هليوم
الهليوم Helium، هو عنصر كيميائي لا لون له ولا رائحة وعديم الطعم، وهو من العناصر الخاملة أو النبيلة، له أقل درجات الغليان والانصهار مقارنة ببقية العناصر، وهو لا يوجد إلا في الحالة الغازية باستثناء ظروف خاصة جدا، ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون، وكميات ملموسة منه على الأرض موجودة فقط في الغاز الطبيعي، يستخدم في تطبيقات علوم درجات الحرارة شديدة الانخفاض وفي أنظمة تنفس الغواصيين، ولنفخ البالونات، الهيليوم غاز غير سام وليس له تأثير بيولوجي على الكائنات الحية.
 | |||||||||||||||
| الهليوم | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| المظهر | غاز عديم اللون، يظهر بريق أحمر-برتقالي عند وضعه في مجال كهربائي ذو جهد عالي | ||||||||||||||
| الوزن الذري العياري Ar°(He) | |||||||||||||||
| الهليوم في الجدول الدوري | |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| الرقم الذري (Z) | 2 | ||||||||||||||
| المجموعة | 18 | ||||||||||||||
| الدورة | period 1 | ||||||||||||||
| المستوى الفرعي | s-block | ||||||||||||||
| التوزيع الإلكتروني | 1s2 | ||||||||||||||
| الإلكترونات بالغلاف | 2 | ||||||||||||||
| الخصائص الطبيعية | |||||||||||||||
| الطور at د.ح.ض.ق | gas | ||||||||||||||
| نقطة الانصهار | 0.95 K (−272.20 °س، −457.96 °F) (at 2.5 MPa) | ||||||||||||||
| نقطة الغليان | 4.222 K (−268.928 °س، −452.070 °ف) | ||||||||||||||
| الكثافة (at STP) | 0.1786 g/L | ||||||||||||||
| حين يكون سائلاً (عند ن.إ.) | 0.145 ج/سم³ | ||||||||||||||
| حين يكون سائلاً (عند ن.غ.) | 0.125 ج/سم³ | ||||||||||||||
| النقطة الثلاثية | 2.177 K, 5.043 kPa | ||||||||||||||
| النقطة الحرجة | 5.1953 K, 0.22746 MPa | ||||||||||||||
| حرارة الانصهار | 0.0138 kJ/mol | ||||||||||||||
| حرارة التبخر | 0.0829 kJ/mol | ||||||||||||||
| السعة الحرارية المولية | 20.78[1] J/(mol·K) | ||||||||||||||
ضغط البخار (تعريف ITS-90)
| |||||||||||||||
| الخصائص الذرية | |||||||||||||||
| حالات الأكسدة | 0 | ||||||||||||||
| الكهرسلبية | مقياس پاولنگ: no data | ||||||||||||||
| طاقات التأين |
| ||||||||||||||
| نصف قطر التكافؤ | 28 pm | ||||||||||||||
| نصف قطر ڤان در ڤالز | 140 pm | ||||||||||||||
| خصائص أخرى | |||||||||||||||
| التواجد الطبيعي | primordial | ||||||||||||||
| البنية البلورية | hexagonal close-packed (hcp) | ||||||||||||||
| سرعة الصوت | 972 م/ث | ||||||||||||||
| قضيب رفيع | 0.1513 W/(m·K) | ||||||||||||||
| الترتيب المغناطيسي | مغناطيسية معاكسة[2] | ||||||||||||||
| رقم كاس | 7440-59-7 | ||||||||||||||
| التاريخ | |||||||||||||||
| التسمية | after Helios, Greek god of the Sun | ||||||||||||||
| الاكتشاف | پيير يانسن، نورمان لويكر (1868) | ||||||||||||||
| أول عزل | وليام رامزي، پير تيودور كلڤ، أبراهام لانگلت (1895) | ||||||||||||||
| نظائر الالهليوم | |||||||||||||||
| قالب:جدول نظائر الهليوم غير موجود | |||||||||||||||
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التاريخ
الاكتشاف وأصل التسمية
يعد الهليوم العنصر الوحيد الذي اكتشف في الكون وذلك على الشمس قبل أن يكتشف على الأرض. حدث ذلك عندما لاحظ الفلكي بيير جانسن وجود خط أصفر لامع في طيف الإصدار للغلاف اللوني للشمس أثناء حادثة كسوف كلي للشمس في الهند عام 1868.[4][5] في ذات العام لاحظ الفلكي جوزيف نورمان لوكير نفس الخط الأصفر من الطيف الضوئي للشمس، وأسماه خط فراونهوفر D3، لأن له طول موجة مقداره 587.49 نانومتر وهو قريب من خطوط D1 و D2 للصوديوم.[6] بعد ذلك، استنتج لوكير أن الخط الطيفي هذا سببه عنصر موجود في الشمس وغير موجود على الأرض، فأطلق عليه سويّة مع إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس ἥλιος هيليوس.[7][8][9]
في عام 1895، استطاع العالم البريطاني وليام رامزي أن يعزل الهيليوم على الأرض، عندما قام بمعالجة معدن الكليفيت (وهو معدن مشابه لليورانينيت مع وجود حوالي 10% من العناصر الأرضية النادرة) وذلك بأحماض معدنيّة. توقع رامزي وجود الأرگون، ولكنه بعدما قام بفصل النيتروجين والأكسجين من الغازات المتحرّرة من أثر حمض الكبريتيك، لاحظ وجود خط أصفر مميّز في طيف إصدار المادّة المستخرجة، والذي يشبه خط D3 في طيف الشمس، وشخّصت هذه العيّنات على أنّها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني وليام كروكس.[6][10][11][12] في تجربة منفصلة قام العالم پير تيودور كليڤ مع مساعده أبراهام لانغليت بجمع عينات من غاز الهيليوم من معدن الكليفيت في جامعة أوبسالا في السويد وذلك من أجل تحديد كتلته الذريّة.[5][13][14]
اكتشافات علمية
في عام 1907، أظهر العالم إرنست رذرفورد مع توماس رويدز أن جسيم ألفا هو نواة الهيليوم، وذلك من خلال قيامه بالسماح لجسيمات ألفا أن تخترق جدار زجاجي رقيق لأنبوب تفريغ، مما أدّى إلى حدوث تفريغ للشحنة والذي سمح بدراسة طيف الغاز في الداخل.[15]
سُيّل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي هايك كامرلينگ أونس عام 1908، وذلك بتبريد الغاز لأقل من درجة كلڤن واحدة.[16] حاول أونس الحصول على الحالة الصلبة من الهليوم بتخفيض درجة الحرارة، لكنه لم يتمكّن من ذلك، لأنه لا توجد للهليوم نقطة ثلاثية يكون عندها توازن بين الحالات الثلاثة للمادة. بالرغم من ذلك، تمكّن تلميذ أونس الفيزيائي فيليم هندريك كيسوم من تصليب 1 سم3 من الهيليوم بتطبيق ضغط إضافي عند درجات حرارة منخفضة وذلك عام 1926.[17]
في عام 1938، اكتشف الفيزيائي پيوتر كابيتسا أن النظير هيليوم-4 عديم اللزوجة تقريباً في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بالميوعة الفائقة.[18] في عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هليوم-3 وذلك من قبل الفيزيائيّين دوگلاس أوشيروف وديڤد لي وروبرت ريتشاردسون، وحازوا بذلك جائزة نوبل في الفيزياء عام 1996.[19]
تاريخ الاستخراج والاستخدام
اكتشف وجود غاز الهيليوم مع الغاز الطبيعي في الأرض بكميات كافية للإنتاج عام 1903 أثناء التنقيب عن النفط في ديكستر في ولاية كانساس الأمريكية، حيث جمعت كمية من غاز غير قابل للاشتعال. بإجراء عملية تحليل للعيّنة في جامعة كانساس وجد أن الغاز يتألّف من 72% نيتروجين و 15% ميثان و1% هيدروجين و12% من غاز لم يتعرّف عليه حينئذ.[5][20] بإجراء عملية بحث أعمق وجد هاميلتون كادي و ديفد ماكفارلاند من جامعة كانساس أن 1.84% من العيّنة عبارة عن غاز الهيليوم.[21][22] أظهرت هذه الأبحاث أنّه على الرغم من ندرة وجود الهيليوم على الأرض فإنّه يتركّز تحت السهول الكبرى بكميّات كبيرة كافية كناتج ثانوي في عملية استخراج الغاز الطبيعي.[23]
هذه الوقائع جعلت من الولايات المتحدة أكبر مزوّد للهليوم، وجرى الاستفادة من ذلك في الحرب العالميّة الأولى في تعبئة المناطيد الحاجزة بغاز أخف من الهواء مثل الهيدروجين، لكنّه غير قابل للاشتعال. بناءً على ذلك جرى استعمال الهيليوم في تجهيز المناطيد العسكريّة. أوّل منطاد استعمل لهذا الغرض سمّي U.S. Navy's C-7 وأقلعت أول رحلة تجريبيّة له من هامبتون رودز في ولاية ڤرجينيا إلى قاعدة بولينغ فيلد العسكريّة في واشنطن في الأوّل من ديسمبر عام 1921.[24] استمرّ استخدام الهيليوم في المجال العسكري حتى الحرب العالميّة الثانيّة في عمليّات اللحام القوسي من أجل التجهيزات العسكريّة واستخدم كغاز لكشف التسريبات في عملية الانتشار الغازي أثناء تخصيب اليورانيوم لتصنيع القنبلة الذريّة في مشروع مانهاتن.[25]
الخصائص
ذرة الهليوم
مقالة مفصلة: ذرة الهليوم
| ذرة الهليوم |
|---|
 |
| توضيح لذرة الهليوم، يبين النواة (وردية) و توزيع سحابة الإلكترونات (أسود). النواة (في أعلى اليمين) في هليوم-4 هي في الواقع متماثلة كروياً وتشبه كثيراً سحابة الإلكترونات، بالرغم من أنه للنويات الأكثر تعقيداً فإن الوضع لا يكون كذلك دوماً. الخط الأسود يساوي واحد أنگستروم، يساوي 10−10 م أو 100,000 فم. |
طورا الغاز والپلازما
يكون الهيليوم في في الطور الغازي في أغلب الحالات، وذلك على شكل غاز أحادي الذرة وعديم اللون والرائحة. بسبب كتلته الذرّيّة المنخفضة فإنّ للهيليوم ناقليّة وسعة حراريّة أعلى من أيّ غاز آخر عدا الهيدروجين، كما أن معدل انتشاره في الأجسام الصلبة أعلى بثلاث مرات من الهواء وحوالي 65% من قيمة انتشار الهيدروجين.[6] لدى الهيليوم قرينة انكسار ثابتة مقارنة مع الغازات الأخرى بحيث أنه يستخدم كمادة قياسية لتصحيح الأخطاء في أجهزة قياس قرينة الانكسار للحالة الغازيّة.[26] عند درجات الحرارة العاديّة فإنّ للهيليوم معامل جول-طومسون سالب، ممّا يعني أنه يسخن عندما يسمح له بالتمدّد، وفقط عند درجة حرارة الانعكاس والتي تتراوح بين 32 و 50 كلفن عند ضغط مقداره 1 جوّ، فإنّ الهيليوم يبرد عندما يتمدّد.[6] عندما تخفّض درجة حرارة الهيليوم دون درجة الحرارة هذه فإنّ الهيليوم يمكن أن يسيّل عن طريق التبريد بالتمديد.
إنّ أغلب الهيليوم الكوني يكون في حالة البلازما، والتي لها خواص مختلفة تماماً عن الهيليوم الذرّي. في حالة البلازما لا ترتبط الإلكترونات بالنواة ممّا يؤدي إلى ازدياد الناقليّة الكهربائيّة، حتّى وإن كان الغاز مؤيّناً بشكل جزئي. إنّ الجسيمات المشحونة تتأثّر بالحقول الكهربائية والمغناطيسيّة، وهذا ما يحدث لجسيمات الهيليوم والهيدروجين في الكون في الرياح الشمسيّة عندما يحدث تأثير متبادل مع الغلاف المغناطيسي للأرض ممّا يؤدّي إلى تشكّل تيارات بيركلاند والشفق القطبي.[27]
طورا الصلابة والسيولة
الهيليوم عديم اللون والطعم والرائحة. وعدده الذري 2 ووزنه الذري 4,00260. وتبلغ كثافة الهيليوم 0,0001664 جم/سم§ عند درجة حرارة 20° م. ويتحول إلى سائل عندما يبرد إلى درجة حرارة - 268,9°م، أي حوالي 4° م فوق الصفر المطلق. ونظرًا لأنه يمكن تبريد الهيليوم إلى مثل هذه الدرجة المنخفضة من الحرارة دون أن يتجمد، فإنه يستخدم سائلا مبردًا في وحدات التبريد المنخفضة الدرجة وفي أبحاث علم التقريس. انظر:التقريس، علم. إضافة إلى ذلك، فإن الهيليوم هو العنصر الكيميائي الوحيد الذي لا يتحول إلى صلب بالتبريد تحت الضغوط المعتادة ولذا يجب أن يُبَرَّد ويضغط. ويتحول الهيليوم إلى الحالة الصلبة عند درجة - 272,2°م، تحت ضغط 26 ضعف ضغط جوي.
والهيليوم السائل من أغرب السوائل كلها. فعلى عكس معظم السوائل، فإنه موصل جيد جدًا للحرارة، وينساب تجاه الأماكن الدافئة نسبيًا، ولا ينكمش بل يتمدد عند تبريده. ويكوّن الهيليوم السائل طبقة رقيقة فوق أي جسم يتلامس معه. وتعمل هذه الطبقة الرقيقة بوصفها سحارة، تحمل الهيليوم عبر جانب الوعاء إلى مستوى أدنى.
حالاته
تحت درجة الحرارة والضغط القياسيين، يوجد الهليوم في الحالة الغازية فقط. وهو لا يتحول إلى الحالة الصلبة إلا تحت ضغوط كبيرة، والذي بتغيره يتغير حجم المادة الصلبة. وفي درجة حرارة دون درجة غليان الهليوم 4.21 كلفن، وفوق "نقطة لامدا" 2.1768 كلفن، يكون النظير هيليوم-4 في حالة السيولة العادية وتسمى هليوم I، ولكن تحت "نقطة لامدا"، يكون للهليوم خواص فيزيائية غريبة، ويسمى عندها بهليوم II، ومثل هذه الخواص الفيزيائية غير واضحة عند النظير هليوم-3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
حالة الهليوم I
عندما يكون الهيليوم دون نقطة غليانه والتي تبلغ 4.22 كلفن وفوق نقطة لامدا التي تبلغ 2.1768 كلفن، فإنّ الهيليوم يكون في حالة سائلة عديمة اللون تدعى حالة الهيليوم I.[6] إنّ الهيليوم في حالته السائلة هيليوم I له قرينة انكسار شبيهة بالغازات مقدارها 1.026، كما أن له لزوجة منخفضة جداً وكثافة تتراوح بين 0.145–0.125 غ/مل.[28]
حالة الهليوم II
هيليوم II له خصائص سائلين، أحدهما سائل عادي والآخر عديم اللزوجة، فلا احتكاك داخلي بين جزيئاته، وله حركة جريان سريعة، وله موصلية كهربائية أعلى من أي مادة أخرى، وتنتقل فيه الحرارة على شكل موجات.
الخصائص الكيميائية
ينتمي الهيليوم إلى فصيلة الغازات النبيلة، وهو يحوي إلكترونين اثنين في طبقة غلاف التكافؤ الخارجيّة، بحيث أن المدارات الإلكترونية مكتملة 1S2، بالتالي فهو غاز خامل، وهو أقلّ الغازات النبيلة من حيث النشاط الكيميائي بعد النيون، وبالتالي ثاني أقل العناصر الكيميائيّة من حيث النشاط الكيميائي.[29] لا يبدي الهيليوم أيّ نشاط كيميائي تحت كافة الشروط الطبيعيّة.[30]
يكون الهيليوم على شكل أحادي الذرة في أغلب حالات المادة، كما أنه أقلّ غاز أحادي الذرة انحلاليّة (ذوبانيّة) في الماء،[31] ولا يسبقه بضعف الانحلاليّة في الماء إلا بعض الغازات مثل رباعي فلورو الميثان CF4 وسداسي فلوريد الكبريت SF6 وثماني فلورو حلقي البوتان C4F8 والتي لها انحلاليّة (معبّراً عنها بالكسر المولي) تعادل 0.3802 x2/10−5 و 0.4394 x2/10−5 و 0.2372 x2/10−5 على الترتيب، مقابل 0.70797 x2/10−5 للهيليوم.[32]
المركبات الكيميائية
لا توجد مركّبات كيميائيّة للهيليوم في الظروف القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة، ولكن عندما يعرّض الهيليوم إلى ظروف غير طبيعيّة من الضغط أو نتيجة قذف إلكتروني لنواة الهيليوم فإنّه يمكن أن يشكّل مركّبات كيميائيّة غير مستقرّة تعرف باسم الثنائيات المثارة (إكسايمر) وذلك مع عناصر مثل التنغستن واليود والفلور والكبريت والفوسفور، وذلك عندما تخضع للتفريغ المتوهج أو القذف الإلكتروني.
تحت ظروف التفريغ المرتفعة في جهاز مطيافية الكتلة يمكن أن يتشكّل أيون هيدريد الهيليوم ولكنّه غير قابل للعزل.[33] إنّ +HeH في حالته الأرضيّة مستقرّ، ولكنه نشيط كيميائيّاً بشكل كبير جداً، بحيث يعدّ أقوى حمض وفق نظرية برونستد-لوري حيث أنه يمنح البروتون بشكل فوري عند تماسه مع أيّ جزيء أو مركب، وذلك بغضّ النظر عن التركيز. نظريّاً، يمكن أن توجد هناك مركبات أخرى للهيليوم مثل فلوروهيدريد الهيليوم HHeF، وذلك قياساً لمركب فلوروهيدريد الأرغون.[34] أظهرت حسابات الكيمياء النظريّة إمكانيّة وجود مركبات أخرى للهيليوم حاوية على رابطة هيليوم-أكسجين، والتي يمكن أن تكون مستقرّة.[35]
جرى مؤخراً حبس ذرة الهيليوم داخل قفص كربوني، وذلك عند تسخين الفوليرينات إلى درجات حرارة مرتفعة بوجود الهيليوم. يتشكّل حينها ما يعرف باسم الفوليرينات ذات السطح الداخلي endohedral fullerene، والتي تبقى محتوية على الهيليوم محتجزاً داخلها حتّى حين إجراء اشتقاق مركّبات كيميائيّة منها.[36] وفي حال استعمال النظير هيليوم-3 يمكن أن يكشف ذلك باستعمال مطيافية الرنين المغناطيسي النووي للهيليوم.[37] لا تعدّ هذه المركّبات مركّبات للهيليوم بالمعنى الحقيقي للكلمة، إذ لا توجد دلائل على حدوث نوع من الرابطة الكيميائيّة بينها وبين العناصر المحيطة بها، إلا أن هذه المركّبات لها خواص مميّزة عن غيرها، ولها صيغة ستوكيومتريّة خاصّة بها. يرمز لهذه المركّبات بالأسلوب التالي: He@C60.
نظائره
هنالك تسعة نظائر معروفة للهيليوم، اثنان منها فقط عبارة عن نظائر مستقرّة وهي هيليوم-4 4He وهيليوم-3 3He. يعدّ النظير هيليوم-4 هو النظير الطبيعي الأكثر وفرةً حيث أن 99.99986% من عنصر الهيليوم في الطبيعة هو هيليوم-4، وما تبقّى فهو هيليوم-3. إحصائيّاً هنالك ذرّة هيليوم-3 واحدة مقابل مليون ذرّة هيليوم-4.[5] ينتج النظير هيليوم-4 في الأرض كناتح لعمليّة اضمحلال ألفا للعناصر المشعّة الأثقل حيث تنتج جسيمات ألفا، والتي هي عبارة عن نوى هيليوم مشحونة. تتميّز نواة النظير هيليوم-4 بثباتيّة عاليّة لأن نويّاتها مرتّبة بشكل كامل في غلافها النووي. إنّ الكميّات النادرة للنظير هيليوم-3 موجودة في الطبيعة منذ نشأة الأرض، بالإضافة إلى هبوط كمّيّات مصدرها من الكون، والتي كانت محتجزة ضمن الغبار الكوني،[38] كما تنتج كمّيّات قليلة من الهيليوم-3 من اضمحلال بيتا للتريتيوم.[39]
| خواص النظائر | 3He | 4He |
|---|---|---|
| الطاقة الساكنة (ميگا إلكترون ڤولت) | 2809 | 3728 |
| الكثافة كگ/م3 | 0.134 | 0.178 |
| درجة الحرارة الحرجة (كلڤن) | 3.32 | 5.20 |
| نقطة لامدا (كلڤن) | 0.0025 | 2.1768 |
| الضغط عند الانصهار (ميگا إلكترون ڤولت) عند 0 كلڤن | 3.439 | 2.536 |
| نقطة الانصهار (كلڤن) | 3.19 | 4.21 |
إنّ تفاوت نسبة النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 في الصخور يستخدم من أجل تحديد عمر الصخور ومعرفة أصل منشأها في الغلاف الصخري للأرض.[38] إنّ نسبة النظير هيليوم-3 3He إلى هيليوم-4 4He في الكون أعلى منها على الأرض بحوالي 100 مرّة وذلك في الوسط بين النجمي.[40] كما أنّ وفرته في النجوم كبيرة نسبياً نتيجة الاندماج النووي. إنّ المواد الكونيّة مثل الحطام الصخري للأقمار والأحجار النيزكية تحوي أيضاً نسب من هيليوم-3، والتي اصطحبتها الرياح الشمسيّة، كما أنّ سطح القمر يحوي الهيليوم-3 بتراكيز أعلى منها على سطح الأرض.[41][42]
إنّ مزيج من كمّيّتين متساويتين من 3He و 4He السائل تحت 0.8 كلفن سينفصل إلى طبقتين غير مزوجتين وذلك نتيجة لتباين الإحصاءات الكموميّة لهما، حيث أن 4He عبارة عن بوزون، في حين أنّ 3He فرميون.[43] يستفاد من خاصة عدم امتزاج هذين النظيرين في ثلاجة التمديد، حيث يمكن استخدام هذا التطبيق للحصول على درجات حرارة بحدود بضعة ميلي كلفن.[44]
التواجد الطبيعي
على الرغم من ندرته على سطح الأرض فإن الهيليوم يعدّ ثاني أكثر العناصر بعد الهيدروجين وفرة في الكون مشكّلاً 23% من كتلته الباريونيّة.[5] تشكّلت هذه الكميّة الهائلة من الهيليوم بعد فترة قليلة من الانفجار العظيم. يتشكّل الهيليوم في النجوم نتيجة الاندماج النووي للهيدروجين في تفاعل بروتون-بروتون المتسلسل ودورة كربون-نيتروجين-أكسجين (دورة CNO)، والتي تعدّ جزءاً من تفاعلات الانصهار النجمي.[45]
إنّ تركيز الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض يعادل 5.2 جزء في المليون، وهو يتركّز في طبقات الجو العليا من غلاف الأرض الجوي.[46][47] هذا التركيز الضئيل ثابت نسبياً في الغلاف الجوّي رغم الإنتاج المستمرّ للهيليوم، ويعود ذلك إلى انفلات الغاز من الغلاف الجوّي للأرض إلى الفضاء الخارجي وذلك بعدّة آليّات مقترحة.[48][49]
يدخل الهيليوم في تركيب الغلاف الغازي للعديد من الكواكب بنسب تظهر في الجدول التالي:
| نبتون | 19 % ± 3.2 % |
| أورانوس | 15.2 % ± 3.3 % |
| المشتري | 10.2 % |
| زحل | 3.25 % |
| الزهرة | 12 جزء في المليون |
| الأرض | 5.2 جزء في المليون |
إنّ معظم الهيليوم الموجود على الأرض هو نتيجة الاضمحلال الإشعاعي للعناصر الثقيلة نتيجة إطلاق جسيمات ألفا 2+He، والتي تتجمّع إلكتروناتها لتشكّل الهيليوم عندما تصطدم بالغلاف الصخري. لذلك يوجد الهيليوم بكميّات كبيرة نسبياً في تركيب عدّة معادن لليورانيوم والثوريوم بسبب إطلاقها لجسيمات ألفا أثناء اضمحلالها الإشعاعي مثل اليورانينيت (خاصةً الكليفيت، وهو أحد مشتقّات اليورانيتيت) والكارنوتيت والمونازيت. على هذا الأساس ينتج سنوياً حوالي 3000 طن متري من الهيليوم عبر غلاف الأرض الصخري.[50][51][52] إنّ تركيز الهيليوم في القشرة الأرضية هو 8 جزء في البليون، وفي مياه البحار فقط حوالي 4 جزء في الترليون. توجد كمّيّات قليلة من الهيليوم في الينابيع المعدنيّة والغازات البركانيّة والأحجار النيزكيّة.
إنّ المصدر الطبيعي الأكبر للهيليوم هو وجوده في بعض آبار الغاز الطبيعي نتيجة احتباسه تحت الطبقات الصخريّة للأرض. تختلف التراكيز حسب المواقع من عدّة أجزاء في المليون إلى حوالي 7% حجماً من كميّة الغاز المستخرجة كما في حقل الغاز في مقاطعة سان خوان في نيومكسيكو.[53][54]
الإنتاج
يأتي معظم الهليوم، على مستوى العالم، من خمسة حقول غاز في الولايات المتحدة الأمريكية:
1- حقل كليفسيد في تكساس
2- حقل جرينوود في كنساس وكولورادو
3- حقل هوجوتون في كنساس وأوكلاهوما وتكساس
4- حقل كييس في أوكلاهوما
5- حقل بانهاندل في تكساس. ويقدر حجم الهيليوم في هذه الحقول ب 5 بلايين متر مكعب. وتنتج مصانع الهليوم في الولايات المتحدة حوالي 57 مليون متر مكعب من الهيليوم سنوياً. كما وجد الهليوم في كندا، والصحراء الكبرى، وجنوب إفريقيا، وروسيا.
يحتوي الغاز الطبيعي المستخرج من بعض الآبار على هليوم تصل نسبته إلى 8%. وينقى الهيليوم عن طريق تبريد الغاز الطبيعي حتى تتحول كل الغازات، باستثناء الهيليوم والأرجون والهيدروجين والنيتروجين، إلى سوائل. ويُحرق الهيدروجين بعد ذلك من الخليط المتبقي، ويتم امتصاص الأرجون بالفحم النباتي عند درجات حرارة منخفضة. وعادة يظل النيتروجين في الهيليوم في صورة شوائب. ويسمى الهيليوم الذي تصل درجة نقائه إلى 99,995% بهيليوم الدرجة الأولى. والهيليوم الخام نصفه هيليوم، ونصفه الآخر نيتروجين.
ينتج غاز الهيليوم بشكلٍ صناعي بعملية التقطير التجزيئي للغاز الطبيعي، والذي يمكن أن يوجد بنسبة تصل حتى 7% حجماً.[55] بما أن للهيليوم نقطة غليان أقلّ من أيّ عنصر كيميائي آخر، فإنّ تطبيق درجات حرارة منخفضة عند ضغوط مرتفعة يؤدي إلى تسييل الغازات الأخرى مثل النيتروجين والميثان. بعد ذلك تجري عملية تنقية لغاز الهيليوم بالتعريض المتتالي لدرجات حرارة منخفضة بحيث يضمن عدم بقاء أي أثر لغازات أخرى. كخطوة نهائية للتنقية يستعمل الفحم المنشّط مما يعطي نقاوة تصل إلى 99.995% وتدعى بنقاوة من الدرجة A.[6] إنّ الشائبة الرئيسيّة في الهيليوم من الدرجة A هو غاز النيون. في مرحلة الإنتاج النهائيّة يسيّل الهيليوم من خلال عمليات تبريد عميقة بحيث يكون على شكل هيليوم سائل، ممّا يسهّل من عملية النقل، حيث أن حاوية نقل الهيليوم كسائل تسع أكثر بخمسة أضعاف الحجم الذي تنقله حاويات الهيليوم كغاز.[56][57]
إنّ ازدياد الطلب العالمي على الهيليوم ومحدوديّة الإنتاج أدّيا إلى ارتفاع سعر إنتاج الهيليوم في العالم،[58] بحيث أنه بين عامي 2002 و 2007 ازداد سعر الهيليوم بمقدار الضعف.[59] نتيجة محدوديّة موارد الهيليوم تجري حالياً استخدام تقنيّات يطبق فيها انتشار للغاز الطبيعي الخام عبر أغشية نصف نفوذة من أجل استرجاع وتنقية الهيليوم.[60]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
استخداماته
يستخدم الهيليوم في عدة مجالات وتطبيقات بما يتناسب مع خواصه المميّزة، مثل انخفاض نقطة غليانه وكثافته وانحلاليّته المنخفضة، بالإضافة إلى ناقليّته الحراريّة المرتفعة وخواصه الخاملة. بلغ الإنتاج العالمي من الهيليوم عام 2008 حوالي 32 مليون كغ (ما يعادل 193 مليون متر مكعّب)، وكان أكبر استهلاك له (حوالي 22%) في تبريد أجهزة المغناطيس فائق الموصلية المستخدمة في عدة تقنيّات مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي.[61] إنّ مصادم الهدرونات الكبير في سرن CERN يستخدم حوالي 96 طن متري من الهيليوم السائل للحفاظ على درجات حرارة دون 1.9 كلفن.[62]
نتيجة خموله الكيميائي، يستخدم الهيليوم كغاز واقي في إنتاج رقائق السيليكون والجرمانيوم وفي إنتاج التيتانيوم والزركونيوم وفي الاستشراب الغازي.[30] كما يستخدم الهيليوم كغاز واقي في عمليّات اللحام القوسي على المواد التي يؤدّي لحامها عند درجات حرارة مرتفعة إلى إشابتها أو إضعافها بالهواء أو بالنيتروجين.[5] يستخدم الهيليوم عوضاً عن الأرغون للحام المواد التي لها ناقليّة حراريّة مرتفعة مثل الألمنيوم أو النحاس.
من إحدى التطبيقات الصناعيّة لغاز الهيليوم استخدامه في كشف التسريب في الأجهزة التي تستخدم تفريغ مرتفع مثل الحاويات المستخدمة في التبريد العميق، وذلك لأن الهيليوم ينتشر في الأجسام الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء.[63] يوضع الجهاز المراد كشف التسريب فيه في حجرة تخلّى من الهواء وتملأ بالهيليوم، ويقاس الهيليوم الذي ينفد من مكان التسريب باستخدام أجهزة مخصصة لذلك. بالمقابل يمكن ملء الجهاز المراد كشف التسريب فيه بالهيليوم ويكشف عن مكان التسريب بجهاز يمرر يدويّاً على الجهاز بالكامل.[64]
لأنّ وزنه أخف من الهواء، يستخدم الهيليوم في ملء السفن الهوائية والمناطيد لتتمكّن من الطيران. على الرغم من أنّ الهيدروجين أخفّ من الهيليوم، لكنّه قابل للاشتعال، في حين أنّ الهيليوم لا يشتعل.
يدخل الهيليوم في تركيب غازات التنفس في أجهزة الغوص العميق، مثل تريمكس وهيليوكس، وذلك للتخفيف من الآثار التخديرية لغازات التنفس عند الضغوط المرتفعة.[65][66] وجد أنّ الغوص إلى أعماق دون 150 متر باستخدام أجهزة تنفس أكسجين-هيليوم تؤدّي إلى حدوث رعاش واضطراب في الوظائف الحسّيّة الحركيّة، ممّا يعدّ مؤشّراً على حدوث أعراض متلازمة الضغط العالي العصبي، أو ما يعرف باسم رعاش الهيليوم.[67] هذا الأثر يمكن أن يعود إلى حدّ ما نتيجة إضافة كمّيّات من غاز له خواص تخديريّة في الغطس مثل الهيدروجين أو النيتروجين إلى مزيج أكسجين-هيليوم.[68] في أعماق كهذه، وجد أن الكثافة المنخفضة للهيليوم لها دور في تخفيف المجهود المبذول للتنفس.[69]
استخدم ليزر هيليوم-نيون، وهو نوع من ليزر الغاز له طاقة منخفضة، وذلك من أجل إنتاج حزمة حمراء اللون، وذلك في عدّة تطبيقات مثل قارئ الشفرة الخيطية ومؤشر الليزر، وذلك قبل أن يستبدل بليزر الصمام الثنائي.[5]
يستخدم الهيليوم كوسط لتبادل الحرارة في بعض المفاعلات النوويّة المبرّدة بالغاز وذلك بسبب خموله الكيميائي وبسبب ناقليّته الحراريّة العاليّة، وعدم تأثره بالنيوترونات، ولعدم تشكيله نظائر مشعّة تحت شروط عمل المفاعل.[63]
عند مزج الهيليوم مع غاز أثقل مثل الزينون فإنّه يستخدم في المحركات الصوتيّة الحراريّة المستخدمة في التبريد، وذلك نتيجةً لارتفاع نسبة السعة الحرارية الناتجة ولانخفاض عدد برانتل.[70] إنّ خمول غاز الهيليوم له آثار إيجابيّة على البيئة مقابل أنظمة التبريد التقليديّة التي تؤدي إلى نضوب الأوزون والاحترار العالمي.[71]
إنّ استعمال الهيليوم يقلّل من الآثار المشوّشة في بعض المقاريب، والتي تحصل نتيجة تفاوت درجة الحرارة في الفراغ بين العدسات، وذلك بسبب الانخفاض الكبير لقيمة قرينة الانكسار بالنسبة للهيليوم.[6] تعد هذه طريقة عملية بالنسبة للمقاريب الشمسية التي تكون بحاجة إلى استخدام أنبوب تفريغ والذي غالباً ما يكون ثقيل الوزن.[72][73]
الاستنشاق وإجراءات الأمان
الآثار
إنّ الهيليوم في الشروط العادية عبارة عن غاز غير سام وليس له تأثير حيوي على جسم الإنسان عند التعرّض له. ولكن عندما يستنشق الهيليوم عن طريق الفم فإنّ له تأثير على الحبال الصوتيّة بحيث يظهر الصوت كأنه مُسرّع. سبب هذا الأثر أنّ سرعة الصوت في الهيليوم أسرع منها بثلاث مرات من الهواء. بما أنّ التردّد الأساسي لتجويف مملوء بغاز متناسب مع سرعة الصوت في هذا الغاز، لذلك فإنّه عندما يستنشق الهيليوم فإنّ هنالك ازدياد في رنين المجرى الصوتي.[5][74] إنّ تردّدات الرنين العالية تسبّب اختلاف في طابع الصوت بحيث يظهر متسارعاً (مزقزق، كما يعرف أحياناً باسم صوت ميكي ماوس).[75] إنّ التأثير المعاكس بتخفيض تردّد الرنين يمكن الحصول عليه باستنشاق غاز كثيف مثل سداسي فلوريد الكبريت أو الزينون.
المخاطر
إنّ المبالغة في استنشاق الهيليوم لتحقيق أثره على الحبال الصوتيّة يمكن أن يكون خطراً، حيث يؤدّي إلى الاختناق لأنّه يحلّ محلّ الأكسجين اللازم لعمليّة التنفّس.[76] سجّلت حالات وفاة ناتجة عن المبالغة في استنشاق الهيليوم، من بينهم أطفال وبالغين.[77][78][79]
إنّ استنشاق الهيليوم مباشرةً من الأسطوانات المضغوطة خطر جداً، حيث يمكن أن يؤدّي إلى حدوث رضح ضغطي نتيجة معدّل السرعة العالي للهيليوم المتدفّق، والذي يمكن أن ينجم عنه تمزّق مميت لأنسجة الرئتين.[76][80]
ينبغي اتّباع إجراءات الأمان اللازمة عند التعامل مع الهيليوم السائل، لأنّ درجة الحرارة المنخفضة يمكن أن تؤدّي إلى عضة برد. كما ينبغي الانتباه إلى ضرورة ضبط الضغط لأنّ نسبة تمدد السائل-إلى-الغاز المرتفعة يمكن أن تؤدّي إلى حدوث انفجارات إن لم يكن هناك صمّامات ضغط متوفّرة.
صور إضافية
صورة ثلاثية الأبعاد لذرة الهليوم.
انظر أيضاً
الهامش
|
وصلات خارجية
- عامة
- The Periodic Table of Videos - Helium
- US Government' Bureau of Land Management: Sources, Refinement, and Shortage. With some History of Helium.
- U.S. Geological Survey Publicationson Helium beginning 1996
- It's Elemental - Helium
- تفاصيل أكثر
- Helium at the Helsinki University of Technology; includes pressure-temperature phase diagrams for helium-3 and helium-4
- Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics - includes a summary of some low temperature techniques
- متفرقات
- Physics in Speech with audio samples that demonstrate the unchanged voice pitch
- Article about helium and other noble gases