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元素的奥秘——氦气无毒,为何能置人死地?

我们今天来谈谈氦,这个位于元素周期表第二位的神秘气体。

与氢一样,许多人第一次接触氦,也是从气球开始。只是更多的美国人对氦气的认识却源于2017年的一桩轰动一时又很快无声无息的无头命案。

氦气球是许多景点的热门旅游项目

氦的惰性

我们都知道氢的原子序数是1,它的原子核里只有一个质子,氢的标准原子量是1.008,氢气的密度是0.08988g/L;氦的原子序数为2,因为原子核中有两个质子和两个中子,所以氦的标准原子量是4.0026,但氦气的密度是0.1786g/L,只是氢气的1.99倍。问题出在哪里?

因为氢气是由两个氢原子结合成一个氢气分子,而氦是惰性元素,氦气是由一个一个单独的氦原子构成,一般情况下它没有办法与其它元素反应,也不能结合成分子气体。

氦原子核和它周围的电子云

为什么氦是惰性的?

因为氦的原子核里有两个质子,因此氦核携带了两个正电荷。与此同时,氦有两个电子,这两个电子都在氦的1s轨道上运行。由于两个电子刚好将1s轨道占满,氦既不容易失去电子,也没有能力再从别处得到电子,因此氦不与其它元素反应,它们互相之间也不能形成化学键。从化学上看,氦的化学性质是稳定的,被称为惰性气体。

氦的主要用途

氦气比氢气重一倍,但比起其它气体却是轻多了,我们知道海平面的空气密度是1.293g/L,氦是空气密度的1/7不到,更重要的是氦不会燃烧,所以它更适合拿来做探空气球和飞艇。

坠毁的梅肯号氦气飞艇

最早的氦气飞艇是美国人造的,他们在从地底开采天然气时发现了氦气并将它分离出来。因为这种气体很稀有,德国人想买,美国人把它当成战略资源,不卖,所以德国人不得不用危险的氢气来做飞艇,这导致了许多起事故。美国人用氦气做飞艇也不顺利,这种庞大的飞行器很容易受风的影响偏离航线。1933年,美国具有“空中航母”之称的梅肯号(ZRS-5)飞艇携带着4架柯蒂斯F9C-2 轻型战斗机在加利福尼亚海岸外遭遇大气湍流,狂风吹掉了飞艇的十字尾翼,刺破了氦气袋,最终导致飞艇坠海。后来美国人也停止发展载人的巨型氦气飞艇。

近年美国又在尝试建造新的巨型军用飞艇

因为氦是惰性气体,所以我们不能拿它来参与化学反应,来生成别的物质。也正因为如此,氦在很多场合被当成保护性气体来使用,用来隔绝空气。

世界上大约有13%的工业氦气被用作焊接时的保护气体,因为它不与其它物质反应,所以在电弧焊的过程中用氦气把空气与焊点隔绝开来,可以保证焊接的质量。

生产硬盘的企业也利用氦气的惰性性质,他们把氦气填充在硬盘盒里封闭起来,制成了企业级的超大容量硬盘。

10TB氦气密封式硬盘

世界上大约有1/3的氦气被用作低温冷却。由于在常压下氦的熔点是-272.20°C(仅比绝对零度高0.95开尔文),它的沸点也仅为-268.928°C(4.22k),同时由于液氦的导热性比铜高几百倍,因此液态的氦常常被用于冷却超导磁体、医用MRI扫描仪和核磁共振谱仪。

液氦用于冷却MRI中的超导磁体

氦的主要用途除了低温超导、焊接保护、加压和冲洗之外,还大量用于硅和锗晶体生长、钛和锆生产过程中的气体保护,超音速风洞和脉冲设施中也经常需要用到氦。

氦的次要用途

我们在超市里经常会用到激光扫码装置,装置中一个重要部件是氦氖激光发生器,它现在已经被激光二极管代替了。

氦气由于它极低的折射性,不会因为温度的变化造成光线的扭曲,所以氦经常被填充在大型光学望远镜里。在用到氦气之前,观测太阳的望远镜通常要抽成真空,这常常使得望远镜管变得又粗又沉,充了氦气之后的望远镜轻巧多了。

古德太阳望远镜

氦气还有一个重要的用途与人的健康有关。

我们都知道,氦气是惰性气体,正常情况下它不会与任何物质发生化学反应,所以它无毒,不会对人构成任何危害。在很多时候,人们利用氦气的惰性来挽救潜水员的生命。

我们人类通常生活在地面,这时候我们身体外部与身体内部的大气压力是平衡的,当潜水员要下潜到很深的水下时,他身体外部的压力急剧增大,这时候就需要对他呼吸的空气也加压,以保持潜水员身体内外的压力平衡。而当潜水员在水下的作业任务完成,上浮到水面的过程中,他呼吸空气的压力也要同步减少。问题是人体内部的压力并不是很快就能与外部达成平衡,当外部气体压力降低,之前溶解在血液和细胞中的高压气体就会跑出来,聚集到血管里造成气泡,使血液形成泡沫状,从而压破血管造成气体栓塞,严重的会危及生命。这就是我们常说的减压病或潜水病。

潜水员容易得减压病

通常人们会调节氮气在压缩空气中的比例来减轻潜水病的发生,但由于氮气也是可以溶解在血液中的,所以在大深度潜水中,人们更倾向于使用溶解性更低的氦气-氧气混合气体来代替氮-氧混合气体供给潜水员呼吸。这同时也证明了氦气是没有毒性的。

然而事物往往都有两面性,氦气无毒无味,它不会与血液和我们的肌体反应,这同时证明了它是一种完美的窒息性气体。如果一个人大量吸入氦气,他会因为氧气不足而迅速陷入昏迷状态,他自己甚至不知道发生了什么就晕过去了,时间长一点,他就会因缺氧而死亡,不会有挣扎,更不会有反抗。因此,像氦一样的惰性气体属于窒息性气体,人因吸入过量氦气死亡之后,一般情况下法医查不出原因,因为氦气不会生成任何有毒物质,他就是在不知不觉中憋死的。

不要尝试吸氦气球里的气体

2017年5月14号,一个叫Peter W. Smith(彼得·史密斯)的人死在了美国明尼苏达州的一个酒店房间里,他的头上套了个塑料袋,塑料袋连着一个氦气钢瓶,警方宣布彼得·史密斯死于“使用氦气自杀”,因为“氦气在密闭空间内氧气置换造成窒息”。检方调查了死亡原因,但拒绝公布尸检报告,于是这个投资银行家的死便成了一桩悬案。

事实上,十多年来在美国已经发生过多起年轻人因吸入氦气导致的窒息死亡事件,有的是出于好奇,有的是想冒险,也有的是想不开。但总之有一条,尽管氦气没有毒性,但它会因为隔绝氧气而悄悄地夺走你的生命。所以千万不要尝试!


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