。
儲(chǔ)運(yùn)與運(yùn)輸
氦氣屬不燃?xì)怏w，危規(guī)編號(hào)：34002。儲(chǔ)存于陰涼、干燥的庫房中。可按普通貨物運(yùn)輸。裝卸時(shí)輕拿輕放，防止包裝破損。
急救措施
當(dāng)吸入少量氦氣時(shí)，立即通風(fēng)，移動(dòng)至空氣新鮮處。皮膚接觸凍傷時(shí)，用大量水沖洗，不要脫去衣服，并及時(shí)就醫(yī)。當(dāng)眼睛接觸時(shí)，用大量水沖洗，并及時(shí)就醫(yī)。
參考資料 >
Helium.PubChem.2023-06-16
氦.國際化學(xué)品安全卡.2023-06-16