هلیوم: گاز اسرارآمیز با کاربردهای شگفت‌انگیز
گاز هلیوم: رازهای درون این گاز بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه
فرمول گاز هلیوم؛ساختار، ویژگی‌ها، کاربردها
سر ویلیام رمزی هلیوم را در شهر لندن در سال 1895 کشف کرد. پر کلوِ و نیلز لانگلت به‌طور مستقل آن را در سوئد کشف کردند. هلیوم نام خود را از کلمه یونانی “هلیوس” به معنی “نور” گرفته است. این کلمه به‌طور دقیق‌تر به معنی “خورشید” است. به‌دلیل اینکه این عنصر در نزدیکی خورشید کشف شد، نام هلیوم را به آن دادند. در سال 1868، یک ستاره‌شناس فرانسوی به نام ژول ژانسِن اولین شواهد هلیوم را در نزدیکی خورشید مشاهده کرد. یک دانشمند انگلیسی به نام ادوارد فرانکلند واژه “هلیوم” را مطرح کرد.
هلیوم چیست؟
هلیوم یک عنصر غیرسمی و غیرقابل اشتعال است. این عنصر با نماد He نمایانده می‌شود که همچنین فرمول شیمیایی گاز هلیوم است. شماره اتمی آن 2 است. هلیوم اولین گاز نجیب در جدول تناوبی است، به این معنی که یک گاز بی‌اثر است. این گاز مونواتمی هیچ رنگ، بوی یا طعمی ندارد. هلیوم اولین گازی بود که در خورشید کشف شد و کاربردهای متعددی در بخش‌های مختلف دارد. پس از هیدروژن، هلیوم دومین عنصر سبک و رایج در جهان است.
هلیوم به‌عنوان یک گاز بی‌اثر طبقه‌بندی می‌شود زیرا لایه بیرونی الکترون‌های آن شامل دو الکترون است. هلیوم همچنین در لیزرها، تانک‌های هوای فشرده و خنک‌کننده‌های رآکتورهای هسته‌ای یافت می‌شود. در میان تمام عناصر، هلیوم پایین‌ترین نقاط جوش و ذوب را دارد. همجوشی هسته‌ای هیدروژن در ستارگان مقدار زیادی هلیوم تولید می‌کند.
هلیوم یک عنصر است، به این معنی که فقط یک نوع اتم دارد، اتم هلیوم. علاوه بر این، اتم‌های هلیوم هرکدام دو پروتون دارند. اما تغییر تعداد پروتون‌ها باعث می‌شود هلیوم به یک عنصر کاملاً متفاوت تبدیل شود. هلیوم شماره اتمی 2 دارد زیرا هر اتم هلیوم شامل دو پروتون است.
ساختار هلیوم
هلیوم معمولاً به‌صورت یک گاز مونواتمی وجود دارد. ساختار الکترونیکی آن 1s² است. ساختار گاز هلیوم یک ساختار کریستالی فشرده‌شده است. هلیوم متعلق به دوره 1 گروه 18 است. هنگامی که در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، رنگ آن قرمز-نارنجی می‌شود.
طبق نظریه مداری مولکولی، فرمول هلیوم به‌صورت He₂ نوشته نمی‌شود. با این حال، فرمول گاز هلیوم He₂ گاهی اوقات درست است، زیرا در فاز مایع، نیروی وان در والس بین مولکول‌ها غالب می‌شود. در فشار معمولی، هلیوم مایع بدون توجه به دما به حالت جامد تبدیل نمی‌شود.
ایزوتوپ‌های هلیوم
یک اتم هلیوم از دو پروتون تشکیل شده است. تعداد نوترون‌ها بین ایزوتوپ‌ها تقسیم می‌شود. ایزوتوپ‌های شناخته‌شده هلیوم از He-3 تا He-9 هستند. بیشتر این ایزوتوپ‌ها چندین طرح شکست دارند که نوع شکست به انرژی کلی هسته و عدد کوانتومی کل مومنتوم زاویه‌ای آن بستگی دارد.
بنابراین، ایزوتوپ‌های پایدار هلیوم، هلیوم-3 و هلیوم-4 هستند. هلیوم-3 و هلیوم-4 به‌ترتیب با فراوانی‌های 0.0002 درصد و 99.9998 درصد وجود دارند. نسبت اتم‌های هلیوم-4 به هلیوم-3 در جو زمین تقریباً 1000000:1 است.
ویژگی‌های گاز هلیوم
ویژگی‌های فیزیکی
هلیوم گازی بی‌رنگ، بی‌بو و غیرقابل اشتعال است. علاوه بر این، هلیوم سبک‌تر از هوا است. این گاز همچنین کمی در آب حل می‌شود و شیمیایی بی‌اثر است.
هنگامی که این گاز حمل می‌شود، به‌صورت مایع است و بسیار سرد است. در واقع، آنقدر سرد است که هنگام حمل، تمام گازهای دیگر را منجمد می‌کند. تماس با هلیوم مایع می‌تواند منجر به یخ‌زدگی شدید شود. هلیوم مایع در تحقیقات کرایوژنی و همچنین به‌عنوان خنک‌کننده رآکتور هسته‌ای استفاده می‌شود.
هلیوم دارای نقطه جوش -268.928 درجه سانتی‌گراد است.
هلیوم دارای دمای نقطه ذوب -272.2 درجه سانتی‌گراد است.
این گاز در آب بسیار کم حل می‌شود، با حلالیت 0.97 میلی‌لیتر/100 میلی‌لیتر در دمای 0 درجه سانتی‌گراد و 1.08 میلی‌لیتر/100 میلی‌لیتر در دمای 50 درجه سانتی‌گراد.
این گاز همچنین در اتانول حل نمی‌شود. هلیوم دارای چگالی بخار نسبی 0.14 است (که در آن هوا = 1).
در دمای 20 درجه سانتی‌گراد، ویسکوزیته این گاز 1.953 است. هلیوم دارای ضریب تقسیم‌پذیری آکتانول/آب 0.28 LogP است.
ویژگی‌های شیمیایی
ساختار الکترونیکی هلیوم 1s² است.
انرژی یونش اول هلیوم 2372.3 کیلوژول بر مول است، در حالی که انرژی یونش دوم آن 5250.5 کیلوژول بر مول است.
شعاع وان در والس هلیوم 140 پیکومتر است.
انطالپی ذوب هلیوم 0.0138 کیلوژول بر مول است.
کاربردهای هلیوم
هلیوم عمدتاً در تحقیقات ارتفاع و بالن‌های هواشناسی استفاده می‌شود.
همچنین به‌عنوان یک گاز محافظ بی‌اثر در جوشکاری خودجوش استفاده می‌شود.
هلیوم تنها خنک‌کننده‌ای است که قادر است دما را به زیر 15 کلوین (-434 درجه فارنهایت) کاهش دهد.
هلیوم همچنین در ساخت کریستال‌های ژرمانیوم و سیلیکون مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هلیوم در شناسایی نشت لوله‌ها به‌دلیل توانایی نفوذ سریع‌تر از هوا از طریق مواد جامد استفاده می‌شود.
این گاز هلیوم همچنین به‌عنوان گاز حامل در کروماتوگرافی گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هلیوم مایع کاربردهای زیادی در کرایوژنی، تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی (MRI) و آهن‌رباهای ابررسانا به‌دلیل نقطه ذوب پایین خود دارد.
سوالات متداول درباره گاز هلیوم
1.هدف از استفاده هلیوم چیست؟
گاز هلیوم برای پر کردن بالن‌های تحقیقاتی، بالن‌های تحقیقاتی و بالن‌های جشن استفاده می‌شود. همچنین به‌عنوان یک مانع غیر فعال برای جوشکاری قوس الکتریکی، برای فشار دادن مخازن سوخت مایع در راکت‌های سوخت‌پایه و در تونل‌های باد فوق‌صوت استفاده می‌شود.
2. چرا نقطه ذوب هلیوم این‌قدر پایین است؟
به‌دلیل تعامل محدود بین اتم‌های گاز نجیب، هلیوم نقطه جوش پایینی دارد. شایان ذکر است که تعاملات میان‌مولکولی با افزایش اندازه اتم‌ها افزایش می‌یابد، به همین دلیل هلیوم نقطه جوش پایین‌تری نسبت به نئون دارد که قبل از آرگون و دیگر گازها قرار دارد.
3. آیا هلیوم در کاربردهای پزشکی استفاده می‌شود؟
گاز هلیوم می‌تواند برای درمان اختلالات تنفسی مانند آسم و آمفیزم استفاده شود. هلیوم مایع همچنین کاربرد پزشکی دارد، زیرا به‌عنوان یک محیط خنک‌کننده برای آهن‌رباها و استفاده در فرآیندهای اسکنر MRI و طیف‌سنجی NMR مورد استفاده قرار می‌گیرد.
4. هلیوم چه تأثیری بر سلامت انسان دارد؟
اگرچه هلیوم گازی غیرسمی است، اما تأثیرات مهمی بر سلامت دارد. هلیوم میزان اکسیژن ضروری برای بدن را کاهش می‌دهد. استنشاق زیاد هلیوم باعث سرگیجه، تهوع و استفراغ می‌شود. کاهش غلظت اکسیژن می‌تواند منجر به از دست دادن هوشیاری و مرگ شود که ممکن است بدون هشدار پیشین اتفاق بیافتد. به‌دلیل استنشاق هلیوم، ممکن است سردرگمی و از دست دادن قضاوت ایجاد شود. هلیوم یک عامل آسفیکسی است که ورود اکسیژن به بدن را کاهش می‌دهد.
5. منابع اصلی هلیوم کدامند؟
منابع زیرزمینی برای استخراج گاز هلیوم استفاده می‌شود. با این حال، این منابع به تدریج در حال کاهش هستند. هلیوم نمی‌تواند به‌طور شیمیایی تولید شود و تنها از طریق همجوشی تولید می‌شود که انرژی زیادی مصرف کرده و هزینه تولید بالایی دارد. هلیوم به‌عنوان محصول جانبی در نیروگاه‌های هسته‌ای یافت می‌شود. این یک منبع محدود است، بنابراین استفاده بهینه از آن بسیار مهم است.
هلیوم ممکن است از خورشید به‌دست آید. فرایندهای مداوم همجوشی و شکافت در خورشید هلیوم تولید می‌کند که آن را به منبع نهایی انرژی در منظومه شمسی تبدیل می‌کند.
6. آیا هلیوم قابل اشتعال است یا خیر؟
شاید شناخته‌شده‌ترین کاربرد هلیوم، استفاده از آن به‌عنوان یک گاز غیرقابل اشتعال و ایمن برای پر کردن بالن‌های جشن و پاراد است. با این حال، هلیوم جزء مهمی در بسیاری از زمینه‌ها از جمله تحقیقات علمی، تکنولوژی پزشکی، صنعت‌های پیشرفته، کاوش فضایی و دفاع ملی است.
نتیجه‌گیری
هلیوم یک گاز بی‌خطر است که کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف از جمله پزشکی، علم فیزیک، هوافضا و صنعت دارد. این گاز به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد خود، نظیر نقطه جوش و ذوب پایین، غیرقابل اشتعال بودن و بی‌اثر بودن شیمیایی، به یکی از ضروریات صنایع پیشرفته تبدیل شده است. با این حال، به‌دلیل محدودیت منابع هلیوم، مدیریت بهینه و استفاده دقیق از این گاز اهمیت زیادی دارد.
گرد آوری:بخش علمی موزستان
