الهيليوم

الهيليوم

الهيليوم (He) هو غاز خامل ، وهو العنصر الثاني في الجدول الدوري للعناصر ، وكذلك العنصر الثاني من حيث الخفة والانتشار في الكون إنه ينتمي إلى مواد بسيطة وتحت الظروف القياسية (درجة الحرارة والضغط القياسيان) هو غاز أحادي الذرة.

عنصر لا طعم له ، عديم اللون ، عديم الرائحة وخالٍ من السموم.

من بين جميع المواد البسيطة ، يحتوي على أقل نقطة غليان T = 4.216 K من المستحيل الحصول عليه الصلب عند الضغط الجوي ، حتى في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق  للانتقال إلى شكل صلب ، يحتاج إلى ضغط أعلى من 25 ضغطًا جويًا يوجد عدد قليل من المركبات الكيميائية للهيليوم وجميعها غير مستقرة في ظل الظروف القياسية.


يتكون الهليوم الموجود بشكل طبيعي من نظيرين مستقرين هو  نادر جدًا (وفرة نظيرية 0.00014٪) بنسبة 99.99986٪ لنظير 4He بالإضافة إلى 6 نظائر إشعاعية طبيعية للهيليوم معروفة أيضًا.
كان ظهور كل شيء تقريبًا في الكون هو التركيب النووي الأساسي الذي حدث في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم.


في الوقت الحاضر ، يتكون كله تقريبًا من الهيدروجين نتيجة اندماج نووي حراري يحدث في الأجزاء الداخلية للنجوم على كوكبنا ، يتشكل أثناء اضمحلال ألفا للعناصر الثقيلة هذا الجزء منه الذي يتمكن من التسرب عبر قشرة الأرض ، يخرج في تكوين غاز طبيعي ويمكن أن يصل إلى 7٪ من تركيبته لعزله من الغاز الطبيعي ، يتم استخدام التقطير التجزيئي  عملية فصل العناصر بدرجة حرارة منخفضة.

تاريخ اكتشافه

كان من المتوقع حدوث كسوف كلي للشمس في 18 أغسطس 1868 يستعد علماء الفلك حول العالم بنشاط لهذا اليوم كانوا يأملون في حل لغز البروز  النتوءات المضيئة التي كانت مرئية في وقت حدوث كسوف كلي للشمس عند حواف القرص الشمسي يعتقد بعض علماء الفلك أن البروز هي جبال قمرية عالية ، والتي كانت تضيء بأشعة الشمس وقت حدوث كسوف كلي للشمس يعتقد البعض الآخر أن البروز كانت جبال على الشمس نفسها ؛ لا يزال آخرون يرون السحب النارية للغلاف الجوي الشمسي في الإسقاطات الشمسية اعتقد الغالبية أن البروز ليس أكثر من خداع بصري.

في عام 1851 ، أثناء كسوف الشمس الذي لوحظ في أوروبا ، لم يرَ عالم الفلك الألماني شميدت النتوءات الشمسية فحسب ، بل تمكن أيضًا من رؤية خطوطها العريضة تتغير بمرور الوقت بناءً على ملاحظاته ، اعتقد شميدت إلى أن البروزات عبارة عن سحب غازية متوهجة تقذف إلى الغلاف الجوي الشمسي عن طريق الانفجارات العملاقة ومع ذلك ، حتى بعد ملاحظات شميدت ، ما زال العديد من علماء الفلك يعتبرون النتوءات النارية مجرد وهم.

فقط بعد الكسوف الكلي في 18 يوليو 1860 ، والذي لوحظ في إسبانيا ، عندما رأى العديد من علماء الفلك النتوءات الشمسية بأعينهم ، ولم يتمكن الإيطاليان Secchi والفرنسي Dellar من رسمها فحسب ، بل أيضًا تصويرها ، لا كان لدى المرء أي شك حول وجود البروز …

بحلول عام 1860 ، كان قد تم بالفعل اختراع مطياف – جهاز يجعل من الممكن  من خلال مراقبة الجزء المرئي من الطيف البصري ، تحديد التركيب النوعي للجسم ، الذي يتم الحصول على الطيف المرصود منه ومع ذلك ، في يوم كسوف الشمس ، لم يستخدم أي من علماء الفلك مطيافًا لعرض طيف البروزات لقد تذكروا الطيف عندما انتهى الكسوف بالفعل.

لهذا السبب  استعدادًا لكسوف الشمس في عام 1868 ، قام كل عالم فلك بتضمين مطياف في قائمة أدوات المراقبة لم ينس العالم الفرنسي الشهير Jules Janssen هذا الجهاز عندما انطلق لمراقبة البروزات في الهند ، حيث كانت الظروف لرصد كسوف الشمس ، وفقًا لحسابات علماء الفلك  

في الوقت الذي كان فيه قرص الشمس المتلألئ مغطى بالكامل بالقمر ، رأى جول يانسن ، وهو يفحص اللهب البرتقالي والأحمر المتسرب من سطح الشمس باستخدام مطياف  في الطيف ، بالإضافة إلى ثلاثة خطوط هيدروجين مألوفة الأحمر والأخضر والأزرق  و غير مألوف – أصفر لامع لم يكن لأي من المواد المعروفة للكيميائيين في ذلك الوقت مثل هذا الخط في جزء من الطيف حيث اكتشفه Jules Jansen نفس الاكتشاف ، ولكن في المنزل في إنجلترا ، قام به عالم الفلك نورمان لوكير.

تم  اكتشاف نفس “المادة الشمسية” هذه المادة الجديدة ، الموجودة على سطح الشمس بمساعدة مطياف ، اقترح لوكيير استدعاء الهيليوم من الكلمة اليونانية التي تعني “الشمس” – “هيليوس”

في عام 1895 ، لفت الكيميائي اللندني هنري مايرز انتباه ويليام رامزي ، الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي الشهير ، إلى المقال المنسي للجيولوجي هيلدبراند في هذه المقالة ، جادل هيلدبراند بأن بعض المعادن النادرة ، عند تسخينها في حمض الكبريتيك ، تطلق غازًا لا يحترق ولا يدعم الاحتراق من بين هذه المعادن النادرة كان kleveite ، الذي وجده في النرويجالمستكشف السويدي الشهير للمناطق القطبية.

قرر رامزي التحقيق في طبيعة الغاز الموجود في القرنفل في جميع متاجر المواد الكيميائية في لندن ،  بعد عزل عدة سنتيمترات مكعبة من الغاز من الكمية التي تم الحصول عليها من الكلفيت وتنقيته من الشوائب ، قام رامزي بفحصه باستخدام مطياف كانت النتيجة غير متوقعة الغاز المنطلق من القرنفل اتضح أنه … هيليوم!

غير واثق من اكتشافه ، لجأ رامزي إلى ويليام كروكسفي  بطلب للتحقيق في الغاز المنبعث من القرنفل.

image 27

فحص كروكس الغاز أكدت نتيجة الدراسة اكتشاف رامزي لذلك في 23 مارس 1895 ، تم اكتشاف مادة على الأرض تم العثور عليها على الشمس قبل 27 عامًا في نفس اليوم

بعد 15 يومًا من رامزي ، بشكل مستقل عنه ، قام الكيميائي السويدي لانجل بعزل الهيليوم من الكليفيت ، ومثل رامزي ، أبلغ الكيميائي بيرثيلوت عن اكتشافه للهيليوم.

للمرة الثالثة ، تم اكتشاف الهيليوم في الهواء ، حيث  وفقًا لرامزي ، كان يجب أن يأتي من معادن نادرة (كليفيت ، إلخ) أثناء التدمير والتحولات الكيميائية على الأرض.

كما تم العثور على كميات صغيرة من الهيليوم في مياه بعض الينابيع المعدنية لذلك  على سبيل المثال ، وجده رامزي في نبع كوتري العلاجي في جبال البرانس ، وجده الفيزيائي الإنجليزي جون ويليام رايلي في مياه الينابيع في منتجع باث الشهير ، اكتشف الفيزيائي الألماني كايزر الهيليوم في تتدفق الينابيع في جبال الغابة السوداء 

ومع ذلك ، تم العثور على الهيليوم في معظم المعادن تم العثور عليها في سامارسكايت ، فيرغسونيت ، كولومبيت ، مونازيتيورانيت يحتوي معدن الثوريانيت من جزيرة سيلان على كمية عالية بشكل خاص من الهيليوم. كيلوغرام من الثوريانيت  عند تسخينه باللون الأحمر ، يطلق 10 لترات من الهيليوم.

سرعان ما ثبت أن الهيليوم يوجد فقط في تلك المعادن التي تحتوي على اليورانيوم المشع والثوريوم. إن أشعة ألفا المنبعثة من بعض العناصر المشعة ليست أكثر من نوى ذرات الهيليوم.

اقرأ أيضاً: الذرات

تطبيقه

* الهيليوم مصدر مهم لدرجات الحرارة المنخفضة عند درجة حرارة الهيليوم السائل ، تكون الحركة الحرارية للذرات والإلكترونات الحرة في المواد الصلبة غائبة عمليا ، مما يجعل من الممكن دراسة العديد من الظواهر الجديدة ، على سبيل المثال ، الموصلية الفائقة في الحالة الصلبة.

* يستخدم غاز الهيليوم كغاز خفيف لملء البالونات.

* بما أن الهليوم غير قابل للاشتعال ، فإنه يضاف إلى الهيدروجين لملء غلاف المنطاد.

* نظرًا لأن الهليوم أقل قابلية للذوبان في الدم من النيتروجين ، يتم استخدام كميات كبيرة من الهيليوم في مخاليط التنفس للعمل تحت الضغط ، على سبيل المثال ، أثناء الغوص في البحر  وعند إنشاء أنفاق وهياكل تحت الماء  

* في علم المعادن كغاز خامل وقائي لصهر المعادن النقية

* مسجلة في الصناعات الغذائية كمضافات غذائية E939 ، كمادة دافعة وغاز تعبئة.

* تستخدم خلائطHe-O2  بسبب لزوجتها المنخفضة ، للتخفيف من نوبات الربو وأمراض الجهاز التنفسي المختلفة.

* يستخدم الهيليوم كوسيط خامل للحام القوسي وخاصة المغنيسيوم وسبائكه.

* عند استلام Si و Ge و Ti و Zr.

* لتبريد المفاعلات النووية.

* الاستخدامات الأخرى للهيليوم هي لتزييت المحامل بالغاز ، وعدادات النيوترونات (الهليوم -3) ، ومقاييس حرارة الغاز ، والتحليل الطيفي للأشعة السينية ، ومفاتيح الجهد العالي.

* مختلطًا مع الغازات النبيلة الأخرى ، ويستخدم الهيليوم في إعلانات النيون الخارجية (أنابيب تفريغ الغاز).

* الهليوم السائل مفيد لتبريد الموصلات الفائقة المغناطيسية ومسرعات الجسيمات والأجهزة الأخرى.

* الاستخدام غير المعتاد للهيليوم كمبرد هو عملية الخلط المستمرة لـ 3He و 4He لإنشاء درجات حرارة أقل من 0.005 كلفن والحفاظ عليها.

الهيليوم

وجوده في الطبيعة

يتشكل الهيليوم الأرضي بشكل أساسي أثناء التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم ومنتجاتها غير المستقرة من الاضمحلال يتم إنتاج كميات أصغر بشكل لا يضاهى من الهيليوم عن طريق التحلل البطيء للسماريوم 147 والبزموت كل هذه العناصر تولد فقط نظيرًا ثقيلًا من الهيليوم – He 4 ، يمكن اعتبار ذراته على أنها بقايا جسيمات ألفا مدفونة في غلاف من إلكترونين مقترنين – في مزدوج إلكتروني في الفترات الجيولوجية المبكرة

ربما كانت هناك سلسلة أخرى من العناصر المشعة بشكل طبيعي والتي اختفت بالفعل من على وجه الأرض ، مما أدى إلى تشبع الكوكب بالهيليوم كان أحدها هو صف النبتونيوم المعاد إنشاؤه صناعياً الآن.

من خلال كمية الهيليوم المحاصرة في صخرة أو معدن ، يمكن للمرء أن يحكم على عمره المطلق. تستند هذه القياسات إلى قوانين الاضمحلال الإشعاعي على سبيل المثال ، يتحول نصف اليورانيوم 238 في 4.52 مليار سنة إلى الهيليوم والرصاص.

يتراكم الهيليوم في قشرة الأرض ببطء طن واحد من الجرانيت ، يحتوي على 2 جرام من اليورانيوم و 10 جرام من الثوريوم ، ينتج فقط 0.09 مجم من الهيليوم في مليون سنة – نصف سنتيمتر مكعب في عدد قليل جدًا من المعادن الغنية باليورانيوم والثوريوم ، يكون محتوى الهيليوم مرتفعًا جدًا – بضعة سنتيمترات مكعبة من الهيليوم لكل جرام ومع ذلك ، فإن نسبة هذه المعادن في الإنتاج الطبيعي للهيليوم قريبة من الصفر ، لأنها نادرة جدًا.

يوجد القليل من الهيليوم على الأرض: يحتوي 1 م 3 من الهواء على 5.24 سم 3 فقط من الهيليوم  وكل كيلوغرام من المواد الأرضية يحتوي على 0.003 ملغ من الهيليوم ولكن من حيث الانتشار في الكون ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية بعد الهيدروجين يمثل الهيليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكونية يتركز حوالي نصف الهيليوم في قشرة الأرض

وبشكل أساسي في غلافها الجرانيتي ، الذي تراكم الاحتياطيات الرئيسية من العناصر المشعة محتوى الهيليوم في قشرة الأرض صغير – 3 × 10 -7 ٪ من الكتلة يتراكم الهيليوم في تراكمات الغازات الحرة في الأمعاء والزيوت ؛ تصل هذه الودائع إلى نسب صناعية أقصى تركيز للهيليوم ( 10-13تم اكتشاف٪) في تراكمات الغاز الحر وغازات مناجم اليورانيوم و (20-25٪) في الغازات المنبعثة تلقائيًا من المياه الجوفية كلما تقدم عمر الصخور الرسوبية الحاملة للغاز وكلما زاد محتوى العناصر المشعة فيها ، زاد الهيليوم في تكوين الغازات الطبيعية.