天天信息:“氢气球”里,到底是充氢气,还是充氦气?

来源:科普中国

回忆起童年好像总是少不了气球的身影。记忆里的场景中,不论是公园里或是街道边,总会有卖气球的摊贩头顶着一团云般的卡通气球,不紧不慢地吆喝着。


(资料图片仅供参考)

从经典的米老鼠、葫芦娃,到蓝猫、淘气,再到喜羊羊和小猪佩奇,卖气球的人似乎永远知道什么是孩子们的心头好。

图片来源:作者拍摄

这些童年的“小伙伴”们,大家给了它们一个统一的名字——“氢气球”

不少细心的小伙伴也许会疑惑,为什么氢气球能漂浮在空中,而我们自己用嘴吹成的和用打气筒打出的气球却不能漂浮呢?

想知道答案吗?今天就带你一次性了解清楚氢气球的前世今生

Part.1

氢气球的前世今生

小朋友的诉求往往很简单,“能飘到头顶“,就是他们对于一个合格氢气球的最高要求。然而,历史上的氢气球可不仅仅只是飘到头顶而已,它们还具有载人载物的功能呢

世界上第一个氢气球诞生于1780年,由法国化学家布拉克把氢气灌入猪膀胱得以制成。

而世界上首飞的不载任何乘客和货物的氢气球由雅克·查尔斯教授(Jacques Charles)1783年8月设计实施。1783年12月1日,雅克·查尔斯和尼古拉斯-路易斯·罗伯特驾驶着他们的第二个氢气球进行了载人飞行。

随着时间的推移,氢气球的种类和作用不断丰富,有用于飘浮广告条幅的商用氢气球,有探测高空的气象用氢气球以及节日和玩具用小型乳胶氢气球等。

图片来源:veer图库

然而,不管氢气球作何用处,它的填充气体其实只有氢气和氦气。没错,尽管它叫氢气球,偶尔也还是可以用氦气作为填充气体的。

之所以选用这两种气体,还要从氢气球的漂浮原理以及气体的物理化学特性讲起。

Part.2

氢气球的漂浮原理

根据阿基米德定律(Archimedes law,又称浮力定律),浸在液体或气体中的物体会受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开的液体或气体所受的重力

具体来说就是,气球填充较低密度气体后,体积膨胀排开空气,而排开的空气重量就是气球所受到的浮力(原理图如下)。

氢气球漂浮原理图(作者制作)

由于低密度空气比同体积的空气轻,即使加上气球外皮的重量,气球整体受到的重力也较轻。于是乎,浮力大于重力,气球就飘起来了,然后越飞越高。

那什么样的气体可以使气球飘起来呢?

我们先来看看常见气体的标准密度(单位:千克/立方米)

上表列出了部分常见的低于空气密度(1.29 kg/m3)的气体,其中氢气、氦气、氨气及甲烷等明显比空气轻。

其实,理论上来讲只要将上述几种气体充入气球,气球便可以轻松漂浮起来,不过有的气体由于自身的特性所以并不太适合作填充气。

其中,氨气具有强烈刺激性臭味,且容易被吸附在皮肤黏膜和眼结膜上,从而产生刺激和炎症。作为厕所下水道的臭味源头,氨气被填充到气球里,实在不是一个讨喜的行为。

甲烷则是家用天然气的主要成分,和氢气一样易燃易爆,但远比氢气重。所以,市面上可以飘起来的“氢气球”的填充气往往就是氢气和氦气了

图片来源:veer

氢和氦是宇宙中含量最多的两种元素,但在地球大气中含量却极少。据统计,由于大气逃逸,在我们这个地球上,每年约有9.5万吨氢气和约1600吨氦气逃逸到宇宙中。

但幸运的是,由于地球富含水及各种含氢化合物,所以氢气实际上并不难获取。不过作为惰性气体的氦气,却很难与其他元素形成化合物,所以氦气的获取途径有限。

整个岩石圈每年估计会产生3000吨氦气,这些氦气往往会被天然气捕获并富集,而人类可以通过开采天然气将氦气分离提纯出来。氦气是一种不可再生资源,天然氦气是目前工业制备氦气的唯一来源,这使得目前全世界的氦气资源已经发生了全球性的短缺。

作为应用于军工、科研、医疗、工业等领域的稀有战略性物资之一,氦气的价格也远远超过氢气。

受限于成本,即便氦气安全性更高,市面上“氢气球”里面的充装气大部分还是名副其实的氢气

Part.3

氢气有危险,玩耍需谨慎

在这些充装了的氢气的漂亮气球背后,其实蕴藏着巨大的安全与环境隐患。近几年,因氢气球爆炸致伤致死的案例屡见报端。

有新闻报道显示,2014年,某地一购物广场开业庆典活动中,一只广告氢气球脱落后飘至数百公里外的另一地区,被一名儿童发现后,将气球捡回家中,数日后气球发生爆炸,致房屋倒塌,造成两人死亡、三人受伤的惨剧。

氢气易燃易爆,它在空气中的爆炸极限是4%~75%之间。这意味着,在空气里,只要氢气含量达到这个范围,哪怕只有一点明火,也会发生爆炸。

更令人担忧的是实际的生活场景中,氢气球的氢气极易泄漏,而且无需明火,仅仅是橡胶摩擦产生静电引发的电火花,也足以引燃或引爆氢气球。

而且很多氢气球里填充的氢气不够纯,再加上灌装过程中可能会混入少量空气,这使本就危险的处境更加危险。

实际上,早在2006年7月,国家气象局等多部门就联合下发了《关于进一步加强施放气球安全管理工作的通知》,提倡以惰性气体取代氢气等易燃易爆气体作为施放气球的填充物,以减少安全隐患

综合看来,氦气作为惰性气体,具有极强的稳定性,不会像氢气一样在身边成为一个定时炸弹。并且它的密度也很低,足以给氢气球提供足够的升力。

所以为了大家的安全,在选购氢气球时,一定要优先选择用氦气填充的氢气球,同时也要将危险性告诉周边的小朋友,尽量远离氢气球。

参考文献:

[1]Austerfield, P. J. From hot air to hydrogen: filling and flying the early gas balloons. [J]Endeavour,1990,14(4):194–200.

[2] Zartman, R. E.; Wasserburg, G. J.; Reynolds, J. H. Helium Argon and Carbon in Natural Gases" (J).Journal of Geophysical Research.1961,66(1): 277–306.

[3]刘建湘.浅议氢气球的安全施放[J]环境保护,2016,3.

出品:科普中国

作者:X-Y(中科院大连化学物理研究所)监制:中科院计算机网络信息中心编辑:王婷婷

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关键词: 惰性气体

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