هلیوم چیست؟

هلیوم (He) یک عنصر شیمیایی به حالت گاز است که در گروه 18 جدول تناوبی قرار داشته و همانند گاز آرگون، عضوی از خانواده گازهای نجیب یا بی اثر است. دومین عنصر سبک (اولین عنصر سبک گاز هیدروژن است) و گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه است که در دمای -268.9˚C (-452˚F) به مایع تبدیل می‌شود. نقطه جوش و نقطه انجماد هلیوم کمتر از هر ماده و ترکیب شناخته شده دیگری است.

این ماده تنها عنصری است که با سرد کردن کافی در فشار معمولی اتمسفر نمی‌توان آن را به جامد تبدیل کرد. برای تبدیل آن به فرم جامد، لازم است فشار یک اتمسفر در دمای˚K -272(˚C) 1 بر هلیوم اعمال شود.

تاریخچه گاز هلیوم چیست؟

هلیوم در اتمسفر گازی اطراف خورشید توسط ستاره شناسی فرانسوی به نام پیر یانسن یافت شد که در سال 1868 یک خط زرد روشن را در طیف کروموسفر خورشیدی کشف کرد. این خط در ابتدا نشان دهنده عنصر سدیم با خطوط D1 و D2 در نظر گرفته شد.

در همان سال 1868، جوزف نورمن لاکیر، ستاره شناس انگلیسی، خط زردی را در طیف خورشیدی مشاهده کرد که با خطوط سدیم D1 و D2 مطابقت نداشت؛ بنابراین آن را خط D3 نامید. لاکیر نتیجه گرفت که خط D3 توسط عنصری در خورشید ایجاد شده است که در زمین ناشناخته بوده و هنوز کشف نشده است. او و شیمیدانی به نام ادوارد فرانکلند از کلمه یونانی خورشید، هلیوس، در نامگذاری عنصر کشف شده استفاده کردند.

شیمیدان دیگری با نام سر ویلیام رمزی که بریتانیایی بود، در سال 1895 موفق شد وجود هلیوم را روی زمین کشف کند. رمزی نمونه‌ای از ماده معدنی حاوی اورانیوم را به دست آورد و پس از بررسی گاز تولید شده از حرارت دادن نمونه، متوجه شد که یک خط زرد روشن منحصر به فرد در آن وجود دارد. طیف این خط زرد روشن با خط D3 مشاهده شده در طیف خورشید مطابقت داشت؛ بنابراین عنصر جدید هلیوم به طور قطعی شناسایی شد. در سال 1903 رمزی و فردریک به اطلاعاتی بیشتر در مورد این عنصر رسیدند؛ اینکه هلیوم، محصولی است از تجزیه خود به خودی مواد رادیواکتیو به وجود می‌آید.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی

• گاز نجیب
• بی رنگ
• بی بو
• بی مزه
• غیرسمی
• خنثی
• بی اثر
• واکنش پذیری پایین
• بی خطر
• دارای کمترین نقطه جوش در میان عناصر
• چگالی کمتر از هوا
• غیر قابل انجماد با کاهش دما
• در غلظت‌های بالا اختناق آور (خفه کننده(
• وزن مولکولی 4 gr/mol

فراوانی گاز هلیوم

گاز هلیوم حدود 23 درصد جرم کیهان را تشکیل می‌دهد؛ بنابراین از نظر فراوانی پس از گاز هیدروژن، در رتبه دوم قرار می‌گیرد. بیشترین مقدار این گاز در ستارگان متمرکز شده است؛ جایی که از هیدروژن توسط همجوشی هسته‌ای سنتز شده و به وجود می‌آید. اما در جو زمین فقط به میزان 1 در 200000 قسمت (0.0005 درصد) وجود دارد.

مقادیر کمی از آن نیز در مواد معدنی رادیواکتیو، آهن‌های شهاب سنگی و چشمه‌های معدنی وجود دارد. حجم زیادی از هلیم به عنوان جزئی از جو زمین (در حدود 7.6 درصد) در نظر گرفته می‌شود. از طرف دیگر، هوای معمولی حاوی حدود 5 قسمت در میلیون و پوسته زمین تنها حاوی حدود 8 قسمت در میلیارد از گاز هلیوم است.

ایزوتوپ‌های هلیوم

هسته هر اتم هلیوم شامل دو پروتون است؛ اما مانند همه عناصر، برای این عنصر نیز ایزوتوپ‌هایی وجود دارد. ایزوتوپ‌های شناخته شده هلیوم حاوی یک تا شش نوترون است؛ بنابراین عدد جرمی این ایزوتوپ‌ها از سه تا هشت متغیر است.

از این شش ایزوتوپ، فقط اتم‌هایی با عدد جرمی سه (He-3 یا هلیوم-3) و عدد جرمی 4 (He-4 یا هلیوم-4) پایدار هستند. هلیم-4 فراوان‌ترین ایزوتوپ پایدار است. در حالی که بقیه آن‌ها رادیواکتیو بوده و خیلی سریع به مواد دیگر تجزیه می‌شوند.

هلیوم موجود در زمین از عناصر اولیه نیست؛ بلکه در اثر فروپاشی رادیواکتیو تولید می‌شود. ذرات آلفا که از هسته مواد رادیواکتیو سنگین‌تر خارج می‌شوند، هسته‌های ایزوتوپ هلیوم-4 را به وجود می‌آورند. همچنین به مقدار زیادی در جو انباشته نمی‌شود؛ زیرا گرانش زمین قدرت و اثر کافی برای جلوگیری از فرار تدریجی آن به جو نیست.

نحوه تولید هلیوم

گاز هلیوم (با خلوص %98.2) با مایع شدن سایر اجزای گاز طبیعی در دماهای پایین و تحت فشار بالا از آن‌ها جدا می‌شود. با جذب گازهای دیگر روی زغال چوب فعال سرد شده، می‌توان به عنصری با درصد خلوص 99.995 دست پیدا کرد. مقدار هلیومی که از 1000 تن (900 تن متریک) هوا می‌توان به دست آورد، در حدود 112 فوت مکعب (3.17 m³) است. این مقادیر در دمای اتاق و فشار معمولی جو اندازه گیری می‌شوند.

کاربردهای گاز هلیوم چیست؟

از این گاز به عنوان نیروی محرکه موشک برای تحت فشار قرار دادن مخازن سوخت، به ویژه مخازن هیدروژن مایع، استفاده می‌شود؛ زیرا فقط هلیوم در دمایی که هیدروژن به مایع تبدیل می‌شود هنوز به حالت گاز باقی می‌ماند. همچنین در مخازن کرایوژنیک به عنوان خنک کننده بهره می‌برند؛ زیرا هلیوم مایع سردترین ماده‌ای است که تاکنون کشف شده است.

این گاز یک ردیاب ایمن است و صنایع مختلف نیز از آن برای تشخیص نشت گاز در محصولات و دستگاه‌های خود استفاده می‌کنند. تولید کنندگان محصولات آئروسل، لاستیک، یخچال، کپسول آتش نشانی، تهویه مطبوع و سایر دستگاه‌ها برای آزمایش کیفیت مهر و موم قبل از عرضه محصولات خود به بازار استفاده می‌کنند.

برای تنفس در محیط‌های با فشار بالا مانند غواصی، گاز هلیوم به صورت مخلوط با اکسیژن استفاده می‌شود؛ زیرا این گاز حلالیت کمی در جریان خون داشته و استنشاق آن در این حالت مشکل حادی برای دستگاه تنفسی ایجاد نمی‌کند. از این رو به عنوان یکی از اجزای اصلی در تولید گاز غواصی شناخته شده است.

برخی دیگر از کاربردهای این گاز به اختصار عبارت است از:

• به عنوان یک اتمسفر گازی بی اثر برای جوشکاری فلزاتی مانند آلومینیوم
• در هواشناسی به عنوان گاز بالابر برای بالن‌های حامل ابزار
• شهاب‌سنگ‌ها و سنگ‌ها نیز به دلیل داشتن هلیوم به‌عنوان وسیله‌ای برای تعیین قدمت مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند.
• در صنایع پزشکی برای تجهیزاتی مانند دستگاه MRI
• در لیزر هلیوم-نئون برای جراحی چشم
• در صنعت الکترونیک به عنوان یک منبع خنک کننده
• برای خنک کردن دوربین‌های ترموگرافی و تجهیزات مورد استفاده توسط تیم‌های جستجو و نجات به منظور برای شناسایی و نظارت بر فرآیندهای فیزیولوژیکی خاص
• گاز کالیبراسیون دستگاه‌ها
• ساخت نیمه رساناها و فیبر نوری
• به صورت مخلوط با هیدروکربن‌ها برای همسطح کردن شمارشگر کایگر جهت تشخیص اشعه‌های ایکس، آلفا، گاما و بتا

گاز هلیوم بادکنک

یکی دیگر از موارد کاربرد این گاز که اغلب افراد تاکنون با آن مواجه شده اند، پرکردن بالن و بادکنک است. همان طور که پیش از این اشاره کردیم، این گاز بسیار سبک وزن است و چگالی آن در مقایسه با هوا بسیار کمتر است. از این رو گزینه مناسبی برای پر کردن محفظه بالن و بادکنک است تا در هوا معلق بماند. گاز هلیوم هیچگونه قابلیت اشتعال زایی نداشته و اگر 100 درصد از این گاز در داخل بادکنک استفاده شود جای هیچگونه نگرانی نیست.

خطرات احتمالی گاز هلیوم چیست؟

این گاز بی اثر و خنثی است و به همین علت در دسته گازهای بی خطر جای دارد؛ با این حال خوب است نکات ایمنی و موارد احتیاطی در زمان کار با آن رعایت شود تا خطرات گاز هلیوم در محیط کار شما به حداقل ممکن برسد.

تنفس گاز هلیوم

این گاز در غلظت بالا اختناق آور (خفه کننده) است. از این رو تا حد امکان از تنفس آن، به ویژه در محیط بسته، بپرهیزید. این کار تنها باعث کاهش سطح اکسیژن در بدن شده و ممکن است نتایج جبران ناپذیری نظیر خفگی یا حتی در شرایط حاد، مرگ فرد را به دنبال داشته باشد.

تنفس از کپسول گاز هلیوم به مراتب خطرناک تر از استنشاق ان از طریق خروج هوای داخل بادکنک است؛ علت این امر، فشار بالای گاز خروجی و امکان ایجاد آسیب برای اعضای داخلی بدن است.