هليم He

هليم (Helium) با علامت مختصر He يک عنصر شيميايي بدون بو، بدون رنگ و بدون مزه‌است که به صورت گاز است. در جدول عناصر بعد از هيدروژن قرار مي‌گيرد و دومين ماده‌اي است که به وفور در کيهان يافت مي‌شود. هليوم در سال ۱۸۶۸ توسط يک اخترشناس فرانسوي کشف شد. هليوم در مواردي از جمله سرمازايي و پر کردن بالن‌ها استفاده مي‌شود.

واژهٔ هليوم از واژهٔ يوناني “هليوس” (Helios) گرفته شده که بمعناي خورشيد است.

هليم چيست؟
بسياري از گازها را مي توان در آزمايشگاه تهيه كرد. اما بعضي از آنها را فقط در طبيعت مي توان يافت.
هليم يكي از اين گازها است كه بي بو و بي مزه است. اين گاز داراي خصوصيات ويژه اي است كه انرا براي ما مفيد مي سازد پس از هيدروژن اين گاز سبك ترين گازهاست. سبكي گاز هليم باعث كاربرد آن در بالون ها، نيروي دريايي، هوايي و زميني در ارتش مي شود. براي آنكه غواصاني كه از اعماق دريا رو به سطح آب شنا مي كنند. به دليل تغيير ميزان فشار آب دچار سكته نشوند در كپسول هواي آنها تركيبي از هليم و اكسيژن وارد مي كنند. براي جوشكاري آلومينيوم نيز از گاز هليم بهره برده مي شود. تركيبي از هليم و نئون براي توليد اشعه ليزر بكار گرفته شود. در حرارت

۴/۲۸۶ درجه سانتي گراد هليم به مايع تبديل مي شود. به همين دليل براي انجام كارهايي كه در حرارت بسيار كم امكان پذير است مورد استفاده قرار مي گيرد. هليم در ۱۸۶۸ توسط دانشمندان انگليسي«سرجوزف ندمن» «لايك ير» «پيرجانسن» كشف شد. هنگامي كه آنان مشغول مطالعه طيف خورشيدي براي عناصر موجود در آن بودند متوجه خطوطي كه پيش از آن هرگز ديده شده بود گرديدند اين خطوط امكان وجود عناصر جديدي را در خورشيد مطرح كرد و بر اساس كلمه يوناني «هليوس» يعني خورشيد نام آن را هليم گذاشتند از آن پس دانشمندان مطالعات فراواني بر روي هليم انجام دادند و دريافتند كه در اتمسفر زمين نيز هليم به ميزان كمي وجود دارد در هواي

 

اتمسفري هليم به مقدار ۱۸۶۰۰۰/۱ از عناصر را تشكيل مي دهد يعني ۰۰۰۵۲۳۹/ درصد مي باشد.
در بعضي از نقاط امريكا مانند تگزاس نيومكزيكر، كانزاس، ميزان هليم به ۸% در اتمسفر مي رسد همچنين در بعضي نقاط ديگر مثل كانادا، افريقا و صحرا ميزان اين گاز زياد است.
امريكا بزرگترين فروشنده هليم به كشورهاي ديگر است زيرا داراي بزرگترين منبع هليم جهان است در گذشته اين گاز بسيار گران بود اما امروزه قيمت آن كاهش يافته است.

اطلاعات اوليه
هليم ، عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي با نشان He و عدد اتمي ۲ وجود دارد. هليم که گاز بي‌اثر بي‌رنگ و بي‌بويي است، داراي پايين‌ترين نقطه جوش در ميان عناصر است و تنها تحت فشار بسيار زياد به حالت جامد در مي‌آيد. اين عنصر بصورت گاز تک‌اتمي يافت مي‌شود، از نظر شيميايي خنثي مي‌باشد و بعد از هيدروژن فراوانترين عنصر در جهان به حساب مي‌آيد.

هليم در جو زمين به ميزان بسيار کم براثر فرسايش مواد معدني خاصي يافت شده ، در بعضي از آبهاي معدني هم وجود دارد. هليم در گازهاي طبيعي خاصي بصورت مقادير قابل تهيه تجاري وجود دارد و از آن بعنوان گاز بالابرنده در بالونها ، مايع سردکننده سرمازا در آهنرباهاي ابر رسانا و گاز وزن افزا در غواصي در آبهاي عميق استفاده مي‌گردد.
تاريخچــــــــه
هليم ( از واژه يوناني helios به معني خورشيد ) درسـال ۱۸۶۸ توسط “Pierre Janssen” فرانســوي و “Norman Lockyer” انگليسي که مستقل از هم فعاليت مي‌کردند، کشف شد. هر دوي آنها هنگام يک خورشيد گرفتگي در همان سال ، مشغول مطالعه بر روي نور خورشيد بودند و بطور طيف‌نمايي متوجه خط انتشار عنصر ناشناخته اي شدند. “Eduard Frankland” ضمن تاييد يافته‌هاي Janssen ، نام اين عنصر را با توجه به نام خداي خورشيد در يونان ،Helios پيشنهاد کرد و چون انتظار مي‌رفت اين عنصر جديد ، فلز باشد، پسوند ium – را به آن افزود.

“William Ramsay” سال ۱۸۹۵ اين عنصر را از clevite جدا نمود و در نهايت متوجه غير فلز بودن آن گشت، اما نام اين عنصر تغييري نکرد. “Nils Langlet” و “Per Theodor Cleve” شيميدانان سوئدي که بطور مستقل از Ramsay کار مي‌کردند، تقريبا” در همان زمان موفق به جداسازي هليم از Clevite شدند.

سال ۱۹۰۷ “Thomas Royds” و “Thomas Royds” موفق به اثبات اين واقعيت شدند که ذرات آلفا ، هسته‌هاي اتم هليم مي‌باشند. “Heike Kamerlingh Onnes” فيزيکدان آلماني درسال ۱۹۰۸ اولين مايع هليم را بوسيله سرد کردن اين گاز تا ۹K بدست آورد و به سبب اين کار بزرگ ، جايزه نوبل را به او اهداء کردند.

سال ۱۹۲۶، يکي از شاگردان او به نام “Willem Hendrik Keesom ” براي اولين بار هليم

را بصورت جامد تبديل نمود.
پيدايــــــــش
هليم بعد از هيدروژن فراوانترين عنصر در جهان است و تقريبا” ۲۰% ماده ستارگان را تشکيل مي‌دهد. اين گاز همچنين داراي نقش مهمي در واکنشهاي پروتون – پروتون و چرخه کربن در ستارگان است که تشکيل دهنده بيشترين انرژي آنها مي‌باشد. فراواني هليم بيشتر از آ

ن است که با توليد توسط ستارگان توجيه شود، اما با مدل انفجار بزرگ (Big Bang ) سازگار است و اکثر هليم موجود در جهان در سه دقيقه اول شکل‌گيري جهان بوجود آمده‌اند.

اين عنصر در جو زمين و به مقدار ۱ در ۰۰۰ ۰۰ ۲ وجود داشته ، بعنوان يک محصول فروپاشي در کاني‌هاي راديواکتيو گوناگوني يافت مي‌شود؛ بخصوص اين عنصر در کاني‌هاي اورانيوم و توريم مانند clevites ، pitchblende، carnotite ، monazite و beryl ، بعضي از آبهاي معدني ( در بعضي از چشمه هاي ايسلند به ميزان ۱ در ۱۰۰۰ هليم وجود دارد )، در گازهاي آتشفشاني و در گازهاي طبيعي خاصي در آمريکا (که بيشتر هليم تجاري جهان از اين منطقه بدست مي‌آيد) ديده مي‌شود.

هليم را مي توان از طريق بمباران ليتيم با بور بوسيله پروتونهاي سريع توليد نمود.
خصوصيات قابل توجه
هليم در دما و فشار طبيعي بصورت گازي تک‌اتمي وجود دارد و فقط در شرايط بسيار غير عادي متراکم مي‌شود. هليم داراي پايين‌ترين نقطه ذوب در ميان عناصر است و تنها مايعي است که با کاهش دما به جامد تبديل نمي‌شود و در فشار استاندارد تا دماي صفر مطلق به حالت مايع باقي مي‌ماند؛ (تنها با افزايش فشار مي‌توان آنرا به جامد تبديل نمود.)

 

در واقع دماي بحراني که بالاتر از آن بين حالات مايع و گاز هيچ تفاوتي وجود ندارد، تنها ۱۹,۵K است. He-4 و He-3 جامد از اين نظر که يک محقق مي‌تواند با استفاده از فشار حجم آنها را بيش از ۳۰% تغيير دهد، منحصر به فرد هستند. ظرفيت گرمايي ويژه گاز هليم بسيار زياد است و بخار آن بسيار متراکم مي‌باشد، بطوري‌که در صورت گرم شدن در دماي اطاق سريعا” منبسط مي‌گردد.

هليم جامد فقط در فشار بالا و در تقريبا” ۱۰۰ مگا پاسکال در ۱۵- درجه کلوين است که بين دماي پايين و بالا يک جابجايي انجام مي‌دهد که در آن ، اتمها داراي آرايشهاي به‌ترتيب مکعبي و

شش‌ضلعي مي‌شوند. در يک لحظه از اين دما و فشار ، حالت سومي بوجود مي‌آيد که در آن ، اتمها آرايشي مکعبي به خود مي‌گيرند، در حاليکه جرم آن در مرکز قرار دارد.

تمامي اين حالات از نظر انرژي و چگالي مشابه هستند و دلايل اين تغييرات به جزئيات چگونگي شکل‌گيري اتم‌ها بر مي‌گردد.
کاربردهـــــــا
هليم بيشتر بعنوان گازي بالابرنده در بالونها استفاده مي‌شود که از آنها به‌ترتيب براي تبليغات ، تحقيقات جوي ، شناسايي‌هاي نظامي و بعنوان يک چيز بديع استفاده مي‌شود. بعلاوه هليم داراي قدرت بالابرندگي ۹۲,۶۴% هيدروژن است، اما بر خلاف آن قابل اشتعال نبوده ، بنابراين ايمن‌تر از هيدروژن به‌حساب مي‌آيد.
ساير کاربردهاي آن
• هليم – اکسيژن براي تنفس در محيطهاي پرفشار مثل لباس غواصي يا زيردريائيها بکار مي‌رود، چون هليم ساکن است و کمتر از نيتروژن ، در خون قابل حل مي‌باشد و ۲,۵ مرتبه سريعتر از

نيتروژن منتشر مي‌شود. اين مسئله موجب کاهش مدت زمان لازم براي از بين بردن گاز در هنگام فشارزدايي مي‌شود و خطر خواب نيتروژني را از بين مي‌برد و احتمال تمرکز آن مثل حبابهاي متصل وجود ندارد.
• داراي پايين‌ترين نقطه ذوب و جوش در ميان عناصر است که اين خصوصيت ، مايع هليم را به خنک کننـده اي ايده‌آل براي مقاصدي که دماي بسيار پايين نياز دارند، تبديل مي‌کند، از جمله آنرباهاي ابررسانا و تحقيقات سرما شناسي که در آنها دماي نزديک به صفر مطلق نياز است.
• هليم بعنوان يک خنثي و حامل بعنوان مثال در گاز رنگ‌کاري)) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
• همجوشي هيدروژن به هليم انرژي لازم براي بمبهاي اتمي را تامين مي‌کند.
• از هيدروژن همچنين براي موشکهاي با سوخت مايع فشرده ، بعنوان حفاظ گاز در جوشکاري برقي ، بعنوان گازي محافظ براي توليد بلورهاي سيليکون و ژرمانيم ، بعنوان عامل خنک کننده براي رآکتورهاي اتمي و براي تونلهاي بادي فراصوتي استفاده مي‌شود.
• همزمان با پيشرفت تکنولوژي MRI) magnetic resonance imaging) در مصارف پزشکي ، استفاده از هليم مايع در MRI رو به افزايش است.
ترکيبات
هليم اولين عنصر در گروه گازهاي بي‌اثر است و براي بسياري از اهداف عملي واکنش‌ناپذير مي‌باشد. اما در اثر تخليه الکتريکي يا بمباران الکتروني ، ترکيباتي را با تنگستن ، يد

، فلوئور ، گوگرد و فسفر بوجود مي‌آورد.
ايزوتوپهــــــــــا
معمولترين ايزوتوپ هليم ، He-4 مي‌باشد که هسته آن ، داراي دو پروتون و دو نوترون است.