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        協和氣體18年專注工業氣體研發生產

        高純氦氣-氮氣-氬氣-氧氣-乙炔-液氧-液氮-特種氣體

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        元素的奧秘——氦氣無毒,為何能置人死地?

        我們今天來談談氦,這個位于元素周期表第二位的神秘氣體。

        與氫一樣,許多人第一次接觸氦,也是從氣球開始。只是更多的美國人對氦氣的認識卻源于2017年的一樁轟動一時又很快無聲無息的無頭命案。

        氦氣球是許多景點的熱門旅游項目

        氦的惰性

        我們都知道氫的原子序數是1,它的原子核里只有一個質子,氫的標準原子量是1.008,氫氣的密度是0.08988g/L;氦的原子序數為2,因為原子核中有兩個質子和兩個中子,所以氦的標準原子量是4.0026,但氦氣的密度是0.1786g/L,只是氫氣的1.99倍。問題出在哪里?

        因為氫氣是由兩個氫原子結合成一個氫氣分子,而氦是惰性元素,氦氣是由一個一個單獨的氦原子構成,一般情況下它沒有辦法與其它元素反應,也不能結合成分子氣體。

        氦原子核和它周圍的電子云

        為什么氦是惰性的?

        因為氦的原子核里有兩個質子,因此氦核攜帶了兩個正電荷。與此同時,氦有兩個電子,這兩個電子都在氦的1s軌道上運行。由于兩個電子剛好將1s軌道占滿,氦既不容易失去電子,也沒有能力再從別處得到電子,因此氦不與其它元素反應,它們互相之間也不能形成化學鍵。從化學上看,氦的化學性質是穩定的,被稱為惰性氣體。

        氦的主要用途

        氦氣比氫氣重一倍,但比起其它氣體卻是輕多了,我們知道海平面的空氣密度是1.293g/L,氦是空氣密度的1/7不到,更重要的是氦不會燃燒,所以它更適合拿來做探空氣球和飛艇。

        墜毀的梅肯號氦氣飛艇

        最早的氦氣飛艇是美國人造的,他們在從地底開采天然氣時發現了氦氣并將它分離出來。因為這種氣體很稀有,德國人想買,美國人把它當成戰略資源,不賣,所以德國人不得不用危險的氫氣來做飛艇,這導致了許多起事故。美國人用氦氣做飛艇也不順利,這種龐大的飛行器很容易受風的影響偏離航線。1933年,美國具有“空中航母”之稱的梅肯號(ZRS-5)飛艇攜帶著4架柯蒂斯F9C-2 輕型戰斗機在加利福尼亞海岸外遭遇大氣湍流,狂風吹掉了飛艇的十字尾翼,刺破了氦氣袋,最終導致飛艇墜海。后來美國人也停止發展載人的巨型氦氣飛艇。

        近年美國又在嘗試建造新的巨型軍用飛艇

        因為氦是惰性氣體,所以我們不能拿它來參與化學反應,來生成別的物質。也正因為如此,氦在很多場合被當成保護性氣體來使用,用來隔絕空氣。

        世界上大約有13%的工業氦氣被用作焊接時的保護氣體,因為它不與其它物質反應,所以在電弧焊的過程中用氦氣把空氣與焊點隔絕開來,可以保證焊接的質量。

        生產硬盤的企業也利用氦氣的惰性性質,他們把氦氣填充在硬盤盒里封閉起來,制成了企業級的超大容量硬盤。

        10TB氦氣密封式硬盤

        世界上大約有1/3的氦氣被用作低溫冷卻。由于在常壓下氦的熔點是-272.20°C(僅比絕對零度高0.95開爾文),它的沸點也僅為-268.928°C(4.22k),同時由于液氦的導熱性比銅高幾百倍,因此液態的氦常常被用于冷卻超導磁體、醫用MRI掃描儀和核磁共振譜儀。

        液氦用于冷卻MRI中的超導磁體

        氦的主要用途除了低溫超導、焊接保護、加壓和沖洗之外,還大量用于硅和鍺晶體生長、鈦和鋯生產過程中的氣體保護,超音速風洞和脈沖設施中也經常需要用到氦。

        氦的次要用途

        我們在超市里經常會用到激光掃碼裝置,裝置中一個重要部件是氦氖激光發生器,它現在已經被激光二極管代替了。

        氦氣由于它極低的折射性,不會因為溫度的變化造成光線的扭曲,所以氦經常被填充在大型光學望遠鏡里。在用到氦氣之前,觀測太陽的望遠鏡通常要抽成真空,這常常使得望遠鏡管變得又粗又沉,充了氦氣之后的望遠鏡輕巧多了。

        古德太陽望遠鏡

        氦氣還有一個重要的用途與人的健康有關。

        我們都知道,氦氣是惰性氣體,正常情況下它不會與任何物質發生化學反應,所以它無毒,不會對人構成任何危害。在很多時候,人們利用氦氣的惰性來挽救潛水員的生命。

        我們人類通常生活在地面,這時候我們身體外部與身體內部的大氣壓力是平衡的,當潛水員要下潛到很深的水下時,他身體外部的壓力急劇增大,這時候就需要對他呼吸的空氣也加壓,以保持潛水員身體內外的壓力平衡。而當潛水員在水下的作業任務完成,上浮到水面的過程中,他呼吸空氣的壓力也要同步減少。問題是人體內部的壓力并不是很快就能與外部達成平衡,當外部氣體壓力降低,之前溶解在血液和細胞中的高壓氣體就會跑出來,聚集到血管里造成氣泡,使血液形成泡沫狀,從而壓破血管造成氣體栓塞,嚴重的會危及生命。這就是我們常說的減壓病或潛水病。

        潛水員容易得減壓病

        通常人們會調節氮氣在壓縮空氣中的比例來減輕潛水病的發生,但由于氮氣也是可以溶解在血液中的,所以在大深度潛水中,人們更傾向于使用溶解性更低的氦氣-氧氣混合氣體來代替氮-氧混合氣體供給潛水員呼吸。這同時也證明了氦氣是沒有毒性的。

        然而事物往往都有兩面性,氦氣無毒無味,它不會與血液和我們的肌體反應,這同時證明了它是一種完美的窒息性氣體。如果一個人大量吸入氦氣,他會因為氧氣不足而迅速陷入昏迷狀態,他自己甚至不知道發生了什么就暈過去了,時間長一點,他就會因缺氧而死亡,不會有掙扎,更不會有反抗。因此,像氦一樣的惰性氣體屬于窒息性氣體,人因吸入過量氦氣死亡之后,一般情況下法醫查不出原因,因為氦氣不會生成任何有毒物質,他就是在不知不覺中憋死的。

        不要嘗試吸氦氣球里的氣體

        2017年5月14號,一個叫Peter W. Smith(彼得·史密斯)的人死在了美國明尼蘇達州的一個酒店房間里,他的頭上套了個塑料袋,塑料袋連著一個氦氣鋼瓶,警方宣布彼得·史密斯死于“使用氦氣自殺”,因為“氦氣在密閉空間內氧氣置換造成窒息”。檢方調查了死亡原因,但拒絕公布尸檢報告,于是這個投資銀行家的死便成了一樁懸案。

        事實上,十多年來在美國已經發生過多起年輕人因吸入氦氣導致的窒息死亡事件,有的是出于好奇,有的是想冒險,也有的是想不開。但總之有一條,盡管氦氣沒有毒性,但它會因為隔絕氧氣而悄悄地奪走你的生命。所以千萬不要嘗試!


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