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氦气（无色无味的惰性稀有气体）

次浏览 | 更新时间：2023-05-22

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氦气

无色无味的惰性稀有气体

氦气，是一种稀有气体，英文名为Helium，元素符号为He，原子序数2。为无色无味的惰性气体，化学性质不活泼，一般状态下很难和其它物质发生反应。

基本信息

中文名	氦气
水溶性	微溶于水
化学式	He
分子量	4.0026
熔点	-272.2 ℃

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历史沿革

氦气

氦元素是仅次于氢元素的宇宙中含量第二的元素，占星系星体大约24%的质量。早在1868年，法国天文学家简森（JanssenPJC，1824-1907）和洛克耶（Joseph Norman Lockyer）在观察日全食时，就曾在太阳光谱上观察到一条黄线D，这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时，英国天文学家洛克耶尔（LockyerJN，1836-1920）也观测到这条黄线D。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium，这是由两个字拼起来的，helio是希腊文太阳神的意思，后缀-ium是指金属元素而言。中译名为氦。

1895年，英国化学家拉姆齐（William Ramsay）爵士和另一位英国化学家特拉弗斯（TraversMW，1872-1961）合作，在用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的气体，用光谱鉴定为氦气，证实了氦气也是一种稀有气体，这种气体地球上也有，并且氦元素是非金属元素。

1903年，美国的天然气油田中发现了大量的氦。

理化性质

物理性质

氦气

在室温和大气压力下，氦是无色、无味的单原子气体。它在干空气中的体积含量为5.24×10-6。是人类发现临界温度最低的物质。进行低压放电时显深黄色。

氦不能仅靠将饱和液体冷却到绝对零度而固化。要使氦固化，必须施以相应压力。在2.173K，氦将或多少从正常液体转变成一种具有独特性质的流体。温度高于2.173K的液体称为氦Ⅰ。低于此温度的液体称为氦Ⅱ。氦Ⅱ为超流体。它的熵为零，热导率极高，黏度几乎为零。液化后温度降至2.174K时，具有表面张力很小、导热性很强、黏度极低等特殊性质。利用液态氦可以得到接近绝对零度的低温。

由于液氦温度低，用液氦冷却某些金属或金属化合物，金属或金属化合物的电阻会完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。

因为氦气传播声音的速度差不多为空气的三倍，所以吸入氦气的人说话的声音会变高频率。这个有趣的现像，使得吸入氦气的人说话尖声细气，就好像旧时的卡通人物一样。

化学性质

氦是单原子气体，化学性质不活泼。化学性能稳定，进行低压放电时显深黄色。一般不生成化合物，在低压放电管中受激发可形成He+、HeH等离子及分子。一般状态下很难和其他物质发生反应，在特定条件下和某些金属可形成化合物。液态氦在温度下降至2.18K时，性质会发生突变，黏度极小，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍，成为导热性能极佳的热导体，其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。这种异常的液体叫做液氦Ⅱ，正常的液态氦叫做液氦Ⅰ。

应用领域

氦气气球

氦气广泛应用于军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等。

1、低温冷源：利用液氦的-268.9℃的低沸点，液氦可以用于超低温冷却。而超低温冷却技术在超导技术等领域有较广泛的应用，超导材料需要在低温（100K左右）中才能表现出超导特性，大多数情况下只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。超导技术在交通行业的磁悬浮列车，医疗领域的核磁共振成像设备都有较大的应用。

2、气球充气：由于氦气密度远小于空气（空气的密度为1.29kg/m3，氦气的密度为0.1786kg/m3），而且化学性质极不活泼，较氢气安全（氢气可以在空气中燃烧，可能会引起爆炸），氦气常用于飞船或广告气球中的充入气体。

3、检验分析：仪器分析中常用的核磁共振分析仪的超导磁体需要利用液氦降温，气相色谱分析中氦气常作为载气，利用氦气渗透性好、不可燃的特点，氦气还应用于真空检漏，如氦质谱检漏仪等。

4、保护气：利用氦气不活泼的化学性质，氦气常用于镁、锆、铝、钛等金属焊接的保护气。

5、氦气可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。

6、氦气有优良的渗透性，用于核反应堆的冷却，火箭和核反应堆的一些管道及电子和电气装置等的检漏。

7、氦气是具有理想气体的气体，是极低温度下蒸气压温度计的理想用气。

8、氦气的质量密度、重量密度都低，且不易燃，可用来填充灯泡、霓虹灯管，也是理想的气球及飞艇用气。

9、氦气惰性气体的一种，在血液中的溶解度较氮气低，因而其麻醉性低于氮气，所以常将氦气与氧气混合，作为潜水员的呼吸用气体。

10、其他方面：氦气可用作高真空装置、原子核反应堆在火箭、宇宙飞船上用作输送液氢、液氧等液体推进剂的加压气体。氦气还用作原子反应堆的清洗剂，在海洋开发领域的呼吸用混合气体中，气体温度计的填充气等。

制备方法

氦气

1.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、粗氦制取及氦的精制等工序，制得99.99%的纯氦气。

2.空分法：一般采用分凝法从空气装置中提取粗氦、氖混合气，由粗氦、氖混合气制纯氦、氖混合气经分离及纯化，制得99.99%的纯氦气。

3.氢液化法：工业上采用氢液化法从合成氨尾气中提氦。该法工艺是低温吸附清除氮、精馏得到粗氦加氧催化除氢及氦的纯化，制得99.99%的纯氦气。

4.高纯氦法：将99.99%的纯氦进一步用活性炭吸附纯化制得99.9999%的高纯氦气。

毒理反应

如果大量吸入氦气，会造成体内氧气被氦取代，因而发生缺氧（呼吸反射是受体内过量二氧化碳驱动，而对缺氧并不敏感），严重的甚至会死亡。另外，如果是由高压气瓶中直接吸入氦气，那么其高流速就会严重地破坏肺部组织。大量而高压的氦和氧会造成高压紧张症状Highpressurenervoussyndrome（HPNS），不过少量的氮就能够处理这个问题。大量及长时间吸入氦气可导致脑损伤甚至死亡。在大部分薯条类包装袋里也含有少量氦气，不过不必担心，没有危害。

氦气是无毒的，但它可以通过置换空气中的氧而造成窒息危险。较长时间吸入含氧<10%的空气可导致脑组织损伤或死亡，最初的症状包括恶心、呕吐和哮喘，暴露在这样的大气中的人不能自救或呼救。吸入纯氦气会立即失去知觉并且几乎立即死亡。在大量使用气态氦或液氦时，应在通风良好的地方进行，以避免形成缺氧空气。

包装与贮运

1、包装

氦气一般用高压钢瓶包装，钢瓶颜色为灰色，标绿色“氦”字，气态氦的充装应按照国标GB14194进行，中国包装贮运危险性分类：第2.2类不燃气体，中国危险货物包装标志：5。

2、贮运

氦气无腐蚀性，常温下可使用任何通用材料贮存，低温下主要采用铜、铝和不锈钢材质。可用气态和液态方式贮存，气瓶应贮存于阴凉、通风的仓库内，温度不宜超过30℃，远离火种和热源，防止阳光直射，应与易燃易爆、可燃物分开存放。

氦气可用管道输送也可用运输式罐装容器直接输送，其罐装容器为1L~30m。液氦在工业上使用液氦运输贮槽或固定贮罐来运输和长期贮存，其容积一般100~500L。

氦气应在通风良好、安全且不受天气影响的地方直立存储，存储温度不可高于52℃。存储区域内不应有可燃性材料并远离频繁出入处和紧急出口，没有盐或其他腐蚀性材料存在。对于还未使用的气瓶应保护好阀盖和输出阀的密封完好，将空瓶与满瓶分开存放。避免过量存储和存储时间过长，保持良好的存储记录。

注意事项

1、压力通常有15MPa，使用时应用YQY-12或152IN-125等减压器减压后使用，使用前应用肥皂水检漏气体管道，确保气体管道不漏气。

2、确保氦气不泄露、工作场所保持通风，当氦气含量增加导致氧气含量低于19.5%时，患者先出现呼吸加快、注意力不集中、共济失调；继之出现疲倦无力、烦躁不安、恶心、呕吐、昏迷、抽搐，以致死亡。

3、每瓶氦气在使用到尾气时，应保留瓶内馀压在0.5MPa，最小不得低于0.25MPa馀压，应将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。

4、瓶装氦气在运输储存、使用时都应分类堆放，不准靠近明火和热源，应做到勿近火、勿沾油蜡、勿曝晒、勿重抛、勿撞击，严禁在气瓶身上进行引弧或电弧，严禁野蛮装卸，短距离移动氦气钢瓶应使用钢瓶专用手推车，长距离移动钢瓶应用危险品运输车辆运输。液氦的温度为4.25K，与皮肤接触能引起严重冻伤。

5、存贮氦气的钢瓶使用和检验遵照国家质量技术监督局《气瓶安全监察规程》的规定，气瓶充气压力不得超过规定压力。安全帽要随时装上，一保护气阀，气瓶每三年检验一次（特殊情况例外）做外表检查及进行水压试验，试验合格后方可继续使用，检验在充气单位进行。

氦气在使用过程中应采取先进先出原则，用合适的手推车来移动容器，不能拉、滚动或滑动钢瓶，不要试图抓住气瓶的盖子来拎起它；应保证气瓶在使用的全过程中为固定状态，用一个减压调节阀或独立的控制阀安全地从气瓶内释放气体，单向阀来防止倒流；不要加热气瓶以使压力和排出量加大，如果使用者在操作气瓶阀时有困难，需停止使用；应使用可调节的带扳手来打开过紧或生锈的阀盖，不可将工具（如扳手，螺丝刀，撬棍等）插入阀盖内，否则会损坏阀并引起泄漏；氦气与所有的普通材料都是相容的，管线和设备的设计要满足压力的需要。

应急处理

若发生泄漏，应迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。如有可能，即时使用。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。

含量分析

按气相色谱法测定。条件：柱为不锈钢柱，长6m，内径4mm。充填料为PoraPakQ，或类似品。载气为氢气[99.99%（V/V）]，流量40ml/min。用环线进样器。检测器为热电导检测器。柱温为60℃。检测器温度130℃。操作：将标本氦经气体进样阀送入气相色谱仪。选择GC的操作条件，使标准峰信号相当于不低于满刻度读数的70%，这样可使氮和氧完全从氦中分出（氮和氧彼此可能无法分清）。由供试样本所得的峰响应值所显示的滞留时间，应与由空气一氦检定标准样本（由工业级氦中混入1.0%空气，由厂商提供）所得的峰响应相当，并表示出不超过1.0%的空气量（体积），而He的含量应不低于99.0%（体积）。

国内现状

氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一。含氦天然气迄今仍是工业化生产氦气的唯一来源。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大，成本高。因此，在保护有限氦气资源的同时，研究开发先进的天然气提氦技术对于提高氦气生产的经济性、保障国家用氦安全和促进我国天然气提氦工业的发展具有重要意义。通过对提氦技术的分析介绍，低温冷凝法较为成熟，但能耗、成本较高；吸附法、吸收法和膜渗透法等其他提氦技术各具特点，但限于适用条件尚不能规模化工业应用。随着新材料、新技术的发展，天然气提氦技术不断改进创新，吸附法、膜渗透法等提氦工艺发展迅速，联产法、联合法工艺有着良好的应用前景，这些都为促进天然气提氦技术的发展提供了新的思路。

氦气纯度

工业氦

项目名称指标

氦气纯度：≥99%

氖（氢）、氧（氩）、氮、甲烷总含量，%≤1

水分含量，露点，≤-43℃

纯氦

项目名称指标

优等品一等品合格品

氦气纯度，%≥99.99599.99399.99

氖含量，ppm≤152540

氢含量，ppm≤357

氧（氩）含量，ppm≤355

氮含量，ppm≤101725

一氧化碳，ppm≤111

二氧化碳，ppm≤111

甲烷量，ppm≤111

水分含量，ppm≤101520

高纯氦气

氦气纯度>99.999%，

杂质含量（ppm）：

O2≤0.5，

N2≤1.0，

CO≤0.5，

CO2≤0.5，

CH4≤0.5，

H2O≤0.5，

Ne≤8.0；

超纯氦气

氦气纯度>99.9999%，

杂质含量（ppm）：

N2≤0.5，

O2≤0.5，

Ne≤0.5，

CO≤0.1，

CO2≤0.1，

THC≤0.1，

H2O≤0.2；

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